[发明专利]包括位于石墨烯上的非晶金属氧化物的电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括位于石墨烯上的非晶金属氧化物的电化学装置及其制造方法。

背景技术

燃料电池是给车辆提供动力的潜在低排放能量源。现有的燃料电池催化剂包括位于碳载体上的铂（Pt）纳米颗粒。这些催化剂容易发生催化剂离解和/或结块，常常需要大量昂贵的催化剂负载，因此一般来说成本低效。

发明内容

在一个或更多个实施例中，一种电化学装置包括：助催化剂，包括非晶金属氧化物，非晶金属氧化物的量大于助催化剂的总重量的50重量%；以及基体，包括石墨烯并且负载助催化剂。基体和助催化剂之间的总接触表面可以比基底的外表面小。所述总接触表面可以占基底的外表面的25%到75%。非晶金属氧化物的通式可以为MO_X，其中，x相对于氧是亚化学计量的，使得MO_x为缺氧的。助催化剂可以被构造为非晶金属氧化物的许多分离的不连续体。所述许多分离的不连续体的平均直径可以为2纳米到3纳米。

所述电化学装置还可以包括负载在助催化剂上并且包括贵金属的催化剂，助催化剂设置在催化剂和基底之间。催化剂可以接触非晶金属氧化物和石墨烯中的至少一个。非晶金属氧化物可以接触石墨烯。

所述电化学装置还可以包括设置为靠近催化剂的质子交换膜，使得催化剂介于助催化剂和质子交换膜之间。

在一个或更多个实施例中，一种电化学装置包括：助催化剂，包括非晶金属氧化物，非晶金属氧化物的量大于基体的50重量%；基体，负载助催化剂并且包括石墨烯；以及贵金属催化剂，负载在基体上，助催化剂设置在催化剂和基底之间。

非晶金属氧化物可以接触石墨烯。

非晶金属氧化物的通式可以为MO_X，其中，x相对于氧是亚化学计量的，使得MO_x为缺氧的。

基体和助催化剂之间的总接触表面可以占基底的外表面的25%到75%。

助催化剂可以包括非晶金属氧化物的许多分离的不连续体，所述许多分离的不连续体的平均直径可以为2纳米到3纳米。

在一个或更多个实施例中，一种形成电化学装置的方法包括：在基体上形成包括非晶金属氧化物的助催化剂，所述基体包括石墨烯，非晶金属氧化物具有通式MO_X并且大于基体的50重量%；将贵金属催化剂沉积到基体上。

所述非晶金属氧化物可以利用MO_y源和与MO_y源分开提供的惰性气体源通过溅射来形成，y是与x相同的值或不同的值。

所述非晶金属氧化物可以利用洁净金属M源和与洁净金属M源分开提供的混合气体源通过溅射来形成，混合气体包括氧气和惰性气体。

可以在金属氧化物MO_X的结晶温度以下的温度下实施溅射。

可以在氧与氩的体积比为10%到30%的条件下实施溅射。

附图说明

图1A示例性地描绘了根据本发明的一个或更多个实施例的燃料电池的透视图；

图1B示例性地描绘了图1A中提及的阴极的透视图；

图1C示例性地描绘了图1B中提及的负载基体的透视图；

图2A描绘了在石墨烯上的2.4nm Pt在0.1M HClO₃(a)中以1600rpm在200mV/s的扫描速率下的CV，其中，蓝线表示起始ECSA的CV，而红线表示在ORR测量的10次循环之后的CV；

图2B描绘了在图2A中报告的红线样品在总共200次循环的ECSA测量之后的ORR循环测试；

图3A描绘了负载在非晶导电金属氧化物和石墨烯的混合助催化剂上的2.4nm Pt的STEM图像（HAADF）；

图3B描绘了SAED结果，该结果显示出沉积的NbO_x是非晶的而Pt是多晶的；

图3C描绘了沿沉积在石墨烯上的边缘表面的Pt的[111]晶向；

图4A描绘了在石墨烯上的3.0nm非晶NbO_x上的2.4nm Pt的ECSA结果；

图4B描绘了获得的ORR活性，表明在2260μA/cm²-Pt的动力电流下的ORR活性与块体Pt的ORR活性非常接近，具有高可接受的稳定性；

图5示例性地描绘了示例中提及的示例溅射工艺。

具体实施方式