[發(fā)明專利]一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810029905.6
• 申請日: 2008-07-31
• 公開（公告）號: CN101328591A
• 公開（公告）日: 2008-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張小弟;李偉善;張慶龍;岳鹿
• 申請（專利權(quán)）人: 華南師范大學(xué)
• 主分類號: C25B11/00
• 分類號: C25B11/00;C25B1/30
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 楊曉松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池膜電極技術(shù)，特別涉及一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極及其制備方法。?

背景技術(shù)

過氧化氫是一種對環(huán)境友好的多功能氧化劑，在工業(yè)上有著很廣泛的用途，例如用作造紙過程中紙漿的漂白劑，環(huán)保有機電合成的氧化劑和燃料電池等。隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，過氧化氫的市場需求量將不斷猛增。目前工業(yè)上所采用的過氧化氫生產(chǎn)方法，主要有蒽醌法、空氣陰極法、甲基芐基醇氧化法、氧氫直接合成法和異丙醇氧化法等。這些方法各有優(yōu)缺點，有待進一步完善。此外，還有電化學(xué)氧還原法合成過氧化氫，由于其方法簡單、可以現(xiàn)場生成及環(huán)保等特點，近年來受到相當(dāng)大的注意。?

電化學(xué)氧還原法合成過氧化氫是通過氧的陰極還原法來實現(xiàn)的，傳統(tǒng)上使用的陰極材料，一般為板式石墨電極、石墨氣體擴散電極、多孔石墨電極等，由于氧的傳質(zhì)效果差，電流效率低，所產(chǎn)生過氧化氫的速率不高，同時由于所構(gòu)成的反應(yīng)器內(nèi)阻較大，耗能較大。?

目前為了克服電化學(xué)氧還原法合成過氧化氫過程中存在的問題，如氧的傳質(zhì)效果差，電流效率低，所產(chǎn)生過氧化氫的速率低等，研究者大部分注意力都集中在反應(yīng)器的設(shè)計、電極材料、電極材料的改性和電解液中添加催化劑上，而對電極組裝方面的研究相對較少。同時，很多的文獻和專利報道對于膜電極在電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫方面的研究與應(yīng)用，采用的膜都是杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜，但是Nafion膜的成本相對比較高，很大程度上限制了膜電極在電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫方面的工業(yè)化應(yīng)用。?

目前，膜電極(MEA)主要作為燃料電池的核心部件，該種電極一般在膜的兩側(cè)包括一個陽極和陰極，由于效率高、耗能小、催化劑用量少和操作靈活等優(yōu)點，近年來受到許多研究者的青睞，并在燃料電池領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有燃料電池中制膜技術(shù)存在的缺點，提供一種成本低、工藝簡單、高效節(jié)能且陰陽極連體的電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極。?

本發(fā)明的另一目的在于提供制備上述電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極的方法。?

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極，包括陰極催化劑支撐層、陽極催化劑支撐層、陰極催化層、陽極催化層和電解質(zhì)膜；所述陰極催化層結(jié)合于陰極催化劑支撐層上形成膜電極陰極面；所述陽極催化層結(jié)合于陽極催化劑支撐層上形成膜電極陽極面；所述膜電極陰極面及膜電極陽極面同時結(jié)合于電解質(zhì)膜的兩側(cè)面，形成本發(fā)明電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極。?

所述陰極催化劑支撐層、陽極催化劑支撐層都為商業(yè)售的碳紙；所述陽極催化層由電沉積法在陽極催化劑支撐層上沉積薄層納米級的Pt組成；所述陰極催化層由碳紙作為陰極催化劑支撐層，充當(dāng)氣體擴散層，然后在碳紙上涂覆經(jīng)過凈化或載有催化劑的碳納米管組成；所述電解質(zhì)膜是普通的市售陽離子交換膜。?

一種制備上述電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極的方法，其特征在于包括下述步驟：?

(1)制備膜電極陽極面；其操作步驟為：首先將陽極催化劑支撐層進行預(yù)處理后，置于注有含低濃度2～10mM的H₂PtCl₆電解質(zhì)溶液的電解池中，采用電沉積工藝，在陽極催化劑支撐層上沉積薄層納米級Pt顆粒的催化層，然后通過熱壓法，使之與經(jīng)過預(yù)處理清除表面雜質(zhì)的電解質(zhì)膜粘合，即可獲得膜電極陽極面。?

(2)制備膜電極陰極面；首先將經(jīng)過凈化或載有催化劑的碳納米管，以異丙醇作為溶劑，均勻地分散于聚四氟乙烯(PTFE)中，制得催化劑墨水；再將催化劑墨水涂覆于預(yù)處理過的碳紙，即陰極催化劑支撐層上，烘干，即可制得膜電極陰極面。?

(3)用熱壓的方式將膜電極陰極面粘附于上述的已附有膜電極陽極面的電解質(zhì)膜的另一側(cè)面，膜電極的陰極面便組裝完畢，即形成本發(fā)明電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極。?

使用本發(fā)明電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫自組裝膜電極時，在膜電極兩側(cè)依次加上?不銹鋼網(wǎng)電流收集器和有關(guān)結(jié)構(gòu)支架，夾緊即可構(gòu)成過氧化氫發(fā)生器，使用非常方便。?

其中，步驟(1)具體可包括下述步驟：?

(1-1)碳紙的預(yù)處理：將碳紙浸泡于PTFE乳液中1～3小時，然后在240～300℃下熱處理0.5～1h；以除去PTFE乳液中的表面活性劑，即可制得經(jīng)PTFE憎水處理過的碳紙；所述PTFE乳液中干態(tài)PTFE的含量為5～15％；?