TWI762288B - 膜電極組與電解產氫的方法 - Google Patents

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Abstract

膜電極組包括：第一電極；第二電極；陰離子交換膜，夾設於第一電極與第二電極之間，其中第一電極包括：第一金屬網；第一觸媒層，披覆於第一金屬網上；第二金屬網；以及第二觸媒層，披覆於第二金屬網上，其中第一金屬網位於陰離子交換膜與第二金屬網之間，其中第二金屬網的厚度大於第一金屬網的厚度，第一觸媒層的厚度大於第二觸媒層的厚度，第二觸媒層係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、金、或鋁，且第二觸媒層為結晶態。

Description

膜電極組與電解產氫的方法
本揭露關於膜電極組，以及採用膜電極組電解產氫的方法。
在能源短缺的現今，尋求替代能源勢在必行，而氫氣為最佳的替代能源，在環境保護的觀念下，使用氫氣做為燃料是符合環保的期待，而電解水是最簡單製造氫氣與氧氣的方式，在未來發展碳中和所需綠色氫源技術中，鹼性電解水產氫因兼具建置成本低廉且元件耐久性長等應用優點，而為倍受國際注目且正在發展中的前瞻技術。
使用潔淨的再生能源已是國際未來發展趨勢，如何提高再生能源的使用效率，特別是餘電的部分是目前各國發展的重點，利用電解水產氫技術有利調節再生電力多餘之餘電，因此精進電解水產氫的成本與效率是未來技術產業化的重要基石。有效整合各元件以提升電解效率與降低成本是關鍵核心。傳統電解須採用流動層以流入鹼性水溶液並排出電解產生的氫氣與氧氣，然而流道層採用機械加工方式製造，其加工費用昂貴而提高成本。綜上所述，目前亟需新的膜電極組以省略流道層。
本揭露一實施例提供之膜電極組，包括：第一電極；第二電極；陰離子交換膜，夾設於第一電極與第二電極之間，其中第一電極包括：第一金屬網；第一觸媒層，披覆於第一金屬網上；第二金屬網；以及第二觸媒層，披覆於第二金屬網上，其中第一金屬網位於陰離子交換膜與第二金屬網之間，其中第二金屬網的厚度大於第一金屬網的厚度，第一觸媒層的厚度大於第二觸媒層的厚度，第二觸媒層係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、金、或鋁，且第二觸媒層為結晶態。
本揭露一實施例提供之電解產氫的方法，包括：將膜電極組浸置於鹼性水溶液中，其中膜電極組包括：第一電極；第二電極；陰離子交換膜，夾設於第一電極與第二電極之間，其中第一電極包括：第一金屬網；第一觸媒層，披覆於第一金屬網上；第二金屬網；以及第二觸媒層，披覆於第二金屬網上，其中第一金屬網位於陰離子交換膜與第二金屬網之間，其中第二金屬網的厚度大於第一金屬網的厚度，第一觸媒層的厚度大於第二觸媒層的厚度，第二觸媒層係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、金、或鋁，且第二觸媒層為結晶態；以及施加電位至第一電極與第二電極以電解該鹼性水溶液，使第一電極與第二電極之一者產生氫氣，並使第一電極與第二電極之另一者產生氧氣。
本揭露一實施例提供之電解產氫裝置100如圖1所示。陰離子交換膜13夾設於陽極11與陰極15之間以形成膜電極組(MEA) 10，且膜電極組10夾設於兩個集電材19之間。為了輸入反應物如鹼性水溶液至膜電極組10並自膜電極組排出產物如氫氣與氧氣，需採用流道層17以夾設於集電材19與陽極11之間，並採用另一流道層17以夾設於集電材19與陰極15之間。一般而言，流道層17的製作成本偏高，造成電解產氫裝置100的成本提高。
為克服流道層的問題，本揭露一實施例提供之電解產氫裝置200如圖2所示，其包括膜電極組20夾設於兩個集電材19之間。膜電極組20包括陽極11；陰極15；陰離子交換膜13，夾設於陽極11與陰極15之間。陽極11包括具有觸媒層C1 (未圖示)披覆其上的金屬網11A；以及具有觸媒層C2 (未圖示)披覆其上的金屬網11B。金屬網11A位於陰離子交換膜13與金屬網11B之間。舉例來說，金屬網11A可為不鏽鋼網、鈦網、鎳網、鎳合金網、鈮合金網、銅網、或鋁網。觸媒層C1係化學結構為M’ aM” bN 2、M’ cM” dC e、或M xRu yN 2，其中M’為Ni、Co、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、或Zn，M”為Nb、Ta、或上述之組合，M為Ni、Co、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、或Zn，0.7≤a≤1.7，0.3≤b≤1.3，a+b=2，0.24≤c≤1.7，0.3≤d≤1.76，0.38≤e≤3.61，0＜x＜1.3，0.7＜y＜2，且x+y=2，其中M’ aM” bN 2為立方晶系，M’ cM” dC e為立方晶系或非晶，且M xRu yN 2為立方晶系或非晶。具有觸媒層C1披覆其上的金屬網11A，可參考申請人已申請的台灣專利I677596。值得注意的是，觸媒層C1不限於上述提及的觸媒組成，而可採用其他適於用於陽極的商用觸媒。
另一方面，金屬網11B可為不鏽鋼網、鈦網、鎳網、鎳合金網、鈮合金網、銅網、或鋁網。觸媒層C2係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、金、或鋁。在一實施例中，披覆金屬網11B的觸媒層C2係鐵、鈷、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、或金。由於披覆觸媒層C2於金屬網11B上的做法為化學還原，因此可形成結晶態的觸媒層C2。由實驗結果可知，結晶態的觸媒層C2比非晶態的觸媒層C2具有更佳的電解產氫效果。此外，金屬網11B的厚度大於金屬網11A的厚度，以取代流道層的功能。在一實施例中，金屬網11A為表面平滑的不鏽鋼網，而金屬網11B為表面粗糙的鎳網(nickel foam)。金屬網11A可保護陰離子交換膜13免於被金屬網11B刺穿而造成裝置短路失效，而金屬網11B可取代高成本的流動層且比流動層提供更佳的電解產氫效果。另一方面，觸媒層C1的厚度大於觸媒層C2的厚度，C1的厚度介於0.25微米至1微米，C2厚度介於0.01微米至0.25微米。若觸媒層C1的厚度小於或等於觸媒層C2的厚度，則電解產氫的效果不佳。
如圖2所示，陰極15包括具有觸媒層C3 (未圖示)披覆其上的金屬網15A，以及具有觸媒層C4 (未圖示)披覆其上的金屬網15B。金屬網15A位於陰離子交換膜13與金屬網15B之間。舉例來說，金屬網15A可為不鏽鋼網、鈦網、鎳網、鎳合金網、鈮合金網、銅網、或鋁網。觸媒層C3的化學結構為M xRu yN 2或M xRu y，其中M為Ni、Co、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、或Zn，0＜x＜1.3，0.7＜y＜2，x+y=2，M xRu yN 2為立方晶系或非晶，且M xRu y為立方晶系。具有觸媒層C3披覆其上的金屬網15A，可參考申請人已申請的台灣專利I677596。值得注意的是，觸媒層C3不限於上述提及的觸媒組成，而可採用其他適於用於陰極的商用觸媒。
另一方面，金屬網15B可為不鏽鋼網、鈦網、鎳網、鎳合金網、鈮合金網、銅網、或鋁網。觸媒層C4係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、金、或鋁。在一實施例中，披覆金屬網15B的觸媒層C4係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、金、或鋁。由於披覆觸媒層C4於金屬網15B上的做法為化學還原，因此可形成結晶態的觸媒層C4。由實驗結果可知，結晶態的觸媒層C4比非晶態的觸媒層C4具有更佳的電解產氫效果。此外，金屬網15B的厚度大於金屬網15A的厚度，以取代流道層的功能。在一實施例中，金屬網15A為表面平滑的不鏽鋼網，而金屬網15B為表面粗糙的鎳網(nickel foam)。金屬網15A可保護陰離子交換膜13免於被金屬網15B刺穿而造成裝置短路失效，而金屬網15B可取代高成本的流動層且比流動層提供更佳的電解產氫效果。另一方面，觸媒層C3的厚度大於觸媒層C4的厚度，C3的厚度介於10微米至100微米，C4厚度介於0.01微米至0.25微米。若觸媒層C3的厚度小於或等於觸媒層C4的厚度，則電解產氫的效果不佳。
在一實施例中，陰離子交換膜13可為含鹵素離子之咪唑高分子或其他合適材料。舉例來說，陰離子交換膜13可為購自Fumatech之FAS或購自Dioxidematerials之X37-50。由於膜電極組200用於電解鹼性水溶液產氫，因此採用陰離子交換膜13而非其他離子交換膜。在一些實施例中，集電材可為不鏽鋼板、鈦板、或其他合適板。
由於陽極11的金屬網11B與陰極15的金屬網15B具有流道層的功效，因此膜電極組20與集電材19之間不需額外流動層。值得注意的是，圖2中的陽極11與陰極15均採用兩層金屬網的設計，但本揭露實施例不限於此。舉例來說，陽極可採用其他非金屬網的商用陽極以搭配流道層，只有陰極採用兩層金屬網以省略流道層的設計。另一方面，陰極可採用其他非金屬網的商用陰極以搭配流道層，只有陽極採用兩層金屬網以省略流道層的設計。換言之，膜電極組可只有一側採用兩層金屬層以省略流道層，而另一側採用傳統的流道層。
在一些實施例中，觸媒層C1的厚度介於0.25微米至1微米之間，而觸媒層C3的厚度介於10微米至100微米之間。若觸媒層C1或觸媒層C3的厚度過小，則電解產氫的效果不佳。若觸媒層C1或觸媒層C3的厚度過大，則電解產氫的效果不佳。在一些實施例中，觸媒層C2 (或觸媒層C4)的厚度介於0.01微米至0.25微米之間。若觸媒層C2或觸媒層C4的厚度過小，則與無觸媒層的效果類似。若觸媒層C2或觸媒層C4的厚度過大，反而降低膜電極組的電解產氫效率。
在一些實施例中，金屬網11B或金屬網15B的孔洞尺寸為60微米至120微米。若金屬網11B或金屬網15B的孔洞尺寸過小，則無法將反應物如鹼性水溶液有效輸入膜電極組200，或無法有效自膜電極組200輸出氣體產物(如氫氣與氧氣)。若金屬網11B或金屬網15B的孔洞尺寸過大，則無法長時間維持電解產氫的效率(即長時間使用後的衰退較大)。
在一些實施例中，金屬網11B與觸媒層C2的重量比例(或金屬網15B與觸媒層C4的重量比例)為90:10至99.9:0.1。若上述重量比例過低(即觸媒層用量過高)，則電解產氫的效率不佳。若上述重量比例過高(即觸媒層用量過低)，則與無觸媒層的效果類似。
在一些實施例中，具有觸媒層C2披覆其上的金屬網11B可與具有觸媒層C4披覆其上的金屬網15B相同。在其他實施例中，具有觸媒層C2披覆其上的金屬網11B可與具有觸媒層C4披覆其上的金屬網15B不同，比如不同的觸媒種類、不同的金屬網孔徑、不同的金屬網厚度、或上述之組合。舉例來說，披覆於金屬網11B上的觸媒層C2可採用鐵，而披覆於金屬網15B上的觸媒層C4可採用鈷或金。
本揭露一實施例提供電解產氫的方法，包括將上述膜電極組20浸置於鹼性水溶液中。膜電極組20與前述類似，在此不詳述。接著施加電位至陽極11與陰極15以電解鹼性水溶液，使陰極15產生氫氣，並使陽極11產生氧氣。在一實施例中，鹼性水溶液的pH值大於或等於13。若鹼性水溶液的pH值過低，則導電度不佳。在一實施例中，鹼性水溶液的pH值為14。
為讓本揭露之上述內容和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： [實施例]
實施例1 (披覆不同金屬的發泡鎳網) 取市售的發泡鎳網(購自MERCK的GF28024657)進行前處理，包括(1)浸泡於丙酮中超音波震盪15分鐘；(2)以去離子水洗10分鐘；(3)浸泡10 wt% HCl中並以超音波震盪清洗30分鐘後水洗；以及(4) 50℃真空烘箱乾燥。待完成前處理程序後，分別配置250 mM之金屬前驅物溶液(金屬包括Fe、Co、Mn、Zn、Nb、Mo、Cu、Ru、Pt、Au、Al、或Cr)，接著將發泡鎳網浸泡在金屬前驅物溶液中並攪拌3小時。接著以去離子水沖洗表面，直到滲出液體為透明，並以擦拭紙吸除多餘水分，最後以90℃熱風循環烘箱乾燥，即完成金屬-鎳網的樣品。由穿透式電子顯微鏡(TEM)繞射圖譜可知，上述樣品的金屬具有結晶相。值得注意的是，上述金屬披覆鎳網的方法屬化學還原，因此可形成結晶相的金屬。若是採用其他方法如電鍍，則形成於鎳網上的金屬屬於非晶相。半電池電化學性能量測方法為在1M KOH溶液中，使用的參考電極為Ag/AgCl，然後再進行OER (oxygen evolution reaction)與HER之EIS與LSV量測。在EIS量測部分，OER與HER的掃描範圍為0.1至10000赫茲；在OER之LSV量測部分，掃瞄電壓範圍:1.0~2.0V，掃描速度:10mV/s，且掃瞄次數:3次。在HER之LSV量測部分，掃瞄電壓範圍:0~-0.4V，掃描速度:10mV/s，且掃瞄次數:3次。
表1
  HER活性(10 mA/cm 2的mV) OER活性(100 mA/cm 2的mV)
鎳網 188 349
Fe-鎳網 160 272
Co-鎳網 147 337
Mn-鎳網 162 360
Zn-鎳網 158 305
Nb-鎳網 164 320
Mo-鎳網 168 342
Cu-鎳網 量測不到 353
Ru-鎳網 量測不到 324
Pt-鎳網 量測不到 338
Au-鎳網 132 330
Al-鎳網 184 351
Cr-鎳網 209 368
由表1可知，非貴金屬部分以Co-鎳網具有最佳HER性能，在電流值為10 mA/cm 2時的過電位為147 mV。貴金屬部分以Au-鎳網具有最佳HER性能，在電流值為10 mA/cm 2時的過電位為132 mV。在OER反應部分，Fe-鎳網在電流值為100 mA/cm 2時的過電位最低為272 mV。
實施例2 (披覆不同量的不同金屬的發泡鎳網) 調整金屬前驅物溶液的濃度(金屬包括Fe、Co、Mn、Zn、Nb、Mo、Cu、Ru、Pt、Au、Al、或Cr)，接著將發泡鎳網浸泡在金屬前驅物溶液中並攪拌3小時。接著以去離子水沖洗表面，直到滲出液體為透明，並以擦拭紙吸除多餘水分，最後以90℃熱風循環烘箱乾燥，即完成金屬-鎳網的樣品。不同金屬在鎳網上的披覆量、HER活性、及OER活性如表2及3所示，且HER活性與OER活性的量測方法同上述。
表2
HER所用的金屬/ (鎳網+金屬) ( wt%) HER活性(10 mA/cm 2的mV)
1st 2nd 3rd average  
Fe 2.34 1.53 2.14 2.00 160
Co 5.26 6.07 4.76 5.36 146
Mn 1.06 2.27 0.00 1.11 162
Cu 77.86 84.56 79.45 80.62 量測不到
Zn 5.88 9.96 2.54 6.13 158
Nb 0.12 0.32 0.05 0.17 164
Mo 1.99 1.85 2.32 2.05 168
Ru 77.79 60.38 72.92 70.36 量測不到
Pt 59.33 70.23 89.02 72.86 量測不到
Au 25.36 33.93 33.93 31.07 132
表3
OER所用的金屬 / (鎳網+金屬) (at%) OER活性(100 mA/cm 2的mV)
1st 2nd 3rd average  
Fe 2.45 1.61 2.25 2.10 272
Co 5.23 6.04 4.74 5.34 337
Mn 1.12 2.40 0.00 1.17 360
Cu 76.46 83.50 78.12 79.36 353
Zn 5.30 9.06 2.29 5.55 305
Nb 0.075 0.211 0.038 0.11 320
Mo 1.24 1.15 1.46 1.28 342
Ru 67.05 46.96 61.00 58.34 324
Pt 30.50 41.52 70.94 47.66 338
Au 9.19 13.27 13.27 11.91 330
由表2及表3可知，披覆鎳網的金屬用量不高(如小於或等於10 wt%/at%)即具有足夠的HER活性或OER活性。
實施例3 將多個發泡鎳網分別浸泡在不同濃度的鐵前驅物溶液中，並攪拌3小時。接著以去離子水沖洗表面，直到滲出液體為透明，並以擦拭紙吸除多餘水分，最後以90℃熱風循環烘箱乾燥，即完成鐵-鎳網的樣品。將不同濃度的鐵前驅物溶液所形成的鐵-鎳網樣品，以能量色散X射線進行元素分析，不同樣品之HER活性及OER活性量測結果，如表4所示。HER及OER的量測方式同上述。此外，不同濃度的鐵前驅物溶液所形成的鐵-鎳網之OER曲線如圖3所示，其橫軸為相對於可逆氫電極(Reversible hydrogen electrode，RHE)的電位(V)，而縱軸為電流密度(J，mA/cm 2)。由表4可知，少量披覆鐵於鎳網上即具有改善HER及OER的效果。
表4
[FeCl 3] 0.08 mM 0.4 mM 2 mM 10 mM 50 mM 250 mM
Fe/Fe+鎳網 (wt%) 0.04 量測不到 0.09 0.09 0.22 0.26
HER活性(10 mA/cm 2的mV) NA NA NA NA NA 160
OER活性(100 mA/cm 2的mV) 382 326 299 288 281 272
實施例4 將多個發泡鎳網分別浸泡在不同濃度的鈷前驅物溶液中，並攪拌3小時。接著以去離子水沖洗表面，直到滲出液體為透明，並以擦拭紙吸除多餘水分，最後以90℃熱風循環烘箱乾燥，即完成鐵-鎳網的樣品。將不同濃度的鈷前驅物溶液所形成的鈷-鎳網樣品，以能量色散X射線進行元素比例，不同樣品之HER活性及OER活性量測結果，如表5所示。HER及OER的量測方式同上述。不同濃度的鈷前驅物溶液所形成的鈷-鎳網之OER曲線如圖4所示，其橫軸為相對於可逆氫電極(Reversible hydrogen electrode，RHE)的電位(V)，而縱軸為電流密度(J，mA/cm 2)。不同濃度的鈷前驅物溶液所形成的鈷-鎳網之HER曲線如圖5所示，其橫軸為相對於可逆氫電極(Reversible hydrogen electrode，RHE)的電位(V)，而縱軸為電流密度(J，mA/cm 2)。由表5可知，少量披覆鈷於鎳網上即具有改善HER及OER的效果。
表5
HER OER
[CoCl 2] 125 mM 250 mM 500 mM 125mM 250mM 500mM
Co/Co+鎳網(wt %) 1.74 5.26 4.94 1.74 5.23 4.94
Co/Co+鎳網(wt %) 0.76 6.07 4.13 0.75 6.04 4.09
Co/Co+鎳網(wt %) 0.74 4.76 3.47 0.73 4.74 3.45
Co/Co+鎳網 的平均值(wt %) 1.08 5.36 4.18 1.07 5.34 4.16
10 mA/cm 2的過電位mV 233 147 216 305 131 181
100 mA/cm 2的過電位mV) NA NA NA 363 337 340
實施例5 取商用的PtC作為觸媒披覆於導電碳紙上以及鎳網(孔徑為91微米)作為HER 的陰極，取商用之DSA不溶性陽電極(IrO2/RuO2- Ti mesh)與鎳網(孔徑為91微米)作為OER的陽極，並將陰離子交換膜X37-50(購自Dioxide Materials)夾設於陰極的PtC-碳紙與陽極的DSA電極之間，以形成膜電極組。將膜電極組夾設於兩片不鏽鋼集電材之間，並浸置於2M的KOH溶液中，進行電化學活性測試如下。掃瞄電壓範圍:1.2~2.2V，掃描速度為50mV/s。上述膜電極組在2 V時可產生5.18 A的電流。控制膜電極組的電位為2V並持續操作1000分鐘，其產生的電流衰退約4.6%。
重複上述實驗，差別在於鎳網孔徑改為151微米。膜電極組的其餘組件與電化學活性測試的方法同上。上述膜電極組在2 V時可產生5.42 A的電流。控制膜電極組的電位為2V並持續操作1000分鐘，其產生的電流衰退約26.2%。
重複上述實驗，差別在於鎳網孔徑改為219微米。膜電極組的其餘組件與電化學活性測試的方法同上。上述膜電極組在2 V時可產生5.63 A的電流。控制膜電極組的電位為2V並持續操作1000分鐘，其產生的電流衰退約22.4%。由上述可知，若鎳網的孔徑過大，在長時間操作後的衰退幅度大。
實施例6-1 取台灣專利I677596之製備例2與製備例12將Ni 0.065Ru 1.935觸媒製備於導電碳紙上作為HER的陰極，製備例9之Ni 1.5Nb 0.5N 2-不鏽鋼網作為OER的陽極，並將商用陰離子交換膜X37-50(購自Dioxide Materials)夾設於陰極與陽極之間，以形成膜電極組。膜電極組夾設於兩片不鏽鋼集電材之間，且Ni 0.065Ru 1.935導電碳紙與集電材之間夾設蛇形流道層，而Ni 1.5Nb 0.5N 2-不鏽鋼網與集電材之間夾設蛇形流道層。將上述膜電極組浸置於2M的KOH溶液中，進行LSV電化學活性測試如下。掃瞄電壓範圍:1.0~2.0V，掃描速度為50mV/s。上述膜電極組的電流-電壓曲線如圖6所示。
實施例6-2 與實施例6-1的膜電極組類似，差別在於以Ni 1.5Nb 0.5N 2-不鏽鋼網與披覆鈷的鎳網(如實施例1)作為OER的陽極，並省略Ni 1.5Nb 0.5N 2-不鏽鋼網與集電材之間的蛇形流道板。膜電極組的其餘組件與電化學活性測試的方法同上。上述膜電極組的電流-電壓曲線如圖7所示。
實施例6-3 與實施例6-1的膜電極組類似，差別在於以Ni 0.75Ru 1.25N 2-不鏽鋼網與披覆鈷的鎳網(如實施例1)作為HER的陰極，並省略Ni 0.75Ru 1.25N 2-不鏽鋼網與集電材之間的蛇形流道板。膜電極組的其餘組件與電化學活性測試的方法同上。上述膜電極組的電流-電壓曲線如圖8所示。
實施例6-4 與實施例6-1的膜電極組類似，差別在於以Ni 0.065Ru 1.935-導電碳紙與披覆不同金屬的鎳網(如實施例1)作為HER的陰極，以Ni 1.5Nb 0.5N 2-不鏽鋼網與披覆不同金屬的鎳網(如實施例1)作為OER的陽極，省略Ni 0.065Ru 1.935-導電碳紙與集電材之間的蛇形流道層，並省略Ni 1.5Nb 0.5N 2-不鏽鋼網與集電材之間的蛇形流道層。膜電極組的其餘組件與電化學活性測試的方法同上。上述膜電極組操作60小時後的電流-電壓曲線如圖9所示。雖然此實施例的陽極與陰極中披覆金屬的鎳網相同，但應理解陽極與陰極中披覆金屬的鎳網可不同(比如鎳網的孔徑不同、金屬的披覆量不同、金屬的種類不同、或上述之組合)。
實施例7 取台灣專利I677596之製備例11與製備例12將Ni 0.065Ru 1.935-導電碳紙作為HER的陰極，製備例9之Ni 1.5Nb 0.5N 2-不鏽鋼網作為OER的陽極，並將商用陰離子交換膜 X37-50(購自Dioxide Materials)夾設於陰極與陽極之間，以形成膜電極組。膜電極組夾設於兩片不鏽鋼集電材之間，且Ni 0.065Ru 1.935-導電碳紙與集電材之間夾設棋盤狀流道層，而Ni 1.5Nb 0.5N 2-不鏽鋼網與集電材之間夾設棋盤狀流道層。將上述膜電極組浸置於2M的KOH溶液中，進行LSV電化學活性測試如下。掃瞄電壓範圍:1.0~2.0V，掃描速度為50mV/s。上述膜電極組的電流-電壓曲線如圖10所示，且實施例6-1、實施例6-2、實施例6-3、與實施例7的電流-電壓曲線比較如圖11所示。由上述比較可知，僅單一電極(如陽極或陰極)採用金屬-鎳網，即可改善膜電極組的產氫效率並省略一側的流道層。若陽極與陰極均採用金屬-鎳網，則可進一步改善膜電極組的產氫效率並省略兩側的流道層。
雖然本揭露已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10,20:膜電極組 11:陽極 11A,11B,15A,15B:金屬網 13:陰離子交換膜 15:陰極 17:流道層 19:集電材 100,200:電解產氫裝置
圖1係一實施例中，電解產氫裝置的示意圖。 圖2係一實施例中，電解產氫裝置的示意圖。 圖3係一實施例中，不同濃度的鐵前驅物溶液所形成的鐵-鎳網之OER曲線。 圖4係一實施例中，不同濃度的鈷前驅物溶液所形成的鈷-鎳網之OER曲線。 圖5係一實施例中，不同濃度的鈷前驅物溶液所形成的鈷-鎳網之HER曲線。 圖6係一實施例中，膜電極組的電流-電壓曲線。 圖7係一實施例中，膜電極組的電流-電壓曲線。 圖8係一實施例中，膜電極組的電流-電壓曲線。 圖9係一實施例中，膜電極組操作60小時後的電流-電壓曲線。 圖10係一實施例中，膜電極組的電流-電壓曲線。 圖11係一實施例中，不同膜電極組的電流-電壓曲線比較圖。
20:膜電極組
11:陽極
11A,11B,15A,15B:金屬網
13:陰離子交換膜
15:陰極
19:集電材
200:電解產氫裝置

Claims (13)

  1. 一種膜電極組，包括： 一第一電極； 一第二電極；以及 一陰離子交換膜，夾設於該第一電極與該第二電極之間， 其中該第一電極包括： 一第一金屬網； 一第一觸媒層，披覆於該第一金屬網上； 一第二金屬網；以及 一第二觸媒層，披覆於該第二金屬網上， 其中該第一金屬網位於該陰離子交換膜與該第二金屬網之間， 其中該第二金屬網的厚度大於該第一金屬網的厚度，該第一觸媒層的厚度大於該第二觸媒層的厚度，該第二觸媒層係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、金、或鋁，且該第二觸媒層為結晶態。
  2. 如請求項1之膜電極組，其中該第一電極為陽極，該第二電極為陰極，且該第二觸媒層係鐵、鈷、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、或金。
  3. 如請求項2之膜電極組，其中該第一觸媒層的化學結構為M’ aM” bN 2、M’ cM” dC e、或M xRu yN 2，其中M’為Ni、Co、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、或Zn，M”為Nb、Ta、或上述之組合，M為Ni、Co、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、或Zn，0.7≤a≤1.7，0.3≤b≤1.3，a+b=2，0.24≤c≤1.7，0.3≤d≤1.76，0.38≤e≤3.61，0＜x＜1.3，0.7＜y＜2，且x+y=2， 其中M’ aM” bN 2為立方晶系，M’ cM” dC e為立方晶系或非晶，且M xRu yN 2為立方晶系或非晶。
  4. 如請求項1之膜電極組，其中該第一電極為陰極，該第二電極為陽極，且該第二觸媒層係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、金、或鋁。
  5. 如請求項4之膜電極組，其中該第一觸媒層的化學結構為M xRu yN 2或M xRu y，其中M為Ni、Co、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、或Zn，0＜x＜1.3，0.7＜y＜2，x+y=2，M xRu yN 2為立方晶系或非晶，且M xRu y為立方晶系。
  6. 如請求項1之膜電極組，其中該第一觸媒層的厚度介於介於0.25微米至1微米之間，而該第二觸媒層的厚度介於0.01微米至0.25微米之間。
  7. 如請求項1之膜電極組，其中該第二金屬網的孔洞尺寸為60微米至120微米。
  8. 如請求項1之膜電極組，其中該第二金屬網與該第二觸媒層的重量比例為90:10至99.9:0.1。
  9. 如請求項1之膜電極組，係夾設於一第一集電材與一第二集電材之間，其中該第一電極位於該陰離子交換膜與該第一集電材之間，該第二電極位於該陰離子交換膜與該第二集電材之間，且該第一電極與該第一集電材之間不具有流道層。
  10. 如請求項1之膜電極組，其中該第二電極包括： 一第三金屬網； 一第三觸媒層，披覆於該第三金屬網上； 一第四金屬網；以及 一第四觸媒層，披覆於該第四金屬網上， 其中該第三金屬網位於該陰離子交換膜與該第四金屬網之間， 其中該第四金屬網的厚度大於該第三金屬網的厚度，該第三觸媒層的厚度大於該第四觸媒層的厚度，該第四觸媒層係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、金、或鋁，且該第四觸媒層為結晶態。
  11. 如請求項10之膜電極組，係夾設於一第一集電材與一第二集電材之間，其中該第一電極位於該陰離子交換膜與該第一集電材之間，該第二電極位於該陰離子交換膜與該第二集電材之間，該第一電極與該第一集電材之間不具有流道層，且該第二電極與該第二集電材之間不具有流動層。
  12. 一種電解產氫的方法，包括： 將一膜電極組浸置於一鹼性水溶液中，其中該膜電極組包括： 一第一電極； 一第二電極；以及 一陰離子交換膜，夾設於該第一電極與該第二電極之間， 其中該第一電極包括： 一第一金屬網； 一第一觸媒層，披覆於該第一金屬網上； 一第二金屬網；以及 一第二觸媒層，披覆於該第二金屬網上， 其中該第一金屬網位於該陰離子交換膜與該第二金屬網之間， 其中該第二金屬網的厚度大於該第一金屬網的厚度，該第一觸媒層的厚度大於該第二觸媒層的厚度，該第二觸媒層係鐵、鈷、錳、鋅、鈮、鉬、釕、鉑、金、或鋁，且該第二觸媒層為結晶態；以及 施加一電位至該第一電極與該第二電極以電解該鹼性水溶液，使該第一電極與該第二電極之一者產生氫氣，並使該第一電極與該第二電極之另一者產生氧氣。
  13. 如請求項12之電解產氫的方法，其中該鹼性水溶液的pH值大於或等於13。
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