一种调控催化微环境的膜电极制备方法

本发明属于电催化和燃料电池领域，具体涉及一种调控催化微环境的膜电极制备方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种高效且环境友好的新能源发电装置，能将氢燃料的化学能直接转换为电能，可广泛应用于能源、汽车、航空航天等领域。但是在现有的膜电极制备技术下，受限于膜电极的催化微环境，在旋转圆盘电极测试中表现出高性能的催化剂在燃料电池测试中并未能展现出其本身高的质量活性。催化微环境包括催化层和膜层/催化层/微孔层层间界面的结构设计。

2、催化层中催化剂/载体/离聚物接触构筑了三相反应界面，分散的离聚物搭建了离子传输网络，承担传导离子的同时也阻碍了反应气体的传输，离聚物距离催化剂活性位点太近会造成离聚物毒化，离聚物距离催化剂活性位点太远会导致离子传输不可及，进而影响催化剂活性的表达。而膜层/催化层界面结合不良会导致离子传输通道不足，微孔层/催化层界面结合不良会影响电子的传输，同时空隙积水后会影响反应气体的传输，膜层/催化层/微孔层层间界面的结合程度直接决定了电子、离子和反应气体的传输通道质量。因此，亟需开发一种简单、有效、可调控的催化微环境的膜电极制备方法。

技术实现思路

1、本发明提出了一种调控催化微环境的膜电极制备方法。该方法通过在催化剂表面形成了一层空间自由层，在原子、分子尺度构筑了离聚物链端基团靠近但不毒化催化剂活性位点的催化界面。同时，离聚物之间在热处理下发生交联，离聚物分布重构，形成了更连续的离子传输网络。该方法有效的调控了催化微环境，提升了膜电极催化层的离子可及率以及催化剂的利用率，同时也缓解了膜电极在制备过程中难以解决的催化剂毒化问题。

2、本发明的实施路径如下：一种调控催化微环境的膜电极制备方法，包括：

3、步骤1前驱体制备，包括：

4、步骤1.1用第一溶剂室温分散离聚物固体粉末，制备得到离聚物溶液；

5、步骤1.2用催化剂、离聚物溶液、以及第二溶剂制备催化剂浆料；

6、步骤1.3在eptfe薄膜两侧分别依次喷涂离聚物溶液和催化剂浆料构筑离聚物膜层和催化层，将得到的薄膜夹在两张碳纸间，组装得到前驱体；

7、步骤2热处理，包括：将所述前驱体在一定环境气氛下进行一定温度下的热处理并保温一定时间，再自然冷却至室温。

8、进一步的，所述离聚物为全氟磺酸树脂离聚物溶液，离聚物溶液浓度为10毫克/毫升。

9、进一步的，步骤1.2中，所述催化剂为60wt.％pt/c，固体离聚物和催化剂中碳载体的质量比为0.625；

10、进一步的，催化剂浆料的固含量为2～3毫克/毫升；

11、进一步的，所述第一溶剂为异丙醇，所述第二溶剂由去离子水和异丙醇组成，且去离子水：异丙醇体积比为1：4。

12、进一步的，步骤2中，热处理环境气氛为空气或氮气；

13、进一步的，步骤2中，热处理温度为100～200摄氏度。

14、进一步的，步骤2中，热处理升温速率为2～5摄氏度/分钟。

15、进一步的，步骤2中，热处理气体流速为30～100毫升/分钟。

16、本发明还提出了一种调控催化微环境的膜电极，由前述的方法制得。

17、本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

18、(1)本发明利用催化剂在热处理下自清洁的能力，在催化剂表面构建了一层空间自由层，调控了离聚物与催化剂活性位点之间的距离，降低了离聚物对催化剂的毒化作用。

19、(2)本发明实现了热处理下离聚物之间交联、离聚物/催化剂界面分布重构，制备了氢渗电流密度低，电化学活性表面积高的膜电极，一定程度提高了膜电极的安全可靠性和催化剂的利用率。

20、(3)该膜电极制备方法操作简便且有效，可以实现低成本、高性能膜电极的批量化制备。

21、本发明方法便捷绿色，生产成本低。采用本发明制备的膜电极表现出优异的燃料电池性能，同时本发明具有普适性，且可以实现大批量制备，有望代替传统膜电极制备方法，成为新一代高效膜电极制备途径。

技术特征：

1.一种调控催化微环境的膜电极制备方法，其特征在于，包括：

2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离聚物为全氟磺酸树脂离聚物溶液，离聚物溶液浓度为10毫克/毫升。

3.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1.2中，所述催化剂为60wt.％pt/c，固体离聚物和催化剂中碳载体的质量比为0.625。

4.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于，催化剂浆料的固含量为2～3毫克/毫升。

5.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂为异丙醇，所述第二溶剂由去离子水和异丙醇组成，且去离子水：异丙醇体积比为1：4。

6.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热处理环境气氛为空气或氮气。

7.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热处理气体流速为30～100毫升/分钟。

8.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热处理升温速率为2～5摄氏度/分钟。

9.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热处理温度为100～200摄氏度。

10.一种膜电极，其特征在于，该膜电极由权利要求1-9中任一所述的该方案制得。

技术总结本发明属于电催化和燃料电池领域，具体涉及一种调控催化微环境的膜电极制备方法包括步骤1前驱体制备，用第一溶剂室温分散离聚物固体粉末，制备得到离聚物溶液；用催化剂、离聚物溶液、以及第二溶剂制备催化剂浆料；在ePTFE薄膜两侧分别依次喷涂离聚物溶液和催化剂浆料构筑离聚物膜层和催化层，将得到的薄膜夹在两张碳纸间，组装得到前驱体；步骤2热处理，将所述前驱体热处理并保温一定时间，得到膜电极样品。该方法利用热处理下离聚物交联、离聚物/催化剂界面分布重构，有效调控了催化微环境并缓解了离聚物毒化问题，显著降低了氢渗电流密度，提高了电化学活性表面积和干离子可及率，并有望代替传统膜电极制备方法成为新一代高效膜电极制备方法。技术研发人员：丁炜,李星亚,王健受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1