[发明专利]载体-纳米粒子复合物、催化剂、电化学电池和制备载体-纳米粒子复合物的方法

说明书

本说明书涉及一种载体‑纳米粒子复合物、包含该载体‑纳米粒子复合物的催化剂、包含该催化剂的电化学电池以及制备载体‑纳米粒子复合物的方法，所述载体‑纳米粒子复合物包括：设置在载体上的纳米粒子，以及设置在部分或全部纳米粒子之间的中间材料层，所述纳米粒子的表面的一部分暴露在外部。

技术领域

本申请要求2017年9月19日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2017-0120373和2018年8月31日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0103917的优先权和权益，这两项专利申请的全部内容通过引用并入本说明书中。

本说明书涉及一种载体-纳米粒子复合物、包含该载体-纳米粒子复合物的催化剂、包含该催化剂的电化学电池和制备载体-纳米粒子复合物的方法，所述载体-纳米粒子复合物在不降低电化学性能的情况下，通过防止金属催化剂组分的根据温度变化的粗化而表现出优异的寿命性能。

背景技术

燃料电池是替代现有能源的无污染清洁能源，并且作为下一代能源，已经对其进行了积极的研究。燃料电池的基本原理可以通过利用氢与氧的反应产生的电子来解释。燃料电池定义为能够通过将包含氢等的燃料气体与包含氧等的氧化剂的化学反应能直接转化为电能来产生直流电，并且，不同于现有电池，燃料电池通过由外部供应燃料和空气来持续产生电。根据操作条件，燃料电池分为磷酸型燃料电池、碱型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、直接甲醇燃料电池、固体电解质燃料电池等。

特别地，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为便携式电源由于其高能量密度和在室温下的可用性而受到关注。质子交换膜燃料电池(PEMFC)将阳极中生成的氢离子经聚合物电解质膜转移到阴极并且使氢离子与氧和电子结合以形成水，并且利用在其中生成的电化学能。

质子交换膜燃料电池在低温下运行，并且效率相对低于其它燃料电池。因此，为了提高燃料电池效率，负载铂的碳通常制备为催化剂并且使用。事实上，当使用负载铂的碳催化剂时，与使用负载其它金属的催化剂时相比，在性能上得到出色表现。

然而，在用作质子交换膜燃料电池电极的催化剂的负载铂的碳中，负载的铂仅具有数纳米(nm)的尺寸，并且随着电化学反应进行变得不稳定，并且发生铂纳米粒子的粗化。这种铂纳米粒子粗化逐渐降低反应所需要的铂纳米粒子的表面面积，并且成为降低燃料电池性能的一个原因。

所述粗化可以指催化剂纳米粒子相对于初始粒径膨胀150％或更大的现象。

发明内容

技术问题

本说明书旨在提供一种载体-纳米粒子复合物、包含该载体-纳米粒子复合物的催化剂、包含该催化剂的电化学电池、以及制备载体-纳米粒子复合物的方法。

技术方案

本说明书的一个实施方案提供一种载体-纳米粒子复合物，包括：载体；设置在所述载体上的金属纳米粒子；和设置在部分或全部所述金属纳米粒子之间的中间材料层，其中，所述金属纳米粒子的表面的一部分暴露在外部，并且所述中间材料层包含阳离子类聚合物电解质和阴离子类聚合物电解质。

本说明书的另一实施方案提供一种包含所述载体-纳米粒子复合物的催化剂。

本说明书的另一实施方案提供一种包含所述催化剂的电化学电池。

本说明书的另一实施方案提供一种制备上述载体-纳米粒子复合物的方法，包括：通过混合载体与第一聚合物电解质溶液来在所述载体的表面上形成第一聚合物层；通过将形成有第一聚合物层的载体和金属前体加入到溶剂中来在所述第一聚合物层上形成金属纳米粒子；以及通过混合形成有第一聚合物层和金属纳米粒子的载体与第二聚合物电解质溶液，来在所述第一聚合物层的未形成金属纳米粒子的部分或全部表面上形成聚合物复合膜，其中，所述第一聚合物电解质溶液为阴离子类或阳离子类，并且所述第二聚合物电解质溶液具有与所述第一聚合物电解质溶液相反的电荷。

有益效果