独立微管、制备其的方法与其用途、电极与膜电极组合件技术

本发明专利技术提供一种独立微管、制备其的方法与其用途、电极与膜电极组合件。本发明专利技术的独立微管由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成，所述独立微管具有500μm到5000μm范围内的外径和50μm到1000μm范围内的壁厚度。根据本发明专利技术的微管可根据所要几何形状(外径和内径以及长度)、孔隙度、电导率和催化活性而形成，具有出色的孔隙度、机械和化学稳定性、电化学特性、高电和热导率以及高表面积和比电容。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成的微管。本专利技术还涉及使用由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成的此些微管作为独立电极或与集电器集成或作为电化学系统中应用的膜电极组合件的一部分，所述电化学系统例如初级和二次电池、氧化还原流电池组、燃料电池、电化学电容器、电容性消电离系统、电化学和生物传感器装置或太阳能电池。由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成的微管的另一用途涉及将其应用为用于水或废水过滤、用于含水和有机溶剂过滤、用于血液过滤、用于气体分离过程、用于气体和液体吸附过程或用于传感器应用中的受支撑或未受支撑管状膜。
技术介绍
例如燃料电池、电化学电容器和氧化还原流电池组等电化学系统当今被认为是用于电能转换和存储(electricalenergyconversionandstorage，EECS)的有前景的技术，其对于常规电厂的恰当能量管理以及从太阳辐射、风电厂、可再生燃料、波动力和其它来源获得的可再生能量的有效利用是必需的。当今正为开发例如泵浦水电存储(pumpedhydroelectricstorage，PHS)、压缩空气能量存储(compressedairenergystorage，CAES)、飞轮等“常规”电能存储系统的经济可行的电化学替代方式而作出巨大努力。过去7年间观察到的电化学电能转换和存储系统的领域中的公开案的数目的急剧增加是最近的将来这些系统的重要性的完美指示。大多数电化学EECS电抗器的核心为膜电极组合件(membraneelectrodeassembly，MEA)。典型的MEA包括通过膜分隔开的两个多孔电极，所述膜既定避免电极的直接接触且经由离子物质的选择性或非选择性传送而闭合电路。分别被称为阳极和阴极的电极上发生氧化和还原过程。图1展示用以提供利用MEA的EECS系统的实例的全钒氧化还原流电池(All-VanadiumRedoxFlowBattery，AVRFB)的典型结构。在AVRFB中，MEA由通过膜分隔开的两个多孔电极构成。存储化学能的电解质是硫酸以及分别耦合在正和负半电池中的V4+/V5+和V2+/V3+钒的水溶液。存储在AVRFB中的化学能转换为多孔电极上的电能(且反之亦然)，同时充放电反应期间产生或消耗的质子(等式1-2)选择性地经由通常为纳菲(Nifion)类型或由全氟磺酸或磺化聚芳醚制成的质子导电膜(protonconductivemembrane，PEM)传送。通常，比如燃料电池和氧化还原流电池组等电化学EECS系统包括许多MEA与通过膜分隔开(参看图2)的双极(或单极)电极的堆叠。AVRFB中应用的电极由碳制成，即碳纤布、毛毡、纸等。事实是，由含碳材料制成的电极在大多数类型的电化学EECS系统中使用，例如氢、甲醇、醇、甲酸、氨、微生物和其它燃料电池；锂电池组；以及电化学电容器。令人遗憾的是，电化学EECS系统的全规模应用在经济上仍是不可行的。为解决此障碍，电化学电抗器的性能必须改进，同时主要目标是增加系统的电力和/或能量密度，其是表征电化学EECS系统的性能的两个主要参数。改进电化学EECS装置的性能的基本方法是增加其组件的利用效率。可经由电池几何形状的改进实现材料的较好利用和较高电力密度。类似于氧化还原流电池组和燃料电池中使用的常规平面膜电极组合件，管状MEA还包括三个基本层：正电极、负电极和电极之间的膜。图3上展示此管状MEA的一般结构。管状设计归因于三个主要原因与电化学EECS系统的平面形状相比是有利的：管状电池具有较高电力密度、较低制造成本和较低寄生功率损耗。这些优点在固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)中实现，其中管状几何形状为常见的且相对于平面几何形状占主导。实际上，SOFC的当前研究聚焦于具有小于2mm的直径的微管状电池。显然，管状MEA的应用对于大多数类型的电化学EECS系统也将是有利的。令人遗憾的是，管状燃料电池和氧化还原流电池组的生产归因于(表观)自承式多孔管状含碳电极的不可用性而受妨碍。尽管存在此事实，管状电化学EECS系统的开发中的目标研究极其充分。因此，已建议用于质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)的管状设计的应用(Bullecks，B.、Rengaswamy，R.、Bhattacharyya，D.、Campbell，2011年，圆柱形PEM燃料电池的开发(DevelopmentofacylindricalPEMfuelcell)，国际氢能量期刊(InternationalJournalofHydrogenEnergy)，第36期，第713-719页)。此处，穿孔塑料注射器用于支撑电极和膜。此外，已开发具有不锈钢管件作为MEA载体的管状甲醇燃料电池。在此项技术中提议具有管件作为MEA的载体的更多管状甲醇燃料电池。还存在目标是认识用于微生物燃料电池的管状设计的研究(WO2007/011206A1)。在当今可用于制造电化学电抗器的大量含碳材料当中，碳纳米管(carbonnanotube，CNT)归因于出色的机械和电化学特性而扮演着特殊角色。碳纳米管是可被认为是由辊压石墨烯薄片制成的圆柱形的伪一维材料，其具有纳米尺度的直径和超过1000的长度与直径比。根据石墨层的数目，CNT可分类为单壁碳纳米管(singlewalledcarbonnanotube，SWCNT)、双壁碳纳米管(doublewalledcarbonnanotube，DWCNT)、三壁碳纳米管(triplewalledcarbonnanotube，TWCNT)和多壁碳纳米管(multiwalledcarbonnanotube，MWCNT)。SWCNT具有分别为1nm-3nm和0.4nm-2.4nm的外径和内径。MWCNT的外径可低至2nm并且最多100nm，这取决于壁的数目。CNT中的碳-碳sp2键比金刚石结构中的sp3键坚固得多。出于所述原因，CNT拥有优越的机械稳定性，其中杨氏模量(Young′smodule)高达1.2TPa且拉伸强度为50GPa-200GPa。SWCNT和MWCNT的电阻率分别为约10-6Ωcm和3x10-5Ωcm，这使其可能成为已知碳制造的电导体中的最佳者。碳纳米管归因于其表面特性和对腐蚀的抵抗性而被认为是质子交换膜燃料电池(protonexchangingmembranefuelcell，PEMFC)中的优良催化剂载体。在现有技术水平，据报道，用Pt涂抹的酸处理的MWCNT展示出比标准Pt/C催化剂高四倍的耐久本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种独立微管，由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成，其特征在于，所述微管具有500μm到5000μm范围内的外径和50μm到1000μm范围内的壁厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.16 EP 13003572.81.一种独立微管，由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成，其特征在于，所述微管具
有500μm到5000μm范围内的外径和50μm到1000μm范围内的壁厚度。
2.根据权利要求1所述的独立微管，其特征在于，所述微管具有1500μm到3000μm范围内
的外径和200μm到500μm范围内的壁厚度。
3.根据权利要求1或2所述的独立微管，其特征在于，所述独立微管具有高达200cm的最
大长度，优选10cm到100cm范围内的长度。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的独立微管，其特征在于，所述碳纳米管是
多壁碳纳米管。
5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的独立微管，其特征在于，所述碳纳米管是
单壁碳纳米管。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的独立微管，其特征在于，所述碳纳米管加
载有催化剂或改性剂。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的独立微管，其特征在于，所述碳纳米管利
用(-COOH)、羟基(-OH)和羰基(-C＝O)基团官能化。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的独立微管，其特征在于，所述碳纳米管是
定向的。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的独立微管，其特征在于，基于所述碳纳米
管的所述复合物进一步包括选自金属、金属氧化物、金属有机构架和沸石的类别的密集型
或多孔纳米大小的粒子。
10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的独立微管，其特征在于，基于所述碳纳米
管的所述复合物进一步包括选自石墨烯、纳米带、类碳的树状体和碳纳米粒子的类别的碳
基粒子。
11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的独立微管，其特征在于，基于碳纳米管
的所述复合物进一步包括选自由以下组成的群组的材料：LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiMn2O4、
Li(Ni1/2Mn1/2)O2、LiFePO4、导电聚合物、Li4Ti5O12、过渡金属氧化物、TiO2、SnO2、Si和硫。
12.一种用于制造根据前述权利要求中任一权利要求所述的独立微管的方法，其特征
在于，包括
经由管状形式的多孔膜过滤碳纳米管的悬浮液...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍里·根迪尔，马缇亚斯·维斯灵，安纳·大卫，
申请(专利权)人：迪威安德亚琛工业EV，
类型：发明
国别省市：德国;DE