[发明专利]一种用于二氧化碳还原的梯度微孔层气体扩散层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于二氧化碳还原的梯度微孔层气体扩散层及其制备方法。所述气体扩散层包括基底层和梯度微孔层；所述梯度微孔层包括沿其厚度方向上具有不同亲疏水性的多个微孔子层；沿远离基底层的方向各所述微孔子层的疏水性呈梯度减小趋势。本发明提出的梯度微孔层气体扩散层适用于二氧化碳还原技术领域，利用不同疏水剂含量的微孔子层构建疏水性梯度变化的微孔层，用不同微孔子层之间碳材料的相互填充形成小于0.1μm的小孔，该梯度微孔层气体扩散层制备操作简单可重复，有很高的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种用于二氧化碳还原的梯度微孔层气体扩散层及其制备方法，尤其涉及一种具有疏水性梯度变化的多层微孔层式气体扩散层及其制备方法。

背景技术

由可再生电力驱动的二氧化碳还原技术开辟了将温室气体主要成分二氧化碳转化为增值化学原料或燃料的可能性，被认为是实现国家碳中和、碳达峰“双碳”战略的有效措施。此外，利用二氧化碳作为化学品生产的原料可以减轻对化石燃料资源的依赖，具有环境和经济的双重效益。

应用气体扩散层的气体扩散电极与浸泡于液体电解质的平面金属电极相比，二氧化碳通过气体扩散层到达催化剂表面的扩散路径(～50nm)比通过本体电解质到达催化剂表面的扩散路径(～50μm)小了约3个数量级。二氧化碳运输的改进使得具有气体扩散层的电解槽能实现更大的电流密度，更有利于将二氧化碳还原规模扩大到工业相关水平。

气体扩散电极(GDE)由基底层(CFS)、微孔层(MPL)和催化剂层(CL)组成，其中，气体扩散层是一种导电、导气、导热、导水的复杂多孔结构。更具体地，微孔层通过形成平坦且坚固的填平层来降低基底层和催化剂层之间的接触电阻，并且是保持液相和气相有效运输的关键。理想的微孔层需要有合适的孔径分布以及亲疏水性，以避免液体电解质渗透到气体扩散层中堵塞气体运输通道，增强二氧化碳向活性催化剂位点运输的有效性，从而提升二氧化碳还原性能。

CN114481184A公开了一种用于二氧化碳电化学还原的气体扩散层及其制备方法，通用疏水剂调控基底层和微孔层，在气体扩散层形成合适的疏水性、孔隙率和孔径分布，促进二氧化碳的传质并表现出较高的运行电流密度。

CN113308707A公开了一种用于电化学还原二氧化碳制备碳氢燃料的气体扩散电极，对基底进行疏水处理并通过喷枪喷涂方法增强电极的导电性，以防止电解液溢流从而构成理想的气-液-固三相界面用于二氧化碳还原反应。

而在二氧化碳还原现有技术中，大部分采用无差别的气体扩散层结构进行水/气管理，还未见梯度扩散电极的相关报道。因此，我们构造了一种梯度微孔层气体扩散层。自与基底层相邻的一侧向与催化层相邻的一侧方向上形成疏水剂浓度依次降低的双层或三层微孔子层。这样的设计使得催化剂层有一定的保湿能力并且能及时排出多余的电解质，以保证足够的运输通道不被电解质堵塞从而有效运输二氧化碳。本发明提供一种新结构的梯度微孔层气体扩散层，能提高运行电流密度，改善水管理能力，具有重要的意义。

发明内容

本发明涉及一种用于二氧化碳还原的梯度微孔层气体扩散层及其制备方法。本发明制备得到自与基底层相邻的一侧向与催化层相邻的一侧方向上疏水剂浓度依次降低的梯度微孔层，所述梯度微孔层具有较好的水/气管理能力，能显著提高二氧化碳还原气体扩散电极的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种用于二氧化碳还原的梯度微孔层气体扩散层，所述梯度微孔层气体扩散层由基底层和梯度微孔层组成组成；所述梯度微孔层包括沿其厚度方向上具有不同亲疏水性的多个微孔子层；沿远离基底层的方向各所述微孔子层的疏水性呈梯度减小趋势。