一种离子液体增强催化层及其制备方法和应用、离子液体增强催化层膜电极的制备方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种离子液体增强催化层及其制备方法和应用、离子液体增强催化层膜电极的制备方法。

背景技术：

1、燃料电池作为替代内燃机的一种新能源，引起了人们极大的兴趣，燃料电池的核心零部件是膜电极，膜电极由阴极扩散层、阴极边框材料、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极边框材料和阳极扩散层组成。其中阴阳极催化层是决定膜电极性能好坏的核心区域。

2、催化层中碳载体通过影响孔隙率、腐蚀速率和质量运输性能，对催化层的稳定性起着至关重要的作用。高表面的碳载体有着较高的中孔度，在5.5～14nm的介孔范围内可以容纳75％的pt活性表面积，内孔中存在的pt不与nafion离聚物接触，减小了离聚物的磺酸基在pt上的吸附，不利于pt的动力学反应。膜电极在高电位高电流的运行条件下，离子的传输受到明显的限制，局部输运限制更加明显，由于离聚物中离子不能穿透高表面碳载体的微孔和较小的介孔，需要液态水作为质子将离子转移到pt表面的反应位点，而水的离子电导率很小，比nafion溶液离子电导率小几个数量级，因此不能使pt表面的离子充分反应，阻碍pt表面的orr反应。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种离子液体增强催化层及其制备方法和应用、离子液体增强催化层膜电极的制备方法，能够使离子迅速扩散到pt表面，还能调节膜电极水平衡。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种离子液体增强催化层的制备方法，包括以下步骤：

4、将阴极催化剂和阳极催化剂分别与有机醇溶剂混合，进行第一分散，将所得催化剂分散液分别与碳粉、nafion离聚物溶液、咪唑类衍生物和疏水性树脂混合，进行第二分散，分别得到阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料；

5、将所述阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料分别涂敷于质子交换膜的两侧表面，得到离子液体增强催化层。

6、优选的，所述阴极催化剂和阳极催化剂独立为pt/c催化剂、ptco/c催化剂和ptni/c催化剂中的一种或多种；所述阴极催化剂与阳极催化剂的质量比为(3～5):(0.5～1)。

7、优选的，所述第一分散的时间为0.5～1h；所述第二分散的时间为1～3h。

8、优选的，所述nafion离聚物溶液与碳粉的质量比为(0.5～2)：1。

9、优选的，所述咪唑类衍生物包括1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺和1-丁基-2,3-二甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺中的一种或几种；所述疏水性树脂为ptfe、pvdf和pmma树脂中的一种或几种；所述碳粉、咪唑衍生物和疏水性树脂的质量比为(0.8～1):(1～3):(0.5～2)。

10、优选的，所述离子液体增强催化层中，所述阴极催化剂的载量为0.35～0.5mg/cm2，所述阳极催化剂的载量为0.5～1mg/cm2。

11、本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的离子液体增强催化层。

12、本发明提供了上述技术方案所述离子液体增强催化层在燃料电池中的应用。

13、本发明提供了一种离子液体增强催化层膜电极的制备方法，包括以下步骤：

14、将上述技术方案所述离子液体增强催化层与阴极扩散层和阳极扩散层进行热压，得到离子液体增强催化层膜电极。

15、优选的，所述热压的温度为90～120℃，压力为90～120mpa，时间为90～120s。

16、本发明提供了一种离子液体增强催化层的制备方法，本发明将咪唑类衍生物离子液体掺杂于催化层中，替代水的作用，离子液体具有较高的离子电导率(电导率比水高几个数量级)，pt与离子液体界面-oh能够形成氢键网络，离子液体将作为质子供体促进nafion离聚物中离子迅速扩散到pt的表面，迅速发生氧还原orr反应，促进反应动力学。

17、本发明利用离子液体高的离子电导率可以迅速将离子与氧气带到pt表面以及碳载体不同介孔与微孔的表面，使膜电极反应更加完全，提升膜电极的氧还原反应orr反应效率，从而在燃料电池中表现出优越的热和电化学稳定性。

18、进一步的，本发明所述咪唑衍生物支链的甲基具有亲水性，因而具有保水功能，nafion离聚物的支链含有硫酸根，具有保水功能，疏水性树脂填料具有疏水功能，因此咪唑衍生物与nafion离聚物和疏水性树脂使膜电极形成亲疏水通道，既能使质子膜保持湿润，又能不让电堆发生水淹，实现膜电极的水平衡，具有广泛的商业价值和应用前景。

技术特征：

1.一种离子液体增强催化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阴极催化剂和阳极催化剂独立为pt/c催化剂、ptco/c催化剂和ptni/c催化剂中的一种或多种；所述阴极催化剂与阳极催化剂的质量比为(3～5):(0.5～1)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一分散的时间为0.5～1h；所述第二分散的时间为1～3h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述nafion离聚物溶液与碳粉的质量比为(0.5～2):1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述咪唑类衍生物包括1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺和1-丁基-2,3-二甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺中的一种或几种；所述疏水性树脂为ptfe、pvdf和pmma树脂中的一种或几种；所述碳粉、咪唑衍生物和疏水性树脂的质量比为(0.8～1):(1～3):(0.5～2)。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离子液体增强催化层中，所述阴极催化剂的载量为0.35～0.5mg/cm2，所述阳极催化剂的载量为0.5～1mg/cm2。

7.权利要求1～6任一项所述制备方法制备得到的离子液体增强催化层。

8.权利要求7所述离子液体增强催化层在燃料电池中的应用。

9.一种离子液体增强催化层膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述热压的温度为90～120℃，压力为90～120mpa，时间为90～120s。

技术总结
本发明提供了一种离子液体增强催化层及其制备方法和应用、离子液体增强催化层膜电极的制备方法，属于燃料电池技术领域。本发明将咪唑类衍生物离子液体掺杂于催化层中，替代水的作用，离子液体具有较高的离子电导率(电导率比水高几个数量级)，Pt与离子液体界面‑OH能够形成氢键网络，离子液体将作为质子供体促进Nafion离聚物中离子迅速扩散到Pt的表面，迅速发生氧还原ORR反应，促进反应动力学。本发明利用离子液体高的离子电导率可以迅速将离子与氧气带到Pt表面以及碳载体不同介孔与微孔的表面，使膜电极反应更加完全，提升膜电极的氧还原反应ORR反应效率，从而在燃料电池中表现出优越的热和电化学稳定性。

技术研发人员：谢佳平,朱维,尚子奇,沈军
受保护的技术使用者：海卓动力（北京）能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12