一种应用于水分解催化的MEA水分解装置及其制备方法

一种应用于水分解催化的mea水分解装置及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及水分解领域，具体涉及一种应用于水分解催化的mea水分解装置及其制备方法。


背景技术：

2.水分解催化剂是可以促进水分解过程以产生氧气和氢气的材料，膜电极组件mea是许多电化学装置的关键部件，而传质限制是影响mea水分解装置性能和效率的关键因素，该装置使用oer催化剂从水中产生氢气和氧气。现有的oer催化剂虽然能较好的促进水分解，但是其多为稀有且昂贵的元素，例如铱、铂和钌，这也导致了oer催化剂的生产成本变得高昂，并限制了它们在大规模商业应用中的可扩展性。
3.研究人员已经发现并合成了一系列用于oer催化剂的新材料，例如金属氧化物、钙钛矿和金属有机骨架，它们具有高催化活性、稳定性和选择性，并可以通过掺杂、表面改性和其他方法进行微调，以进一步提高其性能。
4.如中国专利cn113174600a公开的一种多孔镍网电解水催化材料及其制备方法，该多孔镍网电解水催化材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1、在两电极体系中，电解槽内设置有电解液，将经过预处理的商业镍网作为工作电极，铂片作为对电极，施加电流后，使用电沉积法将镍纳米颗粒层负载于商业镍网上，得到负载镍纳米颗粒层的商业镍网；步骤2、将步骤1负载镍纳米颗粒层的商业镍网从电解槽中取出后，经洗涤和自然干燥得到多孔镍网电解水催化材料。其所制备的多孔镍网电解水催化材料具有较高的催化活性，可以有效提高电解水效率，降低能耗，从而大幅降低电解水制氢成本，但是由于镍网的表面粗糙度较高，反而会降低阴离子交换膜的力学性能。
5.高效的水分解需要在mea的各个组件之间快速传输反应物、产物和电解质离子，传质方面的限制会导致水分解过程的性能不佳和效率降低，并且oer催化剂的活性和有效性也会因传质不良而受到限制。例如，如果反应物不能足够快地到达催化剂表面，则oer反应可能无法有效进行，从而导致较低的氢气生产率。其次mea中的膜性能也会受到传质限制的影响。例如，如果反应物和产物不能足够快地扩散通过膜，这会损害膜性能并降低水分解过程的效率。最后传质限制还会导致局部浓度梯度和不均匀的电流密度，进而导致mea组件的磨损不均匀，最终导致设备的耐用性和使用寿命降低。
6.如中国专利cn110205636a公开的一种自支撑型三维多孔结构双功能催化电极的制备方法。该双功能催化电极的制备是以镍网为阴极，惰性导电体为阳极，在氯化镍、氯化铵的水溶液中，常温、常压条件下进行电沉积，制备三维层级多孔的镍；此后将得到的镍网作为电沉积的阴极，使用惰性导电体为阳极，浸入含有硝酸镍、硫酸亚铁、乙二醇的水溶液中，在常温、常压条件下再进行电沉积处理，得到具有多孔层级结构的镍铁/镍/镍催化电极；通过两步电沉积实现得到有效活性面积大、气泡析出通道和优异的导电性，在碱性条件下表现出优异的电化学析氢和析氧性能的电极，但是同样由于镍铁/镍/镍催化电极为多孔层级结构，其表面粗糙反而会降低阴离子交换膜的力学性能。
7.由于现有oer催化剂中的镍网表面粗糙，因此会降低阴离子交换膜的力学性能，在mea水分解装置组装中并不会起到保护阴离子交换膜的作用，此时就急需设计一种新的水分解装置及其制备方法，以求解决高电流下传质的问题，并实现保护阴离子交换膜的效果。


技术实现要素：

8.针对oer催化剂中的镍网表面粗糙，进而导致阴离子交换膜的力学性降低问题，本技术设计了一种应用于水分解催化的mea水分解装置及其制备方法，以求实现在mea水分解装置组装过程中，实现保护阴离子交换膜，同时实现促进水分解的效果。
9.一种应用于水分解催化的mea水分解装置，包括镍网叠层和mea设备，所述镍网叠层放置在mea设备中；所述镍网叠层包括两层孔隙不同的镍网。
10.优选地，所述镍网叠层包括60目的镍网和300目的镍网。
11.优选地，所述两层镍网的长为0.5~2 cm，宽为0.5~2 cm。
12.优选地，所述镍网叠层的面积为1 cm2。
13.一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，包括以下步骤：步骤s1、将目数为60的工业纯镍网与目数为300的工业纯镍网放入烧杯中；步骤s2、并将纯hcl溶液倒入烧杯中，使镍网完全浸没；步骤s3、在烧杯上盖上封口膜以防止hcl溶液蒸发或溢出，然后将其放入超声波清洗器中清洗，直到溶液的颜色从无色变为蓝绿色；步骤s4、用水和乙醇洗涤经酸处理的网以去除任何不需要的碎屑和油脂；步骤s5、将处理过的两个镍网完全对齐，然后放入压片机中做出镍网叠层。
14.步骤s6、将镍网叠层放置到mea设备中。
15.优选地，所述步骤s2中的纯hcl溶液为3 mol hcl溶液。
16.优选地，所述步骤s3中，清洗时间为1~3 h。
17.优选地，所述步骤s5中，所述压片机的施加压力为10 mpa。
18.优选地，所述步骤s5中，两个镍网的长均为1 cm，宽为1 cm。
19.优选地，所述300目的镍网外侧还设置有薄膜。
20.本发明所获得的有益效果：1、由于镍泡沫独特的尖状表面结构，这种表面穿孔弱化了阴离子交换膜，在传统mea组装过程中，阴离子交换膜的破损是非常常见问题，这严重的降低了mea的稳定性，从而阻碍了使用mea进行水电解的工业化。而本技术设计的一种应用于水分解催化的mea水分解装置，设计了一种镍网叠层，即物理高压处理的双层镍网，镍网叠层具有光滑的平面，避免了mea在安装过程中的膜破损问题。
21.2、本发明设计的一种应用于水分解催化的mea水分解装置，选用膜|300|60阳极催化剂放置到mea水分解装置中，膜|300|60阳极催化剂具有最优秀的水分解催化性能。
22.3、本发明设计的镍网叠层还可以用作基底，在此生长上的镍铁催化剂可以通过改变传质增加水分解的性能。
23.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能
够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
24.根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
26.图1为本技术提供的镍网叠层侧视图；图2为本技术提供的单目镍网传质效果对比图；图3为本技术提供的300目和60目的镍网叠层的正面sem图；图4为本技术提供的300目和60目的镍网叠层的反面sem图；图5为本技术提供的不同种类镍网性能对比图；图6为本技术提供的300目、60目以及其组合的镍网效果对比图；图7为本技术提供的不同种类镍网产生气泡的分布时间图；图8为本技术提供的文献对比图；图9为本技术提供的在不同压力下的镍网300|60的性能图；图10为本技术提供的在不同压力下的镍网300|60 sem图片。
具体实施方式
27.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本技术的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本技术的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
28.应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
29.此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
30.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
31.本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和b的至少一种，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
32.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
实施例1
33.由于膜的破损在mea组装过程中是常见问题，其原因是由于镍泡沫独特的尖状表面结构，这种表面穿孔弱化了膜。这降低了mea的稳定性，从而阻碍了使用mea的水电解的工业化。
34.因此本实施例主要介绍一种应用于水分解催化的mea水分解装置的基础设计，作为一种替代结构，具体包括镍网叠层和mea设备，所述镍网叠层放置在mea设备中；请参考图1、图1为本技术提供的镍网叠层侧视图，所述镍网叠层包括两层孔隙不同的镍网。
35.进一步的，所述镍网叠层包括60目的镍网和300目的镍网，请参考图3和图4，图3为本技术提供的300目和60目的镍网叠层的正面sem图；图4为本技术提供的300目和60目的镍网叠层的反面sem图。具体请参考图10，图10为不同压力下的镍网300|60 sem图片。
36.进一步的，所述两层镍网的长为1 cm，宽为1 cm。
37.进一步的，所述镍网叠层的面积为1 cm2。
38.本技术设计的镍网叠层是经过物理高压处理后的镍网，镍网叠层具有光滑的平面以避免在安装过程中的膜破损。
实施例2
39.基于上述实施例1，本实施例主要介绍一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，包括以下步骤：步骤s1、将目数为60的工业纯镍网与目数为300的工业纯镍网放入烧杯中；步骤s2、并将纯hcl溶液倒入烧杯中，使镍网完全浸没；步骤s3、在烧杯上盖上封口膜以防止hcl溶液蒸发或溢出，然后将其放入超声波清洗器中清洗，直到溶液的颜色从无色变为蓝绿色；步骤s4、用水和乙醇洗涤经酸处理的网以去除任何不需要的碎屑和油脂；步骤s5、将处理过的两个镍网完全对齐，然后放入压片机中做出镍网叠层。
40.步骤s6、将镍网叠层放置到mea设备中。
41.进一步的，所述步骤s2中的纯hcl溶液为3 mol hcl溶液。
42.进一步的，所述步骤s3中，清洗时间为1~3 h。
43.进一步的，所述步骤s5中，所述压片机的施加压力为10 mpa。
44.进一步的，所述步骤s5中，两个镍网的长均为1 cm，宽为1 cm。
45.进一步的，所述300目的镍网外侧还设置有薄膜。
46.本技术设计的一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，与传统复杂的复合体催化剂制备方法对比，本发明的组合方法以及材料能够达到以及优越于文献报道的更复杂制备的催化剂性，并且在本发明方法的体系之上生长出来的催化剂有着性能提升，通过使用comsol进行模拟，我们发现这种组装方法不仅可以解决传质问题，而且还能够实现更均匀的电流和电压密度分布，这与试验结果相符。
实施例3
47.基于上述实施例1-2，本实施例主要介绍一种应用于水分解催化的mea水分解装置的效果验证。
48.传质的研究从单片就有明显的体现，请参考图2，图2为本技术提供的单目镍网传质效果对比图；在60、100、300、400不同目数的单层作为水电解催化剂其中在性能上有明显的不同；从图中可见300目具有最佳性能，100目具有最差性能，它也表明了传质对mea体系中起着重要的作用。如果仅考虑表面的活性位点，则最高目数将具有最佳性能。然而，结果并不支持这样的假设：请参考5，在2.0 a和2.4 v下，筛数为300的阳极催化剂的性能比400的阳极催化剂好20.23%和14.55%，目数为60的阳极催化剂的性能好19.76%和35.78%性能高于100。
49.当表面积增加时，发生反应的活性位点增加。这一基础知识使研究更进一步，以测试双层镍网的性能。鉴于图2所示的结果，根本无法通过筛分来预测性能。因此，考虑了不同筛分的所有可能组合，请参考图5，本发明制备的膜|300|60和膜|60|300的平均目数在80 oc时表现最好。
50.请参考图6，从单个网格结果可以看出，对于300和60的筛网计数，在2.4v时的最高性能分别为3.81 a cm-2
和3.98 a cm-2
，而当这两者结合在一起时，电流密度值可以高达6.95与300筛分相比，cm-2
增加了82.41%，与60筛分相比，增加了74.62%。这可能可以用活性位点来解释，镍越多，性能越好。但是，一旦对比membraen|300|60和membrane|60|300的结果，鉴于这两种催化剂具有相同的活性位点，唯一不同的是表面结构，membrane|300|60性能提高13.38%，证明了本发明对传质限制的影响极大。
51.请参考图7，在三电极体系中，单一60目的镍网气泡形成和移除时间为169秒，300目从生成到气泡一处时间为194秒，本发明的组合测试的300|60目，气泡形成和去除的时间为42秒。如上述，本发明设计的300|60具有最优的水分解促进功能。
52.图8中举例了本发明的纯镍制作方式与复杂的复合体催化剂的对比，本发明的组合方法以及材料能够达到以及优越于文献报道的更复杂制备的催化剂性。图9为本技术提供的在不同压力下的镍网300|60的性能图；图10为本技术提供的在不同压力下的镍网300|60 sem图片，从图9可以明显的得出，10mpa压力制备出的镍网叠层具有最好的效果。
53.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种应用于水分解催化的mea水分解装置，其特征在于，包括镍网叠层和mea设备，所述镍网叠层放置在mea设备中；所述镍网叠层包括两层孔隙不同的镍网。2.根据权利要求1所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置，其特征在于，所述镍网叠层包括60目的镍网和300目的镍网。3.根据权利要求1所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置，其特征在于，所述两层镍网的长为0.5~2 cm，宽为0.5~2 cm。4.根据权利要求1所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置，其特征在于，所述镍网叠层的面积为1 cm2。5.根据权利要求1~4任一项所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、将目数为60的工业纯镍网与目数为300的工业纯镍网放入烧杯中；步骤s2、并将纯hcl溶液倒入烧杯中，使镍网完全浸没；步骤s3、在烧杯上盖上封口膜以防止hcl溶液蒸发或溢出，然后将其放入超声波清洗器中清洗，直到溶液的颜色从无色变为蓝绿色；步骤s4、用水和乙醇洗涤经酸处理的网以去除任何不需要的碎屑和油脂；步骤s5、将处理过的两个镍网完全对齐，然后放入压片机中做出镍网叠层；步骤s6、将镍网叠层放置到mea设备中。6.根据权利要求5所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中的纯hcl溶液为3 mol hcl溶液。7.根据权利要求5所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，清洗时间为1~3 h。8.根据权利要求5所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，所述压片机的施加压力为10 mpa。9.根据权利要求5所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，两个镍网的长均为1 cm，宽为1 cm。10.根据权利要求5所述的一种应用于水分解催化的mea水分解装置的制备方法，其特征在于，所述300目的镍网外侧还设置有薄膜。

技术总结
本发明介绍了一种应用于水分解催化的MEA水分解装置及其制备方法，其中水分解装置，包括镍网叠层和MEA设备，所述镍网叠层放置在MEA设备中；所述镍网叠层有2层，一层为60目的镍网，另一层为300目的镍网；其制备方法为：将镍网放入烧杯中；倒入纯HCl溶液，使镍网完全浸没并盖上封口膜后，将其放入超声波清洗器中清洗，直到溶液的颜色从无色变为蓝绿色；接着用水和乙醇洗涤经酸处理的网以去除任何不需要的碎屑和油脂；其次将处理过的两个镍网完全对齐，然后放入压片机中做出镍网叠层；最后将镍网叠层放置到MEA设备中。基于上述设计，本申请实现了在MEA水分解装置组装过程中，保护阴离子交换膜的同时，促进水分解的技术效果。促进水分解的技术效果。促进水分解的技术效果。


技术研发人员：孙立成 丁仕文
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/8/13