CN104379260B - 用于制造催化剂薄膜的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本披露提供了多种改进的薄膜/涂层(例如，催化剂薄膜/涂层)、以及用于制作此类薄膜/涂层的多种改进的组件/方法。更具体地说，本披露提供了用于以火焰制作或合成催化材料(例如，催化纳米结构)并且将该催化材料沉积到基底上的多种有利的组件/方法。本披露提供了多种改进的催化纳米结构、以及用于其制造的多种改进的组件和方法。在示例性实施例中，本披露提供了用于以火焰合成电催化纳米结构并且将这种材料或催化剂沉积到不同基底或载体上的多种方法/组件。这样，本披露提供了有利的组件，这些组件被配置并且定尺寸为将充分密实的、孔隙率受控的薄膜(例如，金属和氧化物或核壳颗粒的薄膜)沉积到不同基底上。

Description

用于制造催化剂薄膜的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年5月10日提交的美国临时申请序列号61/645,458的权益，该临时申请的内容通过引用以其全文结合于此。

背景

1.技术领域

本披露涉及多种薄膜/涂层(例如，催化剂薄膜/涂层)以及用于制作薄膜/涂层的多种组件/方法，并且更具体地说，涉及用于以火焰制作或合成催化材料(例如，催化纳米结构)并且将该催化材料沉积到基底上的多种组件以及方法。

2.背景技术

总体来说，21世纪要解决的最重要的问题之一是有效的能量生产和存储。在此之中，电化学装置由于其性能典型地不受常规的热化学循环(例如卡诺循环和郎肯循环)的限制而有望发挥重要作用，并且这预期产生超高效率的电化学系统。例如，在80℃下运行的一般的质子交换膜(PEM)燃料电池的最大可达效率，ε＝△G/△H，为约93％。这与郎肯循环只有63％(尽管在实践中典型地只达到约40％)相比是有利的，郎肯循环负责了全球电力生产的大致90％。当然，燃料电池要求高纯氢燃料。氢气也是最高度利用的工业气体之一，并且还可以用作能源载体或存储间歇性可再生能源(例如，PV太阳能、风能等)的手段。这使得氢气的高效率产生成为顶级优先事项，特别是当考虑到电解水产生氢气并且将其用作燃料是一种潜在性可持续的能源循环时，这将降低国家对于外国石油的依赖性。当今技术水平的电催化剂对于在酸性介质中于PEM燃料电池阴极处的氧还原反应(ORR)的动力学不足以及PEM电解装置阴极处的析氢反应(HER)对于较高的Pt载量的现时要求导致无载体的以及碳负载的Pt(Pt/C)催化剂的低Pt质量活性。此低的质量活性依然是基于质子交换的电解装置和燃料电池的大量配置最严峻的挑战之一。

面对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的广泛商业化最重要的三个挑战是：i)改进催化剂对杂质的耐受性；ii)简化水和热管理方案；并且iii)增强阴极处氧还原反应(ORR)的动力学。过去的十年中的研究集中于通过将PEMFC的运行温度从约80℃增大到大于120℃来减轻以上挑战；然而，在升高的温度下运行在使质子交换膜保持处于充分水合状态方面引入了新的困难。总体来说，已最成功的是某些磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PBI)膜。通过使质子自溶剂化来允许电荷转移，PBI性能超过常规膜(例如，全氟磺酸离子交换膜)，因此最小化质子传输对水的依赖。

总体而言，PEMFC的核心是膜电极组件(MEA)，该膜电极组件典型地由被活性催化剂层夹在中间的膜组成。当今技术水平的MEA制造是一种多步骤的、费能的并且人力密集型方法。MEA还典型地包含高载量的贵金属催化剂，这些贵金属催化剂必须被提取并且加工至高水平的纯度。某些实体利用单步的MEA制造途径来制造高温PEMFC(HT-PEMFC)。在催化剂层面，PEMFC通常具有三种显著的限制：1)低的Pt利用率，导致高载量以及高成本；2)Pt团聚，导致装置性能的劣化；以及3)载体腐蚀，限制了高温运行。与目前PEMFC中低的Pt利用率有关的一个因素是缺乏对于电极的合理设计的指导方针，该设计涉及组织该催化剂、载体以及离子聚合物以平衡电化学有效面积、反应物传质、电子传输以及电流汇集之间的复杂关系。

已采用多种途径来试图解决这些问题。一种途径涉及通过形成具有纳米级别尺寸的金属颗粒来增大可用于反应的总表面积。然而，使用纳米颗粒的电催化剂的主要挑战在于，这些零维(0D)的形态在其表面具有比例上更高数目的缺陷位、晶格边界、以及低配位原子。内在地，缺陷位对于氧还原反应的活性实质性地低于无缺陷的晶面，主要是因为局部配位几何和表面能的差别，它们能直接影响金属表面位与所吸附的氧种类之间的界面相互作用。

核壳纳米颗粒表现出一种独特的机制，催化剂研究者由其可以针对一系列广泛的化学和电化学过程来调节活性。由于核组成改变活性壳材料的表面处的电子结构，因此核壳结构的纳米颗粒催化剂可以针对所选择的应用来特制以优化表面活性和/或产物选择性。然而，为了充分利用改良的电子结构来调节催化活性，可能要求严格控制壳生长为一个或两个单原子层。对于Pt以及其他贵重金属壳，过去的十年中的某些实验和理论研究致力于研究底层的载体对Pt和其他贵金属的催化和电催化活性的作用。支持金属上金属(metal-on metal)核壳颗粒理论的局面正开始出现；然而，还不是很了解非金属核(诸如碳化物类或氧化物类)对于贵重金属壳活性的耦合的几何效应和电子效应。虽然对于1-2个单原子层的Pt壳的实验研究已经表明此类体系有希望增强电化学活性，在金属/非金属相互作用的基本了解方面的进展可以为核壳纳米颗粒设计提供指导。

核壳催化剂的制作有时基于胶态悬浮体中的钝化配体的使用。总体来说，钝化对于控制壳生长来保持足够薄的壳以便调节与核壳结构相关联的表面反应性来说是重要的，但剩余的配体会抑制催化剂的功能性，特别是对于像催化剂/载体相互作用为重要的电化学反应的体系。用于去除这些配体的后加工热处理会要求过高的温度，这些过高的温度会破坏优选的核壳结构。为了实质性地从核壳制作中消除配体，研究者已经实施了以下电化学技术，诸如伏安法表面去合金化、壳金属于液态溶液中置换的欠电位电沉积、或在流态化颗粒上进行原子层沉积的气相合成。然而，昂贵的分批法并没有为许多能量相关的电化学和化学转化应用所需要的工业规模的催化剂制造提供经济的途径。开发提供对纳米颗粒结构必需的控制以便增强活性的可扩大规模的制作方法在将核壳纳米颗粒用于大规模工业催化应用方面存在显著的技术-经济挑战。

因此，存在对于改进的薄膜/涂层(例如，催化剂薄膜/涂层)、以及相关的用于制作改进的薄膜/涂层的组件/方法的关注。通过本披露的组件、体系以及方法来解决和/或克服这些和其他低效率以及改进的可能性。

概述

本披露提供了多种有利的薄膜/涂层(例如，催化剂薄膜/涂层)、以及用于制作薄膜/涂层的多种改进的组件/方法。更具体地说，本披露提供了用于以火焰制作或合成催化材料(例如，催化纳米结构)并且将该催化材料沉积到基底上的多种改进的组件和方法。

总体而言，本披露涉及催化纳米结构、以及用于其制造的改进的组件和方法的领域。具体地而言，本披露提供了用于以火焰合成电催化纳米结构并且将此种材料或催化剂沉积(例如，在受控环境下：空气、H₂、N₂)到不同的基底或载体(例如，陶瓷颗粒、碳、纤维、聚合物、金属载体)上，并且通过一氧化碳--吸附-诱导解吸和电化学氧化对此类纳米结构进行活化的多种组件/方法。本披露提供被配置并且定尺寸为将充分密实的、孔隙率受控的薄膜(例如，金属和氧化物或核壳颗粒的薄膜)沉积到不同基底上的多种有利的组件和/或夹具。本披露的薄膜(例如，催化薄膜)的某些示例性用途包括在燃料电池(例如，低温燃料电池)、质子交换膜(例如高温质子交换膜)、电池(例如，锂离子电池)、以及CO向CO₂的低温转化中的用途。

在此披露了在将薄膜(例如，纳米材料诸如催化剂的薄膜)施加到基底和/或膜等等上的领域中的方法、设备、操作条件以及相关的改进。在某些实施例中，本披露提供了用于将催化剂(例如，铂催化剂)利用一种干式一步法分散到载体(例如，耐腐蚀载体)上的多种组件和方法。

本披露还提供了利用一种干式一步法来制作或形成电解中的析氧阳极的多种组件和方法。本披露还提供了利用一种干式一步法来直接涂敷可用于锂电池中的阴极的多种组件和方法。

在此披露的方法、设备、以及相关改进包括利用一种一步催化剂形成法来涂敷催化剂的(厚度受控的)薄膜的加工条件、配制品、设备以及技术知识。如在此所披露的，所提出的某些实施例不要求湿法化学步骤来直接形成催化剂薄膜以应用于几种不同的示例性技术领域。例如，本披露提供了用于锂离子电池的阴极材料、用于PEM电解的析氧催化剂、以及耐腐蚀催化剂的直接干法形成。

本披露的某些实施例提供一种催化剂薄膜在分散介质(例如，一种载体)上的形成以及加工，用于增大该催化剂的利用率，和/或防止由于该催化剂载体的腐蚀造成的活性损失。本实施例以及类似实施例的某些预期目标领域包括低温质子交换燃料电池(PEM)、磷酸燃料电池(PAFC)、和用于电解的电催化剂、以及用于锂离子电池的电极。

本披露的其他实施例提供了利用例如IrO₂、RuO₂、Ir、Ru以及Ir_{1- x}Ru_xO_2-y的共混物来形成并且加工为一个催化剂薄膜(用于将水裂解为氧的阳极)。其中x表示Ru的摩尔百分率并且y为氧缺失。

本披露的其他实施例提供了形成并且加工为一个催化剂薄膜(作为嵌入阴极/阳极用于存储锂的阴极或阳极)，其中某些实施例没有使用粘结料、用于粘结剂的溶剂、和/或一个或多个干燥步骤。

在此披露的方法和设备的实施例有利地将催化剂形成、添加剂注入(例如，载体、粘结剂、或电子导电相)以及成膜的加工步骤缩减为一个步骤，其中实时地独立控制这些单独组分的比率。此外，在此披露的方法和设备的实施例提供了所产生的具有纳米级特征的微结构的设计，从而通过针对改进的催化作用减小扩散长度和/或增大表面积产生了改进的催化剂性能。应当指出，在此披露的方法和设备的实施例可以应用于和/或用于电解装置催化剂和薄膜、电池薄膜以及耐催化腐蚀的载体的生产中。

在示例性实施例中，本披露提供了多种组件和方法，它们包括一个有利的骤冷步骤和/或体系，和/或包括一种用于可控地去除基底材料的装置。其他修改涵盖于本披露的组件和方法中，包括利用适合于将要制造的所希望产物的不同化学性质、结构和/或粒径的前体的能力。

在某些实施例中，本披露提供了一种用于燃料电池的制造方法，这些燃料电池使用少10倍的催化剂材料，废物极少；该废物主要包括CO₂和H₂O。所披露的实施例包括一种低温方法并且提供重要的工业控制和灵活性。

在此还披露了一种方法，由此制备了原子尺寸的固体并且将其以小心校准的薄层形式喷涂到燃料电池膜上。催化剂材料基于火焰的分散使得该材料可以迅速地粘结到该膜上，从而消除了在其他目前可用的制造方法中需要的几个黏合和干燥步骤。可以小心地控制这些材料层的厚度，其中这些层薄到足以提供最大的电导率并且厚到足以防止腐蚀并且保持耐久性。

在此还披露了用于生产先进的锂离子电池的多种方法。这些方法提供了电池内部使用的纳米涂层的一种直接干法涂敷，并且与常规方法相比消除了几个黏合步骤。其高水平的颗粒控制使得能够使用更少的材料，从而降低成本。

在某些实施例中，在此披露的方法和组件实现了催化剂直接在膜(例如，高温膜)上沉积。在示例性实施例中，可以使用实质性地降低的重量载量。

此外，本披露的示例性方法使得能够使用低得多的量的非常昂贵的催化剂，和/或提供温和的加工条件以最小化对膜的可能损伤。

通过利用一种新颖的反应性喷射沉积技术来将催化剂涂敷到膜上，本披露证实了通过消除多个工艺步骤来降低超过约50％的MEA的直接制造能源成本的可行性。此外，通过消除约大于90％的MEA制造所需要的催化剂，可以间接节省提取和/或精制操作的能源。

本披露提供了一种用于制作催化材料的组件，该组件包括从一个第一端延伸到一个第二端的一个第一细长构件，该第一端与一种包括颗粒的液态前体原料处于流体联通；从一个第一端延伸到一个第二端的一个第二细长构件，该第一端相对该第一细长构件的第二端安装并且与该液态前体原料处于流体联通；一个壳体的通道，该通道围绕该第二细长构件的至少一部分设置，该通道被配置并且定尺寸为供应一种燃料，该燃料与该液态前体原料一道从该第二细长构件的第二端被供应以形成一种实质上共流喷雾，将该共流喷雾供应入邻近该第二细长构件的第二端的开放大气中并且将其点燃以形成一种火焰喷雾；邻近该第二细长构件的第二端定位并且相对该第二细长构件的中轴线成角度的该壳体的一个表面，该成角度的表面包括多个口，每个口被配置和定尺寸为供应一个气体流，将该气体流点燃以稳定化该火焰喷雾；其中该壳体被配置为将该稳定化的火焰喷雾导向一个用于在其上沉积这些颗粒的基底。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中该壳体的成角度的表面相对该第二细长构件的中轴线成约45°的角度。本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中该成角度的表面包括六个口，这些口以围绕该第二细长构件的中轴线彼此实质上均匀地间隔开约一个半径距离的方式定位。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，该组件进一步包括一个实质上圆形的骤冷组件，该圆形骤冷组件包括多个喷嘴，这些喷嘴被配置为向该火焰喷雾中引入紊流或蒸汽来冷却该火焰喷雾或稀释该气体流。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，该组件进一步包括至少一个增湿器喷嘴，该至少一个增湿器喷嘴被配置和定尺寸为向该基底供应湿气。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中该基底相对一个基底支座安装，该基底支座被配置和定尺寸为容纳一种液体来水合或冷却该基底。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中所沉积的这些颗粒包括铂颗粒；并且其中该基底包括一种耐腐蚀载体。本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中所沉积的这些颗粒形成一个析氧阳极的至少一部分。本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中所沉积的这些颗粒形成一个锂电池阴极或阳极的至少一部分。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中所沉积的这些颗粒包括一种具有纳米级特征的催化微结构。本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中所沉积的这些颗粒形成一种核壳颗粒结构的至少一部分。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中该基底包括纳米纤维；并且其中至少一部分这些颗粒被沉积在这些纳米纤维上。本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中该液态前体原料包括丙烷；并且其中该共流喷雾是至少部分地通过压力、热量以及由于丙烷在其临界温度以上膨胀从而形成液滴造成的超临界雾化的组合而形成的。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中所沉积的这些颗粒包括无定形颗粒。本披露还提供了一种用于制作催化材料的组件，其中所沉积的这些颗粒包括结晶颗粒。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，该方法包括提供从一个第一端延伸到一个第二端的一个第一细长构件，该第一端与一种包括颗粒的液态前体原料处于流体联通；提供从一个第一端延伸到一个第二端的一个第二细长构件，该第一端相对该第一细长构件的第二端安装并且与该液态前体原料处于流体联通；提供一个壳体的通道，该通道围绕该第二细长构件的至少一部分设置；向该通道供应一种燃料，该通道被配置和定尺寸为将该燃料与该液态前体原料一道从该第二细长构件的第二端供应以形成一种实质上共流喷雾；将该实质上共流喷雾供应入邻近该第二细长构件的第二端的开放大气中并且将其点燃以形成一种火焰喷雾；提供该壳体的一个表面，该表面邻近该第二细长构件的第二端定位并且相对该第二细长构件的中轴线成角度，该成角度的表面包括多个口，每个口被配置和定尺寸为供应一个气体流；将该气体流点燃以稳定化该火焰喷雾；将该稳定化的火焰喷雾导向一个用于在其上沉积这些颗粒的基底。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中该壳体的成角度的表面相对该第二细长构件的中轴线成约45°的角度。本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中该成角度的表面包括六个口，这些口以围绕该第二细长构件的中轴线彼此实质上均匀地间隔开约一个半径距离的方式定位。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，该方法进一步包括一个实质上圆形的骤冷组件，该圆形骤冷组件包括多个喷嘴，这些喷嘴被配置为向该火焰喷雾中引入紊流或蒸汽来冷却该火焰喷雾或稀释该气体流。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，该方法进一步包括至少一个增湿器喷嘴，该至少一个增湿器喷嘴被配置和定尺寸为向该基底供应湿气。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中该基底相对一个基底支座安装，该基底支座被配置和定尺寸为容纳一种液体来水合或冷却该基底。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中所沉积的这些颗粒包括铂颗粒；并且其中该基底包括一种耐腐蚀载体。本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中所沉积的这些颗粒形成一个析氧阳极的至少一部分。本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中所沉积的这些颗粒形成一个锂电池阴极或阳极的至少一部分。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中所沉积的这些颗粒包括一种具有纳米级特征的催化微结构。本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中所沉积的这些颗粒形成一种核壳颗粒结构的至少一部分。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中该基底包括纳米纤维；并且其中至少一部分这些颗粒被沉积在这些纳米纤维上。本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中该液态前体原料包括丙烷；并且其中该共流喷雾是至少部分地通过压力、热量以及由于丙烷在其临界温度以上膨胀从而形成液滴造成的超临界雾化的组合而形成的。

本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中所沉积的这些颗粒包括无定形颗粒。本披露还提供了一种用于制作催化材料的方法，其中所沉积的这些颗粒包括结晶颗粒。

设想了实施例的任意组合或排列。本披露中所披露的组件、体系和方法的另外的有利的特征、功能以及应用将由以下的描述变得清楚，特别是当结合所附附图进行阅读时。本披露中所列举的所有参考文献通过引用以其全文结合在此。

附图简要说明

以下参照附图来描述实施例的特征和方面，其中元件不一定按比例描绘。

参照所附附图来进一步描述本披露的示例性实施例。应当指出的是，以下描述的并且在图形中说明的多个不同步骤、特征以及步骤/特征的组合可以被不同地安排并且组织来产生多个仍然在本披露的精神和范围之内的实施例。为了帮助本领域的普通技术人员制造并且使用所披露的体系、组件和方法，提及以下所附的附图，其中：

图1是本披露的一种反应性喷射沉积组件的一个示例性实施例的概观；

图2是用于本披露的反应性喷射沉积组件的一种示例性喷嘴组件的示意图；

图3是图2的喷嘴组件的正视图；

图4是用于本披露的反应性喷射沉积组件的一种示例性骤冷组件的正视图；

图5-6是图4的骤冷组件的侧视图；

图7示出了超临界喷射依赖于液体中溶解的气体的闪蒸，由此雾化由气泡生长速率控制，并且所喷射或溶解的气体产生气泡，这些气泡在喷射器孔口处形成一种两相流动型态；

图8是显示闪蒸液体释放的温度对对数压力的图；

图9是显示取决于操作条件的结晶结构(样品#154)对无定形结构的证明的曲线图，并且示出了面心的Pt的峰；

图10A-B示出了a)VC与VC CCM、以及b)KB与KB CCM的氮吸附等温线的比较，其中i/c＝0.16和0.8；

图11A是一个于1000X下显示Pt/科琴黑(Kejten Black)表面的SEM图像，其中I/C为0.16；

图11B是一个于100kX下显示Pt/科琴黑表面的SEM图像，其中I/C为0.16；

图11C是一个于1000X下显示Pt/科琴黑表面的SEM图像，其中I/C为0.8；

图11D是一个于100kX下显示Pt/科琴黑表面的SEM图像，其中I/C为0.8；

图11E是一个于1000X下显示Pt/沃尔坎碳黑(Vulcan Black)表面的SEM图像，其中I/C为0.16；

图11F是一个于100kX下显示Pt/沃尔坎碳黑表面的SEM图像，其中I/C为0.16；

图11G是一个于1000X下显示Pt/沃尔坎碳黑表面的SEM图像，其中I/C为0.8；

图11H是一个于100kX下显示Pt/沃尔坎碳黑表面的SEM图像，其中I/C为0.8；

图12是本披露的一种反应性喷射沉积组件的另一个示例性实施例的概观；

图13A和13B描绘了根据本披露的示例性实施例涂敷在铝材料上的LiCoO₂的图像，包括通过示例性的RSDT组件/方法于30分钟的沉积时间以及600℃的沉积温度下涂敷；

图14A-14B描绘了根据本披露的示例性实施例制作的一种LiCoO₂结构的SEM图像，并且显示了9cm x 6cm基底移动(55cm²)的图像，T_基底＝500℃-600℃[Li和Co＝6.0mM]；

图15描绘了一种示例性的LiCoO₂结构在沉积和热处理后的X射线图；

图16示出了对于0.121mg/cm²的低载量以及1-2微米的薄电极的LiCoO₂充电-放电容量；

图17是本披露的一种反应性喷射沉积组件的另一个示例性实施例的概观；

图18A-C显示了以下几种带注解的概念图示：(a)Pt-WC和Pt-Nb-掺杂的Ti₄O₇核壳催化剂、(b)Pt-WC-M双核催化剂、以及(c)Pt-WC中空核催化剂，它们都将通过根据本披露的示例性RSDT合成法制备；

图19描绘了根据本披露的一种示例性的RSDT核壳颗粒的TEM图像；

图20描绘了Ti₄O₇上Pt的图像；

图21描绘了一个HAADF图像，其中明亮的颗粒以及更小的颗粒是埃博斯骨黑(Ebonex)上的Pt；

图22-23示出了沉积在埃博斯骨黑以及石墨化碳上的Pt的粒度和分布的两个沉积实例；

图24示出了在0.5M的H₂SO₄电解液中将Au电极上的Ru_xIr_1-xO_2-y极化为析氧状态；

图25描绘了来自通过RSDT沉积的Ru_xIr_1-xO₂颗粒的日立(Hitachi)HD2700C STEM的HAADF图像；

图26描绘了a)新制的K-OMS-2/MWCNTs、以及b)Pt/K-OMS-2/MWCNTs的X射线衍射图；衍射峰与锰钾矿型氧化锰(ICSD号：01-070-8072)和面心立方金属铂(ICDD号：00-004-082)相对应；

图27A-C示出了a)Pt/K-OMS-2/MWCNTs的截面和EDX测图的扫描电子显微图，以及b、c)包覆Pt/KOMS-2/MWCNTs的聚焦离子束扫描电子显微图(FIB/SEM)；

图28示出了铂包覆的Pt/K-OMS-2/MWCNTs和未包覆的K-OMS-2/MWCNTs的一氧化碳(CO)氧化；

图29是显示通过一种示例性的RSDT组件/方法制备的PBI CCM结构的图像；

图30是5μm厚的Pt-碳-PBI的SEM图像；

图31示出了在140℃和160℃、以及100℃-160℃的温度下，0％RH(总载量为0.78mg/cm²)的PBI膜，使用O₂和空气作为氧化剂得到的MEA极化数据；

图32示出了通过RSDT得到的0.5mg/cm²的Pt载量；基线为湿法加工的5mg/cm²；并且

图33示出了根据本披露的示例性基底或膜支座的图像。

详细说明

在此披露的示例性实施例说明了本披露的有利薄膜/涂层(例如，催化剂薄膜/涂层)、和体系以及其方法/技术。然而，应该理解的是所披露的实施例仅仅是本披露的示例，它可以用多种形式实施。因此，参照示例性的薄膜/制作方法以及相关联的组装和使用的方法/技术而在此披露的细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为传授本领域普通技术人员如何制造并且使用本披露的有利的薄膜/体系和/或替代性的薄膜/涂层的基础。

本披露提供了多种改进的薄膜/涂层(例如，催化剂薄膜/涂层)、以及用于制作此类薄膜/涂层的多种改进的组件/方法。更具体地说，本披露提供了用于以火焰制作或合成催化材料(例如，催化纳米结构)并且将该催化材料沉积到基底上的多种有利的组件/方法。

总体来说，本披露提供了改进的催化纳米结构、以及用于其制造的改进的组件和方法。在示例性实施例中，本披露提供了用于以火焰合成电催化纳米结构并且将这种材料或催化剂沉积(例如，在受控环境下：空气、H₂、N₂)到不同基底或载体上的多种方法/组件。这样，本披露提供了有利的组件，这些组件被配置并且定尺寸为将充分密实的、孔隙率受控的薄膜(例如，金属和氧化物或核壳颗粒的薄膜)沉积到不同基底上。本披露的示例性薄膜(例如，催化薄膜)的某些示例性用途包括在燃料电池、质子交换膜、电池、以及CO向CO₂的低温转化中的用途。

现行做法中某些用于制作催化剂薄膜或类似物的方法通常使用基于溶剂的体系通过带式浇注、狭缝型压铸、或喷涂然后干燥来进行。这些技术典型地要求至少两到三个单独的步骤：i)在一种液体环境中形成催化剂，ii)形成该催化剂的一种浆料，并且iii)通过带式浇注或喷涂湿浆料然后干燥来涂敷该催化剂。其他已知的技术包括高真空体系，这些体系基本上为高资本成本的间歇反应。为了在分散介质上形成薄膜，需要合成该催化剂，将其附接到该载体上，制成墨，并且然后进行喷涂，要求约5-6个步骤。

在示例性实施例中，本披露提供了用于制作薄膜/涂层(例如，催化剂薄膜/涂层)的多种改进的组件和方法，这些组件和方法包括尽可能少的一个单加工/制作步骤，从而因此提供显著的商业、操作和/或制造优势。

本披露的示例性RSDT组件/方法实质性地降低了直接(例如，来自MEA制作)以及间接(例如，来自提取和废料)的能源使用。这些示例性RSDT组件/方法实质性地消除了与基于墨的方法基线相关联的数个工艺步骤。此外，对这些示例性体系中的组分(例如，催化剂、载体和/或离子聚合物)的独立控制使得能够实时控制它们在最终电极中的各自的比率。此外，一个另外的益处为，可以将该示例性方法插入用于这些电极层的连续沉积的一种网片加工安排当中。

总体来说，本披露的示例性RSDT组件/方法通过同时在一种载体上使该催化剂成核并且通过借助气相的催化层的顺序沉积来避免了传统的湿法化学途径。这种改进的方法不要求密集的电力，并且它利用存储在液体燃料中的能量来将该金属有机前体分解成所希望的金属或双金属产物。该方法还可以被定制为有利于合金化和核-壳形成这两者。

示例性RSDT组件/方法：

如图1中所示，一种示例性的反应性喷射沉积沉积组件10包括通过一个泵与一个喷嘴组件14连接的至少一个原料供应容器12。总体而言，组件10被配置和定尺寸用于材料(例如，催化剂薄膜)的反应性喷射沉积，其中来自容器12的一种液态前体溶液或原料被泵送通过喷嘴组件14并与一种燃料和/或氧化剂混合，并且被点燃以形成一种燃烧喷雾或火焰18，该喷雾或火焰可被导向一个基底16用于沉积。

总体而言，原料供应容器12含有一种与溶剂混合的前体。该前体可以是一种有机-金属的、无机-金属的种类、浆料或聚合的种类等。该溶剂可以是一种水性或有机溶剂，并且可以含有一种另外的溶解的或液化的气体(例如，丙烷、二甲醚、二氧化碳等)。应当指出，在美国专利公开号2008/0280056和2011/0212386中披露和描述了其他不同的RSDT体系/组件，上述专利通过引用以其全文结合在此。

在某些实施例中，借助利用本披露的改进的反应性喷射沉积技术(RSDT)的示例性组件/方法(例如，借助组件10)来形成纳米结晶颗粒，是通过一种多步骤方法在毫秒的时间尺度上发生的。

在示例性实施例中，该溶剂(例如，二甲苯-来自出于容器12的液态前体溶液/原料)以及另外的燃料(例如，CH4)的燃烧放热通过均相反应驱使前体分解、溶剂蒸发以及随后的团簇成核。表面生长和聚结导致随后形成纳米颗粒，取决于数量密度、停留时间、以及温度，这可能在沉积到所希望的基底16上之前形成团聚体。典型的用于反应性喷射合成的金属前体包括例如乙酰丙酮化物类，该乙酰丙酮化物类可以溶于有机溶剂中，用于一种基于RSDT的核壳纳米颗粒制造方法中的第一阶段核形成。已在组件10中利用基于空气辅助的雾化来产生亚微米的液滴，并且可以用辅助空气压力来控制液滴尺寸并且在某种程度上控制随后的纳米颗粒尺寸。火焰放热以及在该火焰内采用氧化或还原性气氛使得能够形成金属的或氧化物颗粒，这些颗粒可以充当该核壳纳米颗粒结构的核。

该金属或金属氧化物的汽相成核与初级颗粒沿着热反应区18的长度的生长一道发生，并且组件10配备有一个快速骤冷区或一个组件20，该组件用来通过一种诱导快速冷却来停止初级颗粒生长或用来产生一种亚稳的或无定形相，如下面进一步讨论的。经由组件20引入的快速骤冷气体还可以产生汽相种类的非平衡相变，这可以用来形成Pt或其他活性金属的一种活性壳层结构。在这样一种方法中，该初级颗粒充当更慢反应或顺序喷射的金属前体的成核位点。还可以通过更低的前体浓度以及下游的二次喷射喷嘴22(例如，用于引入离子聚合物材料或其他二次材料或类似物的喷嘴22)来促进壳金属后来的相转变。

在操作或利用组件10的过程中可以控制几个过程变量来调节溶剂/前体液滴的飞行时间和/或暴露温度。控制组件10的关键方面(诸如火焰区温度曲线(profile)、液滴喷雾形成、以及下游骤冷)的过程变量对于明确定义的核壳结构的形成是重要的，如下面进一步讨论的。

表1列出了可以被控制的组件10的一些关键过程参数：

表1-关键RSDT参数及其对纳米颗粒形成和沉积方法的影响

在示例性实施例中并且如图1-2中所示，在沉积过程中，将一种溶液/原料(例如，液态前体溶液/原料)从容器12中(例如，用一个Isco 500D(特利丹伊斯科公司(Teledyne Isco)，内布拉斯加州林肯市(Lincoln NE))注射泵以约4mL/min的流速)泵送到并且通过喷嘴组件14(例如，雾化/燃烧喷嘴组件14)。总体而言并且如图2中所示，喷嘴组件14包括三个阶段和/或与三个阶段关联：加热(加热区24)、雾化/混合(雾化/混合区26)、以及燃烧(燃烧区28)。

在加热阶段(加热区24)期间，将该前体从容器12中泵送入喷嘴组件14的一个第一细长构件或管30(例如，一根316不锈钢管(益华科技(Cadence Science)，罗得岛州克兰斯顿市(Cranston RI))，该不锈钢管具有0.0625”的外径并且长度为约3.94”，并且具有约0.01”的内径)。

相对第一细长构件30的端部安装(例如，焊接或固定)的是一个第二细长构件或管32(例如，32规格为0.708”长的表层下插入件，具有0.008”的外径和0.004”的内径)，以便充当一个限流器并且正好在进入雾化/混合区26之前引发一个快速的压力降。

利用一个控制点或热电偶36(例如，定位在离管30的入口约3.9”处的一个控制点)，通过加热器34(例如，通过一个感应加热器34(Ameritherm，斯科茨维尔，纽约))将第一细长构件30加热(例如，到约190℃)。

环绕或设置在第二细长构件32(例如，表层下插入件32)附近/周围的是一个通道38(例如，的同心通道)，该通道被配置和定尺寸为向喷嘴组件14供应一种燃料氧化剂(例如，氧气)或类似物。在示例性实施例中，第二细长构件32由一个引导件或类似物置于通道38的中心以便保持相对于通道38实质上居于中心的位置。第二细长构件32和通道38都将它们的内容物(分别为前体溶液/原料和燃料氧化剂)以实质上共流的几何形状或喷雾形式供应入开放大气中。

该前体混合物以微细喷雾的形式从封装在主体或喷嘴14的壳体15中的第二细长构件32离开。在示例性实施例中，由喷嘴组件14产生的喷雾是通过压力、热量、以及由于液化丙烷在其为96.6℃的临界温度以上膨胀而形成直径小于约1μm的液滴所造成的超临界雾化的组合形成的。在雾化/混合阶段26中，在点燃之前将氧气和燃料液滴(例如，甲苯和丙烷)强烈混合以作为一种预混合火焰。在某些实施例中，雾化/混合区26的长度为约0.08”至0.15”。

喷嘴组件14的第三和最终阶段是点燃或燃烧区28。在示例性实施例中并且如图3中所示，喷嘴组件14的这个部分包括位于一个成角度的表面42上的一个或多个口40(例如，六个圆形口40())，该成角度的表面相对于第二细长构件32的中心线或中轴线成角度(例如，相对于第二细长构件32的中心线或中轴线成45°的角度)。

在某些实施例中，这些口40以围绕第二细长构件32的中轴线彼此实质上均匀地间隔开约一个半径(例如，约0.125”半径)距离的方式定位。总体而言，这些口40被配置和定尺寸为供应一种气流(例如，一种引燃气体流，诸如一种预混合的甲烷和氧气流)，将该气流点燃以稳定化由喷嘴组件14形成的高出口速度的喷射火焰。

在穿过燃烧区28之后，可以利用一个骤冷组件20来稀释该气体流和/或迅速冷却该火焰。在示例性实施例中并且如图1和4-6中所示(并且如下面进一步讨论的)，在穿过燃烧区28之后，可以采用位于离第二细长构件32的端部约2.27”处的一个实质上圆形的骤冷组件20(依爱(Exair)，辛辛那提市，俄亥俄州)来用压缩空气稀释该气体流并且迅速冷却该火焰。

在穿过骤冷组件20之后，产物流由颗粒或纳米颗粒(例如，前体材料)以及聚集体组成，它们直接撞击在位于投射距离处(例如，约6.48”的投射距离处)的多个不同基底16之一上。

再次参考如图3中所示的喷嘴组件14的配置和几何形状，并且更具体地说是引燃气体口40、燃料氧化剂孔口或通道38、以及溶剂/燃料孔口或开口32的配置，应当指出，此类特征可以被设计和/或控制为只喷射燃料，这样液滴在实质上完全还原的环境中形成。根据火焰的相对氧化强度、金属种类的活性、以及CO₂和H₂O的分压发生氧化或还原。应当指出，氧化强度可以由燃烧气氛中的O₂分压、以及当量比的调节来操纵。当量比为化学计量的氧化剂与除以实际工艺比的燃料摩尔流速之间的关系。可以对这些进行控制以便取得一种还原性或氧化性火焰。

再次参考如图1和4-6中所示的骤冷组件20，示例性的骤冷组件20包括限定了一个实质上圆形的骤冷区23的一个实质上圆形的部分21。在某些实施例中，骤冷组件20包括一个或多个喷嘴25(例如，八个空气喷嘴25)，这些喷嘴被配置和定尺寸为向该火焰中引入紊流和/或引入蒸汽，如果需要/希望的话。

在某些实施例中，在该点燃区之后，可以将定位在或位于距离第二细长构件32的端部(例如，约5-10cm)处的一个圆形空气骤冷组件20轴向地实质上置于该火焰的中心。如图6中所示，来自该骤冷的空气流沿着一个柯安达轮廓4前进，这引导该空气流沿着骤冷组件20的一个成角度的表面向下。

在运行中并且如图6中所示，压缩空气通过骤冷组件20的一个入口1流入一个腔室2。然后通过一个喷嘴3在高速度下对空气进行节流。在中心5中产生了一个低压区域，吸引大量的周围空气进入该空气流并且产生一个圆锥形的360°空气环6。该空气骤冷的目的是用约25℃下的空气来稀释该燃烧区并且从而迅速冷却该火焰。

通过高流量的空气或水并且接近于火焰，可以增加该火焰中的水生成量以便开始产生无定形颗粒。例如，该电催化剂可以按一种一步法(例如，通过利用组件10)通过直接将Pt(来自汽相)直接沉积到零背景单晶石英基底(例如，基底16)上来合成。通过汽相中分解形成的Pt纳米颗粒由Pt金属的乙酰丙酮化物(例如，2,4-戊二酮酸盐)配位体生长。

在穿过骤冷组件20时，反应区温度下降约200℃-400℃/cm，并且火焰的亮度大大地减小。可以将通过骤冷组件20的体积流速调节于30-50L/min的流速之间以便迅速地冷却火焰。骤冷后的产物流由纳米颗粒组成，这些纳米颗粒撞击在基底16上。

取决于圆形骤冷组件20与第二细长构件32(例如，表层下插入件32)之间的距离，可以存在介于结晶与无定形之间的结构的谱图。表2中由加工条件指出了两种极端状况。

表2：利用RSDT组件10产生Pt的无定形样品#145薄膜和结晶样品#154薄膜的加工条件：

图9中示出了结晶结构(样品#154)的证明。更具体地说，图9中顶部曲线表示在表层下构件32到骤冷组件20的距离为约9cm的情况下沉积的样品154。这条曲线清楚地显示出面心Pt的峰。这些峰指明结晶Pt(ICDD卡#004-0802)。底部曲线显示了一种无定形的Pt。介于完全结晶与无定形之间的一系列结构可以通过调节骤冷距离(例如，构件32与组件20之间的距离)和/或空气的流速来形成。

在示例性实施例中，骤冷具有两种不同的功能：它实质性地停止颗粒生长，并且它允许更宽范围的基底材料被定位于更低的投射距离处。这种投射距离的减小对于直接在高分子电解质(例如，玻璃化点为110℃左右的Nafion)上制造催化剂来说是重要的。在穿过该骤冷时，反应区温度下降约200℃-400℃/cm并且火焰的亮度大大地减小。对于所有沉积，通过该骤冷的体积流速都固定在约30-50L/min。在某些实施例中，骤冷后的产物流由纳米颗粒组成，这些纳米颗粒进入二次喷雾区22中。

在某些实施例中并且如图1中所示，组件10可以包括一个或多个增湿器喷嘴29。总体而言，增湿器喷嘴29被配置和定尺寸为向基底或膜16(例如，向膜16的正面)供应湿气(例如，水蒸汽)。

在一些实施例中并且如图33中所示，可以相对一个基底支座31或131或类似物来固定或安装组件10的基底或膜16。在一个实施例中，基底支座31包括一个凹座或储器，该凹座或储器被配置和定尺寸为容纳一种液体(例如，磷酸)来从背面对基底16进行骤冷，以便控制膜16的弹性损失，和/或将热量从膜16带走。在另一个实施例中，基底支座31包括一个多孔金属配件或型材或类似物，其被配置和定尺寸为使膜16得以在沉积过程中(例如，在一种示例性RSDT方法过程中)持续地浸泡。

雾化：

总体而言并且如图7-8中所示，超临界喷射依赖于液体中溶解气的闪蒸，由此雾化由气泡生长速率控制。所喷射或溶解的气体产生气泡，这些气泡在喷射器孔口处形成一种二相流动型态。然后这些气泡将液体挤压成细条和细丝。当这些气泡从喷嘴射出时，它们破裂，引起小泡的迅速膨胀，这些小泡使喷嘴流出物中的周围液体散开。然而，将液相流与气相流混合的挑战之一是气相趋于聚结为更大的气泡，导致弹状流。用以对抗这种行为的典型方法是改进气体喷射期间的混合(泡沫混合段)的品质并且在排放喷嘴的直接上游处进行该混合。

加压液体流通过喷嘴进行膨胀是最简单的液滴产生方式。由于通过简单孔口的加压释放引起的过冷射流的破碎被称为雾化的机械破碎模式。由过热液体的加压释放引起的雾化称为闪蒸雾化。为了有效地将液体流分解成液滴，作用在该液体流上的惯性力应该比表面张力大得多。雾化过程的复杂性质表明模型由多个适当的无量纲数群之间的相互关系构成。韦伯数(一个无量纲数)表示流体的惯性力(空气动力学)与表面张力的比率，并且可用于描述流动液流中液滴的破碎。

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\ρ\υ}}^{2}l}{\mathrm{\σ}}$ (方程1)

其中ρ是液体的密度，υ是液体的速度，l是特征长度(液滴直径)并且σ是表面张力。在这种情况下，假定特征长度为液滴直径。也知道的是，索特平均直径(SMD)是其表面对体积比等效于喷雾表面对体积比的液滴的直径。

索特平均直径：

$D_{32}=\frac{\mathrm{\Σ}{N}_i{D}_i^3}{\mathrm{\Σ}{N}_i{D}_i^2}$

利用此信息，我们可以计算SMD下的韦伯数。

$\mathrm{We}=\left(\frac{{\mathrm{\ρ\υ}}^2}{\mathrm{\σ}}\right)\frac{\mathrm{\Σ}{N}_i{D}_i^3}{\mathrm{\Σ}{N}_i{D}_i^2}$

如果着眼于单个颗粒而不是多个的话，则可以简化上述的关系式：

$\mathrm{We}=\left(\frac{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\υ}}^2}{\mathrm{\σ}}\right)\frac{D^3}{D^2}=\left(\frac{{\mathrm{\ρ\υ}}^2}{\mathrm{\σ}}\right)\frac{V}{A_{\mathrm{surf}}}$

韦伯数是惯性力与表面力之间的比。为了获得雾化，惯性力应该强于表面力。因此，假定We>1；

这个关系式揭示了对雾化的清楚描述。对于一种给定的液体，随着液滴体积增大以及液滴速度增大，雾化也增大。然而，随着液滴表面张力或表面积增大，雾化率减少。

索特平均直径(SMD)，D₃₂，被定义为其表面对体积比与全部整体(喷雾)的表面对体积比相等的液滴的直径，并且是要求效率研究、质量传递以及反应的过程中一种广泛使用的描述符。

$D_{32}=\frac{\mathrm{\Σ}{N}_i{D}_i^3}{\mathrm{\Σ}{N}_i{D}_i^2}$ (方程2）

其中N_i是在尺寸范围i内的液滴的数目，并且D_i是尺寸范围i的中间直径。对喷雾的完整描述要求两个参数，一个用于表示代表性的直径并且另一个用于测量滴径的范围。由机械破碎产生的喷雾的平均滴径还是出口速度(归因于随着雷诺数增大而紊流增大)、以及出口孔口尺寸d_o的函数。组合的孔口几何形状因子，诸如长度L/d_o比(其中L是从出口孔口到最近的上游扩大部分的长度)，也影响雾化过程。另一方面，闪蒸雾化取决于与机械破碎不同的热流体机制，其中过热度驱动此机制。在更高的过热度下，通过蒸发液体的闪蒸作用或通过闪蒸破碎来发生液滴破碎。在许多体系中，机械破碎和闪蒸破碎两种模型并行发生。

将关于以下实例对本披露进行进一步描述；然而，本披露的范围并不受其限制。以下实例说明了制作改进的薄膜/涂层(例如，催化薄膜/涂层)的本披露的多种有利的体系/方法。

实例1：通过一种直接干沉积技术制备的析氧阳极的活性和微结构：

总体而言，水的电解需要多个电极层，这些电机层由用来加速电化学反应速率的优化放置的催化剂、用来供应质子的离子聚合物、以及用来使产物/反应物可以从催化剂表面流出或流到其上的孔隙构成。用于阴极处H₂析出的某些催化剂由铂和钯黑或分散于碳上的铂组成。阳极处O₂析出可能遭受大的过电位损失和耐久性问题，这些影响了这种电极的效率和稳定性。这种电极必须承受高电位(>2V)以及酸性环境。在这些情况下，碳容易被氧化，并且在1.5V以上时，贵金属(诸如Pt和Pd)也被腐蚀。

用于阳极的稳定的催化候选物包括IrO₂、Ir_xSn_(1-x)O₂以及Ir_xRu_(1-x)O₂。此外，Ir_0.5Ru_0.5O₂在线性扫描伏安法和5cm²PEM电池中都已显示出良好前景的性能。

以针对利用聚结到碳上的铂的氧还原反应的催化剂发展以及用于乙醇氧化的氧化锡材料为基础，在此披露的实施例扩充了通过一种示例性反应性喷射沉积技术(RSDT)方法直接作用于催化剂涂层膜配置(CCM)中的电解质上的一种直接干沉积技术。

在本披露的示例性实施例中，所必需的二元催化剂是以蒸汽形式由溶解于溶剂中并且然后被细雾化的一种金属-有机络合物生成的。该溶剂还作为火焰的燃料。使该雾化喷雾燃烧并且产生金属氧化物蒸汽。在示例性实施例中，接着通过利用迅速对火焰进行冷却的一个外部骤冷体系来使这些蒸汽从气相中迅速凝固。图12中描绘了该组件和方法，如以下进一步详细地讨论的。

在示例性实施例中，本披露提供了通过一种示例性RSDT方法来制作低载量的铂族金属(PGM)催化剂，以供用作催化析氧阳极。与25cm²电化学全电池测试一道，已对示例性RSDT生产的催化剂的物理、微结构以及电化学的特性进行了观测。

实例2：用于空间可展开锂离子电池的阴极材料的直接干法形成–以不同喷射 条件将LiCoO₂涂敷到铝材料上的示例性RSDT方法/组件：

NASA的科学任务委员会(SMD)下的空间探测需要能够处理太空的恶劣条件的能量存储装置，并且可以与初级能量收集装置(例如，太阳能电池阵列)整合。某些锂离子电池适于这项任务作为可再充电的(二次)电池，但仍然没有实现它们在耐久性、可制造性和/或功率密度方面的全部潜力。

在某些实施例中，本披露通过利用一种火焰燃烧方法使纳米级的混合镍钴氧化物阴极颗粒的超薄层(例如，1-2μm)以一种新颖的干法并且直接一步沉积方式沉积到轧制的铝箔上以减小电极厚度和阴极粒径来解决这些限制。

在示例性实施例中并且如图12中所示，方法/组件110利用一种有机液体，该有机液体既充当廉价过渡金属前体(例如，镍和钴前体)的溶剂，又充当燃料以提供它们分解为蒸汽并且最终沉积所需的焓热。对集流铝基底116的适当的热控制可以借助一个空气骤冷机构120来实现，该空气骤冷机构与含有碳电子导电性增强剂的一个二次非燃喷雾流122联接。如图12中所示，反应性喷射沉积组件110包括一个喷嘴组件114，并且总体上可以与如以上描述并且披露的组件10和/或喷嘴组件14类似地操作，尽管本披露并不限于此。相反地，组件110和/或喷嘴组件114可以采用多种适合的形式。

由目前的带式浇铸法无法实现的将阴极厚度降低多达一个数量级并且产生三维的电极体系结构，在仍然提供足够的存储容量的同时有助于更快的锂离子扩散以及降低欧姆电阻。所产生的阴极颗粒的纳米维度尺寸增大了微晶的可用表面积并且因此产生更多用于扩散的Li种类的进入路径。另外地，锂离子从10-20nm阴极颗粒的颗粒核移动到其表面的更短的扩散长度提高了目前由现有技术可得到的功率密度。阴极的纳米尺寸有助于更快的锂离子扩散(更高的功率密度)，并且还能够实现在充电/放电过程中对体积膨胀/收缩的更好的应变适应以便延长阴极寿命。

图13A和13B描绘了根据本披露的示例性实施例涂敷在铝材料上的LiCoO₂的图像，包括通过示例性的RSDT组件/方法于30分钟的沉积时间以及600℃的沉积温度下涂敷。

图14A-14B描绘了根据本披露的示例性实施例制作的一种LiCoO₂结构的SEM图像，并且显示了9cm x 6cm基底移动(55cm²)的图像，T_基底＝500℃-600℃[Li和Co＝6.0mM].；

图15描绘了一种示例性的LiCoO₂结构在沉积和热处理后的X射线图。图16示出了对于0.121mg/cm²的低载量以及1-2微米的薄电极的LiCoO₂充电-放电容量；

实例3：通过干式一步法分散到耐腐蚀载体上的低Pt载量的催化剂的微结构：

用于PEMFC催化剂层中的碳负载的Pt电催化剂可能是影响膜电极组件(MEA)的成本、性能、鲁棒性和/或耐久性的最重要组分。某些常规MEA基于负载在碳黑上并且分散成墨的良好分散的Pt纳米颗粒。碳载体的腐蚀导致差的耐久性以及不可接受的寿命。在墨制作过程中，碳/Pt和离子聚合物的胶体溶液自组织成具有用于电子、质子以及气体的传输的互穿渗透相(interpenetrating percolating phase)的相离析区域(phase-segregatedregion)。微结构形成的过程取决于催化剂载体的类型、所添加的离子聚合物的类型和量、墨制备过程中所用的分散介质的类型、以及制作条件。已观察了这种途径的限制。对于催化剂层，一个目标是相对于所希望的电化学反应使用最少量的Pt催化剂来获得最高的电流密度。这要求具有恰当设计的微结构的大表面积，Pt晶体小平面的最佳取向，低的对于质子、电子以及反应物气体的主体传输和界面传递的动力学势垒，以及适当的产物水和余热的管理。

为了解决此类难题，本披露提供了用于通过一种示例性反应性喷射沉积技术(RSDT)来制作薄的、低Pt载量的催化剂的多种有利的组件和方法。这种一步式直接催化剂涂层膜(CCM)方法使得能够分开催化剂层的所有三种组分(例如，Pt、碳、以及全氟磺酸离子交换膜)。此外，将组分单独引入热干过程流中的能力实现了通过湿加工技术无法得到的其制造中的灵活性。

已经对这些示例性催化剂进行了观测。预料到正在形成的催化剂粒子的热经历影响所形成的催化剂的晶体结构。碳载体上的粒子尺寸、分布、以及分散由于过程流中的升华以及随后的聚结而在附加原子到高度结晶颗粒的范围内变化。进行了另外的工作来将催化剂分散到不同于Vulcan XC-72R的显示出有前景的耐久性的载体上。对来自卡博特(Cabot)的高度石墨化的碳载体、以及含有钛的低价氧化物(马格涅利相)的埃博斯骨黑进行了微结构和氧还原反应性的检查。还评价了催化剂分散、电化学活性以及电极形成。

实例4：控制孔径和孔径分布的方法–通过示例性RSDT方法/组件沉积的催化 剂薄膜中孔隙率的控制：

已经考察了离子聚合物/碳(I/C)重量比对PEMFC CL的表面积、孔径分布以及形态的影响，并且获得了对本披露的示例性RSDT方法中孔隙网络形成的更好理解。

在两种类型的碳(科琴黑和沃尔坎碳黑)以及CCM上进行氮吸附，并且吸附等温线示于图10A-B中。更确切地说，图10A-B示出了a)VC与VCCCM、以及b)KB与KB CCM的氮吸附等温线的比较，其中i/c＝0.16和0.8。

碳和CCM都呈现出II型等温线(洛厄尔&希尔兹(Lowell &Shields)，1979)，这暗示着一种主要为介孔的结构。吸附等温线几乎竖直地上升，表明在微孔中快速形成了氮单分子层。在等温线的第一个拐点之后，由于介孔的填充而形成了第二以及更高层的氮，吸附体积几乎线性地增长。快到氮的饱和压力时在粗孔隙中发生毛细冷凝，伴随吸附体积的突然增大。在沃尔坎碳黑或沃尔坎碳黑CCM的吸附和解吸曲线之间只存在很少的迟滞。然而，科琴黑和科琴黑CCM显示出在中间压力下(P/P₀＝0.45下)具有一个陡峭的吸附分支以及一个倾斜的解吸分支的H3迟滞。两种类型碳的CCM的等温线都显示出降低的吸附能力(图10A-B)。沃尔坎碳黑CCM在P/P₀<0.01区间内的初始快速吸附比沃尔坎碳黑的明显要低，暗示着Pt纳米颗粒(直径在2-4nm范围内变化)填充了沃尔坎碳黑的微孔。而介孔由全氟磺酸离子交换膜离子聚合物填充，并且在中间压力范围内的斜率和吸附体积随着离子聚合物含量的增加而减小。对于科琴黑CCM观察到相同的趋势，但迟滞仍然存在。

对于图11A-11中所示的高放大倍率图像(玻璃碳的碳表面上的Pt在1000X和100kX放大倍率下的SEM图像)，Pt/科琴黑和Pt/沃尔坎碳黑显示出类似的初级碳颗粒的团聚从而形成介孔。更确切地说，图11A示出了I/C为0.16时1000X下的Pt/科琴黑表面，图11B示出了I/C为0.16时100kX下的Pt/科琴黑表面，图11C示出了I/C为0.8时1000X下的Pt/科琴黑表面，图11D示出了I/C为0.8时100kX下的Pt/科琴黑表面，图11E示出了I/C为0.16时1000X下的Pt/沃尔坎碳黑表面，图11F示出了I/C为0.16时100kX下的Pt/沃尔坎碳黑表面，图11G示出了I/C为0.8时1000X下的Pt/沃尔坎碳黑表面，并且图11H示出了I/C为0.8时100kX下的Pt/沃尔坎碳黑表面。

科琴黑的初级颗粒相比沃尔坎碳黑更小。I/C＝0.8时Pt/科琴黑独特的地方在于出现了许多明亮的点并且形成了与灰色碳颗粒的强烈反差。已报告了类似的SEM图像，其中可以在石墨薄膜、空心石墨球以及碳纳米纤维上观察到Pt点。

通过测量，科琴黑的总孔容比沃尔坎碳黑高得多。5nm以下的粒径分布(PSD)是由初级碳颗粒的聚集形成的孔隙，并且更大直径的孔隙是由二次碳颗粒的团聚体形成的。科琴黑展现出在3.4到4nm左右的强的孔径分布以及还有40-60nm处的二次分布，这属于介孔，如在吸附等温线中证实的。当Pt纳米颗粒和离子聚合物结合在薄膜中时，该强峰减小，但在不同的I/C比的情况下峰值孔容保持一样。由于所有样品的Pt载量相当接近，因此应当指出，峰高的减小只与Pt纳米颗粒的填充有关。

实例5：通过基于火焰的方法制作并且沉积合成核壳纳米颗粒：

总体而言，纳米颗粒的基于火焰的或反应性喷射合成依赖于作为驱使颗粒成核的热能源的燃料和溶剂的燃烧。退火通过前体气体的反应(气体到颗粒的转化)或通过气体流中的悬浮前体颗粒或液滴的蒸发和/或反应(颗粒到颗粒的转化)而发生。本披露的示例性RSDT组件/方法避免了湿化学法副产物以及相关的对于分开的催化剂沉积所必需的纳米颗粒分离/纯化步骤。在基于火焰的方法中，所合成的纳米颗粒中两种或更多种组分的分布取决于颗粒成核和生长期间的前体混合。相似的蒸发、转化、以及成核速率有利于更均匀的分布，而当两种溶剂或前体在挥发性上相差很大时会出现顺序的金属组分层。对于可扩大规模的制造，反应性喷射沉积(RSDT)还提供了可调过程变量，诸如火焰温度、化学计量比、停留时间、以及下游骤冷速率，这些变量与溶剂和金属前体浓度相结合来影响颗粒生长、退火、以及氧化状态。

针对RSDT开发的本披露的某些示例性火焰合成组件将富燃火焰包围在薄的H₂或惰性气体(诸如N₂)覆盖层中以便促进充分还原的金属核颗粒的生长和成核并且使氧化减到最少。

图17描绘了在沉积过程中建立的一个示例性反应性喷射沉积组件210的图像。如图17中所示，分别示出了从基底216到护罩215的一端的距离(1.92英寸)，以及从护罩15的该端到喷嘴组件214的一端的距离(5.09英寸)。在示例性实施例中，组件210包括一个雾化喷嘴214、一个感应线圈或加热器234、供受控气体H₂和N₂流动的护罩215、一个骤冷组件220、以及用于沉积二次物质的第二组喷嘴222。

应当指出，组件210包括一个喷嘴组件214，并且总体可以与如以上描述并且披露的组件10和/或喷嘴组件14类似地操作，尽管本披露并不限于此。相反地，组件210和/或喷嘴组件214可以采用多种适合的形式。

在示例性实施例中，两种提出的方法驱使形成核壳纳米颗粒结构。一种方法涉及以受控制的化学计量比顺序喷射前体来制造核壳纳米颗粒。第二种优选的方法涉及以适当的还原剂和添加剂来控制溶剂化学过程。这种方法采用精确的温度和气相化学计量比来促进材料的顺序成核，以便获得所希望的核壳纳米颗粒结构。

应当指出，用于开发可扩大规模的生产的核壳催化剂材料组合的数目不可胜数。研究了三种类型的核壳催化剂用于电解装置和燃料电池的应用，如图18A-18C中展示的。更确切地说，图18A-C显示了以下带注解的概念图示：(a)Pt-WC和Pt-Nb-掺杂的Ti₄O₇核壳催化剂、(b)Pt-WC-M双核催化剂、以及(c)Pt-WC中空核催化剂，它们是通过根据本披露的示例性RSDT合成法制备的。

如图18A中所展示的，对于Pt-WC和Pt-Nb-掺杂的Ti₄O₇催化剂，核和壳半径是独立控制的，其中将壳厚度从单个的单原子层增大到5个原子层。在两种体系中，在恒定的单原子层壳的情况下增大核半径减少了应变，同时完全地保留了电子效应。另一方面，共同增大壳厚度可达到这两种效果。此外，WC和Nb-Ti₄O₇提供了两种不同类型的几何应变。对于WC，源于Pt与W之间尺寸的差别的晶格失配、以及与面心立方铂的晶体失配都在起作用。然而，Ti₄O₇是立方的，这消除了晶体应变效应。如图18B中所展示的，这些核催化剂通过WC层与M的相互作用使得可以细调电子效应；它还提供了极难得的机会来应用非常廉价的材料作为该催化剂的“主体”，这是许多工业实体特别感兴趣的。最后，本披露提出制备中空核，如图18C中展示的。这种体系提供了通过核原子的配合来控制Pt与载体之间的电子相互作用的机会。

图19描绘了根据本披露的一种示例性的RSDT核壳颗粒(例如，Ti-Fe-O组分)的TEM图像。

利用电子显微术和一套表面分析工具(XPS、BET等)的组合来表征这些核壳材料的结构和表面化学。对每种催化剂-载体体系都研究了催化剂载体材料对Pt的电子结构的影响。

图20描绘了Ti₄O₇上Pt的图像。图21描绘了一个HAADF图像，其中明亮的颗粒以及更小的颗粒是埃博斯骨黑上的Pt。

该方法与载体无关地产生了带有少许团聚体的在约1.5至约3.5nm的范围内的窄粒径分布。图22和23示出了材料沉积在埃博斯骨黑和石墨化碳上的两个实例。

如所示的，本披露有利地证实了材料/颗粒在埃博斯骨黑和石墨化碳上的均匀分布。应当指出，湿法导致团聚。

实例6：

总体而言，水的氧化和氧的还原都需要催化剂。Ir和Ru的共混氧化物典型地对于水氧化是优良的，但当在同一个电极上既需要水的氧化又需要氧的还原时，Pt和Ir的混合物则更好。

通过利用一种干式火焰法形成薄膜来研究了定量配给这些元素的策略(例如，如图12中所示的，等等)。Ir_xPt_1-xO_2-y和Ir_xRu_1-xO_2-y都是通过本披露的示例性RSDT组件/方法从汽相沉积的。对于Ru_0.41Ir_0.59O_2-y样品，观测到25-40mA/cm²的异常析氧电流，相对应于约400mA/mg的标准化质量活性。

图24显示，析氧开始点在1.45V左右开始并且看来于900rpm的转速下在5个循环之内稍微向更高电位偏移约0.05V。更具体地说，图24示出了在0.5M的H₂SO₄电解液中将Au电极上的Ru_xIr_1-xO_2-y极化为析氧状态。

如图24中所示，在1600rpm下，开始点偏移到1.5V。当在1.6V下测量时，10个循环之后电流减小了30％。与对于析氧的已报道的文献值(1.6V上方显示的数据)相比较，25-40mA/cm²的这些值是有很有前景的。

就在室温和大气压下施加1.6V的电压(其中电流密度为25mA/cm²)而言，电极上产生的氧的量总计为每分钟每cm²电极0.1cm³。当标准化为如图24中所示的贵重金属质量时，产生的电流为每mg金属氧化物400mA。所观测到的活性与文献中只获得每mg金属氧化物50-75mA的当今技术水平的催化剂比较是非常有利的。这暗示着良好地利用了薄膜层中的金属氧化物，显示了RSDT控制的结构作为电催化剂的前景。

富集了RuO₂的核的存在证据可以通过如图25中所示的收集在格栅上的正在形成的薄膜的z-衬度像差(contrast aberration)校正的(探针上)S/TEM来阐明。图25中的图像衬比是由Ir(z＝77)与Ru(z＝44)之间的原子序数的差别以及每一列中的原子数目的差别引起的。大部分的代表性颗粒的长度为1-2nm，并且具有接近于1的长径比，而更大的团簇则呈现出2-3的长径比。应注意的是，更大的团簇看来似乎是由先前成核的颗粒(优选生长中心)聚结而成，并且这可以表明，至少一部分在该格栅上的生长是直接在这些中心处从汽相发生的。如果在颗粒的飞行期间曾经发生成核，则随着沉积时间推移，将可以预料到该表面将与更短时间格栅类似，只除了将存在更大数量的同样尺寸的颗粒。大于初级颗粒长度的颗粒似乎呈现出孪晶间界或晶粒聚结。

实例7：纤维涂层：

在示例性实施例中，本披露提供了在浸渍有多壁碳纳米管的氧化锰无机膜(K-OMS-2/MWCNTs)上通过反应性喷射沉积技术(RSDT)涂敷的一个金属铂(Pt)涂层的纳米成簇。

针对一氧化碳(CO)氧化来评价了该复合膜材料上的纳米结构的涂层。与未包覆的K-OMS-2/MWCNTs相比，功能化的Pt/K-OMS-2/MWCNTs膜显示出优异的在更低温度(200℃)下CO向CO₂的转化率(100％)。此外，Pt/K-OMS-2/MWCNTs膜对于200℃下的CO氧化显示出超过4天的出色的稳定性。

之前还没有研究过利用火焰合成方法在开放大气中将金属沉积在K-OMS-2膜上。这种方法创建了一种新的有成本效益的路线来功能化廉价的无机膜并且从而结合新的官能团以带来除其他之外在电容；吸附；以及催化的转化率和选择性的控制方面改进的性能。

利用示例性的反应性喷射沉积技术(RSDT)组件/方法沉积了Pt的薄共形膜，并且基底背面的气体保证了涂层的均匀厚度。在示例性实施例中，该方法包括在基底背面施加真空吸力的情况下使气体围绕基底流动以保证获得纤维的均匀涂层。

沉积在K-OMS-2/MWCNTs膜材料上的Pt前体被完全并且成功地转化为如图26的X射线衍射图所描绘的结晶的金属Pt涂层。图26b)中，在约39.5和46.0度的2θ角度处分别清楚地观测到对应于金属铂(111)和(200)的反射，连同氧化锰K-OMS-2锰钾矿型材料的XRD峰。

Pt的均匀涂层覆盖了K-OMS-2/MWCNTs膜的上部纤维。所生成的Pt奈米簇的共形膜在不引发任何纤维聚集的情况下完全覆盖在膜的上侧的单独纤维。此外，该Pt涂层基本上不覆盖纤维之间的间隙空间并且这保留了基底的多孔性质；这是一种对于催化性能来说重要的特性。聚焦离子束扫描电子显微术(FIBSEM)揭示出，该Pt膜是由尺寸小于50nm的小团簇构建的，如由图27B-C中的FIBSEM显微图像所示，这些小团簇在氧化锰纤维和碳纳米管之上形成一个壳，这些显微图像显示了FIB切片之后剥落的Pt膜。否则，该Pt涂层在被沉积之后将不会分开并且不会脱离K-OMS-2/MWCNTs膜的上层中暴露的纤维。另外地，通过RSDT进行的沉积产生了一种共形膜，这表明了该沉积方法渗透多孔结构的能力，从而有助于完全覆盖该基底。

Pt包覆的膜Pt/K-OMS-2/MWCNTs显示出比未包覆的K-OMS-2/MWCNTs更高的活性，不仅在低温(200℃)下达到100％转化率，并且在200℃下于一段长时间内为高稳定的，其中在4天后催化转化率没有明显的劣化。

实例8：高温质子交换膜：

在研究中的膜包括一种基于Celtec-P聚苯并咪唑酮的膜以及一种基于Advent TPS吡啶的膜。制备了铂载量为0.3-0.38mg/cm²并且电极厚度为约4μm的催化剂层，有些是通过本披露的示例性的RSDT组件/方法制备的。在这些RSDT样品中，有意地保持低的离子聚合物与碳的比以便避免产生氧向铂传输的扩散势垒。图31示出了使用O₂和空气作为氧化剂在140℃和160℃的温度下的MEA极化数据。

每个电极以一式三份的方式运行并且性能是可再现的。在氧气和空气的情况下，由于改进的离子电导率，性能都随着温度升高而改进。事实上，140℃下MEA的大斜率表明在此温度下膜电导率是不够的。而且，当由氧气切换到空气时，在低电流密度区域内性能的下降表明对于氧在催化剂微结构内的传质限制。还有可能的是，催化剂的磷酸阴离子阻塞导致活化区域内由于活性位点阻塞而性能更低，这是因为在通过膜背面具有一个储器来进行的RSDT制造中加入了过量的磷酸(图33)。

所得到的数据呈现出，与常规MEA相比，使用RSDT电极时Pt载量减低了50％并且性能稍微更高。

实例9：应用：

对由受控的RSDT方法得到的核壳催化剂涂层针对选定的应用进行测试。本申请以其在基于Pt的核壳纳米颗粒催化剂合成和表征上的广泛的实验披露为基础，并且将这种知识转变为目标的多金属的和金属氧化物上金属(metal on metal oxide)的核壳结构或利用RSDT进行的这些结构的大规模制造。第一类应用以及准备制作的材料是使用Ru@Pt核壳纳米颗粒和CeO₂-Pt纳米颗粒在H₂(PrO_x)中进行催化的、优先的CO氧化。Ru@Pt核壳催化剂相比Pt_1-xRu_x合金纳米颗粒具有优越得多的活性(高2倍)，而Pt_1-xRu_x合金纳米颗粒反过来由于合金表面的协同效应而比Pt和Ru端元好得多。除了Ru-Pt纳米颗粒体系之外，还研究了具有其他金属(包括Rh、Mo、Sn、Fe、Pd以及Cu)的基于Pt的催化剂体系。在大多数情况下，具有足够薄的Pt壳以及为基底金属(例如，Rh或Ru)、金属间化合物(PtSn18)、或金属氧化物(MoO_x)的核的核壳体系结构为基PEM燃料电池中的低温CO电化学氧化提供了高度改进的电化学活性。

实例10：电解装置中的应用：

随着全球能源需求增长以及在集成了不断增长水平的可再生能源的情况下电网容量的波动增大，能量存储成为关键需求。通过水电解将能量捕获为氢气已经在欧洲和全世界的其他地方引起巨大的兴趣，其中特别是欧洲资助了联营企业进行电解装置技术的开发。

氢气是一种引人兴趣的存储介质，因为一旦被存储，它可以用在多种应用中，包括在需求增大时期的发电、补充天然气管网以提高效率、汽车加燃料、或作为一种高价值化学原料用于肥料以及其他化学品的绿色生产。基于质子交换膜(PEM)技术的水电解理想地适合于从所有规模的可再生能源产生氢气以便捕获所产生的超出需求的产能，否则产能将被缩减。这种解决方案的使能特性包括对电力波动的快速响应。

现今，PEM电解装置制造中大部分的成本和能源利用都是由电池堆制造工艺产生的。此外，虽然对原料获取的能源需求对制造商来说并不是直接的能源成本，但从原矿石中提取催化剂材料是一种高度费能的过程。膜的酸性性质使催化剂材料的选择限制在更昂贵选项，诸如铂族金属(PGMs)以及金属氧化物。典型地用于PEM电解装置的PGMs的精制需要数量级为每克催化剂几十千瓦。因此，即使不包括典型地用于将PGM前体转化为有用催化剂的纳米粉末制作过程，在MEA制作能源使用的帕累托图上PGM加工仍旧是高的。

据信目前催化剂负载主要由工艺变化来驱动，并且催化剂活性并非电解的限制因素。本披露已经证实了，通过从湿法加工转换为示例性的RSDT加工来将阴极电极上的贵金属含量降低90％的可行性。

电池的阳极侧上催化剂载量降低的阻碍是传统的燃料电池碳载体在电解电位下缺乏稳定性。本披露提供了对非碳载体所做的工作，同时在沉积(例如，示例性RSDT沉积)过程中润湿该膜以保持膜中湿度。

电池的氧气侧的性能，对于阳极和阴极电极都已经观测到了100多个小时的稳定运行(图32)。

实例11：纤维的涂层以及膜的工程：

氧化锰K-OMS-2是一种多孔的混合价金属氧化物，应用于催化、环境修复、吸着过程、以及微生物燃料电池中。合成这种八面体分子筛(OMS)的一个理由是基于其低成本、可加工性、稳定性、以及在不同氧化还原反应中优异的催化活性。其可加工性允许制备由循环型纳米纤维形成的K-OMS-2氧化锰材料，这些纳米纤维可以容易地组装成一张纸或膜。

这种通用的以膜的形式的无支撑结构是弹性的、可再分散的、可折叠的、可成形的，并且可以通过离子交换、掺杂来进行改性，分布在大面积上用于清理，以及用作支承结构来生产复合材料。膜由于其多孔性、渗透性、以及传导性而让人特别感兴趣，并且因此它们潜在地用作传感器，催化剂，以及用于去除细菌、微生物、微粒、以及有机材料的分离过程中。

已经制备了填充MnO₂的MWCNTs的纳米复合材料，并且结果显示在电化学和传导特性上都有改善。然而，加工的困难在于，在不降低膜的孔隙率的情况下在浸渍有MWCNT的无机K-OMS-2(例如，膜基底)上形成共形的、均匀的Pt涂层。该包覆的膜(Pt/K-OMS-2/MWCNTs)在相对低的温度(200℃)下显示出优异的催化活性。Pt的薄共形膜有利地是利用本披露的示例性反应性喷射沉积技术(RSDT)组件/方法来沉积的。

一种示例性方法实质上将催化剂生产和成膜步骤结合为一个，在开放大气中进行并且消除了处置溶剂废物的需要；溶剂基本上完全燃烧成CO₂和H₂O。取决于加工条件，薄膜可以从该汽相(例如，产物在单体与纳米颗粒路径之间某处的阶段到达基底)、通过完全形成的纳米颗粒的物理撞击(例如，弹道碰撞)、或通过两种机制的组合形成。

准确的生长机制受到除其他之外是给定的热剖面中的停留时间、反应物的浓度、前体组成、氧化剂/燃料流速、气体流速以及基底与喷嘴之间的距离的影响。

尽管已参照其示例性实施例对本披露的体系和方法进行了描述，但本披露并不限于此类示例性实施例和/或实现方式。相反，本披露的体系和方法容许许多实现方式和应用，本领域普通技术人员由其披露内容将容易地明白这些。本披露明确地涵盖所披露的实施例的此类修改、增强和/或变化。由于在以上构造中可以作出许多改变并且可以在不偏离其范围的情况下作出本披露的许多大不相同的实施例，意在附图和说明书中包含的所有内容应被解释为说明性的而非限制性的意义。在上述披露内容中计划了另外的修改、改变、以及替换。因此，适当的是宽泛地并且以与本披露的范围一致的方式来解释所附权利要求书。

Claims (15)

1.一种用于制作催化材料的组件，该组件包括：

一个第一细长构件，该第一细长构件从一个第一端延伸到一个第二端，该第一端与包括颗粒的一种液态前体原料处于流体联通；

一个第二细长构件，该第二细长构件从一个第一端延伸到一个第二端，该第一端相对该第一细长构件的第二端安装并且与该液态前体原料处于流体联通；

一个壳体的通道，该通道围绕该第二细长构件的至少一部分设置，该通道被配置并且定尺寸为供应一种燃料，该燃料与该液态前体原料一道从该第二细长构件的第二端被供应以形成一种实质上共流喷雾，将该共流喷雾供应入邻近该第二细长构件的第二端的开放大气中并且将其点燃以形成一种火焰喷雾；

该壳体的一个表面，该表面被定位于邻近该第二细长构件的第二端并且相对该第二细长构件的中轴线成角度，该成角度的表面包括多个口，每个口被配置和定尺寸为供应一个气体流，将该气体流点燃以稳定化该火焰喷雾；

其中该壳体被配置为将该稳定化的火焰喷雾导向一个用于在其上沉积这些颗粒的基底。

2.如权利要求1所述的组件，其中该壳体的成角度的表面相对该第二细长构件的中轴线成45°的角度。

3.如权利要求1所述的组件，其中该成角度的表面包括六个口，这些口以围绕该第二细长构件的中轴线彼此实质上均匀地间隔开一个半径距离的方式定位。

4.如权利要求1所述的组件，该组件进一步包括一个实质上圆形的骤冷组件，该圆形骤冷组件包括多个喷嘴，这些喷嘴被配置为向该火焰喷雾中引入紊流或蒸汽来冷却该火焰喷雾或稀释该气体流。

5.如权利要求1所述的组件，该组件进一步包括至少一个增湿器喷嘴，该至少一个增湿器喷嘴被配置和定尺寸为向该基底供应湿气。

6.如权利要求1所述的组件，其中该基底相对一个基底支座安装，该基底支座被配置和定尺寸为容纳一种液体来水合或冷却该基底。

7.如权利要求1所述的组件，其中所沉积的这些颗粒包括铂颗粒；并且

其中该基底包括一种耐腐蚀载体。

8.如权利要求1所述的组件，其中所沉积的这些颗粒形成一个析氧阳极的至少一部分。

9.如权利要求1所述的组件，其中所沉积的这些颗粒形成一个锂电池阴极或阳极的至少一部分。

10.如权利要求1所述的组件，其中所沉积的这些颗粒包括一种具有纳米级特征的催化微结构。

11.如权利要求1所述的组件，其中所沉积的这些颗粒形成一种核壳颗粒结构的至少一部分。

12.如权利要求1所述的组件，其中该基底包括纳米纤维；并且

其中至少一部分这些颗粒被沉积在这些纳米纤维上。

13.如权利要求1所述的组件，其中该液态前体原料包括丙烷；并且

其中该共流喷雾是至少部分地通过压力、热量以及由于丙烷在其临界温度以上膨胀从而形成液滴造成的超临界雾化的组合而形成的。

14.如权利要求1所述的组件，其中所沉积的这些颗粒包括无定形颗粒。

15.如权利要求1所述的组件，其中所沉积的这些颗粒包括结晶颗粒。