一种适配激光打印PEM电解槽的介孔耐酸催化材料及其制备方法与流程

本发明涉及氢能装备及电解水制氢材料，具体涉及质子交换膜（pem）电解槽催化材料制备技术，尤其适用于纳米级激光打印工艺的pem电解槽阳极（oer）与阴极（her）介孔耐酸催化材料及其制备方法。

背景技术：

1、pem电解槽催化层的高精度制备与长周期稳定性，受到催化剂介孔结构、耐酸稳定性及纳米级分散状态等因素的共同影响。其中，适当的介孔结构有利于强化传质，耐酸稳定性关系到催化层的长期运行，催化剂的颗粒尺寸及分散状态则可能影响激光图案化制备精度。

2、当前主流pem催化材料以贵金属基材料为主。阳极ir基催化剂（如iro2、ir-ta-o）部分存在颗粒结构致密、介孔通道不足及传质阻力较大等问题，长期运行过程中的ir损失（包括溶出、迁移、颗粒脱离等）对催化剂活性层的结构完整性等方面会造成显著负面影响；阴极pt基催化剂（如pt/c、pt-co合金）虽能负载于碳载体，但碳载体在酸性高电位下易发生氧化腐蚀，导致pt颗粒脱落，且催化剂无定向介孔结构，气泡滞留问题较为突出。

3、现有介孔催化材料可通过硬模板法、软模板法、结构重构法等方式制备。其中，部分硬模板法采用sio2等材料作为模板，通常包括模板制备、前驱体引入及模板去除等步骤，工艺过程相对复杂，并可能涉及腐蚀性试剂的使用及相应的废液处理。所得介孔结构在激光打印高温定影中易发生坍塌，介孔保留率较低，无法持续强化传质并适配纳米级打印精度（10~80nm线宽）。

4、在采用激光辅助沉积、激光直写或激光诱导转移等方式制备催化层时，催化剂的一次颗粒尺寸、表面性质、分散稳定性及材料体系的流变性能，均可能影响材料的输送、转移、沉积及图案形貌。现有催化剂在分散体系中容易发生团聚，难以同时兼顾介孔结构、运行稳定性及精细化激光图案制备需求。

5、相关现有技术可参考专利文献cn 116397265 a（用于pem水电解的阳极催化层及其制备方法、膜电极）、cn 109860633 a（一种有序介孔催化层及膜电极的制备方法和用途）与《joule》dynamic template reconstruction induced mesoporous iridium catalystsfor high-current-density pemwe（doi.org/10.1016/j.joule.2025.102058）。

6、综上，现有pem电解槽催化材料制备技术，在介孔结构构建及保持、阳极和阴极催化材料稳定性及激光图案化制备适配性等方面仍存在进一步改进空间。因此，有必要研究一种兼顾介孔传质、材料稳定性和激光图案化制备需求的催化材料组合及其制备方法。

技术实现思路

1、针对“纳米级激光打印pem催化层”技术中介孔结构稳定性、耐酸特性与打印适配性之间的协同问题，本发明提出以下技术思路：①构建“激光打印-酸性工况”双稳定的介孔结构；②实现催化剂粒径≤10nm且分散均匀，满足10~80nm打印精度；③同步强化阳极ir基与阴极pt基催化剂的耐酸稳定性。具体地，采用f127软模板剂替代硬模板，通过“自组装-低温焙烧”形成有序介孔，且模板易去除；引入ta/nb（阳极）、氮掺杂碳纳米管（阴极），通过固溶体与异质界面强化耐酸稳定性；通过“络合调控-超声分散-表面电荷修饰”，将催化剂粒径控制在3~8nm。基于此，提出“软模板介孔构建+多元掺杂耐酸改性+纳米分散调控”的催化材料及制备方案。

2、综合以上，本发明的目的是解决现有pem电解槽催化材料存在的介孔结构不稳定、耐酸性能差、纳米级激光打印（10~80nm线宽）兼容性不足的问题，提出一种适配纳米级激光打印的介孔耐酸催化材料及其制备方法，实现催化材料“介孔传质-耐酸稳定-纳米打印”的协同优化，提升pem电解槽制氢效率与寿命。

3、为此，本发明采用以下技术方案：

4、第一方面，本发明提供一种适配激光打印pem电解槽的介孔耐酸催化材料，包括阳极介孔ir-ta-nb-f催化材料和阴极介孔pt-n-cnt催化材料。

5、进一步地，阳极介孔ir-ta-nb-f催化材料：以为金属源，f127为软模板，nh4f为氟源（调控介孔孔径），形成比表面积较大的有序介孔结构，通过激光打印定影，在酸性环境中具有较高保留率。

6、进一步地，阴极介孔pt-n-cnt催化材料：以为pt源，氮掺杂碳纳米管（n-cnt）为载体，f127为软模板，将pt颗粒均匀负载于n-cnt介孔通道内，以提升介孔传质效率，降低n-cnt氧化腐蚀率。

7、第二方面，本发明提供上述适配激光打印 pem 电解槽的介孔耐酸催化材料的制备方法，包括上述阳极催化材料的制备和上述阴极催化材料的制备：

8、所述阳极催化材料的制备包括以下步骤：

9、自组装与络合：将溶于去离子水，搅拌加入柠檬酸，调节ph至3.0，水浴搅拌；加入f127与nh4f，继续搅拌形成介孔自组装溶液；

10、干燥成型：将溶液转入真空干燥箱，干燥得到介孔干凝胶；

11、低温焙烧：将干凝胶放入管式炉，空气氛围下升温并保温，去除f127软模板，自然冷却至室温；

12、后处理：去离子水超声清洗，去除残留盐分，干燥得到介孔ir-ta-nb-f催化材料，粒径5~8nm，介孔孔径2~5nm；

13、所述阴极催化材料的制备包括以下步骤：

14、氮掺杂碳纳米管n-cnt预处理：用超声处理n-cnt，n-cnt的介孔孔径3~6nm，用去离子水洗涤至中性并干燥，从而引入羟基，增强pt负载能力；

15、pt负载与表面修饰：将溶于乙二醇，加入预处理后的n-cnt与f127，超声分散；加入naoh调节ph至9.5，油浴回流，还原生成pt纳米颗粒；冷却后加入三氟丙基三甲氧基硅烷，搅拌，进行表面pt修饰；

16、分离提纯：离心分离，收集沉淀，乙醇洗涤并进行真空干燥，得到介孔pt-n-cnt催化材料，pt粒径3~6nm。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、结构与性能协同优化：介孔结构可降低催化层传质阻力，纳米级打印（10~80nm线宽）可提升催化剂分布精度；

19、稳定性显著增强：阳极介孔ir-ta-nb-f催化材料具有长运行周期下较高介孔保留率，且活性衰减低；阴极介孔pt-n-cnt催化材料具有长运行周期下较低pt粒径增长率及n-cnt氧化率，满足pem电解槽长周期运行需求；

20、纳米打印适配性优：催化剂粒径3~8nm，与墨粉组分（tic、全氟磺酸树脂）兼容性强，墨粉粘度稳定，激光打印线宽精准控制在10~80nm，线宽误差≤5%，适配pem电解槽微流道催化层设计；

21、成本与环保优势：软模板法无需强酸蚀刻，环保性提升；介孔结构与纳米分散可降低ir负载量和pt负载量，减少贵金属用量，较硬模板法制备成本偏低。

1.一种适配激光打印 pem 电解槽的介孔耐酸催化材料，其特征在于，阳极催化材料为阳极介孔ir-ta-nb-f催化材料，阴极催化材料为阴极介孔pt-n-cnt催化材料。

2.如权利要求1所述的一种适配激光打印 pem 电解槽的介孔耐酸催化材料，其特征在于，阳极介孔ir-ta-nb-f催化材料以为金属源，为氟源用于调控介孔孔径。

3.如权利要求1所述的一种适配激光打印 pem 电解槽的介孔耐酸催化材料，其特征在于，阴极介孔pt-n-cnt催化材料：以为pt源，氮掺杂碳纳米管n-cnt为载体。

4.一种适配激光打印 pem 电解槽的介孔耐酸催化材料制备方法，其特征在于，包括权利要求1所述的阳极催化材料的制备和权利要求1所述的阴极催化材料的制备；