本发明属于膜电极，具体涉及一种原位生长催化剂层的离子交换膜电极及其制备方法。
背景技术：
1、以光伏、风电为代表的可再生能源得到了充分的发展，引发了电力系统的深刻变革，促进了能源领域减碳进程。但是，受限于建设场景，相当规模的光伏、风电等新能源发电难以消纳，造成了一定的“弃风”、“弃光”的问题。
2、在此背景下，电化学制造作为一种有效的手段为可再生能源发电的就地消纳提供了解决方案，带动了绿氢、绿氨、碳利用等领域的发展，应用规模逐年上涨。膜反应器是电化学制造中一种常用的反应器件，膜电极组件(membrane electrode assembly,mea)是其核心组件，为催化反应提供了主要场所，决定了反应系统的性能，广泛应用于质子交换膜水电解制氢(proton exchange membrane water electrolysis,pemwe)、阴离子交换膜水电解制氢(anion exchange membrane water electrolysis,aemwe)、电化学还原co2、燃料电池等应用。
3、因此，如何进一步提高膜电极组件的性能，受到越来越广泛的关注。
技术实现思路
1、本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
2、mea主要由催化剂层、离子交换膜(以及扩散层)组成，各部分之间的结合方式和紧密程度对系统的电化学性能起着决定性作用。当前mea制备方式主要有ccs(catalystcoated substrate)和ccm(catalyst coated membrane)两种，尽管通过热压等方式可以提升mea中各组件的贴合程度，提升mea的制氢性能，但流程仍相对复杂，具有很大的优化空间。
3、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种原位生长催化剂层的离子交换膜电极制备方法，该方法以离子交换膜为基底原位生长催化剂，相比当前ccs和ccm的制备方法，减少了催化剂的损失，提升了催化剂层与离子交换膜的结合度，避免了mea复杂的制备流程，可显著提升膜电极系统的电化学性能与稳定性。
4、本发明实施例的一种原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，包括以下步骤：
5、(1)在离子交换膜的两面溅射喷涂金属合金，之后放置于刻蚀液中进行刻蚀处理；
6、(2)将经过刻蚀处理的离子交换膜装入电解设备中进行伏安扫描；
7、(3)将离聚物溶液喷涂在伏安扫描后的离子交换膜的两面，干燥处理后得到膜电极。
8、本发明实施例的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法，以离子交换膜为基底直接生长催化剂层，一方面增加了催化剂层与离子交换膜的贴合度，另一方面可以直接控制催化剂层的组分，同时也能够减少催化剂的损失；2、本发明实施例的方法，通过刻蚀脱合金法能够创造出具有多孔网络结构的催化剂层，有效地提高了膜电极的活性；3、本发明实施例的方法，通过伏安扫描处理能够固化和重构催化剂层，进一步提升膜电极组件的制氢性能和耐久性；4、本发明实施例的方法，避免了制备过程中催化剂的消耗，简化了制备流程，便于在工业生产中的推广应用。
9、在一些实施例中，所述步骤(1)中，在所述离子交换膜的阳极，所述溅射喷涂的金属合金包括nico、nife、nicofe、nicocufe、ptni、runi、cual、cuni、auag、aual中的至少一种；在所述离子交换膜的阴极，所述溅射喷涂的金属合金包括nimo、nicu、nimofe、nifecumo、conicumo、ptcu中的至少一种；和/或，所述金属合金的喷涂厚度为20～500nm。
10、在一些实施例中，所述步骤(1)中，在喷涂所述金属合金之前先对所述离子交换膜进行活化处理。
11、在一些实施例中，所述步骤(1)中，当所述离子交换膜为阴离子交换膜时，所述刻蚀液为0.01～0.5m的碱溶液，优选地，所述碱溶液包括naoh溶液、koh溶液中的至少一种；当所述离子交换膜为阳离子交换膜时，所述刻蚀液为0.01～0.5m的酸溶液，优选地，所述酸溶液包括草酸溶液、硝酸溶液中的至少一种。
12、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述刻蚀处理的温度为25～50℃，刻蚀处理的时间为4～24h。
13、在一些实施例中，所述步骤(2)中，当所述离子交换膜为阴离子交换膜时，进行所述伏安扫描时采用0.1～1.5m的naoh溶液或koh溶液作为电解液，扫描区间为0.5～1.6v；当所述离子交换膜为阳离子交换膜时，进行所述伏安扫描时采用0.1～1.5m的kcl溶液或0.05～1.0m的hclo4溶液作为电解液，扫描区间为0.5～1.6v。
14、在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述伏安扫描的扫描速度为5～20mv/s，扫描10～30圈。
15、在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述离聚物的浓度为3～10wt％，所述离聚物和金属合金的质量比为(0.15～0.4)：1。
16、在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述干燥处理的温度为120～140℃，干燥处理的时间为1～3h。
17、本发明实施例还提供了一种离子交换膜电极，采用上述的制备方法制得。
1.一种原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在所述离子交换膜的阳极，所述溅射喷涂的金属合金包括nico、nife、nicofe、nicocufe、ptni、runi、cual、cuni、auag、aual中的至少一种；在所述离子交换膜的阴极，所述溅射喷涂的金属合金包括nimo、nicu、nimofe、nifecumo、conicumo、ptcu中的至少一种；和/或，所述金属合金的喷涂厚度为20～500nm。
3.根据权利要求1所述的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在喷涂所述金属合金之前先对所述离子交换膜进行活化处理。
4.根据权利要求1所述的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，当所述离子交换膜为阴离子交换膜时，所述刻蚀液为0.01～0.5m的碱溶液，优选地，所述碱溶液包括naoh溶液、koh溶液中的至少一种；当所述离子交换膜为阳离子交换膜时，所述刻蚀液为0.01～0.5m的酸溶液，优选地，所述酸溶液包括草酸溶液、硝酸溶液中的至少一种。
5.根据权利要求1或4所述的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述刻蚀处理的温度为25～50℃，刻蚀处理的时间为4～24h。
6.根据权利要求1所述的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当所述离子交换膜为阴离子交换膜时，进行所述伏安扫描时采用0.1～1.5m的naoh溶液或koh溶液作为电解液，扫描区间为0.5～1.6v；当所述离子交换膜为阳离子交换膜时，进行所述伏安扫描时采用0.1～1.5m的kcl溶液或0.05～1.0m的hclo4溶液作为电解液，扫描区间为0.5～1.6v。
7.根据权利要求1或6所述的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述伏安扫描的扫描速度为5～20mv/s，扫描10～30圈。
8.根据权利要求1所述的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述离聚物的浓度为3～10wt％，所述离聚物和金属合金的质量比为(0.15～0.4)：1。
9.根据权利要求1所述的原位生长催化剂层的离子交换膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述干燥处理的温度为120～140℃，干燥处理的时间为1～3h。
10.一种离子交换膜电极，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的制备方法制得。