CN220393933U - 一种电解水制氢的阳极催化剂结构及催化层及膜电极 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电解水制氢领域，提供一种电解水制氢的阳极催化剂结构，包括金属载体和活性外壳，活性外壳包覆金属载体，活性外壳的材料为铱基催化剂。本实用新型的优点：(1)采用金属作为载体，具有导电性，可以将更多的阳极催化剂材料连成一体，使得电解水反应时，电子可以到达更多的催化活性位点，避免催化层由于电阻过大导致一部分催化活性材料未能参与到催化反应中，提高催化剂的利用率。(2)本实用新型的结构在保证催化剂本身具有一定稳定性的同时，也在一定程度上进一步降低铱的使用量，有利于降低电解水装置的成本。(3)Au、Pt或Pd的导电性良好，且化学稳定性高，进一步有利于提高阳极反应催化的稳定性和催化剂的利用率。
Description
技术领域
本实用新型涉及电解水制氢领域，更具体地，涉及一种电解水制氢的阳极催化剂结构及催化层及膜电极。
背景技术
随着社会的发展，能源危机已经成为全球关注的焦点。因此当务之急是发展一种新型的能源，但由于风能、太阳能和核能的运输和储存非常不易，需要寻找一种可再生、环境友好的新型能源，氢能由于效率高、无污染和可简单制取等特点被认为是将来最理想、最有潜力的能源载体。氢的制备方法有甲醇分解制取氢、氨分解制氢、生物制氢、太阳能制氢、化石燃料制氢和电解水制氢。其中，电解水制氢被认为是一种新型的储能方式，利用可再生清洁能源通过质子交换膜电解水装置将水转化为氢气，并将转化的氢气作为能源载体或原料应用于人类的生产活动可以减少化石原料的消耗，进而减少温室气体和有毒有害气物质的排放。因此，世界各主要国家都在积极发展电解水技术，尤其是质子交换膜电解水技术。质子膜电解水技术相比目前的其他电解水技术更高效、产生的氢气纯度更高，对具有波动性和间歇性的可再生清洁能源具有很好的适应性，因此是目前世界各国的开发重点。
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。
其中，阳极析氧反应发生的区域电势较高、pH很低，环境较为苛刻。仅有铱、氧化铱等少数材料才能同时满足活性与稳定性的要求。然而铱元素储量稀少，价格昂贵，限制了质子交换膜电解水装置的商业化。而且，尽管氧化铱的导电性较高，但在催化层中依然只有与多孔扩散层紧密接触的有限区域能够发生反应，催化层内的其他区域由于电阻较高，电子无法到达导致大部分催化剂未能参与到催化反应中，催化剂的利用率较低。高昂的价格以及较低的利用率是电解水装置中阳极催化层面临的主要问题之一。
实用新型内容
本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种电解水制氢的阳极催化剂结构及催化层及膜电极，用于提高阳极催化剂的利用率。
本实用新型的一个目的是提供一种电解水制氢的阳极催化剂结构，包括金属载体和活性外壳，所述活性外壳包覆所述金属载体，所述活性外壳的材料为铱基催化剂。
在本技术方案中，金属载体用于对活性外壳其支撑作用，其材质可以是单一的金属也可以是多种金属的合金组成，可通过静电纺丝、溶胶凝胶等方法制备；所述活性外壳包覆全部金属载体。
采用铱基催化剂作为电解水制氢的阳极催化剂，可以克服PEM电解水阳极强酸、强氧化的电化学反应环境，并保持良好的催化性能，加快析氧反应。作为催化剂，铱化合物在活性与稳定性之间取得良好的平衡。优选地，所述铱基催化剂为氧化铱、氧化铱钌、铱酸锶等铱基材料中的一种或多种的混合。将其包覆于金属载体上的方法可以为化学沉积、气相沉积、电镀、溅镀、伽凡尼取代反应(Galvanic Replacement Reaction)等。
本方案采用了金属作为载体，其具有导电性，可以将更多的阳极催化剂材料连成一体，使得电解水反应时，电子可以到达更多的催化活性位点，避免催化层由于电阻过大导致一部分催化活性材料未能参与到催化反应中，提高催化剂的利用率。此外，这种活性外壳包裹金属载体的结构在保证催化剂本身具有一定稳定性的同时，也在一定程度上进一步降低了铱使用量，提高了含铱活性组分的利用率，有利于降低电解水装置的成本。
进一步地，所述金属载体的材料为Au、Pt或Pd。
在本技术方案中，Au、Pt和Pd的导电性良好，且化学稳定性高，有利于进一步提高阳极反应催化的稳定性和催化剂的利用率。
进一步地，所述金属载体为纤维状或棒状。
进一步地，所述阳极催化剂结构的长径比＞10。
进一步地，所述阳极催化剂结构的横截面的直径为0.01μm至1μm。
在本技术方案中，将阳极催化剂结构控制在较细的尺寸使其在制备阳极催化层时，不会将催化层的微孔堵住，从而在提高催化剂利用率的同时，保证其正常的催化效果。
本实用新型的另一目的是提供一种电解水制氢的阳极催化层，所述阳极催化层包括上述的阳极催化剂结构。
在本技术方案中，所述阳极催化层还包括离子聚合物的结构，所述离子聚合物和阳极催化剂结构的质量比为0.05～0.3。通过合适的比例控制催化层的孔径，从而使催化层达到较好的催化效果。
进一步地，所述阳极催化剂结构为纤维状或棒状，所述阳极催化层包括多孔基体，所述阳极催化剂结构嵌于所述多孔基体内，并部分暴露于孔中。
本实用新型的另一目的是提供一种电解水制氢的膜电极结构，所述膜电极结构包括上述的阳极催化层。
在本技术方案中，所述膜电极为依次层叠接触的阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型采用了金属作为载体，其具有导电性，可以将更多的阳极催化剂材料连成一体，使得电解水反应时，电子可以到达更多的催化活性位点，避免催化层由于电阻过大导致一部分催化活性材料未能参与到催化反应中，提高催化剂的利用率。
(2)本实用新型的结构在保证催化剂本身具有一定稳定性的同时，也在一定程度上进一步降低了阳极铱的使用量，提高了催化剂的利用率，有利于降低电解水装置的成本。
(3)本实用新型选用Au、Pt或Pd作为金属载体的材料，其导电性良好，且化学稳定性高，进一步有利于提高阳极反应催化的稳定性和催化剂的利用率。
附图说明
图1为实施例1阳极催化剂结构的示意图。
图2为图1中A处的放大图。
图3为实施例2阳极催化层的局部截面图。
图4为实施例3膜电极结构的示意图。
附图标记：金属载体1，活性外壳2，阳极催化剂结构3，阳极催化层4，孔41，阳极气体扩散层5，质子交换膜6，阴极催化层7，阴极气体扩散层8。
具体实施方式
本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。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
如图1和图2所示，本实施例提供一种电解水制氢的阳极催化剂结构3，包括金属载体1和活性外壳2，所述活性外壳2包覆所述金属载体1。所述活性外壳2的材料为铱基催化剂。所述铱基催化剂为氧化铱、氧化铱钌、铱酸锶等铱基材料中的一种或多种的混合。在本实施例中，优选为氧化铱。
所述金属载体1的材料为Au、Pt或Pd。在本实施例中，优选为Pd。所述金属载体1为纤维状。所述阳极催化剂结构3的长径比＞10。所述阳极催化剂结构3的横截面的直径为0.01μm至1μm。在本实施例中，所述长径比为15；所述直径为0.5μm。Pd纤维为静电纺丝方法制备，IrO2对Pd纤维的包覆主要通过伽凡尼取代反应(Galvanic Replacement Reaction)以及后续的热处理方法制备。制备出的所述阳极催化剂为纤维状。
金属载体1用于对活性外壳2其支撑作用，其材质可以是单一的金属也可以是多种金属的合金组成，可通过静电纺丝、溶胶凝胶等方法制备；所述活性外壳2是由阳性催化剂组成的壳体，包覆部分金属载体1或者全部金属载体1。在本实施例中，所述活性外壳完全包覆金属载体的侧面，在金属载体的端部露出部分金属载体。
本方案采用了金属作为载体，其具有导电性，可以将更多的阳极催化剂材料连成一体，使得电解水反应时，电子可以到达更多的催化活性位点，避免催化层由于电阻过大导致一部分催化活性材料未能参与到催化反应中，提高催化剂的利用率。此外，这种活性外壳2包裹金属载体1的结构在保证催化剂本身具有一定稳定性的同时，也在一定程度上进一步降低了铱使用量，提高了含铱活性组分的利用率，有利于降低电解水装置的成本。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种电解水制氢的阳极催化层4，包括实施例1提供的阳极催化剂结构3，所述阳极催化层4包括多孔基体，所述阳极催化剂结构3嵌于所述多孔基体内，并部分暴露于孔41中。
所述阳极催化层4的具体制备方法为：
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，按顺序加入阳极催化剂结构3、Nafion溶液、异丙醇并进行搅拌至混合均匀。其中离子聚合物与催化剂的质量比为0.3，水与小分子醇与水的质量比为6:4，离子聚合物与催化剂在浆料中的固含量为25％。
S2：将步骤S1所得浆料用超声分散设备超声分散30min；
S3：将步骤S2分散完成的浆料用脱泡机进行脱泡处理，得到阳极催化剂浆料。
S4：将步骤S3制备的阳极催化剂浆料通狭缝涂布机涂布于PTFE表面。
S5：通过热压转印的方式将阳极催化层4转印至质子膜表面。
实施例3
如图4所示，本实施例提供一种电解水制氢的膜电极结构，包括依次叠加在一起的阳极气体扩散层5、阳极催化层4、质子交换膜6、阴极催化层7和阴极气体扩散层8，所述阳极催化层4是实施例2提供的催化层。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型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，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电解水制氢的阳极催化剂结构，其特征在于，包括金属载体和活性外壳，所述活性外壳包覆所述金属载体，所述活性外壳的材料为铱基催化剂，所述金属载体为纤维状或棒状，所述金属载体的材料为Au、Pt或Pd。
2.根据权利要求1所述的阳极催化剂结构，其特征在于，所述阳极催化剂结构的长径比＞10。
3.根据权利要求1或2所述的阳极催化剂结构，其特征在于，所述阳极催化剂结构的横截面的直径为0.01μm至1μm。
4.一种电解水制氢的阳极催化层，其特征在于，所述阳极催化层包括权利要求1～3任一项所述的阳极催化剂结构。
5.根据权利要求4所述的电解水制氢的阳极催化层，其特征在于，所述阳极催化剂结构为纤维状或棒状，所述阳极催化层包括多孔基体，所述阳极催化剂结构嵌于所述多孔基体内，并部分暴露于孔中。
6.一种电解水制氢的膜电极结构，包括依次叠加在一起的阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，其特征在于，所述阳极催化层权利要求4或5所述的阳极催化层。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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