一种用于氢氧呼吸机的新型析氢电极及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种新型析氢电极，特别涉及一种用于氢氧呼吸机的新型析氢电极及其制备方法，属于析氢电极技术领域。


背景技术：

2.当前，随着疫情的蔓延，氢氧混合气疗法有望成为最有效的治疗手段,对一些病人，特别是呼吸特别困难、呼吸吃力，将要转到重症的时候，采用氢氧混合气治疗后，病人的呼吸困难、咳嗽、胸闷都有改善，有不少病人转为轻症了，氢氧气治疗在临床治疗上有效，对氢生物医学发展表示肯定，同时明确提醒：开展氢生物医学研究，必须使用药监局认可的器械，工业制氢不能给人、动物吸入！
3.纯净水电解可以直接得到氢气和氧气，而不涉及其他有毒物质或副产物，是一种高效的电化学方式，因此采用纯净水分解原理的呼吸机原理仅涉及纯净水、无副产物、绿色安全，能够避免工业制氢过程的副产物等毒性物质的产生，在健康医疗行业具有广泛的前景。而目前，直接采用纯净水分解制氢氧混合气的发明仍然较为缺乏。
4.析氢电极是电解水过程的核心技术和部件，决定整个过程的性能高低，电极结构的研究是性能提升的重点。在电解制氢过程中，反应位于电极三相反应界面，即孔道表面催化剂与粘结剂的连结位置，除此以外，电极的孔道还承担传输反应所需的水和产物气体的作用，因此孔结构设计是电极性能提高的重要策略。电极浆料的配制与组成是决定电极结构的重要因素，通过改变浆料的溶剂组成、添加造孔剂对电极的孔道结构进行调控，提供更多的气液传输通道。因此不同孔径大小的电极结构对于独立、高效传输气液具有重要价值。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于氢氧呼吸机的新型析氢电极及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于氢氧呼吸机的新型析氢电极，所述电极的构成为催化剂与粘结剂组成的多孔结构，孔道具有多级孔结构。
7.作为本发明的一种优选技术方案，所述多级结构的电极呈两类孔道尺寸分布，大孔孔道尺寸范围为200-500nm，二级孔尺寸范围为20-200nm。
8.作为本发明的一种优选技术方案，催化剂为含铂、靶、钌的具有析氢活性的催化剂，包括碳载铂、碳载铂钴、碳载铂镍、碳载靶、碳载钌中的一种；所述粘结剂为具有质子传输特性的聚合物，所述粘结剂与所述催化剂的重量比范围是0.5-1.5。
9.作为本发明的一种优选技术方案，所述电极采用喷涂浆料法制备而得，所述浆料为催化剂与粘结剂在溶剂中的均匀分散体系，所述溶剂为水与有机溶剂的混合溶剂，有机溶剂为：乙醇、异丙醇、甲醇，水与有机溶剂的质量比值范围为0.1-10。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述二级孔采用在浆料中加入造孔剂形成孔的方式，造孔剂的主要种类为：碳酸钠，碳酸氢钠，碳酸钙和硝酸铵酸性可溶性盐的一种，所述
造孔剂与催化剂的质量比为0.1-5。
11.作为本发明的一种优选技术方案，一种用于氢氧呼吸机的新型析氢电极的制备方法，包括以下步骤：
12.s1：称取一定量造孔剂，加入水中进行溶解，形成造孔剂溶解的水溶液；另称取一定量的催化剂，加入造孔剂水溶液，超声分散均匀后，加入有机溶剂，超声分散均匀，最后加入粘结剂，加入有机溶剂与粘结剂之前超声时长为5-60min。
13.作为本发明的一种优选技术方案，电极的喷涂过程如下：喷涂过程在热台表面进行，热台温度范围为30-110℃。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述电极的后处理过程如下：电极在 50-100℃真空烘箱内干燥0.5-3h后，将电极置于酸性水溶液中进行二次孔的制备，酸性水溶液中的溶质为：硫酸、盐酸，温度范围为30-90℃。
15.作为本发明的一种优选技术方案，一种用于氢氧呼吸机的新型析氢电极的应用，所述制氢电极用于健康医疗领域的氢氧呼吸机中，具有环保、无毒、安全的优势。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1.本发明一种用于氢氧呼吸机的新型析氢电极及其制备方法，本发明利用纯净水电解原理开发的氢氧呼吸机具有安全、环保、无任何毒性的优势，对新冠肺炎的患者治疗具有重要的应用价值。
18.本发明通过对电极浆料溶剂组分和比例调控电极大孔结构，有效提高电极内部水的传递能力，通过造孔剂在电极内的添加、干燥析出和再去除的过程制备二级孔通道，用于产物气体的传输。
19.本发明通过两种不同的造孔策略的组合实现对多级孔结构的氢电极的制备，在兼顾气液固三相反应界面的同时，保证电极的催化活性，同时实现将气体传输通道和液体传输导向性区分，实现企业传输的高效进行，尤其对高电流密度运行下，提高电极的传质能有明显的优势。
附图说明
20.图1实施例中采用孔道调控策略制备的电极微观形貌与结构；
21.图2对比例中不采用造孔策略制备的电极微观形貌与结构。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.请参阅图1-2，本发明提供了一种用于氢氧呼吸机的新型析氢电极及其制备方法的技术方案：
24.根据图1所示，电极催化层浆料：称取50mg碳酸氢钠，溶解于2g水中。另称取70％pt/c催化剂50mg，加入溶解好的碳酸氢钠溶液，超声15min，至铂碳催化剂分散均匀，加入2g的无水乙醇后超声30min，至催化剂完全分散均匀，最后加入5wt％的nafion溶液800mg，继
续超声30min后完成电极浆料的配制。
25.电极的制备：采用喷涂法进行电极的制备，喷涂过程在热台上进行，热台温度为75℃，将配制的浆料均匀喷涂于电解质膜表面完成氢电极的喷涂。
26.得到的喷涂电极在真空干燥箱中60℃下干燥2h，除去电极中残留的溶剂，并形成稳定的电极大孔结构。取出电极后将电极置于稀硫酸溶液中80℃中浸泡1h，取出后用去离子水冲洗2-3次，将将其置于去离子水中80℃中浸泡1h，完成电极的制备。
27.本实施例制备的电极中利用混合溶剂效应和造孔效应制备了多层级孔结构的氢电极，如图1所示，由电极扫描电镜可以看出电极结构呈两种孔结构分布，大孔孔道的尺寸约范围为200-500nm之间，二级孔道的直径范围为 20-200nm之间，表明本发明涉及的多层级孔道结构的电极的结构和制备方法的有效性。
28.根据图2所示，
29.电极催化层浆料：称取70％pt/c催化剂50mg，加入4g无水乙醇后超声30min，至催化剂完全分散均匀，最后加入5wt％的nafion溶液800mg，继续超声30min后完成电极浆料的配制。
30.电极的制备：采用喷涂法进行电极的制备，喷涂过程在热台上进行，热台温度为75℃，将配制的浆料均匀喷涂于电解质膜表面完成氢电极的喷涂。
31.得到的喷涂电极在真空干燥箱中60℃下干燥2h，除去电极中残留的溶剂，完成电极的制备。
32.本实施例为对比例，即制备的电极为不采用混合溶剂和造孔剂策略得到的电极，其电极结构微观形貌如图2所示，由图中可得，电极结构呈较为密度的形貌，孔道结构较小，催化剂颗粒之间较为密实，从而证明本发明涉及的混合溶剂策略和造孔剂策略在氢电极制备中的有效性。
33.多级孔结构的电极制备通过溶剂组份与造孔剂调控二者的组合效应实现，任何其中一种策略无法单独实现。
34.综上所述，本发明利用纯净水电解原理开发的氢氧呼吸机具有安全、环保、无任何毒性的优势，对新冠肺炎的患者治疗具有重要的应用价值。
35.本发明通过对电极浆料溶剂组分和比例调控电极大孔结构，有效提高电极内部水的传递能力，通过造孔剂在电极内的添加、干燥析出和再去除的过程制备二级孔通道，用于产物气体的传输。
36.本发明通过两种不同的造孔策略的组合实现对多级孔结构的氢电极的制备，在兼顾气液固三相反应界面的同时，保证电极的催化活性，同时实现将气体传输通道和液体传输导向性区分，实现企业传输的高效进行，尤其对高电流密度运行下，提高电极的传质能有明显的优势。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限
定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。