CN114196990B - 一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法 - Google Patents

一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114196990B
CN114196990B CN202111172653.4A CN202111172653A CN114196990B CN 114196990 B CN114196990 B CN 114196990B CN 202111172653 A CN202111172653 A CN 202111172653A CN 114196990 B CN114196990 B CN 114196990B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cathode catalyst
slurry
exchange membrane
proton exchange
catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111172653.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114196990A (zh
Inventor
敖洪亮
蔡云
杨云松
邹渝泉
叶思宇
唐军柯
孙宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hongji Chuangneng Technology Guangzhou Co ltd
Original Assignee
Hongji Chuangneng Technology Guangzhou Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hongji Chuangneng Technology Guangzhou Co ltd filed Critical Hongji Chuangneng Technology Guangzhou Co ltd
Priority to CN202111172653.4A priority Critical patent/CN114196990B/zh
Publication of CN114196990A publication Critical patent/CN114196990A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114196990B publication Critical patent/CN114196990B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C25B11/095—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds at least one of the compounds being organic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法，涉及电解水制氢技术领域；一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，包括8～24wt％阴极催化剂、干重0.5～5.5wt％离子聚合物溶液、7～70wt％超纯水以及5～68wt％液态小分子醇；所述阴极催化剂包括20～60wt％含铂材料及余量的碳材料；所述阴极催化剂浆料的固含量为10～25％，所述水与液态小分子醇的质量比为0.25～4，所述离子聚合物与碳材料的质量比为0.1～0.5；通过对离子聚合物与碳的比例、醇水比、固含量以及分散方法同时进行了改进，浆料中催化剂分散均匀，不易团聚，黏度适中，易于涂布，且涂布之后形成的催化层干燥后不易脱落，制备成催化剂涂覆膜之后具有较高的电解水性能。

Description

一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，更具体地，涉及一种用于质子交换膜电解水装置的阴 极催化剂浆料及其制备方法。
背景技术
为了防止全球变暖加快，减少二氧化碳排放，世界各国都在积极推进可再生 清洁能源的发展。但可再生清洁能源往往难以直接使用，因此需要一个中间载体。 氢能以清洁、高效、无污染、应用广泛，二氧化碳零排放以及可以进行存储和运 输的特点被视为最佳能源载体。
将可再生清洁能源转化为氢能最具实用性、最清洁的方法便是电解水。目前，电解水装 置主要分为三种，包括碱性电解水装置，质子交换膜电解水装置以及固体氧化物电解水装置。 其中，质子膜电解水装置比碱性电解水装置更高效，产生的氢气纯度更高，技术上又比固体 氧化物电解水装置更成熟，是目前世界各国电解水制氢装置的开发重点。
而在质子交换膜电解水装置中，膜电极组件是电解水装置的核心部件，主要由位于最中 间的质子膜，位于质子膜两侧与质子膜紧密接触的阴、阳催化层以及位于催化层外侧的气体 扩散层组成。
位于质子交换膜一侧的催化层是阳极催化剂，另一侧的为阴极催化剂。在电解水装置工 作时，水在阳极催化剂的催化下产生并释放氧气，在阴极催化剂的催化下产生并释放氢气。 催化层性能的高低决定了电解水装置的性能优劣，而催化层的性能又取决于催化剂浆料的配 方和制备方法。
对于电解水装置的阴极催化层，目前使用最广泛的活性材料是碳材料负载的铂纳米颗粒 催化剂。而将催化剂浆料涂覆在质子膜上的方法则包括刷涂、喷涂、丝网印刷、刮涂、热压 转印等。
目前而言，比较适合大规模制备膜电极的方法主要是热压转印。对于热压转印法，催化 剂浆料配方的合理设计十分必要，一方面要保证催化剂浆料在转印膜上具有良好的涂布性， 还要在催化剂浆料的干燥过程中避免催化层产生明显的裂缝和防止脱落。最后还要确保催化 层在转印之后具有较高的催化活性。具体而言，就是要合理设计催化剂中离子聚合物与碳载 体的质量比(I/C ratio)，催化剂浆料的固含量以及催化剂分散溶剂中醇与水的比例。
离子聚合物与碳载体的质量比、催化剂浆料中的固含量，溶剂中的醇水比以及浆料的配 置方法对催化剂颗粒的分散性、浆料的黏度以及干燥过后催化层的形貌等特性有显著影响。 而催化剂颗粒的分散性、浆料的黏度以及催化层的形貌又最终会影响电解水装置的性能。只 有合理的设计催化剂浆料中的I/C比、固含量和醇水比才有利于制备出方便涂布、涂层均匀、 结构合理、性能良好的催化层。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种用于质子交换膜电解水 装置的阴极催化剂浆料。
本发明的另一目的在于提供一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方 法。
本发明采取的技术方案是，一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，包括 8～24wt％阴极催化剂、干重0.5～5.5wt％离子聚合物溶液、7～70wt％超纯水以及5～68wt％液态 小分子醇；所述阴极催化剂包括20～60wt％含铂材料及余量的碳材料；所述阴极催化剂浆料 的固含量为10～25％，所述水与液态小分子醇的质量比为0.25～4，所述离子聚合物与碳材料 的质量比为0.1～0.5。
优选地，所述阴极催化剂浆料的固含量为12～20％，所述水与液态小分子醇的质量比为 0.67～1.5，所述离子聚合物与碳材料的质量比为0.3～0.5。
进一步地，所述阴极催化剂中还包括1～10wt％过渡金属氧化物。
进一步地，所述碳材料包括活性炭、炭黑、石墨烯、碳纳米、元素掺杂碳纳米管、元素 掺杂石墨烯、碳化的聚吡咯、聚苯胺和碳化的金属骨架有机材料中的一种或多种混合。
进一步地，所述掺杂的元素为氮、硫、硼、铁、铝中的一种或多种。
在碳纳米管或石墨烯中掺杂这些元素有利于提升碳材料的导电性、稳定性以及提升催化 剂的催化活性。
进一步地，所述含铂材料是铂纳米颗粒或铂元素与其他金属元素形成的二元或多元合金 材料中的一种。
进一步地，所述其他金属元素为铱、钌、铑、金、钯、镍、铜中的一种或多种。
进一步地，所述铂纳米颗粒的尺寸范围在1～20nm之间。
进一步地，所述过渡金属氧化物为氧化铈、氧化钛、氧化锡中的一种或多种。
利用金属氧化物本身的特性，包括耐腐蚀性、氧缓冲特性等可以提高催化剂的稳定性和 催化活性。
进一步地，所述离子聚合物为全氟磺酸树脂溶液。
优选地，所述全氟磺酸树脂溶液为中的一种或多种。
更为优选地，所述全氟磺酸树脂溶液为科慕全氟磺酸树脂溶液。
选择科慕全氟磺酸树脂是因为其综合性能较好且应用范围更广。
进一步地，所述液态小分子醇为碳原子数量在1～8之间的醇。
优选地，所述液态小分子醇为乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇中的一种或多种的混合。
一种如上所述的用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方法，包括如下步 骤：
S1：取适量超纯水放置于混合容器中，将混合容器用冰水浴进行冷却，用机械搅拌装置 对容器中的超纯水进行搅拌，按顺序加入阴极催化剂、离子聚合物溶液、液态小分子醇并进 行搅拌至混合均匀；
S2：将步骤S1所得浆料用珠磨机进行循环分散；
S3：将步骤S2分散完成的浆料用脱泡机进行脱泡处理，得到所述阴极催化剂浆料。
进一步地，具体包括如下步骤：
S1：取适量超纯水放置于混合容器中，将混合容器用冰水浴进行冷却，用机械搅拌装置 对容器中的超纯水进行搅拌，搅拌速率为200-500rpm，再按顺序加入阴极催化剂、离子聚合 物溶液、液态小分子醇继续搅拌4～6min；
S2：将步骤S1所得浆料用珠磨机进行循环分散，速度为500-3000rpm，循环次数为3～5 次；
S3：将步骤S2分散完成的浆料用脱泡机进行脱泡处理，得到所述阴极催化剂浆料。
优选地，在步骤S2中，所述珠磨机的转速为2000～3000rpm。
本发明的技术方案合理设计了阴极催化剂浆料的配方，尤其是对阴极催化剂浆料中的离 子聚合物与碳的比例，醇水比及固含量进行了优化，还对催化剂浆料的分散方法进行了合理 设计，使制备出的浆料中催化剂分散均匀，不易团聚，黏度适中，易于涂布。涂布在转印膜 上的催化层干燥之后不易脱落，制备成催化剂涂覆膜(CCM)之后具有较高的电解水性能。
离子聚合物与催化剂中碳载体之间的质量比对催化剂的性能影响较大。离子聚合物的比 例过高，会导致离子聚合物对催化剂本身和催化剂上的活性位点的覆盖，导致电子无法传递 到催化剂或者导致电阻增加，从而导致催化剂催化活性减小甚至完全失去作用。而离子聚合 物比例过低则会导致质子在催化层中的传递的阻力增大，导致催化层活性的降低，整个电解 水装置的功效下降。
此外，离子聚合物的浓度也会影响到离子聚合物在溶剂中的形态和分散状态，最终会影 响到浆料的涂布性以及最终催化层的催化活性。
而醇水比的不同，会导致溶剂本身的性质不同，包括沸点、黏度、流变性、表面张力、 介电常数等方面，这些会影响催化剂颗粒以及离子聚合物的分散状态，影响到催化剂浆料本 身的分散性、稳定性以及最终的催化层性能。
此外，分散方式也会影响到催化剂的团聚尺寸，影响到催化剂在溶剂中的分布，因此也 会影响到催化剂浆料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本技术方案通过对阴极催化剂浆料中的离子聚 合物与碳的比例、小分子液态醇与水的比例、固含量以及阴极催化剂浆料的分散方法同时进 行了改进，使制备出的浆料中催化剂分散均匀，不易团聚，黏度适中，易于涂布，且涂布之 后形成的阴极催化层干燥后不易脱落，制备成催化剂涂覆膜之后具有较高的电解水性能。
附图说明
图1为实施例1的阴极催化层的5倍光学透射显微图。
图2为实施例2的阴极催化层的5倍光学透射显微图
图3为对比例1的阴极催化层的5倍光学透射显微图。
图4为对比例2的阴极催化层的5倍光学透射显微图。
图5为实施例1～2与对比例1～2制备出的阴极催化层配合同样的阳极催化层制备出的催化剂 质子膜涂覆层(CCM)的电解水极化曲线对比图。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例， 附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说， 附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方法，包括如下步骤：
按照固含量为15％、离子聚合物与碳的比例为0.3、醇水比为0.67的配方，称取铂含量 为48.2％的商业化铂碳催化剂11.68g，正丙醇26.99g，超纯水43.13g，固含量为22.14％的 树脂溶液(科慕公司)8.2g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入溶液，最后加入正丙醇，以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为3000rpm，共分散4次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量。用狭缝涂布机在PTFE膜 上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备成催化剂涂覆膜 (CCM)进行电解水性能测试。
实施例2
一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方法，包括如下步骤：
按照固含量为20％、离子聚合物与碳的比例为0.3、醇水比为1.5的配方，称取铂含量为 46.6％的商品化铂碳催化剂15.51g，正丙醇38.22g，超纯水24.98g，固含量为22.03％的树脂溶液(科慕公司)11.28g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入溶液，最后加入正丙醇。以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为3000rpm，共分散4次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜上进 行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为2mgIr/cm2的商品 化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备成催化剂涂覆膜(CCM) 进行电解水性能测试。
实施例3
一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方法，包括如下步骤：
按照固含量为18％、离子聚合物与碳的比例为0.3、醇水比为1.5的配方，称取铂含量为 46.6％的商品化铂碳催化剂13.97g，正丙醇39.81g，超纯水26.09g，固含量为22.03％的全氟 磺酸树脂溶液(科慕公司)10.14g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入全氟磺 酸树脂溶液，最后加入正丙醇。以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为3000rpm，共分散4次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜 上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备成催化剂涂覆膜 (CCM)进行电解水性能测试。
实施例4
一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方法，包括如下步骤：
按照固含量为20％、离子聚合物与碳的比例为0.4、醇水比为1.5的配方，称取铂含量为 48.2％的商品化铂碳催化剂14.3g，正丙醇35.78g，超纯水23.11g，固含量为22.03％的全氟磺 酸树脂溶液(科慕公司)16.81g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入全氟磺 酸树脂溶液，最后加入正丙醇。以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为2500rpm，共分散5次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜 上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备成催化剂涂覆膜 (CCM)进行电解水性能测试。
实施例5
一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方法，包括如下步骤：
按照固含量为20％、离子聚合物与碳的比例为0.5、醇水比为0.67的配方，称取铂含量 为48.2％的商品化铂碳催化剂14.3g，正丙醇35.78g，超纯水23.11g，固含量为22.14％的全 氟磺酸树脂溶液(科慕公司)16.81g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入全氟磺 酸树脂溶液，最后加入正丙醇。以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为2500rpm，共分散5次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜 上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备成催化剂涂覆膜 (CCM)进行电解水性能测试。
实施例6
按照固含量为20％、离子聚合物与碳的比例为0.5、醇水比为0.67的配方，称取自制铂 含量为40.2％，氧化铈含量为1.5％的铂碳催化剂13.86g，正丙醇20.55g，超纯水36.88g，固 含量为22.14％的全氟磺酸树脂溶液(科慕公司)18.71g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入全氟磺 酸树脂溶液，最后加入正丙醇。以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为3000rpm，共分散5次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜 上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备成催化剂涂覆膜 (CCM)进行电解水性能测试。
对比例1
按照固含量为25％、I/C比为0.8、醇水比为0.67的配方，称取铂含量为46.3％的商品化 铂碳催化剂13.99g，正丙醇11.79g，超纯水26.64g，固含量为21.79％的树脂溶液(科 慕公司)27.58g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入溶液，最后加入正丙醇。以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为3000rpm，共分散4次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜 上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为随后配合载 量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备 成催化剂涂覆膜(CCM)进行电解水性能测试。
对比例2
按照实施例2的配方进行浆料的配置。与实施例2的区别在于，浆料的分散方式由珠磨分散 改为用高速均质机3000rpm下分散5min。制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏 度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合 涂布于PTFE膜上载量为随后配合载量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及 质子交换膜，通过热压转印制备成催化剂涂覆膜(CCM)进行电解水性能测试。
对比例3
按照固含量为20％、I/C比为0.8、醇水比为0.67的配方，称取铂含量为48.2％的商品化 铂碳催化剂12.73g，正丙醇18.30g，超纯水35.15g，固含量为22.14％的(科慕公司) 23.82g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入最后加入正丙醇。以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为3000rpm，共分散4次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜 上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为随后配合载 量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备 成催化剂涂覆膜(CCM)进行电解水性能测试。
对比例4
按照固含量为9％、I/C比为0.2、醇水比为0.25的配方，称取铂含量为48.2％的商品化 铂碳催化剂6.34g，正丙醇30.13g，超纯水46.33g，固含量为22.14％的溶液(科慕 公司)3.52g。
将超纯水置于混合容器中，然后将混合容器置于冰水浴环境中，用机械搅拌器以250rpm 的转速对超纯水进行搅拌。在搅拌的同时，将催化剂逐渐加入到超纯水中，随后加入溶液，最后加入正丙醇。以上物质完全加入后继续搅拌5min。
待搅拌结束后，将浆料用珠磨机分散，转速为3000rpm，共分散4次。
珠磨分散之后，将浆料用脱泡机进行混合脱泡得到阴极催化剂浆料。
制备出的浆料用激光粒度仪和黏度计进行粒径和黏度的测量，用狭缝涂布机在PTFE膜 上进行涂布(载量0.8mgPt/cm2)。室温下干燥后，配合涂布于PTFE膜上载量为随后配合载 量为2mgIr/cm2的商品化氧化铱阳极催化层以及质子交换膜，通过热压转印制备 成催化剂涂覆膜(CCM)进行电解水性能测试。
对比例5
配方与实施例1完全一致，区别在于用珠磨机分散的次数由4次改为2次。
表1为各实施例及对比例催化剂浆料的黏度和催化剂团聚尺寸。
表1实施例1～5及对比例1～4的催化剂浆料的黏度和催化剂团聚尺寸对比表
由表1可知，尽管I/C比、醇水比以及固含量有所不同，采用了优选配方和优选分散方 法的实施例1、2、3、4、5的浆料的黏度较为适中，颗粒尺寸整体较小。而采用非优选配方或非优选分散方法的对比例1、对比例3的浆料的黏度较大，对比例2的浆料的催化剂颗粒的尺寸较大。在浆料黏度较大或浆料中存在较大颗粒的时候，狭缝涂布机易堵塞，浆料在PTFE 膜上分布不均匀。在干燥形成催化层的过程中，也会因为内部成分不均匀导致催化层形成裂 缝，在PTFE上附着力不高易脱落，导致催化层电解水性能较差。而对比例的4所涉及的浆 料的黏度又过小，在涂布时，浆料随意流淌，浆料湿膜厚度不足最终导致载量偏低，不易控 制浆料在PTFE上的载量，影响催化层最终的性能。
实施例6中使用了自制的含有氧化铈的铂碳催化剂。由于氧化铈本身的化学稳定性以及 氧化铈本身的氧缓冲特性，使得催化剂的稳定性有所提高。根据相关测试结果，添加了氧化 铈的铂碳催化剂在经历30000圈的方波循环之后其性能衰减低于未添加氧化铈的商业铂碳催 化剂。添加了含有氧化铈的阴极催化剂后，以此浆料制备出的电解水装置稳定性有所提高。
至于对比例5，由于珠磨机的分散次数减为2次，导致分散之后浆料不均匀，一部分流 动性较高，另一部分还存在较大的团块，不适合进行催化层的涂布。
分别对实施例1～2及对比例1～2所制的阴极催化层进行光学透射，得到如图1～4所示的 5倍光学透射显微图，对比图1～4，实施例1制备出的阴极催化层的孔隙和裂缝很少，裂缝 面积占比较小；实施例2制备出的阴极催化层的孔隙和裂缝尺寸较小，分布均匀；对比例1 制备出的阴极催化层裂缝尺寸很大，分布不均匀；对比例2制备出的阴极催化层裂缝尺寸很 大，分布不均匀。由此可知，采用合适的I/C比、醇水比、固含量及合适的分散方法，对于 催化剂浆料的黏度、催化剂颗粒的尺寸有很大的影响，从而导致所制的阴极催化层的质量有 很大的区别。
将实施例1～2及对比例1～2所制得的催化剂涂覆膜在80℃、常压下进行测试电解水性能 测试。图5为实施例1～2及对比例1～2制备的阴极催化层配合同样的阳极催化层制备出的催 化剂质子膜涂覆层(CCM)的电解水极化曲线对比图。从图中可以看出，实施例1和实施例 2制备出的CCM的性能明显优于对比例1和对比例2的。由此也进一步说明，本申请的阴极 催化剂中对于I/C比、醇水比、固含量及分散方法的选择对于制备出来的阴极催化层及CCM 的性能具有好的影响。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是 对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，其特征在于，包括8~24wt%阴极催化剂、干重0.5~5.5wt%离子聚合物溶液、7~70wt%超纯水以及5~68wt%液态小分子醇；所述液态小分子醇为碳原子数量在1~8之间的醇；所述阴极催化剂包括20~60wt%含铂材料及余量的碳材料；所述阴极催化剂浆料的固含量为12~20%，所述水与液态小分子醇的质量比为0.67~1.5，所述离子聚合物与碳材料的质量比为0.3~0.5。
2.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，其特征在于，所述碳材料包括活性炭、炭黑、石墨烯、碳纳米、元素掺杂碳纳米管、元素掺杂石墨烯、碳化的聚吡咯、聚苯胺和碳化的金属骨架有机材料中的一种或多种混合。
3.根据权利要求2所述的一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，其特征在于，所述掺杂的元素为氮、硫、硼、铁、铝中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，其特征在于，所述含铂材料是铂纳米颗粒或铂元素与其他金属元素形成的二元或多元合金材料中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，其特征在于，所述离子聚合物为全氟磺酸树脂溶液。
6.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料，其特征在于，所述液态小分子醇为乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇中的一种或多种的混合。
7.一种如权利要求1~6任一所述的用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：取适量超纯水放置于混合容器中，将混合容器用冰水浴进行冷却，用机械搅拌装置对容器中的超纯水进行搅拌，按顺序加入阴极催化剂、离子聚合物溶液、液态小分子醇并进行搅拌至混合均匀；
S2：将步骤S1所得浆料用珠磨机进行循环分散；
S3：将步骤S2分散完成的浆料用脱泡机进行脱泡处理，得到所述阴极催化剂浆料。
8.根据权利要求7所述的一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1：取适量超纯水放置于混合容器中，将混合容器用冰水浴进行冷却，用机械搅拌装置对容器中的超纯水进行搅拌，搅拌速率为200-500rpm，再按顺序加入阴极催化剂、离子聚合物溶液、液态小分子醇继续搅拌4~6min；
S2：将步骤S1所得浆料用珠磨机进行循环分散，速度为500-3000rpm，循环次数为3~5次；
S3：将步骤S2分散完成的浆料用脱泡机进行脱泡处理，得到所述阴极催化剂浆料。
CN202111172653.4A 2021-10-08 2021-10-08 一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法 Active CN114196990B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111172653.4A CN114196990B (zh) 2021-10-08 2021-10-08 一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111172653.4A CN114196990B (zh) 2021-10-08 2021-10-08 一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114196990A CN114196990A (zh) 2022-03-18
CN114196990B true CN114196990B (zh) 2023-07-25

Family

ID=80646150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111172653.4A Active CN114196990B (zh) 2021-10-08 2021-10-08 一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114196990B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115011992B (zh) * 2022-06-23 2024-02-06 鸿基创能科技(广州)有限公司 一种应用于质子交换膜电解水装置的阳极浆料及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111900420A (zh) * 2020-07-06 2020-11-06 浙江锋源氢能科技有限公司 一种阳极催化剂浆料、阳极催化剂层、膜电极及燃料电池

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100398113B1 (ko) * 2001-10-04 2003-09-19 현대자동차주식회사 가스켓 일체형 막-전극 접합체(ｍｅａ)의 제조방법
JP5286651B2 (ja) * 2004-06-22 2013-09-11 旭硝子株式会社 液状組成物、その製造方法及び固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
US20140251795A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-11 Cashido Corporation Manufacturing method of cathode catalyst and ozone-generating device
KR102096130B1 (ko) * 2016-05-02 2020-04-01 주식회사 엘지화학 담체-나노입자 복합체, 이를 포함하는 촉매 및 이의 제조방법
CN108091887A (zh) * 2016-11-22 2018-05-29 中国科学院大连化学物理研究所 一种碱性阴离子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
CN108878930A (zh) * 2017-05-12 2018-11-23 中国科学院大连化学物理研究所 一种电解用膜电极催化层微观结构的优化方法
JP2019157212A (ja) * 2018-03-14 2019-09-19 本田技研工業株式会社 水電解装置及び水電解装置用の電解質膜・電極構造体の製造方法
CN112768707A (zh) * 2020-12-28 2021-05-07 新源动力股份有限公司 一种适用于狭缝涂布的催化层浆料

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111900420A (zh) * 2020-07-06 2020-11-06 浙江锋源氢能科技有限公司 一种阳极催化剂浆料、阳极催化剂层、膜电极及燃料电池

Also Published As

Publication number Publication date
CN114196990A (zh) 2022-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. The controllable design of catalyst inks to enhance PEMFC performance: a review
KR101556580B1 (ko) 촉매 미립자, 카본 담지 촉매 미립자, 촉매 합제, 및 전극의 각 제조 방법
EP3734728A1 (en) Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP6244936B2 (ja) 炭素触媒及びその製造方法、及び該炭素触媒を用いた触媒インキ並びに燃料電池
JP2005515063A (ja) 担持されたナノ粒子触媒
TWI728612B (zh) 觸媒、製造觸媒的方法、包含觸媒的電極、包括電極的膜電極組合物以及包括膜電極組合物的燃料電池
TWI741458B (zh) 觸媒、製造觸媒的方法、包含觸媒的電極、包括電極的膜電極組合物以及包括膜電極組合物的燃料電池
WO2020167257A1 (en) Low-cost and low-platinum composite catalyst for low-temperature proton exchange membrane fuel cells
CN114196990B (zh) 一种用于质子交换膜电解水装置的阴极催化剂浆料及其制备方法
CN114243034A (zh) 一种抗沉淀催化剂浆料及其制备方法
KR100668354B1 (ko) 금속 촉매와 이를 포함한 전극의 제조방법
JP2007123253A (ja) 触媒層形成用ペースト組成物、触媒層−電解質膜積層体製造用転写シート及び触媒層−電解質膜積層体
JP5207607B2 (ja) 触媒層形成用ペースト組成物及び触媒層−電解質膜積層体
JP2018152333A (ja) アイオノマコート触媒及びその製造方法、並びに触媒インク
JP4918753B2 (ja) 電極、電池およびその製造方法
JP6263969B2 (ja) 酸化物系非白金触媒造粒体、酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法、及び該酸化物系非白金触媒造粒体を用いた触媒インキ並びに燃料電池
KR102199455B1 (ko) 막-전극접합체 전극용 바인더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 막-전극접합체 및 고분자전해질 연료전지
JP7127603B2 (ja) 燃料電池用電極触媒層の製造方法
JP2007095364A (ja) 触媒層形成用ペースト組成物、触媒層−電解質膜積層体製造用転写シート及び触媒層−電解質膜積層体
JP2012212661A (ja) 燃料電池用の電極触媒層、当該電極触媒層の製造方法、燃料電池用の膜電極接合体、および固体高分子形燃料電池
JP5987775B2 (ja) 燃料電池用触媒ペースト組成物、触媒インキ組成物、触媒層もしくは撥水層、電極膜接合体、燃料電池
JP2005190712A (ja) 触媒担持電極、燃料電池用ｍｅａおよび燃料電池
US12036531B2 (en) Low-cost and low-platinum composite catalyst for low-temperature proton exchange membrane fuel cells
CN115011992B (zh) 一种应用于质子交换膜电解水装置的阳极浆料及其制备方法
WO2022172947A1 (ja) 電極用触媒の製造方法、ガス拡散電極の製造方法、及び、膜・電極接合体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant