【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种催化二电子氧还原反应的膜电极及其制备方法和应用。
技术介绍
1、过氧化氢（h2o2）作为一种强氧化剂，可以代替氧气，被用作一些特殊燃料电池（如金属半燃料电池、直接硼氢化钠-h2o2燃料电池、直接醇类-h2o2燃料电池等）的氧化剂。该类电池具有简单的结构、能量密度较高和较长的存储寿命等特点。此外，过氧化氢还是储能物质，能够发生电氧化反应，因而可以作为燃料电池的燃料（电子供体）。过氧化氢与其它在燃料电池系统上应用的燃料相比，能量密度高，能耗低，价格低，不生产对生态环境有害的副产品。基于过氧化氢既可以作为燃料又可以作为氧化剂，研究人员提出一种新型燃料电池-直接过氧化氢燃料电池，且由于直接过氧化氢燃料电池的全液态特性，使其能够适用于深海、太空等无氧条件下的工作环境。
2、过氧化氢在未来十年将保持稳定的市场增长轨迹，然而经济和大量生产过氧化氢只能通过蒽醌法来实现，该工艺涉及烷基蒽醌前体、钯催化剂、有机溶剂和液-液萃取的循环加氢和氧化，需要大量的能源投入，此外，还会产生需要适当处理或回收的废弃化学品。由于这些困难以及过氧化氢在化学工业和水处理领域的重要性，目前对可持续和绿色生产过氧化氢方法的研究仍然非常活跃。其中一种方法是通过电化学过程将o2还原为过氧化氢。o2的电还原产生过氧化氢可以在便携式设备中进行，从而在水处理设施的现场生产。因此，可以避免将高浓度过氧化氢溶液(例如30 wt.%)运输到偏远地区的高成本和高风险。
3、电化学氧还原法合成过氧化氢传统上使用的阴极材料，一般为石墨
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种催化二电子氧还原反应的膜电极及其制备方法和应用，所述膜电极可降低贵金属用量，且催化活性高。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
3、本专利技术提供了一种催化二电子氧还原反应的膜电极，包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层和阳极气体扩散层；所述阴极催化层中阴极催化剂为非晶二氧化钛包覆碳氮化钛纳米复合材料；所述阳极催化层中阳极催化剂为贵金属掺杂二氧化钛纳米复合材料。
4、优选的，所述阴极气体扩散层为疏水碳纸，所述疏水碳纸的接触角为120~150°，孔隙率为60~80%。
5、优选的，所述阴极催化剂的制备方法包括以下步骤：将碳氮化钛与酸溶液混合，进行酸处理，将所得酸处理碳氮化钛、非晶二氧化钛前驱体溶液和水混合，将所得胶体依次进行干燥和研磨后，进行热处理，得到非晶二氧化钛包覆碳氮化钛纳米复合材料；
6、所述非晶二氧化钛前驱体溶液的组分包括醇溶剂、钛源、十二烷基硫酸钠和冰乙酸。
7、优选的，所述贵金属包括铱、钌或铂；
8、所述阳极催化剂的制备方法包括以下步骤：
9、将贵金属盐水溶液、酸溶液和四氯化钛混合，进行热处理，得到贵金属掺杂二氧化钛纳米复合材料；
10、所述热处理的温度为200~250℃，时间为6~10 h。
11、优选的，所述质子交换膜为全氟磺酸质子膜，厚度为50~200μm；所述阳极气体扩散层所用材质为钛纤维毡，所述钛纤维毡的厚度为0.25~0.40mm，孔隙率为50~70%，所述钛纤维毡中钛纤维的直径为30~60μm。
12、本专利技术提供了上述技术方案所述催化二电子氧还原反应的膜电极的制备方法，包括以下步骤：
13、将阴极催化剂、第一混合溶剂和第一nafion溶液混合，将所得阴极催化剂浆料涂覆在转印基质上，干燥，得到阴极催化层；
14、将阳极催化剂、第二混合溶剂和第二nafion溶液混合，将所得阳极催化剂浆料涂布于质子交换膜一侧，干燥，得到阳极催化层；
15、去除所述阴极催化层上的转印基质后，采用热压的方法，将所述阴极催化层贴合于附有阳极催化层的质子交换膜另一侧，将阴极气体扩散层贴合在阴极催化层侧，将阳极气体扩散层贴合在阳极催化层侧，得到催化二电子氧还原反应的膜电极。
16、优选的，所述阴极催化剂与第一nafion溶液中nafion的质量比为1:(1~2)；所述阴极催化剂在转印基质上的负载量为0.05~1.5 mg/cm2；所述阳极催化剂与第二nafion溶液中nafion的质量比为1:(3~14)；所述阳极催化剂在质子交换膜的负载量为0.25~0.7 mg/cm2。
17、优选的，所述热压的温度为100~170℃，压力为0~10 mpa，压合时间为60~240 s。
18、本专利技术提供了上述技术方案所述催化二电子氧还原反应的膜电极或上述技术方案所述制备方法制备得到的催化二电子氧还原反应的膜电极在二电子氧还原反应中的应用。
19、优选的，所述应用的方法包括：将膜电极与中性电解液或碱性电解液构建电化学反应体系，将所述膜电极与直流电源连接，进行催化氧气还原，得到过氧化氢。
20、本专利技术提供的膜电极采用的阴阳极催化剂均为纳米复合材料，比表面积大，催化活性高，与传统的膜电极相比，可降低贵金属的使用量，且成本低；阴阳极催化层具有抗氧化和耐腐蚀性，且不易团聚和脱落。本专利技术所述膜电极中阴极为非晶二氧化钛包覆碳氮化钛，不含贵金属材料，阳极为贵金属掺杂二氧化钛，阴阳极催化层贵金属总用量为0.001~0.02mg/cm2（相对于膜电极），与传统膜电极相比（传统的燃料电池膜电极阴阳极均采用铂碳催化剂，传统电解水制氢膜电极阳极为铱，阴极为铂碳，阴阳极催化层贵金属总用量为0.3~4.0 mg/cm2（相对于膜电极）），因此，本专利技术可明显降低贵金属的使用量。
21、本专利技术提供了所述膜电极的制备方法，相比超声喷涂法，本专利技术采用半ccm法制备膜电极，阳极采用涂布法，阴极采用转印法，工艺简单，制备时间短，生产效率高，适合实验室级别也适合大规模批量生产。
22、本专利技术提供的膜电极所用阴极催化剂为非晶二氧化钛包覆碳氮化钛，适用于中性和碱性环境下的二电子氧还原产生过氧化氢，具有高效产生过氧化氢的能力，电化学性能和稳定性优良；进一步的，由于催化剂浆料的合适配比，使膜电极催化层在使用过程中膜电极组件不会出现脱落现象，使用时间长，产过氧化氢性能优良。
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1.一种催化二电子氧还原反应的膜电极，其特征在于，包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层和阳极气体扩散层；所述阴极催化层中阴极催化剂为非晶二氧化钛包覆碳氮化钛纳米复合材料；所述阳极催化层中阳极催化剂为贵金属掺杂二氧化钛纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述阴极气体扩散层为疏水碳纸，所述疏水碳纸的接触角为120~150°，孔隙率为60~80%。
3.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述阴极催化剂的制备方法包括以下步骤：将碳氮化钛与酸溶液混合，进行酸处理，将所得酸处理碳氮化钛、非晶二氧化钛前驱体溶液和水混合，将所得胶体依次进行干燥和研磨后，进行热处理，得到非晶二氧化钛包覆碳氮化钛纳米复合材料；
4.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述贵金属包括铱、钌或铂；
5.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸质子膜，厚度为50~200μm；所述阳极气体扩散层所用材质为钛纤维毡，所述钛纤维毡的厚度为0.25~0.40mm，孔隙率为50~70%，所述钛纤
6.权利要求1~5任一项所述催化二电子氧还原反应的膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述阴极催化剂与第一Nafion溶液中Nafion的质量比为1:(1~2)；所述阴极催化剂在转印基质上的负载量为0.05~1.5 mg/cm2；所述阳极催化剂与第二Nafion溶液中Nafion的质量比为1:(3~14)；所述阳极催化剂在质子交换膜的负载量为0.25~0.7 mg/cm2。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述热压的温度为100~170℃，压力为0~10 Mpa，压合时间为60~240 s。
9.权利要求1~5任一项所述催化二电子氧还原反应的膜电极或权利要求6~8任一项所述制备方法制备得到的催化二电子氧还原反应的膜电极在二电子氧还原反应中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用的方法包括：将膜电极与中性电解液或碱性电解液构建电化学反应体系，将所述膜电极与直流电源连接，进行催化氧气还原，得到过氧化氢。
...【技术特征摘要】
1.一种催化二电子氧还原反应的膜电极，其特征在于，包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层和阳极气体扩散层；所述阴极催化层中阴极催化剂为非晶二氧化钛包覆碳氮化钛纳米复合材料；所述阳极催化层中阳极催化剂为贵金属掺杂二氧化钛纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述阴极气体扩散层为疏水碳纸，所述疏水碳纸的接触角为120~150°，孔隙率为60~80%。
3.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述阴极催化剂的制备方法包括以下步骤：将碳氮化钛与酸溶液混合，进行酸处理，将所得酸处理碳氮化钛、非晶二氧化钛前驱体溶液和水混合，将所得胶体依次进行干燥和研磨后，进行热处理，得到非晶二氧化钛包覆碳氮化钛纳米复合材料；
4.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述贵金属包括铱、钌或铂；
5.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸质子膜，厚度为50~200μm；所述阳极气体扩散层所用材质为钛纤维毡，所述钛纤维毡的厚度为0.25~0.40mm，孔隙率为50~70%，所述钛纤维毡...
【专利技术属性】
技术研发人员：王力萍，王朔，裴洛伟，叶小琴，王文焕，高云川，
申请(专利权)人：浙江奕湃科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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