[发明专利]用于燃料电池电极的氧化钛纳米结构

说明书

本发明涉及一种结构，其包括包含(二)氧化钛纳米结构，如二氧化钛纳米管的层，其与包含质子传导聚合物的膜层接触。公开了一种制备本发明的结构的方法，其中通过使用热压机将第一基板上的(二)氧化钛纳米结构转移至离子传导性聚合物膜，然后从第一基板分离该纳米结构。

技术领域

本发明涉及一种结构，其包括存在于聚合物膜上的氧化钛纳米结构(如纳米管)，以及制备这样的结构的方法。本发明的结构可用于聚合物电极膜(PEM)燃料电池电极(无论是阴极或阳极)，也可用于支持其他电化学或催化装置(如蓄电池、太阳能电池和传感器)。

背景技术

在汽车领域中相当感兴趣的典型的低温燃料电池中，供给到阳极的氢(H2)、或具有高的氢含量的有机材料被释放的电子而氧化，而在阴极，氧气(O2)被还原。铂(Pt)是高活性材料，在这样的燃料电池中作为催化剂起作用，并可用于阴极和阳极两者。在阴极，铂催化剂通常用于协助氧还原反应(ORR)。

已知的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池阴极上的催化剂层的形式示于图1。这里显示的催化剂层的厚度为约10μm，在碳载体上含铂催化剂，与离聚物混合。典型的聚合物电解质材料为全氟磺酸(PFSA)聚合物，如以商标可商购的那些。

催化剂材料，最典型的Pt或Pt合金，特别是考虑到其在所涉及的非常酸性的条件下的稳定性，通过使活化过电位最小化，促进阴极反应1/2O2+2H++4e-→H2O，促进了氧还原反应，但也可用于阳极以在阳极反应：H2→H++2e–中促进H2氧化。最优选使用2至5nm直径的Pt或Pt合金颗粒。催化剂载体为铂基催化剂提供了增加的表面积，还应提供导电性以传送电子，提供多孔结构使气体扩散和水的输送成为可能，并提供在电化学条件下的稳定性。最常用的载体材料是基于碳的、典型是30到100nm平均直径的活性炭粉末，如可商购的或碳材料。通常相对于碳载体材料，Pt催化剂的负载量为10至60重量％。

已知的通过将催化剂层转移至聚合物电解质膜上(所谓“转印”法)制备膜电极组件的方法是“基于油墨”的方法。其可以描述如下：

1)通过混合负载的催化剂(Pt/C)、离聚物(离子传导聚合物)和合适的溶剂制备油墨；

2)将油墨浇注在中间疏水基板(如PTFE基膜)上，该膜不溶胀，且其玻璃化转变温度高于聚合物电解质膜；

3)在低于100℃的温度下干燥，以消除溶剂，使催化剂层形成于PTFE基板上；