[发明专利]多层纳米结构化薄膜

说明书

技术领域

本发明整体涉及具有增大的表面积的纳米结构化薄膜和制造此类薄膜的方法。

背景技术

诸如质子交换膜燃料电池、传感器、电解装置、氯碱分离膜之类的电化学装置，已由膜电极组件构造出来。例如，一种用于典型电化学电池的MEA包括接触阳极和阴极的离子传导膜(ICM)。所述阳极/膜/阴极结构以类似三明治的形式被夹在称为扩散集电器(DCC)的两层多孔的导电元件之间，从而形成一个五层的MEA。阳极产生的离子被传送到阴极，从而允许电流在连接电极的外部电路中流动。

所述ICM通常包含聚合物电解质材料，所述材料可构成自身的结构支持或被包含于多孔结构膜中。阳离子-或质子-传送聚合物电解质材料可为包含阴离子基团的聚合物盐，且通常被部分氟化或全部氟化。

燃料电池MEA已经通过使用催化剂电极进行构造，其中所述催化剂电极的形式为铂或碳支持的铂催化剂的施用分散体。一种用于聚合物电解质膜的催化剂形式为通过湿化学方法(诸如氯铂酸还原法)涂布于大碳粒上的铂或铂合金。这种形式的催化剂通过离聚物粘结剂、溶剂、及通常的聚四氟乙烯(PTFE)颗粒进行分散以形成施用到膜或扩散集电器上的墨水、糊剂或分散体。

更近一些时候，催化剂层通过以承载颗粒或催化剂材料薄膜的纳米结构化支承元件来形成。所述纳米结构化催化剂电极可被集成到非常薄的ICM表面层，使催化剂颗粒密集分布。与使用分散体方法所形成的催化剂层相比，使用纳米结构化薄膜(NSTF)催化剂层可获得更高的催化剂利用率，并获得更耐用的催化剂。

本发明描述制造用于化学和电化学装置的增强催化剂层的方法，提供现有技术所不及的各种优点。

发明内容

本发明涉及一种具有增大的表面积的多层纳米结构化薄膜以及制造这种薄膜的方法。本发明的一个实施例涉及一种包含多个纳米结构化层的制品，所述纳米结构化层包含针状纳米结构化支承元件。

在各个具体实施中，所述纳米结构化支承元件可具有小于0.1μm的平均横截面尺寸和一个大于0.6μm的长度。每个纳米结构化层的纳米结构化支承元件面密度范围可以为约每平方厘米107至约1011个纳米结构化支承元件。每个纳米结构化层可具有约0.3至约1.3μm的厚度。每个多层薄膜可具有约2至10层。所述纳米材料支承元件可由诸如C.I.PIGMENT 149(本文表示为“苝红”)之类的有机物为主的材料形成。

根据本发明的一个方面，所述纳米结构化层的纳米结构化支承元件可用以形成纳米结构化薄膜催化剂层。在这些具体实施中，对所述多层结构的纳米结构化支承元件涂布催化剂材料的适形涂层。

所述纳米结构化元件的多层薄膜可形成于一个基底上。所述基底可为多孔状和/或具有显微织构表面。例如，多个纳米结构化层可置于一个离子传导膜的表面或一个扩散集电器上。

通过所述多层薄膜形成的催化剂层可用以形成膜电极组件，其中所述膜电极组件进而可集成到各种诸如离子交换膜(PEM)燃料电池和/或电解装置之类的电化学装置中。在其它应用中，所述多层纳米结构化薄膜可用于过滤器、光吸收体、光伏装置、传感器、柔性电路和/或生物吸附支承应用中等。

本发明的另一个实施例涉及多个纳米结构化层的形成方法。第一层材料沉积到基底上，并通过退火形成纳米结构化支承元件的第一层。第一层纳米结构化支承元件生长点通过例如将诸如金属的锢囚材料沉积到第一层的纳米结构化支承元件上进行锢囚。第二层材料沉积到所述纳米结构化支承元件的第一层上。第二层材料通过退火形成纳米结构化支承元件的第二层。

第一和第二层材料可包括诸如苝红的有机物为主的材料。所述多层的形成可涉及将第一和第二材料层在约230℃至约270℃的温度下退火约3分钟至约60分钟。

根据本发明的一个方面，一种诸如铂族金属之类的催化剂材料可沉积到第一和第二层上，以适形地涂布第一和第二层的纳米结构化支承元件。

根据一个实施方式，所述多层纳米结构化薄膜可转移到离子传导膜的至少一个表面，以形成催化剂涂布膜。根据另一个实施方式，所述多层纳米结构化薄膜可在扩散集电器上形成。所述催化剂涂布的多层纳米结构化薄膜可集成至膜电极组件中。

以上对本发明的概述并非旨在说明本发明的每个实施例或每个实施方式。参见以下结合附图的具体实施方式和权利要求，本发明的优点和成效将显而易见，这样就能更全面地理解和领会本发明。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的多层纳米结构化薄膜的制造方法流程图；