優(yōu)化的電解用含陰離子交換樹脂過渡層的膜電極的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種優(yōu)化的電解用含陰離子交換樹脂過渡層的膜電極的制備方法，該 膜電極組件包含陰離子交換膜、陰離子交換樹脂過渡層、陰/陽極催化層、陰/陽極氣體擴 散層的特定組合。可應用于AEM水電解、RFC或各種電解裝置中。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，固體聚合物電解質(zhì)（SP巧水電解技術(shù)因其高效、零排放、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境 友好，產(chǎn)物純度高等優(yōu)點，成為了制氨領(lǐng)域的研究熱點，而且其產(chǎn)物高純度的氧也已用于航 天、醫(yī)療、分析等領(lǐng)域。然而價格昂貴是制約SPE水電解技術(shù)進一步商業(yè)化應用的主要原 因，因此圍繞如何降低成本，提高電解效率是各國研究人員的工作重點。借鑒SPE水電解池 的設(shè)計，基于零間隙電解槽概念，AHM水電解技術(shù)也隨之出現(xiàn)。
[0003] 在送種電解池的結(jié)構(gòu)中，兩極與陰離子交換膜的表面密切接觸，從而降低了兩極 之間的電壓降。將傳統(tǒng)堿性液體水電解與SPE水電解的優(yōu)點結(jié)合起來，有望發(fā)展更加廉價 高效的固體電解質(zhì)水電解電解池（AEMWE)，與液體堿性水電解及質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)相 比，將具有更為廣闊的應用前景。分析堿性固體電解質(zhì)水電解（AEMW巧的電解過程，在水電 解池中，電子通過外電路傳遞到陰極，水在陰極得到電子并析出氨氣與氨氧根離子。氨氧根 離子通過AEM膜，在陽極失去電子生成氧氣和水。膜電極組件是電解反應的發(fā)生場所，是電 解池的核必部分。其組成包括；為電化學反應發(fā)生的催化層，導水、導氨氧根離子的固體聚 合物膜（AEM)W及傳遞水與氣體的擴散層。其中，催化層由催化劑和樹脂組成。膜電極組 件是電解池的核必，直接影響到電解效率、電解能耗、電解成本W(wǎng)及電解池的壽命。
[0004]AEMWE水電解池的膜電極制備可W采用氣體擴散電極（GDE，gasdifTusion electrode)工藝，將催化劑直接涂覆于擴散層上，也可W采用催化劑覆膜電極（CCM， catalystcoatedmembrane)電極工藝，通過熱壓法，電化學沉積法，噴涂等方法，將催化劑 制備在AEM膜上。采用CCM法制得的膜電極組件由于催化層與陰離子交換膜之間接觸更為 緊密，因而具有阻抗小的特點，在本發(fā)明中我們就采取CCM法來制備膜電極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明涉及一種優(yōu)化的電解用含陰離子交換樹脂過渡層的膜電極的制備方法。該 膜電極組件是陰離子交換膜、陰離子交換樹脂過渡層、陰/陽極催化層、陰/陽極氣體擴散 層的特定組合。將本發(fā)明制備的膜電極組件用作堿性固體聚合物電解質(zhì)（AEM)水電解池時 具有較好的性能。本發(fā)明在可再生燃料電池（RFC)、光電催化、電解氨氣發(fā)生器裝置中有廣 泛的利用價值。
[0006] -種新型的膜電極組件，其基本制備步驟如下：
[0007] (1)首先將一定量的催化劑與陰離子交換樹脂按照5:1~7:1的質(zhì)量比混合在一 定量的己醇、異丙醇或正丙醇中，催化劑與己醇、異丙醇或正丙醇的質(zhì)量比為1:10~1:40， 將混合好的漿料超聲混合10~30min。將一定量的陰離子交換樹脂與己醇、異丙醇或正丙 醇按照1:10~1:80的比例混合后超聲10~30min〇
[0008] (2)將上述制備的陰離子交換樹脂的己醇、異丙醇或正丙醇溶液噴涂于陰離子交 換膜的兩側(cè)，再將（1)中混合好的催化劑漿料噴涂在膜的兩側(cè)，上述噴涂操作均在熱臺上 進行，熱臺溫度維持恒定在45~65t：。
[0009] (3)用兩片中空環(huán)形封閉材料將（2)中制得的涂覆有催化層的陰離子交換膜夾 住，在陰極側(cè)封閉材料放好與封閉材料內(nèi)框等大的碳紙氣體擴散層，在陽極相應區(qū)域安放 一片符合封閉材料內(nèi)框大小的聚四氣己帰薄片。將膜電極用兩片大塊聚四氣己帰薄膜夾 住，放置于兩片金屬鐵夾板之間，置于45~7(TC的油壓機之中熱壓60~90s，熱壓之后取 下鋼板、四氣片，在陽極側(cè)放置與陽極側(cè)封閉材料內(nèi)框等大的陽極擴散層，初步制得膜電極 組件。
[0010] 所述催化劑為負載或未負載在載體上的催化劑，所述催化劑擔載量為0.5~ 3.Om邑/cm2。
[0011] 其催化劑選自Pt、PtRu、化、Ir或者Ni、Co、Mo的負載型或未負載的純金屬納米 顆粒中的一種W上。
[0012] 催化劑與陰離子交換樹脂的質(zhì)量比為5:1~7:1，催化劑與己醇/異丙醇/正丙醇 的質(zhì)量比為1:20~1:50。
[0013] 除去氣體擴散層之外的膜電極為"走層"夾層結(jié)構(gòu)，包括陰離子交換膜、分別置于 膜兩側(cè)的陰/陽極樹脂過渡層、陰/極催化層、陰/陽極氣體擴散層，如圖1所示。
[0014] 所述噴涂方法所用噴槍的氣源為氮氣、氮氣等惰性氣體，噴涂操作進行時的減壓 閥壓強控制在0. 05~0. 2MPa;
[0015] 所述的膜電極"走層"夾層結(jié)構(gòu)，其陰離子交換膜、陰離子交換樹脂特征在于：選用 的陰離子交換膜及樹脂都是W季胺基為官能團的陰離子交換膜、陰離子交換樹脂；其過渡 層的特征在于：陰離子過渡層的擔載量為0. 075~0. 6mg/cm2 ;其陰/陽極氣體擴散層的特 征在于：所選用的陰極氣體擴散層為厚度0. 2~0. 3mm的增水化處理的碳紙，陽極為厚度 0. 7~0. 8mm的錐笛多孔鐵板。
[0016] 所述油壓過程所使用的壓強為0. 1~0. 5MPa，熱壓溫度為45~75v，熱壓時間為 60 ~90s。
[0017] 所述膜電極應用于RFC、光電催化、APE水電解池或堿性水電解氨氣發(fā)生器中。
[0018] 本發(fā)明較好的實施條件是：
[0019] 1、與SPE水電解技術(shù)中的質(zhì)子傳導速率相比，氨氧根在MEA中的傳輸速率較慢，將 陰離子交換樹脂覆于陰離子交換膜上能夠增加催化層與陰離子交換膜之間的氨氧根傳輸 通道，從而提高電解池的性能。
[0020] 2、MEA在經(jīng)過優(yōu)化的熱壓條件下經(jīng)過熱壓能夠更加平整，完成MEA電極一體化的 制作。
[0021] 3、MEA在經(jīng)過優(yōu)化的催化層比例下（催化劑與樹脂的比例5:1~7:1)能夠達到 較好的電解池性能。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點：
[0023] 1、采用一體化電極（MEA)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)堿性液體電解質(zhì)水電解槽相比降低了電解 池的歐姆降損失，提高了電解池的工作效率。并且產(chǎn)氣不含堿蒸汽，無需凈化。
[0024] 本發(fā)明方法簡單易控，經(jīng)濟合理，產(chǎn)物制備效率高。
【附圖說明】
[0025]圖1.一種優(yōu)化的電解用含陰離子交換樹脂過渡層的膜電極的結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖2.實際運行電解池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖3.W濃度為Iwt. %的KHCA溶液為電解液的AHM水電解池的極化曲線，陽極催 化劑擔載量1. 5mg/cm2,催化層中催化劑與樹脂質(zhì)量比為4:1，膜兩側(cè)的樹脂層的擔載量為 0. 6mg/cm2,陰極 70wt. %Pt/C，Pt擔載量 0. 7mg/cm2,AS-4飯20?膜，電極面積 5cm2,測試溫 度 50〇C。
[002引圖4.W去離子水為電解液的AHM水電解池的極化曲線，陽極催化劑擔載量1. 5mg/cm2,催化層中催化劑與樹脂質(zhì)量比為4:1，膜兩側(cè)的樹脂層的擔載量為0. 6mg/cm2,陰極 70wt. %Pt/C，Pt擔載量0.7mg/cm2,AS-4底201膜，電極面積 5cm2,測試溫度 5(TC。
[0029] 圖5.W濃度為Iwt. %的KHC03溶液為電解液的AEM水電解池的極化曲線，陽極催 化劑擔載量1. 5mg/cm2,催化層中催化劑與樹脂質(zhì)量比為5:1，膜兩側(cè)的樹脂層的擔載量為 0.6mg/cm2,陰極 70wt. %Pt/C，Pt擔載量0.7mg/cm2,A.S4^1^201膜，電極面積 5cm2,測試溫 度 50〇C。
[0030] 圖6.W濃度為Iwt. %的KHC03溶液為電解液的AEM水電解池的極化曲線，陽極 催化劑擔載量1. 5mg/cm2,催化層中催化劑與樹脂質(zhì)量比為5:1，膜兩側(cè)無樹脂過渡層，陰極 70wt. %Pt/C，Pt擔載量