[發明專利]一種電解用膜電極催化層微觀結構的優化方法

在審

• 申請號: 201710333235.6
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN108878930A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 俞紅梅;遲軍;高學強;賈佳;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: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/88;C25B1/04;C25B11/06;C25B11/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種電解用膜電極催化層微觀結構優化方法，其特征在于：通過調整催化層中的Nafion與催化劑的比例，來實現對催化層微觀結構的優化；所述催化層優化方法遵循以下步驟：

(1)將陰和陽極催化劑分別與Nafion按照質量比5:1～8:1的比例混合，混合物中添加有分散劑，通過分散劑將催化劑顆粒與Nafion均勻混合在一起，超聲分散10～30min，制得均勻混合的陰極催化劑漿料和陽極催化劑漿料，將所述催化劑漿料分別噴涂于質子交換膜的兩側，制得催化劑覆膜電極；

(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，兩片封閉材料的中空區域分別位于催化劑覆膜電極相對應的左右二側，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形狀相同面積等大且規格一致；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形狀相同面積等大且規格一致的聚四氟乙烯薄片；

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85～140℃的油壓機之中熱壓60～90s；熱壓完畢后取下金屬夾板、聚四氟乙烯薄片，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形狀相同面積等大且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：當將陰/陽極催化劑、Nafion按照質量比5:1～8:1的比例混合之后，可將制備后催化層的微觀孔結構的平均孔徑調整到80～120nm左右；比孔容控制在0.05～0.1mL g^-1以上。

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)所述陰/陽極催化劑選自貴金屬Pt、Pd、Ru、Rh、Ir或非貴金屬Ni、Co、Mo中的一種或二種以上為活性成分的負載型催化劑或未負載的活性成分純金屬納米顆粒中的一種或二種以上，所述質子交換膜兩側分別的催化劑擔載量為0.5～3.0mg/cm²。

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(2)中所述催化劑與Nafion的質量比為5:1～8:1，此時制備后催化層微觀孔結構最為合適，電極性能最優；催化劑與分散劑的質量比為1:10～1:40；分散劑為乙醇、異丙醇、正丙醇中的一種或二種以上。

5.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中的一種或二種以上密封材料；

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。

6.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85～140℃，熱壓時間為60～90s。

7.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，如氮氣與氬氣中的一種或二種，噴涂壓強控制在0.05～0.2MPa；

步驟(1)噴涂操作在熱臺上進行，熱臺溫度維持恒定在55～85℃。

8.按照權利要求1-7任一所述的膜電極制備方法，其特征在于：制備得到的所述膜電極可應用于RFC、光電催化、或質子交換膜水電解池中。