Pt-Ag催化剂的制备及其在SPE电极上的应用文献综述

 2021-09-25 08:09

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文献综述

1前言

1.1课题背景

氢能作为一种清洁、高效能源日益受到人们广泛的重视。寻找一种廉价,高效和稳定的最佳制氢方法是氢能源商业化应用的关键。固体聚合物电解质(SPE)电解水制氢技术具有效率高、能耗低、电解质性能稳定、安全可靠等优点,在军事、能源、工业、科研等方面用途广泛且发展潜力很大。然而由于SPE膜电极催化剂成本较高,目前为止电解水制氢仍无法达到大规模工业化产氢要求。

本文选择了浸渍-还原法制备SPE膜电极上所采用的铂催化层,研究了主要工艺条件对铂催化层结构与SPE电极电解水效率的影响,寻找最佳工艺条件;讨论了掺杂元素对催化层结构和SPE电极电解效率的影响。最后,应用本论文结果制备了小批量SPE电极,并与产业化企业合作制备太阳能制氢技术应用项目中的氢能系统电极和商业化示范系统。

1.2电解水制氢技术

SPE(固体聚合物电解质)电解水制氧(氢)技术,即质子交换膜电解水制氧(氢)技术,融反应与分离为一体,具有很高的能量效率。SPE电解水制氧(氢)技术核心是SPE电解槽,它由膜-电极组件、集电器、框架和密封垫等组成。膜-电极组件是SPE电解水技术的核心部件之一,其性能直接决定着整个电解槽的性能和寿命,目前膜-电极组件的制备方法主要有:离子溅射法,热压法,刷涂法,化学沉积法,浸渍-还原法。在几种制备方法中,浸渍-还原法具有制备的催化层与膜结合牢固,均匀致密,界面电阻低,催化剂担载量较低,且工艺简单,易操作等优点,因此本文采用浸渍-还原法作为膜-电极组件的制备方法。其中催化剂是反应顺利进行的关键,是目前研究的重点所在。目前常见的催化剂是铂催化剂。在此基础上复合镀上Pt-Ag催化剂层,研究Pt-Ag催化剂中两种金属的比例对SPE电解水效率的影响。

SPE电解槽是由若干个电解小室以双极压滤型式串联组成的。电解小室又由电极、喷涂铂族金属催化剂的质子交换膜、密封垫等组成。质子交换膜主要是由全氟磺酸质子交换膜构成。各小室由端板和拉紧螺杆压紧。电解槽设有O2/H2O出口、氮气吹扫口、H2/H2O出口和去离子水进口。电解槽是制氢系统的核心部件,辅助设备还包括氢和氧分离器、循环泵、给水和去离子水设备、热交换器和电源以及控制面板等。

当向电解槽质子交换膜的阳极供给去离子水并通以直流电时,水就被电解,在阳极上产生氧气,阳极上产生的质子通过质子交换膜传导并与阴极上产生的电子结合形成氢气。

在阳极上析出的氧气夹带着水离开阳极进入氧分离器,在分离器中靠着重力与水分离,分离出的氧气储存待用或者是放空。阴极上析出的氢气和水的混合流同样进入氢分离器/冷却器,氢气靠重力与水分离,分离后的氢气仍夹带着少量的水份,需进入干燥器(如需要的话)进一步吸附氢气中的水份,直到达到所要求的露点。分离后的水在控制状态下返回循环泵的吸入侧。

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