CN113957454B - 一种水电解制氢用双层电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水电解制氢用双层电极及其制备方法和应用，其中水电解制氢用双层电极，包括集电体；所述集电体表面设有至少一层氢/氧发生多孔催化层，氢/氧发生多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的氢/氧发生催化剂颗粒；最外层的氢/氧发生多孔催化层表面设有至少一层气体除杂多孔催化层，气体除杂多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的气体除杂催化剂颗粒。本发明所述的水电解制氢用双层电极，具有电催化、气体扩散和气体纯化的功能，能够节省电解槽空间，降低能耗，提高波动性电力输入下的设备稳定性。
Description
技术领域
本发明属于氢能技术领域，尤其涉及一种水电解制氢用双层电极及其制备方法和应用。
背景技术
用可再生能源发电进行电解水制氢是一种绿色、清洁的氢气生产方式，是未来氢能产业发展的主流技术选择。目前电解水制氢技术的主要问题在于单位制氢电耗过高和对波动性可再生能源的适应性不强。
电解水制氢的电极是电化学反应发生的场所，对制氢能耗和波动适应性起到决定性的作用。目前，电解水制氢的电极一般由集电体和电极催化层组成，集电体为具有一定强度的导电材料，催化层为具有催化活性的颗粒，通过涂覆、沉积等方式负载在集电体表面。催化层负载过程中，往往伴随着颗粒的聚结，造成活性位点的损失以及传质阻力，导致电耗升高；气体产生过程中，气泡对催化层的冲击会造成催化层脱落，尤其是在波动性可再生能源输入的条件下，气体产量的不稳定性增加，会造成催化层脱落和活性位点损失。另外，气体在电极和隔膜之间会形成气阻，造成电耗的提升。
在波动性可再生能源输入下，气体产量和纯度的不稳定性增加，从安全上对隔膜的阻气效果提出了更高的要求。目前，在30％低负荷运行时，电解槽产生的氧气中氢气杂质的含量可增加到满负荷运行时的5到10倍。为了适应波动工况的需求，需对电解槽产品气体的过膜掺混进行控制。隔膜的阻气效果一般与膜厚度成正比，但是增加隔膜厚度会造成隔膜电阻增加，提升整体电耗，也会导致电解槽体积增大，尤其是在大规模电解槽中，不利于电解制氢设备的大型化发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种水电解制氢用双层电极，由于在集电体上依次设置了采用导电多孔载体骨架的氢/氧发生多孔催化层和气体去除多孔催化层，使得整个电极具有电催化、气体扩散和气体纯化的功能，能够节省电解槽空间，降低能耗，提高波动性电力输入下的设备稳定性。
本发明的第二个目的在于提出一种制备水电解制氢用双层电极的方法。
本发明的第三个目的在于提出又一种制备水电解制氢用双层电极的方法。
本发明的第四个目的在于提出一种电解制氢单元。
本发明的第五个目的在于提出一种水电解制氢***。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种水电解制氢用双层电极，包括集电体；所述集电体表面设有至少一层氢/氧发生多孔催化层，氢/氧发生多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的氢/氧发生催化剂颗粒；最外层的氢/氧发生多孔催化层表面设有至少一层气体除杂多孔催化层，气体除杂多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的气体除杂催化剂颗粒。
另外，根据本发明上述实施例提出的水电解制氢用双层电极还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，当氢/氧发生多孔催化层的层数在2层以上时，各层氢/氧发生多孔催化层的催化剂负载量和孔容从靠近集电体的方向到靠近气体除杂多孔催化层的方向依次降低。
在本发明的一个实施例中，当气体除杂多孔催化层的层数在2层以上时，各气体除杂多孔催化层的催化剂负载量从靠近氢/氧发生多孔催化层的方向向远离氢/氧发生多孔催化层的方向依次升高，孔容依次降低。
在本发明的一个实施例中，气体除杂多孔催化层的孔容低于氢/氧发生多孔催化层的孔容。
在本发明的一个实施例中，氢/氧发生多孔催化层的孔容范围为1000-2000mm3/g，平均孔径范围为10-20纳米。
在本发明的一个实施例中，气体除杂多孔催化层的孔容范围为500-1500mm3/g，平均孔径范围为2-8纳米。
在本发明的一个实施例中，氢/氧发生多孔催化层的催化剂负载量在3-15wt％之间，气体除杂多孔催化层的催化剂负载量在1-8wt％之间。
在本发明的一个实施例中，气体除杂多孔催化层的表面接触角为100-150度。
在本发明的一个实施例中，集电体为平板状。
在本发明的一个实施例中，氢/氧发生多孔催化层和气体除杂多孔催化层的导电多孔载体均为三维石墨烯气凝胶或导电二维MOF材料。
在本发明的一个实施例中，氢/氧发生催化剂颗粒为Ni-Fe双金属颗粒，气体除杂催化剂颗粒为Pt-Pd纳米颗粒。
本发明第二方面的实施例提出了一种制备如上所述的水电解制氢用双层电极的方法，包括在氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体上负载氢/氧发生催化剂颗粒形成氢/氧发生多孔催化层的步骤；在气体除杂多孔催化层导电多孔载体上负载气体除杂催化剂颗粒形成气体除杂多孔催化层的步骤；将氢/氧发生多孔催化层、集电体和气体除杂多孔催化层组装在一起的步骤。
在本发明的一个实施例中，上述制备方法还包括制备氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体和/或气体除杂多孔催化层导电多孔载体的步骤。
以氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体三维石墨烯气凝胶为例，其制备采用水热法、冷冻干燥法和热还原法，具体为：
将氧化石墨烯和抗坏血酸共混于水中，充分分散，然后将混合液置于带有活塞的玻璃瓶中，密封后在80℃下反应3-4h。氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的质量分数为1-3％，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为1：2-3；混合液占玻璃瓶总容积的1/4-1/3。随后，将获得的氧化石墨烯水凝胶用水清洗3-5次，用液氮干燥10-15分钟，然后放入冷冻干燥器冻干12h。最后，将冻干后的氧化石墨烯气凝胶放于管式炉中，在5-10％H2/N2还原气氛下升温到1000-1300℃，维持2h，获得还原氧化石墨烯气凝胶。
需要说明的是，当以三维石墨烯气凝胶作为气体除杂多孔催化层的导电载体时，其制备方法与氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体三维石墨烯气凝胶的制备方法类似，但氧化石墨烯的质量分数是前者的1.5-3倍。
在本发明的一个实施例中，上述制备方法中，当氢/氧发生多孔催化层或气体除杂多孔催化层的层数在2层以上时，以已经制备好的前一层氢/氧发生多孔催化层或气体除杂多孔催化层为基底，重复形成氢/氧发生多孔催化层的步骤或形成气体除杂多孔催化层的步骤制备新的氢/氧发生多孔催化层或体除杂多孔催化层。
本发明第三方面的实施例提出了一种制备如上所述的水电解制氢用双层电极的方法，包括将氢/氧发生多孔催化层载体形成在集电体上，并在氢/氧发生多孔催化层载体导电多孔载体上负载氢/氧发生多孔催化层纳米颗粒，获得氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体的步骤；以氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体为基体，氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体的氢/氧发生多孔催化层一侧表面形成气体除杂多孔催化层导电多孔载体，并在气体除杂多孔催化层导电多孔载体上负载气体除杂多孔催化层纳米颗粒的步骤。
在本发明的一个实施例中，上述方法还包括制备氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体和/或气体除杂多孔催化层导电多孔载体的步骤。
以氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体导电二维MOF材料Cu-BHT(苯六硫醇)为例，其制备方法为：
首先，在氩气气氛下，将BHT溶解在二氯甲烷中，BHT浓度为0.24mM。其次，将集电体固定在带密封塞的反应容器内部的支架上，将一份BHT溶液加入密封瓶中，溶液表面没过集电体约10mm。然后，用等体积的水覆盖以形成油水界面。最后，向水中缓慢加入Cu(NO3)2(5mM)和NaBr(1mM)的混合水溶液，反应1-2h，使导电MOF薄膜在溶液界面上形成。
在本发明的一个实施例中，上述方法中，当氢/氧发生多孔催化层或气体除杂多孔催化层的层数在2层以上时，以已经制备好的前一层氢/氧发生多孔催化层或气体除杂多孔催化层为基底，重复形成氢/氧发生多孔催化层或形成气体除杂多孔催化层的方法制备新的氢/氧发生多孔催化层或体除杂多孔催化层。
本发明第四方面的实施例提出了一种电解制氢单元，包括隔膜；所述隔膜一侧设有阴极双层电极，另一侧设有阳极双层电极；所述阴极双层电极和阳极双层电极均采用如上所述的水电解制氢用双层电极，且所述阴极双层电极的气体去除多孔催化层和阳极双层电极的气体去除多孔催化层均紧邻隔膜。
本发明第五方面的实施例提出了一种水电解制氢***，包括如上所述的水电解制氢用双层电极。
本发明实施例的水电解制氢用双层电极具有如下有益效果：其同时具有电化学催化、气体扩散和气体纯化的功能，能够节省电解槽空间，降低能耗，提高在波动工况下的性能稳定性。具体来说：
(1)双层电极的氢/氧发生催化层和气体除杂催化层均采用导电骨架材料，增加了电子传导性。
(2)双层电极的氢/氧发生多孔催化层具有三维多孔结构，为电催化剂提供了丰富的比表面积，增加了活性位点利用率，能够在相同的金属用量下发挥更佳的催化效能。
(3)氢/氧发生催化层的介孔结构为气体扩散提供了良好条件，可以及时将产生的气体引出体系，避免气体对催化层造成冲击，防止气体滞留造成的额外电阻。
(4)气体除杂催化层能够促使过膜的少量杂质气体与产品气体发生结合反应产生水，从而避免***危险，表面丰富的活性位点能够适应不同电源功率输入下的过膜掺混量，降低了对隔膜厚度的要求，可以采用更薄的隔膜，从而降低隔膜电阻，提高电解槽的紧凑性，有利于电解制氢设备的大型化。
(5)气体除杂催化层具有适宜的表面疏水性，在维持电解液浸润性、保证离子导通率的同时，有利于除杂反应产物的脱除，提高除杂反应效率。
(6)双层电极的梯度催化剂负载量和孔容分布，有利于充分利用催化剂的活性位点，有利于电极侧气体的扩散引出和隔膜侧阻气效果的增强。
(7)利用双层电极还可以省去电解制氢辅助***的纯化单元，从而简化***，降低整体投资。
本发明实施例的电解制氢单元和水电解制氢***与本发明实施例的水电解制氢用双层电极相对于现有技术的优势基本相同，故在此不再赘述。
本发明实施例的水电解制氢用双层电极的制备方法，工艺简单，操作方便。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例1的水电解制氢用双层电极的简单主视结构示意图。
图2是本发明实施例3的水电解制氢用双层电极的简单纵向剖面结构示意图。
图3是本发明实施例2中电解制氢单元的简单主视结构示意图。
附图标记：
1-集电体；2-氢/氧发生多孔催化层；3-气体除杂多孔催化层；100-隔膜；200-阴极双层电极；300-阳极双层电。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
除有定义外，下面实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
如图1所示，一种水电解制氢用双层电极，包括集电体1；所述集电体1表面设有一层氢/氧发生多孔催化层2，氢/氧发生多孔催化层2包括导电多孔载体和分散在载体表面的氢/氧发生催化剂颗粒；最外层的氢/氧发生多孔催化层表面设有一层气体除杂多孔催化层3，气体除杂多孔催化层3包括导电多孔载体和分散在载体表面的气体除杂催化剂颗粒。其中，集电体为平板状不锈钢板；集电体、氢/氧发生多孔催化层和气体除杂多孔催化层通过热压装配在一起；氢/氧发生多孔催化层的导电多孔载体为三维石墨烯气凝胶，氢/氧发生催化剂颗粒为Ni-Fe双金属颗粒，Ni-Fe双金属颗粒的负载量为10wt％；氢/氧发生多孔催化层的孔容范围为1800-2000mm3/g，平均孔径范围为10-20纳米；氢/氧发生多孔催化层的厚度为1.3cm，气体除杂多孔催化层的厚度为0.8cm；气体除杂多孔催化层的导电多孔载体为三维石墨烯气凝胶，气体除杂催化剂颗粒为Pt-Pd纳米颗粒，Pt-Pd纳米颗粒的负载量为3wt％；气体除杂多孔催化层的孔容范围为1300-1500mm3/g，平均孔径范围为3-5纳米；气体除杂多孔催化层的表面接触角为135度。
本实施例的水电解制氢用双层电极的制备方法为：
(1)制备氢/氧发生多孔催化层的导电多孔载体三维石墨烯气凝胶。
三维石墨烯气凝胶的制备方法结合了水热法、冷冻干燥法和热还原法，具体为：
1)将氧化石墨烯和抗坏血酸共混于水中，充分分散，然后将混合液置于带有活塞的玻璃瓶中，密封后在80℃下反应3.5h。氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的质量分数为2％，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为1：2.5；混合液占玻璃瓶总容积的1/3。
2)将获得的氧化石墨烯水凝胶用水清洗4次，用液氮干燥12分钟，然后放入冷冻干燥器冻干12h。
3)将冻干后的氧化石墨烯气凝胶放于管式炉中，在5-10％H2/N2还原气氛下升温到1000-1300℃，维持2h，获得还原氧化石墨烯气凝胶。
(2)在氢/氧发生多孔催化层的导电多孔载体三维石墨烯气凝胶上负载Ni-Fe双金属颗粒，形成氢/氧发生多孔催化层。
Ni-Fe双金属颗粒的负载方法为：
将硝酸镍和硝酸铁和尿素的混合溶液加入装有石墨烯气凝胶的密封反应釜内，溶液浸没石墨烯气凝胶，硝酸镍和硝酸铁的总摩尔浓度为0.9mol/L，镍铁摩尔比为1：1，尿素摩尔浓度为0.6mol/L，溶剂为水和乙醇混合溶剂，体积比为1：1；体系在120℃下反应24h，冷却至室温(25℃)后，将制备的产物用水和乙醇洗涤3次，并在120℃下进一步干燥12h。再将获得的石墨烯气凝胶在管式炉中，在氢气还原气氛下加热到300℃，保持20min，沉积的氧化物纳米颗粒被还原为Ni-Fe双金属纳米颗粒。
(3)制备气体除杂多孔催化层的导电多孔载体三维石墨烯气凝胶。
气体除杂多孔催化层的导电多孔载体三维石墨烯气凝胶的制备方法与氢/氧发生多孔催化层的导电多孔载体三维石墨烯气凝胶的制备方法类似，不同之处在于，氧化石墨烯的质量分数是前者的2倍。
(4)在气体除杂多孔催化层的导电多孔载体三维石墨烯气凝胶上负载Pt-Pd纳米颗粒，形成气体除杂多孔催化层。
Pt-Pd纳米颗粒的负载方法为：
将硝酸铂和硝酸钯和尿素的混合溶液加入装有石墨烯气凝胶的密封反应釜内，溶液浸没石墨烯气凝胶，金属硝酸盐(也即硝酸铂和硝酸钯)的总摩尔浓度为0.9mol/L，金属铂和钯的摩尔比为1：1，尿素摩尔浓度为0.6mol/L，溶剂为水和乙醇混合溶剂，体积比为1：1；体系在120℃下反应24h，冷却至室温(25℃)后，将制备的产物用水和乙醇洗涤3次，并在120℃下进一步干燥12h。将获得的石墨烯气凝胶在管式炉中，在氢气还原气氛下加热到300℃，保持20min，沉积的氧化物纳米颗粒被还原为Pt-Pd双金属纳米颗粒。
(5)装配获得水电解制氢用双层电极。
将获得的氢/氧发生多孔催化层、气体除杂多孔催化层和集电体通过热压组装在一起，即构成双层电极。
需要说明的是，本实施例双层电极的制备过程中，通过调控玻璃瓶尺寸、氧化石墨烯分散液体积可控制催化层尺寸和厚度。使氢/氧发生多孔催化层的厚度在1-1.5cm之间，气体除杂多孔催化层的厚度在0.6-1cm之间。通过调控氧化石墨烯分散液浓度可控制催化层孔容，使氢/氧发生多孔催化层的孔容范围在1000-2000mm3/g之间，气体除杂多孔催化层的孔容范围在500-1500mm3/g之间。
实施例2
如图3所示，一种电解制氢单元，包括隔膜100、阴极双层电极200和阳极双层电极300，且三者通过垫片和螺栓密封固定连接在一起；阴极双层电极200和阳极双层电极300均采用实施例1的水电解制氢用双层电极，且阴极双层电极200的气体除杂多孔催化层紧贴隔膜，阳极双层电极300的气体除杂多孔催化层紧贴隔膜。隔膜厚度为100微米。
将本实施例的电解制氢单元用于水电解制氢***，即可获得本发明实施例的水电解制氢***。
实施例3
本实施例的电解制氢单元与实施例2基本相同，不同之处在于：隔膜厚度为50微米。
对比例1
本对比例的电解制氢单元为普通电解单元，电极为不锈钢板负载Ni-Fe双金属氧化物，Ni-Fe双金属氧化物负载量与实施例2相同。电解液为30wt％KOH水溶液。隔膜厚度为100微米。
将对比例1、实施例2和实施例3的电解制氢单元性能进行了对比，结果如表1所示。
表1电解制氢单元性能对比
| 项目 | 对比例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 氢气纯度(氧中氢，％) | 0.92 | 0.11 | 0.12 |
| 氧气纯度(氢中氧，％) | 0.21 | 0.08 | 0.09 |
| 电解电压(V) | 1.90 | 1.83 | 1.75 |
由表1可以看出，实施例2和实施例3的双层电极的三维电催化界面和气体除杂功能层能够使产气能耗降低，气体纯度更高；更进一步地，电解槽的隔膜厚度可以进一步降低，从而降低了装置电阻，同时达到更高的气体纯度。
针对实施例3研究了低功率负荷对气体纯度的影响，结果见表2。
表2低功率负荷下的气体纯度
由表2可以看出，双层电极的气体除杂多孔催化层能够提供充足的活性位点，在低功率负荷下仍然能够保持高的产气纯度。
实施例4
一种水电解制氢用双层电极，该水电解制氢用双层电极与实施例1基本相同，不同之处在于：
氢/氧发生多孔催化层和气体除杂多孔催化层的导电多孔载体均为导电二维MOF材料Cu-BHT(苯六硫醇)；氢/氧发生多孔催化层的厚度为200-400nm，气体除杂多孔催化层的厚度为10-100nm；氢/氧发生多孔催化层的孔容范围为1300-1500mm3/g，氢/氧发生多孔催化层中催化剂的负载量为8wt％；气体除杂多孔催化层的孔容范围为600-800mm3/g，气体除杂多孔催化层中催化剂的负载量为4wt％；集电体为平板状钛板；集电体、氢/氧发生多孔催化层和气体除杂多孔催化层相邻两层通过化学沉积结合在一起；气体除杂多孔催化层的表面接触角为140度。
本实施例的水电解制氢用双层电极的制备方法如下：
(1)制备氢/氧发生多孔催化层的导电二维MOF材料Cu-BHT(苯六硫醇)。
导电二维MOF材料Cu-BHT(苯六硫醇)的制备方法为：
在氩气气氛下，将BHT溶解在二氯甲烷中，BHT浓度为0.24mM；再将集电体固定在带密封塞的反应容器内部的支架上，将一份BHT溶液加入密封瓶中，使溶液表面没过集电体约10mm；然后用等体积的水覆盖以形成油水界面；然后向水中缓慢加入Cu(NO3)2(5mM)和NaBr(1mM)的混合水溶液；反应1.5h，使导电MOF薄膜在溶液界面上形成。
(2)形成氢/氧发生多孔催化层的导电多孔载体-集电体复合体。
用注射器从反应容器中取出溶液，使导电MOF薄膜沉积在集电体上。随后，在真空条件下干燥12h，使集电体与薄膜充分接触，即可获得氢/氧发生多孔催化层的导电多孔载体-集电体复合体。
(3)在氢/氧发生多孔催化层的导电多孔载体-集电体复合体的导电多孔载体上负载氢/氧发生多孔催化层的Ni-Fe双金属颗粒，形成氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体。
Ni-Fe双金属颗粒的负载方法为：
配制含有硝酸镍、硝酸铁、无水乙醇、盐酸(氯化氢的质量分数为37％)和水的混合液，摩尔比为1：1：15：5：0.02，混合搅拌均匀，在导电MOF载体表面充分浸渍，然后在120度烘箱中加热14h(这里加热时间只要在12h以上都可以)，即可得氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体。
(4)以氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体为基体，在氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体的氢/氧发生多孔催化层表面制备气体除杂多孔催化层的导电二维MOF材料Cu-BHT(苯六硫醇)，形成气体除杂多孔催化层导电多孔载体-氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体。
本步骤中，气体除杂多孔催化层的导电二维MOF材料Cu-BHT(苯六硫醇)的制备方法与氢/氧发生多孔催化层中的合成方法类似，只是基体为负载有氢/氧发生多孔催化层的集电体，在反应容器中氢/氧发生多孔催化层方向向上，使形成的MOF薄膜沉积在氢/氧发生多孔催化层上。本步骤中：反应时间比前者短，为1h；硝酸铜、溴化钠浓度比前者大，分别为7mM和3mM。
(4)在气体除杂多孔催化层导电多孔载体-氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体的气体除杂多孔催化层导电多孔载体上负载气体除杂多孔催化层的催化剂颗粒Pt-Pd纳米颗粒，得水电解制氢用双层电极。
Pt-Pd纳米颗粒的负载方法为：
配制含有硝酸铂、硝酸镍、无水乙醇、盐酸(氯化氢的质量分数为37％)和水的混合液，硝酸铂、硝酸镍、无水乙醇、盐酸和水摩尔比为1：1：15：5：0.02，混合搅拌均匀，在导电MOF载体表面充分浸渍，然后在120度烘箱中加热13h(这里加热时间只要在12h以上都可以)。
需要说明的是，整个制备过程中，通过调控反应容器尺寸、界面反应时间可控制催化层尺寸和厚度。通过调控硝酸铜、溴化钠浓度可控制催化层孔容，使氢/氧发生多孔催化层的孔容范围在1000-2000mm3/g之间，气体除杂多孔催化层的孔容范围在500-1500mm3/g之间。
实施例5
一种电解制氢单元，该水电解制氢单元与实施例2基本相同，不同之处在于：
阴极双层电极200和阳极双层电极300均采用实施例4的水电解制氢用双层电极。
实施例6
本实施例的电解制氢单元与实施例5基本相同，不同之处在于：隔膜厚度为50微米。
对比例2
本对比例的电解制氢单元为普通电解单元，电极为钛板负载Ni-Fe双金属氧化物，Ni-Fe双金属氧化物负载量与实施例4相同。电解液为纯水。膈膜厚度为100微米。
将对比例2、实施例5和实施例6的电解制氢单元的性能进行了对比，结果如表3所示。
表3电解制氢单元性能对比
由表3可以看出，实施例5和实施例6的双层电极的三维电催化界面和气体除杂功能层能够使产气能耗降低，气体纯度更高；更进一步地，电解槽的隔膜厚度可以进一步降低，从而降低了装置电阻，同时达到更高的气体纯度。
对实施例6，研究了低功率负荷对气体纯度的影响，结果见表4。
表4低功率负荷下的气体纯度
| 功率负荷，％ | 20 | 30 | 40 |
| 氢气纯度(氧中氢，％) | 0.14 | 0.14 | 0.14 |
| 氧气纯度(氢中氧，％) | 0.09 | 0.09 | 0.09 |
由表4可以看出，双层电极的气体除杂多孔催化层能够提供充足的活性位点，在低功率负荷下仍然能够保持高的产气纯度。
实施例7
如图2所示，一种水电解制氢用双层电极，其与实施例4基本相同，不同之处在于：
集电体表面设有3层氢/氧发生多孔催化层，最外层的氢/氧发生多孔催化层表面设有2层气体除杂多孔催化层。各层氢/氧发生多孔催化层的催化剂负载量和孔容从靠近集电体的方向到靠近气体除杂多孔催化层的方向依次降低。从集电体方向到气体除杂多孔催化层所在方向的3层氢/氧发生多孔催化层的催化剂负载量分别为10wt％、8wt％、6wt％，孔容分别为2000mm3/g、1500mm3/g、1000mm3/g。各气体除杂多孔催化层的催化剂负载量从靠近氢/氧发生多孔催化层的方向向远离氢/氧发生多孔催化层的方向依次升高，孔容依次降低。从靠近氢/氧发生多孔催化层方向向远离氢/氧发生多孔催化层方向的2层气体除杂多孔催化层的催化剂负载量分别为2wt％、4wt％，孔容分别为800mm3/g、600mm3/g。
本实施例的水电解制氢用双层电极的制备方法与实施例4基本相同，不同之处在于：
3层氢/氧发生多孔催化层和2层气体除杂多孔催化层均可通过单层催化层制备后，以单层催化层为基底进行制备的简单重复来获得，通过制备过程参数(反应物浓度，接触时间等)调控来实现催化剂负载量和孔容的变化。
综上，本发明实施例的水电解制氢用双层电极，其具有集电体，贴近集电体设有氢/氧发生多孔催化层，可起到催化氢氧发生反应、引导气体扩散的作用；贴近氢/氧发生多孔催化层(使用过程中也贴近隔膜)的气体去除多孔催化层，起到过膜杂质气体去除的作用；氢/氧发生多孔催化层和气体去除多孔催化层均采用导电多孔载体骨架，具有良好的导电性；氢/氧发生多孔催化层提供了丰富的表面活性位点和气体扩散孔道，有利于消除气阻，降低电耗；气体去除催化层可保证了产气的纯度，降低了对隔膜厚度的要求，可采用更薄的隔膜，降低隔膜电阻。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种水电解制氢用双层电极，其特征在于，包括集电体；所述集电体表面设有至少一层氢/氧发生多孔催化层，氢/氧发生多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的氢/氧发生催化剂颗粒；最外层的氢/氧发生多孔催化层表面设有至少一层气体除杂多孔催化层，气体除杂多孔催化层包括导电多孔载体和分散在载体表面的气体除杂催化剂颗粒；
氢/氧发生多孔催化层和气体除杂多孔催化层的导电多孔载体均为三维石墨烯气凝胶或导电二维MOF材料；
氢/氧发生催化剂颗粒为Ni-Fe双金属颗粒，气体除杂催化剂颗粒为Pt-Pd纳米颗粒；
气体除杂多孔催化层的孔容低于氢/氧发生多孔催化层的孔容；氢/氧发生多孔催化层的孔容范围为1000-2000mm3/g，平均孔径范围为10-20纳米；气体除杂多孔催化层的孔容范围为500-1500mm3/g，平均孔径范围为2-8纳米；
氢/氧发生多孔催化层的催化剂负载量在3-15wt％之间，气体除杂多孔催化层的催化剂负载量在1-8wt％之间。
2.根据权利要求1所述的水电解制氢用双层电极，其特征在于，当氢/氧发生多孔催化层的层数在2层以上时，各层氢/氧发生多孔催化层的催化剂负载量和孔容从靠近集电体的方向到靠近气体除杂多孔催化层的方向依次降低。
3.根据权利要求1所述的水电解制氢用双层电极，其特征在于，当气体除杂多孔催化层的层数在2层以上时，各气体除杂多孔催化层的催化剂负载量从靠近氢/氧发生多孔催化层的方向向远离氢/氧发生多孔催化层的方向依次升高，孔容依次降低。
4.根据权利要求1所述的水电解制氢用双层电极，其特征在于，集电体为平板状。
5.一种制备如权利要求1至4任意一项所述的水电解制氢用双层电极的方法，其特征在于：包括在氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体上负载氢/氧发生催化剂颗粒形成氢/氧发生多孔催化层的步骤；在气体除杂多孔催化层导电多孔载体上负载气体除杂催化剂颗粒形成气体除杂多孔催化层的步骤；将氢/氧发生多孔催化层、集电体和气体除杂多孔催化层组装在一起的步骤；
和/或，还包括制备氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体和/或气体除杂多孔催化层导电多孔载体的步骤；
和/或，当氢/氧发生多孔催化层或气体除杂多孔催化层的层数在2层以上时，以已经制备好的前一层氢/氧发生多孔催化层或气体除杂多孔催化层为基底，重复形成氢/氧发生多孔催化层的步骤或形成气体除杂多孔催化层的步骤制备新的氢/氧发生多孔催化层或体除杂多孔催化层。
6.一种制备如权利要求1至4任意一项所述的水电解制氢用双层电极的方法，其特征在于：包括将氢/氧发生多孔催化层载体形成在集电体上，并在氢/氧发生多孔催化层载体导电多孔载体上负载氢/氧发生多孔催化层纳米颗粒，获得氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体的步骤；以氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体为基体，氢/氧发生多孔催化层-集电体复合体的氢/氧发生多孔催化层一侧表面形成气体除杂多孔催化层导电多孔载体，并在气体除杂多孔催化层导电多孔载体上负载气体除杂多孔催化层纳米颗粒的步骤；
和/或，还包括制备氢/氧发生多孔催化层导电多孔载体和/或气体除杂多孔催化层导电多孔载体的步骤；
和/或，当氢/氧发生多孔催化层或气体除杂多孔催化层的层数在2层以上时，以已经制备好的前一层氢/氧发生多孔催化层或气体除杂多孔催化层为基底，重复形成氢/氧发生多孔催化层或形成气体除杂多孔催化层的方法制备新的氢/氧发生多孔催化层或体除杂多孔催化层。
7.一种电解制氢单元，其特征在于：包括隔膜；
所述隔膜一侧设有阴极双层电极，另一侧设有阳极双层电极；
所述阴极双层电极和阳极双层电极均采用如权利要求1至4任意一项所述的水电解制氢用双层电极，且所述阴极双层电极的气体去除多孔催化层和阳极双层电极的气体去除多孔催化层均紧邻隔膜。
8.一种水电解制氢***，其特征在于：包括如权利要求1至4任意一项所述的水电解制氢用双层电极。
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