[發明專利]一種電解池用膜電極的制備及膜電極和應用

在審

• 申請號: 201610861729.7
• 申請日: 2016-09-29
• 公開（公告）號: CN107881528A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 俞紅梅;遲軍;賈佳;高學強;覃博文;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B11/02
• 分類號: C25B11/02;C25B11/06;C25B1/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

1.一種電解池用膜電極的制備方法，其特征在于：所述膜電極為“五層”的夾層結構，包括依次層疊的陰極氣體擴散層、陰極催化層、質子交換膜、陽極催化層、以及陽極氣體擴散層；所述膜電極的制備遵循以下步驟：

(1)首先分別稱取所需陰極催化劑、陽極催化劑，再按照催化劑與Nafion按照4:1～7:1的質量比分別混合在分散劑中，催化劑與分散劑的質量比為1:10～1:40，將混合好的漿料超聲混合10～30min，分別噴涂于質子交換膜的兩側，在膜兩側獲得催化劑覆膜電極；分散劑為乙醇、異丙醇、正丙醇中的一種或二種以上，分散劑將催化劑顆粒與Nafion均勻混合在一起；

(2)用中空的、環形的兩片封閉材料將步驟(1)中制得的催化劑覆膜電極的四周邊緣夾住，使步驟(1)中制得的催化劑覆膜電極處于兩片封閉材料之間，且催化劑覆膜電極的四周邊緣均被兩片封閉材料夾持固定，并在封閉材料陰極催化層一側的中空部位的陰極催化層上放置碳紙氣體擴散層，碳紙氣體擴散層與封閉材料的中空環形區域厚度相同、面積相等、形狀相同、即規格一致；在封閉材料陽極催化層一側的中空部位的陽極催化層上放置一片與封閉材料中空區域厚度相同、面積相等、形狀相同、即規格一致的聚四氟乙烯薄片；

(3)將被兩片封閉材料夾持的催化劑覆膜電極用兩片聚四氟乙烯薄膜夾住，使兩片封閉材料及它們中的催化劑覆膜電極均處于兩片聚四氟乙烯薄膜之間，并將夾住催化劑覆膜電極的兩片聚四氟乙烯薄膜放置于兩片金屬夾板之間；將金屬夾板置于40～100℃的油壓機之中熱壓0.5～5min；熱壓完畢后取下金屬夾板、聚四氟乙烯薄片、聚四氟乙烯薄膜，在封閉材料陽極催化層一側的中空部位的陽極催化層上放置與封閉材料中空區域厚度相同、面積相等、形狀相同、即規格一致的多孔鈦板，即可獲得膜電極組件。

2.按照權利要求1所述的膜電極制備方法，其特征在于：制備的膜電極分為“五層”夾層結構，包括質子交換膜、位于膜兩側的陰/陽極催化層，以及位于陰/陽極催化層外表面的陰/陽極氣體擴散層。

3.按照權利要求1所述的膜電極制備方法，其特征在于：步驟(1)所述的噴涂操作均在熱臺上進行，熱臺溫度維持恒定在40～80℃。

4.按照權利要求1所述的膜電極制備方法，其特征在于：步驟(1)所述陰/陽極催化劑選自貴金屬Pt、Pd、Ru、Rh、Ir中的一種或二種以上的負載型或未負載的純金屬納米顆粒中的一種或二種以上，所述催化劑擔載量為0.5～3.0mg/cm²。

5.按照權利要求1所述的膜電極制備方法，其特征在于：步驟(2)中兩片封閉材料中空區域內框大小和/或形狀不同，其是為了避免在油壓機上進行熱壓時封閉材料內框邊緣產生過大的剪切應力將膜撕裂。

6.按照權利要求1所述的膜電極制備方法，其特征在于：

選用的封閉材料可以是聚酯框或橡膠框等密封材料；

選用的質子交換膜是以Nafion膜為代表的質子交換膜，如Nafion 117或Nafion 211等；

所選用的陰極氣體擴散層為厚度0.2～0.3mm的增水化處理的碳紙；陽極氣體擴散層為厚度0.7～0.8mm的鍍鉑多孔鈦板。

7.按照權利要求1所述的膜電極制備方法，其特征在于：步驟(3)所述熱壓過程使用的壓強為0.1～0.5MPa，熱壓溫度為100～140℃，熱壓時間為60～90s。

8.按照權利要求1所述的噴涂操作，其特征在于：步驟(1)所述噴涂操作所用噴槍氣源為惰性氣體，如氮氣和/或氬氣，噴涂壓強控制在0.05～0.2MPa。

9.一種權利要求1-8任一所述制備方法制備的膜電極。

10.一種權利要求9所述膜電極的應用，其特征在于：制備得到的所述膜電極可應用于RFC、光電催化、PEM水電解池或酸性水電解氫氣發生器中。