【技术实现步骤摘要】
本申请属于燃料电池，具体涉及一种梯度孔结构的催化层、制备方法及其应用。
技术介绍
1、由于温室气体的大量排放，全球气候持续变暖，气候问题日益严重。目前越来越多的企业使用低碳清洁的可再生能源代替传统的化石能源，在众多清洁能源中，氢能具有清洁无污染、单位质量能量密度高、可再生等优势，并被众多国家视为清洁能源的最终解决方案。在目前氢能的多种应用场景中，质子交换膜燃料电池响应速度快、能量转换效率高，成为目前潮流的发展趋势。传统膜电极通常将全氟磺酸树脂作为粘合剂，并提供质子传输的位点，但催化层中全氟磺酸树脂的添加量极大的影响了催化层中质子和电子传输效率，添加量过低则无法提供足够的质子传输位点，导致三相界面面积减少，催化活性减小；添加量过高，树脂由于电导率极低，导致催化层电子传输受阻，电极欧姆阻抗增大，严重影响燃料电池性能。同时电池运行过程中，在高电流情况下，反应速率高，导致催化层水淹，氧气传输受阻，导致燃料电池性能大大降低。
技术实现思路
1、本申请想要解决的问题是提供种梯度孔结构的催化层、制备方法及其应用，解决了目前燃料电池催化层导电率低、欧姆极化严重、导致燃料电池性能降低的技术问题。
2、为了解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案：
3、一方面，本专利技术提供了一种梯度孔结构的催化层，包括多个阴极催化层和多个阳极催化层；任一阳极催化层和阴极催化层均分别包括pt/c催化剂、去离子水、离聚物溶液、高介电小分子醇、纳米稀土金属氧化物和造孔剂；由距质子交换膜由近及远的顺
4、在一些实施例中，在阳极催化层中，固液质量比为1-5%；其中，去离子水和高介电小分子醇的质量比为1:（1-4），造孔剂含量为pt/c催化剂的质量的1%-3%，纳米稀土金属氧化物的质量为pt/c催化剂的质量的1%-5%，离聚物溶液中的离聚物的质量为pt/c催化剂中碳的质量的30%-80%，pt载量为0.1-0.3 mg/cm2。
5、在一些实施例中，在阴极催化层中，固液质量比为1-5%；其中，去离子水和高介电小分子醇的质量比为1:（1-4），造孔剂含量为pt/c催化剂的质量的1%-3%，纳米稀土金属氧化物的质量为pt/c催化剂的质量的1%-5%，离聚物溶液中的离聚物的质量为pt/c催化剂中碳的质量的30%-80%，pt载量为0.3-0.7 mg/cm2。
6、在一些实施例中，在距质子交换膜最近的阳极催化层和阴极催化层中，还均分别包括疏水物质，疏水物质的添加量为pt/c催化剂的质量的0.5%-2%，疏水物质包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。
7、在一些实施例中，在距质子交换膜最远的阳极催化层和阴极催化层中，还均分别包括亲水物质，亲水物质的添加量为pt/c催化剂的质量的0.5%-2%，亲水物质包括丁苯橡胶、二氧化硅、聚乙二醇中的至少一种。
8、在一些实施例中，高介电小分子醇包括乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇中的至少一种。
9、在一些实施例中，的造孔剂包括碳酸氢铵、碳酸铵、草酸铵中的至少一种。
10、在一些实施例中，纳米稀土金属氧化物包括氧化铈和氧化锆中的至少一种，纳米稀土金属氧化物的粒径为20-40 nm。
11、一方面，本专利技术提供了一种上述的梯度孔结构的催化层在用于制备燃料电池的mea中的应用。
12、一方面，本专利技术提供了一种上述的梯度孔结构的催化层的制备方法，包括如下步骤：s1、将pt/c催化剂、去离子水、离聚物溶液、高介电小分子醇、纳米稀土金属氧化物和造孔剂混匀后按造孔剂含量从大到小的顺序依次制备在质子交换膜的一侧，得到多层阳极催化层，每层阳极催化层的厚度为1-5 μm；s2、将pt/c催化剂、去离子水、离聚物溶液、高介电小分子醇、纳米稀土金属氧化物和造孔剂混匀后按造孔剂含量从大到小的顺序依次制备在质子交换膜的另一侧，得到多层阴极催化层，每层阴极催化层的厚度为1-5 μm。
13、其中，阳极催化层或阴极催化层采用喷涂、丝网印刷、流延、转印的方式依次制备在质子交换膜的两侧；阴极催化层或阳极催化层中的原料的混合方式为超声、高速剪切、球磨、高压均质中至少一种。
14、本申请具有以下有益效果：
15、1.本申请采用梯度孔结构催化层的膜电极比采用传统催化层的膜电极：
16、（1）更有利于水的排出，避免膜层溶胀；
17、（2）利于气体更顺利的达到三相界面，从而提高电化学性能；
18、（3）在活化极化区域的电压下降更小，获得更加优越的orr动力学。
19、2.纳米稀土金属氧化物对氧具有很高的热力学亲和力，具有很好的催化性能。采用纳米稀土金属氧化物可以有效提高电导率，orr活性显著提高，h2o2生成量显著减少。
20、3.靠近质子交换膜一侧的阳极催化剂浆料和阴极催化剂浆料中添加疏水物质；远离质子交换膜一侧的阳极催化剂浆料和阴极催化剂浆料中亲水物质，更有利于水的排出，避免膜层溶胀。
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1.一种梯度孔结构的催化层，其特征在于，包括多个阴极催化层和多个阳极催化层；任一所述阳极催化层和所述阴极催化层均分别包括Pt/C催化剂、去离子水、高介电小分子醇、纳米稀土金属氧化物和造孔剂；
2.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，在所述阳极催化层中，固液质量比为1-5%；其中，所述去离子水和所述高介电小分子醇的质量比为1:（1-4），所述造孔剂含量为Pt/C催化剂的质量的1%-3%，所述纳米稀土金属氧化物的质量为Pt/C催化剂的质量的1%-5%，所述离聚物溶液中的离聚物的质量为Pt/C催化剂中碳的质量的30%-80%，所述Pt载量为0.1-0.3 mg/cm2。
3.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，在所述阴极催化层中，固液质量比为1-5%；其中，所述去离子水和所述高介电小分子醇的质量比为1:（1-4），所述造孔剂含量为Pt/C催化剂的质量的1%-3%，所述纳米稀土金属氧化物的质量为Pt/C催化剂的质量的1%-5%，所述离聚物溶液中的离聚物的质量为Pt/C催化剂中碳的质量的30%-80%，所述Pt载量为0.3-0.7 m
4.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，在距质子交换膜最近的所述阳极催化层和所述阴极催化层中，还均分别包括疏水物质，所述疏水物质的添加量为Pt/C催化剂的质量的0.5%-2%，所述疏水物质包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，在距质子交换膜最远的所述阳极催化层和所述阴极催化层中，还均分别包括亲水物质，所述亲水物质的添加量为Pt/C催化剂的质量的0.5%-2%，所述亲水物质包括丁苯橡胶、二氧化硅、聚乙二醇中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，所述高介电小分子醇包括乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，所述的造孔剂包括碳酸氢铵、碳酸铵、草酸铵中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，所述纳米稀土金属氧化物包括氧化铈和氧化锆中的至少一种，所述纳米稀土金属氧化物的粒径为20-40 nm。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的梯度孔结构的催化层在用于制备燃料电池的MEA中的应用。
10.一种如权利要求1-8任意一项所述的梯度孔结构的催化层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种梯度孔结构的催化层，其特征在于，包括多个阴极催化层和多个阳极催化层；任一所述阳极催化层和所述阴极催化层均分别包括pt/c催化剂、去离子水、高介电小分子醇、纳米稀土金属氧化物和造孔剂；
2.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，在所述阳极催化层中，固液质量比为1-5%；其中，所述去离子水和所述高介电小分子醇的质量比为1:（1-4），所述造孔剂含量为pt/c催化剂的质量的1%-3%，所述纳米稀土金属氧化物的质量为pt/c催化剂的质量的1%-5%，所述离聚物溶液中的离聚物的质量为pt/c催化剂中碳的质量的30%-80%，所述pt载量为0.1-0.3 mg/cm2。
3.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，在所述阴极催化层中，固液质量比为1-5%；其中，所述去离子水和所述高介电小分子醇的质量比为1:（1-4），所述造孔剂含量为pt/c催化剂的质量的1%-3%，所述纳米稀土金属氧化物的质量为pt/c催化剂的质量的1%-5%，所述离聚物溶液中的离聚物的质量为pt/c催化剂中碳的质量的30%-80%，所述pt载量为0.3-0.7 mg/cm2。
4.根据权利要求1所述的梯度孔结构的催化层，其特征在于，在距质子交换...
【专利技术属性】
技术研发人员：范宗波，周梅，
申请(专利权)人：四川轻绿科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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