本發(fā)明涉及一種在有序擴散層上構(gòu)建立體催化劑層的pemec電極及制備方法，屬于電解水。

背景技術(shù)：

1、制氫作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游，決定了氫能源屬性和用氫成本。其中質(zhì)子交換膜(pem)電解槽(pemec)因電流密度大、氫氣純度高和快速動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點，是最有前途的綠氫制備技術(shù)之一。電解池中的核心部件是電極，它由pem、催化劑層、擴散層(ptl)組成，其中pem起到傳遞質(zhì)子的作用，pem兩側(cè)的催化劑層是水電解反應(yīng)發(fā)生的場所，催化劑層外側(cè)的ptl進行電子傳導(dǎo)和水/氣傳輸。

2、由于pemec使用全氟膜材料導(dǎo)致電解質(zhì)酸性較高，出于催化活性和耐久性考慮，陽極通常用高含量的iro2(2-4mg·cm-2)。ir的成本很高，因此，在保證低ir用量的同時提高電解水制氫效率至關(guān)重要。

3、目前最常見的膜電極制備方式是將催化劑涂覆在pem上得到ccm膜電極，其催化劑層為平面結(jié)構(gòu)，而ptl則是立體結(jié)構(gòu)，需要高催化劑載量以增加催化劑層厚度，才能實現(xiàn)催化劑層與ptl之間的接觸，催化劑利用率低造成浪費。此外，還可以將催化劑涂覆在ptl上得到多孔傳輸電極(pte)，此時催化劑層貼合ptl表面形成三維結(jié)構(gòu)，雖然可以大幅降低ir用量，但在不規(guī)則的ptl溝槽處會形成催化劑孤島導(dǎo)致電解水性能衰減。

4、為了解決上述問題，亟需一種提高電極中催化劑層接觸面積的設(shè)計方式。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種pemec電極及其制備方法，通過在電極的擴散層之上構(gòu)造微結(jié)構(gòu)，能夠提高催化劑層與擴散層的接觸面積和結(jié)合強度，進而提高電極的電解水性能。

2、為達到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種在有序擴散層上構(gòu)建立體催化劑層的pemec電極，其中，該pemec電極的擴散層具有立體化微觀結(jié)構(gòu)，所負(fù)載的催化劑層為立體催化劑層；

3、所述立體化微觀結(jié)構(gòu)包括機械壓紋、激光雕刻和不規(guī)則的化學(xué)腐蝕形狀中的一種或兩種以上的組合。

4、在上述pemec電極中，優(yōu)選地，所述立體化微觀結(jié)構(gòu)包括：模具機械壓紋(刀刃狀，寬度為10-30μm，刃間距為20-100μm，壓紋排布方式為平行狀和/或交錯狀，所述交錯狀是指壓紋相互之間以一定夾角交叉分布，例如30-90°)，多種形狀的激光雕刻形狀(四邊形、圓形等，也可稱為紋路)和不規(guī)則的化學(xué)腐蝕形狀中的一種或兩種以上的組合。其中，寬度為10μm交錯狀排布的機械壓紋表現(xiàn)出最佳的電解水活性。

5、在上述pemec電極中，優(yōu)選地，所述擴散層為鈦網(wǎng)，目數(shù)為40-600目(更優(yōu)選為200目)，厚度為0.1-1.0mm(更優(yōu)選為0.4mm)。

6、在上述pemec電極中，優(yōu)選地，所述催化劑層的材料為iro2，負(fù)載量為0.5-4mg·cm-2，更優(yōu)選為2mg·cm-2。

7、本發(fā)明還提供了上述在有序擴散層上構(gòu)建立體催化劑層的pemec電極的制備方法，其包括以下步驟：

8、在擴散層上形成立體化微觀結(jié)構(gòu)，然后涂覆催化劑層，形成立體催化劑層，得到所述pemec電極。

9、在上述制備方法中，優(yōu)選地，所述立體化微觀結(jié)構(gòu)是通過物理和/或化學(xué)的方式形成的。

10、在上述制備方法中，優(yōu)選地，所述物理的方式包括壓印和/或激光刻蝕。

11、在上述制備方法中，優(yōu)選地，當(dāng)采用壓印的方式時，所采用的模具為刀刃狀模具，該模具包括兩片相對的平板，每一塊平板之上分布有若干刀刃狀的結(jié)構(gòu)(例如圖3所示)，其中，所述刀刃狀的底邊長為1mm，高度為1mm，刃間距為1mm，刀刃狀結(jié)構(gòu)平行分布；在壓印時所采用的壓強為2-10mpa。通過控制壓印的具體工藝參數(shù)，可以調(diào)控ptl壓紋的形狀尺寸，從而獲得具有不同壓紋的ptl基底，進一步涂覆催化劑層從而得到具有立體催化劑層的pte。

12、在上述制備方法中，優(yōu)選地，所述化學(xué)的方式包括化學(xué)腐蝕，例如采用氫氟酸、氟化銨、氟化氫銨、氫氟酸、氟化鋰、氟化鈉、氟化鉀中的一種或兩種組合進行刻蝕。優(yōu)選地，采用濃度0.1mol/l的氫氟酸進行浸泡，用量為100mg鈦網(wǎng)采用40ml氫氟酸。

13、本發(fā)明所提供的上述pemec電極由質(zhì)子交換膜、兩層催化劑層、兩層擴散層組成，其中，兩層催化劑層分別位于質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，兩層擴散層分別位于兩層催化劑層的外側(cè)，在制備過程中，先采用本發(fā)明所提供的方法獲得具有立體催化劑層的擴散層，再將其分別負(fù)載到質(zhì)子交換膜的兩層，從而得到pemec電極。

14、本發(fā)明提供的技術(shù)方案采用物理、化學(xué)等方式，預(yù)先在ptl基底上構(gòu)造立體化微觀結(jié)構(gòu)，再基于該ptl基底涂覆催化劑層，制備具有立體催化劑層的pte，省去了針對催化劑微觀結(jié)構(gòu)的材料工藝設(shè)計，提高了催化劑層與ptl之間的接觸面積，進而提高電解水性能。

15、本發(fā)明的技術(shù)方案能夠帶來以下有益效果：

16、(1)本發(fā)明制備的pte僅需要在傳統(tǒng)pte制備基礎(chǔ)上，對ptl進行一步預(yù)先處理，而且不需要高溫條件或電化學(xué)反應(yīng)參與，工藝簡單，流程清晰。

17、(2)本發(fā)明制備的pte具有立體化微觀結(jié)構(gòu)，有助于增加電解水活性面積從而提高堿性oer活性。

18、(3)本發(fā)明制備的pte在pemec中表現(xiàn)出超過標(biāo)準(zhǔn)多孔傳輸電極的電解水活性。

技術(shù)特征：

1.一種在有序擴散層上構(gòu)建立體催化劑層的pemec電極，其中，該pemec電極的擴散層具有立體化微觀結(jié)構(gòu)，所負(fù)載的催化劑層為立體催化劑層；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的pemec電極，其中，所述機械壓紋包括刀刃狀壓紋，所述刀刃狀壓紋的寬度為10-30μm、刃間距為20-100μm，壓紋排布方式為平行狀和/或交錯狀。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的pemec電極，其中，所述擴散層為鈦網(wǎng)，目數(shù)為40目至600目，優(yōu)選為200目，厚度為0.1mm-1.0mm，優(yōu)選為0.4mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的pemec電極，其中，所述催化劑層的材料為iro2，負(fù)載量為0.5-4mg·cm-2，優(yōu)選為2mg·cm-2。

5.權(quán)利要求1-4任一項所述的在有序擴散層上構(gòu)建立體催化劑層的pemec電極的制備方法，其包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其中，所述立體化微觀結(jié)構(gòu)是通過物理和/或化學(xué)的方式形成的。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，所述物理的方式包括壓印和/或激光刻蝕。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其中，所述壓印所采用的模具為刀刃狀模具，所述刀刃狀的底邊長為1mm，高度為1mm，刃間距為1mm；刀刃平行分布。

9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的制備方法，其中，所述壓印所采用的壓強為2-10mpa。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，所述化學(xué)的方式包括化學(xué)腐蝕。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種在有序擴散層上構(gòu)建立體催化劑層的PEMEC電極及制備方法。該PEMEC電極的擴散層具有立體化微觀結(jié)構(gòu)，所負(fù)載的催化劑層為立體催化劑層；所述立體化微觀結(jié)構(gòu)包括機械壓紋、激光雕刻和不規(guī)則的化學(xué)腐蝕形狀中的一種或兩種以上的組合。本發(fā)明提供的技術(shù)方案采用物理、化學(xué)等方式，預(yù)先在PTL基底上構(gòu)造立體化微觀結(jié)構(gòu)，再基于該PTL基底涂覆催化劑層，制備具有立體催化劑層的PTE，省去了針對催化劑微觀結(jié)構(gòu)的材料工藝設(shè)計，提高了催化劑層與PTL之間的接觸面積，進而提高電解水性能。

技術(shù)研發(fā)人員：張君宇,楊福源,楊明燁
受保護的技術(shù)使用者：清華大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9