一种气体扩散电极及其制备方法

1.本发明涉及电催化技术领域，更具体地说，涉及一种气体扩散电极及其制备方法。

背景技术：

2.气体扩散电极从被研发到广泛应用中一直在电合成领域充当着重要的角。气体扩散电极在电合成中的应用一直备受海内外研究人员的关注。在电化学反应中电极的性能很重要，不同的电极产生的电化学效能不同，由此研究出特效的高催化活性的电极，可以定向的处理，发生所需的电化学反应，降解废水中的污染物。更多的研究人员开始对电极进行深入研究。各类高效电极逐渐呈现到人们眼前，并应用于各个领域，发挥着不可取代的作用，深受人们的喜爱。气体扩散电极作为一种高催化活性的电极，有着其它电极所不具备的优点，被广泛应用。
3.但气体扩散电极在电合成过程中，存在电极易腐蚀，电合成电位高，电解液因缓蚀需要而组成复杂等缺点。因此，一种能够有效避免腐蚀，简化电解液组成的气体扩散电极是被迫切需要的。

技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种气体扩散电极及其制备方法，它可以实现简化电解液组成，并显著降低槽电压，最终起到减少物质消耗、减少电能消耗的双重作用。
6.2.技术方案
7.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
8.一种气体扩散电极，所述电极包括气体扩散层、催化层以及外包裹层，所述气体扩散层和所述催化层堆叠夹放在所述外包裹层内部，所述外包裹层为锡箔纸。
9.一种气体扩散电极制备方法，应用于上述的一种气体扩散电极，包括以下步骤：
10.步骤一.称取乙炔黑，加入无水乙醇，搅拌数分钟，待其搅拌均匀，边搅拌边缓慢均匀地加入研磨充分的草酸，放置到超声波清洗器中超声搅拌使其分散均匀，随后缓慢加入60％ptfe(聚四氟乙烯)乳液，所得混合物经超声振荡，放置于恒温水浴中加热搅拌至凝成膏状体；
11.步骤二.将步骤一得到的膏状体用辊压机辊压成一定厚度的片状物；
12.步骤三.将步骤二得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成一定大小尺寸的片状物；
13.步骤四.将步骤三得到的片状物放置于马弗炉进行热处理后即得到气体扩散层；
14.步骤五.将一定质量的vxc72r炭黑放入研钵中，加入适量的铂碳，将vxc72r炭黑和铂碳混合均匀，并不断滴加适量无水乙醇，随后缓慢加入聚四氟乙烯(ptfe)乳液不断搅拌研磨成膏状混合物，然后将膏状混合物在辊压机上反复辊压，辊压成片状物，将片状物放入
鼓风干燥箱中烘干即为催化层；
15.步骤六.将裁剪成同样大小尺寸的气体扩散层、催化层一起夹到锡箔纸中，放置到冷压机上，设置压力，计时后取出，裁剪锡箔纸，将多余部分去除，得到完整的气体扩散电极。
16.进一步的，所述步骤一中搅拌时间为10-30min分钟，恒温水浴温度为60-100℃；其中乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：1至4：3：5。
17.进一步的，所述步骤二中得到的片状物厚度为0.15-0.3mm。
18.进一步的，所述步骤三中设置烘干温度为60-100℃，烘干时间为1-20h，冷压压力为10-30mpa，冷压时间为1-5min。
19.进一步的，所述步骤四中热处理温度为330℃。
20.进一步的，所述步骤五中vxc72r炭黑、铂碳催化剂、ptfe的质量比为30：1：5至30：1：20。
21.一种气体扩散电极的应用，将制备的气体扩散电极应用作为氢氧化反应的阳极。
22.3.有益效果
23.相比于现有技术，本发明的优点在于：
24.(1)本方案通过碾压法制备得到气体扩散电极，制备工艺简便，成本低，安全度高。
25.(2)本方案通过科学的配比制备的气体扩散电极能显著提高贵金属催化剂在氢氧化反应中的性能。
26.(3)本方案通过科学的配比制备的气体扩散电极有着优异的透气性、疏水性，同时机械强度较高。
附图说明
27.图1为本发明所得气体扩散电极的sem图；
28.图2为本发明所得气体扩散电极的接触角测量图；
29.图3为本发明所得气体扩散电极的循环伏安图；
30.图4为本发明所得气体扩散电极的结构示意图。
31.图中标号说明：
32.1、外包裹层；2、气体扩散层；3、催化层。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例1：
35.请参阅图1-4，一种气体扩散电极，应用于氢氧化反应的阳极，该电极包括气体扩散层2、催化层3以及外包裹层1，气体扩散层2和催化层3堆叠夹放在外包裹层1内部，外包裹层1为锡箔纸。
36.其制备方法包括以下步骤：
37.(1)称取乙炔黑，加入适量无水乙醇，搅拌20分钟，待其搅拌均匀，边搅拌边缓慢均匀地加入研磨充分的草酸，放置到超声波清洗器中超声搅拌使其分散均匀，随后缓慢加入60％ptfe(聚四氟乙烯)乳液，所得混合物经超声振荡，放置于85℃恒温水浴中加热搅拌至凝成膏状；其中乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：1。
38.(2)将(1)得到的膏状体用辊压机辊压成0.2mm的片状物；
39.(3)将(2)得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成一定大小尺寸；设置烘干温度为80℃，烘干时间为12h，冷压压力为20mpa，冷压时间为2min。
40.(4)将(3)得到的片状物放置于马弗炉进行热处理，热处理温度为330℃，冷却至室温后即得到气体扩散层2。
41.(5)将一定质量的vxc72r炭黑放入研钵中，加入适量的铂碳，将vxc72r炭黑和铂碳混合均匀，并不断滴加适量无水乙醇，随后缓慢加入聚四氟乙烯(ptfe)乳液不断搅拌研磨成膏状混合物，然后将膏状混合物在辊压机上反复辊压，辊压成片状物，将片状物放入鼓风干燥箱中烘干即为催化层3；其中vxc72r炭黑、铂碳催化剂、ptfe的质量比为30：1：10。
42.(6)将裁剪成同样大小尺寸的气体扩散层2、催化层3一起夹到锡箔纸中，放置到冷压机上，设置压力为20mpa，冷压时间为2min，裁剪锡箔纸将多余部分去除，得到完整的气体扩散电极。
43.实施例2：
44.请参阅图1-4，本实施例与实施例1基本相同，区别仅仅在于：
45.其制备方法包括以下步骤：
46.(1)称取乙炔黑，加入适量无水乙醇，搅拌20分钟，待其搅拌均匀，边搅拌边缓慢均匀地加入研磨充分的草酸，放置到超声波清洗器中超声搅拌使其分散均匀，随后缓慢加入60％ptfe(聚四氟乙烯)乳液，所得混合物经超声振荡，放置于85℃恒温水浴中加热搅拌至凝成膏状；其中乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：3。
47.(2)将(1)得到的膏状体用辊压机辊压成0.2mm的片状物；
48.(3)将(2)得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成一定大小尺寸；设置烘干温度为80℃，烘干时间为12h，冷压压力为20mpa，冷压时间为2min；
49.(4)将(3)得到的片状物放置于马弗炉进行热处理，热处理温度为330℃，冷却至室温后即得到气体扩散层2；
50.(5)将一定质量的vxc72r炭黑放入研钵中，加入适量的铂碳，将vxc72r炭黑和铂碳混合均匀，并不断滴加适量无水乙醇，随后缓慢加入聚四氟乙烯(ptfe)乳液不断搅拌研磨成膏状混合物，然后将膏状混合物在辊压机上反复辊压，辊压成片状物，将片状物放入鼓风干燥箱中烘干即为催化层3；其中vxc72r炭黑、铂碳催化剂、ptfe的质量比为30：1：10；
51.(6)将裁剪成同样大小尺寸的气体扩散层2、催化层3一起夹到锡箔纸中，放置到冷压机上，设置压力为20mpa，冷压时间为2min，裁剪电极将多余部分去除，得到完整的气体扩散电极。
52.由图1所示，由扫描电镜图可知，扩散层表面孔隙较多，较多的孔隙有利于大量反应气体迅速通过到达催化层3进行反应。
53.如图2所示，由接触角测量图可知，接触角为151
°
，由此可知扩散层有着优异的疏水性。
54.如图3所示，由循环伏安图可以看到，氧化峰电流密度为0.147a/cm2。
55.实施例3：
56.请参阅图1-4，本实施例与实施例1基本相同，区别仅仅在于：
57.其制备方法包括以下步骤：
58.(1)称取乙炔黑，加入适量无水乙醇，搅拌20分钟，待其搅拌均匀，边搅拌边缓慢均匀地加入研磨充分的草酸，放置到超声波清洗器中超声搅拌使其分散均匀，随后缓慢加入60％ptfe(聚四氟乙烯)乳液，所得混合物经超声振荡，放置于85℃恒温水浴中加热搅拌至凝成膏状；其中乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：5。
59.(2)将(1)得到的膏状体用辊压机辊压成0.2mm的片状物；
60.(3)将(2)得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成一定大小尺寸，设置烘干温度为80℃，烘干时间为12h，冷压压力为20mpa，冷压时间为2min；
61.(4)将(3)得到的片状物放置于马弗炉进行热处理，热处理温度为330℃，冷却至室温后即得到气体扩散层2；
62.(5)将一定质量的vxc72r炭黑放入研钵中，加入适量的铂碳，将vxc72r炭黑和铂碳混合均匀，并不断滴加适量无水乙醇，随后缓慢加入聚四氟乙烯(ptfe)乳液不断搅拌研磨成膏状混合物，然后将膏状混合物在辊压机上反复辊压，辊压成片状物，将片状物放入鼓风干燥箱中烘干即为催化层3；其中vxc72r炭黑、铂碳催化剂、ptfe的质量比为30：1：10；
63.(6)将裁剪成同样大小尺寸的气体扩散层2、催化层3一起夹到锡箔纸中，放置到冷压机上，设置压力为20mpa，冷压时间为2min，裁剪电极将多余部分去除，得到完整的气体扩散电极。
64.实施例4：
65.请参阅图1-4，本实施例与实施例1基本相同，区别仅仅在于：
66.其制备方法包括以下步骤：
67.(1)称取乙炔黑，加入适量无水乙醇，搅拌20分钟，待其搅拌均匀，边搅拌边缓慢均匀地加入研磨充分的草酸，放置到超声波清洗器中超声搅拌使其分散均匀，随后缓慢加入60％ptfe(聚四氟乙烯)乳液，所得混合物经超声振荡，放置于85℃恒温水浴中加热搅拌至凝成膏状；其中乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：3。
68.(2)将(1)得到的膏状体用辊压机辊压成0.2mm的片状物；
69.(3)将(2)得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成一定大小尺寸；设置烘干温度为80℃，烘干时间为12h，冷压压力为20mpa，冷压时间为2min；
70.(4)将(3)得到的片状物放置于马弗炉进行热处理，热处理温度为300℃，冷却至室温后即得到气体扩散层2；
71.(5)将一定质量的vxc72r炭黑放入研钵中，加入适量的铂碳，将vxc72r炭黑和铂碳混合均匀，并不断滴加适量无水乙醇，随后缓慢加入聚四氟乙烯(ptfe)乳液不断搅拌研磨成膏状混合物，然后将膏状混合物在辊压机上反复辊压，辊压成片状物，将片状物放入鼓风
干燥箱中烘干即为催化层3；其中vxc72r炭黑、铂碳催化剂、ptfe的质量比为30：1：10；
72.(6)将裁剪成同样大小尺寸的气体扩散层2、催化层3一起夹到锡箔纸中，放置到冷压机上，设置压力为20mpa，冷压时间为2min，裁剪电极将多余部分去除，得到完整的气体扩散电极。
73.实施例5：
74.请参阅图1-4，本实施例与实施例1基本相同，区别仅仅在于：
75.其制备方法包括以下步骤：
76.(1)称取乙炔黑，加入适量无水乙醇，搅拌20分钟，待其搅拌均匀，边搅拌边缓慢均匀地加入研磨充分的草酸，放置到超声波清洗器中超声搅拌使其分散均匀，随后缓慢加入60％ptfe(聚四氟乙烯)乳液，所得混合物经超声振荡，放置于85℃恒温水浴中加热搅拌至凝成膏状；其中乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：3。
77.(2)将(1)得到的膏状体用辊压机辊压成0.2mm的片状物；
78.(3)将(2)得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成一定大小尺寸；设置烘干温度为80℃，烘干时间为12h，冷压压力为20mpa，冷压时间为2min；
79.(4)将(3)得到的片状物放置于马弗炉进行热处理，热处理温度为330℃，冷却至室温后即得到气体扩散层2；
80.(5)将一定质量的vxc72r炭黑放入研钵中，加入适量的铂碳，将vxc72r炭黑和铂碳混合均匀，并不断滴加适量无水乙醇，随后缓慢加入聚四氟乙烯(ptfe)乳液不断搅拌研磨成膏状混合物，然后将膏状混合物在辊压机上反复辊压，辊压成片状物，将片状物放入鼓风干燥箱中烘干即为催化层3；其中vxc72r炭黑、铂碳催化剂、ptfe的质量比为30：1：10；
81.(6)将裁剪成同样大小尺寸的气体扩散层2、催化层3一起夹到锡箔纸中，放置到冷压机上，设置压力为20mpa，冷压时间为2min，裁剪电极将多余部分去除，得到完整的气体扩散电极。
82.实施例6：
83.请参阅图1-4，本实施例与实施例1基本相同，区别仅仅在于：
84.其制备方法包括以下步骤：
85.(1)称取乙炔黑，加入适量无水乙醇，搅拌20分钟，待其搅拌均匀，边搅拌边缓慢均匀地加入研磨充分的草酸，放置到超声波清洗器中超声搅拌使其分散均匀，随后缓慢加入60％ptfe(聚四氟乙烯)乳液，所得混合物经超声振荡，放置于85℃恒温水浴中加热搅拌至凝成膏状；其中乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：3。
86.(2)将(1)得到的膏状体用辊压机辊压成0.2mm的片状物；
87.(3)将(2)得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成一定大小尺寸；设置烘干温度为80℃，烘干时间为12h，冷压压力为20mpa，冷压时间为2min；
88.(4)将(3)得到的片状物放置于马弗炉进行热处理，热处理温度为350℃，冷却至室温后即得到气体扩散层2；
89.(5)将一定质量的vxc72r炭黑放入研钵中，加入适量的铂碳，将vxc72r炭黑和铂碳混合均匀，并不断滴加适量无水乙醇，随后缓慢加入聚四氟乙烯(ptfe)乳液不断搅拌研磨
成膏状混合物，然后将膏状混合物在辊压机上反复辊压，辊压成片状物，将片状物放入鼓风干燥箱中烘干即为催化层3；其中vxc72r炭黑、铂碳催化剂、ptfe的质量比为30：1：10；
90.(6)将裁剪成同样大小尺寸的气体扩散层2、催化层3一起夹到锡箔纸中，放置到冷压机上，设置压力为20mpa，冷压时间为2min，裁剪电极将多余部分去除，得到完整的气体扩散电极。
91.试验例1：
92.本试验例对实施例1-3制得的气体扩散电极进行循环伏安测试，具体试验方法和结果如下：
93.将制备得到的气体扩散电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂电极作为对电极，采用三电极体系，在0.5mol/l h2so4溶液中进行循环伏安测试。
94.实施例1、3制备出的气体扩散电极表现略差的氢氧化性能和较小的氧化峰电流密度。相对于实施例1、3，实施例2中选用乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：3制备得到的气体扩散电极表现出较好的氢氧化活性，氧化峰电流密度达到0.147a/cm2，说明本发明采用优化的配比制备出的气体扩散电极具有优异的氢氧化活性。
95.试验例2：
96.本试验例对实施例4-6制得的气体扩散电极进行循环伏安测试，具体试验方法和结果如下：
97.实施例4氢氧化性能最差，峰电流密度为0.12a/cm2，相对于实施例4和实施例6，实施例5制备得到的气体扩散电极性能最强，峰电流密度最大为0.148ma/cm2，说明合适的热处理温度能有效分解扩散层中ptfe以及草酸，增加扩散层孔隙，提高扩散层透气性与疏水性。
98.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种气体扩散电极，其特征在于：所述电极包括气体扩散层、催化层以及外包裹层，所述气体扩散层和所述催化层堆叠夹放在所述外包裹层内部，所述外包裹层为锡箔纸。2.一种气体扩散电极制备方法，其特征在于：所述方法应用于权利要求1所述的一种气体扩散电极，包括以下步骤：步骤一.称取乙炔黑，加入无水乙醇，搅拌，待其搅拌均匀，边搅拌边缓慢均匀地加入研磨充分的草酸，放置到超声波清洗器中超声搅拌使其分散均匀，随后缓慢加入60％聚四氟乙烯乳液，所得混合物经超声振荡，放置于恒温水浴中加热搅拌至凝成膏状体；步骤二.将步骤一得到的膏状体用辊压机辊压成片状物；步骤三.将步骤二得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成片状物；步骤四.将步骤三得到的片状物放置于马弗炉进行热处理后即得到气体扩散层；步骤五.将适量的vxc72r炭黑放入研钵中，加入适量的铂碳，将vxc72r炭黑和铂碳混合均匀，并不断滴加适量无水乙醇，随后缓慢加入ptfe乳液不断搅拌研磨成膏状混合物，然后将膏状混合物在辊压机上反复辊压，辊压成片状物，将片状物放入鼓风干燥箱中烘干即为催化层；步骤六.将裁剪成同样大小尺寸的气体扩散层、催化层一起夹到锡箔纸中，放置到冷压机上，设置压力，计时后取出，裁剪锡箔纸，将多余部分去除，得到完整的气体扩散电极。3.根据权利要求2所述的一种气体扩散电极制备方法，其特征在于：所述步骤一中搅拌时间为10-30min分钟，恒温水浴温度为60-100℃；其中乙炔黑、草酸、ptfe的质量比为4：3：1至4：3：5。4.根据权利要求2所述的一种气体扩散电极制备方法，其特征在于：所述步骤二中得到的片状物厚度为0.15-0.3mm。5.根据权利要求2所述的一种气体扩散电极制备方法，其特征在于：所述步骤三中设置烘干温度为60-100℃，烘干时间为1-20h，冷压压力为10-30mpa，冷压时间为1-5min。6.根据权利要求1所述的一种气体扩散电极制备方法，其特征在于：所述步骤四中热处理温度为330℃。7.根据权利要求1所述的一种气体扩散电极制备方法，其特征在于：所述步骤五中vxc72r炭黑、铂碳催化剂、ptfe的质量比为30：1：5至30：1：20。8.一种气体扩散电极的应用，其特征在于：所述应用是将所述的气体扩散电极应用作为氢氧化反应的阳极。

技术总结

本发明公开了一种气体扩散电极，属于电催化技术领域，包括气体扩散层、催化层以及外包裹层，所述气体扩散层和所述催化层堆叠夹放在外包裹层内部，所述外包裹层为锡箔纸，其制备方法包括以下步骤：步骤一.制备膏状体；步骤二.将步骤一得到的膏状体用辊压机辊压成一定厚度的片状物；步骤三.将步骤二得到的制好的片状物放入鼓风干燥箱中烘干，随后将片状物和钛网叠放一起冷压，冷压后裁剪成一定大小尺寸的片状物；步骤四.制备气体扩散层；步骤五.制备催化层；步骤六.制备完整的气体扩散电极；它可以实现简化电解液组成，并显著降低槽电压，最终起到减少物质消耗、减少电能消耗的双重作用。用。用。