一种电极组件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种电极组件及其制备方法和应用，电极组件包括氮掺杂碳纤维包覆的碳材料，氮掺杂碳纤维包覆的碳材料上原位生长有非贵金属催化剂；制备方法包括以下步骤：(1)制备氮掺杂碳纤维包覆的碳材料；(2)配制用于制备非贵金属催化剂的前驱体溶液，将氮掺杂碳纤维包覆的碳材料置于前驱体溶液中进行水热反应，再经后处理得到所述电极组件；电极组件应用于制备膜电极。本发明专利技术中的氮掺杂碳纤维包覆的碳材料，既作为扩散层又是集流体，在其表面原位生长的三维结构碳纳米纤维作为催化剂载体，能显著改善碳材料的表面性能、自润湿性能和电学性能；碳材料上原位生长有非贵金属催化剂，大大地降低了成本，且有利于电解池的性能提升。且有利于电解池的性能提升。且有利于电解池的性能提升。

An electrode assembly and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种电极组件及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于水电解制氢
，尤其涉及一种电极组件及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]酸性固体聚合物电解质(SolidPolymer Electrolyte，SPE)水电解制氢是目前国际上最先进的水电解制氢技术之一，SPE技术采用一种全氟磺酸离子交换膜(Nafion膜)代替了碱性水电解制氢技术中的氢氧化钾或氢氧化钠溶液，在Nafion膜中磺酸根离子的浓度是固定的，不会被电解体系中的水溶解，整个电解体系在电解过程中没有游离的酸性液体，从而实现了纯水电解。因此，SPE水电解制氢与传统的碱性水电解制氢相比具有效率高、能耗低、电解质稳定、安全可靠等优点，符合未来氢经济对高效、清洁、低成本大规模制氢技术的要求。
[0003]SPE电解池主要由阳极、阴极、固体聚合物电解质(离子交换膜)和扩散层等部分构成，膜电极组件是SPE电解技术的核心部件，它是在SPE膜两侧嵌入活性催化物质，再与两侧的扩散层组装成一个整体，即催化剂与离子膜一体化，相当于隔膜和电极的作用。目前通常采用真空溅射法、热压法、化学沉积法和浸渍
‑
还原法等方法将阳极和阴极催化剂附着于固体聚合物电解质膜两侧，使膜与电催化剂形成一个整体，再热压于扩散层表面构成膜电极组件电极组件。阴极催化剂一直以来都使用贵金属铂，其高昂的成本，成为制约其在水电解制氢工业大规模应用的瓶颈。由于全氟磺酸离子交换膜在水中具有强酸性(相当于10％的硫酸)，传统碱性水电解技术中作为阴极析氢催化剂广泛使用的过渡金属镍及其合金催化材料在酸性介质中会发生腐蚀反应，不能作为SPE水电解技术的阴极催化剂。
[0004]此外，通常膜电极上的阴极催化剂通过喷涂等方法使其与气体扩散层结合，这种方法会使催化剂与气体扩散层之间接触不牢，增大接触电阻，并影响膜电极的寿命。为克服这一问题，有研究者(专利CN 107887625 A)采用热压的方式制备膜电极，这在一定程度上增强了催化剂与扩散层的结合，但催化剂与扩散层之间仍为简单的物理结合。对于此，有研究者(专利CN 111740122 A)采用电沉积法使阴极催化剂原位生长在气体扩散层表面，这有利于降低接触电阻，但其使用的阴极催化剂为Pt族贵金属催化剂，Pt族贵金属的稀缺和成本抑制了其长远发展。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种电极组件及其制备方法和应用。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0007]一种电极组件，包括氮掺杂碳纤维包覆的碳材料，所述氮掺杂碳纤维包覆的碳材料上原位生长有非贵金属催化剂。
[0008]优选的，所述氮掺杂碳纤维包覆的碳材料包括碳材料以及原位生长于所述碳材料表面的氮掺杂碳纳米纤维；
[0009]所述碳材料包括碳纸、碳布、碳毡中的至少一种，所述碳材料的厚度为0.15
‑
0.35mm；
[0010]所述非贵金属催化剂为过渡金属的硫化物、过渡金属的磷化物、过渡金属的硒化物、过渡金属的硼化物中的至少一种；所述过渡金属包括铁、钴、镍、钒、钼、钨中的至少一种。
[0011]所述氮掺杂碳纤维包覆的碳材料上非贵金属催化剂的负载量为0.1
‑
10mg/cm2。
[0012]作为一个总的专利技术构思，本专利技术提供了一种上述电极组件的制备方法，包括以下步骤：
[0013](1)制备氮掺杂碳纤维包覆的碳材料；
[0014](2)配制用于制备非贵金属催化剂的前驱体溶液，将所述氮掺杂碳纤维包覆的碳材料置于前驱体溶液中进行水热反应，再经后处理得到所述电极组件。
[0015]优选的，步骤(1)具体包括以下步骤：制备氮掺杂碳纤维前驱体溶液，将碳材料置于所述氮掺杂碳纤维前驱体溶液中；然后采用电镀使碳材料表面生长氮掺杂碳纤维，得到氮掺杂碳纤维包覆的碳材料；其中，所述前驱体溶液包含碳酸钠、碳酸氢钠中的至少一种以及高氯酸锂和吡咯；
[0016]优选的，所述氮掺杂碳纤维前驱体溶液由以下方法制备得到：取1.5
‑
3.5份碳酸钠、1
‑
3份碳酸氢钠、1
‑
3份高氯酸锂、0.5
‑
2份吡咯加入到60
‑
150份水中，冰水浴下搅拌20
‑
50min，即得；
[0017]所述电镀的方法为阶跃电流法、计时电流法、计时电位法中的一种；所述电镀的方法为阶跃电流法时，电流为0.01
‑
0.1A，电镀时间为5
‑
25min；所述电镀的方法为计时电位法时，电流为0.05
‑
0.5A，电镀时间为3
‑
20min；所述电镀的方法为计时电流法时，电位为0.1
‑
2V，电镀时间为3
‑
30min。
[0018]优选的，步骤(2)中，所述前驱体溶液包括至少一种过渡金属盐以及非金属物质；所述非金属物质为尿素，或硫、磷、硒、硼及其化合物中的至少一种；所述非金属物质为单质硫、磷、硒、硼中的至少一种时，所述前驱体混合液还包括强还原剂和碱；所述过渡金属盐与非金属物质的摩尔比为1:(1
‑
20)，所述过渡金属盐的浓度为0.01
‑
5mol/L；
[0019]所述后处理包括以下步骤：将水热反应后所得的碳材料取出冲洗，干燥处理，即得所述电极组件。
[0020]优选的，步骤(2)中，所述前驱体溶液包括至少一种过渡金属盐以及非金属物质；所述非金属物质包括水解后可生成氢氧根的化合物，例如尿素；所述过渡金属盐与非金属物质的摩尔比为1：(0.1
‑
30)，所述过渡金属盐的浓度为0.01
‑
5mol/L；
[0021]所述后处理包括以下步骤：将水热反应后所得的碳材料取出冲洗，干燥处理后进行后续处理，即得所述电极组件；所述后续处理为磷化处理、硫化处理、硒化处理、硼化处理中的任意一种；
[0022]其中，所述磷化处理包括以下步骤：将干燥处理后的碳材料放入管式炉中，采用次亚磷酸钠进行磷化处理；所述硫化处理包括以下步骤：将干燥处理后的碳材料放入管式炉中，采用硫粉或硫脲进行硫化处理；所述硒化处理包括以下步骤：将干燥处理后的碳材料放入管式炉中，采用硒粉进行硒化处理；所述硼化处理包括以下步骤：将干燥处理后的碳材料放入硼氢化钠溶液中浸泡以进行硼化处理。
[0023]上述的磷化、硫化、硒化都是利用物质在高温下产生的小分子与水热制得的产物发生反应以获得目标产物；硼化是利用硼氢化钠的还原性以制得目标产物。
[0024]优选的，步骤(2)中，所述过渡金属盐为过渡金属的硝酸盐、氯化盐、硫酸盐、钒酸盐、钼酸盐、钨酸盐中的至少一种；所述水热处理的水热温度为100
‑
220℃，水热时间为6
‑
24h。
[0025]作为一个总本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电极组件，其特征在于，包括氮掺杂碳纤维包覆的碳材料，所述氮掺杂碳纤维包覆的碳材料上原位生长有非贵金属催化剂。2.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述氮掺杂碳纤维包覆的碳材料包括碳材料以及原位生长于所述碳材料表面的氮掺杂碳纳米纤维；所述碳材料包括碳纸、碳布、碳毡中的至少一种；所述非贵金属催化剂为过渡金属的硫化物、过渡金属的磷化物、过渡金属的硒化物、过渡金属的硼化物中的至少一种；所述过渡金属包括铁、钴、镍、钒、钼、钨中的至少一种。3.一种如权利要1或2所述的电极组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备氮掺杂碳纤维包覆的碳材料；(2)配制用于制备非贵金属催化剂的前驱体溶液，将所述氮掺杂碳纤维包覆的碳材料置于前驱体溶液中进行水热反应，再经后处理得到所述电极组件。4.根据权利要求3所述的电极组件的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下步骤：制备氮掺杂碳纤维前驱体溶液，将碳材料置于所述氮掺杂碳纤维前驱体溶液中；然后采用电镀使碳材料表面生长氮掺杂碳纤维，得到氮掺杂碳纤维包覆的碳材料；其中，所述前驱体溶液包含碳酸钠、碳酸氢钠中的至少一种以及高氯酸锂和吡咯。5.根据权利要求4所述的电极组件的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂碳纤维前驱体溶液由以下方法制备得到：取1.5
‑
3.5份碳酸钠、1
‑
3份碳酸氢钠、1
‑
3份高氯酸锂、0.5
‑
2份吡咯加入到60
‑
150份水中，冰水浴下搅拌20
‑
50min，即得；所述电镀的方法为阶跃电流法、计时电流法、计时电位法中的一种；所述电镀的方法为阶跃电流法时，电流为0.01
‑
0.1A，电镀时间为5
‑
25min；所述电镀的方法为计时电位法时，电流为0.05
‑
0.5A，电镀时间为3
‑
20min；所述电镀的方法为计时电流法时，电位为0.1
‑
2V，电镀时间为3
‑
30min。6.根据权利要求3所述的电极组件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述前驱体溶液包括至少一种过渡金属盐以及非金属物质；所述非金属物质为尿素，或硫、磷、硒、硼及其化合物的至少一种；所述非金属物质为单质硫、磷、硒、硼中的至少一种时，所述前驱体混合液还包括强还原剂和碱；所述过渡金属盐与非金属物质的摩尔比为1:(1

【专利技术属性】
技术研发人员：雷霆，冯婷，黄怡馨，詹振翔，高美莲，郭佳倩，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：