DE102015108604A1 - Leitender Dünnfilm zum Schutz vor Kohlenstoffkorrosion - Google Patents

Leitender Dünnfilm zum Schutz vor Kohlenstoffkorrosion Download PDF

Info

Publication number
DE102015108604A1
DE102015108604A1 DE102015108604.2A DE102015108604A DE102015108604A1 DE 102015108604 A1 DE102015108604 A1 DE 102015108604A1 DE 102015108604 A DE102015108604 A DE 102015108604A DE 102015108604 A1 DE102015108604 A1 DE 102015108604A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
metal
layer
carbon powder
carbon
titanium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102015108604.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Balasubramanian Lakshmanan
Jingxin Zhang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of DE102015108604A1 publication Critical patent/DE102015108604A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
    • H01M4/0428—Chemical vapour deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8867—Vapour deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8817—Treatment of supports before application of the catalytic active composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1393—Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628—Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen korrosionsbeständiger Kohlenstoffnanopartikel weist einen Schritt zum Erwärmen eines Kohlenstoffpulvers auf eine vorbestimmte Temperatur auf. Das Kohlenstoffpulver weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Das Kohlenstoffpulver wird mit einem Dampf einer metallhaltigen Verbindung in Kontakt gebracht. Das Kohlenstoffpulver wird dann mit einem Dampf einer aktivierenden Verbindung in Kontakt gebracht. Diese Schritte werden mehrere Male wiederholt, um eine metallhaltige Schicht an den Kohlenstoffpartikeln zu bilden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Bei zumindest einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung korrosionsbeständige Kohlenstoffträger für Brennstoffzellen- und Batterieanwendungen.
  • HINTERGRUND
  • Brennstoffzellen werden bei vielen Anwendungen als eine elektrische Energiequelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Eine üblicherweise verwendete Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelektrolyt-(”SPE”)-Membran oder Protonenaustauschmembran (”PEM”), um einen Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode bereitzustellen.
  • Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp wird Wasserstoff an die Anode als Brennstoff geliefert und Sauerstoff an die Kathode als das Oxidationsmittel geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membranelektrodenanordnung (”MEA”), in der eine Festpolymermembran einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie verwobenem Graphit, graphitisierten Lagen oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff und das Oxidationsmittel über die den Brennstoff- bzw. Oxidationsmittellieferelektroden zugewandten Oberfläche der Membran verteilt werden. Jede Elektrode besitzt fein geteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen sind, um eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode und eine Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch die ionenleitende Polymermembran an die Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das von der Zelle ausgetragen wird. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten (”GDL”) angeordnet, die ihrerseits schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet sind. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberfläche jeweiliger Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasimpermeabel sein. Bei typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Gruppierungen vieler einzelner Brennstoffzellenstapel vorgesehen, um hohe Niveaus an elektrischer Leistung bereitzustellen.
  • Kohlenstoff mit großer Oberfläche wird bei elektrochemischen Vorrichtungen weitverbreitet verwendet, wie Brennstoffzellen, Batterien und Superkondensatoren. In PEM-Brennstoffzellen dienen Kohlenstoffpartikel mit großer Oberfläche als Träger für Elektrokatalysatoren und bilden den Baublock der Elektrodenstruktur. Jedoch ist Kohlenstoff in nahezu allen Brennstoffzellensystemanwendungen, insbesondere bei Kraftfahrzeuganwendungen, anfällig gegenüber einer elektrochemischen Oxidationsreaktion (auch als Kohlenstoffkorrosion bekannt). Eine Kohlenstoffkorrosion führt zu einem Kohlenstoffmassenverlust und beschädigt schließlich die Elektrodenstruktur. Eine Kohlenstoffkorrosion stellt eine der Schlüsselherausforderungen bei der Haltbarkeit dar, denen sich die PEM-Brennstoffzelle gegenübersieht.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Vorgehensweise zur Herstellung von auf Kohlenstoff geträgerten Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellenanwendungen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik dadurch, dass bei zumindest einer Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung korrosionsbeständiger Kohlenstoffnanopartikel für Brennstoffzellen- und Batterieanwendungen bereitgestellt wird. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, an der Außenseite von Kohlenstoff-Nanopartikeln einen dünnen leitenden oder halbleitenden Film zu entwickeln, der auch korrosionsbeständig ist. Ein derartiger oberflächengeschützter Kohlenstoff kann als ein korrosionstoleranter Katalysatorträger verwendet werden. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erwärmen eines Kohlenstoffpulvers auf eine vorbestimmte Temperatur. Das Kohlenstoffpulver weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Das Kohlenstoffpulver steht mit einem Dampf einer metallhaltigen Verbindung (z. B. titanhaltige, niobhaltige, zinnhaltige, tantalhaltige oder wolframhaltige Verbindungen) und dann mit einem Dampf einer aktivierenden Verbindung in Kontakt. Diese Kontaktschritte werden mehrere Male wiederholt, um eine metallhaltige Schicht an den Kohlenstoffpartikeln zu bilden. Metallhaltige Schichten weisen Metalloxidschichten, Metallnitridschichten, Metalloxynitridschichten und Metallkarbidschichten auf.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen Kohlenstoffpulvers, das mit Platin beschichtet ist, vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erwärmen eines Kohlenstoffpulvers auf eine vorbestimmte Temperatur. Das Kohlenstoffpulver weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Das Kohlenstoffpulver steht in Kontakt mit einem Dampf aus Titantetrahalogenid und dann mit einem Dampf einer aktivierenden Verbindung, die eine OH-Gruppe aufweist. Diese Kontaktschritte werden mehrere Male wiederholt, um eine Titanoxidschicht an den Kohlenstoffpartikeln zu bilden. Charakteristisch weist die Titanoxidschicht eine Dicke zwischen etwa 1 Monoschicht bis 20 Nanometern auf. Optional wird dann Platin an der Titanoxidschicht abgeschieden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen Kohlenstoffpulvers vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erwärmen eines Kohlenstoffpulvers auf eine vorbestimmte Temperatur. Das Kohlenstoffpulver weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Das Kohlenstoffpulver wird mit einem Dampf aus Titantetrahalogenid in Kontakt gebracht. Das Kohlenstoffpulver wird dann mit einem Dampf einer ersten aktivierenden Verbindung, die eine OH-Gruppe aufweist, und einer zweiten aktivierenden Verbindung, die eine NH2-Gruppe aufweist, in Kontakt gebracht. Diese Schritte, um das Kohlenstoffpulver in Kontakt zu bringen, werden mehrere Male wiederholt, um eine Titanoxynitridschicht an den Kohlenstoffpartikeln zu bilden. Das Kohlenstoffpulver wird entweder gleichzeitig mit einer Kombination der ersten aktivierenden Verbindung und der zweiten aktivierenden Verbindung in demselben Schritt in Kontakt gebracht oder alternativ dazu mit der ersten aktivierenden Verbindung oder der zweiten aktivierenden Verbindung in separaten Schritten in Kontakt gebracht. Charakteristisch weist die Titanoxynitridschicht eine Dicke zwischen etwa 1 Monoschicht bis 20 Nanometern auf. Optional wird dann Platin an der Titanoxidschicht abgeschieden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen Kohlenstoffpulvers durch chemische Gasphasenabscheidung vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erwärmen eines Kohlenstoffpulvers auf eine vorbestimmte Temperatur. Das Kohlenstoffpulver weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Das Kohlenstoffpulver reagiert mit einem Dampf einer metallhaltigen Verbindung und einem Dampf einer aktivierenden Verbindung, um eine metallhaltige Schicht an den Kohlenstoffpartikeln zu bilden. Optional wird dann Platin an der metallhaltigen Schicht abgeschieden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle, die Kohlenstoffpartikel enthält, die mit einer titanhaltigen Schicht beschichtet sind;
  • 2 ist eine Schnittansicht einer Lithiumionenbatterie, die Kohlenstoffpartikel enthält, die mit einer titanhaltigen Schicht beschichtet sind;
  • 3 stellt ein schematisches Flussdiagramm bereit, das ein Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffpartikeln zeigt, die mit einer titanhaltigen Schicht beschichtet sind;
  • 4 stellt ein schematisches Flussdiagramm bereit, das ein Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffpartikeln zeigt, die mit einer titanhaltigen Schicht beschichtet sind;
  • 5A sieht eine idealisierte Aufzeichnung des Kohlenstoffkorrosionsstroms in Abhängigkeit der Dicke der titanhaltigen Schicht für beschichtete Kohlenstoffpartikel vor;
  • 5B sieht eine idealisierte Aufzeichnung der Leitfähigkeit der Titanschicht in Abhängigkeit der Dicke der Titanschicht vor.
  • 6 sieht ein Schema eines Atomlagenabscheidungssystems zur Implementierung der Verfahren der 3 und 4 vor;
  • 7A sieht Abbildungen eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) von mit TiO2 beschichteten Kohlenstoffpartikeln vor;
  • 7B sieht ein EDX-Elementverteilungsbild für die Zusammensetzung von mit TiO2 beschichteten Kohlenstoffpartikeln vor; und
  • 8 sieht ein Balkendiagramm vor, das den Einfluss der TiO2-Beschichtung auf den Kohlenstoffkorrosionsstrom zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es wird nun detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung, die den Erfindern derzeit bekannt sind, bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sollen spezifische Einzelheiten, die hier offenbart sind, nicht als beschränkend sondern lediglich als eine repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns interpretiert werden, um die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise anzuwenden.
  • Ausgenommen in den Beispielen oder wo dies ausdrücklich anderweitig genannt ist, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, welche die Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung bezeichnen, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort „ungefähr” modifiziert zu verstehen. Die Anwendung innerhalb der genannten Zahlenbegrenzungen ist im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht gegenteilig ausgeführt: sind Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien für einen vorgegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung als geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen von zwei oder mehr der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; bezieht sich die Beschreibung von Konstituenten in chemischen Begriffen auf die Konstituenten zu der Zeit der Zugabe zu irgendeiner Mischung, welche in der Beschreibung spezifiziert ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Interaktionen zwischen den Konstituenten einer einmal vermischten Mischung aus; ist die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung hier auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar und wird, sofern nicht gegenteilig ausgeführt, die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt.
  • Es sei auch zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren, wie nachfolgend beschrieben ist, beschränkt ist, da selbstverständlich spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Ferner dient die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ist nicht dazu bestimmt, in irgendeiner Weise einzuschränken.
  • Es muss auch angemerkt werden, dass, wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, die Singularform ”ein”, ”eine”, ”einer” und ”der”, ”die”, ”das” Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext dies nicht anderweitig deutlich angibt. Beispielsweise ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular dazu bestimmt, eine Mehrzahl von Komponenten zu umfassen.
  • In dieser Anmeldung sind, wenn auf Veröffentlichungen Bezug genommen wird, die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen in ihrer Gesamtheit hierdurch durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeschlossen, um den Stand der Technik, zu dem diese Erfindung gehört, besser zu beschreiben.
  • Bei einer Ausführungsform bedeutet der Präfix „Nano”, dass die beschriebenen Partikel zumindest eine räumliche Abmessung von etwa 1 nm bis etwa 100 nm besitzen. Bei einer Variante bedeutet der Präfix Anführungszeichen Nano”, dass die beschriebenen Partikel zumindest eine räumliche Abmessung von etwa 1 nm bis etwa 20 nm besitzen. Bei einer anderen Variante bedeutet der Präfix „Nano”, dass die beschriebenen Partikel zumindest eine räumliche Abmessung von etwa 20 nm bis etwa 50 nm besitzen.
  • Der Begriff „Metalloxynitridschicht” betrifft Schichten mit Metallatomen, die durch Sauerstoffatome und Stickstoffatome gebunden sind. Bei einer Ausführung besitzt eine Titanoxynitridschicht die folgende Formel TiOxNy wobei x zwischen 0,1 und 1,95 liegt und y zwischen 0,1 und 1.4 liegt.
  • Der Begriff „Metalloxidschicht” betrifft Schichten mit Metallatomen, die an Sauerstoffatome gebunden sind. Beispiele umfassen Titanoxide mit der Formel TiO2, Zinnoxide mit der Formel SNO2, Nioboxide mit der Formel NbO und Nb2O3, Tantaloxide mit der Formel Ta2O5 und Suboxide dieser Materialien. Suboxide weisen typischerweise eine nichtstöchiometrische Sauerstoffmenge auf, die um bis zu 30 Atomprozent geringer als der stöchiometrische Wert sein kann.
  • Der Begriff „Metallnitridschicht” betrifft Schichten mit Metallatomen, die an Stickstoffatome gebunden sind. Beispiele umfassen Titannitride mit der Formel TiN, Niobnitride mit der Formel NbN, Tantalnitride mit der Formel TaN und nichtstöchiometrische Nitride dieser Materialien. Nichtstöchiometrische Nitride weisen typischerweise nicht stöchiometrische Stickstoffmengen auf, die um bis zu 30 Atomprozent geringer als der stöchiometrische Wert sein können.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen korrosionsbeständiger Kohlenstoff-Nanopartikel für Brennstoffzellen- und Batterieanwendungen vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erwärmen eines Kohlenstoffpulvers auf eine vorbestimmte Temperatur. Das Kohlenstoffpulver weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Das Kohlenstoffpulver wird mit einem Dampf einer metallhaltigen Verbindung (z. B. titanhaltigen Verbindung) und einem Dampf einer aktivierenden Verbindung in Kontakt gebracht. Bei einer Ausführung wird das Kohlenstoffpulver gleichzeitig mit den Dämpfen in einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess in Kontakt gebracht. Bei einer anderen Ausführung wird das Kohlenstoffpulver abwechselnd mit dem Dampf einer metallhaltigen Verbindung und dem Dampf einer aktivierenden Verbindung in einem Atomlagenabscheidungsprozess (ALD) in Kontakt gebracht. Die aktivierende Verbindung ist eine Verbindung, die mit der metallhaltigen Verbindung reagiert, um ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metalloxynitrid und ein Metallcarbid (z. B. WC) zu reagieren. In einem ALD-Prozess werden die Kontaktschritte mehrere Male wiederholt, um eine titanhaltige Schicht an (z. B. Kontakt der Fläche von) den Kohlenstoffpartikeln zu bilden.
  • Mit Bezug auf 1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle vorgesehen, die das korrosionsbeständige Kohlenstoffpulver, wie oben dargestellt ist, enthält. Eine PEM-Brennstoffzelle 10 weist eine Ionen leitende Polymermembran 12 auf, die zwischen einer Kathodenelektrokatalysatorschicht 14 und einer Anodenelektrokatalysatorschicht 16 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 10 weist auch elektrisch leitende Strömungsfeldplatten 20, 22 auf, die Gaskanäle 24 und 26 enthalten. Die Strömungsfeldplatten 28, 30 sind entweder Bipolarplatten (gezeigt) oder Unipolarplatten (d. h. Endplatten). Bei einer Ausführung sind die Strömungsfeldplatten 20, 24 aus einer Metallplatte (z. B. rostfreiem Stahl) hergestellt, die optional mit einem Edelmetall, wie Gold oder Platin, beschichtet ist. Bei einer anderen Ausführung sind die Strömungsfeldplatten 20, 24 aus leitenden Polymeren hergestellt, die ebenfalls optional mit einem Edelmetall beschichtet sind. Gasdiffusionsschichten 32 und 34 sind auch zwischen den Strömungsfeldplatten und einer Katalysatorschicht angeordnet. Die Elektrokatalysatorschicht 14 der Kathode und die Elektrokatalysatorschicht 16 der Anode weisen ein korrosionsbeständiges Kohlenstoffpulver auf, das durch die nachfolgend beschriebenen Prozesse hergestellt wird. Vorteilhafterweise steigert dieses korrosionsbeständige Kohlenstoffpulver die Aktivität der Sauerstoffreduzierungsreaktion, wenn es in die Elektrokatalysatorschichten der Kathode aufgenommen ist.
  • Mit Bezug auf 2 ist ein schematischer Schnitt einer Lithiumionenbatterie, die das korrosionsbeständige Kohlenstoffpulver, wie oben dargestellt ist, enthält, vorgesehen. Die Batterie 40 weist eine Anode 42 und eine Kathode 44 auf. Ein Separater 48 ist zwischen der Anode 42 und der Kathode 44 angeordnet, wodurch elektrische Kurzschlüsse zwischen den beiden Elektroden minimiert werden, während ein Durchgang von Ionen, wie Lithium (Li+) zugelassen wird. Vorteilhafterweise weist die Anode 42 das korrosionsbeständige Kohlenstoffpulver auf, das durch die nachfolgend dargestellten Verfahren hergestellt ist.
  • Mit Bezug auf 3 ist ein Verfahren für die Herstellung korrosionsbeständiger Kohlenstoffnanopartikel für Brennstoffzellen- und Batterieanwendungen vorgesehen. Bei Schritt a) wird Kohlenstoffpulver 50 auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Atomlagenabscheidungs-(ALD-)Reaktor erhitzt. Bei einer Ausgestaltung wird das Kohlenstoffpulver 50 auf eine Temperatur von etwa 150°C bis 300°C erhitzt. Das Kohlenstoffpulver 50 weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Bei einer Ausgestaltung weist das Kohlenstoffpulver 50 Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 20 und 70 Nanometer besitzen. Bei Schritt b) wird das Kohlenstoffpulver 50 mit einem Dampf aus einer metallhaltigen Verbindung (z. B. titanhaltigen Verbindung) in Kontakt gebracht, um Kohlenstoffpartikel 52 mit einer modifizierten metallhaltigen Oberfläche (z. B. modifizierte titanhaltige Oberfläche) in einem Reaktor zu bilden. Geeignete metallhaltige Verbindungen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Titantetrahalogenide (beispielsweise TiCl4, TiBr4, usw.), Tantalhalogenide, Niobhalogenide, Wolframhalogenide (z. B. WF6), Metallalkoxide mit C1-6 Alkoxidgruppen (beispielsweise Titanalkoxide) und dergleichen. Bei Schritt p1) werden Kohlenstoffpartikel 52 mit einem Inertgas gespült (z. B. Stickstoff, Helium, Argon und dergleichen), indem der Reaktor gespült wird. Bei Schritt c) werden Kohlenstoffpartikel 52 mit einem Dampf aus einer oder mehreren aktivierenden Verbindung(en) in Kontakt gebracht, um Kohlenstoffpartikel 54 mit einer modifizierten Oberfläche zu bilden, die Reste der aktivierenden Verbindung und insbesondere eine Schicht aus Titan-Oxid, -Nitrid oder -Oxynitrid aufweist. Bei Schritt p2) werden Kohlenstoffpartikel 54 mit einem Inertgas gespült (z. B. Stickstoff, Helium, Argon und dergleichen).
  • Weiter mit Bezug auf 3 werden, wie durch die Schleife I dargestellt, die Schritte b, p1, c, p2 mehrere Male wiederholt, um eine Titan enthaltende Schicht 56 auf Kohlenstoffpartikeln 50 zu bilden. Bei einer Ausgestaltung werden diese Schritte 1- bis 1000-mal wiederholt, um die Dicke der metallhaltigen Schicht 56 (beispielsweise titanhaltigen Schicht) Monoschicht um Monoschicht aufzubauen, bis eine gewünschte Dicke erreicht ist. Bei einer Ausgestaltung liegt die Dicke der metallhaltigen Schicht 56 von etwa einer Monoschicht bis 30 Nanometer. Bei einer anderen Ausgestaltung liegt die Dicke der metallhaltigen Schicht 56 zwischen 1 Nanometer bis 30 Nanometer. Bei einer anderen Ausgestaltung liegt die Dicke der metallhaltigen Schicht 56 im Bereich von 5 Nanometer bis 25 Nanometer. Wenn die metallhaltige Schicht 56 eine Metalloxidschicht (beispielsweise Titanoxid) sein soll, dann weist die aktivierende Verbindung eine OH-Gruppe auf, wenn Metallhalogenide (beispielsweise TiCl4) als die Metallquelle (z. B. Titanquelle) verwendet werden. Wenn eine metallhaltige Schicht 56 eine Metallnitridschicht sein soll (beispielsweise eine Titannitridschicht), dann weist die aktivierende Verbindung eine NH2-Gruppe auf, wenn Metallhalogenide als die Titanquelle verwendet werden. Beispiele für geeignete aktivierende Verbindungen mit einer OH-Gruppe umfassen Wasser und C1-6 Alkohole. Beispiele für geeignete aktivierende Verbindungen mit einer NH2-Gruppe umfassen Ammoniak und primärer C1-6 Amine. Wenn die metallhaltige Schicht 56 ein Metalloxynitridschicht sein soll (z. B. eine Titanoxynitridschicht), dann sind die aktivierende Verbindung oder Verbindungen eine Kombination aus einer Verbindung mit einer OH-Gruppe und einer Verbindung mit einer NH2-Gruppe. Wenn die metallhaltige Verbindung ein Metallalkoxid ist (z. B. Titanalkoxid), sind molekularer Sauerstoff, Wasser und Ammoniak Beispiele einer Sauerstoff- bzw. Stickstoffquelle für die aktivierenden Verbindungen. In dieser Ausgestaltung werden molekularer Sauerstoff und Ammoniak entweder gleichzeitig oder abwechselnd verwendet, Metalloxynitride (z. B. Titanoxynitride) zu produzieren. Wenn die metallhaltige Schicht 56 eine Wolframkarbidschicht sein soll, dann kann die aktivierende Verbindung ein Alcan sein, wie Methan, Ethan und dergleichen. Bei diesem letztgenannten Beispiel ist die metallhaltige Verbindung WF6 oder ein Wolframalkoxid (C1-6)
  • Weiter mit Bezug auf 3 wird in einer Variante eine Edelmetallschicht 58 auf eine Metallschicht 56 abgeschieden, um bei Schritt d) edelmetallbeschichtete Kohlenstoffpartikel 60 zu bilden. Beispiele von Edelmetallen zur Bildung einer Edelmetallschicht umfassen Gold, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium oder Platin. Platin ist besonders nützlich für Brennstoffzellenkatalysatorschichten. Beispiele für Prozesse zur Bildung von Edelmetallschichten 58 umfassen Verdampfung, Sputtern, nasschemische Techniken und dergleichen. Bei einer Ausgestaltung ist die Platinschicht eine nicht kontinuierliche Schicht. Stattdessen werden Platinpartikel oder -kügelchen auf den Kohlenstoffpartikeln abgeschieden. Bei einer anderen Ausgestaltung liegt die Menge an Platin auf den Kohlenstoffpartikeln in einer Menge von etwa 10 bis 70 Gewichtsprozent des kombinierten Gewichts der beschichteten Kohlenstoffpartikel und des Platin vor. Bei Schritt e) werden edelmetallbeschichtete Partikel und insbesondere platinbeschichtete Kohlenstoffpartikel in die Kathodenkatalysatorschicht 14 und/oder Anodenkatalysatorschicht 16 der Brennstoffzelle 10 aufgenommen. Bei einer anderen Variante, wie oben dargestellt ist, werden Kohlenstoffpartikel 54 mit einem Metalloxid (beispielsweise Titanoxid), Metallnitrid (z. B. Titannitrid), einem Metalloxynitrid (z. B. Titanoxynitridschicht) oder einem Metallcarbid (z. B. WC) darauf in der Anodenschicht 42 der Lithiumionenbatterie 40 bei Schritt f) aufgenommen.
  • Bezug nehmend auf 4 ist ein Verfahren zum Herstellen korrosionsbeständiger Kohlenstoffnanopartikel mit einer Metalloxynitridbeschichtung und insbesondere einer Titanoxynitridbeschichtung vorgesehen. Bei Schritt a) wird Kohlenstoffpulver 50 auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Atomlagenabscheidungs-(ALD-)Reaktor erhitzt. Bei einer Ausgestaltung wird das Kohlenstoffpulver 50 auf eine Temperatur von etwa 150°C bis 300°C erhitzt. Das Kohlenstoffpulver 50 weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Bei einer Ausgestaltung weist das Kohlenstoffpulver Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 20 und 70 Nanometer besitzen. Bei Schritt b) wird das Kohlenstoffpulver 50 mit einem Dampf einer metallhaltigen Verbindung (z. B. einer titanhaltigen Verbindung) in Kontakt gebracht, um Kohlenstoffpartikel 62 mit einer modifizierten metallhaltigen (z. B. titanhaltigen) Oberfläche in einem Reaktor zu bilden. Geeignete metallhaltige Verbindungen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Titantetrahalogenide (beispielsweise TiCl4, TiBr4, usw.), Zinntetrahalogenide (z. B. SnCl4, SnBr4, etc.), Tantalhalogenide, Niobhalogenide, Wolframhalogenide (z. B. WF6), Metallalkoxide mit C1-6 Alkoxidgruppen (beispielsweise Titanalkoxide) und dergleichen. Bei Schritt p1) werden Kohlenstoffpartikel 62 mit einem Inertgas gespült (z. B. Stickstoff, Helium, Argon und dergleichen). Bei Schritt c) werden Kohlenstoffpartikel 62 mit einem Dampf einer ersten aktivierenden Verbindung in Kontakt gebracht, um Kohlenstoffpartikel 64 zu bilden, die eine modifizierte Fläche besitzen, die Reste der ersten aktivierenden Verbindung und insbesondere eine Schicht aus einem Metalloxid, -nitrid oder -oxynitrid (z. B. Titanoxid, -nitrid oder -oxynitrid) aufweist. Bei Schritt p2) werden Kohlenstoffpartikel 64 mit einem Inertgas gespült (z. B. Stickstoff, Helium, Argon und dergleichen). Bei Schritt d) werden Kohlenstoffpartikel 64 mit einem Dampf aus einer zweiten aktivierenden Verbindung in Kontakt gebracht, um Kohlenstoffpartikel 66 mit einer modifizierten Oberfläche zu bilden, die Reste der zweiten aktivierenden Verbindung und insbesondere eine Schicht aus Metalloxid, Metallnitrid oder Metalloxynitrid aufweist. Bei Schritt p3) werden Kohlenstoffpartikel 66 mit einem Inertgas gespült (z. B. Stickstoff, Helium, Argon und dergleichen).
  • Weiter mit Bezug auf 4, wie durch die Schleife I dargestellt, werden die Schritte b, p1, c, p2, d und p3 mehrere Male wiederholt, um eine Metalloxynitrid-(z. B. Titanoxynitrid-)Schicht 68 auf Kohlenstoffpartikeln 50 zu bilden. Bei einer Ausgestaltung werden diese Schritte 1 bis 1000 Mal wiederholt, um die Dicke der metallhaltigen Schicht 56 Monoschicht um Monoschicht aufzubauen, bis eine gewünschte Dicke erreicht ist. Bei einer Ausgestaltung liegt die Dicke der metallhaltigen (z. B. titanhaltigen) Schicht 56 von einer Monoschicht bis zu 30 Nanometer. Bei einer anderen Ausgestaltung liegt die Dicke der Metalloxynitridschicht 68 im Bereich von 5 Nanometer bis 25 Nanometer. In dieser Variante ist, wenn die erste aktivierende Verbindung eine Sauerstoffquelle ist, die zweite aktivierende Verbindung eine Stickstoffquelle. Ebenso ist, wenn die erste aktivierende Verbindung eine Stickstoffquelle ist, die zweite aktivierende Verbindung eine Sauerstoffquelle. Beispiele für geeignete Sauerstoffquellen umfassen Wasser und C1-6 Alkohole, wenn Metallhalogenide (beispielsweise Titantetrahalogenide) als Metallquelle verwendet werden, und O2 oder Wasser, wenn Metallalkoxide eingesetzt werden. Beispiele für geeignete Stickstoffquellen umfassen Ammoniak und primäre C1-6 Amine. Bei einer Ausgestaltung weisen geeignete Sauerstoffquellen OH-Gruppe und geeignete Stickstoffquellen eine NH2-Gruppe auf.
  • Weiter mit Bezug auf 4 wird in einer Variante eine Edelmetallschicht 70 auf der Metalloxynitridschicht 68 abgeschieden, um edelmetallbeschichtete Kohlenstoffpartikel 72 zu bilden. Beispiele von Edelmetallen zur Bildung einer Edelmetallschicht umfassen Gold, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium oder Platin. Platin ist besonders nützlich für Brennstoffzellenkatalysatorschichten. Beispiele für Prozesse zur Bildung von Edelmetallschichten 70 umfassen Verdampfung, Sputtern, nasschemische Techniken und dergleichen. Bei einer Ausgestaltung ist die Platinschicht eine nicht kontinuierliche Schicht. Stattdessen werden Platinpartikel oder -kügelchen auf den Kohlenstoffpartikeln abgeschieden. Bei einer anderen Ausgestaltung liegt die Menge an Platin auf den Kohlenstoffpartikeln in einer Menge von etwa 10 bis 70 Gewichtsprozent des kombinierten Gewichts der beschichteten Kohlenstoffpartikel und des Platin vor. Bei Schritt f) werden edelmetallbeschichtete Partikel und insbesondere platinbeschichtete Kohlenstoffpartikel in die Kathodenkatalysatorschicht 14 und/oder Anodenkatalysatorschicht 16 der Brennstoffzelle 10 aufgenommen. Bei einer anderen Variante, wie oben angegeben ist, werden Kohlenstoffpartikel 66 mit einer Metalloxid-, Metallnitrid- oder einer Metalloxynitridschicht (beispielsweise eine Titanoxid-, Titannitrid- oder eine Titanoxynitridschicht) darauf in der Anodenschicht 42 der Lithiumionenbatterie 40 bei Schritt g) eingeschlossen.
  • Wie oben dargestellt ist, werden verschiedene Schritte der Verfahren 1 bis 1000 Mal wiederholt, um die Dicke der metallhaltigen Schicht 56 Monoschicht um Monoschicht aufzubauen, bis eine gewünschte Dicke erreicht ist. Die 5A und 5B zeigen die Kriterien, die die Dicke der titanhaltigen Schicht, die auf den Kohlenstoffpartikeln abgeschieden ist, optimieren. 5A zeigt, dass eine Dicke σ1 existiert, bei der der Kohlenstoffkorrosionsstrom auf weniger als 20 Prozent seines maximalen Wertes reduziert ist. 5B zeigt, dass im Fall der Titanoxide und Oxynitrid eine Dicke σ2 existiert, bei der die elektrische Leitfähigkeit innerhalb 20 Prozent ihres maximalen Wertes beträgt. Bei einer Ausgestaltung ist die Dicke der metallhaltigen Schicht 56 größer als oder gleich σ1. Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Dicke der metallhaltigen Schicht 56 größer als oder gleich σ1 und kleiner als oder gleich σ2, da im Falle von Titanoxiden und Oxynitriden σ1 kleiner als σ2 ist.
  • Mit Bezug auf 6 ist eine schematische Darstellung einer Atomlagenabscheidungsvorrichtung für die Umsetzung der oben dargelegten Verfahren vorgesehen. Der Reaktor 80 enthält eine Quelle 82 für metallhaltige (z. B. titanhaltige) Verbindung mit zugehörigem Impulsventil 84, eine Quelle 86 für eine erste aktivierende Verbindung mit zugehörigem Impulsventil 88, eine Quelle 90 für eine zweite aktivierende Verbindung mit zugehörigem Impulsventil 92 und eine Spülgasquelle 94 mit zugehörigem Impulsventil 96. In jedem Fall wird das jeweilige Reagenz durch Öffnen des Impulsventils für eine vorbestimmte Impulszeit eingeleitet. In ähnlicher Weise wird für die Spülschritte das Inertgas durch Öffnen des Impulsventils 96 für eine vorbestimmte Spülzeit eingebracht. Bei einer Ausgestaltung liegen Pulszeiten und Spülzeiten jeweils unabhängig bei etwa 0,0001 bis 200 Sekunden. Bei einer anderen Ausgestaltung liegen die Impuls- und Spülzeiten jeweils unabhängig bei etwa 0,1 bis etwa 10 Sekunden. Während der Beschichtung werden die Kohlenstoffpartikel 50 über die Heizeinrichtung 98 auf eine Temperatur erhitzt, die für die Eigenschaften des/der chemischen Vorläufers) und zu formende Beschichtungen geeignet ist. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist das Substrat eine Temperatur von etwa 50 bis 450°C auf. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist das Substrat eine Temperatur von etwa 100 bis 250°C auf. In noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist das Substrat eine Temperatur von etwa 150 bis 400°C auf. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist das Substrat eine Temperatur von etwa 200 bis 300°C auf.
  • In ähnlicher Weise wird der Druck während der Filmbildung auf einen Wert eingestellt. der für die Eigenschaften der chemischen Vorläufer und Beschichtungen, die zu formen sind, geeignet ist. Das Vakuumsystem 100 wird verwendet, um den Reaktordruck aufzubauen und die Reagenzien und das Spülgas zu entfernen. Bei einer Ausgestaltung liegt der Druck zwischen etwa 10–6 Torr und etwa 760 Torr. Bei einer weiteren Ausgestaltung liegt der Druck zwischen etwa 0,1 millitorr und etwa 10 Torr. Bei einer noch weiteren Ausgestaltung liegt der Druck zwischen etwa 1 und etwa 100 millitorr. Bei einer noch weiteren Ausgestaltung liegt der Druck zwischen etwa 1 bis 20 millitorr.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen Kohlenstoffpulvers durch chemische Gasphasenabscheidung vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erwärmen eines Kohlenstoffpulvers auf eine vorbestimmte Temperatur. Das Kohlenstoffpulver weist Kohlenstoffpartikel auf, die eine durchschnittliche räumliche Abmessung zwischen etwa 10 und 100 Nanometer besitzen. Das Kohlenstoffpulver reagiert mit einem Dampf einer metallhaltigen Verbindung und einem Dampf einer aktivierenden Verbindung, um eine metallhaltige Schicht an den Kohlenstoffpartikeln zu bilden. Optional wird dann Platin an der metallhaltigen Schicht abgeschieden. Einzelheiten der metallhaltigen Verbindungen, aktivierenden Verbindungen und der abgeschiedenen metallhaltigen Schicht sind die gleichen, wie die, die oben angegeben sind. Außerdem sind die Abscheidungstemperatur und -Drücke ebenfalls die gleichen, wie oben angegeben ist.
  • Die folgenden Beispiele illustrieren die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute auf dem Gebiet erkennen viele Varianten, die innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung und des Schutzumfangs der Ansprüche liegen.
  • Die 7A, 7B und 8 zeigen experimentelle Ergebnisse für Titanoxidfilme, die durch die ALD-Verfahren hergestellt sind, die oben angegeben sind. 7A sieht Abbildungen eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) von mit TiO2 beschichtetem Kohlenstoff (Vulcan XC-72) vor. 7B sieht ein EDX-Elementverteilungsbild für die Zusammensetzung von mit TiO2 beschichtetem Kohlenstoff (Vulcan XC-72) vor, der einen zentralen Kohlenstoffkern zeigt, der von einer TiO2-Beschichtung umgeben ist. 8 sieht ein Balkendiagramm vor, das den Einfluss der TiO2-Beschichtung auf den Kohlenstoffkorrosionsstrom zeigt. In dem Korrosionstest wird Kohlenstoff oder mit TiO2 beschichteter Kohlenstoff bei 1,2 V gegenüber einer reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE) bei Raumtemperatur in 0,1 M HClO4 korrodiert.
  • Während beispielhafte Ausführungsformen oben beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr ist der in der Beschreibung verwendete Wortlaut ein Wortlaut der Erläuterung anstatt der Beschränkung, und es sei zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale von verschiedenen implementierenden Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims (10)

  1. Verfahren, umfassend, dass: a) ein Kohlenstoffpulver auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, wobei das Kohlenstoffpulver Kohlenstoffpartikel mit einer durchschnittlichen räumliche Abmessung zwischen etwa 10 bis 100 Nanometer aufweist; b) das Kohlenstoffpulver mit einem Dampf einer metallhaltigen Verbindung in Kontakt gebracht wird, wobei die metallhaltige Verbindung aus der Gruppe gewählt ist, die aus zinnhaltigen Verbindungen, titanhaltigen Verbindungen, tantalhaltigen Verbindungen, niobhaltigen Verbindungen und wolframhaltigen Verbindungen gewählt ist; c) das Kohlenstoffpulver mit einem Dampf einer aktivierenden Verbindung in Kontakt gebracht wird; und d) die Schritte b) und c) mehrere Male wiederholt werden, um eine metallhaltige Schicht an den Kohlenstoffpartikeln zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass ein Edelmetall an der metallhaltigen Schicht abgeschieden wird und das Kohlenstoffpulver mit der metallhaltigen Schicht und dem Edelmetall daran in eine Elektrokatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle eingeschlossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Edelmetall Platin, Gold, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium oder Platin ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass das Kohlenstoffpulver mit der metallhaltigen Schicht und dem Edelmetall daran in eine Lithiumionenbatterie eingeschlossen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die metallhaltige Schicht eine Dicke von 1 Monoschicht bis 20 Nanometer aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die metallhaltige Schicht ein Metallhalogenid ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktivierende Verbindung eine sauerstoffhaltige Verbindung mit einer OH-Gruppe, eine stickstoffhaltige Verbindung mit einer NH2-Gruppe oder Kombinationen daraus ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die stickstoffhaltige Verbindung Ammoniak oder ein primäres C1-6 Amin ist und die metallhaltige Schicht eine Metallnitridschicht ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffpulver mit sowohl einer sauerstoffhaltigen Verbindung als auch einer stickstoffhaltigen Verbindung in Kontakt gebracht wird, so dass die metallhaltige Schicht ein Metalloxynitrid ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die metallhaltige Schicht ein Wolframcarbid oder eine Metalloxidschicht ist.
DE102015108604.2A 2014-06-04 2015-06-01 Leitender Dünnfilm zum Schutz vor Kohlenstoffkorrosion Withdrawn DE102015108604A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/296,053 2014-06-04
US14/296,053 US9755244B2 (en) 2014-06-04 2014-06-04 Conductive thin film for carbon corrosion protection

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102015108604A1 true DE102015108604A1 (de) 2015-12-10

Family

ID=54549017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015108604.2A Withdrawn DE102015108604A1 (de) 2014-06-04 2015-06-01 Leitender Dünnfilm zum Schutz vor Kohlenstoffkorrosion

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9755244B2 (de)
CN (1) CN105161733B (de)
DE (1) DE102015108604A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016111981A1 (de) * 2016-06-30 2018-01-04 Volkswagen Ag Verfahren zur Herstellung eines geträgerten Katalysatormaterials für eine Brennstoffzelle
DE102017220554A1 (de) * 2017-11-17 2019-05-23 Audi Ag Kohlenstoff geträgerter Edelmetallkatalysator, Elektrodenstruktur, Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9755235B2 (en) 2014-07-17 2017-09-05 Ada Technologies, Inc. Extreme long life, high energy density batteries and method of making and using the same
US10217571B2 (en) 2015-05-21 2019-02-26 Ada Technologies, Inc. High energy density hybrid pseudocapacitors and method of making and using the same
US11996564B2 (en) 2015-06-01 2024-05-28 Forge Nano Inc. Nano-engineered coatings for anode active materials, cathode active materials, and solid-state electrolytes and methods of making batteries containing nano-engineered coatings
WO2017023797A1 (en) 2015-07-31 2017-02-09 Ada Technologies, Inc. High energy and power electrochemical device and method of making and using same
US10158128B2 (en) 2017-03-07 2018-12-18 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell stack break-in procedures and break-in conditioning systems
US11024846B2 (en) 2017-03-23 2021-06-01 Ada Technologies, Inc. High energy/power density, long cycle life, safe lithium-ion battery capable of long-term deep discharge/storage near zero volt and method of making and using the same
US10249893B2 (en) * 2017-04-26 2019-04-02 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell architectures, monitoring systems, and control logic for characterizing fluid flow in fuel cell stacks
CN117832534A (zh) * 2022-09-27 2024-04-05 深圳市贝特瑞新能源技术研究院有限公司 碳材料及其制备方法、燃料电池

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6939640B2 (en) * 2001-09-21 2005-09-06 E. I. Dupont De Nemours And Company Anode electrocatalysts for coated substrates used in fuel cells
JP3587199B2 (ja) * 2002-05-29 2004-11-10 日本電気株式会社 燃料電池用触媒担持粒子およびそれを用いた複合電解質、触媒電極、燃料電池、ならびにそれらの製造方法
US7198820B2 (en) * 2003-02-06 2007-04-03 Planar Systems, Inc. Deposition of carbon- and transition metal-containing thin films
US20050282016A1 (en) * 2004-06-22 2005-12-22 Joseph Ogonowski Polyester-polyurethane composite structure
US7084060B1 (en) * 2005-05-04 2006-08-01 International Business Machines Corporation Forming capping layer over metal wire structure using selective atomic layer deposition
US8409659B2 (en) * 2006-12-01 2013-04-02 GM Global Technology Operations LLC Nanowire supported catalysts for fuel cell electrodes
US8828481B2 (en) * 2007-04-23 2014-09-09 Applied Sciences, Inc. Method of depositing silicon on carbon materials and forming an anode for use in lithium ion batteries
US9136545B2 (en) * 2008-02-27 2015-09-15 GM Global Technology Operations LLC Low cost fuel cell bipolar plate and process of making the same
US20100210454A1 (en) * 2009-02-11 2010-08-19 Albert Epshteyn Nanocomposite catalyst materials comprising conductive support (carbon), transition metal compound, and metal nanoparticles
US8629076B2 (en) * 2010-01-27 2014-01-14 Lawrence Livermore National Security, Llc High surface area silicon carbide-coated carbon aerogel
US20120229096A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 GM Global Technology Operations LLC Method of depositing silicon on carbon nanomaterials and forming an anode for use in lithium ion batteries
US9951419B2 (en) * 2011-09-03 2018-04-24 Ying-Bing JIANG Apparatus and method for making atomic layer deposition on fine powders
TWI473320B (zh) * 2012-01-06 2015-02-11 Univ Nat Taiwan Science Tech 鋰離子電池其陽極保護層之結構及製造方法
US20130323624A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-05 Nano And Advanced Materials Institute Limited Electrocatalyst for a fuel cell and the method of preparing thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016111981A1 (de) * 2016-06-30 2018-01-04 Volkswagen Ag Verfahren zur Herstellung eines geträgerten Katalysatormaterials für eine Brennstoffzelle
US11489167B2 (en) 2016-06-30 2022-11-01 Audi Ag Method for producing a supported catalyst material for a fuel cell
DE102017220554A1 (de) * 2017-11-17 2019-05-23 Audi Ag Kohlenstoff geträgerter Edelmetallkatalysator, Elektrodenstruktur, Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem

Also Published As

Publication number Publication date
CN105161733B (zh) 2018-11-13
US9755244B2 (en) 2017-09-05
US20150357650A1 (en) 2015-12-10
CN105161733A (zh) 2015-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015108604A1 (de) Leitender Dünnfilm zum Schutz vor Kohlenstoffkorrosion
DE102010022231B4 (de) Brennstoffzellen-elektrode mit nichtkohlenstoff-trägermaterial
DE112006001729B4 (de) Spannungswechselbeständige Brennstoffzelleneletrokatalysatorschicht, Brennstoffzelle umfassend dieselbe und Verwendung derselben
DE102016102393A1 (de) Korrosionsbeständige bipolarplatte aus metall für eine protonenaustauschmembran-brennstoffzelle (pemfc) mit radikalfänger
DE102017119457A1 (de) Katalysator für eine oxidations-reduktions-reaktion einer brennstoffzelle
DE102007033723B4 (de) Brennstoffzelle mit einer Opferschicht, um eine Katalysatorträgerkorrosion in einer Brennstoffzellenelektrode zu vermindern
DE19958959A1 (de) Elektrode für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE112005000891B4 (de) Brennstoffzellenkathode und Verwendung
DE102015109649A1 (de) Synthese von Legierungs-Nanopartikeln als stabiler Kern für Kern-Schale-Elektrokatalysatoren
DE102015108325A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Legierungen aus Platingruppenmetallen und frühen Übergangsmetallen
DE112010005461B4 (de) Brennstoffzelle
DE102014118286A1 (de) Dünner konformer Film aus Edelmetall auf einem Träger
DE102016203936A1 (de) Geträgertes Katalysatormaterial für eine Brennstoffzelle, Verfahren zu seiner Herstellung sowie Elektrodenstruktur und Brennstoffzelle mit einem solchen Katalysatormaterial
EP3479429B1 (de) Verfahren zur herstellung eines geträgerten katalysatormaterials für eine brennstoffzelle
DE102013014841A1 (de) Auf einem leitfähigen Gitter geträgerte Elektrode für Brennstoffzellen
DE102016220653A1 (de) Korrosionsbeständiger katalysator
DE102014201688A1 (de) Katalysatoreinrichtung mit einer intermetallischen verbindung aus iridium und wolfram
DE102020213780A1 (de) Leitfähiges, antikorrosives magnesium-titanoxid-material
DE10065009B4 (de) Brennstoffzelle
DE102014118309A1 (de) Schichtauslegung, um eine Korrosion von Brennstoffzellenelektroden aus einem nicht idealen Betrieb zu mindern
EP4019667A1 (de) Beschichtete membran für die wasserelektrolyse
DE102009056457A1 (de) Anodenmaterialien für PEM-Brennstoffzellen
DE102019133872A1 (de) Brennstoffzelle oder Elektrolyseur
DE102016013185B4 (de) Verfahren zur Herstellung von katalytischen Schichten für elektrochemische Systeme
DE102022203923A1 (de) Katalysator für elektrochemische zelle und verfahren zum herstellen desselben

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee