用于燃料電池和其它應用的樹枝狀金屬納米結構制造技術

本發明專利技術的發明專利技術名稱是用于燃料電池和其它應用的樹枝狀金屬納米結構。本發明專利技術的實施方式涉及樹枝狀大分子，其用于用作催化劑，特別是作為改進的電催化劑用于聚合物電解質膜燃料電池（ＰＥＭ－ＦＣｓ）。描述了制備這樣的催化劑的方法。實例包括樹枝狀納米結構金屬催化劑，如鉑和鉑合金催化劑。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及催化劑，特別是用于燃料電池、尤其是聚合物 電解質膜(polymer electrolyte membrane, PEM)燃料電池的包含鉑或 鉑基金屬材料的催化劑。
技術介紹
作為用于便攜式電子裝置、固定電源和汽車應用的下一代 能量轉換技術，燃料電池最近受到很多關注D有幾種類型的燃料電池正在研究中，通過它們的運行溫度和電解質被分類，其包括固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池和聚合物電解質膜(PEM)燃料電池。術語質子交換膜有時也用于替 代聚合物電解質膜，它們在使用氫基燃料的燃料電池的情況下常常可 互替。由于PEM燃料電池的運行條件靈活、能夠迅速改變輸出功 率、和它們相比于其它類型燃料電池的相對耐久性和系統簡單性，因 此PEM燃料電池是用于汽車動力源的首選。然而，對于將目前的技術4商業化有一些關鍵障礙。其中一個關鍵障礙是PEM燃料電池中的催化 劑，其影響燃料電池的性能和成本兩個方面。在典型的聚合物電解質膜(PEM)燃料電池(FC)中，PEM 被夾在兩個電極——陽極(負電極)和陰極(正電極)——之間。燃 料電池包括供給燃料例如氫氣到陽極，在那里氫被轉化為氫離子(質 子)和電子。氧被供給陰極，在那里氧、穿過PEM被傳導的氫離子和 通過外部電路被傳導的電子結合形成水。催化劑用于促進這些電極反 應。如在燃料電池中所使用的，催化劑可以更具體地被稱為電催化劑。對于更好的燃料電池性能，催化劑(例如鉑) 一般與電子 傳導材料例如傳導電子的炭黑(或其它石墨碳)和傳導質子的質子導 體(PEM)接觸。典型的催化劑由碳載體上的鉑黑顆粒形成。對鉑的巨大需求大大地增加了它的成本。減少鉑在燃料電 池中的使用量會非常有助于這項技術的商業化。而且，通過改善催化 劑在所需燃料電池運行條件下的催化活性和耐久性，將有助于PEM燃 料電池的商業化。大多數旨在在燃料電池條件下穩定鉑的研究集中于 將鉑與次貴重金屬或非貴金屬如鈷制成合金。但是，還需要其它方法。
技術實現思路
本專利技術涉及包含樹枝狀大分子(dendrimers)的催化劑，并且 在特定的實例中，涉及包含如鉑或其它含鉑金屬納米結構的金屬樹枝狀 大分子的催化劑，用于聚合物電解質膜燃料電池(PEM-FC)。根據本專利技術的催化劑包括樹枝狀納米結構，例如金屬納米片 (metal nanosheets)和金屬納米球。納米結構可以包含鉑、鉑合金例如 鉑鈷合金、鈀、其它過渡金屬和類似物。通過使用金屬前體化合物的混 合物，可以形成合金納米結構，包括鉑-鈷合金納米結構。催化劑可以在混合物例如流體介質中制備，所述混合物包含 基質、還原劑和前體化合物，前體化合物通過還原劑被還原為催化劑材 料。前體化合物可以是金屬絡合物，例如鉑絡合物。前體的還原提供催 化劑材料的納米結構，例如樹枝狀晶體(dendrites)。混合物也可以任選 地包含光催化劑，和能量源例如光、熱或激光輻射，可以通過納米顆粒 形成用于納米結構的播種形成(seedformation).樹枝狀納米結構，例如鉑或含鉑樹枝狀納米片或納米球，可 以在包含表面活性劑或其它膠束形成化合物的流體介質中形成。如在此 使用的，術語"膠束結構"被非常普遍地用來包括膠束、囊泡、脂質體和類似物。術語"囊泡(vesicles)"包括脂質體，其可以被認為是雙層 或多層囊泡。術語"樹枝狀納米結構"包括由本文描述的方法制備的金屬 樹枝狀大分子(例如樹枝狀納米球和納米片)，和可以由其它方法制備的 具有分支臂的其它納米結構。基質——在此情況下包含流體介質中的膠束結構，促進金屬 納米結構的樹枝狀生長。與傳統鉑黑催化劑相比，發現這樣的樹枝狀納 米結構作為PEM燃料電池中的催化劑具有值得注意的用途。在流體介質中制備期間，納米結構可以通過基質的影響定向 地生長。在有或沒有光催化劑的協助下，還原劑可以引起例如金屬陽離 子還原為金屬納米結構。光催化劑或作為樹枝狀生長點的種子(seed)可以相對于基 質而適當地分散，這允許金屬納米結構適當生長，特別是與現有技術的 方法相對比。例如，流體介質中存在眾多適當分散的光催化劑誘導的種 子(或以其它方式引入的種子)得到更加均一的粒度和納米結構。任何 不期望的有機組分，例如基質或光催化劑，可以在將催化劑用于PEM燃 料電池之前從納米結構分離開來。基質可以包含有機化合物、聚合物、有機金屬化合物、金屬 結構(如片、網、納米顆粒或類似物)或其它材料。基質可以提供用于 生長納米結構的表面，并且也可以在生長所需結構或尺寸中具有特定作 用。例如，用于納米結構生長的基質可以包括在流體介質中的膠束結構 (例如囊泡或脂質體)。納米結構可以在流體介質的不同組分之間的分界 面上形成，例如，層結構和含水介質之間的分界面，或任意兩種流體介 質之間的分界面。例如，大致圓盤形的納米結構片在包括多層脂質體的 流體介質中生長，顯然納米結構的生長是以脂質體為模板。大致球形的 納米結構在包括單層脂質體的流體介質中生長。用于樹枝狀大分子催化劑的樹枝狀大分子材料包括含鉑金 屬，例如鉑金屬、鉑合金(例如鉑鈷合金)、其它過渡金屬及它們的合金、和其它催化材料。對于在氫燃料電池中的催化劑應用，樹枝狀大分子材 料的優選實例是鉑金屬。樹枝狀大分子可以被形成為大致圓盤形(generally disk shaped nanosheets)的納米片，例如具有1-10 nm范圍的圓盤厚度。圓盤 直徑可以在lnm-1000 nm范圍，更具體而言在lnm-500 nm的范圍。樹 枝狀大分子也可以為大致球形(generally spherical),其在本文中稱為納 米球，但其形狀可以僅僅是近似球形，其具有lnm-1000 nm范圍、更具 體地在lnm-500 nm范圍、甚至更具體地在5nm-100 nm范圍的直徑。這 樣的范圍包括上限和下限，并且這兩個限值都是近似值。對于近似球形 的顆粒，其直徑可以是穿過顆粒中心的任何測定值。至少一些金屬樹枝 狀大分子可以具有單晶結構。在一些實施方式中，直徑或其它尺寸測定 值是中位數值或尺寸分布。在本專利技術的實例中，基質可以包含1,2-雙十八烷酰基-sn-甘油 _3-磷酰膽堿(DSPC， 99%)的囊泡，雖然也可以使用其它表面活性劑、 脂質或其它化合物。光催化劑可以是有機金屬化合物，例如金屬卟啉。 示范性光催化劑是Sn(IV)八乙基卟啉二氯化物(Sn(IV) octoethylporphyrin dichloride)，但不限于此。還原劑(電子供體)可以是，例如，抗壞血酸 (等價地，任何抗壞血酸鹽例如抗壞血酸鈉)，或氫醌。本專利技術不限于這 些實例，因為可以使用其它基質材料、任選的光催化劑和/或還原劑。光催化劑可以通過包括囊泡的流體混合物而分散，并且被光 催化劑涂覆的材料與還原劑和金屬化合物被組合進混合物中。通過將光 催化劑和基質材料溶解(或懸浮)在共同溶劑中，然后(任選地)蒸發 溶劑，可以將光催化劑分散在固體基質材料的表面上。制造催化劑的方法包括提供包括光催化劑、還原劑、金屬 化合物、基質的混合物，并照射該混合物以便通過金屬化合物的還原而 形成金屬納米顆粒。金屬納米顆粒然后作為通過還原剩余金屬化合物以 樹枝狀生長納米結構的種子。可以選擇基質以催進樹枝狀本文檔來自技高網...

【技術保護點】
燃料電池，其包含：　第一電極；　第二電極；和　位于所述第一電極和所述第二電極之間的電解質，　其中所述第一電極包括電子傳導材料和催化劑，所述催化劑包括樹枝狀結構。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：JA謝爾納特，W李，Y宋，MA黑克納，
申請(專利權)人：北美豐田設計和制造公司，桑迪亞國家實驗室，
類型：發明
國別省市：US[美國]