[发明专利]一种PEM水电解池催化剂负载的扩散层及其制备方法

说明书

一种PEM水电解池催化剂负载的扩散层及其制备方法，扩散层包括金属扩散层基体、中间层和催化活性层；其制备方法包括：1)对钛基气体扩散层表面用草酸进行预处理；2)在扩散层表面用涂敷热解法制备耐腐蚀中间层4)在中间层上涂刷烧结制备催化活性层。本发明在扩散层上制备了双层涂覆层，既保证了金属钛作为气体扩散层的耐腐蚀性和导电性，又保证了催化剂负载界面的结合力，同时经过前处理的钛纤维毡具有较大比表面积，有效提高涂层有效催化活性面积，有效改善贵金属氧化物的电化学性能，可以实现降低氧化铱负载量而保持PEM电解水槽稳定性的目标。

技术领域

本发明属于电解水制氢技术领域，特别涉及一种PEM水电解池催化剂负载的扩散层及其制备方法。

背景技术

面临日益严峻的能源紧缺和环境污染现状，氢能的广泛应用被认为是解决这个问题的重要手段之一。电解水制氢作为一种重要的制氢技术，其制氢方式高效清洁。特别是质子交换膜(PEM)电解水技术，其制氢效率好，氢气纯度高(99.999％)，是最有前景的电解水制氢方式。然而质子交换膜电解水反应槽必须在酸性环境中工作，因此对催化剂在酸性环境中的催化活性和稳定性有着较高的要求。

当PEM电解槽内电解反应进行时，电解槽阳极为酸性环境，电解电压通常高于1.6V，因此必须选用稳定性好的钛材料。阳极扩散层常用的多孔烧结钛板和钛纤维毡的孔隙结构可以满足PEM电解池的传质需要及实现较高的电解性能，其中钛纤维毡厚度最低达0.25mm，孔隙率高达70％，其结构更有利于气液传质。但未经处理的金属钛在氧化性环境中会在表面生成一层二氧化钛薄膜，导致电导率大幅降低。为保持其电导率，通常需要在表面镀铂防腐，这种处理方式存在结合力差，涂层易脱落导致扩散层钝化等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种PEM水电解池催化剂负载的扩散层及其制备方法，在常用的钛基金属扩散层基体表面引入具有良好导电性的含铂中间层，通过涂敷热解法制备了耐腐蚀且负载催化剂的样机扩散层，PEM水电解池扩散层即使在高电位下也稳定的，即使减少了贵金属的量也可以发挥充分的催化活性，以降低产氧阳极的成本，获得更低的电解电压。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种PEM水电解池催化剂负载的扩散层，包括金属扩散层基体，中间层和催化活性层；所述金属扩散层基体为钛纤维毡或多孔钛；所述中间层为Ta₂O₅和Pt的混合物，所述催化活性层为IrO₂和Ta₂O₅混合氧化物涂层。

所述金属扩散层基体厚度为0.5～1.5mm。

所述中间层中，Pt的负载量为0.2～2mg cm^-2，以Ta₂O₅形式存在的元素Ta的摩尔比为20～40％，所述中间层厚度为0.1～1μm。

所述催化活性层中，以IrO₂形式存在的元素Ir负载量为1～3mg cm^-2，元素Ta的摩尔比为20％～40％，所述活性层厚度为0.5～5μm。

基于上述一种PEM水电解池催化剂负载的扩散层的制备方法，具体制备步骤如下：

(1)、将钛纤维毡或多孔钛进行预处理；

(2)、配制涂敷液A：将20％～40％摩尔百分比的钽源、60％～80％摩尔百分比的铂源依次溶解于有机溶剂中，室温搅拌形成打底液；

(3)、配制涂敷液B：将60％～80％摩尔百分比的铱源、20％～40％摩尔百分比的钽源混合溶解于有机溶剂中，室温搅拌形成活性液；

(4)、涂刷烧结：步骤(1)预处理后的钛纤维毡经过干燥后，在表面先进行涂敷液A涂刷烧结，再进行涂敷液B涂刷烧结，得到所述PEM水电解池催化扩散层。