一种一步法电化学合成氨电极及其制备方法和应用与流程

本技术属于电化学合成氨，涉及一种一步法电化学合成氨电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电化学合成氨技术作为一种温和条件下（常温常压）实现氨合成的绿色技术，避免了传统哈伯法高温高压的苛刻条件，具有能耗低、环保无污染、设备简单等显著优势，在新能源与绿色化工领域具有广阔的应用前景。电极作为电化学合成氨电池的核心组件，其性能直接决定了电池的合成效率、选择性及长期运行稳定性。

2、目前，电化学合成氨电极的制备多采用涂覆、溅射等传统工艺，将催化剂负载于导电基底表面形成电极结构。但此类方法制备的电极存在明显缺陷：一方面，电极表面的催化剂层易脱落、粉化，导致电极活性持续衰减；另一方面，现有多孔电极的阻隔性能不足，易出现电解液渗漏、气体交叉渗透等问题，影响电池的长期稳定运行。

3、因此，亟需设计一种一步法电化学合成氨电极及其制备方法，克服现有技术缺陷，以满足实际应用需求。

技术实现思路

1、针对现有电化学合成氨电极阻隔效果不佳、催化剂易脱落、电池运行稳定性不足等问题，本技术的目的在于提供一种一步法电化学合成氨电极及其制备方法和应用，通过建立阻隔层，强化电极的传质与压力稳定性。

2、为达此目的，本技术采用以下技术方案：

3、第一方面，本技术提供了一种一步法电化学合成氨电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

4、（1）对多孔导电基底进行预处理操作，得到预处理基底；

5、（2）对步骤（1）得到的预处理基底进行电沉积处理，形成催化剂层，得到催化电极；

6、（3）将聚四氟乙烯分散液、全氟磺酸树脂溶液、超纯水和乙醇混合，经搅拌处理和超声分散处理，得到粘结剂浆料；

7、（4）将步骤（3）的粘结剂浆料喷涂于步骤（2）得到的催化电极的催化剂层表面；

8、（5）在阻隔层的至少一个表面喷涂步骤（3）的粘结剂浆料，得到预处理阻隔层；

9、（6）将步骤（5）中的预处理阻隔层放置于步骤（4）得到的催化电极的表面，经热压处理，得到一步法电化学合成氨电极。

10、作为本技术一种可行的技术方案，步骤（1）中，所述多孔导电基底的材质包括钛毡、不锈钢网、碳纸、泡沫镍、钛网、泡沫铜、泡沫银或多孔不锈钢中的任意一种。

11、作为本技术一种可行的技术方案，所述预处理操作包括对多孔导电基底依次进行清洗预处理、干燥处理和蚀刻活化处理。

12、作为本技术一种可行的技术方案，清洗预处理包括对多孔导电基底依次进行有机溶剂清洗、醇溶剂清洗和去离子水清洗。

13、作为本技术一种可行的技术方案，所述蚀刻活化处理采用酸性溶液或碱性溶液进行。

14、作为本技术一种可行的技术方案，所述蚀刻活化处理采用酸性溶液进行。

15、作为本技术一种可行的技术方案，所述酸性溶液为硫酸溶液。

16、作为本技术一种可行的技术方案，所述硫酸溶液的浓度为0.1mol/l~1mol/l。

17、作为本技术一种可行的技术方案，所述蚀刻活化处理的时间为30min~40min。

18、作为本技术一种可行的技术方案，步骤（2）中，所述电沉积处理包括阴极电沉积处理和阳极电沉积处理。

19、作为本技术一种可行的技术方案，所述阴极电沉积处理按照如下方式进行：

20、以铜板作为对电极，在含铜电沉积液中进行电化学沉积，铜基阴极催化剂沉积于预处理基底的表面和/或孔隙内，得到阴极催化电极。

21、作为本技术一种可行的技术方案，所述阳极电沉积处理按照如下方式进行：

22、以惰性板体作为对电极，在含铂前驱体和金前驱体的混合电沉积液中进行电化学沉积，铂和金共同沉积于预处理基底的表面和/或孔隙内，得到阳极催化电极。

23、作为本技术一种可行的技术方案，所述铜基阴极催化剂的载量为0.3mg/cm2~2mg/cm2。

24、作为本技术一种可行的技术方案，所述铜基阴极催化剂至少部分沉积于所述预处理基底的内部孔隙中，并在所述预处理基底的表面形成连续的致密结合层。

25、作为本技术一种可行的技术方案，所述混合电沉积液中铂元素和金元素的摩尔比为(1~3):1。

26、作为本技术一种可行的技术方案，所述阳极催化电极的催化剂层包括铂/金双金属颗粒、铂/金合金颗粒和铂颗粒与金颗粒的复合物中的任意一种或至少两种及以上的组合。

27、作为本技术一种可行的技术方案，步骤（3）中，所述聚四氟乙烯分散液的固含量为20%~30%。

28、作为本技术一种可行的技术方案，所述全氟磺酸树脂溶液为nafiond520溶液。

29、作为本技术一种可行的技术方案，所述聚四氟乙烯分散液、所述全氟磺酸树脂溶液、所述超纯水和所述乙醇的质量比为1:5:(5~20):(5~20)。

30、作为本技术一种可行的技术方案，所述搅拌处理的时间为5min~6min。

31、作为本技术一种可行的技术方案，所述超声分散处理的时间为30min~40min。

32、作为本技术一种可行的技术方案，步骤（4）中，所述粘结剂浆料采用超声喷涂的方式喷涂于阴极催化电极的催化剂层表面和/或阳极催化电极的催化剂层表面。

33、作为本技术一种可行的技术方案，所述粘结剂浆料的喷涂量为0.1ml/cm2~2ml/cm2。

34、作为本技术一种可行的技术方案，步骤（5）中，所述阻隔层的厚度为10μm~400μm。

35、作为本技术一种可行的技术方案，所述粘结剂浆料在所述阻隔层表面的喷涂量为2ml/cm2~5ml/cm2。

36、作为本技术一种可行的技术方案，所述阻隔层为具有离子传导能力和液体阻隔能力的聚合物膜、多孔聚合物膜、离子交换膜或聚合物复合膜中的任意一种。

37、作为本技术一种可行的技术方案，步骤（6）中，所述热压处理的温度为100℃~160℃。

38、作为本技术一种可行的技术方案，所述热压处理的压力为3mpa~10mpa。

39、作为本技术一种可行的技术方案，所述热压处理的时间为1min~20min。

40、作为本技术一种可行的技术方案，所述热压处理前，需将平板热压机进行预热。

41、作为本技术一种可行的技术方案，所述预处理阻隔层设置于所述阴极催化电极与电解液之间和/或设置于所述阳极催化电极与电解液之间。

42、第二方面，本技术提供了一种一步法电化学合成氨电极，所述一步法电化学合成氨电极采用第一方面所述的制备方法制备得到，所述一步法电化学合成氨电极包括：

43、多孔导电基底；

44、分布于所述多孔导电骨架基底的表面和/或孔隙内的催化剂；

45、分布于所述催化剂表面和/或内部孔隙的粘结剂；

46、以及热压复合于所述催化剂表面的预处理阻隔层；

47、其中，所述多孔导电基底、所述催化剂、所述粘结剂和所述预处理阻隔层形成一体化复合结构。

48、第三方面，本技术提供了一种第二方面所述的一步法电化学合成氨电极的应用，所述一步法电化学合成氨电极用于电化学合成氨的技术领域。

49、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本技术的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本技术的范围。本技术的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

50、与现有技术相比，本技术的有益效果为：

51、本技术通过电沉积催化剂层、复合粘结剂界面处理及保压热压工艺，提高电化学合成氨装置中催化剂层与多孔导电基底及阻隔层之间的结合稳定性，降低界面接触阻力，并改善电极的传质性能、抗剥离性能和运行稳定性。