本公開(kāi)涉及電解水膜電極，具體地，涉及一種pem電解水膜電極及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、氫作為燃料的特點(diǎn)是高能量密度和清潔燃燒。預(yù)計(jì)這種能源載體的廣泛使用將在未來(lái)帶來(lái)更大的環(huán)境和社會(huì)意義，特別是在為能源問(wèn)題提供解決方案的同時(shí)，減輕污染、全球變暖和氣候變化的相關(guān)影響。利用可再生能源生產(chǎn)高純度“綠氫”的最先進(jìn)工藝之一是基于質(zhì)子交換膜（pem)的水電解。pem水電解槽在高壓下運(yùn)行，以減少下游氣體壓縮，從而實(shí)現(xiàn)高效的氫氣儲(chǔ)存。該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵方面是它具有良好的動(dòng)態(tài)性能，可以與間歇性可再生能源進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕涌?，并適用于電網(wǎng)平衡服務(wù)。然而，與天然氣中央蒸汽重整等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比，pem電解制氫的成本仍然很高。盡管溫室氣體排放和相關(guān)的全球變暖的影響引起了越來(lái)越多的關(guān)注，但向可持續(xù)能源技術(shù)的過(guò)渡由于經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力較低而放緩。
2、為了使pem電解技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，有必要大幅降低投資成本。這將使電解產(chǎn)生的氫相對(duì)于目前使用的有機(jī)燃料具有競(jìng)爭(zhēng)力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)盡量滿足降低成本的同時(shí)提高產(chǎn)氫速率。
3、另一方面，人們普遍認(rèn)為，在降低pem電解槽成本方面，未來(lái)最相關(guān)的影響將是在保持系統(tǒng)效率在適當(dāng)水平的同時(shí)提高工作電流密度。當(dāng)電解槽在高電流密度下工作時(shí)，與歐姆降相關(guān)的效率損失起著關(guān)鍵作用。在這方面，質(zhì)子在聚合物電解質(zhì)膜上的傳輸是造成高電流密度下歐姆損失的主要原因。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本公開(kāi)的目的是提供一種pem電解水膜電極及其制備方法和應(yīng)用，采用本公開(kāi)的方法制備出的pem電解水膜電極的導(dǎo)電性和傳質(zhì)性能得到了大幅度提高。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本公開(kāi)第一方面提供制備pem電解水膜電極的方法，所述方法包括：
3、（1）使銥基催化劑、第一分散劑、第一全氟磺酸聚合物和納米碳籠混合，對(duì)得到的第一混合物料進(jìn)行第一分散，得到陽(yáng)極催化劑漿料；
4、使鉑基催化劑、第二分散劑和第二全氟磺酸聚合物混合，對(duì)得到的第二混合物料進(jìn)行第二分散，得到陰極催化劑漿料；
5、（2）采用所述陽(yáng)極催化劑漿料和所述陰極催化劑漿料分別在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)形成陽(yáng)極催化劑層和陰極催化劑層。
6、可選地，步驟（1）中，所述陽(yáng)極催化劑漿料的固含量為1.74~4.8重量%，優(yōu)選為3.0~3.6重量%；
7、在所述陽(yáng)極催化劑漿料中，以ir元素計(jì)的所述銥基催化劑與所述納米碳籠的重量比為1：（0.001~0.2）；
8、以ir元素計(jì)的所述銥基催化劑與所述第一全氟磺酸聚合物的重量比為1：（0.05~0.3）；
9、所述第一全氟磺酸聚合物以溶液形式使用，第一全氟磺酸聚合物溶液的濃度為5~10重量%；
10、所述第一分散的條件包括：使所述第一混合物料在剪切勻漿機(jī)中攪拌1~10h，然后超聲震蕩0.2~0.5h。
11、可選地，步驟（1）中，所述銥基催化劑包括銥黑和/或銥氧化物；以所述銥基催化劑的總重量為基準(zhǔn)，所述銥基催化劑中ir元素的含量為75重量%以上；
12、所述第一分散劑選自水和碳原子數(shù)為1~4的醇中的一種或幾種，所述碳原子數(shù)為1~4的醇選自甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇、正丁醇和異丁醇中的一種或幾種；
13、所述納米碳籠包括納米碳籠纖維和/或狀納米碳籠顆粒；
14、所述納米碳籠顆粒的比表面積為100~1500m2/g，孔徑為2~100nm，孔體積為0.5~2.0cm3/g，一次顆粒的直徑為5~10nm；
15、所述納米碳籠纖維的比表面積為100~1500m2/g，孔徑為2~100nm，孔體積為0.5~2cm3/g；
16、所述納米碳籠中含有含氮官能團(tuán)和/或含氧官能團(tuán)。
17、可選地，步驟（1）中，所述陰極催化劑漿料的固含量為1.2~5.0重量%，優(yōu)選為2.0~3.0重量%；
18、在所述陰極催化劑漿料中，以pt元素計(jì)的所述鉑基催化劑與所述第二全氟磺酸聚合物的重量比為1：（0.5~8）；
19、所述pt元素的含量為所述陰極催化劑漿料的固含量的10~80重量%；
20、所述第二全氟磺酸聚合物以溶液形式使用，第二全氟磺酸聚合物溶液的濃度為5~10重量%；
21、所述第二分散的條件包括：使所述第二混合物料在剪切勻漿機(jī)中攪拌0.1~0.5h，然后超聲震蕩0.1~0.5h。
22、可選地，步驟（1）中，所述鉑基催化劑選自pt/c催化劑，所述pt/c催化劑中pt元素的含量為10~40重量%；
23、所述第二分散劑選自水和碳原子數(shù)為1~4的醇中的一種或幾種，所述碳原子數(shù)為1~4的醇選自甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇、正丁醇和異丁醇中的一種或幾種。
24、可選地，該方法還包括：在步驟（2）之前，采用表面活性劑對(duì)所述質(zhì)子交換膜進(jìn)行表面處理；所述表面活性劑包括十二烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基氯化銨、十二烷基氯化吡啶、十六烷基氯化吡啶、十二烷基二甲基芐基氯化銨和十八烷基二甲基芐基氯化銨中的一種或幾種。
25、可選地，步驟（2）包括：將所述陽(yáng)極催化劑漿料和所述陰極催化劑漿料分別涂覆在所述質(zhì)子交換層的兩側(cè)并干燥；所述涂覆的方法包括超聲噴涂；
26、所述質(zhì)子交換膜的厚度為178~182μm；
27、所述干燥的溫度為50~120℃，時(shí)間為10~60min。
28、本公開(kāi)第二方面提供采用本公開(kāi)第一方面所述的方法制備得到的pem電解水膜電極。
29、本公開(kāi)第三方面提供一種pem電解水膜電極，所述pem電解水膜電極包括質(zhì)子交換膜層和分別設(shè)置于所述質(zhì)子交換膜層兩側(cè)的陽(yáng)極催化層和陰極催化層；
30、所述陽(yáng)極催化層包含銥基催化劑、第一全氟磺酸聚合物和納米碳籠；
31、所述陰極催化劑層包含鉑基催化劑和第二全氟磺酸聚合物。
32、可選地，所述銥基催化劑包括銥黑和/或銥氧化物；以所述銥基催化劑的總重量為基準(zhǔn)，所述銥基催化劑中ir元素的含量為75重量%以上；
33、所述鉑基催化劑選自pt/c催化劑，所述pt/c催化劑中pt元素的含量為10~40重量%；
34、所述納米碳籠包括納米碳籠纖維和/或狀納米碳籠顆粒；
35、所述納米碳籠顆粒的比表面積為100~1500m2/g，孔徑為2~100nm，孔體積為0.5~2.0cm3/g，一次顆粒的直徑為5~10nm；
36、所述納米碳籠纖維的比表面積為100~1500m2/g，孔徑為2~100nm，孔體積為0.5~2cm3/g；
37、所述納米碳籠中含有含氮官能團(tuán)和/或含氧官能團(tuán)。
38、可選地，所述pem電解水膜電極的厚度為184~195μm；
39、所述陽(yáng)極催化層的厚度為2~10μm；
40、所述陰極催化層的厚度為0.05~2μm；
41、在所述陽(yáng)極催化層中，ir元素的負(fù)載量為0.3~2.0mg/cm2；以ir元素計(jì)的所述銥基催化劑與所述納米碳籠的重量比為1：（0.001~0.02），以ir元素計(jì)的所述銥基催化劑與所述第一全氟磺酸聚合物的重量比為1：（0.05~0.3）；
42、在所述陰極催化層中，pt元素的負(fù)載量為0.01~0.3mg/cm2；以pt元素計(jì)的所述鉑基催化劑與所述第二全氟磺酸聚合物的重量比為1：（0.5~8）。
43、本公開(kāi)第四方面提供本公開(kāi)第二方面或者第三方面所述的pem電解水膜電極在電解水制氫中的應(yīng)用。
44、通過(guò)上述技術(shù)方案，本公開(kāi)在陽(yáng)極催化劑漿料中添加了納米碳籠，利用其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)形成高導(dǎo)氣、高導(dǎo)液的納米通道，能夠有效提升高電流密度下的層與層之間的水的傳輸和氣體的傳遞；納米碳籠的加入能夠提高催化劑層的導(dǎo)電性，降低內(nèi)阻，還可以提高催化劑層的比表面積，優(yōu)化催化劑層的三相傳質(zhì)通道分布，膜電極中電子、質(zhì)子、水、氣的傳輸變得更加通暢，從而實(shí)現(xiàn)低貴金屬載量膜電極的高電流密度和低水-氣定向傳質(zhì)阻力。除此之外，納米碳籠的添加提高了貴金屬催化劑顆粒的分散性，進(jìn)而提升了貴金屬催化劑利用率，在減少膜電極催化劑用量的同時(shí)，提高催化層的性能，將其用于質(zhì)子交換膜水電解（pemwe）制氫時(shí)，膜電極的導(dǎo)電性和傳質(zhì)性能得到了大幅度提高。
45、本公開(kāi)的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。