[发明专利]一种电解用膜电极催化层微观结构的优化方法

权利要求书

1.一种电解用膜电极催化层微观结构优化方法，其特征在于：通过调整催化层中的Nafion与催化剂的比例，来实现对催化层微观结构的优化；所述催化层优化方法遵循以下步骤：

(1)将阴和阳极催化剂分别与Nafion按照质量比5:1～8:1的比例混合，混合物中添加有分散剂，通过分散剂将催化剂颗粒与Nafion均匀混合在一起，超声分散10～30min，制得均匀混合的阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料，将所述催化剂浆料分别喷涂于质子交换膜的两侧，制得催化剂覆膜电极；

(2)用中空的、环形的两片封闭材料将步骤(1)中制得的催化剂覆膜电极的四周边缘夹住，使步骤(1)中制得的催化剂覆膜电极处于两片封闭材料之间，且催化剂覆膜电极的四周边缘均被两片封闭材料夹持固定，两片封闭材料的中空区域分别位于催化剂覆膜电极相对应的左右二侧，并在封闭材料阴极催化层一侧的中空部位的阴极催化层上放置碳纸气体扩散层，碳纸气体扩散层与封闭材料的中空环形区域形状相同面积等大且规格一致；在封闭材料阳极催化层一侧的中空部位的阳极催化层上放置一片与封闭材料中空区域形状相同面积等大且规格一致的聚四氟乙烯薄片；

将被两片封闭材料夹持的催化剂覆膜电极用两片聚四氟乙烯薄膜夹住，使两片封闭材料及它们中的催化剂覆膜电极处于两片聚四氟乙烯薄膜之间，并将夹住催化剂覆膜电极的两片聚四氟乙烯薄膜放置于两片金属夹板之间；将金属夹板置于85～140℃的油压机之中热压60～90s；热压完毕后取下金属夹板、聚四氟乙烯薄片，在封闭材料阳极催化层一侧的中空部位的阳极催化层上放置与封闭材料中空区域形状相同面积等大且规格一致的多孔钛板，即可获得膜电极组件。

2.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：当将阴/阳极催化剂、Nafion按照质量比5:1～8:1的比例混合之后，可将制备后催化层的微观孔结构的平均孔径调整到80～120nm左右；比孔容控制在0.05～0.1mL g^-1以上。

3.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：步骤(1)所述阴/阳极催化剂选自贵金属Pt、Pd、Ru、Rh、Ir或非贵金属Ni、Co、Mo中的一种或二种以上为活性成分的负载型催化剂或未负载的活性成分纯金属纳米颗粒中的一种或二种以上，所述质子交换膜两侧分别的催化剂担载量为0.5～3.0mg/cm²。

4.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述催化剂与Nafion的质量比为5:1～8:1，此时制备后催化层微观孔结构最为合适，电极性能最优；催化剂与分散剂的质量比为1:10～1:40；分散剂为乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或二种以上。

5.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：

选用的封闭材料可以是聚酯框或橡胶框等中的一种或二种以上密封材料；

所选用的阴极气体扩散层为厚度0.2～0.3mm的增水化处理的碳纸；阳极气体扩散层为厚度0.7～0.8mm的镀铂多孔钛板。

6.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：步骤(3)所述热压过程使用的压强为0.1～0.5MPa，热压温度为85～140℃，热压时间为60～90s。

7.按照权利要求1所述的喷涂操作，其特征在于：步骤(1)所述喷涂操作所用喷枪气源为惰性气体，如氮气与氩气中的一种或二种，喷涂压强控制在0.05～0.2MPa；

步骤(1)喷涂操作在热台上进行，热台温度维持恒定在55～85℃。

8.按照权利要求1-7任一所述的膜电极制备方法，其特征在于：制备得到的所述膜电极可应用于RFC、光电催化、或质子交换膜水电解池中。