[發明專利]一種有序超薄膜電極、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201811282545.0
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109509888B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 宋玉江;劉會園;秦嘉琪
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/94;H01M4/88
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明提供了一種有序超薄膜電極、制備方法及應用。將離子交換膜置于反應器中，向反應器中加入金屬前驅體、配位劑和還原劑的混合溶液，金屬在離子交換膜的一側或兩側同時或分步成核生長，制備有序超薄膜電極。有序超薄膜電極的催化劑層為分枝狀金屬材料組成。本發明所構建的有序超薄膜電極具有催化劑擔載量低、利用率高和制備方法快速簡易等優點。所制備的膜電極可用于電解池、燃料電池、傳感器、氣體純化分離器或膜分離的電化學反應器。

技術領域

本發明屬于電化學領域(膜電極制備技術)，具體為一種有序超薄膜電極、制備方法及其應用。所制備的膜電極可用于電解池、燃料電池、傳感器、氣體純化分離器或膜分離的電化學反應器。

背景技術

膜電極(由離子交換膜和催化劑層構成)是聚合物膜燃料電池和固體聚合物電解池的核心元件，其結構和性能直接影響了燃料電池或電解池的性能。優化膜電極的制備方法進而優化其結構和性能是提高燃料電池或電解池性能的重要途徑之一。傳統膜電極的發展主要經歷了兩個階段(S.S.Kocha,Principles of MEA preparation,John WileySons,Ltd,2003)，第一個階段是以聚四氟乙烯(PTFE)為粘結劑的厚催化劑層，其制備過程為將一定比例的催化劑(Pt/C)和PTFE的水溶液混合均勻后采用絲網印刷、刮涂、刷涂或噴涂等方法將其涂覆到氣體擴散層上，制備得到氣體擴散電極(gas diffusion electrode,GDE)，將離子交換膜置于兩GDE間熱壓得到膜電極組件，由于PTFE不能傳導質子，導致電極反應只能發生在離子交換膜和催化劑層的界面上，催化劑的利用率極低；第二個階段是以Nafion樹脂為粘結劑的薄層催化劑層，由于Nafion樹脂可以傳導質子，使得電極反應由離子交換膜和催化劑層的界面擴展到了整個電極，實現了電極的立體化，提高了催化劑的利用率，同時提高了膜電極的性能，目前薄層催化劑層的制備方法可以分為GDE法和CCM法(catalystcoated membrane,CCM)，與GDE法不同，CCM法是將催化劑層直接涂覆到離子交換膜上，此方法促進了催化劑層與離子交換膜的接觸，降低了二者的接觸電阻，電池性能優于GDE法。由于薄層催化劑層中催化劑、質子導體(Nafion樹脂)和氣孔(氣體和水的傳輸通道)處于無序狀態，不利于構筑三相反應界面(質子通道、電子通道和氣體通道)，傳質阻力較大，催化劑的利用效率仍較低。為了增大催化劑層中的三相反應界面和促進催化劑層的傳質，新型的膜電極結構即有序化膜電極(ordered MEAs)被提出(E.Middelman,Improved PEM fuelcell electrodes by controlled self-assembly,Fuel Cells Bulletin,2002,9)。

美國3M公司前瞻性的提出了一種以納米薄膜電極(nanostructured thin film，NSTF)為催化劑層的有序化膜電極(M.K.Debe,Tutorial on the FundamentalCharacteristics and Practical Properties of Nanostructured Thin Film(NSTF)Catalysts,Journal of the Electrochemical Society,2013,160)，NSTF電極以一種有機納米晶須陣列為載體，然后在其表面采用物理濺射的方法沉積一層連續的Pt或Pt基合金薄膜，最后通過熱壓的方法轉印到離子交換膜上，制備得到有序化膜電極，催化劑層的厚度為200～600nm，是傳統催化劑層厚度的1/10～1/50，有效降低傳質阻力并提高催化劑的利用率。