用于燃料电池和其它应用的树枝状金属纳米结构制造技术

本发明专利技术的发明专利技术名称是用于燃料电池和其它应用的树枝状金属纳米结构。本发明专利技术的实施方式涉及树枝状大分子，其用于用作催化剂，特别是作为改进的电催化剂用于聚合物电解质膜燃料电池（ＰＥＭ－ＦＣｓ）。描述了制备这样的催化剂的方法。实例包括树枝状纳米结构金属催化剂，如铂和铂合金催化剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及催化剂，特别是用于燃料电池、尤其是聚合物 电解质膜(polymer electrolyte membrane, PEM)燃料电池的包含铂或 铂基金属材料的催化剂。
技术介绍
作为用于便携式电子装置、固定电源和汽车应用的下一代 能量转换技术，燃料电池最近受到很多关注D有几种类型的燃料电池正在研究中，通过它们的运行温度和电解质被分类，其包括固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。术语质子交换膜有时也用于替 代聚合物电解质膜，它们在使用氢基燃料的燃料电池的情况下常常可 互替。由于PEM燃料电池的运行条件灵活、能够迅速改变输出功 率、和它们相比于其它类型燃料电池的相对耐久性和系统简单性，因 此PEM燃料电池是用于汽车动力源的首选。然而，对于将目前的技术4商业化有一些关键障碍。其中一个关键障碍是PEM燃料电池中的催化 剂，其影响燃料电池的性能和成本两个方面。在典型的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池(FC)中，PEM 被夹在两个电极——阳极(负电极)和阴极(正电极)——之间。燃 料电池包括供给燃料例如氢气到阳极，在那里氢被转化为氢离子(质 子)和电子。氧被供给阴极，在那里氧、穿过PEM被传导的氢离子和 通过外部电路被传导的电子结合形成水。催化剂用于促进这些电极反 应。如在燃料电池中所使用的，催化剂可以更具体地被称为电催化剂。对于更好的燃料电池性能，催化剂(例如铂) 一般与电子 传导材料例如传导电子的炭黑(或其它石墨碳)和传导质子的质子导 体(PEM)接触。典型的催化剂由碳载体上的铂黑颗粒形成。对铂的巨大需求大大地增加了它的成本。减少铂在燃料电 池中的使用量会非常有助于这项技术的商业化。而且，通过改善催化 剂在所需燃料电池运行条件下的催化活性和耐久性，将有助于PEM燃 料电池的商业化。大多数旨在在燃料电池条件下稳定铂的研究集中于 将铂与次贵重金属或非贵金属如钴制成合金。但是，还需要其它方法。
技术实现思路
本专利技术涉及包含树枝状大分子(dendrimers)的催化剂，并且 在特定的实例中，涉及包含如铂或其它含铂金属纳米结构的金属树枝状 大分子的催化剂，用于聚合物电解质膜燃料电池(PEM-FC)。根据本专利技术的催化剂包括树枝状纳米结构，例如金属纳米片 (metal nanosheets)和金属纳米球。纳米结构可以包含铂、铂合金例如 铂钴合金、钯、其它过渡金属和类似物。通过使用金属前体化合物的混 合物，可以形成合金纳米结构，包括铂-钴合金纳米结构。催化剂可以在混合物例如流体介质中制备，所述混合物包含 基质、还原剂和前体化合物，前体化合物通过还原剂被还原为催化剂材 料。前体化合物可以是金属络合物，例如铂络合物。前体的还原提供催 化剂材料的纳米结构，例如树枝状晶体(dendrites)。混合物也可以任选 地包含光催化剂，和能量源例如光、热或激光辐射，可以通过纳米颗粒 形成用于纳米结构的播种形成(seedformation).树枝状纳米结构，例如铂或含铂树枝状纳米片或纳米球，可 以在包含表面活性剂或其它胶束形成化合物的流体介质中形成。如在此 使用的，术语"胶束结构"被非常普遍地用来包括胶束、囊泡、脂质体和类似物。术语"囊泡(vesicles)"包括脂质体，其可以被认为是双层 或多层囊泡。术语"树枝状纳米结构"包括由本文描述的方法制备的金属 树枝状大分子(例如树枝状纳米球和纳米片)，和可以由其它方法制备的 具有分支臂的其它纳米结构。基质——在此情况下包含流体介质中的胶束结构，促进金属 纳米结构的树枝状生长。与传统铂黑催化剂相比，发现这样的树枝状纳 米结构作为PEM燃料电池中的催化剂具有值得注意的用途。在流体介质中制备期间，纳米结构可以通过基质的影响定向 地生长。在有或没有光催化剂的协助下，还原剂可以引起例如金属阳离 子还原为金属纳米结构。光催化剂或作为树枝状生长点的种子(seed)可以相对于基 质而适当地分散，这允许金属纳米结构适当生长，特别是与现有技术的 方法相对比。例如，流体介质中存在众多适当分散的光催化剂诱导的种 子(或以其它方式引入的种子)得到更加均一的粒度和纳米结构。任何 不期望的有机组分，例如基质或光催化剂，可以在将催化剂用于PEM燃 料电池之前从纳米结构分离开来。基质可以包含有机化合物、聚合物、有机金属化合物、金属 结构(如片、网、纳米颗粒或类似物)或其它材料。基质可以提供用于 生长纳米结构的表面，并且也可以在生长所需结构或尺寸中具有特定作 用。例如，用于纳米结构生长的基质可以包括在流体介质中的胶束结构 (例如囊泡或脂质体)。纳米结构可以在流体介质的不同组分之间的分界 面上形成，例如，层结构和含水介质之间的分界面，或任意两种流体介 质之间的分界面。例如，大致圆盘形的纳米结构片在包括多层脂质体的 流体介质中生长，显然纳米结构的生长是以脂质体为模板。大致球形的 纳米结构在包括单层脂质体的流体介质中生长。用于树枝状大分子催化剂的树枝状大分子材料包括含铂金 属，例如铂金属、铂合金(例如铂钴合金)、其它过渡金属及它们的合金、和其它催化材料。对于在氢燃料电池中的催化剂应用，树枝状大分子材 料的优选实例是铂金属。树枝状大分子可以被形成为大致圆盘形(generally disk shaped nanosheets)的纳米片，例如具有1-10 nm范围的圆盘厚度。圆盘 直径可以在lnm-1000 nm范围，更具体而言在lnm-500 nm的范围。树 枝状大分子也可以为大致球形(generally spherical),其在本文中称为纳 米球，但其形状可以仅仅是近似球形，其具有lnm-1000 nm范围、更具 体地在lnm-500 nm范围、甚至更具体地在5nm-100 nm范围的直径。这 样的范围包括上限和下限，并且这两个限值都是近似值。对于近似球形 的颗粒，其直径可以是穿过颗粒中心的任何测定值。至少一些金属树枝 状大分子可以具有单晶结构。在一些实施方式中，直径或其它尺寸测定 值是中位数值或尺寸分布。在本专利技术的实例中，基质可以包含1,2-双十八烷酰基-sn-甘油 _3-磷酰胆碱(DSPC， 99%)的囊泡，虽然也可以使用其它表面活性剂、 脂质或其它化合物。光催化剂可以是有机金属化合物，例如金属卟啉。 示范性光催化剂是Sn(IV)八乙基卟啉二氯化物(Sn(IV) octoethylporphyrin dichloride)，但不限于此。还原剂(电子供体)可以是，例如，抗坏血酸 (等价地，任何抗坏血酸盐例如抗坏血酸钠)，或氢醌。本专利技术不限于这 些实例，因为可以使用其它基质材料、任选的光催化剂和/或还原剂。光催化剂可以通过包括囊泡的流体混合物而分散，并且被光 催化剂涂覆的材料与还原剂和金属化合物被组合进混合物中。通过将光 催化剂和基质材料溶解(或悬浮)在共同溶剂中，然后(任选地)蒸发 溶剂，可以将光催化剂分散在固体基质材料的表面上。制造催化剂的方法包括提供包括光催化剂、还原剂、金属 化合物、基质的混合物，并照射该混合物以便通过金属化合物的还原而 形成金属纳米颗粒。金属纳米颗粒然后作为通过还原剩余金属化合物以 树枝状生长纳米结构的种子。可以选择基质以催进树枝状本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池，其包含：　第一电极；　第二电极；和　位于所述第一电极和所述第二电极之间的电解质，　其中所述第一电极包括电子传导材料和催化剂，所述催化剂包括树枝状结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JA谢尔纳特，W李，Y宋，MA黑克纳，
申请(专利权)人：北美丰田设计和制造公司，桑迪亚国家实验室，
类型：发明
国别省市：US[美国]