[发明专利]一种性能可控的多用途气体扩散电极的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明涉及一种性能可控的多用途气体扩散电极的制备方法及其产品和应用，属于气体扩散电极制备技术领域。本发明公开了一种性能可控的多用途气体扩散电极的制备方法，该方法主要是先将导电颗粒或催化剂颗粒、粘结剂与两种不同沸点的溶剂形成的混合溶剂混合形成悬浮液，然后将悬浮液吸入工业喷雾器中进行喷雾打印，在基本上形成液滴喷雾。与其他现有的气体扩散电极制备方法(如3D打印或气相沉积)相比，本发明采用的喷雾打印技术是一种高效、规模化的自组装微孔结构技术，可满足多孔气体扩散电极孔状大小低达10μm的要求，可用于不同粒径(从纳米级到微米级)的导电/催化剂材料。

技术领域

本发明属于气体扩散电极制备技术领域，涉及一种性能可控的多用途气体扩散电极的制备方法及其产品和应用。

背景技术

气体扩散电极普遍由气体扩散层、微孔层和催化层所组成，其中气体扩散层一般是憎水处理过的多孔碳纸或碳布；微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成，作用是降低催化层和气体扩散层(支撑层)之间的接触电阻，使反应气体和产物水在流场和催化层之间实现均匀再分配，有利于增强导电性，提高电极性能。不同组成的材料、不同的电极结构以及不同的制造工艺对电极性能均有显着的影响。

目前气体扩散层的材质主要为复合碳纸，经过较复杂的步骤由碳纤维、木浆、纤维素纤维或聚乙烯酸短纤维等可碳化纤维相混合，制成纸浆，然后制成碳纸；在制备工艺方面包括(1)碳纸初坯的制备：气体扩散层所用碳纸初坯的制备方法可分为两种：湿法(湿法造工艺制备的扩散层用碳纸具有良好且均匀的大量孔隙，能够调节孔隙率的大小)和干法(干法工艺则利用气流制网工艺首先将碳纤维制成厚度可控、均匀的无纺布，接着后处理制得碳纤维纸)；(2)石墨化工序：石墨化工序一般需要2000℃以上的高温。上述传统制作过程为了保证碳纸的强度，普遍加入了较多的非导电性材料，其碳纤维含量均低于90％，因此导致普遍存在较大的电阻，且制作工艺普遍涉及干法成型、气相沉积(CVD)、催化炭化和石墨化等技术，不利于大规模生产。

因此，为了解决上述制备过程中遇到的问题，需要研究新的气体扩散电极制备方法，使气体扩散电极的制备方法具有低廉和大规模生产的条件，并且在制备过程中能够有效调节多孔结构的空隙率、厚度及整体的电极结构，在提供高气体扩散电极催化性能的同时，使制备得到的气体扩散电极能有效控制其氧还原反应的三相介面及具有在长期在氧析出反应高氧化环境中更好的耐久性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种性能可控的多用途气体扩散电极的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种性能可控的多用途气体扩散电极；本发明的目的之三在于提供一种性能可控的多用途气体扩散电在酒精燃料电池、金属空气电池或二氧化碳还原中的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1.一种性能可控的多用途气体扩散电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将具有导电或催化作用的固体颗粒、粘结剂溶于由两种不同沸点的溶剂形成的混合溶剂中，在室温下进行搅拌，形成悬浮液；

(2)将所述悬浮液通过文丘里抽吸器或流速为2～3ml/min的蠕动泵吸入与有压缩空气参与的工业喷雾器的工业喷雾嘴中；

(3)经过工业喷雾嘴的悬浮液在真空吸盘固定的温度为50～200℃的基体上形成的液滴喷雾，自然冷却至室温，即可保存使用。

优选的，步骤(1)中所述固体颗粒包括但不限于粒径不大于100nm的炭黑(Super Pcarbon)、粒径为800nm～2μm的炭黑(Carbon Black)或粒径为20nm～500nm的Cu中的任意一种或几种。

优选的，步骤(1)中所述粘结剂包括但不限于聚偏氟乙烯(PVDF)或羧甲基纤维素(CMC，Carboxymethyl cellulose)。