用质子交换膜和液体电解质电池处理纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术涉及用质子交换膜和液体电解质电池处理纳米颗粒的方法。本发明专利技术的一实施方式包括含质子交换膜的电化学电池和使用它处理纳米颗粒的方法。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及。本专利技术的一实施方式包括含质子交换膜的电化学电池和使用它处理纳米颗粒的方法。【专利说明】本申请是分案申请，其母案的申请日为2008年12月11日、申请号为200810191163.7，名称为“”。
本专利技术一般涉及的领域包括处理纳米颗粒的方法。
技术介绍
大量纳米颗粒的电化学处理，包括纳米颗粒的涂敷、剥离、氧化、还原、清洗、脱合金成分等，久已是该技术在许多领域如燃料电池、电池和非均相催化中更广泛应用的技术屏障。迄今为止，上述电化学处理已经导致了纳米颗粒的不均匀处理。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方式包括一种使用电化学电池的方法，该电化学电池包括液体电解质、其上支撑有纳米颗粒的工作电极、对电极以及完全分离工作电极侧的液体电解质和对电极侧的液体电解质的聚合物电解质膜。本专利技术的其它示例性实施方式通过以下提供的详细描述而变得显而易见。应当理解，尽管公开了本专利技术的示例性实施方式，但该详细描述和实施例只是例示的目的，并不旨在限制本专利技术的范围。【专利附图】【附图说明】本专利技术的示例性实施方式将从详细描述和所附附图中得以更充分的理解，其中: 图1图示了根据本专利技术一实施方式的电极化学电池。图2是本电池设计和普通电化学电池得到的支撑在石墨化碳上的钼在1.2V(RHE)的预氧化曲线对照图示。图3是包含在石墨化碳上1.4V预处理的Pt作为阴极催化剂的膜电极组装(MEAs)和在石墨化碳上未处理的Pt催化剂的MEAs的燃料电池性能数据的对照图示。图4图示了根据本专利技术的一实施方式的多电池。【具体实施方式】下列实施方式的描述本质上仅仅是示例，决不旨在限制本专利技术、其应用或用途。图1图示了根据本专利技术的一实施方式的电化学电池10，该电化学电池10可包括容纳液体电解质14的容器12。该液体电解质14可为含水的酸溶液，例如包括高氯酸、硫酸或磷酸。该液体电解质也可为任意的盐溶液，像硫酸铜、硫酸铅、硝酸铜或盐溶液和酸溶液的组合。容器12可由任意种类的材料例如PTFE、玻璃或其它耐酸材料制成。电化学电池10可包括工作电极16和对电极22。工作电极16和对电极22的适合材料包括但不限于金属如Pt、Au或石墨。工作电极16和对电极22可为网状形式。该网状材料起到了增大接触面积并减少质量输运阻力的作用。电化学电池10包括待处理的纳米颗粒20，其可分布在基底材料18如第一碳布上。纳米颗粒20是导电的且可以是固体颗粒、具有空芯的壳体或成束的聚集颗粒。例如，纳米颗粒20可包括但不限于碳、Pt或Pt合金、Ni或其它金属、Ti02、或导电壳体。第一碳布18的作用是增大纳米颗粒和支撑材料之间的接触面积。支撑材料或第一碳布18进一步由工作电极16支撑，工作电极可为网状材料，包括例如钼、金或石墨。第二钼网和第二碳布24用作对电极。对电极可包含分布到该碳布上的一层Pt/C纳米颗粒或钼黑。这些Pt/C纳米颗粒的作用是增大对电极22的活性表面面积。根据发生在对电极22上的电化学反应，对电极的材料也可为Cu、Pb、Ag或其它金属或金属合金。对网状工作电极16、覆盖其上的第一碳布18和网状对电极22以及在其下的第二碳布24的布置减小了电池内的电阻，所述电阻会使得工作电极16和对电极22上的电压分布不均匀。在厚度方向的电阻非常小。聚合物电解质膜26插入支撑材料18和对电极22之间，以使聚合物电解质膜用来分离电池10的工作电极室7和对电极室9，其中聚合物电解质膜26将电池10的工作电极室7中的液体电解质14与对电极室9中的液体电解质14完全分离。第二碳布24可插入对电极22和聚合物电解质膜26之间，第二碳布24的作用是减小钼网施加在膜上的应力。在包括一层Pt/C纳米颗粒或钼黑作为对电极22的一部分的情况下，第二碳布同时也起支撑Pt/C纳米颗粒的作用。在本专利技术的一实施方式中，工作电极16、第一碳布18、纳米颗粒20、膜26和非必需的第二碳布24以及对电极22全部由容器12支撑。这防止了对材料如膜26的损坏。可以提供参比电极28浸于电池10的工作电极侧的液体电解质14中。合适的参比电极28包括但不限于Ag/AgCl电极、甘汞电极或可逆的氢电极。提供气体吹扫管30浸于电池10的工作电极室7内的液体电解质14中。放置盖子32在容器12上，密封件或垫圈34插入盖子32和容器12之间。盖子32和容器12两者均可由包括但不限于聚四氟乙烯、玻璃或其它耐酸材料的材料制成。用电源如电池施加通过电极的电压来处理纳米颗粒20。这种配置可用于对纳米颗粒20涂敷、剥离、氧化、还原、清洗或者脱合金成分。该设计确保了即使在大电流条件下整个工作电极16和对电极22上的均匀电压和均匀电流密度分布，从而确保了对纳米颗粒进行均匀的和高效的电化学处理。该电池设计结合了聚合物电解质膜燃料电池的一些优点和普通液体电解质电化学电池的一些优点。在对电极22上的电化学反应不是工作电极16的逆反应(例如当析出H2或O2发生在对电极上)的情况下，该设计易于防止反应产物(H2或O2)扩散进入工作电极16。因为纳米颗粒20浸入液体电解质14中，纳米颗粒20的利用率接近100%，也就是所有纳米颗粒20均可被处理，且易于在处理之后洗出。这些特征中没有一个可由其中催化层与固体离子键聚合物相混合的聚合物电解质膜燃料电池中的催化层实现。作为实例，图2显示了使用根据本专利技术的电化学电池的支撑在石墨化碳上的钼(Pt/GrC)在1.2V (RHE)的预氧化电流和同样的方法在普通电化学电池中的对照比较。普通电池更高得多的电流归因于从对电极扩散出来的H2的氧化，而这不是所希望的过程，且这也妨碍了通过简单的电流测定对纳米颗粒进行所需处理的监测。在最初的10分钟，随着电流下降到小于10 mA/g (Pt/GrC)，用根据本专利技术的一实施方式的电化学电池实现了实际的Pt/GrC预氧化电流。同样地，图1所示的电化学电池可用来均匀地、高效地电化学处理大量的纳米颗粒，且易于监测处理进行的状况。作为这种电池应用的一个实例，图3显示了使用本专利技术的支撑在石墨化碳上的预氧化Pt纳米颗粒，比起支撑在石墨化碳上的未处理Pt纳米颗粒，得到了更高的燃料电池性能。图3显示了在图中所表示的条件下各种膜电极组装(MEAs)的燃料电池的性能数据的比较，膜电极组装(MEAs)是指阳极催化剂、阴极催化剂和膜的组合。实线代表包含1.4V预处理Pt在石墨化碳上作为阴极催化剂的MEAs的情况。虚线代表在石墨化碳上未处理的Pt催化剂的MEAs的情况。在1.5 A/cm2，提高了 25 mV，在0.6 A/cm2，提高了多达50 mV。在一实施方式中，在大电流密度下操作的H2/空气质子交换膜(PEM)燃料电池中使用的纳米颗粒20可实现闻电压。在各个实施方式中，该聚合物电解质膜26可包括各种不同种类的膜。对本专利技术的各个实施方式有用的聚合物电解质膜26可为离子导电材料，合适的膜的实例公开在美国专利 US 4，272，353 和 3，134,689 以及 Journal of Power Sources( 1990 年，28 卷，367-387页)中。这种膜也被称为离子交换树脂膜，该树脂在它们的聚合结构中包括离子基团；对此，一个离子组分被聚合物基体固定或保持且至少一个其它的离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学电池，包括：容器和置于容器中的液体电解质；工作电极，和由工作电极支撑的导电纳米颗粒，其中所述导电纳米颗粒为碳、TiO2、或导电壳体；对电极；和将电池的对电极侧的液体电解质与工作电极侧的液体电解质分隔开的聚合物电解质膜。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J张，SG颜，FT沃纳，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：美国;US