本發明涉及電解水制氫領域,具體是一種原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法。
背景技術:
1、傳統的化石能源雖然能滿足當前的能源需求,但其的不可持續性和對環境的影響令人擔憂。尋找可再生、清潔的替代能源已成為當前能源領域研究的重點。氫能作為一種綠色無污染的能源載體,通過電解水技術實現氫能與電能的高效轉化。目前,電解水制氫技術包括堿性水電解、質子交換膜(pem)電解、陰離子交換膜(aem)電解和固體氧化物電解池(soec)電解等。這些技術中,堿性電解水制氫技術是目前最成熟、商業化程度最高的電解制氫技術,具有操作簡單、生產成本較低等優點。
2、隔膜是堿性電解池的關鍵部件之一,它不僅分隔了電池的正負極,防止短路,還避免了兩極氣體產物的混合,并且提供了高離子導率以便氫氧根離子從陰極傳遞至陽極。早期使用的石棉隔膜因其致癌性、易分解、污染電解液、電阻高、能耗大等缺點已被淘汰。然后,聚苯硫醚(pps)隔膜作為第二代隔膜被開發出來,pps隔膜具有極優秀的耐酸、耐堿和耐溶劑性,能在200℃濕態下長期運行,是堿性電解槽隔膜的理想選擇。然而,pps隔膜本質上是疏水隔膜,導致隔膜氣密性差,存在氫氧根離子傳輸困難、膜電阻高和電流密度低等弊端,極大地增加了電解制氫的能耗。同時,為減少電極與膜之間的阻抗,目前是將非貴金屬的催化劑材料壓制在膜的表面,這種技術雖然可以很大程度降低電荷傳輸的阻抗,但長期使用過程中,電極會出現脫落現象,進而降低了電解水的效率。
3、當前,pps親水改性主要包括:1)氧化法。采用強酸或過氧化氫等強氧化劑對聚苯硫醚進行氧化處理,該方法雖然能增加聚苯硫醚的親水性,但在氧化過程中也對聚苯硫醚本身的分子鏈進行破壞引入親水基團,這會降低聚苯硫醚在高濃度堿性溶液中的使用壽命。在高濃度的堿性溶液中,氫氧根會攻擊被破壞的分子鏈上的碳原子,進而導致聚苯硫醚的分解。2)表面接枝一些親水的分子鏈,但絕大部分的極性分子鏈都不耐堿。
技術實現思路
1、針對現有技術的不足,本發明擬解決的技術問題是,提供一種原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法。
2、本發明解決所述技術問題的技術方案是,提供一種原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟:
3、步驟1、將聚苯硫醚布進行等離子體處理,使聚苯硫醚表面具有親水基團;再將處理后的聚苯硫醚布浸泡于酸性溶液或堿性溶液中,然后清洗后干燥,得到親水聚苯硫醚隔膜;
4、步驟2、在步驟1的親水聚苯硫醚隔膜表面澆筑一層摻有稀土離子或鐵系元素離子的pan或pvp溶液,干燥后,得到復合聚苯硫醚隔膜;
5、步驟3、利用二氧化碳激光雕刻對步驟2的復合聚苯硫醚隔膜中含有稀土離子或鐵系元素離子的pan或pvp聚合物層進行激光雕刻,形成稀土離子或鐵系元素離子摻雜的石墨烯,得到堿性電解水用聚苯硫醚基膜電極。
6、與現有技術相比,本發明的有益效果在于:
7、(1)本發明先利用等離子體處理,pps表面會導入-oh、-co-、-cooh和-cho等含氧基團,或-nh2等基團,顯著提升pps的親水性能,再利用酸性溶液或堿性溶液鎖住等離子體在聚苯硫醚纖維表面引入的親水基團,使其不經過氧化或接枝處理就能具有較好的親水性,改善了等離子體處理后的pps膜表面的親水官能團具有時效性的缺陷。
8、(2)本發明對溫度的要求較為寬松,相對于傳統高溫碳化法考慮的因素更少,實驗環境溫和、制備更加簡便、安全可控,只需進行數十秒的激光燒結就可制備具有催化功能的電極材料,生產周期更短,能耗低,解決了傳統cvd法對合成的溫度要求較高而產生的高耗能的問題。
9、(3)本發明簡單可行,采用的原材料成本較低,且激光雕刻過程簡單,同時在膜表面原位生成電極材料,減少了后期使用過程中電極脫落的可能,該方法適合批量生產,在商業應用領域有更強的應用潛力。
1.一種原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟:
2.根據權利要求1所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,步驟1中,等離子體處理的時間為100~400s,溫度為室溫,頻率為10~15mhz。
3.根據權利要求1所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,步驟1中,將處理后的聚苯硫醚布迅速置于酸性溶液或堿性溶液中,減少表面親水基團的流失。
4.根據權利要求1所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,步驟1中,酸性溶液的ph=1~6,堿性溶液的ph=8~14;
5.根據權利要求4所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,酸性溶液的酸源是甲酸、乙酸或磷酸;堿性溶液的堿源是氫氧化鈉、氫氧化鉀或氨水。
6.根據權利要求1所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,步驟2中,澆筑工藝是刮涂、涂布或刮膜;
7.根據權利要求1所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,步驟2中,摻有稀土離子或鐵系元素離子的pan或pvp溶液中,稀土離子鹽或鐵系元素離子鹽的質量分數為0.5%~2wt%,pan或pvp的質量分數為10~15wt%。
8.根據權利要求1所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,步驟2中,稀土離子為鈰離子,稀土離子鹽為硝酸鈰;鐵系元素離子為亞鐵離子、二價鈷離子和二價鎳離子中的至少一種,鐵系元素離子鹽為硝酸亞鐵、硝酸鈷和硝酸鎳。
9.根據權利要求1所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,步驟2中,干燥工藝是:30~70℃干燥2~12h。
10.根據權利要求1所述的原位制備聚苯硫醚基膜電極的方法,其特征在于,步驟3中,二氧化碳激光雕刻的工藝是:功率為10~20w,雕刻速度200~500mm/s。