本发明专利技术涉及一种用于制作纳米线的方法和用于制作电化学装置的电极的方法。根据本发明专利技术的纳米线的制作方法包括：a）在所述基质的包括孔开口的一个表面上沉积导电材料的纳米颗粒的至少一多孔层，所述多孔层具有的孔隙率以体积计等于或大于26%，所述纳米颗粒具有的最小的尺寸至少等于所述基质中的所述孔的直径，所述纳米颗粒彼此电接触，b）在所述基质的孔中生长纳米线，以及c）去除基质。本发明专利技术尤其应用于电化学装置的领域。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于制作纳米线的方法和一种用于制作电极的方法。本专利技术还涉及通过本专利技术的纳米线制作方法获得的电极和包括这样的电极(例如燃料电池)的电法装置。
技术介绍
涉及例如燃料电池 、蓄电池、气体传感器等技术的能源通常基于气固异相反应或液固异相反应，并且需要反应物和反应产物具有非常好的循环性。这些装置(燃料电池、蓄电池、气体传感器)基于氧化还原反应并且包括电极，该电极因此还必须提供反应物和反应产物的良好循环性。这些电极具体包括在所述电极的一个元件上沉积的催化剂。为了优化该催化剂的效率，以纳米级构造的纳米电极对多种应用日益有利。这是因为传统的催化剂沉积工艺通常不适合获得被很好地控制的三维结构(在尺寸和催化剂分散方面)。为了克服该缺点，Choi 等在 “Pt nanowires prepared via a polymer templatemethod: Its promise toward high Pt-Ioaded electrocatalysts for methanoloxidation”，ElectrochimicaActa (电化学学报)，53 (19):第 5804 页到第 5811 页，2008中提出使用基质以制作随后被沉积在基底上的钼纳米线。在该方法中，制作聚碳酸酯基质，该基质在厚度方向上被穿孔以在基质的两个相对的表面上形成开孔。在该基质的孔中，通过钼盐的电化学还原反应生长钼催化剂。然而，该方法具有主要限制因为必须在基质一个表面(其孔的开口是开放的)上沉积致密、均匀和足够厚的导电材料层。必须将该层沉积以堵塞基质的孔的一端并且由此允许仅在基质的孔内生长金属结构。该基质随后被破坏，仅留下其上垂直地布置金属结构(纳米线)(柱)的金属层。实际上，致密且均匀的金属层(例如通常沉积的金层)不允许反应物和反应产物的良好循环所需的合适的流体的循环。由Choi等提出的一种方案是将获得的所有纳米线与金属层分离，并且将纳米线悬浮于含有有机粘结剂的溶液中，并且随后在通常无孔的衬底上沉积此悬浮液。然而，该技术不适合用于保持该初始的纳米结构。其他技术用作在多孔基底上获得金属线，但不易控制线的尺寸和分布。这些技术包括在钼网或钛网上或者在碳毡上生长纳米线。这样的方法具体在Lee等的“Growing Pt nanowires as a densely packed arrayon metal gauze”，Journal of the American Chemical Society (美国化学学会期干丨J)129(35) :10634, 2007 中被描述。
技术实现思路
为了克服现有技术的这些问题，本专利技术提出制作相对于多孔载体垂直定向的纳米线构成的纳米结构沉积物，该多孔载体-纳米线组合被直接用于制作电极。 为此目的，本专利技术提出一种制作纳米线的方法，所述方法包括在基质的通孔中生长纳米线、随后去除该基质的步骤，其特征在于，该方法包括以下步骤a)在基质的包括孔的开口的表面中的一个表面上沉积导电材料的纳米颗粒的至少一个多孔层，所述多孔层具有的孔隙率以 体积计等于或大于26%，所述纳米颗粒具有的最小尺寸至少等于基质中的孔的直径，所述纳米颗粒彼此电接触；b)在基质的孔中生长纳米线；以及c)去除基质。优选地，在本专利技术的方法中，多孔层的纳米颗粒的密度至少等于孔的密度。此外，优选地，本专利技术的纳米线制作方法还包括在步骤a)和步骤b)之间的步骤al):将步骤a)中获得的由至少一层纳米颗粒覆盖的所述基质的所述表面与多孔载体组装在一起，所述多孔载体的孔隙率比步骤a)中形成的纳米颗粒的层的所述孔隙率高，所述多孔载体由电子导电材料制成，并且与步骤a)中沉积的至少一层纳米颗粒中的所述纳米颗粒电接触。此外，优选地，在步骤a)中纳米颗粒通过粘结剂保持彼此电接触，并且通过粘结剂固定在基质的表面上。在该情况下，优选地，粘结剂选自氟化聚合物、电子聚合物、聚醋酸乙烯酯和其混合物。在本专利技术方法的优选实施方式中，纳米颗粒选自炭黑、导电氧化物、导电聚合物、金属和其混合物的纳米颗粒。关于多孔载体，优选地选自金属网、碳纤维或碳毡、以及导电材料的毡。优选地，该基质由选自以下的材料制成聚碳酸酯、聚酯、尼龙、硝化纤维酯、磺化酯、醋酸纤维素和其混合物。此外，优选地，纳米线由金属、金属氧化物或导电聚合物制成。此外，优选地，在本专利技术的方法中，步骤b)为电化学沉积步骤。此外，优选地，在步骤b)中，具有纳米颗粒层的基质通过压紧、加热、热压、原位聚合、接枝或机械粘合而接合到多孔载体。本专利技术还提出一种用于制作电化学装置的电极的方法，其特征在于，该方法包括根据本专利技术的方法制作纳米线的步骤。具体实施例方式通过阅读以下的示例性描述可以更好地理解本专利技术并且可以更清楚地看出其他特征和优点。本专利技术的纳米线的制作方法包括在由孔穿过的基质的一个表面(在该表面上，孔是开放)上沉积层，以便在下表面上堵塞这些孔；在基质的其中一个表面因此被堵塞的孔中生长纳米线，并且去除基质。为解决为堵塞孔的一端而在基质的表面上沉积的层的所必要的孔隙率的问题，本专利技术提出使用纳米颗粒堵塞这些孔，这些纳米颗粒的最小尺寸必须至少等于基质的孔的最大尺寸以避免这些纳米颗粒穿过基质，以使纳米颗粒分布在基质的表面上并且堵塞所有孔。基质的孔垂直地穿过基质的厚度。在本专利技术的内容中，纳米颗粒指颗粒或颗粒集料，或颗粒集料的聚合，它们的最大尺寸小于500nm。对于本专利技术的优选 实施方式的制作金属纳米线，沉积的纳米颗粒的层必须允许电流流至分布在基质上的所有纳米颗粒。为了获得该良好的电流分布且因此获得在整个层上良好的电渗流，纳米颗粒必须通过直接接触或借助另一材料间接接触而电连接到一起。因此，在本专利技术中，可以沉积单层纳米颗粒或多层堆叠的纳米颗粒。物理、形态、尺寸、比表面积和密度特性是制作多孔层所考虑的基本特征。事实上，在所有的情况下，为了使用纳米颗粒的层上(尤其是电极中)生长的纳米线，其上已经生长纳米线的纳米颗粒层的组件必须是多孔的并且电学上可导电，这意味着由纳米颗粒形成的层也必须是多孔的。更精确地，以体积计必须具有等于或大于26%的孔隙率，即，纳米颗粒层的开孔的体积必须占该层的总体积的至少26%，同时具有在中孔(2nm到50nm)和大孔(> 50nm)范围内的孔。通过称重来测量该孔隙率。纳米颗粒可以由任一导电性材料制成。在本专利技术的优选实施方式中，纳米颗粒由炭黑、导电氧化物(例如Ir02、Sn02、Ti02、ITO)、TiC、导电聚合物(例如聚氯乙烯吡咯啉(PVP )、聚苯胺(PANI)和聚吡咯(PPY))或金属(例如钛、银或金)制成。纳米颗粒可具有宽的尺寸分布，例如堵塞孔的小颗粒和用于电流分布的大颗粒，该纳米颗粒形成在多孔基质的表面上沉积的所述至少一层。例如，市售的基质具有范围在IOnm到超过500nm之间的孔直径，且其具有的密度范围在4X IO4个孔/cm2到6 X IO8个孔/cm2之间。所使用的纳米颗粒的尺寸必须适合于孔的直径和密度。对于孔直径为80nm的4X IO8个孔/cm2的基质，导电材料的纳米颗粒的最小尺寸必须至少等于80nm,使得纳米颗粒堵塞孔的孔口。基质还必须具有大于或等于26%的开孔孔隙率和高于4X IO4的孔的密度本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于制作纳米线的方法，所述方法包括在基质的通孔中生长纳米线、随后去除所述基质的步骤，其特征在于，所述方法包括以下步骤 a)在所述基质的包括孔的开口的表面中的一个表面上沉积导电材料的纳米颗粒的至少一个多孔层，所述多孔层具有的孔隙率以体积计等于或大于26%，所述纳米颗粒具有的最小尺寸至少等于所述基质中的所述孔的直径，所述纳米颗粒彼此电接触； b)在所述基质的所述孔中生长纳米线；以及 c)去除所述基质。2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述多孔层的所述纳米颗粒的密度至少等于所述孔的密度。3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤a)和步骤b)之间的步骤al):将步骤a)中获得的由至少一层纳米颗粒覆盖的所述基质的所述表面与多孔载体组装在一起，所述多孔载体的孔隙率比步骤a)中形成的纳米颗粒的所述层的所述孔隙率高，所述多孔载体由电子导电材料制成，并且与在步骤a)中沉积的至少一层纳米颗粒中的所述纳米颗粒电接触。4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述纳米颗粒通过粘结剂而保持彼此电接触并且被固定在所述基质...
【专利技术属性】
技术研发人员：尼古拉斯·吉利特，加尔德里克·锡比乌德，
申请(专利权)人：原子能与替代能源委员会，沙特国王大学，
类型：发明
国别省市：
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