本發(fā)明屬于膜電極，具體涉及一種基于陰離子交換膜電解水陽極催化劑的熱轉(zhuǎn)印方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球氣候日益變化，目前人類社會的當(dāng)務(wù)之急是能源生產(chǎn)、儲存和使用方式的綠色轉(zhuǎn)型。作為一種清潔、高效、可再生的能源，氫能是實(shí)現(xiàn)能源綠色轉(zhuǎn)型和全球脫碳目標(biāo)的重要媒介。電解水技術(shù)是氫氣生產(chǎn)的重要來源之一。電解水制氫技術(shù)效率較高，能達(dá)到70％以上，并可以靈活與其他可再生能源(如風(fēng)能、太陽能等)相結(jié)合，更易實(shí)現(xiàn)能源的儲存和轉(zhuǎn)化。目前，電解水制氫技術(shù)主要分為堿性電解水(alk)、質(zhì)子交換膜(pem)、陰離子交換膜(aem)和固體氧化物電解水(soec)四種。alk技術(shù)是電解水領(lǐng)域的先驅(qū)，目前成熟應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但存在能耗較高的局限性。pem電解水因其低能耗和設(shè)備緊湊的優(yōu)勢在制氫中脫穎而出，但需要在強(qiáng)酸性和強(qiáng)氧化性的條件下進(jìn)行，并依賴于貴金屬催化劑(如銥、鉑)，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模部署。aem電解水是在pem和alk的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，綜合了兩者的優(yōu)勢，使用較低成本的非貴金屬催化劑，陰離子交換膜能夠有效傳導(dǎo)氫氧根離子，并避免因氣體和電子在電極上擴(kuò)散傳遞而導(dǎo)致的高能耗問題。

2、膜電極(mea)組件是電解水器件的核心部分，其結(jié)構(gòu)直接影響電解水的效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，膜電極的制備工藝主要基于酸性質(zhì)子交換膜(pem)工藝。然而，陰離子交換膜的主要成分包括含季銨鹽基團(tuán)的聚苯乙烯類、聚砜類、聚酰亞胺類或聚醚類骨架。與全氟磺酸類或部分含氟磺酸類聚合物膜相比，陰離子交換膜具有較高的溶脹率和較差的機(jī)械穩(wěn)定性。目前，膜電極的加工工藝包括催化劑涂覆膜(ccm)工藝和催化劑涂覆基底(ccs)工藝。相比于ccs工藝，將催化劑直接涂覆在膜上可以省去ccs工藝中基底的使用，從而降低膜電極組件的成本。同時，這種方法使催化劑與膜的結(jié)合更加牢固，減小了因膜溶脹所導(dǎo)致的接觸電阻增大問題，因此被視為新一代的膜電極制備工藝。

3、目前，基于ccm的膜電極制備方法主要包括超聲噴涂法、直接涂覆(刮涂)法、轉(zhuǎn)移涂覆法和滾涂法等。其中，超聲噴涂法耗時較長，不利于大面積膜電極的制備。由于陰離子交換膜的高溶脹率，直接刮涂法和滾涂法也不適合在膜上進(jìn)行大面積涂覆。然而，將催化劑利用直接涂覆或滾涂法大面積涂覆在轉(zhuǎn)印基底上，隨后利用熱轉(zhuǎn)印法將催化劑從轉(zhuǎn)印基底轉(zhuǎn)移到膜上，成為大面積制備ccm膜電極的極具潛力的方式。但是熱轉(zhuǎn)印法難以實(shí)現(xiàn)催化劑層的完整分離而造成催化劑的利用率低。實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)印即催化劑層的完整分離對催化劑、粘結(jié)劑和膜都有很高的要求。

4、因此，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)催化劑層的完整分離的轉(zhuǎn)印方法成為需待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于陰離子交換膜電解水陽極催化劑的熱轉(zhuǎn)印方法，本發(fā)明提供的熱轉(zhuǎn)印方法可以實(shí)現(xiàn)催化劑層的完整分離。

2、本發(fā)明提供了一種基于陰離子交換膜電解水陽極催化劑的熱轉(zhuǎn)印方法，包括以下步驟：

3、a)將非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑、粘結(jié)劑和溶劑混合，得到陽極催化劑分散液，所述粘結(jié)劑選自ptfe溶液；

4、b)將所述陽極催化劑分散液涂覆于轉(zhuǎn)印基底表面，再覆蓋陰離子交換膜后進(jìn)行熱壓轉(zhuǎn)印。

5、優(yōu)選的，所述非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑的制備方法包括以下步驟：

6、s1)將鎳源、鐵源在水中混合，得到前驅(qū)體混合液；

7、s2)將含有表面活性劑的水溶液與前驅(qū)體混合液混合后，調(diào)節(jié)ph值至酸性，得到中間體溶液；

8、s3)在低溫條件下，將中間體溶液與還原劑溶液混合，反應(yīng)，得到非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑。

9、優(yōu)選的，所述ptfe溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％～80％。

10、優(yōu)選的，所述溶劑選自甲醇、乙醇、異丙醇和水中的一種或幾種，優(yōu)選為甲醇或甲醇水溶液。

11、優(yōu)選的，所述非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑與粘結(jié)劑中ptfe的質(zhì)量比為1：(0.2～0.35)；

12、所述非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑與溶劑的質(zhì)量比為1：(120～133)。

13、優(yōu)選的，所述基底為特氟龍布，所述基底的厚度為60～80μm。

14、優(yōu)選的，所述陰離子交換膜的厚度為40～90μm。

15、優(yōu)選的，所述涂覆選自超聲噴涂；

16、在進(jìn)行所述超聲噴涂的同時進(jìn)行吸附和加熱干燥，以去除溶劑，所述加熱溫度為60～80℃。

17、優(yōu)選的，所述熱壓轉(zhuǎn)印的溫度為90～160℃，熱壓轉(zhuǎn)印的時間為20～50min，熱壓轉(zhuǎn)印的壓力為450～550kpa。

18、本發(fā)明還提供了一種用于電解水制氫的膜電極組件，包括依次復(fù)合而成的陰極氣體擴(kuò)散層/陰極催化劑層/陰離子交換膜/陽極催化劑層/陽極氣體擴(kuò)散層。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種基于陰離子交換膜電解水陽極催化劑的熱轉(zhuǎn)印方法，包括以下步驟：a)將非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑、粘結(jié)劑和溶劑混合，得到陽極催化劑分散液，所述粘結(jié)劑選自ptfe溶液；b)將所述陽極催化劑分散液涂覆于轉(zhuǎn)印基底表面，再覆蓋陰離子交換膜后進(jìn)行熱壓轉(zhuǎn)印。本發(fā)明提供的方法可以改善催化劑與膜之間的接觸，提升催化劑層的穩(wěn)定性，并有效避免陰離子交換膜的溶脹現(xiàn)象，同時降低膜電極制備成本，確保性能。

技術(shù)特征：

1.一種基于陰離子交換膜電解水陽極催化劑的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，所述非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑的制備方法包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，所述ptfe溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％～80％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，所述溶劑選自甲醇、乙醇、異丙醇和水中的一種或幾種，優(yōu)選為甲醇或甲醇水溶液。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，所述非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑與粘結(jié)劑中ptfe的質(zhì)量比為1：(0.2～0.35)；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，所述基底為特氟龍布，所述基底的厚度為60～80μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，所述陰離子交換膜的厚度為40～90μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，所述涂覆選自超聲噴涂；

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)印方法，其特征在于，所述熱壓轉(zhuǎn)印的溫度為90～160℃，熱壓轉(zhuǎn)印的時間為20～50min，熱壓轉(zhuǎn)印的壓力為450～550kpa。

10.一種用于電解水制氫的膜電極組件，其特征在于，包括依次復(fù)合而成的陰極氣體擴(kuò)散層/陰極催化劑層/陰離子交換膜/陽極催化劑層/陽極氣體擴(kuò)散層。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于陰離子交換膜電解水陽極催化劑的熱轉(zhuǎn)印方法，包括以下步驟：A)將非晶鎳鐵復(fù)合陽極催化劑、粘結(jié)劑和溶劑混合，得到陽極催化劑分散液，所述粘結(jié)劑選自PTFE溶液；B)將所述陽極催化劑分散液涂覆于轉(zhuǎn)印基底表面，再覆蓋陰離子交換膜后進(jìn)行熱壓轉(zhuǎn)印。本發(fā)明提供的方法可以改善催化劑與膜之間的接觸，提升催化劑層的穩(wěn)定性，并有效避免陰離子交換膜的溶脹現(xiàn)象，同時降低膜電極制備成本，確保性能。

技術(shù)研發(fā)人員：王功名,何展慷,王坤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/22