本發(fā)明涉及電解制氫，尤指一種電解制氫用催化層的制備工藝。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，氫能源作為深度脫碳的必然選擇，迎來(lái)了巨大發(fā)展機(jī)遇。而綠氫具備“零碳排”的制備優(yōu)勢(shì)，減碳空間極大，成為發(fā)展?jié)撃茏畲蟮男问街?。電解制氫是綠氫來(lái)源最重要的模式而備受關(guān)注，其中質(zhì)子交換膜(proton?exchange?membrane，pem)電解制氫具有響應(yīng)速度快，電解池結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、電解槽效率高等特點(diǎn)，非常適合于風(fēng)電、光電等波動(dòng)性可再生能源耦合電解水制氫領(lǐng)域、成為促進(jìn)可再生能源消納的有效途徑。因此，pem水電解技術(shù)被譽(yù)為制氫領(lǐng)域極具發(fā)展前景的水電解制氫技術(shù)之一。

2、如附圖1所示，pem電解制氫的工作原理是水分子首先在陽(yáng)極銥基催化劑的催化作用下分解成氧氣和氫正離子(h+)，隨后h+通過(guò)pem膜傳輸?shù)疥帢O催化層，進(jìn)而在陰極鉑基催化劑的催化作用下生成氫氣。其中在陽(yáng)極側(cè)催化反應(yīng)涉及四電子過(guò)程，是制氫反應(yīng)主要受控場(chǎng)所。另外，陽(yáng)極催化層采用的催化劑涉及昂貴銥基催化劑。因此，高效利用銥基催化劑以及高性能催化層的設(shè)計(jì)成為陽(yáng)極催化層制備至關(guān)重要的課題。其中，有通過(guò)設(shè)計(jì)載體氧化銥提升氧化銥利用效率，但是載體的低導(dǎo)電性以及較差的穩(wěn)定性極大限制了其應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中氧化銥仍然為pem電解制氫的陽(yáng)極催化層主流催化劑。如附圖2所示，傳統(tǒng)工藝的氧化銥在催化層制備過(guò)程因顆粒之間二次堆疊導(dǎo)致真實(shí)暴露活性位點(diǎn)降低從而導(dǎo)致催化層中銥的利用率低而導(dǎo)致性能差。因此，催化層的設(shè)計(jì)與制備依舊是高效制氫的重要限制因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的問(wèn)題在于，提供一種電解制氫用催化層的制備工藝，提升陽(yáng)極催化層氧化銥的利用率，提升催化層性能。

2、解決上述技術(shù)問(wèn)題要按照本發(fā)明提供的一種電解制氫用催化層的制備工藝，包含如下步驟：

3、s1:催化劑漿料的制備：

4、陰極催化劑漿料的制備：分別稱(chēng)取鉑碳催化劑、金屬氧化物、超純水、離子聚合物溶液和醇溶液，并依次加入到容器中，在超聲輔助作用下進(jìn)行高速剪切分散，然后在脫泡機(jī)中脫泡；

5、陽(yáng)極催化劑漿料的制備：分別稱(chēng)取氧化銥催化劑、金屬氧化物、超純水、離子聚合物溶液和醇溶液，并依次加入到容器中，在超聲輔助作用下進(jìn)行高速剪切分散；

6、s2：催化層的制備：將步驟s1制得的陰極催化劑漿料、陽(yáng)極催化劑漿料采用刮涂或狹縫涂布的方式分別涂布于轉(zhuǎn)印基膜上，經(jīng)烘干后得到涂覆于基膜上的陰極催化層、陽(yáng)極催化層；

7、s3：催化層的轉(zhuǎn)?。喊匆?guī)定尺寸對(duì)步驟s2制得的陰極催化層、陽(yáng)極催化層的轉(zhuǎn)印膜進(jìn)行裁切，將質(zhì)子交換膜置于裁切好的陰極催化層轉(zhuǎn)印膜和陽(yáng)極催化層轉(zhuǎn)印膜中間，將帶有陰極催化層、陽(yáng)極催化層的轉(zhuǎn)印膜進(jìn)行位置對(duì)位并進(jìn)行熱壓操作，以將陰極催化層、陽(yáng)極催化層轉(zhuǎn)印至質(zhì)子交換膜上，得到催化劑涂覆膜，即初始p-ccm；

8、s4：催化層的處理：將步驟s3制得的催化劑涂覆膜浸泡于堿溶液中，并經(jīng)去離子水洗滌干凈后轉(zhuǎn)置于酸溶液中進(jìn)行離子置換，置換完成后利用去離子水洗滌，得到處理后的催化劑涂覆膜，即t-ccm。

9、優(yōu)選的，步驟s1中陰極催化劑漿料制備時(shí)，高速剪切分散速度為10000rpm，分散時(shí)間為1h；步驟s1中陽(yáng)極催化劑漿料制備時(shí)，高速剪切分散速度為10000rpm，分散時(shí)間為1h。

10、優(yōu)選的，步驟s3中熱壓溫度為140℃，熱壓壓力為5mpa，熱壓時(shí)間為5min。

11、優(yōu)選的，步驟s1中金屬氧化物為wo3、moo3中的任意一種或兩種的混合；步驟s1中離子聚合物溶液為全氟磺酸樹(shù)脂分散液；步驟s1中醇溶液為乙醇、異丙醇、正丙醇中任意一種或多種的混合；步驟s4中堿溶液為koh、naoh、l?ioh中任意一種或多種的混合；步驟s4中酸溶液為硫酸、硝酸、乙酸、鹽酸中任一中或多種的混合。

12、優(yōu)選的，步驟s1中金屬氧化物與鉑碳催化劑質(zhì)量比范圍設(shè)置為0-50wt％；步驟s1中金屬氧化物與氧化銥催化劑質(zhì)量比范圍設(shè)置為0-10wt％；步驟s1中陽(yáng)極漿料的固含量范圍為10-20wt％，陰極漿料的固含量范圍為25-35wt％；步驟s1中離子聚合物和鉑碳催化劑質(zhì)量比范圍為0.3-0.5，離子聚合物和氧化銥催化劑質(zhì)量比范圍為0.1-0.3。

13、優(yōu)選的，步驟s1中金屬氧化物與鉑碳催化劑質(zhì)量比范圍設(shè)置為5-10wt％；步驟s1中金屬氧化物與氧化銥催化劑質(zhì)量比范圍設(shè)置為2-5wt％；步驟s1中陽(yáng)極漿料的固含量范圍為15wt％，陰極漿料的固含量范圍為32wt％；步驟s1中離子聚合物和鉑碳催化劑質(zhì)量比范圍為0.35，離子聚合物和氧化銥催化劑質(zhì)量比范圍為0.15。

14、優(yōu)選的，步驟s1中金屬氧化物為moo3；步驟s1中離子聚合物溶液為so?l?vay的ew790或ew870；步驟s1中醇溶液為正丙醇；步驟s4中堿溶液為naoh；步驟s4中酸溶液為硫酸。

15、本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供一種電解制氫用催化層的制備工藝，通過(guò)原位刻蝕有效提升催化層中催化劑活性位點(diǎn)的暴露，提升陽(yáng)極催化層氧化銥的利用率從而提升性能；通過(guò)使用無(wú)機(jī)納米材料作為孔模版，可有效提升陰、陽(yáng)催化層的孔結(jié)構(gòu)，提升催化層的氣體傳輸性能從而提升催化層性能。

技術(shù)特征：

1.一種電解制氫用催化層的制備工藝，其特征在于，包含如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電解制氫用催化層的制備工藝的制備工藝，其特征在于，步驟s1中陰極催化劑漿料制備時(shí)，高速剪切分散速度為10000rpm，分散時(shí)間為1h；步驟s1中陽(yáng)極催化劑漿料制備時(shí)，高速剪切分散速度為10000rpm，分散時(shí)間為1h。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電解制氫用催化層的制備工藝的制備工藝，其特征在于，步驟s3中熱壓溫度為140℃，熱壓壓力為5mpa，熱壓時(shí)間為5min。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電解制氫用催化層的制備工藝的制備工藝，其特征在于，步驟s1中金屬氧化物為wo3、moo3中的任意一種或兩種的混合；步驟s1中離子聚合物溶液為全氟磺酸樹(shù)脂分散液；步驟s1中醇溶液為乙醇、異丙醇、正丙醇中任意一種或多種的混合；步驟s4中堿溶液為koh、naoh、lioh中任意一種或多種的混合；步驟s4中酸溶液為硫酸、硝酸、乙酸、鹽酸中任一中或多種的混合。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電解制氫用催化層的制備工藝的制備工藝，其特征在于，步驟s1中金屬氧化物與鉑碳催化劑質(zhì)量比范圍設(shè)置為0-50wt％；步驟s1中金屬氧化物與氧化銥催化劑質(zhì)量比范圍設(shè)置為0-10wt％；步驟s1中陽(yáng)極漿料的固含量范圍為10-20wt％，陰極漿料的固含量范圍為25-35wt％；步驟s1中離子聚合物和鉑碳催化劑質(zhì)量比范圍為0.3-0.5，離子聚合物和氧化銥催化劑質(zhì)量比范圍為0.1-0.3。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種電解制氫用催化層的制備工藝的制備工藝，其特征在于，步驟s1中金屬氧化物與鉑碳催化劑質(zhì)量比范圍設(shè)置為5-10wt％；步驟s1中金屬氧化物與氧化銥催化劑質(zhì)量比范圍設(shè)置為2-5wt％；步驟s1中陽(yáng)極漿料的固含量范圍為15wt％，陰極漿料的固含量范圍為32wt％；步驟s1中離子聚合物和鉑碳催化劑質(zhì)量比范圍為0.35，離子聚合物和氧化銥催化劑質(zhì)量比范圍為0.15。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電解制氫用催化層的制備工藝的制備工藝，其特征在于，步驟s1中金屬氧化物為moo3；步驟s1中離子聚合物溶液為solvay的ew790或ew870；步驟s1中醇溶液為正丙醇；步驟s4中堿溶液為naoh；步驟s4中酸溶液為硫酸。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供的一種電解制氫用催化層的制備工藝，包含如下步驟：催化劑漿料的制備、催化層的制備、催化層的轉(zhuǎn)印、催化層的處理，通過(guò)以上步驟依次得到陰極催化劑漿料和陽(yáng)極催化劑漿料、涂覆于基膜上的陰極催化層和陽(yáng)極催化層、P?CCM、T?CCM，通過(guò)原位刻蝕有效提升催化層中催化劑活性位點(diǎn)的暴露，提升陽(yáng)極催化層氧化銥的利用率從而提升性能；通過(guò)使用無(wú)機(jī)納米材料作為孔模版，可有效提升陰、陽(yáng)催化層的孔結(jié)構(gòu)，提升催化層的氣體傳輸性能從而提升催化層性能。

技術(shù)研發(fā)人員：占愛(ài)平,王勝平,李一梅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華氫昊能（廣東）新能源有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8