形成含触媒层电极的方法技术

本发明专利技术公开了一种形成含触媒层电极的方法，包括在基板表面上形成导电层、调理基板表面、将基板浸泡至第二溶液中，且第二溶液含有由高分子包覆的贵金属，以形成贵金属触媒层于基板表面、以及以实质上低于约３００℃的温度，热处理贵金属触媒层。在此亦揭示利用上述电极制造电化学装置的方法。

Method for forming electrode containing catalyst layer

The invention discloses a method for forming electrodes containing catalyst layers, including conductive layer, substrate, substrate surface conditioning soaking solution to second formed on the surface of the substrate, and a second solution containing noble metals coated by macromolecules to form a noble metal catalyst layer on the surface of the substrate, and to substantially less than about 300 DEG C. the temperature of heat treatment of the noble metal catalyst layer. A method of manufacturing an electrochemical device using the electrode is also disclosed herein.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于，特别是关于利用高分子包覆的贵金属粒子组成 触媒层形成电极的方法、和以此电极制造电化学装置的方法。
技术介绍
近来由于染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell; DSSC)具有成为低成本储能组件 的潜力，使得它的发展逐渐受到重视。传统上，DSSC的阳极(photoanode)是将染料敏化纳米 结晶半导体层沉积在铟锡氧化物(Indium-tin oxide; ITO)或氟锡氧化物(Fluorine-doped tin oxide; FTO)玻璃上；阴极则是采用镀铂对极(counterelectrode)。电解质一般为在适当的介质中具碘与 三碘离子的氧化还原对。图1描述DSSC的基本操作，其可总结成下述五个步骤(l)在染料 分子中发生光激发而产生电荷分离(如箭头1所示);(2)电荷(此处为电子)注入介孔(mesoporous) 二氧化钛(Ti02)的导电带中；(3)电荷经负载(electronic load)至外部电路(如箭头2所示)；(4)透 过电解质中的氧化还原对，染料还原至基态(如箭头3所示)；(5)在对极上由外部电路所获得的 电荷还原氧化还原对(如箭头4所示)。在DSSC中，在对极上还原氧化还原对的反应可表示如下/3— + 2e— ~>厂因为碘离子负责将氧化态的染料分子重生，故上述还原反应非常重要。 一旦染料再生速 度无法赶上染料氧化速度(即电子由染料分子注入Ti02的导电带中)，将会严重影响电池的整 体转换效能，甚至会使对极表面产生碘结晶。在先前技术中，若直接在ITO或FTO玻璃表面与有机溶剂接触施行上述还原反应，三碘 离子还原动力会变得非常缓慢。故为了降低过电压，触媒材料会涂覆在ITO或FTO玻璃的表 面以加速反应进行。'目前为止，铂为最普遍使用的触媒材料。基于成本和效率考虑，现己发展出许多方式来 形成薄的铂层。溅镀是最常实行的方法。虽然此方法制造的镀铂电极具有良好的效能，但其 必须在超高真空环境下进行，以致成本始终居高不下。2004年，Papageorgiou等人于Coord. Chem. Rev. 248发表「加热铀簇触媒(thermal cluster platinum catalyst)」的方法。此方法提供低的铂负载(约2~10pg/cm2)、良好的动力学效能(电荷传输阻力，RCT0.1Qcm2)、以及相对于传统铂沉积方法(如溅镀、电化学沉积)的机械稳定性。 2004年，王等人于Surf. Interface Anal. 36发表的文献同样利用X射线光电光谱学研究加热铂 簇触媒的稳定性，并且发现在加热铂簇触媒的过程中，铂簇触媒的表面会慢慢吸收碘，导致 铂簇触媒的效能减弱。尽管由再加热处理可再生触媒效能，然而此方法需要加热达380。C，如 此处理不但耗费能量且不适于量产。其它诸如碳和导电高分子的材料亦提出作为DSSC中三碘离子反应的触媒。这些新的材 料通常需制作成较厚的空隙层涂覆于基板上，才能获得可接受的触媒效果，而仍处于初步研 发的阶段。因此，DSSC相关的研究与开发技术致力于进一步降低成本及提高效能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供利用高分子包覆的贵金属粒子组成触媒层来形成电极 的方法，以减少贵金属的用量。本专利技术还提供利用上述电极制造电化学装置的方法，以提高电化学装置的效能。本专利技术的一种技术方案为提出，包含形成导电层于基板表面、 调理基板表面、将基板浸泡至第二溶液中，且第二溶液包含由高分子包覆的贵金属，以形成 贵金属触媒层于基板表面、以及以实质上低于约30(TC的温度，热处理贵金属触媒层。本专利技术的另一种技术方案为提出制造电化学装置的方法，包含制作第一电极和第二电 极、组装第一电极和第二电极、以及注入电解质到第一电极与第二电极之间；其中第一电极 的制作包含提供具导电层的基板、调理基板表面、将基板浸泡至第二溶液中，且第二溶液包含由高分子包覆的贵金属，以形成贵金属触媒层于基板表面、以及以实质上低于约300。C的温度加热处理基板上的贵金属触媒层。本专利技术提出的方法不但可减少贵金属的用量及提高电化学装置的效能，且整体制程较传 统镀膜方式简单、又适合量产。附图说明图1是依据习知技术的染料敏化太阳能电池的基本操作示意图； 图2A~2D是依据本专利技术实施例形成含触媒层的电极的流程示意图； 图3是依据本专利技术实施例的电化学装置的立体示意图； 图4是依据实施例2的阴极组成的测试单元的电化学阻抗图谱；7图5是依据实施例广3和对照实施例1制得的电池的电流-电压图； 图6是依据实施例4 5的阴极组成的测试单元的电化学阻抗图谱；图7是依据实施例4~5制得的电池的电流-电压图。主要组件符号说明1、 2、 3、 4箭头102导电层104高分子包覆的贵金属 201阴极 203电解质 205导电玻璃层 207染料101 基板 103界面活性层 104a贵金属粒子202 阳极 204封装膜206 Ti02层 208触媒层具体实施例方式下面结合附图详细说明本专利技术的优选实施例。图2A飞D描述了依据本专利技术实施例形成含触媒层的电极的方法流程。首先参照图2A，提 供一基板101。基板101的材料并无特殊限制，但作为太阳能电池的电极时，较佳为玻璃基板， 但亦可为塑料基板。基板101的表面形成有导电层102，用以传输电荷。导电层一般为ITO导 电玻璃、石墨、或金属，例如为镍或不锈钢等一般使用的材质。形成导电层的方法为熟悉此 项技艺者所知，例如蒸镀法或溅镀法、或是涂覆法。接着，请参照图2B，调理(condition)导电层102的表面。调理方式包括将基板101浸泡 (dip)至含有界面活性材料的第一溶液中，以于导电层102的表面形成界面活性层103。界面 活性材料较佳为阳离子型界面活性剂，最常使用的材料为四级铵盐。界面活性层主要是用来 改变电极的导电层的电性，以改善后续形成的膜层与导电层102间的黏着性。继续参照图2C，再次将基板101浸泡至第二溶液中。第二溶液包含若干个由高分子包覆 的贵金属，且贵金属悬浮分散于第二溶液。基板101上的界面活性层103吸附第二溶液中由 高分子包覆的贵金属，而于界面活性层103的表面形成贵金属触媒层104。高分子所包覆的贵 金属通常为带负电团，此时界面活性材料最好采用阳离子型界面活性剂，使由高分子包覆的 贵金属得以吸附于基板上。在此将说明第二溶液的配制方法。此方法包括提供一预构成贵金属外围的包覆层的高分子溶液，其中高分子溶液可含有聚乙烯吡咯垸酮(PVP)、聚丙烯酰胺(Poly(acrylamide); PAM)、 聚乙烯醇(Poly (vinyl alcohol); PVAL)、聚丙烯酸(Poly (acrylic acid); PAA)、或聚次乙 亚胺(Poly(ethyleneimine); PEI)等高分子。接着，将贵金属盐类之前驱物加入高分子溶液 中。贵金属较佳为钯(Pd)、铂(Pt)、钌(Ru)、银(Ag)或金(Au)等适合作为还原反应催化剂的 材料。然后，加入贵金属盐类的还原剂于含有贵金属盐类的高分子溶液中，使贵金属盐类得 以还原成贵金属粒子。此时由于贵金属粒子被高分子包覆，故可使纳米级贵金属均匀地分散 于溶液。因而当基板10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成含触媒层的电极的方法，其特征在于，该方法包含：　形成一导电层于一基板的一表面；　调理所述基板的表面；　配制一第二溶液，其中该第二溶液包含若干个由一高分子包覆的贵金属分散于该第二溶液；　浸泡该基板至该第二溶液中 ，以形成一贵金属触媒层于该基板的表面上；以及　以实质上低于约３００℃的温度，热处理该表面上的该贵金属触媒层。

【技术特征摘要】
1.一种形成含触媒层的电极的方法，其特征在于，该方法包含形成一导电层于一基板的一表面；调理所述基板的表面；配制一第二溶液，其中该第二溶液包含若干个由一高分子包覆的贵金属分散于该第二溶液；浸泡该基板至该第二溶液中，以形成一贵金属触媒层于该基板的表面上；以及以实质上低于约300℃的温度，热处理该表面上的该贵金属触媒层。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，调理该基板的该表面包含浸泡该基板至一含 有一界面活性材料的第一溶液中，以形成一界面活性层于该导电层上。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，浸泡该基板至该第二溶液中包含使该导电层 上的该界面活性层吸附该些由该高分子包覆的贵金属，以形成该贵金属触媒层于该界面活性 层上。4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，配制该第二溶液包含-提供一预构成包覆层的高分子溶液； 加入一贵金属盐类的前驱物至该高分子溶液中；以及加入一还原剂至含有该贵金属盐类的高分子溶液中，使该贵金属盐类还原为一贵金属粒子。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，浸泡该基板至该第二溶液中包含在低于约50 匸的操作温度下进行。6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，热处理该表面上的该贵金属触媒层包含加热 处理约30分钟以下。7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，该贵金属触媒层包含钯、铂、钌、银、金中 的一种或多种。8. —种形成含触媒层的电极的方法，其特征在于，该方法包含 提供一具有一导电层的基板；浸泡该基板至一含有一界面活性材料的第一溶液中，以形成一界面活性层于该导电层上； 浸泡该基板至一第二溶液中，其中该第二溶液包含若干个由一高分子包覆的贵金属，且该基板上的该界面活性层吸附该些由该高分子包覆的贵金属，而形成一贵金属触媒层于该界面活性层上；以及以实质上低于约30(TC的温度，热处理该基板上的该贵金属触媒层约30分钟以下。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包含配制该第二溶液，配制方法包含提供一预构成包覆层的高分子溶液； 加入一贵金属盐类的前驱物至该高分子溶液中；以及加入一还原剂至含有该贵金属盐类的该高分子溶液中，使该贵金属盐类还原为一贵金属 粒子。10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，浸泡该基板至该第二溶液中包含在低于约 50'C的操作温度下进行。11. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，该贵金属为钯、铂、钌、银或金，而该高 分子为聚乙烯吡咯垸酮、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸或聚次乙亚胺。12. —种制造电化学装置的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭超，蓝若琳，张雅慧，许雯琪，郑海鹏，冯宪平，陈文祥，卫子健，
申请(专利权)人：健鼎无锡电子有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]