一种适用于电解装置的有序化电极及其制备方法与流程

本申请属于电极，具体地，涉及一种适用于电解装置的有序化电极及其制备方法。

背景技术：

1、氢气作为一种二次能源发挥着重要作用，绿氢的制备一般采用电解水的方式进行。目前绿氢的制备成本严重制约了其商业化应用进程。质子交换膜(pem)电解水制氢技术中需要使用大量的稀有贵金属铱或钌元素，因为其在地球的储量匮乏，因此价格昂贵，这也是造成pem电解水制氢成本高昂的原因之一。因此，降低贵金属铱或钌在电解池中的用量对降低电解水制氢成本意义重大。

2、在传统膜电极结构中为提高催化层活性金属铱或钌载量通常达到2-3mg/cm2，其催化层制备方法为：将催化剂与粘结剂在溶剂中充分混合分散后通过喷涂、刷涂、刮涂等方式制备于气体扩散层表面或质子交换膜表面，由该方法制备的催化层表现为催化剂粉末颗粒无序堆积结构，且在粘结剂的作用下容易发生催化剂颗粒间的团聚，其无序孔结构不利于反应过程中物质的传输，从而造成催化剂大量活性位点的浪费，通过简单降低载量的方法无法保证该催化层活性，因而导致传统结构膜电极中催化剂载量居高不下。

3、有序化电极制备技术在燃料电池中已有大量研究，作为燃料电池有序化电极的研究其催化层中有序化载体通常为碳基材料或导电聚合物材料，但由于pem电解水运行过程中其阳极电位远高于燃料电池阴极电极电位，因此传统的碳基材料及导电聚合物材料在pem电解水设备运行过程中极易氧化，因而不能够在电解水设备中阳极侧使用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本申请提供一种适用于电解装置的有序化电极及其制备方法。

2、具体来说，本申请涉及如下方面：

3、一种适用于电解装置的有序化电极，所述有序化电极包括支撑结构、离子传输层和催化剂层，其中，所述离子传输层至少部分覆盖所述支撑结构的表面，所述催化剂层至少部分覆盖所述离子传输层。

4、可选地，所述离子传输层的材料为质子传输材料或阴离子传输材料，优选为全氟磺酸聚合物、全氟羧酸聚合物、全氟磷酸聚合物、部分含氟聚合物、非氟聚合物、有机-无机复合物、带有离子的聚苯醚(ppo)、带有离子的聚芳醚砜(paes)、带有离子的聚芳醚酮(paek)、带有离子的聚烯烃、带有离子的聚苯并咪唑(pbi)、带有离子的聚芳烃中的一种或两种以上，其中，所述带有的离子选自季鏻阳离子、胍盐离子、咪唑阳离子、季铵阳离子、茂金属阳离子中的一种或两种以上；所述部分含氟聚合物、所述非氟聚合物、所述有机-无机复合物具有磺酸基团、磷酸基团或羧酸基团。

5、可选地，所述离子传输层的材料选自全氟磺酸聚合物，优选为nafion。

6、可选地，所述离子传输层的材料选自部分含氟聚合物，所述部分含氟聚合物的支链具有磺酸基团、磷酸基团或羧酸基团。

7、可选地，所述离子传输层的材料选自非氟聚合物，所述非氟聚合物选自磺化或磷酸化的碳氢聚合物。

8、可选地，所述离子传输层为薄膜。

9、可选地，所述离子传输层的厚度为1nm-10μm，优选为50nm-1μm。

10、可选地，所述支撑结构为多个有序排列的纳米线或纳米管。

11、可选地，所述纳米线的直径为1-5000nm，优选为10-500nm。

12、可选地，所述纳米管的管径为5-10000nm，管壁厚度为0.5-100nm。

13、可选地，所述支撑结构的材料选自金属氧化物、金属氢氧化物、碱式金属碳酸盐、硅、二氧化硅、碳中的一种或两种以上，优选为wox、mnoy、tioz、nbol、层状双金属氢氧化物、碳中的一种或两种以上，其中x为2-3，y为1-2，z为1-2，l为1-3。

14、可选地，所述催化剂层的材料选自pt、ru、ir、rh、au、ni、fe、mo、co、pd、re、os、nb、sn、ta、sb或其氧化物中的一种或两种以上。

15、可选地，所述催化剂层的厚度为0.1-50μm，优选为0.1-10μm。

16、可选地，所述有序化电极还包括离子交换膜或气体扩散层，所述支撑结构设置在所述离子交换膜或所述气体扩散层上。

17、可选地，所述电解装置为质子交换膜电解水装置、阴离子交换膜电解水装置，或碱性电解水装置。

18、一种适用于电解装置的有序化电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：制备支撑结构，在所述支撑结构的表面制备离子传输层，在所述离子传输层上制备催化剂层。

19、可选地，所述离子传输层的制备方法选自喷涂法、气相沉积法、丝网印刷法、浸渍法、刮涂法中的一种或两种以上中的一种或两种以上，优选为喷涂法。

20、可选地，在所述喷涂法中，喷涂溶液的浓度为0.05％-5％，喷涂高度为5mm-150mm，液体流速为0.1-8ml/min，喷头移动速度为50-2000mm/min。

21、可选地，所述支撑结构的制备方法选自水热法、电化学法、模板法、纺丝法、气相合成法中的一种或两种以上，优选为电化学法。

22、可选地，所述催化剂层的制备方法选自喷涂法、气相沉积法、溅射法、浸渍法、刮涂法中的一种或两种以上。

23、可选地，所述适用于电解装置的有序化电极为上述任意一种有序化电极。

24、一种电解装置，所述电解装置包括上述任意一种有序化电极。

25、本申请的有序化电极提供有序的支撑结构，可以有利于物质传输，降低贵金属催化剂载量、提高催化剂活性位点的利用率。此外，支撑结构和催化剂层之间的离子传输层可以有效提高反应过程中离子向催化剂表面的迁移速率，降低传质阻力。与现有技术相比，本申请的有序化电极能够在保持催化层活性的同时有效降低贵金属催化剂用量，且本申请的制备方法简单可控，易于放大和批量化生产。

技术特征：

1.一种适用于电解装置的有序化电极，其特征在于，所述有序化电极包括支撑结构、离子传输层和催化剂层，其中，所述离子传输层至少部分覆盖所述支撑结构的表面，所述催化剂层至少部分覆盖所述离子传输层。

2.根据权利要求1所述的有序化电极，其特征在于，所述离子传输层的材料为质子传输材料或阴离子传输材料，优选为全氟磺酸聚合物、全氟羧酸聚合物、全氟磷酸聚合物、部分含氟聚合物、非氟聚合物、有机-无机复合物、带有离子的聚苯醚(ppo)、带有离子的聚芳醚砜(paes)、带有离子的聚芳醚酮(paek)、带有离子的聚烯烃、带有离子的聚苯并咪唑(pbi)、带有离子的聚芳烃中的一种或两种以上，

3.根据权利要求2所述的有序化电极，其特征在于，所述离子传输层的材料选自全氟磺酸聚合物，优选为nafion。

4.根据权利要求2所述的有序化电极，其特征在于，所述离子传输层的材料选自部分含氟聚合物，所述部分含氟聚合物的支链具有磺酸基团、磷酸基团或羧酸基团。

5.根据权利要求2所述的有序化电极，其特征在于，所述离子传输层的材料选自非氟聚合物，所述非氟聚合物选自磺化或磷酸化的碳氢聚合物。

6.根据权利要求2所述的有序化电极，其特征在于，所述离子传输层为薄膜。

7.根据权利要求1所述的有序化电极，其特征在于，所述离子传输层的厚度为1nm-10μm，优选为50nm-1μm。

8.根据权利要求1所述的有序化电极，其特征在于，所述支撑结构为多个有序排列的纳米线或纳米管。

9.根据权利要求8所述的有序化电极，其特征在于，所述纳米线的直径为1-5000nm，优选为10-500nm。

10.根据权利要求8所述的有序化电极，其特征在于，所述纳米管的管径为5-10000nm，管壁厚度为0.5-100nm。

11.根据权利要求1所述的有序化电极，其特征在于，所述支撑结构的材料选自金属氧化物、金属氢氧化物、碱式金属碳酸盐、硅、二氧化硅、碳中的一种或两种以上，优选为wox、mnoy、tioz、nbol、层状双金属氢氧化物、碳中的一种或两种以上，其中x为2-3，y为1-2，z为1-2，l为1-3。

12.根据权利要求1所述的有序化电极，其特征在于，所述催化剂层的材料选自pt、ru、ir、rh、au、ni、fe、mo、co、pd、re、os、nb、sn、ta、sb或其氧化物中的一种或两种以上。

13.根据权利要求1所述的有序化电极，其特征在于，所述催化剂层的厚度为0.1-50μm，优选为0.1-10μm。

14.根据权利要求1所述的有序化电极，其特征在于，所述有序化电极还包括离子交换膜或气体扩散层，所述支撑结构设置在所述离子交换膜或所述气体扩散层上。

15.根据权利要求1所述的有序化电极，其特征在于，所述电解装置为质子交换膜电解水装置、阴离子交换膜电解水装置，或碱性电解水装置。

16.一种适用于电解装置的有序化电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述离子传输层的制备方法选自喷涂法、气相沉积法、丝网印刷法、浸渍法、刮涂法中的一种或两种以上中的一种或两种以上，优选为喷涂法。

18.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，在所述喷涂法中，喷涂溶液的浓度为0.05％-5％，喷涂高度为5mm-150mm，液体流速为0.1-8ml/min，喷头移动速度为50-2000mm/min。

19.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述支撑结构的制备方法选自水热法、电化学法、模板法、纺丝法、气相合成法中的一种或两种以上，优选为电化学法。

20.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂层的制备方法选自喷涂法、气相沉积法、溅射法、浸渍法、刮涂法中的一种或两种以上。

21.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述适用于电解装置的有序化电极为权利要求1-15中任一项所述的有序化电极。

22.一种电解装置，其特征在于，所述电解装置包括权利要求1-15中任一项所述的有序化电极。

技术总结本申请提供一种适用于电解装置的有序化电极及其制备方法。所述有序化电极包括支撑结构、离子传输层和催化剂层，其中，所述离子传输层至少部分覆盖所述支撑结构的表面，所述催化剂层至少部分覆盖所述离子传输层。本申请的有序化电极提供有序的支撑结构，可以有利于物质传输，降低贵金属催化剂载量、提高催化剂活性位点的利用率。此外，支撑结构和催化剂层之间的电子传输层可以有效提高反应过程中离子向催化剂表面的迁移速率，降低传质阻力。技术研发人员：孙朱行受保护的技术使用者：无锡隆基氢能科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/16