[发明专利]在多孔基底上制作纳米结构的电极

说明书

技术领域

本发明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。

本发明还涉及通过本发明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。

背景技术

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 template method:Its promise toward high Pt-loaded electrocatalysts for methanol oxidation”，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铂纳米线。

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，通过铂盐的电化学还原反应生长铂催化剂。

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。

这些技术包括在铂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 array on metal gauze”,Journal of the American Chemical Society（美国化学学会期刊）129(35)：10634,2007中被描述。

发明内容

为了克服现有技术的这些问题，本发明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，本发明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，在本发明的方法中，多孔层的纳米颗粒的密度至少等于孔的密度。

此外，优选地，本发明的纳米线制作方法还包括在步骤a）和步骤b）之间的步骤a1）：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。

在本发明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。