CN114400335A - 一种新型二维构型化电极的制备方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型二维构型化电极的制备方法与装置，包括：将预设的电极遮罩设置在预设的隔膜的表面；将预设的电极催化剂浆料涂覆于所述隔膜的表面进行电极加工；从所述表面去除所述电极遮罩，在所述表面生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极。应用本发明方法和系统实现通过简单高效、操作简便、制备加工过程绿色环保的方式获得新型二维构型化电极，此新型二维构型化电极具有高性能、低成本、长寿命等优势，同时实现电极边缘效应的充分利用，在保证性能的同时实现催化剂载量的降低。
Description
技术领域
本发明涉及能量转换器件领域，特别涉及一种新型二维构型化电极的制备方法与装置。
背景技术
随着世界能源消耗的日益快速增长和传统化石能源的限制及缺点，新能源方向是人类社会未来的一个发展重点，而氢能以其独特的优势已经开始吸引很多国家政府的扶持和支持。氢能具有能量密度大、使用环保无污染等优点，同时通过质子交换膜燃料电池(PEMFC)将氢气直接高效地转换为电能的效益远远高过诸多内燃机。但是，地球上并不天然存在大量可利用的氢气分子，氢气必须要通过人工反应制得。目前，世界范围内氢能来源仍然依赖于高碳排放或高能耗的灰氢或蓝氢。而随着氢能及相关上下游产业的快速发展，通过结合可再生能源冗余能量的绿氢生产则是未来能源载体的主要发展方向之一。实际上，地球上大部分氢原子通过结合氧存在于水中，因此以水为氢源的制氢储能技术拥有极大的的应用前景。
目前全球众多学者仍然集中在新型催化剂研发等基础研究方向，包括利用高表面积载体进行纳米贵金属颗粒负载，核壳结构，薄膜结构，有机金属框架等；比如，为了在降低水电解池成本的同时，保持其高性能，高效率，及长寿命的要求，广大的科研人员及团队已经针对水电解池的电极进行了广泛而深入的研究。来自德国的Aldo Gago团队利用了丝网印刷方式加工了Ir-Ti4O7为催化剂的电极，通过研究与优化，该电极在0.4g cm-2的载量下能够实现较好的性能，并且相比于商业的膜电极能够将金属铱的质量活性提高1.5倍。来自美国田纳西大学的Feng-Yuan Zhang团队则针对电极导电性进行了研究，他们发现通过引入纳米尺度导电增强层，电极的活性位点数会显著提升，而这一现象对于提升水电解池的整体性能影响巨大，是设计和加工电极所必须考虑的问题。此外，该团队还发现不同的涂附加工方式对商业IrO2纳米粉末催化剂制备的电极的性能也有着极大的影响。来自同济大学的Hong Lv团队则在传统的IrO2电极中引入了N-TiO2负载，用以增强电极内部网络结构、提升活性位点数以及增强物质传输能力等，因此该电极能够提高水电解池器件的性能。而项目申请人前期也研发了一种基于新型超薄PTL制备的HER多孔电极，该电极在保持与传统膜电极组件相似的性能时，能够极大地提高贵金属Pt的质量活性，降低其载量，对于大规模加工和应用提供了一个较好的研究思路和方向。此外，来自美国能源部可再生能源国家实验室的Michael Ulsh团队则针对电极的大规模制备进行了研究，他们发现在调控和优化制备中各项参数后，大规模制备出来的电极能够与实验室中小尺度精细化加工的电极具有相似的性能。
通过以上多个团队的研究发现电极从催化剂材料到电极加工整个过程在水电解池中都起着重要的作用，综合研究催化剂及电极加工是高效电解水制氢所必须的，也是最为关键的内容之一。电极作为PEMWE(质子交换膜水电解池)器件中最关键的部件，电极的性质直接决定了水电解池整体的性能和稳定性，但是现有电极的研究仍然集中在加工方法及过程参数的影响及优化，并未有新的构型化电极被提出，而传统电极存在着活性位点分布不可控、催化剂载量高、成本较高等问题。
发明内容
本发明提供一种新型二维构型化电极的制备方法与装置，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种新型二维构型化电极的制备方法，包括：将预设的电极遮罩设置在预设的隔膜的表面；将预设的电极催化剂浆料涂覆于所述隔膜的表面进行电极加工；从所述表面去除所述电极遮罩，在所述表面生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极。
可选的，所述隔膜为电极基底材料，所述电极基底材料包括质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、扩散层、多孔层、气液传输层和转印基底。
可选的，所述预设的电极遮罩为规则构型；所述将预设的电极遮罩设置在预设隔膜的表面的步骤，包括：将预设的规则构型的电极遮罩均匀设置在预设隔膜的表面，所述规则构型包括带状、波浪条纹状、点阵状、拓扑点阵、花式图案分布。
可选的，所述预设的电极遮罩为不规则构型；所述将预设的电极遮罩设置在预设隔膜的表面的步骤，包括：将预设的不规则构型的电极遮罩随机设置在预设隔膜的表面，所述不规则构型包括随机图案或多孔层的基底结构。
可选的，所述电极遮罩，用于在所述隔膜的表面拥有被所述催化剂浆料覆盖以及未被所述催化剂浆料覆盖的部分，以生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极；所述电极遮罩的材料包括双层单面粘性胶带、不锈钢箔、复合材料薄膜、金属箔或薄膜材料、非金属薄膜。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种新型二维构型化电极的制备装置，包括：遮罩模块，用于将预设的电极遮罩设置在预设的隔膜的表面；涂覆模块，用于将预设的电极催化剂浆料涂覆于所述隔膜的表面进行电极加工；生产模块，用于从所述表面去除所述电极遮罩，在所述表面生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极。
可选的，所述隔膜为电极基底材料，所述电极基底材料包括质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、扩散层、多孔层、气液传输层和转印基底。
可选的，所述遮罩模块，具体为所述预设的电极遮罩为规则构型，具体用于将预设的规则构型的电极遮罩均匀设置在预设隔膜的表面，所述规则构型包括带状、波浪条纹状、点阵状、拓扑点阵、花式图案分布。。
可选的，所述遮罩模块，具体为所述预设的电极遮罩为不规则构型；用于将预设的不规则构型的电极遮罩随机设置在预设隔膜的表面，所述不规则构型包括随机图案或多孔层的基底结构。
可选的，所述电极遮罩，具体用于在所述隔膜的表面拥有被所述催化剂浆料覆盖以及未被所述催化剂浆料覆盖的部分，以生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极，所述电极遮罩的材料选用对所述隔膜不具有腐蚀性的材料，包括双层单面粘性胶带、不锈钢箔、复合材料薄膜、金属箔或薄膜材料、非金属薄膜。
本发明实施例的创新点包括：
(1)本发明提出的一种新型二维构型化电极的制备方法与装置，针对现有技术尚未有新的构型化电极被提出的情况，本发明通过将预设的电极遮罩设置在预设的隔膜的表面，将预设的电极催化剂浆料涂覆于隔膜的表面进行电极加工，生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极，本发明通过简单高效、操作简便、制备加工过程无污染获得新型二维构型化电极。是本发明实施例的创新点之一。
(2)本发明提出的一种新型二维构型化电极的制备方法与装置，针对传统电极存在着催化剂载量高、成本较高的问题，本发明从制备具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极角度，减少催化剂浆料的使用量，实现降低催化剂载量、提升催化剂质量活性的途径，实现制备加工的新型二维构型化电极具有高性能、低成本、长寿命等优势，进而满足多种能源转换器件的应用，实际可操作性强，具有极大的商业应用价值和潜力。是本发明实施例的创新点之一。
(3)本发明提出的一种新型二维构型化电极的制备方法与装置，针对传统电极存在着活性位点分布不可控的问题，而在本发明中，根据电解水制氢器件中电场分布、质子传导以及电极中活性位点分布等特性，在提出的新型二维构型化电极中首次发现了电极边缘效应，即在析氧反应电极边缘产生的质子在通过质子交换膜向析氢电极传到的过程中，受到质子交换膜内部电场分布特征及膜传导特性的作用，质子会随机的传导至比析氧反应电极更大的范围，因而产生了电极边缘效应。本发明中的二维构型化电极实现了对电极边缘效应的充分利用，从而能够在保证性能的同时实现催化剂载量的降低。是本发明实施例的创新点之一。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中的一种新型二维构型化电极的制备方法的处理流程示意图；
图2为本发明中的一种新型二维条纹状构型化电极的制备方法的处理流程示意图；
图3为本发明中隔膜预处理方法的子步骤流程示意图；
图4为本发明新型二维条纹状构型化电极的简易制备方法的处理流程图；
图5为本发明所制得的新型二维构型化电极与传统电极照片的对比电镜图；
图6为本发明中所制得的新型二维构型化电极在质子交换膜水电解池单电池器件中的性能极化曲线；
图7为本发明制得的新型条纹状二维构型化电极的工作原理示意图；
图8为本发明制得的具有不同参数的新型条纹状二维构型化电极电镜图；
图9为本发明所设想的未来构型化电极设计示意图；
图10为本发明中的一种新型二维非规则构型化电极的制备方法的处理流程示意图；
图11为本发明的构型化电极基底表面及3D照片图；
图12为本发明提出的新型二维构型化电极的制备装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、方法及装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1：
本发明提供了一种新型二维构型化电极的制备方法，针对传统电极存在着活性位点分布不可控、催化剂载量高、成本较高、尚未有新的构型化电极被提出等问题。根据不同的新型二维构型化电极结构和特征可以采用多种不同的制备加工方式，能够通过简单高效、操作简便、制备加工过程绿色环保的方式获得新型二维构型化电极。该方法的优势在于降低催化剂载量、提升催化剂质量活性的途径，实现制备加工的新型二维构型化电极具有高性能、低成本、长寿命等优势。
参考图1，图1为本发明中的一种新型二维构型化电极的制备方法的处理流程示意图。如图1所示，一种新型二维构型化电极制备包括：
步骤101，将预设的电极遮罩设置在预设的隔膜的表面。
需要说明的是，所述预设的电极遮罩用于在所述预设的隔膜表面形成遮盖，用于生成不同于传统电极的全覆盖式电极区域，以生成有效电极区域范围内同时拥有被催化剂覆盖以及未被催化剂覆盖的部分。
具体的，所述预设的隔膜为电极基底材料，所述电极基底材料包括质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、扩散层、多孔层、气液传输层和转印基底。
需要说明的是，所述电极基底材料需要进行预处理步骤，为后续加工提供干净、清洁的材料，具体的，所述预处理步骤包括表面清洗、酸洗、加热、干燥。
可选的，所述电极遮罩覆盖于所述预设的隔膜的第一表面。
可选的，所述预设的电极遮罩为规则构型，所述将预设的电极遮罩设置在预设隔膜的表面的步骤，包括：将预设的规则构型的电极遮罩均匀设置在预设隔膜的表面，所述规则构型包括带状、波浪条纹状、点阵状、拓扑点阵、花式图案分布。
可选的，所述预设的电极遮罩为不规则构型；所述将预设的电极遮罩设置在预设隔膜的表面的步骤，包括：将预设的不规则构型的电极遮罩随机设置在预设隔膜的表面，所述不规则构型包括随机图案或多孔层的基底结构。
具体的，所述电极遮罩选用对所述隔膜不具有腐蚀性的材料，包括双层单面粘性胶带、不锈钢箔、复合材料薄膜、金属箔或薄膜材料、非金属薄膜。
步骤102，将预设的电极催化剂浆料涂覆于所述隔膜的表面进行电极加工。
需要说明的是，所述预设的电极催化剂浆料通过电极基底材料溶于第一溶液配置得到，所述电极催化剂浆料包括阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料。
具体的，所述阴极催化剂浆料或阳极催化剂浆料涂覆于所述第一表面，所述隔膜的第二表面涂覆对应的阳极催化剂浆料或阴极催化剂浆料，以使隔膜两个表面对应。
在本步骤中，所述第一表面和所述第二表面为所述隔膜相对应的两侧，所述两侧分别涂覆阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料，为生成相对应的电极阴阳两级。
可选的，所述电极加工的方法，用于将所述已涂覆所述电极催化剂浆料的所述隔膜加工为电极，所述方法包括：喷涂法、刷涂法、电镀法、棒涂、刮涂、磁控溅射、化学或物理气相沉积、热扩散法、纳米涂装、转印法和卷对卷涂覆。
步骤103，从所述表面去除所述电极遮罩，在所述表面生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极。
需要说明的是，从第一表面去除所述电极遮罩，在所述第一表面生成具有平面凹凸构型的规则新型二维构型化阴极或阳极电极，第二表面生成全覆盖的阳极或阴极电极。
具体的，生成所述具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极，考虑到器件中电场分布、质子传导以及电极中活性位点分布等特性，充分利用其工作机制，发挥电极边缘效应的充分利用，从而在保证性能的同时实现催化剂载量的降低。
可见，本发明方法制得的新型二维构型化电极能够大幅降低催化剂载量，同时能够大幅度提高催化剂质量活性，降低电解水制氢成本，提升催化剂利用率，将会对电解水制氢器件的发展起到重要的作用。
实施例2：
本发明还提供了一种新型二维构型化电极的制备方法与装置，可以参考图2，图2为本发明中的一种新型二维条纹状构型化电极的制备方法的处理流程示意图。如图2所示，一种新型二维条纹状构型化电极制备包括：
步骤201，配置阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料。
需要说明的是，配置去离子水和乙醇混合液，加入聚合物溶解Pt/C(铂炭)粉末和铱粉末分别生成阴极HER(析氢反应)催化剂浆料和阳极OER(析氧反应)催化剂浆料。
可选的，所述去离子水和乙醇混合液的比例为1：3，具有最佳的处理反应效果。
可选的，所述聚合物可以选用Nafion(全氟磺酸)聚合物，所述Nafion聚合物和Pt/C的混合比例为0.45生成阴极HER催化剂浆料，所述聚合物Nafion和铱混合比例为0.24生成阳极OER催化剂浆料。
步骤202，在隔膜一侧覆盖具有构型的遮罩，将配置的所述阴极催化剂浆料涂覆于隔膜一侧，制备阴极电极，将配置的所述阴极催化剂浆料涂覆于隔膜另一侧，制备阳极电极，将涂覆后的隔膜移至电极加工设备中加工。
需要说明的是，在隔膜一侧覆盖具有构型的遮罩，将生成的阴极HER催化剂浆料通过超声喷涂涂覆于隔膜一侧，制备阴极Pt/C电极；将生成的阳极OER催化剂浆料通过超声喷涂涂覆于隔膜另一侧，制备阳极电极，将涂覆后的隔膜移至电极加工设备中加工。
需要说明的是，所述隔膜为电极基底材料，可以选取商业水电解槽常用的Nafion117膜作为所述隔膜。
可选的，所述电极基底材料包括质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、扩散层、多孔层、气液传输层、转印基底。
可选的，新型二维构型化电极包括规则构型和不规则构型，其中，规则构型包括条纹、带状、点阵、拓扑点阵、花式图案分布等；不规则构型则以随机样式或基底结构为基础的分布。
具体的，所述隔膜需要进行预处理，可以参考图3，图3为本发明中隔膜预处理方法的子步骤流程示意图。如图3所示，处理步骤如下所示：
子步骤31，将所述隔膜浸泡在去离子水中24小时，使其充分吸水饱和。
子步骤32，将吸水饱和的隔膜移至真空加热板，进行真空吸附干燥，使所述吸水饱和的隔膜充分干燥，用于电极涂覆加工。
具体的，所述真空吸附干燥的工作条件为50℃下持续12小时。
可选的，具有构型的遮罩，选取双层单面粘性胶带为构型化电极遮罩基底，用于在无粘性胶带面加工构型模板，所述双层单面粘性胶带，可以通过商用手工艺裁纸机进行切割加工，以获得双层单面粘性胶带条纹状构型的遮罩。
需要说明的是，所述双层单面粘性胶带条纹状构型的遮罩用于设计二维条纹状构型电极，所述二维条纹状构型通过CAD软件绘制条纹状构型图，可选的，固定构型化电极中催化剂条纹为1mm宽度，空格区域为1mm或0.5mm宽度。
可选的，将生成的阴极HER催化剂通过超声喷涂涂覆于Nafion117膜一侧，制备阴极Pt/C电极；在隔膜另一侧平整地粘贴覆盖具有双层单面粘性胶带条纹状构型的遮罩，将生成的阳极OER催化剂浆料通过超声喷涂涂覆于贴有所述双层单面粘性胶带条纹状构型的遮罩的Nafion117膜一侧，通过超声喷涂将该浆料涂覆于贴有遮罩的Nafion117膜一侧，制备阳极电极，将涂覆后的隔膜移至电极加工设备中加工。
可选的，所述具有构型的遮罩还可以选取不锈钢箔为遮罩基底，通过加工，制备具有不同参数的不锈钢箔条纹状构型的遮罩，
具体的，所述不锈钢箔条纹状构型的遮罩，分别设计催化剂条纹0.5mm，0.2mm以及0.1mm三种，空格条纹为0.5mm的条纹状构型化电极遮罩，利用化学刻蚀法加工具有不同参数的遮罩用于电极加工制备。
需要说明的是，在隔膜一侧平整地覆盖具有构型的遮罩，将生成的阴极HER催化剂浆料通过超声喷涂涂覆于隔膜一侧，制备阴极Pt/C电极；将生成的阳极OER催化剂浆料通过超声喷涂涂覆于隔膜另一侧，制备阳极电极，将涂覆后的隔膜移至电极加工设备中加工。
可选的，可以参考图4，图4为本发明新型二维条纹状构型化电极的简易制备方法的处理流程图。如图4所示，将不锈钢箔放置于Nafion117膜一侧表面，移至热压设备中，在120℃，1MPa条件下热压10分钟，然后在空气中冷却12小时，释放热压压力，使所述不锈钢箔遮罩能够稳定的辐照在Nafion117膜基底的表面；随后，通过超声喷涂分别将阴极HER催化剂和阳极OER催化剂涂覆于Nafion117两侧，最终得到具有不同参数的二维条纹状构型化电极。
可选的，所述电极加工方法包括喷涂法、刷涂法、电镀法、棒涂、刮涂、磁控溅射、化学或物理气相沉积、热扩散法、纳米涂装、转印法、卷对卷涂覆等。
需要说明的是，HER(析氢反应)和OER(析氧反应)的催化剂通常使用贵金属，例如铂，铱，钌等，质子交换膜水电解池(PEMWE)技术因具有效率较高、功率可调性强、氢气纯度高等优势，已经成为制氢领域的研究热点。目前，限制其大规模商业化的主要因素仍然是其较高的生产成本。而影响其成本的两大因素是昂贵的材料及电能和非理想化的性能及寿命，昂贵的质子交换膜(PEM)，复杂的多孔气液两相传输层(PTL/LGDL)，较高的膜电极(MEA)加工成本等。膜电极组件作为质子交换膜水电解池的核心部件，包括PEM，催化剂层电极(简称“电极(Electrode)”)及PTL/LGDL。其中，电极作为关键的核心部件，极大地决定了PEMWE的性能和寿命。
步骤203，将加工好的隔膜电极取出，去除表面遮罩，获得新型二维构型化电极
可选的，通过所述双层单面粘性胶带条纹状构型的遮罩获得的具有条纹状的新型二维构型化电极计为第一二维构型化电极；通过所述不锈钢箔条纹状构型的遮罩获得的具有条纹状的新型二维构型化电极计为第二二维构型化电极。
步骤204，将所述条纹状的新型二维构型化电极进行电极形貌表征及性能测试，是验证电极性能和稳定性的关键必要步骤，是电极进一步研发和其可规模化应用的前提。
具体的，所述电极形貌表征包括结构形貌和元素表征，可以参考图5，图5为本发明所制得的新型二维构型化电极与传统电极照片的对比电镜图。如图5所示，本实施例制得的第一二维构型化电极和传统电极的形貌照片和扫描电镜(SEM)观察下图像，由图可见，所述第一二维构型化电极的具有非常显著的条纹形状，构型参数可以被精确调控，同时所制备的样品具有良好的形貌和均匀的分布。
具体的，所述性能测试，包括：将所述第一二维构型化电极装配于质子交换膜水电解池的阳极进行测试，可以参考图6，图6为本发明中所制得的新型二维构型化电极在质子交换膜水电解池单电池器件中的性能极化曲线。如图6所示，测试结果展现出非常优异的性能，能够在使用更少的催化剂载量的条件下实现与传统高载量电极相似的性能，保证水电解制氢器件的效率。
需要说明的是，所述第一二维构型化电极考虑到器件中电场分布、质子传导以及电极中活性位点分布等特性，充分利用其工作机制，可以参考图7，图7为本发明制得的新型条纹状二维构型化电极的工作原理示意图。如图7所示，首次发现了电极边缘效应，通过设计新型二维构型化电极，实现了电极边缘效应的充分利用，从而在保证性能的同时实现催化剂载量的降低。
具体的，图8为本发明制得的具有不同参数的新型条纹状二维构型化电极电镜图，如图8所示，采用SEM观察所述第二二维构型化电极的图像，制得的第二二维构型化电极的具有非常显著的条纹形状，构型参数可以被精确调控，能够得到电极分布均匀的构型化电极。
需要说明的是，图9为本发明所设想的未来构型化电极设计示意图，如图9所示，以制得的第二二维构型化电极为基础设计各种不同分布和结构的新型构型化电极能够降低电解水制氢成本，提升催化剂利用率，具有非常大的应用前景和商业价值。
需要说明的是，目前的研究都仅包含了催化剂在半电池或旋转电极中的性能和稳定性，并没有测试它们在器件中的实际性能和表现。而绝大部分新型催化剂在水电解池器件测试中的性能和稳定性却不够理想，导致这一现象出现的原因有多个方面，其中一点便是电极加工过程及参数的影响。电极通常是通过不同的加工方式得到的一种具有多孔形貌的结构，其中包含催化剂以及用于质子传导的聚合物(ionomer)，部分电极可能还含有一定的催化剂载体，用于提升催化剂的质量活性和增强电极的导电性。在电极工作中，催化剂的活性位点需要满足三相界面理论，因此，电极设计方向是在其内部提供更多的三相界面以及最少的传导损失(电子、质子、以及反应物和生成物)。电极的加工过程通常是将催化剂溶于不同配比的溶剂体系中获得催化剂浆料，进而利用不同的涂覆方式将电极制备出来。而这一过程中各项参数都极大地影响着电极的结构、性能和稳定性，因此各种新型高性能催化剂也必须要经过器件电极测试及优化的过程。
可见，本发明方法制得的新型二维构型化电极，为优化质子交换膜水电解池膜电极组件的设计与制造提供理论基础和指导方向，有利于提高绿氢储能的效率和加速氢能相关产业的商业化进程。
实施例3：
本发明提出一种新型二维非规则构型化电极，可以参考图10，图10为本发明中的一种新型二维非规则构型化电极的制备方法的处理流程示意图。
如图10所示，一种新型二维非规则构型化电极制备包括：
步骤401，选取钛颗粒板或多孔的钛毡板为电极加工基底，进行钛颗粒板或多孔的钛毡板的清洗。
可选的，所述钛颗粒板可为市场上购买，不需要特殊定制。
需要说明的是，所述钛颗粒板或多孔的钛毡板的清洗包括：将钛颗粒板或多孔的钛毡板放置于超声清洗槽内，加入一定量丙酮溶液，超声20-30分钟后取出，用去离子水冲洗表面2次；将冲洗后的钛颗粒板或多孔的钛毡板转移至一定量乙醇溶液中，超声清洗20-30分钟，随后用去离子水冲洗表面2次；再将钛颗粒板或多孔的钛毡板转移至一定量去离子水中，超声清洗20-30分钟，随后用去离子水冲洗3次，最后在空气中干燥48小时以上。
步骤402，清洗后的钛颗粒板或多孔的钛毡板作为催化剂，通过超声喷涂或刷涂等方法，将催化剂涂覆于电极基底的表面一侧，进而形成以基底表面特征为构型的非规则构型化电极。
需要说明的是，所述非规则构型化电极的构型是根据钛颗粒板或钛毡板表面形貌和结构确定，可以参考图11，图11为本发明的构型化电极基底表面及3D照片图。
本实施例制得的非规则构型电极也能够有效提升催化剂质量活性，但是由于其构型主要由基底的结构和形貌确定，其构型呈现不规则结构和参数不可调的特点，因此该实施例效果不如新型二维规则构型化电极的效果。
实施例4：
本发明提供了一种新型二维构型化电极的制备装置，针对传统电极存在着活性位点分布不可控、催化剂载量高、成本较高、尚未有新的构型化电极被提出等问题。根据不同的新型二维构型化电极结构和特征可以采用多种不同的制备加工方式，能够通过简单高效、操作简便、制备加工过程绿色环保的方式获得新型二维构型化电极。该方法的优势在于降低催化剂载量、提升催化剂质量活性的途径，实现制备加工的新型二维构型化电极具有高性能、低成本、长寿命等优势。
参考图12，图12为本发明提出的新型二维构型化电极的制备装置的结构示意图。如图12所示，新型二维构型化电极制备装置50，包括：遮罩模块501、涂覆模块502和生产模块503。
具体的，所述遮罩模块501，用于将预设的电极遮罩设置在预设的隔膜的表面；涂覆模块502，用于将预设的电极催化剂浆料涂覆于所述隔膜的表面进行电极加工；生产模块503，用于从所述表面去除所述电极遮罩，在所述表面生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极。
可选的，所述隔膜为电极基底材料，所述电极基底材料包括质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、扩散层、多孔层、气液传输层和转印基底。
可选的，所述遮罩模块501，具体为所述预设的电极遮罩为规则构型；所述将预设的电极遮罩设置在预设隔膜的表面的步骤，包括：将预设的规则构型的电极遮罩均匀设置在预设隔膜的表面，所述规则构型包括带状、波浪条纹状、点阵状、拓扑点阵、花式图案分布。
可选的，所述遮罩模块501，具体为所述预设的电极遮罩为不规则构型；所述将预设的电极遮罩设置在预设隔膜的表面的步骤，包括：将预设的不规则构型的电极遮罩随机设置在预设隔膜的表面，所述不规则构型包括随机图案或多孔层的基底结构。
可选的，所述电极遮罩，用于在所述隔膜的表面拥有被所述催化剂浆料覆盖以及未被所述催化剂浆料覆盖的部分，以生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极。
可见，本发明装置制得的新型二维构型化电极能够大幅降低催化剂载量，同时能够大幅度提高催化剂质量活性，降低电解水制氢成本，提升催化剂利用率，将会对电解水制氢器件的发展起到重要的作用。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种新型二维构型化电极的制备方法，其特征在于，包括：
将预设的电极遮罩设置在预设的隔膜的表面；
将预设的电极催化剂浆料涂覆于所述隔膜的表面进行电极加工；
从所述表面去除所述电极遮罩，在所述表面生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述隔膜为电极基底材料，所述电极基底材料包括质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、扩散层、多孔层、气液传输层和转印基底。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的电极遮罩为规则构型；所述将预设的电极遮罩设置在预设隔膜的表面的步骤，包括：
将预设的规则构型的电极遮罩均匀设置在预设隔膜的表面，所述规则构型包括带状、波浪条纹状、点阵状、拓扑点阵、花式图案分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的电极遮罩为不规则构型；所述将预设的电极遮罩设置在预设隔膜的表面的步骤，包括：
将预设的不规则构型的电极遮罩随机设置在预设隔膜的表面，所述不规则构型包括随机图案或多孔层的基底结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述电极遮罩的材料包括对所述隔膜不具有腐蚀性的材料。
6.一种新型二维构型化电极的制备装置，其特征在于，包括：
遮罩模块，用于将预设的电极遮罩设置在预设的隔膜的表面；
涂覆模块，用于将预设的电极催化剂浆料涂覆于所述隔膜的表面进行电极加工；
生产模块，用于从所述表面去除所述电极遮罩，在所述表面生成具有平面凹凸构型的新型二维构型化电极。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述隔膜为电极基底材料，所述电极基底材料包括质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、扩散层、多孔层、气液传输层和转印基底。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述遮罩模块，具体为所述预设的电极遮罩为规则构型，具体用于将预设的规则构型的电极遮罩均匀设置在预设隔膜的表面，所述规则构型包括带状、波浪条纹状、点阵状、拓扑点阵、花式图案分布。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述遮罩模块，具体为所述预设的电极遮罩为不规则构型；用于将预设的不规则构型的电极遮罩随机设置在预设隔膜的表面，所述不规则构型包括随机图案或多孔层的基底结构。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述电极遮罩，具体用于在所述隔膜的表面形成遮盖，以使涂覆模块具有被所述催化剂浆料涂覆部分以及未被所述催化剂浆料涂覆的部分；
所述电极遮罩的材料选用对所述隔膜不具有腐蚀性的材料。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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