一种AEM膜电极及其制备方法与流程

本申请属于电解水，具体涉及一种aem膜电极及其制备方法。

背景技术：

1、能源是人类赖以生存的物质基础，人们的衣食住行、国民经济的发展都与能源息息相关。传统意义上，石油、煤炭等化石燃料是人们大量使用的能源，但是由于卡诺循环的存在，化石能源的利用效率仅为33-35%，同时化石能源不可再生，过度开采使用不仅敲响了能源危机的警钟，也给自然生态环境造成了巨大的压力。近年来，极端天气频发，全球气温升高，干旱和极热天气，已经明显影响到了人们的生活，绿色能源的开发应用已经迫在眉睫。氢能被认为是解决环境污染和能源问题的重要方法之一，pem和aem电解水系统，作为目前电解水的重要方法，是解决能源问题的重要方法。

2、目前在aem电解槽中，干阴极条件下运行，oh-离子从阴极向阳极迁移。每个迁移的oh-离子会携带3-4个水分子（水合数）一起穿过膜，形成电渗拖拽效应。这导致水分子随离子流从阴极被拖拽向阳极，同时阴极产生氢气携带水分流失，进一步导致阴极缺水。从而导致：1.离聚物干燥，离子电导率下降，欧姆电阻升高，膜电极发热严重；2.碱性浓缩劣化，加速膜的化学降解，缩短寿命；3.her动力学受限，过电位升高，性能衰减；4.电流密度失效，无法在高电流密度下稳定运行。

技术实现思路

1、本申请提供一种aem膜电极及其制备方法，旨在解决现有aem膜电极易导致阴极缺水，缩短电解槽使用寿命的问题。

2、本申请第一方面提供一种aem膜电极，包括阴离子交换膜，分别设置于阴离子交换膜两侧面的阳极催化层和阴极催化层；

3、所述阳极催化层和所述阴极催化层的至少一个呈斑马纹状分布，即由交替排列的活性催化条纹与非催化活性条纹组成。

4、本申请所述aem膜电极通过将aem膜电极的催化层设计为斑马纹状结构，并赋予非活性渗水条纹区域储水-渗水双功能，在催化层侧形成了兼具"蓄水库"与"灌溉渠"作用的分布式水管理网络。不仅解决了电拖拽导致的阴极干涸问题，更通过内部储水缓冲显著提升了膜电极对负荷波动和间歇运行的适应性。

5、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，当所述阳极催化层呈斑马纹状分布时，其所述活性催化条纹区域的面积与非催化活性条纹区域的面积比为1：（0.05-0.5）。

6、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，当所述阴极催化层呈斑马纹状分布时，其所述活性催化条纹区域的面积与非催化活性条纹区域的面积比为1：（0.05-0.3）。

7、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，所述阳极催化层和阴极催化层均呈斑马纹状分布时，其所述活性催化条纹区域的面积与非催化活性条纹区域的面积比为1：（0.05-0.25）。

8、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，所述活性催化条纹的宽度为1-5mm，所述非催化活性条纹的宽度为0.3-1mm。

9、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，所述阴离子交换膜包括branion阴离子交换膜、versiogen阴离子交换膜或fumatech faa-3阴离子交换膜。

10、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，所述阳极催化层包括阳极催化剂和第一离子聚合物。

11、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，所述阴极催化层包括阴极催化剂和第二离子聚合物。

12、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，所述阳极催化剂包括镍铁基催化剂、iro2和ruo2中的一种或多种。

13、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，所述阴极催化剂包括pt/c催化剂、ptpd/c催化剂、ptru/c催化剂、镍基催化剂、钴基催化剂和铁基催化剂中的一种或多种。

14、根据本申请所述aem膜电极的一些实施方式，所述第一离子聚合物和所述第二离子聚合物各自独立地包括质量浓度为3%-8%的branion离子溶液。

15、本申请实施例还提供一种本申请第一方面所述aem膜电极的制备方法，包括以下步骤：

16、（1）将阳极催化剂、第一离子聚合物和第一溶剂混合，得到阳极催化浆料，将阳极催化浆料涂布至基底上，得斑马纹状催化层或完整催化层；

17、（2）将阴极催化剂、第二离子聚合物和第二溶剂混合，得到阴极催化浆料，将阴极催化浆料涂布至基底上，得斑马纹状催化层或完整催化层；

18、（3）将步骤（1）所得催化层和步骤（2）所得催化层，分别转印至阴离子交换膜的两侧，得到所述aem膜电极。

19、根据本申请所述aem膜电极的制备方法的一些实施方式，所述基底包括离型膜或ptfe薄膜；所述第一溶剂和所述第二溶剂各自独立地包括水和/或异丙醇。

20、本申请的有益效果包括：本申请所述aem膜电极的阴极催化层和/或阳极催化层呈斑马纹状分布，因非催化活性条纹区域不负载催化活性物质，形成贯穿催化层的渗水通道，可在aem电化学反应过程中均匀地为阴极侧补充反应水，抵消电拖拽效应导致的阴极局部干涸，同时避免阴极水淹；实现了aem膜电极内部水分布的动态平衡，显著提升了aem水电解、aem二氧化碳还原等系统的电流密度均匀性和长期运行稳定性。

1.一种aem膜电极，其特征在于，包括阴离子交换膜，分别设置于阴离子交换膜两侧面的阳极催化层和阴极催化层；

2.根据权利要求1所述的aem膜电极，其特征在于，当所述阳极催化层呈斑马纹状分布时，其所述活性催化条纹区域的面积与非催化活性条纹区域的面积比为1：（0.05-0.5）。

3.根据权利要求1所述的aem膜电极，其特征在于，当所述阴极催化层呈斑马纹状分布时，其所述活性催化条纹区域的面积与非催化活性条纹区域的面积比为1：（0.05-0.3）。

4.根据权利要求1所述的aem膜电极，其特征在于，所述阳极催化层和阴极催化层均呈斑马纹状分布时，其所述活性催化条纹区域的面积与非催化活性条纹区域的面积比为1：（0.05-0.25）。

5.根据权利要求1所述aem膜电极，其特征在于，所述活性催化条纹的宽度为1-5.5mm，所述非催化活性条纹的宽度为0.3-1mm。

6.根据权利要求1所述aem膜电极，其特征在于，所述阴离子交换膜包括branion阴离子交换膜、versiogen阴离子交换膜或fumatech faa-3阴离子交换膜；

7.根据权利要求1所述aem膜电极，其特征在于，所述阳极催化剂包括镍铁基催化剂、iro2和ruo2中的一种或多种；

8.权利要求1-7任一项所述aem膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述aem膜电极的制备方法，其特征在于，所述基底包括离型膜或ptfe薄膜；