[发明专利]包括具有传导性聚合物壳的金属纳米粒子和传导性膜的电极及其制备方法

说明书

本发明公开了包括具有传导性聚合物壳的金属纳米粒子和传导性膜的电极及其制备方法。具体地，本发明公开一种用于燃料电池的电极，其包括：聚合物基质；以及分散在聚合物基质中的催化剂，其中所述催化剂具有核‑壳结构，所述核‑壳结构包括：包含金属纳米粒子的核部；以及包含传导性聚合物的壳部。根据本发明的各种示例性实施方案，可以通过将聚(3‑己基)噻吩(P3HT)之外的其它传导性聚合物与金属纳米粒子组合来形成各种杂化纳米复合材料。例如，该方法可以包括将金属纳米粒子选择性地置于表面改性的传导性聚合物上，所述传导性聚合物包含两种或更多种类型传导性聚合物的嵌段共聚物。

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的包括催化剂和传导性聚合物基质的电极及其制备方法。用于燃料电池的电极可以包括其中分散有催化剂的聚合物基质，所述催化剂包括金属纳米粒子和传导性聚合物。

背景技术

燃料电池通常具有包括阳极、阴极和聚合物电解质膜的基本结构。阳极包括催化剂层以促进燃料的氧化，阴极包括催化剂层以促进氧化剂的还原。例如，在阳极中，使燃料氧化以产生氢离子(质子)和电子，将所产生的质子通过电解质膜传输到阴极，并且将电子通过导线传输到外部电路。在阴极中，通过电解质膜传输的质子和通过导线传输到外部电路的电子与氧结合从而产生水。因此，电子穿过阳极、外部电路和阴极的移动产生电能。如此，燃料电池的阴极和阳极分别含有用以促进燃料的电化学氧化的催化剂和用以促进氧的电化学还原的催化剂。燃料电池的性能可受到阳极和阴极的催化剂性能的很大影响。例如，这种电极的催化剂材料铂(其为贵重金属)是最常用的。最常用于阳极和阴极的贵重金属催化剂包括Pt/C催化剂，所述Pt/C催化剂包括负载在具有高比表面积和优良导电性的碳载体上的铂金属粒子。

在常规燃料电池中，通过还原铂前体与碳载体的组合来制得铂催化剂，而铂会不可避免地无规置于聚合物基质中。

此外，在相关技术中，尝试使用传导性聚合物基嵌段共聚物作为燃料电池的催化剂以改进电子的移动。然而，通过自组装控制纳米结构的合成方法还有不足。包括如下的技术尚未报道：合成具有传导性聚合物壳的无机纳米粒子并将其引入燃料电池的具有嵌段共聚物基质的电极中。

与简单金属纳米粒子不同，具有由有机物质制成的壳的杂化纳米粒子可以很好地分散在有机溶剂中，并因此具有表面积相当宽且加工性优良的优点。常规杂化纳米粒子的壳包括单个分子，并且可以通过配体交换方法用非结晶聚合物(例如聚苯乙烯)进行二次表面改性来合成。

然而，合成具有官能团(其可与金属纳米粒子相互作用)的传导性聚合物的方法会很困难，从而使得无法制成具有传导性聚合物壳的金属纳米粒子。例如，即使传导性聚合物与金属纳米粒子连接，但是还没有开发出用于除去未反应的传导性聚合物部分的纯化方法。此外，在相关技术中，已经使用了诸如与配体稳定结合的金纳米粒子的纳米粒子，但有局限性。

所提供的以上公开于本背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的背景的理解，因此其可以包含未构成已为该国家的本领域一般技术人员所公知的现有技术的信息。

发明内容

在优选的方面，尤其提供一种制备电极纳米粒子的方法，所述方法包括用传导性聚合物对具有官能团的纳米粒子(例如金纳米粒子和铂纳米粒子)进行表面改性、以及纯化纳米粒子，并且提供一种可以控制金属纳米粒子在燃料电池电极上的位置的新方法。特别地，所述电极包括含有嵌段共聚物的聚合物基质。

在一个方面，提供一种用于燃料电池的电极，所述电极包括聚合物基质和分散在聚合物基质中的催化剂。所述催化剂可以具有包括核部(core)和壳部(shell)的核-壳结构，所述核部包含金属纳米粒子，所述壳部包含传导性聚合物。

如在本文所用的术语“金属纳米粒子”是指包含一种或多种金属组分并且具有以下尺寸(例如，在最长长度处测量的直径)的粒子，所述尺寸小于约990nm、小于约900nm、小于约800nm、小于约700nm、小于约600nm、小于约500nm、小于约400nm、小于约300nm、小于约200nm、小于约100nm、或小于约50nm。