[發明專利]一種用于固體聚合物水電解器的有序膜電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201810523201.8
• 申請日: 2018-05-28
• 公開（公告）號: CN108677209B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 閆常峰;郭莉莉;史言;盧卓信;郭常青;王志達;譚弘毅
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: C25B1/10
• 分類號: C25B1/10;C25B9/10;C25B11/03;C25B11/08;C25D11/26
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 方燕;莫瑤江

本發明公開了一種用于固體聚合物水電解器的有序膜電極及其制備方法。該制備方法包括如下步驟：(1)在鈦片基底上制備氧化鈦納米管陣列，并將氧化鈦納米管陣列置于氨氣氣氛中煅燒得到氮氧化鈦納米管陣列；(2)在氮氧化鈦納米管陣列上負載貴金屬催化劑得到氮氧化鈦納米管陣列，熱壓至固體聚合物膜的一側；(3)重復上述(1)和(2)過程，在固體聚合物膜另一側熱壓結合負載有貴金屬催化劑的氮氧化鈦納米管陣列；(4)通過刻蝕對固體聚合物膜兩側的負載有貴金屬催化劑的氮氧化鈦納米管陣列進行背部開孔，得到有序膜電極。本發明提出的用于固體聚合物水電解器的有序膜電極在固體聚合物膜兩側制備背部開孔的氮氧化鈦納米管陣列，獲得有序膜電極可以有效提高SPE水電解器效率。

技術領域：

本發明屬于聚合物水電解制氫領域，具體涉及一種用于固體聚合物水電解器的有序膜電極及其制備方法。

背景技術：

在電解水技術中，固體聚合物電解池技術(solid polymer electrolyte,SPE)因具有無污染、效率高、安全性高、結構簡單、性能穩定且壽命長等優點，而被認為是具有前景的電解水制氫技術。由于固體聚合物在水溶液中呈強酸性，用于電解池的催化劑主要是貴金屬催化劑，目前減少貴金屬載量是固體聚合物電解池技術的研究重點。

膜電極組件是發生反應的主要場所，是SPE水電解器的核心部件。有序納米結構的膜電極可以有效提高電化學反應面積，降低貴金屬催化劑用量，減小質子、電子以及反應產物的傳輸阻力，從而提高電解水效率。ZL201210376004.0公開了一種復合電解質膜和催化劑層組成的新型有序化膜電極，所述復合電解質膜為貴金屬合金修飾的質子交換膜，所述催化層為有序化催化層，由復合電解質膜金屬層表面有序化陣列排布的導電聚合物納米線及附著于導電聚合物納米線表面Nafion自組裝的Pt-PDDA催化劑組成。有序化膜電極可以降低貴金屬載量，可有效降低電解池催化劑成本。

但是目前還沒有關于非貴金屬納米管陣列負載貴金屬催化劑的有序膜電極的報道。很多非貴金屬納米管陣列與基底剝離的方法得到的一般都是封孔納米管，如果將其直接應用到固體聚合物電解池中則會影響到氣體的擴散與排出，電催化效率低下。膜電極作為是固體聚合物水電解器的核心部件，其結構設計對水電解器的電解效率具有重要意義。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種用于固體聚合物水電解器的有序膜電極及其制備方法，本發明提出的用于固體聚合物水電解器的有序膜電極在固體聚合物膜兩側制備了背部開孔的氮氧化鈦納米管，獲得的有序膜電極可以有效提高SPE水電解器效率。

本發明的第一個目的是提供一種用于固體聚合物水電解器的有序膜電極的制備方法，包括如下步驟：

(1)在鈦片基底上制備氧化鈦納米管陣列，并將氧化鈦納米管陣列置于氨氣氣氛中煅燒得到氮氧化鈦納米管陣列；

(2)在步驟(1)得到的氮氧化鈦納米管陣列上負載貴金屬催化劑得到載有貴金屬催化劑的氮氧化鈦納米管陣列，將負載有貴金屬催化劑的氮氧化鈦納米管陣列熱壓至固體聚合物膜的一側；

(3)重復上述(1)和(2)過程，在所述的固體聚合物膜另一側熱壓結合負載有貴金屬催化劑的氮氧化鈦納米管陣列；

(4)通過刻蝕對固體聚合物膜兩側的負載有貴金屬催化劑的氮氧化鈦納米管陣列進行背部開孔，得到負載有貴金屬催化劑的兩側開孔氮氧化鈦納米管陣列有序膜電極。

傳統的膜電極通常是由陰極催化劑Pt/C、陽極催化劑IrO₂及固體聚合物膜構成，在組裝電解池測試中，本發明制備的有序膜電極的電壓要低于傳統膜電極的電壓。