包含纳米结构化的薄催化层的电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及包含纳米结构化的薄催化层的电极及其制备方法。该方法包括提供包括在其上具有纳米结构化的薄催化层的承载基体的电催化剂贴花纸；提供具有相邻粘合剂层的转移基体；将该纳米结构化的薄催化层与该粘合剂层相邻粘合以形成复合结构；从该复合结构中除去该承载基体；和从该复合结构上除去该转移基体以形成包括在其上粘合有该纳米结构化的薄催化层的该粘合剂层的独立的纳米结构化的薄催化膜。还描述了独立的纳米结构化的薄催化膜和用该独立的纳米结构化的薄催化膜构造电极的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来讲涉及用于燃料电池的电极，尤其涉及包含纳米结构化的薄催化层的电极，及其制备方法。
技术介绍
电化学转化电池，通常称作燃料电池，通过处理反应物(例如通过氢气和氧气的氧化和还原)而产生电能。典型的聚合物电解质燃料电池包括在两侧上都具有催化剂层的聚合物膜(例如质子交换膜(PEM))。该涂覆有催化剂的PEM位于一对气体扩散介质层之间，阴极板和阳极板位于该气体扩散介质层的外部。将所述部件压缩以形成该燃料电池。目前广泛使用的燃料电池电催化剂是承载在碳载体上的钼纳米颗粒。取决于催化剂和负载量，用碳承载钼催化剂制备的电极通常具有从数微米到约10或20微米的厚度，孔隙率在30%-80%变化。这些碳承载催化剂的缺点之一是在某些燃料电池操作条件下碳的防腐蚀性差，这导致快速的性能下降。催化剂层能够由纳米结构化的薄载体材料制成。该纳米结构化的薄载体材料在其上具有催化剂的颗粒或薄膜。该纳米结构化的薄催化剂层能够使用公知方法制备。用于制备纳米结构化的薄催化层的方法的一种实例描述于美国专利号4，812，352、 4，940，854,5，039，561,5，175，030,5，238，729,5，336，558,5，338，430,5，674，592, 5，879，827,5, 879，828,6, 482，763,6, 770，337 和 7，419，741 和美国公开号 2007/0059452、 2007/0059573,2007/0082256,2007/0082814,2008/0020261,2008/0020923,2008/0143061 和2008/0145712中，将其通过引用引入本文。基本工艺包括在基体上沉积材料(例如聚酰亚胺)，并使该沉积的材料退火以形成纳米结构化的载体元件的层，称作晶须。能够用于形成该纳米结构化的载体元件的材料的一种实例是“二萘嵌苯红”(N，N’ - 二(3，5-二甲苯基)二萘嵌苯_3，4-9，10-二(二羧酰亚胺))(可以商标“C. I. PIGMENT RED 149”商购自American Hoechst Corp. of Somerset, N.J.)。然后在该纳米结构化的载体元件的表面上沉积催化剂材料以形成纳米结构化的薄膜(NSTF)催化剂层，其可获自3M。能够使用例如热压层压工艺将该纳米结构化的薄催化层直接转移到质子交换膜(例如Nafion 膜)。然后将该聚酰亚胺基体剥落，留下该晶须层附着到该膜上。这些类型的纳米结构化的薄催化层已经证实具有高催化活性，这有助于减少在燃料电池堆中的钼用量。最重要的是，因为该载体层不是如在用于燃料电池应用的传统钼催化剂中那样由碳制成，因此该纳米结构化的薄催化层在某些燃料电池操作条件下更抗腐蚀，因此提高了该燃料电池的耐久性。然而，在完成该退火工艺之后，残余的未晶化的二萘嵌苯红的薄层残存在该聚酰亚胺基体处/附近。因此，当晶须已经转移到该PEM且该聚酰亚胺基体剥落时，与该聚酰亚胺基体相邻的晶须的表面暴露出来并成为膜电极组装件(MEA)的表面，其与该气体扩散介质通过界面连接。因此，最初与该聚酰亚胺基体相邻的残余的未晶化的二萘嵌苯红背衬暴露出来。这对燃料电池操作能够是有害的，因为其能够阻隔水以及气体转移进出该电极。此外，由这种晶须催化剂层制成的MEA具有窄的操作条件范围(即其不能过干或过湿)以提供良好的性能。如果该燃料电池在湿条件下操作，那么厚度小于1 μ m的晶须薄层不能为产物水提供足够的储存容量，导致溢流。在干条件下，相信由于质子转移特征差， 因此并非全部部分的晶须都用于催化该反应。除了上述NSTF晶须催化剂之外，还有其他的制备在基体上的均勻分散的(或以所需图案分散的)催化纳米结构化的材料。例如，在硅或其他基体上能够生长对齐的碳纳米管、对齐的碳纳米纤维、或纳米颗粒等。然后在该纳米结构化的材料上沉积催化材料。包括这种材料的电催化剂贴花纸(decal)例如描述于Hatanaka等，PEFC Electrodes Based on Vertically Oriented Carbon Nanotubes, 210th ECS Meeting, Abstract #549 (2006)； Sun 等，Ultrafine Platinum Nanoparticles Uniformly Dispersed on Arrayed CNx Nanotubes with High Electrochemical Activity, Chem. Mater. 2005, 17, 3749-3753; Warren等，Ordered Mesoporous Materials from Metal Nanoparticle-Block Copolymer Self-Assembly, Science Vol. 320，1748-1752 (6 月 27 日，2008)中。因此，需要加工和构造包含各种类型的纳米结构化的薄催化层的电极，其能够在宽的操作条件范围上提供良好性能。
技术实现思路
在一种实施方案中，提供了制备电极的方法。该方法包括提供包括在其上具有纳米结构化的薄催化层的承载基体的电催化剂贴花纸；提供带有相邻粘合剂层的转移基体； 将该纳米结构化的薄催化层与该粘合剂层相邻粘合以形成复合结构；从该复合结构中除去该承载基体；和从该复合结构上除去该转移基体以形成包括在其上粘合有该纳米结构化的薄催化层的该粘合剂层的独立的纳米结构化的薄催化膜。在另一实施方案中，提供了独立的纳米结构化的薄催化膜。该独立的纳米结构化的薄催化膜包括粘合剂层；和与该粘合剂层粘合的纳米结构化的薄催化层。在另一实施方案中，也提供了构造具有该独立的纳米结构化的薄催化膜的电极的方法。描述了用于制造涂覆有催化剂的扩散介质和涂覆有催化剂的膜的方法以及制备电极油墨的方法。本专利技术进一步体现在如下方面 1.制备电极的方法，包括提供包括在其上具有纳米结构化的薄催化层的承载基体的电催化剂贴花纸； 提供带有相邻粘合剂层的转移基体；将该纳米结构化的薄催化层与该粘合剂层相邻粘合以形成复合结构； 从该复合结构中除去该承载基体；和从该复合结构除去该转移基体以形成独立的纳米结构化的薄催化膜，所述独立的纳米结构化的薄催化膜包括带有粘合其上的该纳米结构化的薄催化层的该粘合剂层。2.方面1的方法，进一步包括将另外的层沉积在该独立的纳米结构化的薄催化膜上，该另外的层包括以下中的至少一种离聚物、导电颗粒、碳粉、碳纤维、催化剂、二氧化钛、二氧化硅、纳米纤维或纳米管。3.方面1的方法，其中该粘合剂层包括水溶性粘合剂。4.方面1的方法，其中该粘合剂层进一步包括以下中的至少一种离聚物、导电颗粒、碳粉、碳纤维、催化剂、二氧化钛、二氧化硅、纳米纤维或纳米管。5.方面1的方法，进一步包括将该独立的纳米结构化的薄催化膜放置在气体扩散介质的微孔层侧，和除去该粘合剂层以形成涂覆有催化剂的扩散介质。6.方面5的方法，进一步包括在将该独立的纳米结构化的薄催化膜放置在其上之前在该微孔层上沉积另外的层，该另外的层包括以下中的至少一种离聚物、导电颗粒、 碳粉、碳纤维、催化剂、二氧化钛、二氧化硅、纳米纤维或纳米管。7.方面5的方法，进一步包括在该独立的纳米结构化本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．制备电极的方法，包括：提供包括在其上具有纳米结构化的薄催化层的承载基体的电催化剂贴花纸；提供带有相邻粘合剂层的转移基体；将该纳米结构化的薄催化层与该粘合剂层相邻粘合以形成复合结构；从该复合结构中除去该承载基体；和从该复合结构除去该转移基体以形成独立的纳米结构化的薄催化膜，所述独立的纳米结构化的薄催化膜包括带有粘合其上的该纳米结构化的薄催化层的该粘合剂层。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：C纪，M迪奥瓜迪，S巴加瓦，
申请(专利权)人：C纪，M迪奥瓜迪，S巴加瓦，
类型：发明
国别省市：US