固体聚合物电解质水电解膜电极制备方法

《固体聚合物电解质水电解膜电极制备方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、固体聚合物电解质水电解膜电极制备方法摘要：综述了固体聚合物水电解制氢膜电极的各种制备方法及其优缺点，指出了在这些方法中，喷涂法由于具有明显优势，最适合用于膜电极的大规模批量生产。关键词：固体聚合物电解质；膜电极；水电解；制备方法1引言固体聚合物电解质（SolidPolymerElectrolyte，SPE）水电解制氢技术是由美国通用电气公司（GE）于1966年开创，最初用于航天领域[1，2]。相比传统的碱性水电解槽而言，固体聚合物电解质水电解槽由于具有很高的电流密度及电流效率，欧姆极化损失较小，气体纯度高，安全可靠无污染等优势备受世界

2、瞩目[3]。膜电极（MembraneElectrodeAssembly，MEA）是膜和电极的结合体，是固体聚合物电解质水电解池的核心部件，因而也是SPE水电解研究的热点。膜电极是由固体聚合物电解质膜及其两边的电催化剂组成，如图1所示，它不但是水电解反应发生的场所，也是电子和质子传递的通道[4]。关于膜电极的研究主要集中在固体聚合物电解质膜、水电解电催化剂以及膜电极的制备工艺和方法3个方面，本文仅对膜电极的制备工艺和方法加以评述。1图1膜电极示意2膜电极制备方法膜电极的制备方法根据催化层支撑体的不同可归纳为两种模式[5]：以扩散层为催化

3、层支撑体的制备模式，即先把催化层载在扩散层的表面，形成气体扩散电极（GasDiffusionElectrode，GDE），然后将气体扩散电极与聚合物电解质膜进行热压得到膜电极，此类方法称为GDE法；以聚合物电解质膜为催化层支撑体的制备模式，即通过某种特定方式直接将催化剂负载在聚合物电解质膜两侧，形成催化剂覆盖的电解质膜（CatalystCoatedMembrane，CCM），这样制备膜电极的模式称为CCM法。在膜电极中，电极催化层与SPE膜的接触电阻是欧姆电阻的主要来源，它们之间粘接的足够紧密可以有效降低接触电阻，提高能量转化效率。此

4、外，由于SPE水电解池工作在高电流密度下，电解过程中产生的大量气体会对电极产生强烈的冲刷，导致电极产生很大的机械张力，这也要求催化层与膜的结合必须牢固。本文根据电极催化层与SPE膜两者结合工艺的不同，将SPE水电解膜电极的主要制备方法归纳如下。2.1热压法热压法[6，7]（HotPressMethod）制备SPE膜电极是由美国通用电气公司（GE）所首创，具体方法是将催化剂、2溶剂和粘结剂（如Teflon）按适当的配比充分混合，再将混合液制成催化剂膜层，然后通过热压的方法将催化剂层与SPE膜紧密结合在一起。Nakanore等人[8]曾经

5、用该方法将IrO2（4mg/cm2）和Pt（3mg/cm2）分别作为阳极催化剂和阴极催化剂热压到SPE膜Nafion上制备了面积为200cm2的膜电极。Lawrance等人[9]则将Ir黑和Pt黑粉末作为催化剂热压到经过打磨粗糙处理的Nafion膜上，制备了效果不错的膜电极。热压法制备的膜电极具有催化剂与膜结合牢固不易脱落、容易控制沉积量和可规模化生产的优点，但制备工艺较复杂，且在热压过程中会使膜部分失水，影响膜的性能。此外，粘结剂的加入会降低催化剂的暴露面积和表面活性，从而使催化剂利用率降低，用量增加。2.2化学沉积法在GE公司开创

6、了热压法制备膜电极的技术后，日本的一些研究者又提出了一种将贵金属沉积到SPE膜表面的无电镀法[10]（ElectrolessMethod），即化学沉积法（ChemicalDepositionMethod）。采用这种方法的膜电极制备过程如图2所示。将膜放入两极池中，一室中装有金属盐溶液，另一室装有还原剂溶液（如N2H4或NaBH4）。还原剂溶液不断渗透穿过膜，将金属络离子还原，还原所得的催化剂在膜的表面及靠近表面的膜内部均有分布。当一侧催化剂达到担载量3之后，可用同样的方法在膜的另一侧沉积相同或不同种类催化剂。在化学沉积过程中，催化剂的

7、沉积量、晶型及表面状态直接影响膜电极的性能，控制工艺条件如贵金属溶液及还原剂类型、浓度、操作温度、操作时间及溶液pH值可以优化膜电极的性能。这种方法设备简单，阴阳两极紧贴于离子膜的两面形成膜电极，催化层与SPE膜结合牢固，界面电阻值很低，电解时能达到较高的电流密度。Takenaka等人利用这种方法制备的SPE膜电极在500mA/cm2，90℃条件下，槽电压仅为1.55～1.59V。它的缺点是催化剂颗粒较大，主要分布在膜表面，贵金属利用率不高。此外，沉积到膜内部的催化剂会降低水电解的法拉第电流效率，甚至可能导致电解池短路。图2化学沉淀法

8、制备膜电极过程示意2.3浸渍-还原法1989年美国人Fedkiw等[11]对化学沉积法进行了改进，在其基础上提出了浸渍还原法（Impregnation-ReductionMethod）。这种方法的膜电极制备过程分两步：将