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氢气是重要的能量载体,也是重要的化工原料。氢气在燃料电池及储能、化学工业及石油化学工业、贵金属冶炼、造船工业等领域具有十分重要的用途。电解水制氢技术是获得高纯度氢气的最为重要的技术手段之一,目前应用最广泛的是碱性电解水技术,具有制氢规模大,投资成本低的优势,但是也存在使用具有腐蚀性电解液、产物纯度低、能量效率低等缺点。与其相比,近年来快速发展的固体电解质(SPE)电解水技术则具有电解池结构紧凑、电流密度高、能量效率高以及可输出超高纯度和高压强的产物气体等优点,被认为是最有发展潜力的一种电解水制氢技术,目前的SPE电极一般是将催化剂粘结(喷涂)在固体电解质的表面,存在由于催化剂结合不够牢固而引起的电极稳定性不高、使用寿命不够长、电解效率仍然偏低等缺点。针对目前SPE电解水技术存在的问题,本论文提出和采用了一种离子交换-还原沉积制备应用于SPE电解池中的新型膜电极(MEA)的方法,制得一种高性能的SPE电解水电极;考察了前驱体的种类、金属沉积量、催化层结构、还原剂等等因素对于电极电解水性能的影响;并采用XRD、ICP-AES、SEM等对电极进行了表征。实验结果表明:还原沉积制备的电极中,催化剂层与固体电解质膜结合十分紧密,催化剂层均匀地分布在固体聚合物膜(PEM)表面,催化层厚度为1-2μm。本文研究发现:在阳极催化层制备中引入铱,可使得形成的催化层具有棉花球状的三维结构;在优化制备条件下制备的电极的阳极层为双金属层结构,Pt载量为1.4 mg/cm2,Ir载量为0.4mg/cm2,阴极层催化剂载量为Pt含量1.0 mg/cm2。在常压和75℃下,双金属层阳极SPE电极的电解电压为1.76 V时,电流密度可达505 mA/cm2,电解效率可高达84%(vs.HHV)。相比之下,纯Pt金属层阳极SPE电极的电解电压高达2.47 V,电解效率仅为60%(vs.HHV)。另外,我们发现具有双金属层阳极的电极具有良好的稳定性,连续5小时电解水测试后,其电解电压基本稳定不变。本论文还研究了串联连接的8片MEA的SPE电解池(催化层面积为270 cm2)的电解水性能和电极稳定性,结果表明在常压、75℃和500 mA/cm2下,电解电压为13.71 V,平均槽电压仅为1.71 V,电解水性能为目前国际上最好的性能之列。8小时连续运行后,电压略有上升(14.16 V),其原因还待进一步的分析研究,最有可能的原因是来自电解池部件,而不是电极本身。总之,本论文采用离子交换-还原沉积法制备出了高性能的固体电解质电解水膜电极,该电极具有催化剂层与固体电解质结合牢固、电解效率高、稳定性好等重要优点,具备良好的实际应用前景。