[發明專利]用于PEM水電解的陽極催化層及其制備方法、膜電極

在審

• 申請號: 202310338626.2
• 申請日: 2023-03-31
• 公開（公告）號: CN116397265A
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發明（設計）人: 程義;李金龍;吳夢婷;鄭和成
• 申請（專利權）人: 湖南中馳氫能科技有限公司
• 主分類號: C25B11/093
• 分類號: C25B11/093;C25B11/055;C25B11/02;C25B9/19;C25B9/60;C25B1/04
• 代理公司: 長沙辰齊知壹知識產權代理事務所(普通合伙) 43290
• 代理人: 朱偉雄

本發明提供用于PEM水電解的陽極催化層的制備方法，通過將添加劑摻雜到催化層中，不僅構建了催化劑間的質子傳輸通道，降低質子在催化劑間的傳輸阻抗，提高電化學反應速率，而且對催化劑具有分散作用，暴露更多的活性位點，增加催化劑的利用率，改善PEM電解水的性能，且通過將添加劑漿料和陽極催化劑漿料分開，利用雙通道超聲噴涂控制每種漿料的進料，能高效、快捷得實現對催化劑層的分層化成分調配，制備出所需結構和成分分配的催化層，無需進行多次漿料的配制和噴涂，工藝靈活性高、周期短。通過分層制備催化劑載量和磺化二氧化硅含量梯度化催化層，不僅提高催化劑的利用率，而且能構建高效的電子、質子傳輸通道，改善水電解速率。

技術領域

本發明屬于電解水領域，具體涉及一種用于PEM水電解的陽極催化層及其制備方法、膜電極。

背景技術

研究顯示析氧反應主要發生在靠近多孔傳輸層一側，催化劑的利用率更高需要更多的催化劑參與反應；隨著遠離多孔傳輸層，析氧反應速率越來越緩慢，催化劑的利用率越來越低。此外，從多孔傳輸層到質子交換膜，質子的傳輸量越來越高，需要更多的質子傳輸通道滿足質子的傳輸；從質子交換膜到多孔傳輸層，電子的傳輸量越來越高，需要更高的導電性傳輸電子。

然而，現如今，最廣泛的催化層制備方法是將催化劑、質子導體和粘結劑通過超聲或攪拌的方法混合在分散介質中形成漿料，然后涂覆在質子交換膜上形成催化層。這種催化層從多孔傳輸層到質子交換膜，催化劑的載量、電導率和質子傳輸通道處于同一水平，導致靠近多孔傳輸層的催化劑載量不足以滿足反應需求，而遠離多孔傳輸層的催化劑又不能全部參與反應，造成催化劑的利用率低下。而且，催化層的電導率和質子傳輸通道處于同一水平，無法形成高效的電子和質子傳輸通道。催化劑低的利用率和電子、質子傳輸通道的不足，嚴重影響PEM電解水的反應速率。

發明內容

為解決以上問題，本發明提供一種用于PEM水電解的陽極催化層及其制備方法。

針對上述技術問題，具體提出如下解決方案：

一種用于PEM水電解的陽極催化層的制備方法，包括：

S1、將陽極催化劑和質子導體分散于水和有機溶劑的混合溶液中，在冰水浴中超聲分散均勻，得到陽極催化劑漿料；

S2、將添加劑和質子導體分散于水和有機溶劑的混合溶液中，在冰水浴中超聲分散均勻，得到添加劑漿料；

S3、將陽極催化劑漿料和添加劑漿料分別加入至雙通道超聲噴涂的儲料罐A和儲料罐B，通過調控陽極催化劑漿料和添加劑漿料的固含量和兩個噴涂通道的進料速率以控制單層或多層催化層中每層的催化劑載量和添加劑的質量占比，在基底膜上進行超聲噴涂；本步驟中，催化劑載量是指陽極催化劑的面密度，添加劑的質量含量是指添加劑質量與（添加劑+質子導體+陽極催化劑）總質量的比值。

S4、待催化劑層的噴涂結束后，采用熱壓工藝將基底膜的催化劑轉印至質子交換膜表面，得到陽極催化層。

作為優選，步驟S3中，每層催化層的添加劑質量含量為1~20wt.%，進一步優選為1-15wt.%。

作為優選，所述陽極催化層為梯度化陽極催化層；所述梯度化陽極催化層的層數為2~5層；

作為進一步優選，從質子交換膜表面側到梯度陽極催化層的方向上，梯度陽極催化層中的添加劑含量呈梯度降低，以保證高效的質子傳輸速率；進一步優選相鄰梯度化陽極催化層間的添加劑含量的差值不超過5wt.%。

作為進一步優選，從質子交換膜表面側到梯度陽極催化層的方向上，梯度陽極催化層中的催化劑載量呈梯度增加，以提高催化劑的利用率；

更進一步優選相鄰梯度化陽極催化層間的催化劑質量的比值為1.2~2，且相鄰梯度化陽極催化層的催化劑質量差值不超過0.1?mg?cm^-2。

作為優選，所述陽極催化劑為Ir、IrO₂、RuO₂和IrRuO₂中的至少一種；