【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及用于質(zhì)子交換膜(pem)水電解制氫的多孔催化劑，具體涉及一種在氣體擴(kuò)散層生長(zhǎng)多孔催化劑的方法。
技術(shù)介紹
1、質(zhì)子交換膜(pem)水電解制氫技術(shù)因其效率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成為制氫技術(shù)的研究熱點(diǎn)。pem電解槽的性能和壽命在很大程度上依賴(lài)于陽(yáng)極催化劑的性能。目前常用的陽(yáng)極催化劑主要是貴金屬氧化物，如氧化釕(ruo2)和氧化銥(iro2)。然而，這些貴金屬催化劑成本高，制約了pem電解水制氫技術(shù)的廣泛應(yīng)用。開(kāi)發(fā)具有高催化活性、耐久性好且成本較低的催化劑是當(dāng)前研究的重要方向。
2、目前常用的在pem氣體擴(kuò)散層涂覆催化劑層的方法，包括物理氣相沉積(pvd)和噴涂技術(shù)等，漿料噴涂技術(shù)是將催化劑漿料噴涂在膜電極或鈦基底上，經(jīng)過(guò)干燥和熱處理步驟制備成氣體擴(kuò)散層。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本低，但也存在催化劑層厚度不均、粘附力差、孔隙結(jié)構(gòu)難以控制等問(wèn)題，影響電解性能和穩(wěn)定性。pvd是一種在真空條件下，通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射的方法將金屬沉積到基底上形成薄膜的技術(shù)。pvd技術(shù)可以制備出高純度、高密度和均勻性良好的催化劑層，然而其也存在以下不足：設(shè)備復(fù)雜且昂貴，pvd設(shè)備復(fù)雜，初期投資和維護(hù)成本較高；沉積速率較低，適合于制備薄膜而非厚層結(jié)構(gòu)；環(huán)境要求高，需要在高真空環(huán)境下進(jìn)行，操作和工藝控制復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專(zhuān)利技術(shù)旨在提供一種在氣體擴(kuò)散層生長(zhǎng)多孔催化劑的方法。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：
3、一種在氣體擴(kuò)散層生長(zhǎng)多
4、s1、金屬氣體擴(kuò)散層的預(yù)處理：將金屬氣體擴(kuò)散層在酸性溶液中進(jìn)行表面清洗，以去除表面的雜質(zhì)和氧化層；
5、s2、電鍍?nèi)芤旱呐渲疲号渲坪写呋瘎╇x子和造孔劑的電鍍?nèi)芤海?/p>
6、s3、電鍍過(guò)程：利用步驟s2制得的電鍍?nèi)芤涸诮?jīng)過(guò)步驟s1處理的金屬氣體擴(kuò)散層上進(jìn)行電鍍反應(yīng)，在電鍍過(guò)程中，造孔劑在電鍍?nèi)芤褐行纬晌⑿〉牟蝗茴w粒、膠體或氣泡，這些不溶顆粒、膠體或氣泡在電鍍過(guò)程中附著在金屬氣體擴(kuò)散層表面，阻礙了部分催化劑離子的沉積或引起局部電位變化，造成催化劑離子不均勻沉積而形成孔洞，從而形成多孔催化劑層；
7、s4、后處理：對(duì)生長(zhǎng)多孔催化劑層后的金屬氣體擴(kuò)散層進(jìn)行清洗和熱處理。
8、進(jìn)一步地，步驟s1中，所述金屬氣體擴(kuò)散層為鈦纖維燒結(jié)氈、鈦粉燒結(jié)氈、鈦網(wǎng)中的一種或多種。
9、進(jìn)一步地，步驟s2中，催化劑離子包含pt、ir、ta、mo、ru、au、cr、sn、w、si和c元素中的一種或多種，催化劑離子在電鍍?nèi)芤褐械臐舛葹?.05-5mol/l；造孔劑包含聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、甲基纖維素、羧甲基纖維素、碳酸氫銨、碳酸鈉、氯化鈉、淀粉及其衍生物、偶氮二異丁腈、氨基磺酸鈉、聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、木質(zhì)素、纖維素、明膠中的一種或多種，造孔劑在電鍍?nèi)芤褐械臐舛葹?.1-5g/l。
10、進(jìn)一步地，步驟s1的具體過(guò)程如下：
11、金屬氣體擴(kuò)散層的預(yù)處理：將金屬氣體擴(kuò)散層放入質(zhì)量濃度為10％的硝酸溶液中進(jìn)行超聲清洗，清洗時(shí)間為10-30分鐘；然后用去離子水反復(fù)沖洗金屬氣體擴(kuò)散層，直到洗水的ph值接近中性；其后將金屬氣體擴(kuò)散層置于烘箱中，在50-80℃下干燥2小時(shí)。
12、進(jìn)一步地，步驟s3中，將三電極體系或兩電極體系置于電鍍槽中，確保所有電極完全浸入電鍍?nèi)芤褐校?/p>
13、采用三電極體系時(shí)，金屬氣體擴(kuò)散層作為工作電極，采用鉑片或鉑網(wǎng)作為對(duì)電極，采用飽和甘汞電極、氯化銀或標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為參比電極；采用兩電極體系時(shí)，金屬氣體擴(kuò)散層作為工作電極，鉑片或鉑網(wǎng)作為對(duì)電極。
14、進(jìn)一步地，電鍍模式采用恒流模式、恒壓模式以及脈沖電位模式中一種或多種；
15、當(dāng)采用恒流模式或恒壓模式時(shí)，恒壓電壓為0.1-5v或恒流電流密度為1-20ma/cm2，電鍍時(shí)間為10-60分鐘，電鍍?nèi)芤簻囟葹?0-90℃，在電鍍過(guò)程中保持均勻攪拌；
16、當(dāng)采用脈沖電鍍模式時(shí)，在電鍍過(guò)程中交替施加高電流密度和低電流密度的脈沖電流；高電流密度階段施加高電流密度5-20ma/cm2持續(xù)0.1-10秒，低電流密度階段施加低電流密度0-5ma/cm2持續(xù)2-30秒；交替施加高電流密度和低電流密度的脈沖電流直至總電鍍時(shí)間達(dá)到5-60分鐘；電鍍?nèi)芤簻囟葹?0-90℃。
17、需要說(shuō)明的是，恒流模式或恒壓模式下電鍍?nèi)芤褐饕勺匀粩U(kuò)散控制，離子擴(kuò)散和氣泡排除緩慢，沉積層的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為松散，多孔結(jié)構(gòu)的連通性較差。而在脈沖沉積模式下，由于脈沖沉積可以在高電流密度下短時(shí)間沉積金屬，同時(shí)在低電流密度或休止階段促進(jìn)離子擴(kuò)散和氣泡的排出，孔徑間具有較好的連通性，且孔隙的分布和大小更為可控，通過(guò)調(diào)整脈沖頻率、占空比和峰值電流，可以有效調(diào)節(jié)孔洞的尺寸和密度。
18、進(jìn)一步地，步驟s4中，清洗的過(guò)程為：電鍍完成后，用去離子水反復(fù)沖洗電鍍后的金屬氣體擴(kuò)散層，以去除表面殘留的電鍍?nèi)芤海缓髮_洗后的金屬氣體擴(kuò)散層在60-80℃下干燥1-2小時(shí)。
19、進(jìn)一步地，步驟s4中，熱處理的具體過(guò)程為：在氧化氣體的氣氛下，在200-400℃下低溫氧化處理0.5-2小時(shí)。
20、本專(zhuān)利技術(shù)還提供一種利用上述方法制得的生長(zhǎng)有多孔催化劑層的氣體擴(kuò)散層。
21、本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果在于：
22、1.本專(zhuān)利技術(shù)方法通過(guò)電鍍技術(shù)，能夠在金屬氣體擴(kuò)散層上沉積得到厚度均勻的催化劑層，避免噴涂過(guò)程中可能出現(xiàn)的厚度不均問(wèn)題。
23、2.利用本專(zhuān)利技術(shù)形成的多孔催化劑層與氣體擴(kuò)散層基底結(jié)合牢固，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅灰酌撀洌_保催化劑的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。
24、3.本專(zhuān)利技術(shù)結(jié)合電鍍技術(shù)和造孔劑的使用，可以在電鍍過(guò)程中形成均勻的多孔結(jié)構(gòu)，有利于提高電解水的催化效率。
25、4.本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)對(duì)電鍍后的氣體擴(kuò)散層采用低溫氧化處理，不會(huì)破壞催化劑層的多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠?qū)⒋呋瘎╇x子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氧化物，確保催化劑的高活性。
26、5.相對(duì)于pvd設(shè)備的高昂成本，本專(zhuān)利技術(shù)電鍍?cè)O(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
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1.一種在氣體擴(kuò)散層生長(zhǎng)多孔催化劑的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S1中，所述金屬氣體擴(kuò)散層為鈦纖維燒結(jié)氈、鈦粉燒結(jié)氈、鈦網(wǎng)中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2中，催化劑離子包含Pt、Ir、Ta、Mo、Ru、Au、Cr、Sn、W、Si和C元素中的一種或多種，催化劑離子在電鍍?nèi)芤褐械臐舛葹?.05-5mol/L；造孔劑包含聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、甲基纖維素、羧甲基纖維素、碳酸氫銨、碳酸鈉、氯化鈉、淀粉及其衍生物、偶氮二異丁腈、氨基磺酸鈉、聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、木質(zhì)素、纖維素、明膠中的一種或多種，造孔劑在電鍍?nèi)芤褐械臐舛葹?.1-5g/L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S1的具體過(guò)程如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3中，將三電極體系或兩電極體系置于電鍍槽中，確保所有電極完全浸入電鍍?nèi)芤褐校?/p>
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于，電鍍模式采用恒流模式、恒壓模式以及脈沖電位模式中
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S4中，清洗的過(guò)程為：電鍍完成后，用去離子水反復(fù)沖洗電鍍后的金屬氣體擴(kuò)散層，以去除表面殘留的電鍍?nèi)芤海缓髮_洗后的金屬氣體擴(kuò)散層在60-80℃下干燥1-2小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S4中，熱處理的具體過(guò)程為：在氧化氣體的氣氛下，在200-400℃下低溫氧化處理0.5-2小時(shí)。
9.一種利用權(quán)利要求1-8任一所述方法制得的生長(zhǎng)有多孔催化劑層的氣體擴(kuò)散層。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種在氣體擴(kuò)散層生長(zhǎng)多孔催化劑的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s1中，所述金屬氣體擴(kuò)散層為鈦纖維燒結(jié)氈、鈦粉燒結(jié)氈、鈦網(wǎng)中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s2中，催化劑離子包含pt、ir、ta、mo、ru、au、cr、sn、w、si和c元素中的一種或多種，催化劑離子在電鍍?nèi)芤褐械臐舛葹?.05-5mol/l；造孔劑包含聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、甲基纖維素、羧甲基纖維素、碳酸氫銨、碳酸鈉、氯化鈉、淀粉及其衍生物、偶氮二異丁腈、氨基磺酸鈉、聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、木質(zhì)素、纖維素、明膠中的一種或多種，造孔劑在電鍍?nèi)芤褐械臐舛葹?.1-5g/l。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s1的具體...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：羅小進(jìn)，李智森，尚明豐，高鵬然，黃懷國(guó)，朱莉杰，汪進(jìn)華，張航，李建毅，文峰，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：廈門(mén)紫金新能源新材料科技有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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