[发明专利]中空胶囊结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及中空胶囊结构及其制备方法。更具体地说，本发明涉及具有良 好电子传导性和大比表面积并且容易地进行传质的中空胶囊结构，及其制备方 法。

背景技术

一般而言，多孔材料可以应用于催化剂载体、分离系统、低介电常数材料、 储氢材料、光子晶体等。多孔材料可以包括无机材料、金属、聚合物或碳。碳 材料具有优异的化学和机械特性和热稳定性，并因此可以有用地应用于各种领 域。具体来说，各种种类和形状的多孔碳材料可以广泛地用于燃料电池，因为 它具有优异的表面、离子传导性和抗腐蚀特性，并且成本低。例如，多孔碳材 料可以包括用作催化剂载体的活性碳和炭黑。目前，炭黑或Vulcan XC-72用作 燃料电池的电极催化剂的载体并且一种商业上可获得的E-TCK催化剂是由 Vulcan XC-72担载的Pt-Ru合金催化剂。

最近，其它类型的碳材料，例如，中间相-结构(meso-structured)的碳、 石墨碳纳米纤维和中间相碳微珠已经广泛地用作催化剂支撑体以提高金属催化 剂的活性。然而，仍难以合成具有大比表面积和互连结构的多孔碳材料。

最近，通过使用沸石、中孔材料和胶体晶体已经在合成具有规则排列结构 的多孔碳材料的最通用方法之一中使用模板。根据这一合成方法，将碳前体注 入多孔二氧化硅模子，在非氧化条件下将该碳前体碳化并将该二氧化硅模子溶 解在HF或NaOH溶液中从而制备多孔碳材料。虽然这一方法可以成功制备具有 单一孔径的碳材料，但是在增加其比表面积方面有限制。因此，仍要求进一步 的研究以获得既具有较大比表面积又具有互连结构的多孔碳材料。

发明内容

在一个方面中，中空胶囊结构具有良好的导电性和大的比表面积，该中空 胶囊结构形成为进行传质的结构。

在一个方面中，中空胶囊结构包括其中具有球形纳米孔的壳。在一些实施 方案中，纳米孔直径为大约5nm～大约100nm。

在一些实施方案中，中空大孔具有大约100nm～大约5μm的大孔直径。在 一些实施方案中，纳米孔直径和中空大孔直径的比例为大约1:1～大约1:200。在 一些实施方案中，该壳还包含空隙，所述空隙具有纳米孔的空隙直径的大约 90％～大约95％的空隙直径。在一些实施方案中，中空胶囊结构具有大约 500m²/g～大约2000m²/g的表面积。在一些实施方案中，中空胶囊结构还包含选 自碳、聚合物和无机金属氧化物的材料。在一些实施方案中，该中空胶囊结构 可应用于催化剂支撑体、碳纳米管生长的支撑体、活性材料、导电性试剂、隔 板、脱臭器、提纯器、吸附剂、用于显示器发射极层的材料和过滤器。

在另一个方面中，燃料电池催化剂包括中空胶囊结构和布置在该中空胶囊 结构上的活性材料，所述中空胶囊结构包括在其中具有纳米孔的壳。

在一些实施方案中，纳米孔包括球形纳米孔。在一些实施方案中，纳米孔 具有大约5nm～大约100nm的纳米孔直径。在一些实施方案中，中空胶囊结构具 有中空大孔，所述大孔具有大约100nm～大约5μm的大孔直径。在一些实施方案 中，纳米孔直径和中空大孔直径具有大约1:1～大约1:200的比例。在一些实施方 案中，壳还包含空隙，该空隙具有是纳米孔的空隙直径的大约90％～大约95％ 的空隙直径。在一些实施方案中，中空胶囊结构具有大约500m²/g～大约 2000m²/g的表面积。在一些实施方案中，中空胶囊结构还包含选自碳、聚合物 和无机金属氧化物的材料。

在另一个方面中，燃料电池的膜电极组件包括阳极、阴极、布置在该阳极 和阴极之间的聚合物电解质膜和中空胶囊结构，所述中空胶囊结构包括在其中 具有纳米孔的壳，所述纳米孔形成为起催化剂载体的作用的结构，该中空胶囊 结构布置在所述阳极或阴极内。在一些实施方案中，所述纳米孔是球形纳米孔。

在另一个方面中，中空胶囊结构的制备方法包括：提供一个或多个大孔颗 粒，将阳离子聚合物吸收在该一个或多个大孔颗粒中，在所述大孔颗粒上附着 纳米孔颗粒的层以形成中空胶囊结构模板，烧制该中空胶囊结构模板以除去所 述阳离子聚合物，和将前体注入所述中空胶囊结构模板的空隙中。