本發(fā)明屬于膜電極的制備及堿性電解水制氫，具體涉及一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極的制備方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、陰離子交換膜水電解（aemwe）技術(shù)融合了堿性電解水（awe）與質(zhì)子交換膜水電解（pemwe）的雙重技術(shù)優(yōu)勢，展現(xiàn)出顯著的工業(yè)應(yīng)用潛力。該技術(shù)既繼承了awe體系可使用鎳基等非貴金屬催化劑的低成本特性，又兼具pemwe技術(shù)的高效運行特性，包括快速動態(tài)響應(yīng)、高電流密度、低歐姆阻抗以及與可再生能源波動功率的直接兼容性。這種技術(shù)耦合特性使其在系統(tǒng)效率、設(shè)備緊湊度和規(guī)?；茪浣?jīng)濟性方面形成獨特競爭力，成為實現(xiàn)綠氫高效制備的核心技術(shù)路徑。
2、膜電極作為陰離子交換膜電解水膜電極組件的核心組成部分，是實現(xiàn)燃料電池、電解水等清潔能源技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，在陰離子交換膜電解水制氫系統(tǒng)中，膜電極制備工藝的選擇直接決定系統(tǒng)效率與壽命。傳統(tǒng)催化劑涂覆基底（ccs）工藝因基底材料（如泡沫鎳、碳紙或碳布）與離子交換膜的物理分離特性，存在界面接觸阻抗高、傳質(zhì)路徑冗長及基底腐蝕失效（碳氧化導(dǎo)致孔隙坍塌）等瓶頸問題，嚴重制約高電流密度下膜電極的性能。而催化劑直接涂覆膜（ccm）工藝通過超聲噴涂將催化劑層（如pt/c、nifeox）與離子交換膜構(gòu)建為一體化三維連續(xù)界面，展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：（1）消除基底接觸阻抗，使氫氧根離子遷移路徑縮短，全電池歐姆阻抗降低；（2）根治基底腐蝕源，防止基底氧化腐蝕導(dǎo)致的耐久性下降；（3）避免基底的使用，顯著降低膜電極組件的成本。然而，陰離子交換膜具有較高的溶脹率和較差的機械穩(wěn)定性，利用傳統(tǒng)的超聲噴涂法將催化劑涂覆在陰離子交換膜上，在測試過程中，陰離子交換膜接觸電解液會發(fā)生溶脹，從而導(dǎo)致催化劑從膜上機械剝離和脫落。
3、膜電極作為陰離子交換膜電解水（aemwe）系統(tǒng)的核心組件，其性能直接決定了綠氫制備效率與設(shè)備壽命，是實現(xiàn)清潔能源技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前主流催化劑涂覆基底（ccs）工藝采用泡沫鎳/碳紙等多孔基底作為催化劑載體，存在三大技術(shù)瓶頸：（1）基底-膜界面物理分離導(dǎo)致較高的接觸電阻，顯著降低離子傳輸效率；（2）基底材料在強堿性電解液中長期運行易發(fā)生氧化腐蝕，引發(fā)孔隙結(jié)構(gòu)坍塌及催化劑層剝離；（3）基底材料的使用導(dǎo)致膜電極組件的成本增加，嚴重制約規(guī)?；瘧?yīng)用。相比之下，催化劑直接涂覆膜（ccm）工藝通過創(chuàng)新性超聲噴涂技術(shù)將鎳鐵基陽極催化劑（nifeox）與鉑碳陰極催化劑（pt/c）直接沉積于陰離子交換膜表面，展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢：（1）消除基底界面接觸阻抗，使氫氧根離子傳導(dǎo)路徑顯著縮短，降低全電池的歐姆阻抗；（2）根治基底腐蝕失效源，提高催化層的機械穩(wěn)定性；（3）通過去基底化設(shè)計使膜電極材料成本降低。然而，現(xiàn)有ccm工藝在陰離子交換膜體系中的應(yīng)用仍存在問題：陰離子交換膜在堿性電解液中溶脹率較高（體積變化率），且機械強度不足；采用常規(guī)超聲噴涂工藝制備時，膜材溶脹引發(fā)的界面應(yīng)力會導(dǎo)致催化劑層產(chǎn)生微裂紋甚至大面積剝離，嚴重劣化膜電極性能，上述技術(shù)瓶頸已成為制約ccm工藝在高性能aemwe系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的核心障礙，因此，需要研發(fā)一種新的基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法及其應(yīng)用來解決現(xiàn)有的問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法及其應(yīng)用，能夠顯著增強催化層與陰離子交換膜之間的粘附力，有效緩解因膜溶脹導(dǎo)致的催化層剝離和脫落問題；同時，通過優(yōu)化離聚物含量和熱壓溫度，實現(xiàn)膜電極性能的最優(yōu)化，在保持催化劑性能的前提下，使催化層在離子交換膜表面的粘附更加牢固。
2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種陽極催化劑涂覆膜電極的制備方法，包括以下步驟：
3、（1）陽極催化劑分散液的配制：將陽極催化劑粉末、粘結(jié)劑和離聚物按一定比例分散到溶劑中，經(jīng)超聲處理，配制成待噴涂的催化劑分散液。
4、（2）陽極膜電極的制備：將陰離子交換膜吸附在超聲噴涂儀的加熱板上，使其表面平整，并將加熱板加熱至設(shè)定溫度；將催化劑分散液轉(zhuǎn)移至超聲噴涂儀的注射器中，采用直線掃描型噴涂模式，調(diào)節(jié)噴涂速度和往返噴涂間隔，將催化劑分散液均勻地噴涂在陰離子交換膜上，制備得到一定載量的吸附陽極催化劑的陰離子交換膜。
5、（3）熱壓處理：將吸附陽極催化劑的陰離子交換膜從超聲噴涂儀上取下，夾在兩張?zhí)胤埐贾g，并置于兩塊表面平整的石墨板之間；將組裝體置于熱壓機上，設(shè)定熱壓溫度和壓力，并在該條件下熱壓一定時間。
6、優(yōu)選的，所述陽極催化劑為鎳鐵基材料；
7、優(yōu)選的，所述粘結(jié)劑為ptfe、nafion、pvdf、聚砜中的一種或多種；
8、優(yōu)選的，所述離聚物為季銨基型離聚物、咪唑鎓基型離聚物、哌啶型離聚物中的一種或多種；
9、優(yōu)選的，所述陽極催化劑與離聚物的質(zhì)量比為2:1~7:1；
10、優(yōu)選的，所述陽極催化劑與離聚物的質(zhì)量比為3:1~7:1；
11、優(yōu)選的，所述陽極催化劑與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為3:1；
12、優(yōu)選的，所述分散液的溶劑為去離子水、甲醇、dmso、nmp、dmf中的一種或多種；
13、優(yōu)選的，所述催化劑分散液中催化劑的質(zhì)量濃度為7.5~15mg/ml；
14、優(yōu)選的，所述催化劑分散液中催化劑的質(zhì)量濃度為7.5~10?mg/ml；
15、優(yōu)選的，所述超聲處理的分散時間為30~90分鐘；
16、優(yōu)選的，所述超聲噴涂儀加熱板的加熱溫度為60~80℃；
17、優(yōu)選的，所述超聲噴涂儀的噴涂速度為0.11?ml/次，每次噴涂持續(xù)14秒，噴涂間隔為3~5秒；
18、優(yōu)選的，吸附陽極催化劑的陰離子交換膜中陽極催化劑的載量為2~4?mg/cm2；
19、優(yōu)選的，所述膜電極的熱壓溫度為100~140℃，熱壓時間為5~60分鐘，熱壓壓力為50~100?kpa；
20、本發(fā)明另提供一種上述制備方法制備得到的陽極催化劑涂覆膜膜電極在aem電解水中的應(yīng)用。
21、本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點：該基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法及其應(yīng)用，采用催化劑直接涂覆膜（ccm）工藝，有效解決了傳統(tǒng)催化劑涂覆基底（ccs）技術(shù)中存在的基底界面分離問題，從而降低了歐姆阻抗、提高了傳質(zhì)效率，并避免了基底腐蝕失效等核心問題；通過原位超聲噴涂與梯度熱壓技術(shù)，在陰離子交換膜表面構(gòu)建了三維連續(xù)反應(yīng)界面，顯著縮短了離子傳輸路徑并消除了基底接觸阻抗；同時，采用去基底化設(shè)計從根本上解決了材料腐蝕問題，大幅降低了制造成本；針對陰離子交換膜溶脹導(dǎo)致的催化層剝離難題，本發(fā)明通過精確調(diào)控粘結(jié)劑含量、優(yōu)化離聚物含量以及控制熱壓溫度，顯著增強了催化層與陰離子交換膜之間的界面結(jié)合強度；相較于傳統(tǒng)工藝，本發(fā)明在降低歐姆損耗、提升傳質(zhì)效率、增強機械耐久性及優(yōu)化制氫能效方面實現(xiàn)突破性進步，為陰離子交換膜電解水制氫系統(tǒng)提供了高可靠、低成本的膜電極解決方案。
1.一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：所述陽極催化劑為鎳鐵基材料；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：所述陽極催化劑與離聚物的質(zhì)量比為2:1~7:1；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：所述溶劑為去離子水、甲醇、dmso、nmp、dmf中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：所述催化劑分散液中陽極催化劑的質(zhì)量濃度為7.5~15mg/ml。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：所述超聲處理包括：超聲分散時間為30~90分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：所述設(shè)定溫度的范圍60~80℃；
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：所述吸附陽極催化劑的陰離子交換膜中陽極催化劑的載量為2~4?mg/cm2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陽極催化劑涂覆膜的膜電極制備方法，其特征在于：所述熱壓的溫度為100~140℃，熱壓時間為5~60分鐘，熱壓壓力為50~100?kpa。
10.權(quán)利要求1-9中任一項所述的制備方法制備得到的陽極催化劑涂覆膜膜電極在aem電解水中的應(yīng)用。