[发明专利]电催化活性纳米复合材料及其生产方法

说明书

本发明的第一方面涉及一种电催化活性纳米复合材料，该材料包含用锚定在其上的铂纳米颗粒或纳米簇修饰的导电碳材料。该修饰的导电碳材料用基于儿茶酚胺的聚合物外包覆。本发明的另一个方面涉及一种用于生产电催化活性纳米复合材料的方法。

技术领域

本发明总体上涉及电催化活性纳米复合材料，例如，用于燃料电池和/或电解器中。本发明的其他方面涉及纳米复合材料和电催化剂的生产。

背景技术

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)被认为是用于诸如固定式、便携式和汽车应用等未来应用的有前途的清洁能量转换器。^[1-2]然而，为了使该技术准备好用于大众市场，需要减少目前相对高成本的聚合物电解质(或质子交换)膜(PEM)和催化剂。关于催化剂，其价格直接与贵金属(主要是铂(Pt))的量相关。为了能够在不牺牲性能的情况下减少Pt的量，必须增加所谓的Pt利用率(以每单位质量的Pt产生的功率单位表示)。已经表明，通过使用用Pt纳米颗粒修饰的碳连同Nafion^TM(杜邦公司(DuPont)的用于基于磺化四氟乙烯的氟聚合物-共聚物的商标)作为质子传导介质，可以减少电极层中的Pt的负载量(从4mg.cm^-2至0.5mg.cm^-2))^[3]。值得注意的是，在常规的膜电极组件(MEA)中，大约只有10％的可用Pt具有催化活性。

[4]

Pt利用率与三相界面(TPB)的配置有关，该三相界面是反应物、电解质和催化剂的接触区域并且负责在例如PEMFC的功率密度方面的性能。^[4]因此，这些界面的优化可以通过在纳米级水平上微调电极结构来获得。到目前为止，开发了多种方法，例如喷墨印刷、^[6-7]溅射、^[8]及其他^[9]，从而允许优化电极组件的低铂密度。

例如，Taylor等人^[6]应用了能够设计直接沉积在Nafion^TM膜上的PEMFC电极层的基于喷墨的印刷技术。在这项工作中，由负载量为0.021mg_Pt cm^-2的商业20％Pt/C催化剂制成的阳极在H₂/O₂燃料电池中产生约17600mW mg^-1的Pt利用率。为了比较，O’Hayre等人^[10]设计了由在Nafion^TM膜两侧上的溅射Pt薄膜组成的MEA，其厚度为约5nm，并且产生了商用MEA的功率输出的60％。然而，这些方法必须在超高真空条件下进行，需要昂贵且适当的设备。此外，仅在二维内的有限Pt沉积以及在大表面上的溅射涂覆的不均匀性构成了这种沉积方法的主要缺点。