气体扩散电极

气体扩散电极(GDE)是一种结合了固体、液体和气体界面以及支持液相和气相之间的电化学反应的导电催化剂的电极。

气体扩散电极用于燃料电池，其中氧气和氢气在气体扩散电极处反应形成水，同时将化学键能转化为电能。通常将催化剂固定在多孔箔中，以便液体和气体相互作用。除了这些润湿特性之外，气体扩散电极当然必须提供最佳的电导率，以实现具有低欧姆电阻的电子传输。气体压力p与孔隙系统中的液体在孔隙半径r、液体的表面张力γ和接触角θ上有关。由于存在太多未知或难以实现的参数，因此该等式将作为确定的指导。当考虑表面张力时，必须考虑固体和液体表面张力的差异。但是催化剂的表面张力，如碳或银上的铂，很难测量。平面上的接触角可以用显微镜确定。然而，无法检查单个孔，因此有必要确定整个电极的孔系统。因此，为了创建用于液体和气体的电极区域，可以选择路径以创建不同的孔隙半径r，

在这张烧结电极的图像中，可以看出使用了三种不同的晶粒尺寸。不同的层是：

• 顶层细颗粒材料
• 来自不同组的层
• 粗粒料气体分布层

从1950年到1970年用烧结法制造的大多数电极用于燃料电池。出于经济原因，这种类型的生产被放弃了，因为电极又厚又重，通常厚度为2毫米，而各个层必须非常薄且没有缺陷。销售价格过高，无法连续生产电极。

该图说明了气体扩散的原理。所谓的气体分布层位于电极的中间。只需很小的气压，电解质就会从这个孔隙系统中置换出来。小的流阻确保气体可以在电极内部自由流动。在稍高的气压下，孔隙系统中的电解质被限制在工作层中。表面层本身有如此细的孔，即使在压力达到峰值时，气体也不能通过电极流入电解液。这种电极是通过分散和随后的烧结或热压制成的。为了生产多层电极，将细粒材料分散在模具中并进行平滑处理。然后，将其他材料多层施加并施加压力。

大约从1970年开始，PTFE被用于生产既具有亲水性又具有疏水性的电极，同时具有化学稳定性，并可用作粘合剂。这意味着，在PTFE比例高的地方，没有电解质可以渗透到孔隙系统中，反之亦然。在那种情况下，催化剂本身应该是非疏水的。

生产PTFE催化剂混合物有两种技术变化：

• 分散水、聚四氟乙烯、催化剂、乳化剂、增稠剂...
• PTFE粉末和催化剂粉末的干混合物

分散路线主要选择用于具有聚合物电解质的电极，如在质子交换膜燃料电池（PEM燃料电池）和质子交换膜（PEM）或盐酸（HCL）膜电解中成功引入。当用于液体电解质时，干法工艺更为合适。此外，在分散路线中（通过水的蒸发和PTFE在340°C下的烧结），机械压制被跳过并且生产的电极非常多孔。使用快速干燥方法，会在电极中形成裂缝，这些裂缝会被液体电解质穿透。对于具有液体电解质的应用，例如锌空气电池或碱性燃料电池，使用干混法。

在酸性电解质中，催化剂通常是贵金属，如铂、钌、铱和铑。在碱性电解质中，如锌空气电池和碱性燃料电池，通常使用较便宜的催化剂，如碳、锰、银、镍泡沫或镍网。

最初，固体电极用于Grove电池，FrancisThomasBacon是xxx个将气体扩散电极用于Bacon燃料电池的人，将高温下的氢气和氧气转化为电能。

多年来，气体扩散电极已适用于各种其他工艺，例如：

• 自1980年以来的锌空气电池
• 自1990年以来的镍氢电池
• 废盐酸电解制氯
• 氯碱法

近年来，使用气体扩散电极电化学还原二氧化碳是一个蓬勃发展的研究课题。

气体扩散电极产生于所有级别。它不仅用于研发公司，还用于大型公司以及膜电极组件(MEA)的生产，该组件在大多数情况下用于燃料电池或电池设备。专门从事GDE大批量生产的公司包括JohnsonMatthey、Gore和Gaskatel。然而，有许多公司生产定制的或少量的GDE，也允许评估不同的形状、催化剂和负载，其中包括FuelCellStore、FuelCellsEtc等。