一种应用于水分解催化的MEA水分解装置及电沉积制备方法

本发明涉及水分解领域，具体是涉及一种应用于水分解催化的mea水分解装置及电沉积制备方法。

背景技术：

1、水分解催化剂是可以促进水分解过程以产生氧气和氢气的材料，膜电极组件mea是许多电化学装置的关键部件，而传质限制是影响mea水分解装置性能和效率的关键因素，该装置使用oer催化剂从水中产生氢气和氧气。现有的oer催化剂虽然能较好的促进水分解，但是其多为稀有且昂贵的元素，例如铱、铂和钌，这也导致了oer催化剂的生产成本变得高昂，并限制了它们在大规模商业应用中的可扩展性。

2、研究人员已经发现并合成了一系列用于oer催化剂的新材料，例如金属氧化物、钙钛矿和金属有机骨架，它们具有高催化活性、稳定性和选择性，并可以通过掺杂、表面改性和其他方法进行微调，以进一步提高其性能。

3、如中国专利cn113174600a公开的一种多孔镍网电解水催化材料及其制备方法，该多孔镍网电解水催化材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1、在两电极体系中，电解槽内设置有电解液，将经过预处理的商业镍网作为工作电极，铂片作为对电极，施加电流后，使用电沉积法将镍纳米颗粒层负载于商业镍网上，得到负载镍纳米颗粒层的商业镍网；步骤2、将步骤1负载镍纳米颗粒层的商业镍网从电解槽中取出后，经洗涤和自然干燥得到多孔镍网电解水催化材料。其所制备的多孔镍网电解水催化材料具有较高的催化活性，可以有效提高电解水效率，降低能耗，从而大幅降低电解水制氢成本，但是由于镍网的表面粗糙度较高，反而会降低阴离子交换膜的力学性能。

4、高效的水分解需要在mea的各个组件之间快速传输反应物、产物和电解质离子，传质方面的限制会导致水分解过程的性能不佳和效率降低，并且oer催化剂的活性和有效性也会因传质不良而受到限制。例如，如果反应物不能足够快地到达催化剂表面，则oer反应可能无法有效进行，从而导致较低的氢气生产率。其次mea中的膜性能也会受到传质限制的影响。例如，如果反应物和产物不能足够快地扩散通过膜，这会损害膜性能并降低水分解过程的效率。最后传质限制还会导致局部浓度梯度和不均匀的电流密度，进而导致mea组件的磨损不均匀，最终导致设备的耐用性和使用寿命降低。

5、如中国专利cn110205636a公开的一种自支撑型三维多孔结构双功能催化电极的制备方法。该双功能催化电极的制备是以镍网为阴极，惰性导电体为阳极，在氯化镍、氯化铵的水溶液中，常温、常压条件下进行电沉积，制备三维层级多孔的镍；此后将得到的镍网作为电沉积的阴极，使用惰性导电体为阳极，浸入含有硝酸镍、硫酸亚铁、乙二醇的水溶液中，在常温、常压条件下再进行电沉积处理，得到具有多孔层级结构的镍铁/镍/镍催化电极；通过两步电沉积实现得到有效活性面积大、气泡析出通道和优异的导电性，在碱性条件下表现出优异的电化学析氢和析氧性能的电极，但是同样由于镍铁/镍/镍催化电极为多孔层级结构，其表面粗糙反而会降低阴离子交换膜的力学性能。

6、由于现有oer催化剂中的镍网表面粗糙，因此会降低阴离子交换膜的力学性能，在mea水分解装置组装中并不会起到保护阴离子交换膜的作用，此时就急需设计一种新的水分解装置及其电沉积制备方法，以解决传质方面的限制会导致水分解过程的性能不佳和效率降低的问题。

技术实现思路

1、针对于oer 催化剂的活性和有效性会因传质不良而受到限制，以及反应物和产物不能足够快地扩散通过膜，损害其性能并降低水分解过程的效率，并且在传质限制还会导致局部浓度梯度和不均匀的电流密度，导致 mea 组件的磨损不均匀使其设备的耐用性和使用寿命降低，因此，解决传质以及活性位点限制对于在 mea 中水分解装置的效率以及阳极应用中膜与电极的配合至关重要。

2、为解决上述问题，本发明设计一种应用于水分解催化的mea水分解装置及电沉积制备方法。

3、一种应用于水分解催化的mea水分解的电沉积装置，其特征在于，包括：双极板、垫片、aoe电解池、阳极催化剂、阴离子交换膜和阴极催化剂；

4、所述双极板包括前双极板和后双极板；所述前双极板位于装置前端，后双极板位于装置的后端，前双极板和后双极板通过螺栓连接；

5、所述双极板的前双极板侧面固定焊接矩形圆角插销；所述前双极板四周固定设置螺栓，用于连接后双极板；所述前双极板内侧中间处开有矩形内凹槽，凹槽中间处设置流道；所述前双极板的外侧中间处固定设置aem电解池；

6、所述双极板的后双极板侧面固定焊接矩形圆角插销，并与前双极板的矩形圆角插销对称布置；所述后双极板内侧四周开有孔槽，用于连接前双极板的螺栓；所述后双极板内侧中间处开有矩形内凹槽，凹槽中间处设置流道；所述后双极板外侧中间处设置aem电解池；

7、所述aem电解池位于前双极板中间位置，并与前双极板固定连接；

8、所述垫片包括前垫片和后垫片；所述前垫片位于前双极板和后双极板之间，并与前双极板紧密相邻；所述后垫片位于前双极板和后双极板之间，并与后双极板紧密相邻；

9、所述垫片采用矩形结构，四周的边缘处开有孔槽，用于套入双极板的螺栓；所述垫片中间开有矩形孔槽；

10、所述前垫片和后垫片之间布置阳极催化剂、阴离子交换膜和阴极催化剂；

11、所述阳极催化剂位于前垫片和阴离子交换膜之间；

12、所述阴极催化剂位于阴离子交换膜和后垫片之间；

13、所述阴离子交换膜位于阳极催化剂和阴极催化剂之间；

14、所述阳极催化剂、阴离子交换膜和阴极催化剂均为矩形结构形状；所述阳极催化剂、阴离子交换膜和阴极催化剂中间位置与双极片的流道位于同一水平位置。

15、优选的，所述阳极催化剂设置在阳极镍网的网面上；所述阳极催化剂采用镍铁材料制成。

16、优选的，所述阳极催化剂制备方法为，称取ni(no3)2·6h2o，将其溶解在异丙醇中，称取 feso4·7h2o，并将其溶解在水中，合并两种溶液并将处理过的镍网基底浸入混合物中，用离子水和乙醇洗涤浸泡的催化剂，将得到的催化剂真空干燥后保存使用。

17、优选的，所述阴极催化剂采用的材料为铂碳，所制的阴极催化剂可通过后垫片的中心孔槽与流道相互作用。

18、优选的，所述 阴极催化剂的制备方法为：将铂碳与异丙醇、全氟磺酸 ™ 膜溶液和超纯水混合，得到分散良好的浆料，将浆料均匀地喷涂在热板上的碳布。

19、优选的，所述的一种应用于水分解催化的mea水分解电沉积装置的制备方法，包括以下步骤：

20、步骤s1：将硅胶垫片放置在阴极集电板上；

21、步骤s2：将喷涂好的阴极碳布放置在硅垫片切口中，不接触覆盖液体流动通道的集电板中心的硅；

22、步骤s3：使用支撑阴离子膜覆盖喷涂的碳布，将第二层硅垫片放置在现有层的顶部；

23、步骤s4：将准备好的镍网夹层放置在硅垫片切口的中心，不接触硅垫片；

24、步骤s5：将阳极集电板放在顶部，并用螺钉固定。

25、优选的，所述步骤s4的镍网制备步骤如下：

26、步骤s41：将目数为50-70与280-300的工业纯镍网放入烧杯中，并将纯1-3mol的hcl溶液倒入烧杯中，使镍网完全浸没；

27、步骤 s42：用水和乙醇洗涤经酸处理的网；

28、步骤 s43：将处理过的镍网完全对齐，然后放入压片机中，对网眼施加8mpa-12mpa的压力做出镍网叠层；

29、步骤s44：用铂金夹子夹住镍上方叠层，将剩余部分浸泡于0.5mol-1mol的硝酸镍水溶液中通过三电极电沉积，施加衡电压120-210秒；

30、步骤s45：将电沉积完电沉积过的镍网放入温度为450°-550°的管式炉中，加入5%-6%氢、95%-98%氮的混合气体还原1-2小时；

31、步骤s46：将还原后的电沉积过的镍网放入到七水硫酸亚铁的硝酸镍溶液中放置22-24个小时。

32、优选的，所述步骤s41中的镍网放入hcl溶液后进行对烧杯盖上封口膜，然后将其放入超声波清洗器中1小时-2小时，直到溶液的颜色从无色变为蓝绿色。

33、优选的，所述步骤s44中的镍上方叠层的对电极为铂网，参比电极为氯化银。

34、优选的，所述步骤s46中的七水硫酸亚铁的硝酸镍溶液是将1g-2g的硝酸镍溶解入15ml-20ml的水中，然后将0.3g-0.4g的七水硫酸亚铁溶解入5ml-8ml的水中，将溶解后的七水硫酸亚铁滴入硝酸镍溶液。

35、对于现有技术，本技术的技术方案具有如下的优点和效果：

36、1、本发明一种应用于水分解催化的mea水分解装置及电沉积制备方法，在制作工艺更加简单，只需要水、乙醇、六水硝酸、，hcl、氢、氮、混合气以及镍网，造价低可以广泛。

37、2、本发明一种应用于水分解催化的mea水分解装置及电沉积制备方法，对mea中膜通过高压处理，使得镍网变得平滑，通过堆叠增加了体表面积以及沉积的方法从而增加了活性位点。

38、3、本发明一种应用于水分解催化的mea水分解装置及电沉积制备方法，通过不同目数的堆叠改变了并且提升了气泡分布从而改变并减少传质的阻碍，优化了纯镍网在mea中高电流下的效应，增加了其体表面积增加了其作为催化剂基底的性能，使其在生长同样的镍铁催化剂时性能有大幅度提升。

39、4、本发明一种应用于水分解催化的mea水分解装置及电沉积制备方法，通过电沉积，epr测试明显证明其电镀后的镍网基底氧空穴位有明显增加，并且在生长se和fe 金属后，氧空穴位也有相应的明显增加，通过电沉积后， icp也能证明其基底上fe和se的生长有明显的提升从33%提升到了55%。

40、上述仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

41、根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。