一种阴离子交换膜电解水用膜电极的制备方法及应用与流程

本发明涉及阴离子交换膜电解水用膜电极领域，具体而言，涉及一种阴离子交换膜电解水用膜电极的制备方法及应用。

背景技术：

1、aem(阴离子交换膜)电解水技术将传统碱性液体电解质水电解与pem水电解的优点结合起来。aem水电解中的隔膜材料为可传导oh-的固体聚合物阴离子交换膜，催化剂可采用与传统碱性液体水电解相近的ni、co、fe等非贵金属催化剂，相比pem水电解采用贵金属ir、pt，催化剂成本将大幅降低。膜电极是aem电解水制氢中的最核心组件，决定着整个装置的内阻。目前大部分活性较高的膜电极将pt/c催化剂喷涂在阴离子交换膜上作为阴极，iro2催化剂作为阳极，这增加了aem电解水制氢成本，另外在高电位和碱性电解液的冲刷下，喷涂的催化剂容易脱落，造成活性衰减等问题。碱性条件下，由于水的解离，her反应动力学缓慢，迄今为止，镍基合金是碱性her最有前途的候选者之一，然而现有的镍基催化剂碱性析氢活性并不理想。因此，开发成本低廉，活性高的碱性膜电极组件对aem电解水制氢非常重要。

2、综上所述，经过申请人的海量检索，本领域至少存在现有的镍基催化剂的膜电极电化学性能不够理想，导致了aem电解水制氢成本高的问题，因此，需要开发或者改进一种阴离子交换膜电解水用膜电极的制备方法及应用。

技术实现思路

1、基于此，为了解决现有的镍基催化剂的膜电极电化学性能不够理想，导致了aem电解水制氢成本高的问题，本发明提供了一种阴离子交换膜电解水用膜电极的制备方法及应用，具体技术方案如下：

2、一种阴离子交换膜电解水用膜电极的制备方法，其包括以下步骤：

3、将镍源、铁源、镁源溶于去离子水中，然后超声分散，然后保持温度为60～70℃，滴加沉淀剂至ph为9～11时停止滴加，继续超声反应0.8～1.2h，然后在60～70℃下陈化0.8～1.2h，得到的沉淀物经离心后洗涤至6.5～7.5，然后烘干后用球磨机球磨至粉体粒径45um≥90％，得到ni-fe-mg ldh材料；将所述ni-fe-mg ldh材料和导电炭黑混合均匀，然后加入分散剂和粘结剂，超声搅拌均匀得到催化剂浆料，将所述催化剂浆料采用加热喷涂的方式均匀喷在泡沫镍上，然后真空干燥得到阳极电极材料；

4、通过剥离蚀刻的方法合成出超薄ti3c2tx纳米片修饰的泡沫镍，标记为mxene@nf，以mxene@nf为阴极，铂片为阳极，在含有无机盐、缓冲剂、络合剂的混合溶液中进行恒流电沉积，恒定电流为0.25～0.4a，时间为100～150s，得到阴极电极材料，所述阴极电极材料中w-ni-p的负载量为0.8～1.2mg.cm-2；

5、将所述阳极电极材料和阴极电极材料分别裁剪成3*4cm大小，得到阳极电极和阴极电极；将所述阳极电极和阴极电极分别放置于活化处理后的阴离子交换膜的两侧，然后将集电器分别放置于阳极电极和阴极电极外侧，然后热压成型，得到所述膜电极。

6、进一步地，所述超薄ti3c2tx纳米片修饰的泡沫镍的合成包括以下步骤：

7、将lif加入盐酸中分散均匀，然后加入ti3alc2，得到第一剥离体系；将所述第一剥离体系加热到45～60℃搅拌24～48h，然后分离，将沉淀物用0.8～1.2mol/l的盐酸洗涤三次，然后用去离子水洗涤至ph＞6，然后加入50～70ml去离子水中，在氩气保护的氛围下，以340～420w*h的功率超声3～5h，得到ti3c2tx超薄纳米片溶液；将所述ti3c2tx超薄纳米片溶液采用喷涂的方式均匀喷涂于泡沫镍上，然后真空干燥，得到超薄ti3c2tx纳米片修饰的泡沫镍；

8、所述超薄ti3c2tx纳米片修饰的泡沫镍中，ti3c2tx的负载量为0.5～1mg.cm-2。

9、进一步地，所述镍源、铁源、镁源的摩尔比为1～3：1：0.5～1；

10、所述镍源为乙酸镍、硝酸镍和氯化镍中的至少一种；

11、所述铁源为乙酸铁、硝酸铁和氯化铁中的至少一种；

12、所述镁源为乙酸镁、硝酸镁和氯化镁中的至少一种；

13、所述沉淀剂包括尿素、碳酸钠溶液和氨水溶液中的至少一种；

14、所述碳酸钠溶液和氨水溶液的浓度为0.3～0.7mol/l。

15、进一步地，所述分散剂包括去离子水、异丙醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中的至少一种；

16、所述粘结剂包括聚丙烯酸和faa离聚体。

17、进一步地，所述热压成型的条件为压强0.5～0.7mpa，温度60～80℃，时间1～6min。

18、进一步地，所述活化处理为将所述阴离子交换膜置于0.8～1.2mol/l氢氧化钾水溶液中活化10～15h。

19、进一步地，所述集电器包括多孔钛板、不锈钢烧结板和镍网中的至少一种。

20、进一步地，所述无机盐包括钨无机盐、镍无机盐、磷无机盐和钼无机盐中的三种或三种以上；

21、所述无机盐、缓冲剂和络合剂的质量之比为2.5～5：0.02～0.05：3～6；

22、所述缓冲剂为醋酸钠；

23、所述络合剂为氯化铵。

24、进一步地，所述lif和ti3alc2的质量之比为2：0.8～1.2；

25、所述第一剥离体系的料液比为0.07～0.1g/ml。

26、本技术方案还提供了一种阴离子交换膜电解水用电解池，其包括膜电极、密封圈、导电板和端板，其特征在于，所述膜电极为上述的制备方法制备得到的膜电极。

27、上述制备方法制备的膜电极采用三元w-ni-p@mxene或mo-ni-p@mxen的自支撑结构材料作为阴极电极，阳极电极为ni-fe-mg ldh浆料喷涂的泡沫镍，并使用聚丙烯酸和faa离聚物溶液最为粘结剂，与阴离子交换膜，多孔钛板一并组成结构紧凑的膜电极；与催化剂直接喷涂到膜上的方式相比，该膜电极改善了由于阴离子交换膜较薄导致的变形和机械性损坏，同时采用非贵金属催化剂，成本低廉，容易制备，在电解水测试中表现出优异的电化学性能，可与贵金属催化剂制备的膜电极相媲美。

技术特征：

1.一种阴离子交换膜电解水用膜电极的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超薄ti3c2tx纳米片修饰的泡沫镍的合成包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镍源、铁源、镁源的摩尔比为1～3：1：0.5～1；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂包括去离子水、异丙醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中的至少一种；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压成型的条件为压强0.5～0.7mpa，温度60～80℃，时间1～6min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理为将所述阴离子交换膜置于0.8～1.2mol/l氢氧化钾水溶液中活化10～15h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述集电器包括多孔钛板、不锈钢烧结板和镍网中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机盐包括钨无机盐、镍无机盐、磷无机盐和钼无机盐中的三种或三种以上；

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述lif和ti3alc2的质量之比为2：0.8～1.2；

10.一种阴离子交换膜电解水用电解池，其包括膜电极、密封圈、导电板和端板，其特征在于，所述膜电极为权利要求1所述的制备方法制备得到的膜电极。

技术总结本发明公开了一种阴离子交换膜电解水用膜电极的制备方法，其包括以下步骤：将镍源、铁源、镁源溶于去离子水中，采用超声共沉淀法得到Ni‑Fe‑Mg LDH材料；将所述Ni‑Fe‑Mg LDH材料、导电炭黑、分散剂和粘结剂制备得到阳极电极材料；通过剥离蚀刻的方法合成出超薄Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;Tx纳米片修饰的泡沫镍，标记为MXene@NF，以MXene@NF为阴极进行恒流电沉积，得到阴极电极材料；将所述阳极电极材料和阴极电极材料制备得到阳极电极和阴极电极，然后与阴离子交换膜、集电器一起热压成型得到所述膜电极。本发明制备的膜电极采用非贵金属催化剂，其成本低廉，容易制备，在电解水测试中表现出优异的电化学性能，可与贵金属催化剂制备的膜电极相媲美。技术研发人员：霍苗苗,王娟,鲍威,陈晓露,刘小敏,杨洋受保护的技术使用者：华氢（广东）新能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/4/22