[发明专利]一种超低贵金属载量一体化膜电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种超低贵金属载量一体化膜电极及其制备方法和应用。所述膜电极包括气体扩散层、质子交换膜及生长在质子交换膜上的催化剂层，催化剂层是由纳米花状金属材料组成。金属催化剂层在质子交换膜上原位生长，经处理后与气体扩散层热压构筑超低贵金属载量一体化膜电极。本发明所构筑的膜电极具有催化剂用量低、催化剂层与质子交换膜间结合牢固、电极性能优异等优点。所制备的膜电极可用于燃料电池和水电解的反应装置。

技术领域

本发明属于电化学领域(膜电极制备技术)，具体涉及一种超低贵金属载量一体化膜电极及其制备方法和应用。所制备的膜电极可用于燃料电池和水电解的反应装置。

背景技术

由阴阳极气体扩散层、阴阳极催化剂层和包夹的质子交换膜构成的膜电极是质子交换膜燃料电池堆和水电解堆的核心组件，是影响成本与寿命的重要因素。提高催化剂层中催化剂的利用率、增加膜电极耐久性是质子交换膜燃料电池和水电解池实现大规模产业化有待解决的关键问题之一。

传统膜电极的制备方法主要采用喷涂阴阳极催化剂/水醇混合溶剂/聚合物电解质所组成的浆液分别至质子交换膜的一侧或两侧，随后借助转印或热压获得催化剂层涂覆膜电极。传统膜电极催化剂层中的离子传输通道、电子传输通道和气液传输通道无序排列，只有部分催化剂具有三相反应界面，催化剂的利用率低，为了保证膜电极的性能，燃料电池中贵金属用量常达0.3-0.6mg/cm²，水电解池中贵金属用量更甚，高达2-6mg/cm²。此外，催化剂层与质子交换膜间的结合力弱，在水流和气流的推动下催化剂层容易从质子交换膜上脱落，造成膜电极性能损失。一体化膜电极的催化剂层在质子交换膜上原位成核生长，与质子交换膜实现一体化，与质子交换膜的结合力相比传统膜电极可显著增强，利于抵抗水流和气流的冲击，避免从膜上脱落损失。因此超低贵金属载量一体化膜电极的研究具有重要的意义和价值。

为了解决催化剂层贵金属担载量高的问题，大量的研究集中在制备具有高活性的催化剂，但是仍采用传统的膜电极制备工艺，忽略了催化剂层和质子交换膜间的弱结合力；为了解决催化剂层与质子交换膜间结合力弱的问题，一些研究聚焦开发新型一体化膜电极制备工艺，但是其催化剂的用量仍居高不下。超低贵金属载量一体化膜电极的研究还鲜有报道。

2018年，Lina Chong等人(Lina Chong,etal.Science,2018,362,1276-1281)以沸石咪唑酯骨架结构材料为前驱体，制备低铂含量、高活性且稳定的PtCo电催化剂。铂钴核壳间的协同催化作用提高了质子交换膜燃料电池放电性能。将其作为质子交换膜燃料电池膜电极阴极催化剂使用，当载量为0.035mg_Pt/cm²，在80℃，0.1MPa的背压下，放电电压为0.9V_iR-free时，质量比活性高达1.77A/mg_Pt。

2018年，Marco Faustini等人(Marco Faustini,etal.Advanced EnergyMaterials,2018,1802136)搅拌氯化铱和聚甲基丙烯酸甲酯的混合水溶液，将混合溶液雾化成微滴状液体，通过溶剂蒸发过程诱导自组装，形成球状铱单质，随后进行不同温度的热处理将金属铱转化为氧化铱，得到高活性的多孔铱基催化剂。将其作为质子交换膜水电解膜电极阳极催化剂使用，当载量为2mg/cm²，在80℃常压电解下，电解电压为1.68V时，电流密度为1A/cm²。

2015年，S.Komini Babu等人(S.Komini Babu,et al.Chem ElectroChem,2015,2(11):1752-1759)采用牺牲模板法，在Nafion膜表面制备了垂直排列的Nafion纳米线阵列，随后在其表面沉积Pt薄膜，有效提高了Pt的利用率。将其作为质子交换膜燃料电池膜电极阴极使用，当载量为1.2mg_Pt/cm²，在80℃，0.15MPa的背压下，放电电压为0.6V时，功率密度为106mW/cm²。