一种PEM电解水制氢膜电极浆料的制备方法与流程

一种pem电解水制氢膜电极浆料的制备方法
技术领域
1.本发明涉及膜电极制备领域，特别涉及一种pem电解水制氢膜电极浆料的制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着温室气体排放的加剧，全球气候持续变暖，气候问题日益突出。为应对这一挑战，全球主要国家于2016年签订了《巴黎气候协定》，形成了气候共识，并纷纷制定了二氧化碳减排计划。为了实现这一目标，使用低碳清洁的可再生能源替代目前高碳的煤、石油等化石能源变得越来越紧迫。在此次能源变革中，氢能因为其清洁无污染、单位质量能量密度高、可存储、可再生、来源广泛等优势，成为各国竞相开发新能源的技术首选，甚至被称为21世纪的“终极能源”。
3.目前氢气生产主要来自于天然气制氢或煤制氢，生产过程中会有二氧化碳产生，属于“灰氢”，而目前业界公认的发展方向是“绿氢”，即氢气生产过程中没有二氧化碳产生。当下绿氢主要的生产方式是电解水，其通过电能提供能量，将水分子在电极上分解为氢气和氧气。
4.电解水的主要生产设备是电解槽，按照电解质不同，可将电解槽分为3类，即碱性电解槽（awe）、质子交换膜电解槽（pem）、固体氧化物电解槽（soec）。soec电解槽尚处于实验室阶段，未商业化应用。awe电解槽由电极、电解液、隔膜组成，电解槽内装填电解质溶液，通过隔膜将槽体分为阴、阳两室，各电极置于其中。它是目前发展最为成熟的技术，具有槽体结构简单、安全可靠、运行寿命长、操作简便、售价低廉等优点，但其效率低，需要使用强腐蚀性碱液，氢气需要脱除水和碱，还具有难以快速启动和变载，同时无法快速调节制氢速度等缺点，因而与可再生能源发电的适配性较差，且由于碱性电解槽的技术特点，这些缺点难以克服，所以近年来质子交换膜电解槽（pem）日益受到人们的重视。pem电解槽具有结构紧凑、效率高、能耗少、响应快、负载高等优势，是未来电解制氢的主流方向。pem电解槽采用高分子聚合物质子交换膜替代了碱性电解槽中的隔膜和液态电解质，具有离子传导和隔绝气体的双重作用。pem电解槽由膜电极、双极板等部件组成，膜电极由质子交换膜和阴阳极催化剂组成。
5.pem电解槽的发展最主要的是解决膜电极的制备技术，而在膜电极的制备中，催化剂的选择、催化剂浆料的组成一直是研究的重点。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种pem电解水制氢膜电极浆料的制备方法，该方法简单，易于实现工业化生产。
7.为了达到上述目的，本发明的一种pem电解水制氢膜电极浆料的制备方法，包括以下步骤：1）制备阴极催化剂浆料：将mxene材料、无机纳米材料、粘结剂、铂质量浓度为20%
～60% pt/c粉末和溶剂混合，并在超声下分散均匀而制得阴极催化剂浆料；2）制备阳极催化剂浆料：将mxene材料、无机纳米材料、粘结剂、二氧化铱粉末或二氧化铱/炭黑混合物和溶剂混合，并在超声下分散均匀而制得阳极催化剂浆料。
8.根据本发明，所述mxene材料的化学通式为m
n+1
xnt
x
。
9.进一步地，所述m为过渡金属，如sc、ti、zr、v、mo、nb或cr。
10.进一步地，所述n=1～3。
11.进一步地，所述x代表c或n元素。
12.进一步地，所述t
x
代表表面基团，通常为-oh、-o、-f或-cl。
13.根据本发明，所述无机纳米材料为二氧化硅粉末、二氧化钛粉末、三氧化二铝粉末、碳酸钙粉末或氮化铝粉末中的一种。
14.根据本发明，所述粘结剂为质量浓度为0.5～20% nafion溶液、聚苯并咪唑溶液、磺化聚砜溶液、磺化聚醚砜溶液、磺化聚醚酰亚胺溶液、磺化聚醚醚酮溶液和磺化聚芳醚酮溶液中的一种。
15.根据本发明，所述步骤1）中mxene材料占铂质量浓度为20%～60% pt/c粉末质量的1～30%。
16.根据本发明，所述步骤1）中无机纳米材料占铂质量浓度为20%～60% pt/c粉末质量的0.1～10%。
17.根据本发明，所述步骤1）中粘结剂占铂质量浓度为20%～60% pt/c粉末质量的15～40%。
18.根据本发明，所述溶剂为醇与去离子水的混合物。
19.进一步地，所述醇为乙醇、乙二醇和异丙醇中的一种或两种的混合物。
20.进一步地，所述混合物中去离子水与醇的体积比为1：5～20。
21.根据本发明，所述步骤1）超声分散的条件为冰水浴，时间为30～90min。
22.根据本发明，所述步骤2）中二氧化铱粉末的质量浓度为85%或95%。根据本发明，所述步骤2）二氧化铱/炭黑混合物中，二氧化铱粉末占混合物质量的40～80%。
23.根据本发明，所述步骤2）中mxene材料占二氧化铱粉末或二氧化铱/炭黑混合物质量的1～30%。
24.根据本发明，所述步骤2）中无机纳米材料占二氧化铱粉末或二氧化铱/炭黑混合物质量的0.1～10%。
25.根据本发明，所述步骤2）中粘结剂占二氧化铱粉末或二氧化铱/炭黑混合物质量的15～40%。
26.根据本发明，所述步骤2）超声分散的条件为冰水浴，时间为120～180min。
27.与现有技术相比，本发明具有如下优势：1）本发明将mxene作为膜电极浆料的主要成分，利用其表面丰富且分布均匀的末端基团支撑形成高度有序的二维层状纳米通道，有助于质子和电子的传输；且封端基团的-oh、-o等更是加速了质子和电子的传输，因此在减少膜电极催化剂用量的前提下，还能提高催化层的性能；2）本发明使用的无机纳米材料表面布满了-oh，可加速质子和电子的传输，提高催化层的性能；
3）本发明使用亲水性溶液作为粘结剂，有助于催化剂和膜电极底膜的粘结，减少界面电阻，提高催化剂的导电性能，从而大幅提高膜电极的使用性能。
具体实施方式
28.下面将结合实施例对本发明作进一步地描述。
29.实施例11）制备阴极催化剂浆料：选择多层风琴状ti3c2t
x
（t
x
为-oh）材料、二氧化硅粉末、质量浓度为5%nafion溶液、铂质量浓度为20% pt/c粉末、去离子水和乙醇作为阴极催化剂浆料的主要成分。首先将10mg铂质量浓度为20% pt/c粉末、0.01mg二氧化硅粉末、0.1mg 多层风琴状ti3c2t
x
（t
x
为-oh）材料、10ml去离子水和50ml乙醇搅拌混合成溶液，将该溶液在冰水浴下超声分散20min；再向该溶液中添加30mg 质量浓度为5%nafion溶液，在冰水浴下超声分散10min即制得阴极催化剂浆料；2）制备阳极催化剂浆料：选择多层风琴状ti3c2t
x
（t
x
为-oh）材料、二氧化硅粉末、质量浓度为5%nafion溶液、95% 二氧化铱粉末、去离子水和乙二醇作为阳极催化剂浆料的主要成分。首先将10mg质量浓度为95% 二氧化铱粉末、0.05mg二氧化硅粉末、0.5mg 多层风琴状ti3c2t
x
（t
x
为-oh）材料、10ml去离子水和100ml乙二醇搅拌混合成溶液，将该溶液在冰水浴下超声分散60min；再向该溶液中添加30mg 质量浓度为5%nafion溶液，在冰水浴下超声分散60min即制得阳极催化剂浆料。
30.实施例21）制备阴极催化剂浆料：选择风琴状ti2ct
x
（t
x
为-o）材料、三氧化二铝粉末、质量浓度为20%nafion溶液、铂质量浓度为40% pt/c粉末、去离子水和异丙醇作为阴极催化剂浆料的主要成分。首先将10mg铂质量浓度为40% pt/c粉末、0.5mg风琴状ti2ct
x
（t
x
为-o）材料、0.1mg三氧化二铝粉末、10ml去离子水和60ml异丙醇搅拌混合成溶液，将该溶液在冰水浴下超声分散30min；再向该溶液中添加10mg质量浓度为20%nafion溶液，在冰水浴下超声分散30min即制得阴极催化剂浆料；2）制备阳极催化剂浆料：选择风琴状ti2ct
x
（t
x
为-o）材料、三氧化二铝粉末、质量浓度为20%nafion溶液、95% 二氧化铱粉末、炭黑、去离子水和乙醇作为阳极催化剂浆料的主要成分。首先将4mg质量浓度为95% 二氧化铱粉末、6g炭黑、0.2mg风琴状ti2ct
x
（t
x
为-o）材料、1mg三氧化二铝粉末、10ml去离子水和200ml乙醇搅拌混合成溶液，将该溶液在冰水浴下超声分散120min；再向该溶液中添加15mg 质量浓度为20%nafion溶液，在冰水浴下超声分散60min即制得阳极催化剂浆料。
31.实施例31）制备阴极催化剂浆料：选择风琴状ti3cnt
x
（t
x
为-oh）材料、二氧化钛粉末、质量浓度为0.5%聚苯并咪唑/n,n-二甲基乙酰胺溶液、铂质量浓度为60% pt/c粉末、去离子水和乙二醇作为阴极催化剂浆料的主要成分。首先将10mg铂质量浓度为60% pt/c粉末、2mg风琴状ti3cnt
x
（t
x
为-oh）材料、0.1mg二氧化钛粉末、5ml去离子水和30ml乙二醇搅拌混合成溶液，将该溶液在冰水浴下超声分散40min；再向该溶液中添加800mg质量浓度为0.5%聚苯并咪唑/n,n-二甲基乙酰胺溶液，在冰水浴下超声分散50min即制得阴极催化剂浆料；2）制备阳极催化剂浆料：选择风琴状ti3cnt
x
（t
x
为-oh）材料、二氧化钛粉末、质量
浓度为0.5%聚苯并咪唑/n,n-二甲基乙酰胺溶液、85% 二氧化铱粉末、去离子水和异丙醇作为阳极催化剂浆料的主要成分。首先将10mg质量浓度为85% 二氧化铱粉末、3mg风琴状ti3cnt
x
（t
x
为-oh）材料、0.5mg二氧化钛粉末、3ml去离子水和15ml异丙醇搅拌混合成溶液，将该溶液在冰水浴下超声分散120min；再向该溶液中添加600mg 质量浓度为0.5%聚苯并咪唑/n,n-二甲基乙酰胺溶液，在冰水浴下超声分散60min即制得阳极催化剂浆料。
32.实施例41）制备阴极催化剂浆料：选择tivct
x
（t
x
为-oh）材料、碳酸钙粉末、质量浓度为1%磺化聚醚醚酮/n,n-二甲基乙酰胺溶液、铂质量浓度为20% pt/c粉末、去离子水和异丙醇作为阴极催化剂浆料的主要成分。首先将10mg铂质量浓度为20% pt/c粉末、1.5mgtivct
x
（t
x
为-oh）材料、0.5mg碳酸钙粉末、6ml去离子水和40ml异丙醇搅拌混合成溶液，将该溶液在冰水浴下超声分散20min；再向该溶液中添加100mg 质量浓度为1%磺化聚醚醚酮/n,n-二甲基乙酰胺溶液，在冰水浴下超声分散60min即制得阴极催化剂浆料；2）制备阳极催化剂浆料：选择tivct
x
（t
x
为-oh）材料、碳酸钙粉末、质量浓度为1%磺化聚醚醚酮/n,n-二甲基乙酰胺溶液、85% 二氧化铱粉末、炭黑、去离子水和乙二醇作为阳极催化剂浆料的主要成分。首先将8mg质量浓度为85% 二氧化铱粉末、2mg炭黑、0.5mgtivct
x
（t
x
为-oh）材料、0.5mg碳酸钙粉末、5ml去离子水和35ml乙二醇搅拌混合成溶液，将该溶液在冰水浴下超声分散90min；再向该溶液中添加200mg 质量浓度为1%磺化聚醚醚酮/n,n-二甲基乙酰胺溶液，在冰水浴下超声分散90min即制得阳极催化剂浆料。