[發明專利]一種用于二氧化碳還原的梯度微孔層氣體擴散層及其制備方法

在審

• 申請號: 202211518451.5
• 申請日: 2022-11-30
• 公開（公告）號: CN116314853A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 柯長春;萬琦琪;章俊良;莊小東;張龍海;蔣文星;袁磊
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/0234
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明涉及一種用于二氧化碳還原的梯度微孔層氣體擴散層及其制備方法。所述氣體擴散層包括基底層和梯度微孔層；所述梯度微孔層包括沿其厚度方向上具有不同親疏水性的多個微孔子層；沿遠離基底層的方向各所述微孔子層的疏水性呈梯度減小趨勢。本發明提出的梯度微孔層氣體擴散層適用于二氧化碳還原技術領域，利用不同疏水劑含量的微孔子層構建疏水性梯度變化的微孔層，用不同微孔子層之間碳材料的相互填充形成小于0.1μm的小孔，該梯度微孔層氣體擴散層制備操作簡單可重復，有很高的應用價值。

技術領域

本發明涉及一種用于二氧化碳還原的梯度微孔層氣體擴散層及其制備方法，尤其涉及一種具有疏水性梯度變化的多層微孔層式氣體擴散層及其制備方法。

背景技術

由可再生電力驅動的二氧化碳還原技術開辟了將溫室氣體主要成分二氧化碳轉化為增值化學原料或燃料的可能性，被認為是實現國家碳中和、碳達峰“雙碳”戰略的有效措施。此外，利用二氧化碳作為化學品生產的原料可以減輕對化石燃料資源的依賴，具有環境和經濟的雙重效益。

應用氣體擴散層的氣體擴散電極與浸泡于液體電解質的平面金屬電極相比，二氧化碳通過氣體擴散層到達催化劑表面的擴散路徑(～50nm)比通過本體電解質到達催化劑表面的擴散路徑(～50μm)小了約3個數量級。二氧化碳運輸的改進使得具有氣體擴散層的電解槽能實現更大的電流密度，更有利于將二氧化碳還原規模擴大到工業相關水平。

氣體擴散電極(GDE)由基底層(CFS)、微孔層(MPL)和催化劑層(CL)組成，其中，氣體擴散層是一種導電、導氣、導熱、導水的復雜多孔結構。更具體地，微孔層通過形成平坦且堅固的填平層來降低基底層和催化劑層之間的接觸電阻，并且是保持液相和氣相有效運輸的關鍵。理想的微孔層需要有合適的孔徑分布以及親疏水性，以避免液體電解質滲透到氣體擴散層中堵塞氣體運輸通道，增強二氧化碳向活性催化劑位點運輸的有效性，從而提升二氧化碳還原性能。

CN114481184A公開了一種用于二氧化碳電化學還原的氣體擴散層及其制備方法，通用疏水劑調控基底層和微孔層，在氣體擴散層形成合適的疏水性、孔隙率和孔徑分布，促進二氧化碳的傳質并表現出較高的運行電流密度。

CN113308707A公開了一種用于電化學還原二氧化碳制備碳氫燃料的氣體擴散電極，對基底進行疏水處理并通過噴槍噴涂方法增強電極的導電性，以防止電解液溢流從而構成理想的氣-液-固三相界面用于二氧化碳還原反應。

而在二氧化碳還原現有技術中，大部分采用無差別的氣體擴散層結構進行水/氣管理，還未見梯度擴散電極的相關報道。因此，我們構造了一種梯度微孔層氣體擴散層。自與基底層相鄰的一側向與催化層相鄰的一側方向上形成疏水劑濃度依次降低的雙層或三層微孔子層。這樣的設計使得催化劑層有一定的保濕能力并且能及時排出多余的電解質，以保證足夠的運輸通道不被電解質堵塞從而有效運輸二氧化碳。本發明提供一種新結構的梯度微孔層氣體擴散層，能提高運行電流密度，改善水管理能力，具有重要的意義。

發明內容

本發明涉及一種用于二氧化碳還原的梯度微孔層氣體擴散層及其制備方法。本發明制備得到自與基底層相鄰的一側向與催化層相鄰的一側方向上疏水劑濃度依次降低的梯度微孔層，所述梯度微孔層具有較好的水/氣管理能力，能顯著提高二氧化碳還原氣體擴散電極的性能。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明提供了一種用于二氧化碳還原的梯度微孔層氣體擴散層，所述梯度微孔層氣體擴散層由基底層和梯度微孔層組成組成；所述梯度微孔層包括沿其厚度方向上具有不同親疏水性的多個微孔子層；沿遠離基底層的方向各所述微孔子層的疏水性呈梯度減小趨勢。