本申請(qǐng)涉及電解水制氫，尤其涉及一種用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、為了應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境污染，減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)向清潔、低碳、可持續(xù)的方向轉(zhuǎn)型成為迫切需求。氫氣具有高能量密度、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)，被視為未來能源體系中的重要組成部分。電力系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，包括可再生能源發(fā)電(如太陽能、風(fēng)能等)的大規(guī)模應(yīng)用，為電解水制氫提供了豐富的電力來源。電解水的原理早在19世紀(jì)就已被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，電解水技術(shù)不斷改進(jìn)和優(yōu)化。新型電極/膜材料的開發(fā)，提高了電解水的效率，降低了成本，并增強(qiáng)了電解水設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性。

2、當(dāng)前國(guó)內(nèi)電解水市場(chǎng)中的主流技術(shù)路線為堿性電解水(alk)技術(shù)，其已完成商業(yè)化進(jìn)程并占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，而質(zhì)子交換膜電解水(pem)技術(shù)受限于成本仍處于商業(yè)化初期，此外固體氧化物電解水和陰離子交換膜電解水技術(shù)仍處于研發(fā)階段。由于alk相較于pem技術(shù)要求與成本更低，單槽規(guī)模更大，是目前電解水制氫技術(shù)的首選。alk制氫電解槽包括電極、電解液和隔膜等，由于電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，決定制氫效率，目前大多采用廉價(jià)的鎳基電極。而隔膜的主要功能包括允許電解液中離子的自由移動(dòng)以及隔離電解水過程中產(chǎn)生的氫氣和氧氣，目前alk商用隔膜大多采用聚苯硫醚(pps)隔膜，但pps隔膜存在親水性差、面電阻高、阻氣性差等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有alk制氫技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制備方法。本發(fā)明采用相轉(zhuǎn)化流延結(jié)合熱壓法制備一種三明治結(jié)構(gòu)膜電極作為alk的電極和隔膜，使用高濃度氫氧化鉀溶液作為電解液，工作時(shí)陰極上產(chǎn)生氫氣，陽極上產(chǎn)生氧氣，產(chǎn)生的兩種氣體被隔膜分開，并隨電解液循環(huán)進(jìn)入到氣體收集室。

2、本發(fā)明的目的之一是提供一種柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，包括依次相連的柔性陰極層、復(fù)合隔膜層和柔性陽極層。所述柔性電極層包含結(jié)構(gòu)或?qū)щ姼叻肿泳酆衔锖瓦^渡金屬等電催化材料粉末，所述隔膜層包含耐堿聚合物和納米無機(jī)陶瓷顆粒。

3、根據(jù)本發(fā)明提供的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述柔性電極層包含高分子聚合物的質(zhì)量比為5-20％，過渡金屬等粉末的質(zhì)量比為50-70％。所述復(fù)合隔膜層包含聚合物的質(zhì)量比為5-20％，無機(jī)納米陶瓷粉末的質(zhì)量比為10-80％。

4、根據(jù)本發(fā)明提供的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，所述高分子聚合物為聚砜、聚醚砜、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯硫醚、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一種或多種。

5、根據(jù)本發(fā)明提供的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，所述過渡金屬粉末為鎳粉、鈷粉、鐵粉等具有析氫或析氧能力的金屬粉末或含鎳、鈷、鉬等金屬元素的碳化物/氧化物陶瓷粉末中的一種或多種；尺寸為200目左右。

6、根據(jù)本發(fā)明提供的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，所述無機(jī)納米陶瓷粉末為二氧化鋯、二氧化鈦、二氧化硅中的一種或多種組合；尺寸為50-1000nm。

7、本發(fā)明的目的之二在于提供一種上述目的之一所述柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

8、(1)將高分子聚合物(如聚砜、聚醚砜、聚苯胺等)和有機(jī)溶劑(如n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基甲酰胺)攪拌均勻形成前驅(qū)體漿料；

9、(2)將過渡金屬或碳化物/氧化物粉末(如鎳粉、鈷粉、碳化鉬、鎳鈷氧化物)或無機(jī)納米陶瓷粉末(如二氧化鋯、二氧化鈦)分別加入到前驅(qū)體漿料中，球磨48h，使其充分混合均勻，分別得到電極和隔膜漿料；

10、(3)調(diào)節(jié)流延機(jī)刮刀高度，分別在玻璃板上刮涂不同厚度的電極和隔膜漿料，再將其浸入到水或乙醇溶劑中進(jìn)行相轉(zhuǎn)化，最終得到厚度為10-500μm的柔性電極生坯，以及厚度為200-800μm的隔膜生坯；

11、(4)取出上述生坯后在80-150℃下烘干，經(jīng)在80-150℃和0.5-10mpa下熱壓5-10min，得到依次為陰極/隔膜/陽極的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)。

12、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(3)中的溶劑為乙醇水溶液，相轉(zhuǎn)化時(shí)間為4-24h。

13、本發(fā)明提出了一種用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制備方法，具有如下有益效果：

14、1.實(shí)施工藝過程簡(jiǎn)單，條件易滿足，適用范圍廣，可用于所有體系的復(fù)合隔膜/電極。

15、2.電極的析氫/析氧催化性能可以通過改變過渡金屬或其碳化物/氧化物粉末的種類及含量進(jìn)行調(diào)控。

16、3.本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高電壓、高電流密度下，無副反應(yīng)發(fā)生的高效穩(wěn)定的氫能轉(zhuǎn)換。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用一體化結(jié)構(gòu)將催化劑、電極和隔膜制作成一個(gè)整體，同時(shí)制備的柔性電極可防止隔膜被刺穿。本發(fā)明所制備的柔性電極與隔膜一體化結(jié)構(gòu)用于堿性電解水成本更低廉，性能穩(wěn)定，為堿性電解水制氫和其他電解過程提供一種新的可行思路和技術(shù)路線。

技術(shù)特征：

1.一種用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括通過熱壓工藝使其緊密結(jié)合且具有柔性的析氫電極層、隔膜層和析氧電極層。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述柔性特征的析氫電極層、隔膜層和析氧電極層依次連接，電極層和隔膜層中均存在指狀孔或海綿狀孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小為5-50μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述析氫電極層和析氧電極層的厚度為10-500μm，所述隔膜層的厚度為200-800μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)用于堿性電解水制取高純氫氣和氧氣，所制備柔性電極和隔膜亦可用于氯堿工業(yè)電解和柔性電池領(lǐng)域。

5.一種用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括如下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述柔性電極層材料包括金屬粉末、無機(jī)納米陶瓷粉末、高分子聚合物、碳材料；所述隔膜層包括高分子聚合物和無機(jī)納米陶瓷粉末。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所提到的金屬粉末多為過渡金屬粉末；優(yōu)選地，所述過渡金屬包括鎳、鈷、鐵、錳、鉬等中的任意一種或多種組合，進(jìn)一步優(yōu)選為鎳。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所提到的高分子聚合物為聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等中的任意一種或多種組合。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述高分子聚合物的質(zhì)量比為5-20％，所述金屬粉末的質(zhì)量比為50-70％，所述無機(jī)納米陶瓷粉末的質(zhì)量比為10-80％。

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所提到的無機(jī)納米陶瓷粉末為二氧化鋯、二氧化鈦、二氧化硅等中的一種或多種組合。

11.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，上述步驟(3)中相轉(zhuǎn)化時(shí)間為4-24h，烘干溫度為80-150℃。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N用于堿性電解水的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制備方法。該堿性電解水制氫一體化結(jié)構(gòu)包括：柔性電極層和隔膜層。其制備方法包括：配制所需漿料；球磨混勻；流延涂布；相轉(zhuǎn)化法制備隔膜和電極；熱壓法制備電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)五個(gè)步驟。在本發(fā)明中通過引入價(jià)格低廉的金屬粉末等電催化材料和高分子作為柔性電極復(fù)合材料，同時(shí)復(fù)合隔膜采用耐強(qiáng)堿性良好的聚合物?氧化物材料。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，所制備的電極析氫/析氧能力良好，隔膜阻氣性能優(yōu)異，電極/隔膜面電阻低，所構(gòu)筑的柔性電極和隔膜一體化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)電解槽的運(yùn)行環(huán)境，為堿性電解水制氫和其他電解過程提供了新的技術(shù)路徑。

技術(shù)研發(fā)人員：方瑋,任亮,周晨,梁金富,李星
受保護(hù)的技術(shù)使用者：寧波大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9