權(quán)利要求書： 1.一種固體電解質(zhì)水電解膜電極的制備方法，

所述膜電極包含固體電解質(zhì)膜（3），陽極基底層（5）、陰極基底層（6）分別設(shè)置于所述固體電解質(zhì)膜（3）的兩側(cè)，在所述固體電解質(zhì)膜（3）與所述陽極基底層（5）之間設(shè)置有陽極雙催化層，在所述固體電解質(zhì)膜（3）與所述陰極基底層（6）之間設(shè)置有陰極催化層（4），其中，所述陽極雙催化層包括靠近所述陽極基底層（5）設(shè)置的第一陽極催化層（1）和靠近所述固體電解質(zhì)膜（3）設(shè)置的第二陽極催化層（2）；

所述第一陽極催化層（1）和所述第二陽極催化層（2）的質(zhì)量比為1:1-4，且所述第一陽極催化層（1）和所述第二陽極催化層（2）的沉積方式選用陽極催化劑沉積于固體電解質(zhì)膜（3）的方式，或選用陽極催化劑沉積于所述陽極基底層（5）的方式，或選用陽極催化劑同時沉積于所述固體電解質(zhì)膜（3）及所述陽極基底層（5）的方式；

所述第一陽極催化層（1）中電解質(zhì)質(zhì)量含量為5～30%，陽極催化劑質(zhì)量含量為70～

95%；

所述第二陽極催化層（2）中電解質(zhì)質(zhì)量含量為30～60%，陽極催化劑質(zhì)量含量為40～

70%；

所述電解質(zhì)選用全氟磺酸樹脂、聚氧化乙烯樹脂及其復(fù)合物、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯中的任一種；

所述陽極催化劑選用二氧化銥、二氧化釕、銥釕、銥碳中的任一種或任兩種的混合；

所述陽極基底層（5）選用具有多孔結(jié)構(gòu)的惰性基底層；

所述陽極基底層（5）選用泡沫鎳、泡沫銅、鈦網(wǎng)中的任一種；

所述固體電解質(zhì)膜（3）選用全氟磺酸膜、磺化聚醚酮膜、聚苯并咪唑膜、聚醚砜膜、磺化聚醚酮-聚醚砜復(fù)合膜中的任一種；

其特征在于：

包括以下步驟：

（1）制備催化劑漿料：

（1.1）制備陰極催化層：

稱取適量陰極催化劑，將其加入5%濃度的電解質(zhì)溶液中以保證電解質(zhì)溶液完全浸潤催化劑，其中陰極催化劑與電解質(zhì)的質(zhì)量百分比為3-5:1，再加入分散劑混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料，將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在固體電解質(zhì)膜與陰極基底層之間，70℃烘干后，即得到陰極催化層，其中催化劑載量為0.5mgcm-2；

（1.2）制備陽極雙催化層

稱取適量陽極催化劑，將其加入5%濃度的電解質(zhì)溶液中以保證電解質(zhì)溶液完全浸潤陽極催化劑，其中陽極催化劑與電解質(zhì)的質(zhì)量百分比為1-3:1，再加入分散劑混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在

50℃的條件下均勻負載在固體電解質(zhì)膜與陽極基底層之間，70℃烘干后，即得到第二陽極催化層，其中催化劑載量為0.4mgcm-2；

稱取適量陽極催化劑，將其加入5%濃度的電解質(zhì)溶液中以保證電解質(zhì)溶液完全浸潤陽極催化劑，其中陽極催化劑與電解質(zhì)的質(zhì)量百分比為8-10:1，再加入分散劑混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在

50℃的條件下均勻負載在上述第二陽極催化層與陽極基底層之間，70℃烘干后，即得到陽極雙催化層，其中催化劑載量為0.1mgcm-2；

（2）催化層的組裝：將陰極催化層在30～70℃的條件下均勻負載在陰極基底層與固體電解質(zhì)膜之間，50～100℃烘干后，實現(xiàn)陰極催化層的組裝；將陽極雙催化層在30～70℃的條件下均勻負載在陽極基底層與固體電解質(zhì)膜之間，50～100℃烘干后，實現(xiàn)陽極雙催化層的組裝；

（3）膜電極組裝：按陽極基底層、陽極雙催化層、固體電解質(zhì)膜、陰極催化層、陰極基底層的順序依次疊放于兩塊多孔金屬燒結(jié)體之間即為固體電解質(zhì)水電解膜電極結(jié)構(gòu)，外加金屬板在大氣壓加熱壓合即得單電池。

說明書： 一種固體電解質(zhì)水電解膜電極及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于電解水領(lǐng)域，具體涉及一種固體電解質(zhì)水電解膜電極及其制備方法。背景技術(shù)[0002] 固體聚合物電解質(zhì)水電解技術(shù)作為堿性水電解制氫的一種可行的替代品，特別是在可再生能源中得到了廣泛的關(guān)注。與水-堿電解槽相比，固體電解質(zhì)水電解槽的主要優(yōu)點在于其簡單性、可持續(xù)循環(huán)運行能力、安全性和低維護性。然而，對于該技術(shù)的實際應(yīng)用和推廣，仍有許多問題有待解決，例如如何降低系統(tǒng)成本，如何提高系統(tǒng)的性能和耐久性等。[0003] 膜電極是固體電解質(zhì)水電解槽的關(guān)鍵部件，電化學(xué)反應(yīng)只發(fā)生在“三相界面”，在這里反應(yīng)物、電解質(zhì)和電子聚集在一起。高性能的固體電解質(zhì)水電解應(yīng)具有以下特點：(1)催化劑與膜結(jié)合良好；(2)反應(yīng)材料、電解液和電傳導(dǎo)催化劑接觸的三相邊界充足；(3)催化層與膜之間的電阻率最??；(4)結(jié)構(gòu)簡單，便于水的輸送以及氣體進出催化活性區(qū)；(5)一定的滲濾路徑以獲得層的高電導(dǎo)率；(6)容易釋放氣泡。因此，膜電極的制備對于固體電解質(zhì)電解槽的性能改進至關(guān)重要。[0004] 目前，用于固體電解質(zhì)水電解的膜電極的制備與質(zhì)子交換膜燃料電池的制備相似，并且大多數(shù)是通過噴涂方法制備膜電極，通過該方法將催化劑直接噴射到膜上或集流體襯底上。采用催化劑噴涂/涂覆膜法制備了固體電解質(zhì)水電解用膜電極，該方法得到了較低的催化劑負載，提高了聚合物電解質(zhì)與催化層之間的粘附性，從而提高了固體電解質(zhì)水電解膜電極的性能。然而，在液體乙醇或異丙醇存在下，當催化劑油墨在膜上擴散或噴涂時，全氟磺酸膜的膨脹和變形已證明其在應(yīng)用上尚存在問題。為了避免這一問題，研究人員為高溫下的固體電解質(zhì)水電解準備了方法，全氟磺酸膜通常在噴涂前轉(zhuǎn)化為鈉離子，以提高其強度，防止變形和收縮。這些方法雖然取得了較好的效果，但由于成本昂貴，需要進行復(fù)雜的預(yù)處理和后處理，在實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)。[0005] 申請?zhí)枮?01810284792.8的專利申請公開了一種用于固體電解質(zhì)水電解膜電極催化劑漿料的制備方法，將催化劑漿料用球磨機快速磨10 30分鐘。通過這一方法能夠有效~降低催化劑顆粒的團聚、提高催化劑的分散性，同時該舉措有利于漿料中各種溶劑分子和質(zhì)子導(dǎo)體的均勻分散。然而，催化劑漿料在不同的容器中轉(zhuǎn)移會造成一定的損失，且超聲分散已經(jīng)可以使得催化劑漿料分撒得足夠均勻，因此如果再增加球磨步驟會增加催化劑漿料制備過程中的損失，增加成本。

[0006] 申請?zhí)枮?01810523201.8的專利提出了一種可用于貴電解質(zhì)水電解的有序膜電極，在固體聚合物膜兩側(cè)制備背部開孔的氮氧化鈦納米管陣列。這一方法類似于氫氧燃料電池中的原位生長有序化膜電極，但氫氧燃料電池的反應(yīng)物為氣體，因此在操作過程中有序化陣列不容易被破壞，而水電解時會在陽極通入液態(tài)水，大量的液態(tài)水在傳輸過程中容易破壞有序化電極。發(fā)明內(nèi)容[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷與不足，本發(fā)明提出一種固體電解質(zhì)水電解膜電極及其制備方法。[0008] 該發(fā)明所提出的解決相應(yīng)技術(shù)問題的技術(shù)方案為：[0009] 一種固體電解質(zhì)水電解膜電極，其特征在于：所述膜電極包含固體電解質(zhì)膜，陽極基底層、陰極基底層分別設(shè)置于所述固體電解質(zhì)膜的兩側(cè)，在所述固體電解質(zhì)膜與所述陽極基底層之間設(shè)置有陽極雙催化層，在所述固體電解質(zhì)膜與所述陰極基底層之間設(shè)置有陰極催化層，其中，所述陽極雙催化層包括靠近所述陽極基底層設(shè)置的第一陽極催化層和靠近所述固體電解質(zhì)膜設(shè)置的第二陽極催化層。[0010] 進一步地，所述第一陽極催化層和所述第二陽極催化層的質(zhì)量比為1:1-4，且所述第一陽極催化層和所述第二陽極催化層的沉積方式選用陽極催化劑沉積于固體電解質(zhì)膜的方式，或選用陽極催化劑沉積于所述陽極基底層的方式，或選用陽極催化劑同時沉積于所述固體電解質(zhì)膜及所述陽極基底層的方式。[0011] 進一步地，所述第一陽極催化層中電解質(zhì)質(zhì)量含量為5～30%，陽極催化劑質(zhì)量含量為70～95%。[0012] 進一步地，所述第二陽極催化層中電解質(zhì)質(zhì)量含量為30～60%，陽極催化劑質(zhì)量含量為40～70%。[0013] 進一步地，所述電解質(zhì)選用全氟磺酸樹脂、聚氧化乙烯樹脂及其復(fù)合物、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯中的任一種。[0014] 進一步地，所述陽極催化劑選用二氧化銥、二氧化釕、銥釕、銥碳中的任一種或任兩種的混合。[0015] 進一步地，所述陽極基底層選用具有多孔結(jié)構(gòu)的惰性基底層。[0016] 進一步地，所述陽極基底層選用泡沫鎳、泡沫銅、鈦網(wǎng)中的任一種。[0017] 進一步地，所述固體電解質(zhì)膜選用全氟磺酸膜、磺化聚醚酮膜、聚苯并咪唑膜、聚醚砜膜、磺化聚醚酮-聚醚砜復(fù)合膜中的任一種。[0018] 進一步地，本發(fā)明還提供一種固體電解質(zhì)水電解膜電極的制備方法，包括以下步驟：[0019] （1）制備催化劑漿料：[0020] （1.1）制備陰極催化層：[0021] 稱取適量陰極催化劑，將其加入5%濃度的電解質(zhì)溶液中以保證電解質(zhì)溶液完全浸潤催化劑，其中陰極催化劑與電解質(zhì)的質(zhì)量百分比為3-5:1，再加入分散劑混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料，將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在固體電解質(zhì)膜與陰極基底層之間，70℃烘干后，即得到陰極催化層，其中催化劑載量為0.5mgcm-2；[0022] （1.2）制備陽極雙催化層[0023] 稱取適量陽極催化劑，將其加入5%濃度的電解質(zhì)溶液中以保證電解質(zhì)溶液完全浸潤陽極催化劑，其中陽極催化劑與電解質(zhì)的質(zhì)量百分比為1-3:1，再加入分散劑混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在固體電解質(zhì)膜與陽極基底層之間，70℃烘干后，即得到第二陽極催化層，其中催化劑載量為0.4mgcm-2；[0024] 稱取適量陽極催化劑，將其加入5%濃度的電解質(zhì)溶液中以保證電解質(zhì)溶液完全浸潤陽極催化劑，其中陽極催化劑與電解質(zhì)的質(zhì)量百分比為8-10:1，再加入分散劑混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在上述第二陽極催化層與陽極基底層之間，70℃烘干后，即得到陽極雙催化層，其中催化劑載量為0.1mgcm-2；[0025] （2）催化層的組裝：將陰極催化層在30～70℃的條件下均勻負載在陰極基底層與固體電解質(zhì)膜之間，50～100℃烘干后，實現(xiàn)陰極催化層的組裝；將陽極雙催化層在30～70℃的條件下均勻負載在陽極基底層與固體電解質(zhì)膜之間，50～100℃烘干后，實現(xiàn)陽極雙催化層的組裝；[0026] （3）膜電極組裝：按陽極基底層、陽極雙催化層、固體電解質(zhì)膜、陰極催化層、陰極基底層的順序依次疊放于兩塊多孔金屬燒結(jié)體之間即為固體電解質(zhì)水電解膜電極結(jié)構(gòu)，外加金屬板在大氣壓加熱壓合即得單電池。[0027] 采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案得到的有益效果為：[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，調(diào)節(jié)水電解膜電極陽極粘結(jié)劑和催化劑的分布，采用陽極雙催化層結(jié)構(gòu)，低電解質(zhì)含量的催化層有利于氣體擴散與物質(zhì)傳輸，而高電解質(zhì)含量的催化層結(jié)構(gòu)有利于質(zhì)子的傳質(zhì)和增加質(zhì)子透過率，本發(fā)明結(jié)合上述兩種結(jié)構(gòu)，制備了雙催化層結(jié)構(gòu)，并將其用于固體電解質(zhì)水電解膜電極，從而有效提升電解水的產(chǎn)率。附圖說明[0029] 圖1為本發(fā)明一種固體電解質(zhì)水電解膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；[0030] 圖2為實施例1與對比例的水電解性能對比圖；[0031] 圖3為實施例2與對比例的水電解性能對比圖。具體實施方式[0032] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細說明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。[0033] 除非另外限定，這里所使用的術(shù)語（包含科技術(shù)語）應(yīng)當解釋為具有如本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所共同理解到的相同意義。還將理解到，這里所使用的術(shù)語應(yīng)當解釋為具有與它們在本說明書和相關(guān)技術(shù)的內(nèi)容中的意義相一致的意義，并且不應(yīng)當以理想化或過度的形式解釋，除非這里特意地如此限定。[0034] 實施例1：[0035] （1）制備陰極催化層[0036] 稱取適量Pt/C催化劑（40%，JohnsonMattehey），加入5%Nafion溶液至完全浸潤催化劑，其中Pt/C催化劑與Nafion的質(zhì)量百分比為85:25，再加入異丙醇混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在覆蓋有碳粉的碳紙上，70℃烘干后，即得到陰極催化層，其中催化劑載量為0.5mgcm-2；[0037] （2）制備陽極雙催化層[0038] 稱取適量IrO2催化劑（99.9%,JohnsonMattehey），加入5%Nafion溶液至完全浸潤催化劑，其中催化劑與Nafion的質(zhì)量百分比為60:40，再加入異丙醇混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在覆蓋有碳粉的碳紙上，70℃烘干后，即得到第二陽極催化層，其中催化劑載量為0.4mgcm-2；[0039] 稱取適量IrO2催化劑（99.9%,JohnsonMattehey），加入5%Nafion溶液至完全浸潤催化劑，其中催化劑與Nafion的質(zhì)量百分比為90:10，再加入異丙醇混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在上述第二陽極催化層上，70℃烘干后，即得到陽極雙催化層，其中催化劑載量為0.1mgcm-2；[0040] （3）膜電極組裝[0041] 按鈦網(wǎng)、陽極雙催化層、經(jīng)預(yù)處理的Nafion212膜、陰極催化層、負載有碳粉的碳紙的順序依次疊放于兩塊多孔鈦燒結(jié)體之間即為固體電解質(zhì)水電解膜電極結(jié)構(gòu)，外加不銹鋼流場板在大氣壓下壓合即得單電池。[0042] （4）單電池測試[0043] 將制得的單電池使用Neware電池測試系統(tǒng)進行測試，測試時電池溫度為80℃，無外加壓力，陽極預(yù)熱蒸餾水的流速為50mLmin-1，水溫比電池溫度高5℃。從圖2可以看出，在1.635電壓下，水電解電流密度達到0.987Acm-2，明顯高于對比例。[0044] 實施例2：[0045] （1）制備陰極催化層[0046] 稱取適量Pt/C催化劑（40%，JohnsonMattehey），加入5%Nafion溶液至完全浸潤催化劑，其中催化劑與Nafion的質(zhì)量百分比為85:25，再加入異丙醇混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在經(jīng)預(yù)處理的Nafion212膜的一側(cè)上，70℃烘干后，即得到陰極催化層，其中催化劑載量為0.5mgcm-2；[0047] （2）制備陽極雙催化層[0048] 稱取適量IrO2催化劑（99.9%,JohnsonMattehey），加入5%Nafion溶液至完全浸潤催化劑，其中催化劑與Nafion的質(zhì)量百分比為90:10，再加入異丙醇混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在Nafion212膜的另一側(cè)上，70℃烘干后，即得到第二陽極催化層，其中催化劑載量為0.1mgcm-2；[0049] 稱取適量IrO2催化劑（99.9%,JohnsonMattehey），加入5%Nafion溶液至完全浸潤催化劑，其中催化劑與Nafion的質(zhì)量百分比為60:40，再加入異丙醇混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在上述第二陽極催化層上，70℃烘干后，即得到陽極雙催化層，其中催化劑載量為0.1mgcm-2；[0050] （3）膜電極組裝[0051] 按鈦網(wǎng)、陽極雙催化層、經(jīng)預(yù)處理的Nafion212膜、陰極催化層、負載有碳粉的碳紙的順序依次疊放于兩塊多孔鈦燒結(jié)體之間即為固體電解質(zhì)水電解膜電極結(jié)構(gòu)，外加不銹鋼流場板在大氣壓下壓合即得單電池。[0052] （4）單電池測試[0053] 將制得的單電池使用Neware電池測試系統(tǒng)進行測試，測試時電池溫度為80℃，無外加壓力，陽極預(yù)熱蒸餾水的流速為50mLmin-1，水溫比電池溫度高5℃。從圖3可以看出，在1.635電壓下，水電解電流密度達到0.921Acm-2，明顯高于對比例。[0054] 對比例：[0055] （1）陰極催化層的制備[0056] 稱取適量Pt/C催化劑（40%，JohnsonMattehey），加入5%Nafion溶液至完全浸潤催化劑，其中催化劑與Nafion的質(zhì)量百分比為85:25，再加入異丙醇混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在覆蓋有碳粉的碳紙上，70℃烘干后，即得到陰極催化層，其中催化劑載量為-20.5mgcm ；

[0057] （2）陽極雙催化層的制備[0058] 稱取適量IrO2催化劑（99.9%,JohnsonMattehey），加入5%Nafion溶液至完全浸潤催化劑，其中催化劑與Nafion的質(zhì)量百分比為85:25，再加入異丙醇混合均勻后制得催化劑混合液；將催化劑混合液室溫超聲至完全分散，得到催化劑漿料；將催化劑漿料在50℃的條件下均勻負載在鈦網(wǎng)上，70℃烘干后，即得到陽極催化層，其中催化劑載量為0.5mgcm-2；[0059] （3）膜電極組裝[0060] 按鈦網(wǎng)、陽極催化層、經(jīng)預(yù)處理的Nafion212膜、陰極催化層、負載有碳粉的碳紙的順序依次疊放于兩塊多孔鈦燒結(jié)體之間即為固體電解質(zhì)水電解膜電極結(jié)構(gòu)，外加不銹鋼流場板在大氣壓加熱壓合即得單電池。[0061] （4）單電池測試[0062] 將制得的單電池使用Neware電池測試系統(tǒng)進行測試，測試時電池溫度為80℃，無外加壓力，陽極預(yù)熱蒸餾水的流速為50mLmin-1，水溫比電池溫度高5℃。從圖2-3可以看出，在1.635電壓下，其水電解電流密度為明顯低于實施例1和實施例2中制得的單電池的水電解電流密度。[0063] 需要說明的是，按照本發(fā)明所述各實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以實現(xiàn)本發(fā)明獨立權(quán)利要求及從屬權(quán)利要求的全部范圍，實現(xiàn)過程及方法同上述各實施例；且本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。[0064] 以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化中替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。