Pt納米管的制作方法
【專利摘要】制造中空金屬管的方法，包括將含聚苯硫醚的樹脂與水溶性的載體樹脂結合以形成樹脂混合物的步驟。然后擠出該樹脂混合物以形成擠出的樹脂混合物。該擠出的樹脂混合物包含在載體樹脂內的含聚苯硫醚的纖維。該擠出的樹脂混合物與水接觸(即，洗滌)以從該載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的纖維。該含聚苯硫醚的纖維然后涂布以金屬層。然后通過除去所述含聚苯硫醚的纖維制成中空金屬管。
【專利說明】PT納米管
[0001]本發(fā)明涉及制造中空金屬納米管的方法。
【背景技術】
[0002]制造中空金屬管是高度活躍的研究領域。制造中空金屬微米和納米管的改進方法在電子，傳感器，生物醫(yī)學，燃料電池和蓄電池發(fā)展領域被積極地從事。
[0003]在質子交換膜型燃料電池情況中，氫作為燃料供應至陽極，氧作為氧化劑供應至陰極。氧可以是純氧(O2)或空氣(02和隊的混合物)。質子交換膜(“PEM”)燃料電池通常具有膜電極組件(“MEA”)，其中固體聚合物膜在一面上具有陽極催化劑，在相反面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極和陰極層由多孔導電材料，如織造石墨(wovengraphite)、石墨化片材或碳紙(carbon paper)形成以使燃料能夠分散在面向燃料供給電極的膜的表面上。典型的，離子導電聚合物膜包括全氟磺酸(PFSA)離聚物。
[0004]各催化劑層具有負載在碳顆粒上的細碎催化劑顆粒(例如鉬顆粒)以促進氫在陽極處的氧化和氧在陰極處的還原。質子從陽極穿過離子導電聚合物膜流向陰極，在此它們與氧結合形成水，水從電池中排出。通常，該離子導電的聚合物膜包括全氟磺酸(PESA)離聚物。
[0005]MEA夾在一對多孔氣體擴散層(“⑶L”)之間，這對⑶L又夾在一對導電流場元件或板之間。該板充當陽極和陰極的集流器(current collector),并含有在其中形成的用于將該燃料電池的氣態(tài)反應物分配在各自的陽極和陰極催化劑表面上的適當?shù)耐ǖ篮烷_口。為了有效發(fā)電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄、化學穩(wěn)定、可傳輸質子、不導電和不透氣。在典型用途中，燃料電池以許多成組的獨立燃料電池(fuel cell in stacks)的陣列(arrays)形式提供以提供大量電力。
[0006]MEA夾在一對多孔的氣體擴散層("GDL")之間，該氣體擴散層位于一對導電流場元件或板之間。板作為陽極和陰極的集電器，并且包含適當?shù)耐泛湍抢镄纬傻拈_口，以分別在陽極和陰極催化劑的表面上分配燃料電池的氣體反應物。為了有效產生電流，PEM燃料電池的聚合物電解膜必須薄，化學穩(wěn)定，質子傳遞，不導電并且氣體可透過。在典型的應用中，許多單獨的燃料電池堆疊系列提供燃料電池，以提供高水平的電能。
[0007]在許多燃料電池應用中，電極層由墨水成分組成，其包括貴金屬和全氟磺酸聚合物(PFSA)。例如，PFSA典型地被加到質子交換膜燃料電池的電極層結構中的Pt/C催化劑墨水中，以向分散的Pt-碳催化劑納米顆粒提供質子傳導并粘接多孔碳網。傳統(tǒng)的燃料電池催化劑將炭黑與離聚物一起與沉積在碳表面上的鉬結合。炭黑提供(部分地)高表面積傳導基底。鉬沉積物提供催化作用，并且離聚物提供質子傳導成分。電極由含有炭黑催化劑和離聚物的墨水組成，其在干燥時結合以形成電極層。
[0008]雖然制造電極層的電流技術工作的相當好，仍需要改進。例如，現(xiàn)在正在研究將鉬納米管用于燃料電池電極應用以增大電極傳導率。
[0009]因而，本發(fā)明提供制造可用于燃料電池應用的鉬納米管的多孔墊的改進方法。
【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明通過在至少一個【具體實施方式】中提供制造中空金屬管的方法解決現(xiàn)有技術的一個或多個問題。該方法包括將含聚苯硫醚的樹脂與水溶性的載體樹脂結合以形成樹脂混合物的步驟。該樹脂混合物然后擠出以形成擠出的樹脂混合物。該擠出的樹脂混合物包括在載體樹脂內的含聚苯硫醚的纖維。該擠出的樹脂混合物與水接觸(即，洗滌)以從該載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的纖維。所述含聚苯硫醚的纖維然后涂布以金屬層。然后通過除去含聚苯硫醚的纖維制成中空金屬管。
[0011]在另一個【具體實施方式】中，提供制造中空鉬管的方法。該方法包括將含聚苯硫醚的樹脂與水溶性的載體樹脂結合以形成樹脂混合物的步驟。該樹脂混合物然后擠出以形成擠出的樹脂混合物。該擠出的樹脂混合物包括在載體樹脂內的含聚苯硫醚的纖維。該擠出的樹脂混合物與水接觸(即，洗滌)以從所述載體樹脂中分離含聚苯硫醚的纖維。該含聚苯硫醚的纖維然后涂布以鉬層。然后通過除去所述含聚苯硫醚的纖維制成中空鉬管。[0012]本發(fā)明進一步包括以下方面:
[0013]I?方法，包括:
[0014]將含聚苯硫醚的樹脂與水溶性的載體樹脂結合以形成樹脂混合物；
[0015]擠出所述樹脂混合物以形成擠出的樹脂混合物，該擠出的樹脂混合物具有在所述載體樹脂內的含聚苯硫醚的纖維；
[0016]將所述擠出的樹脂混合物與水接觸以從所述載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的纖維；
[0017]將所述含聚苯硫醚的纖維涂布以金屬層；以及
[0018]通過除去所述含聚苯硫醚的纖維制成中空金屬管。
[0019]2.根據方面I的方法，其中，所述金屬層包含選自金，鉬，鈀及其組合的成分。
[0020]3.根據方面I的方法，其中，所述加熱除去含聚苯硫醚的纖維。
[0021]4.根據方面3的方法，其中，將含聚苯硫醚的纖維加熱到約80°C至約250°C的溫度。
[0022]5.根據方面3的方法，其中，將含聚苯硫醚的纖維加熱到約100°C至約200°C的溫度。
[0023]6.根據方面I的方法，其中，在涂布以所述金屬膜之前將給質子基團加入所述含聚苯硫醚的纖維。
[0024]7.根據方面6的方法，其中，所述給質子基團為S02X，-PO3H2，或-C0X，其中X為-0H,鹵素或酯。
[0025]8.根據方面I的方法，其中，所述載體樹脂是水溶性的聚酰胺。
[0026]9.根據方面I的方法，其中，所述載體樹脂包含聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
[0027]10.根據方面I的方法，其中，含聚苯硫醚的樹脂與載體樹脂的重量比為約I: 100 至約 10:1。
[0028]11.根據方面I的方法，其中，所述金屬管具有約50納米至約10微米的直徑。
[0029]12.根據方面I的方法，其中，所述金屬管具有約100納米至約300納米的直徑。
[0030]13.根據方面I的方法，其中，所述金屬管具有約10至50納米的平均壁厚度。
[0031]14?方法，所述方法包括:[0032]將含聚苯硫醚的樹脂與水溶性的載體樹脂結合以形成樹脂混合物；
[0033]擠出所述樹脂混合物以形成擠出的樹脂混合物，所述擠出的樹脂混合物具有在所述載體樹脂內的所述含聚苯硫醚的纖維；
[0034]將所述擠出的樹脂混合物與水接觸以從所述載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的纖維；
[0035]將所述含聚苯硫醚的纖維涂布以鉬層；以及
[0036]通過除去所述含聚苯硫醚的纖維制成中空鉬管。
[0037]15.根據方面14的方法，其中，通過加熱除去含聚苯硫醚的纖維。
[0038]16.根據方面15的方法，其中，將含聚苯硫醚的纖維加熱到約80°C至約250°C的溫度。
[0039]17.根據方面15的方法，其中，將含聚苯硫醚的纖維加熱到約100°C至約200°C的溫度。
[0040]18.根據方面14的方法，其中，所述載體樹脂是水溶性的聚酰胺。
[0041]19.根據方面14的方法，其中，所述載體樹脂包含聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
[0042]20.根據方面14的方法，其中，所述中空鉬管具有約100納米至約300納米的平均直徑和約10至50納米的平均壁厚度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]通過詳細說明和附圖，能夠充分地理解本發(fā)明典型的【具體實施方式】，其中:
[0044]圖1提供了引入聚電解質膜分離器的燃料電池的示意圖；
[0045]圖2為簡要流程圖，表示使用聚苯硫醚纖維作為模板的中空金屬管的制造；
[0046]圖3A和3B提供聚(苯硫醚)納米纖維在兩個不同的放大倍率下的顯微照片；
[0047]圖4A和4B是磺化聚(苯硫醚)在兩個不同的放大倍率下的顯微照片；
[0048]圖5A和5B提供了鍍鉬金屬的磺化聚(苯硫醚)納米纖維在兩個不同的放大倍率下的顯微照片；
[0049]圖6A和6B提供了鍍金-鉬金屬的聚(苯硫醚)納米纖維在兩個不同的放大倍率下的顯微照片；以及
[0050]圖7A-D提供了中空鉬管在四個不同的放大倍率下的顯微照片。
[0051]發(fā)明詳述
[0052]現(xiàn)在詳細提到本發(fā)明的目前優(yōu)選的組合物、實施方案和方法，它們構成本發(fā)明人目前已知的實施本發(fā)明的最佳方式。附圖不一定按比例繪制。但是，要理解的是，所公開的實施方案僅是本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以具體體現(xiàn)為各種備選形式。因此，本文中公開的具體細節(jié)不應被視為限制性的，而是僅作為本發(fā)明的任何方面的代表性基礎和/或作為教導本領域技術人員以各種方式利用本發(fā)明的代表性基礎。
[0053]除了在實施例中或在明確另行指明之處外，本說明書中表示材料量或反應條件和/或使用條件的所有數(shù)值量應被理解為用詞語“大約”修飾以描述本發(fā)明的最寬范圍。通常優(yōu)選在所述數(shù)值極限內實施。此外，除非明確作出相反論述:百分比、“份數(shù)”和比率值都按重量計；術語"聚合物"包括"低聚物"，"共聚物"，"三元共聚物"，等等；對于與本發(fā)明相關的給定用途而言合適或優(yōu)選的一組或一類材料的描述意味著該組或該類中任意兩個或更多個成員的混合物同樣合適或優(yōu)選；除非另外指明，任何聚合物的分子量是指重量平均分子量；以化學術語描述的成分是指在添加到本說明書中規(guī)定的任何組合中時的成分，且不一定排除一經混合后混合物成分之間的化學相互作用；首字母縮寫詞或其它縮略語的首次定義適用于同一縮略語在本文中的所有后續(xù)應用，并準用于最初定義的縮略語的正常語法變動；除非明確作出相反論述，一性質的測量通過如上文或下文對相同性質提到的相同技術進行。
[0054]同樣要理解的是，本發(fā)明不限于下述具體實施方案和方法，因為具體組分和/或條件當然可變。此外，本文所用的術語僅用于描述本發(fā)明的具體實施方案并且無論如何不是限制性的。
[0055]還必須指出，除非文中清楚地另行指明，說明書和所附權利要求中所用的單數(shù)形式“一(a，an)”和“該(the) ”包含復數(shù)對象。例如，以單數(shù)提到的組分意在包括多種組分。
[0056]貫穿本申請，在參考出版物的地方，這些出版物的公開內容籍此參考全文引入到本申請中以更充分地描述本發(fā)明相關的現(xiàn)有技術。
[0057]參考圖1，提供了引入Pt納米管的纖維電極片的實施方式的燃料電池的截面示意圖。質子交換膜(PEM)燃料電池10包括設置在陰極催化劑層14和陽極催化劑層16之間的聚合物離子傳導膜12。燃料電池10還包括流場板18，20，氣體通道22和24，以及氣體擴散層26和28。有利的，陰極催化劑層14和/或陽極催化劑層16包括中空金屬管，以及特別的，上述的中空鉬管。在操作燃料電池期間，將燃料(例如氫)供應到陽極側上的流場板20，和將氧化劑(例如氧)供應到陰極側上的流場板18。通過陽極催化劑層16產生的氫離子遷移通過聚合離子傳導膜12，它們在陰極催化劑層14反應以形成水。這個電化學方法通過連接到流場板18和20的負荷產生電流。
[0058]參考圖2，提供了表示制造中空金屬管的方法的流程圖。步驟a)中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性的載體樹脂42結合以形成樹脂混合物44。在一個改進中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性的載體樹脂42的重量比為1: 100至約10: I。在另一個改進中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性的載體樹脂42的重量比為1: 50至約10: I。還在另一個改進中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性的載體樹脂42的重量比為1: 10至約10: I。還在另一個改進中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性的載體樹脂42的重量比為1: 10至約3:1。還在另一個改進中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性的載體樹脂42的重量比為I: 10至約2: I。還在另一個改進中，含聚苯硫醚的樹脂40與水溶性的載體樹脂42的重量比為1: 3至約10: I。在步驟b)中，將樹脂混合物44成型。圖2描述了一個具體的實施例，其中將樹脂混合物44擠出。因而，步驟b)中樹脂混合物44從擠出機46擠出以形成擠出的樹脂混合物48。擠出的樹脂混合物48包含在載體樹脂42內的含聚苯硫醚的纖維50。在步驟c)中，擠出的纖維任選地從擠出機46分離。在步驟d)中，含聚苯硫醚的纖維50通過在水中接觸/洗漆而成為游離纖維(freed from the fiber)。在步驟e)中，將給質子基團(PG)任選地加入到含聚苯硫醚的纖維中以形成改性的含聚苯硫醚的纖維52:
[0059]
【權利要求】
1.方法，包括: 將含聚苯硫醚的樹脂與水溶性的載體樹脂結合以形成樹脂混合物； 擠出所述樹脂混合物以形成擠出的樹脂混合物，該擠出的樹脂混合物具有在所述載體樹脂內的含聚苯硫醚的纖維； 將所述擠出的樹脂混合物與水接觸以從所述載體樹脂中分離所述含聚苯硫醚的纖維； 將所述含聚苯硫醚的纖維涂布以金屬層；以及 通過除去所述含聚苯硫醚的纖維制成中空金屬管。
2.根據權利要求1的方法，其中，所述金屬層包含選自金，鉬，鈀及其組合的成分。
3.根據權利要求1的方法，其中，所述加熱除去含聚苯硫醚的纖維。
4.根據權利要求3的方法，其中，將含聚苯硫醚的纖維加熱到約80°C至約250°C的溫度。
5.根據權利要求1的方法，其中，在涂布以所述金屬膜之前將給質子基團加入所述含聚苯硫醚的纖維。
6.根據權利要求5的方法，其中，所述給質子基團為S02X，-PO3H2，或-C0X，其中X為-0H,鹵素或酯。
7.根據權利要求1的方法，其中，所述載體樹脂是水溶性的聚酰胺。
8.根據權利要求1的方法，其中，所述載體樹脂包含聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
9.根據權利要求1的方法，其中，含聚苯硫醚的樹脂與載體樹脂的重量比為約1: 100至約10: I。
10.根據權利要求1的方法，其中，所述金屬管具有約50納米至約10微米的直徑和約10至50納米的平均壁厚度。
【文檔編號】B82Y40/00GK103490077SQ201310301305
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月7日 優(yōu)先權日:2012年6月8日
【發(fā)明者】J·米切爾, T·J·富勒, L·鄒 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司