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CN115012001B - 一种用于水电解气液传输的气体扩散层及其制备方法 - Google Patents

一种用于水电解气液传输的气体扩散层及其制备方法 Download PDF

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CN115012001B CN202210634048.2A CN202210634048A CN115012001B CN 115012001 B CN115012001 B CN 115012001B CN 202210634048 A CN202210634048 A CN 202210634048A CN 115012001 B CN115012001 B CN 115012001B
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Abstract

本发明公开了一种用于水电解气液传输的气体扩散层及其制备方法，采用镍基自固化墨水作为原料，利用墨水直写成型技术在临时基板上打印多层结构；然后将多层结构和临时基板一起先在还原性气体氛围下热处理；之后在惰性气体氛围下高温处理，并剥离基板后得到用于水电解气液传输的气体扩散层。本发明设计的具有直通孔和可控孔径的气体扩散层，能够加速气泡排出，减少气液传输阻力。应用于碱性聚电解质水电解中，可以通过调控孔径大小，影响器件传质效果，从而调控器件性能，在1.88V时可以达到1.5A/cm2的电流密度，处于现有技术中优秀水平。

Description

一种用于水电解气液传输的气体扩散层及其制备方法
技术领域
本发明属于水电解技术领域，涉及一种气体扩散层的制备技术，一种用于水电解气液传输的气体扩散层及其制备方法。
背景技术
在保护我们的环境的同时为未来创造一个全球范围的可持续能源系统是当今人类面临的最关键的挑战之一。人们对能源供应，特别是与使用化石燃料有关的气候变化，提出了重大关切。一个重要的方向是使我们的能源多样化，通过转向太阳能、风能和水力发电等可再生能源，减少我们对化石燃料的依赖。在双碳目标下，氢能在以可再生能源为主导的能源体系中发挥着至关重要的作用，传统的化石燃料制氢的方法不仅能耗较高还会带来二氧化碳的排放。电解水制氢不仅操作简单且无有害副产物，被认为是未来发展潜力的制氢方法。
经过几十年的发展，水电解领域已经基本形成了一个完整的体系。然而，高电流密度将产生大量气泡，这是一个在低电流密度下工作时可能无法观察到的问题。设计一种可以便于气泡快速排出，减少气液传输阻力的气体扩散层，成为了未来水电解发展的一个重要挑战。
发明内容
本发明针对传统气体扩散层气液传输阻力的大，气泡不能及时排出的现状，利用先进的3D打印技术(墨水直写成型技术)，设计了一种用于水电解气液传输的气体扩散层及其制备方法，所制备的气体扩散层具有可控孔径的直通孔。通过上述方法得到的气体扩散层更有利于气泡的快速排出，可以减小传质阻力，能够进一步提高碱性聚电解质水电解器件性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于水电解气液传输的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用镍基自固化墨水作为原料，利用墨水直写成型技术在临时基板上打印多层结构；
S2、将多层结构和临时基板一起先在还原性气体氛围下热处理；之后在惰性气体氛围下高温处理，并剥离基板后得到用于水电解气液传输的气体扩散层。
优选的，所述多层结构中每层结构均为平行的条状线阵列，其中至少两层的条状线阵列方向不相同，且相邻两层条状线阵列中心间距相同或不相同。
优选的，所述多层结构中，相邻两层的条状线阵列相互垂直。
优选的，所述条状线阵列中每条宽度为2-1000μm，相邻两条中心间距为2-3000μm。
优选的，所述条状线阵列中每条宽度为30-800μm，相邻两条中心间距为30-2500μm。
优选的，所述条状线阵列中每条宽度为50-600μm，相邻两条中心间距为50-2000μm。
优选的，所述条状线阵列中每条宽度为100-500μm，相邻两条中心间距为100-1500μm。
优选的，所述多层结构有2-100层。
优选的，所述多层结构有2-50层。
优选的，所述多层结构有2-20层。
优选的，步骤S2中，所述原性气体为氢气或含氢气混合气，处理过程为，先在300-400℃下氢气或含氢气混合气氛围中热处理1-4小时，之后升温至400-900℃热处理1-4小时。
优选的，步骤S2中，所述惰性气体为氩气或氮气，具体过程为：在氩气或氮气氛围中在特定金属的烧结温度范围内处理2-5小时。
优选的，所述临时基板为石英玻璃基板、陶瓷基板或者刚玉基板。
优选的，所述镍基自固化墨水制备方法如下：
步骤1、将聚甲基丙烯酸甲酯溶于混合溶剂中，得到无色透明液体的聚合物溶液，所述混合溶剂包括作为分散剂的低沸点溶剂、作为稀释剂的中沸点溶剂和作为保湿剂的高沸点溶剂；
步骤2、将氧化镍加入到上述聚合物溶液中，搅拌后置于通风橱中挥发至混合物变为半固体状态；
步骤3、最后利用搅拌器匀浆处理得到用于直写成型的镍基自固化墨水。
优选的，所述低沸点溶剂为乙醚、丙酮及二氯甲烷中的任意一种或几种。
优选的，所述中沸点溶剂为乙二醇丁醚，苯甲醚，N，N-二甲基甲酰胺中的任意一种或几种。
优选的，所述高沸点溶剂为邻苯二甲酸二丁酯。
所得到的镍基自固化墨水的固含量不低于74％，对于直写成型技术来说，在满足流动性要求前提下，浓度越高越好。
优选的，步骤3中，所得到的镍基自固化墨水中，聚甲基丙烯酸甲酯与金属的质量比为0.10-0.18。
本发明还保护一种用于水电解气液传输的气体扩散层，其特征在于，采用上述任意一项所述方法制得。
本发明有益效果如下：
本发明创造性提出了一种利用镍基自固化墨水采用直写成型技术制备气体扩散层方法，采用本发明制备的气体扩散层具有可控孔径的直通孔，能够气泡快速排出，减少气液传输阻力。
本发明设计的具有直通孔和可控孔径的气体扩散层，应用于碱性聚电解质水电解中，可以通过调控孔径大小，影响器件传质效果，从而调控器件性能，在1.88V时可以达到1.5A/cm2的电流密度，处于文献中优秀水平。
附图说明
图1为本发明实施例1至实施例6中墨水3D打印得到的气体扩散层的X射线衍射图
图2为本发明实施例中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜图；其中图2中a为实施例1中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜图，图2中b为实施例2中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜图，图2中c为实施例3中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜图，图2中d为实施例4中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜图，图2中e为实施例5中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜图，图2中f为实施例6中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜图。
图3为本发明实施例中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜截面图；其中图3中a为实施例1中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜截面图，图3中b为实施例2中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜截面图，图3中c为实施例3中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜截面图，图3中d为实施例4中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜截面图，图3中e为实施例5中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜截面图，图3中f为实施例6中墨水3D打印得到的气体扩散层的光学显微镜截面图。
图4为本发明实施例1至实施例6中打印得到的气体扩散层用于碱性聚电解质水电解测试的电压电流曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，其目的在于帮助更好的理解本发明的内容，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。本实施方案所用的原料均为常见已知化合物，均可在市场上购得。
实施例1
(1)镍基自固化墨水的制备
称取1.05g聚甲基丙烯酸甲酯(Mw～35000)于试剂瓶中，加入11.2g二氯甲烷、1.2g乙二醇丁醚和0.6g邻苯二甲酸二丁酯组成的混合溶剂，超声30min至完全溶解，得到无色透明液体的聚合物溶液。
称取9g氧化镍加入到上述聚合物溶液，超声10min后磁力搅拌12h，再将其置于通风橱中挥发至混合物变为半固体状态，随后利用Thinky公司生产的搅拌器匀浆处理得到固体质量分数为85％(NiO+PMMA)的镍基自固化墨水，可用于3D直写成型技术制备气体扩散层。
(2)利用镍基自固化墨水制备气体扩散层具体方法如下：
该墨水装入针筒，针筒下方连接一个锥形的210μm针头。随后将针筒固定在Musashi公司生产的Shotmaster 200DS.S型三轴机械臂上。通过仪器自带软件设置机械臂运动轨迹，每层结构均为平行的条状线阵列，每条线的宽度为210μm，相邻两条线中心位置间距为300μm，单层面积为1.6cm×1.6cm；Z轴抬升距离为210μm，相邻两层的条状线阵列相互垂直，总层数为6层。设置点胶机气压为500Kpa，打印速度为3～5mm/s。将镍基自固化墨水打印到干净平整的石英玻璃基板上。
将打印的样品在350℃下H2气氛中热处理2.5小时，随后升温至600℃下热处理2小时，最后，样品在1000℃下在Ar中热处理4小时。得到的样品为10mm×10mm×6mm，收缩率为63％，用作阳极的气体扩散层。
(3)利用上述阳极气体扩散层封装制备水电解装置方法如下：
将60％铂碳催化剂以15mg/ml分散到异丙醇中，使用已发表论文(Peng,H.；Li,Q.；Hu,M.；Xiao,L.；Lu,J.；Zhuang,L.Journal of Power Sources 2018,390,165-167.)中的QAPPT作为ionomer(离聚物)，催化剂和ionomer之比为4:1；超声分散半小时配置成无明显沉淀的墨水。用美术喷笔将墨水均匀喷涂至固定在80℃加热板上1.5cm*1.5cm大小的碳纸表面，烘干后得到阴极，催化剂载量为0.5mg/cm2，阴极电极制备完成后备用。
将NiFe催化剂刮涂在3D打印制备的气体扩散层上，得到阳极，NiFe催化剂载量为15mg/cm2。在阳极的催化剂层上负载离子聚合物，具体方法如下：
使用自制尺寸为3×3×1cm3 PTFE(聚四氟乙烯)模具，模具中间刻有尺寸为1.75×1.75×0.5cm3的凹槽，将阳极倒扣在凹槽中(催化剂层朝下)，在凹槽中加入适量QAPPT溶液，使得阳极的催化层中ionomer的含量为4.5mg/cm2；随后将模具放在60℃的真空干燥箱中干燥2小时至溶液烘干，烘干后可轻松将电极与PTFE底板剥离，电极制备完成后备用。
将制备的阴极、阳极和商业化25微米的QAPPT膜(季胺化聚芳基哌啶共聚物，亿纬公司购买)置于80℃，1M KOH浸泡12h，进行离子交换，再将换完碱的阴阳极和QAPPT膜放入超纯水中浸泡，尽可能洗净其中K+。随后对碱性聚电解质水电解器件进行组装，在装配过程中，整个夹具在油压机加压2Mpa的条件下用扳手拧紧。性能测试采用Neware电化学测试系统进行测量，测试条件为80℃，两端供超纯水的方式。
实施例2
(1)镍基自固化墨水的制备，与实施例1相同。
(2)利用镍基自固化墨水制备气体扩散层具体方法如下：
该墨水装入针筒，针筒下方连接一个锥形的210μm针头。随后将针筒固定在Musashi公司生产的Shotmaster 200DS.S型三轴机械臂上。通过仪器自带软件设置机械臂运动轨迹，每层结构均为平行的条状线阵列，每条线的宽度为210μm，相邻两条线中心位置间距为400μm，单层面积为1.6cm×1.6cm；Z轴抬升距离为210μm，相邻两层的条状线阵列相互垂直，总层数为6层。设置点胶机气压为500Kpa，打印速度为3～5mm/s。将镍基自固化墨水打印到干净平整的石英玻璃基板上。
将打印的样品在350℃下H2气氛中热处理2.5小时，随后升温至600℃下热处理2小时，最后，样品在1000℃下在Ar中热处理4小时。得到的样品为10mm×10mm×6mm，收缩率为63％，用作阳的极气体扩散层。
(3)利用上述阳极气体扩散层封装制备水电解装置方法与实施例1相同。
实施例3
(1)镍基自固化墨水的制备，与实施例1相同。
(2)利用镍基自固化墨水制备气体扩散层具体方法如下：
该墨水装入针筒，针筒下方连接一个锥形的210μm针头。随后将针筒固定在Musashi公司生产的Shotmaster 200DS.S型三轴机械臂上。通过仪器自带软件设置机械臂运动轨迹，每层结构均为平行的条状线阵列，每条线的宽度为210μm，相邻两条线中心位置间距为600μm，单层面积为1.6cm×1.6cm；Z轴抬升距离为210μm，相邻两层的条状线阵列相互垂直，总层数为6层。设置点胶机气压为500Kpa，打印速度为3～5mm/s。将镍基自固化墨水打印到干净平整的石英玻璃基板上。
将打印的样品在350℃下H2气氛中热处理2.5小时，随后升温至600℃下热处理2小时，最后，样品在1000℃下在Ar中热处理4小时。得到的样品为10mm×10mm×6mm，收缩率为63％，用作阳极的气体扩散层。
(3)利用上述阳极气体扩散层封装制备水电解装置方法与实施例1相同。
实施例4
(1)镍基自固化墨水的制备，与实施例1相同。
(2)利用镍基自固化墨水制备气体扩散层具体方法如下：
该墨水装入针筒，针筒下方连接一个锥形的210μm针头。随后将针筒固定在Musashi公司生产的Shotmaster 200DS.S型三轴机械臂上。通过仪器自带软件设置机械臂运动轨迹，每层结构均为平行的条状线阵列，每条线的宽度为210μm，相邻两条线中心位置间距为800μm，单层面积为1.6cm×1.6cm；Z轴抬升距离为210μm，相邻两层的条状线阵列相互垂直，总层数为6层。设置点胶机气压为500Kpa，打印速度为3～5mm/s。将NiO的3D直写成型自固化墨水打印到干净平整的石英玻璃基板上。
将打印的样品在350℃下H2气氛中热处理2.5小时，随后升温至600℃下热处理2小时，最后，样品在1000℃下在Ar中热处理4小时。得到的样品为10mm×10mm×6mm，收缩率为63％，用作阳极气体扩散层。
(3)利用上述阳极气体扩散层封装制备水电解装置方法与实施例1相同。
实施例5
(1)镍基自固化墨水的制备，与实施例1相同。
(2)利用镍基自固化墨水制备气体扩散层具体方法如下：
该墨水装入针筒，针筒下方连接一个锥形的210μm针头。随后将针筒固定在Musashi公司生产的Shotmaster 200DS.S型三轴机械臂上。通过仪器自带软件设置机械臂运动轨迹，每层结构均为平行的条状线阵列，每条线的宽度为210μm，相邻两条线中心位置间距为900μm，单层面积为1.6cm×1.6cm；Z轴抬升距离为210μm，相邻两层的条状线阵列相互垂直，第二层方向和第一层相互垂直，总层数为6层。设置点胶机气压为500Kpa，打印速度为3～5mm/s。将NiO的3D直写成型自固化墨水打印到干净平整的石英玻璃基板上。
将打印的样品在350℃下H2气氛中热处理2.5小时，随后升温至600℃下热处理2小时，最后，样品在1000℃下在Ar中热处理4小时。得到的样品为10mm×10mm×6mm，收缩率为63％，用作阳极气体扩散层。
(3)利用上述阳极气体扩散层封装制备水电解装置方法与实施例1相同。
实施例6
(1)镍基自固化墨水的制备，与实施例1相同。
(2)利用镍基自固化墨水制备气体扩散层具体方法如下：
该墨水装入针筒，针筒下方连接一个锥形的210μm针头。随后将针筒固定在Musashi公司生产的Shotmaster 200DS.S型三轴机械臂上。通过仪器自带软件设置机械臂运动轨迹每层结构均为平行的条状线阵列，每条线的宽度为210μm，相邻两条线中心位置间距为600μm，单层面积为1.6cm×1.6cm；Z轴抬升距离为210μm，第二层方向和第一层相互垂直，线中心位置间距也为600μm，相邻两层的条状线阵列相互垂直，第三、四、五和六层线中心位置间距为1200μm，总层数为6层。设置点胶机气压为500Kpa，打印速度为3～5mm/s。将NiO的3D直写成型自固化墨水打印到干净平整的石英玻璃基板上。
将打印的样品在350℃下H2气氛中热处理2.5小时，随后升温至600℃下热处理2小时，最后，样品在1000℃下在Ar中热处理4小时。得到的样品为10mm×10mm×6mm，收缩率为63％，用作阳极气体扩散层。
(3)利用上述阳极气体扩散层封装制备水电解装置方法与实施例1相同。
对上述实施例1至6中得到的气体扩散层进行X射线衍射表征，测试仪器为X射线衍射仪(Rigaku Mini-flex 600W)，测试结果如图1所示。从图中可以看出所得到的气体扩散层成分为金属镍。
对上述实施例1至6中得到的气体扩散层进行形貌表征，测试仪器为光学显微镜(VHX-100,Kenence)。图2和图3为实施例1至6的光学显微镜的平面图和截面图，从图中可以看出，从实施例1至5其气体扩散层孔径依次增大，而实施例6则存在分级结构，多层结构的孔径并不完全相同。
对上述实施例1至6中得到的气体扩散层进行碱性聚电解质水电解器性能测试，使用的测试仪器为Neware电化学测试，测试条件为80℃，两端供超纯水的方式，电压电流曲线如图4所示。从图中可以看出，通过调控气体扩散层孔径大小，可以影响器件性能，在1.88V时可以达到1.5A/cm2的电流密度，处于现有技术中优秀水平。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种用于水电解气液传输的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用镍基自固化墨水作为原料，利用墨水直写成型技术在临时基板上打印多层结构；
S2、将多层结构和临时基板一起先在还原性气体氛围下热处理；之后在惰性气体氛围下高温烧结处理，并剥离基板后得到用于水电解气液传输的气体扩散层；
所述多层结构中每层结构均为平行的条状线阵列，其中至少两层的条状线阵列方向不相同，且相邻两层条状线阵列中心间距相同或不相同；
步骤S2中，所述还原性气体为氢气或含氢气混合气，处理过程为，先在300-400℃下氢气或含氢气混合气氛围中热处理1-4小时，之后升温至400-900℃热处理1-4小时；
所述镍基自固化墨水制备方法如下：
步骤1、将聚甲基丙烯酸甲酯溶于混合溶剂中，得到无色透明液体的聚合物溶液，所述混合溶剂包括作为分散剂的低沸点溶剂、作为稀释剂的中沸点溶剂和作为保湿剂的高沸点溶剂；
步骤2、将氧化镍加入到上述聚合物溶液中，搅拌后置于通风橱中挥发至混合物变为半固体状态；
步骤3、最后利用搅拌器匀浆处理得到镍基自固化墨水。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述多层结构中，相邻两层的条状线阵列相互垂直。
3.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述条状线阵列中每条宽度为2-1000μm，相邻两条中心间距为2-3000μm。
4.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述多层结构有2-100层。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述惰性气体为氩气或氮气。
6.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述临时基板为石英玻璃基板、陶瓷基板或者刚玉基板。
7.一种用于水电解气液传输的气体扩散层，其特征在于，采用权利要求1-6任意一项所述方法制备。
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