超导电自支撑Ru基PEMWE阳极材料及其合成方法

本发明涉及膜电极，尤其涉及一种超导电自支撑ru基pemwe阳极材料及其合成方法。

背景技术：

1、由于严苛的强酸性环境，工业上阳极氧析出反应(oer)催化剂仍仅能使用昂贵的铱(ir)基材料，但全球每年ir的产量仅为2-3吨，严重制约了pemwe的大规模应用。ru基催化剂的催化活性优于ir基催化剂，且ru的单价仅为ir的十分之一，被认为是最好的ir替代催化剂，但其稳定性较差，限制了在pemwe体系里的商业化应用。因此，设计开发高效的ru基催化剂且提高其在oer过程的稳定性以降低制氢成本，是当前pemwe制氢技术的研究难点。

2、pem电解槽的核心部件主要包括bp(流场板)、gdl(气体扩散层)、pem(质子交换膜)和阴/阳极催化剂(如图5中的a所示)。其中，膜电极是pemwe的核心，目前商业化的膜电极(mea)主要有两种构型，即催化剂包覆膜结构(ccm)和多孔传输电极结构(pte)。ccm结构是催化剂直涂或者转印在质子交换膜(pem)上，技术较为简单，但pemwe的运行电流密度通常高于1a cm-2，这种方式通常会产生较大的极化行为，使膜电极的性能急剧降低。而pte模式能够有效地避免极化行为，降低界面阻抗，提高质子的导电性和耐用性，因此表现出比ccm结构更好的性能和耐用性。工业上pte结构仍需要nafion等墨水粘黏剂将ir基催化剂粘附在ti网或ti纤维毡上，但ti与活性材料之间的界面仍存在涂层不均匀、导电性不理想、活性位点损失和活性材料在界面处粘结较弱等问题。

3、有鉴于此，有必要设计一种改进的pemwe阳极材料，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，以解决工业上通过反复的电镀碳、ag等导电材料带来的成本问题和繁琐工艺。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，包括以下步骤：

3、步骤1、将金属纤维与ti纤维复合毡化形成基底材料tim，对tim进行表面改性；

4、步骤2、采用水热法制备tim锚定ru基催化剂mxru1-xo2/tff；

5、步骤3、将mxru1-xo2/tff置于管式炉中，采用高温退火法得到超导电自支撑ru基pemwe阳极材料。

6、作为本发明的进一步改进，在步骤1中，所述金属纤维为ag纤维或au纤维，复合的方法为热压法。

7、进一步的，表面改性的方法为等离子体溅射法或酸刻蚀法。

8、作为本发明的进一步改进，在步骤2中，水热法制备tim锚定ru基催化剂mxru1-xo2/tff的具体方式为：将rucl3溶液和mcln溶液加入反应釜中，将表面改性后的tim放在该混合溶液中，高压加热反应，待反应结束，用水和乙醇进行洗涤，得到mxru1-xo2/tff。

9、进一步的，mcln溶液中的m为hf、ti、mn、ce、zr、w及cr中的一种。

10、进一步的，rucl3和mcln的摩尔比为1:(1～3)。

11、进一步的，所述混合溶液中rucl3和mcln的总摩尔浓度为1～2mmol/l。

12、进一步的，反应釜的温度为150～160℃，反应时间为2.5～3.5h。

13、作为本发明的进一步改进，在步骤3中，高温退火法的方式为将管式炉升温至260～300℃,空气氛围中，保温2～3h。

14、本发明还提供了一种超导电自支撑ru基pemwe阳极材料，由上述超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法制得。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明提供了一种超导电自支撑ru基pemwe阳极材料及其合成方法，通过合成基底材料tim，制备tim锚定ru基催化剂mxru1-xo2/tff，煅烧后得到超导电自支撑ru基pemwe阳极材料，进行pemwe组装成可扩充的单槽器件并测试其性能。本发明通过简单的方式，提高ti纤维毡的导电性，极大的降低了工业上通过反复的电镀碳、ag等导电材料带来的成本问题和繁琐工艺。

17、2、本发明利用第一步ti纤维毡的导电处理，引入导电的金属纤维丝，能够提高传统纤维毡不导电而造成的位阻较大，进而造成的电量损失和制氢效率较低。

18、3、利用化学键将催化剂与纤维毡有效的结合不仅减少了pemwe设备制作所需的多步工艺，而且避免了粘合剂(nafion)的使用造成的活性位点损失，同时降低了工艺成本和耗材成本。催化剂与ti纤维通过化学键结合，能够避免阳极氧化环境对传统的热转印方式对粘合剂的腐蚀而导致催化剂脱落。而且催化剂与基底的紧密结合，降低了传质内阻。

19、4、单分散的ru基催化剂，不仅能够减少贵金属催化剂的使用，而且可以增加催化效率，从而降低制氢成本。

20、5、通过金属掺杂，调控ru基催化剂的反应机理至aem路径，提高ru基催化剂的稳定性，避免了ru基催化剂因为lom路径而被溶解的现象，从机理角度调控催化剂的稳定性。

技术特征：

1.一种超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，在步骤1中，所述金属纤维为ag纤维或au纤维，复合的方法为热压法。

3.根据权利要求1所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，在步骤1中，表面改性的方法为等离子体溅射法或酸刻蚀法。

4.根据权利要求1所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，在步骤2中，水热法制备tim锚定ru基催化剂mxru1-xo2/tff的具体方式为：将rucl3溶液和mcln溶液加入反应釜中，将表面改性后的tim放在该混合溶液中，高压加热反应，待反应结束，用水和乙醇进行洗涤，得到mxru1-xo2/tff。

5.根据权利要求4所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，mcln溶液中的m为hf、ti、mn、ce、zr、w及cr中的一种。

6.根据权利要求4所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，rucl3和mcln的摩尔比为1:(1～3)。

7.根据权利要求4所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，所述混合溶液中rucl3和mcln的总摩尔浓度为1～2mmol/l。

8.根据权利要求4所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，反应釜的温度为150～160℃，反应时间为2.5～3.5h。

9.根据权利要求1所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法，其特征在于，在步骤3中，高温退火法的方式为将管式炉升温至260～300℃,空气氛围中，保温2～3h。

10.一种超导电自支撑ru基pemwe阳极材料，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的超导电自支撑ru基pemwe阳极材料的合成方法制得。

技术总结本发明提供了一种超导电自支撑Ru基PEMWE阳极材料及其合成方法，通过合成基底材料Ti<supgt;M</supgt;，水热法制备Ti<supgt;M</supgt;锚定Ru基催化剂M<subgt;x</subgt;Ru<subgt;1‑x</subgt;O<subgt;2</subgt;/TFF，高温退火法得到超导电自支撑Ru基PEMWE阳极材料，构建PEMWE器件并测试其性能。本发明通过简单的方式，提高Ti纤维毡的导电性，极大的降低了工业上通过反复的电镀碳、Ag等导电材料带来的成本问题和繁琐工艺。技术研发人员：姚娜,罗娜,蔡奥受保护的技术使用者：武汉纺织大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29