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本发明提供了一种气体扩散层及其制备方法和应用,所述制备方法包括以下步骤:(1)将硅源和醇溶剂混合得到溶液A,将氨水和醇溶剂混合得到溶液B,将溶液A和溶液B混合,加入引发剂并调节pH得到二氧化硅溶胶;(2)将二氧化硅溶胶和聚乙烯醇混合,加入碳纳米管复合材料,经超声分散处理,得到复合凝胶;(3)将步骤(2)所述复合凝胶涂覆在基体层表面,经过干燥、固化、烧结得到气体扩散层;其中,步骤(1)所述硅源包括甲基三乙氧基硅烷(MEOS)、硅烷偶联剂和正硅酸乙酯,本发明采用特定的硅源制成二氧化硅溶胶,可以形成稳定的有机?无机复合网络结构,加入碳纳米管复合材料可以提高材料导电性能和稳定性。