光催化电极和燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种包括导电材料的电极，其具有一表面，所述表面能够通过吸附在所述电极的所述表面上的吸附物材料产生入射光的表面增强拉曼散射。所述吸附物大体上可还原且大体上不可氧化。所述电极的所述表面可经微粗糙化且包含例如金属材料的多个吸附原子或吸附原子簇。所述吸附原子或吸附原子簇在使用光源照射所述电极时形成电还原光催化位点。本发明专利技术还包含一种制作所述电极的方法，以及使用所述电极产生电的方法。根据本发明专利技术的又一方面，提供一种包含本发明专利技术的电极的燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于产生电能的方法和设备。特定来说，本专利技术针对于通过使用光源照 射燃料电池的电极来产生电的电化学燃料电池。
技术介绍
在用于产生电力的技术中已知多种燃料电池。在这些装置中，大多数装置包含石墨 阳极和包括精细散布的铂催化剂的阴极。举例来说，磷酸燃料电池(PAFC)是电力产生电池，其采用碳化硅基质的多孔电 解质层以用于保持浓缩的磷酸。电解质层介于基于碳的电极(阳极和阴极)之间以形成 电解质电极组合件，有时候称为薄膜电极组合件("MEA")。薄膜电极组合件接着介于 导电双极板之间。电解质电极组合件和双极板形成单个燃料电池，其用于通过在电解质 上使例如氢气的燃料与氧气反应而产生电力。本文一般描述的单个燃料电池具有大约0.8伏的电力输出。为了升高电输出的电压，可通过布置任意所需数目的在彼此上方电串联 的燃料电池而形成燃料电池堆叠。由于双极板是导电的，因此电流经由端板流过堆叠。另一类型的燃料电池装置是固态聚合物电解质燃料电池，其采用包含由聚合物离子 交换薄膜(质子交换薄膜或PEM)分隔的电极的薄膜电极组合件。类似地，薄膜电极组 合件和双极板构成电力产生电池的单元。同样，预定数目的电力产生电池可堆叠在一起 以形成具有所需输出电压的燃料电池堆叠。在燃料电池堆叠中，将例如含氢气体的燃料气体供应到阳极。阳极包含催化剂，其 引诱燃料气体的化学反应以将氢气分子分裂为氢离子(质子)和电子。氢离子通过电解 质朝阴极移动，且电子流过外部电路到达阴极，从而产生DC电流。燃料电池应在针对电力产生性能的最佳温度下或此温度附近操作。 一般来说，此项 技术中已知的燃料电池在显著高于环境温度或室温(例如，75下)的温度下操作。操作 的最佳温度可关于每一类型的燃料电池系统而变化。举例来说，磷酸燃料电池在120°C 到200'C的温度范围内操作，且固态聚合物电解质燃料电池在6(TC到90'C的温度范围内操作。为了将电力产生电池的温度维持在合意的温度范围内，已采用各种冷却系统。通 常，通过将例如水的冷却剂供应到形成于燃料电池堆叠的双极板中的冷却剂通道来冷却 电力产生电池。一般来说，燃料电池提供了对来自矿物燃料燃烧的能量产生的环境上清洁的替代 物。燃料电池的电化学效率(目前-65%)轻易地超过内燃机的效率(< 30%)。然而， 尽管当前原油和天然气价格的升高，矿物燃料燃烧仍继续保持优于燃料电池的显著经济 优势。燃料电池能量产生的高成本是归因于需要添加昂贵的催化剂(铂)来加速阳极处 燃料(氢)的氧化和阴极处氧的还原。即使存在铂催化剂，缓慢的氧还原反应单独成为 对燃料电池效率的最大限制。阳电金属电极处的还原期间二氧分子(02)对电子的需要迫使金属在交出氧所需的 电子之前其静电电势偏向负(称为大负过电压)。因为燃料电池的输出功率由电池电势 (V)与电流(I)的乘积界定，即P-VI，所以电势的下降线性降低功率输出和电池效率。 通常，铂催化的氢燃料电池在接近+0.75伏的电池电压而不是+1.23伏的热力学平衡电池 电压下在适度电流电平下操作。这等于低于热力学电压-0.48伏的过电压，因此将效率限 制于60%附近。对氧的电还原的铂催化的实验探索替代方案不断界定活力的研究领域。 然而，铂仍然是氧还原反应的最佳已知的电催化剂。近年来，燃料电池利用方面的发展 已依赖于将铂催化剂仅散布在石墨电极的活性位点处的改进方法。维持操作电流所需的 铂的总量因此减少，伴随着燃料电池的总成本减少。然而，过电压问题引起的基本限制 仍然存在。因此，此项技术中仍强烈需要一种比已知燃料电池更具电化学效率的燃料电池。还 不断需要一种可在较低温度下(例如在室温)操作的燃料电池系统。本专利技术提供对这些 问题的解决方案。
技术实现思路
将陈述本专利技术的目的和优点，且其从随后的描述中将显而易见，且将通过实践本发 明而了解。通过在书面描述及其权利要求书中特定指出的方法和系统以及从附图中将认 识并获得本专利技术的额外优点。为了实现这些和其它优点且根据本专利技术的目的，如本文实施且广义描述，本专利技术包 含一种包括导电材料的电极，其具有一表面，所述表面能够从吸附在所述电极的所述表 面上的吸附物材料产生入射光的表面增强拉曼散射。所述吸附物大体上可还原且基本不 可氧化。基本可还原的吸附物将通过添加多个电子而还原，其中第一电子产生中间游离5阴离子。此经粗糙化的吸附物覆盖的金属电极发现在燃料电池中的利用，因为阴极在被 光照射时催化氧的电还原，从而克服过电压的问题并改进燃料电池的效率。本专利技术还包 含一种制作电极的方法，以及使用所述电极产生电的方法。根据本专利技术的又一方面，提 供一种包含本专利技术的电极的燃料电池。应了解，上述一般描述和以下详细描述都是示范性的，且希望提供对所主张的本发 明的进一步解释。并入本说明书且构成本说明书一部分的附图经包含以说明并提供对本专利技术的方法 和系统的进一步理解。图式连同描述内容一起用以解释本专利技术的原理。 附图说明图l描绘在没有本专利技术提供的催化时氧的电还原中的金、银和铂的相对性能。 图2 (a)到2 (b)分别描绘在电化学粗糙化之前和之后的银表面。 图3描绘由根据本专利技术制成的电极的代表性实施例在所述电极被照射时产生的表面 增强拉曼散射。图4描绘根据本专利技术制成的电极的光电流及其对所施加电压的相关性。图5描绘根据本专利技术制成的电极的随激励波长而变的性能。图6描绘根据本专利技术产生的光电流的可保持性。图7描绘可根据本专利技术的教示光催化的若干材料的电还原。图8进一步相对于图7所说明的材料描绘根据本专利技术制成的电极的性能。图9描绘根据本专利技术制成的电极的另一实施例的性能。图IOA到10C分别描绘根据本专利技术制成的燃料电池的示范性实施例的平面图、俯视 图和分解侧视图。图11描绘根据本专利技术制成的燃料电池的另一实施例。图12描绘根据本专利技术制成的燃料电池的又一实施例。 具体实施例方式现将详细参考本专利技术的当前优选实施例，在附图中说明其实例。将结合系统的详细 描述来描述本专利技术的方法和相应步骤。如上文提及，在常规燃料电池中，阳电金属电极处的还原期间二氧分子(o2)对电 子的需要迫使金属在向氧交出电子之前其静电电势偏向负(称为大负过电压)。图1比较在没有本文所描述的本专利技术益处的情况下银和铂电极处的氧的还原。提供 这些结果以证明在应用本文所述的光催化之前铂与银相比的相对催化特性。对于图1，电极面积为0.15平方厘米。在没有本文所描述的本专利技术益处的情况下，对于燃料电池阴极中的使用，银不如铂 有吸引力。具体来说，如图1说明，当与1.23伏的氧还原热力学电压对正常氢电极(下 文描述为"NHE")比较时，铂处的氧还原开始于+0.75伏左右，银处的氧还原开始于+0.35 伏左右，且金处的氧还原开始于+0.25伏左右。当铂比银阳极极化超过+0.25伏左右且比 金阳极极化超过0.35伏左右时，观察金、银和铂处氧还原的等效电流密度，其突出了铂 的催化性能，但仍需要低于热力学电压至少0.5伏的过电压。此外，如图1所示，银在 高氯酸媒介中在+0.80伏左右开始氧化，而铂和金在+1.1伏左右开始氧化。因此，即使 完全移除银处氧还原的过电压，银也受到其自身氧化的限制而在不正于+0.80伏的电压 下开始氧还原，即，实际上匹配铂的利用。通过使用如本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括导电材料的电极，其具有一表面，所述表面能够通过吸附在所述电极的所述表面上的吸附物材料产生入射光的表面增强拉曼散射，所述吸附物大体上可还原且大体上不可氧化。

【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：约翰J麦克马洪，
申请(专利权)人：福德姆大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]