RO135060A2 - Pile de com- bustie pe baza filmelor nanostructurate grafenice cu proprietăţi controlabile, obţinute prin piroliză laser şi procesul de fabricare la scară industrială mică şi mare - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu pentru producerea pilelor de combustie, care conţin un strat de difuzie a gazului, pe baza filmelor nanostructurate grafenice produse prin piroliză laser. Procedeul conform invenţiei utilizează drept materie primă filmul comercial de poliimidă cu grosimea de 127 μm, laminat pe folie de Cu Pyralux LF9150R, DuPont, şi constă în aplicarea pirolizei laser filmului de poliimidă cu şablonare a suprafeţei prin setarea parametrilor sistemului de gravat - tăiere laser SLG - 3020 cu precizia de scanare de 25,4 μm, precizia de poziţionare de 10 μm, rezoluţia imaginii de 1000 ppi şi suprafaţa şablonului pătrat de 6,25 cm2, componentele fiind curăţate cu alcol etilic după fiecare şedinţă de piroliză, se calibrează tubul laser, filmele de grafenă pirolizate rămânând ataşate de substratul de poliimidă nepirolizat, se realizează o cerneală de catalizator de Platină din 100 mg catalizator comercial de platină HiSPEC 9100, cu 60% particule de Pt pe suport de C, care se amestecă cu 300 mg soluţie de răşină perfluorinată Nafion 5% şi 25 ml izopropanol, mixtura fiind ultrasonată timp de 6 ore, se pulverizează uniform cerneala pe suprafaţa a două filme de spumă de grafenă, iar după uscare timp de 1 oră la temperatura de 60°C se obţin două substraturi de grafene acoperite de stratul de catalizator de Pt, se tratează o membrană de Nafion 1110 Chemours/DuPont în formă de H cu soluţie de 10% apă oxigenată timp de 1 oră la 75°C şi soluţie 1 M acid sulfuric timp de 2 ore la 75°C, se presează cele două substraturi de o parte şi de alta a membranei polimerice cu o presă hidraulică cu încălzire, timp de 15 min. la temperatură de 120°C şi presiune de 0,8 kNcm-2, se detaşează substratul nepirolizat astfel încât stratul catalizator şi filmul de grafenă rămân ataşate de o parte şi de alta a membranei de Nafion şi se ataşează mecanic două folii de hârtie carbonică de o parte şi de alta a ansamblului membrană - electrod - strat microporos.

Description

TITLUL INVENȚIEI

PILE DE COMBUSTIE PE BAZA FILMELOR NANOSTRUCTURATE GRAFENICE CU PROPRIETĂȚI CONTROLABILE, OBȚINUTE PRIN PIROLIZĂ LASER ȘI PROCESUL DE FABRICARE LA SCARĂ INDUSTRIALĂ MICĂ ȘI MARE DOMENIUL TEHNIC

DOMENIUL TEHNIC

Invenția face parte din domeniile tehnice ale ingineriei si tehnologiei si se incadreaza in subdomeniile de ingineria materialelor, nano-tehnologie, inginerie chimica, inginerie electronică.

Invenția se referă la un procedeu pentru producerea pilelor de combustie, ce conțin un strat de difuzie a gazului, pe baza filmelor nanostructurate grafenice produse prin piroliză laser. Aceste pile de combustie includ, dar nu se limitează la, pile de combustie clasice cu membrană schimbătoare de protoni și pot folosi orice tip de sursă de energie, incluzând, dar nelimintându-se la Hidrogen. Filmele nanostructurate grafenice pot fi folosite fie ca întreg strat de difuzie de gaze, fie ca parte a unui strat de difuzie de gaze, incluzând, dar nelimintându-se la un strat microporos ancorat de un strat de suport adecvat, incluzând, dar nelimintându-se la pânză de carbon sau hârtie de carbon. Filmele grafenice pot fi obținute prin piroliză laser ce folosește orice tip de laser adecvat, incluzând, dar nelimintându-se la laser CO2, de orice lungime de undă valabilă, frecvență și putere. Procesul de piroliză laser poate folosi orice tip de material precursor adecvat, incluzând, dar nelimintându-se la orice tip de polimer ce face parte din familia poliimidelor, ce conține orice număr de unități aromatice care pot piroliză pentru a produce filme grafenice. Filmele grafenice pot conține sau susține orice tip de catalizator sau co-catalizator corespunzător, incluzând, dar nelimintându-se la platină sau nanoparticule de platină, obținute prin orice metodă de depunere adecvată, incluzând, dar nelimintându-se la pulverinzare sau dopare in-situ a materialului precursor înainte și după piroliză laser. Filmele grafenice pot fi nanostructurate în timpul pirolizei laser conform metodei descrise în cererea de brevet anterioră și publicațiilor relevante [A. Tiliakos , I. Stamatin, A. Balan, A. Cucu, A/00662/21.09.2016.] [A. Tiliakos, A.M.I. Trefîlov, E. Ta nașă, A. Balan, I. Stamatin, J Power Sources Voi. 384, 145-155 (2018)], pentru a controla proprietățile de suprafață, incluzând, dar nelimintându-se la hidrofobicitate, porozitate și conductivitate. Filmele grafenice pot fi atașate unei membrane schimbătoare de protoni, incluzând, dar nelimintându-se la metode de transfer decal la temperaturi joase, conform publicațiilor noastre recente [A. Tiliakos, A.M.I. Trefîlov, E. Tanasă, A. Balan, I. Stamatin, Apl Surf Sci Voi. 504, 144096 (2020)]. Materialul de grafenă indus laser a fost obținut potrivit unui brevet american înființat și publicațiilor altor grupuri de cercetători [US20170062821A1; Lin J, Peng Z, Lin Y, Ruiz-Zepeda F, Ye R, Samuel EL, Yacaman MJ, Yakobson Bl, Tour JM., Nat Commun Voi. 5, 5714 (2014)], așadar această aplicație de brevet nu revendincă acest lucru. Procesul de modificare de suprafață a materialului pentru a obține controlul proprietăților a fost descris în publicățiile noastre și revendicat de către noi în aplicația de brevet la Agenția Română OSIM [Tiliakos A, Ceauș C, lordache SM, Vasile E, Stamatin I., J Anal Appl Pyrolysis, Voi. 121, 275-86 (2016)], [A. Tiliakos , I. Stamatin, A. Balan, A. Cucu, A/00662/21.09.2016.]. în exemplul oferit aici, se folosește un tip de laser cu CO2 de tip CNC și un precursor disponibil în comerț a filmului de poliimidă. Folosind o modificare adecvată a procedurii clasic

er decal se atașează filmul grafenic obținut pe o membrană de Nafion. Cererea de brevet acoperă exemplul oferit și orice modificări sau permutări adecvate în conformitate cu cadrul prezentat mai sus.

STADIUL TEHNICII

Literatura de specialitate menționează importanța dezvoltării intensive a componentelor pilelor de combustie pentru: 1) a reduce costurile de producție și întreținere, 2) a asigura obținerea de densități de curent mai mari, 3) a îmbunătăți durabilitatea și 4) o mai bună administrare a apei și a gazelor [Dai W, Wang H, Yuan XZ, Martin JJ, Yang D, Qiao J, Ma J., Int J Hydrogen Energy Voi. 34, 23, 9461-78 (2009)], [Peighambardoust SJ, Rowshanzamir S, Amjadi M., Int J Hydrogen Energy, Voi. 35, 17, 9349-84 (2010)]. Atât costul cât și performanța pilelor de combustie cu membrană schimbătoare de protoni sunt direct asociate cu materialele utilizate și cu eficiența ansamblului membrană-electrod-strat de difuzie al gazului.

Ansamblul membrană-electrod este format dintr-o membrană schimbătoare de protoni, în general un film de copolimer-fluoropolimer pe bază de tetrafluoroetilenă sulfonată (de ex. Nafion), înconjurată de o parte și de alta de două straturi de catalizator de platină ce joacă rol de anod și catod. Stratul de difuzie a gazului, format din două straturi și anume stratul microporos și stratul suport macroporos (de ex. hârtie carbonică sau pânză carbonică), are rolul de a echilibra transportul gaz-apă, de a menține hidratarea continuă a membranei schimbătoare de protoni fără a inunda electrozii și de a conduce curentul electric spre plăcile colectoare și circuitul exterior. O implementare corectă a stratului de difuzie a gazului implică un contact strâns cu straturile adiacente (stratul de catalizator și plăcile colectoare), asigurând astfel obținerea de densități de curent mari [Yousfi-Steiner N, Moțoteguy P, Candusso D, Hissel D, Hernandez A, Aslanides A., J Power Sources, Voi. 183,1,260-74 (2008)], [Park S, Lee JW, Popov BN., Int J Hydrogen Energy, Voi. 37, 7,5850-65 (2012)].

Umidificarea membranei, transportul combustibilului (oxigen și hidrogen) la stratul de catalizator, minimalizarea rezistenței la interfața straturilor adiacente și îndepărtarea excesului de apă de la catod sunt realizate de stratul microporos, format în general dintr-un carbon microporos și un liant polimeric hidrofob. Din acest motiv sunt necesare materiale cu proprietăți favorabile: costuri de fabricare și implementare reduse, conductivitate electrică ridicată, rezistență la coroziune, stabilitate și durabilitate. Cu toate acestea, obținerea de materiale carbonice ce îndeplinesc cerințele anterioare la prețuri competitive este în continuare un obiectiv critic [Park J, Oh H, Ha T, Lee YI, Min K., Appl Energy, Voi. 155,866-80 (2015)].

ΐ!

PREZENTAREA PROBLEMEI TEHNICE PE CARE INVENȚIA O REZOLVĂ în cadrul prezentei cereri de brevet propunem utilizarea spumei grafenice produse prin piroliză laser a substratelor polimerice cu ajutorul instalațiilor de gravare laser industriale [Lin J, Peng Z, Liu Y, Ruiz-Zepeda F, Ye R, Samuel EL, Yacaman MJ, Yakobson Bl, Tour JM., Nat Commun, Voi 5, 5714 (2014)]. în cadrul etapei de pirolizare a spumei grafenice se utilizează metode de șablonare a suprafeței ce sporește hidrofobicitatea suprafeței [Tiliakos A, Ceauș C, lordache SM, Vasile E, Stamatin I., J Anal Appl Pyrolysis, Voi. 121, 275-86 (2016)], [A. Tiliakos , I. Stamatin, A. Balan, A. Cucu, A/00662/21.09.2016.]. Astfel se poate elimina liantului superhidrofobic. Proprietățile cheie ce identifică acest tip de film de spumă grafenică obținut prin piroliză laser (laser induced graphene - LIG) drept material performant cu rol în pilele de combustie sunt: rețaua interconectată de structuri nanocarbonice, conductivitatea electrică, porozitatea și suprafața hidrofobă pronunțată.

S-au realizat cercetări intense dedicate pilelor de combustie ce conțin componente optimizate, concentrându-se asupra materialelor carbonice cu proprietăți favorabile: costuri de fabricare scăzute și disponibilitate ridicată, conductivitate electrică și termală înaltă, rezistență la coroziune, durabilitate la stres mecanic și ecologice. Exemple ale acestor tipuri de materiale variază de la pulberi negre de carbon pirolitic la variante mai exotice, precum aerogeluri și xenogeluri carbonice, nanotuburi de carbon și grafele. în special în ceea ce privește grafena, aplicații ce folosesc grafena ca suport pentru electrocatalizator în celule de combustie prezintă o serie de avantaje (exemple: rezistență mecanică, rezistență minimă la contact, echilibrul gaz-apă îmbunătățit), însă dezavantajele includ costuri ridicate de fabricare și susceptibilitate la degradare dacă procesarea este de lungă durată [A. Marinoiu, C. Teodor eseu, E. Carcadea, M. Raceanu, M. Varlam, C. Cobzaru, I. Stefanescu, Mater Today Proc, Voi 14, issue 5, 728-34 (2014)].

Deoarece obținerea materialelor carbonice la un raport randoment-cost competitiv rămâne un obiectiv important, tehnicile de piroliză pentru producerea de nanopulberi carbonice au fost intens cercetate. Piroliză laser este o metodă versatilă pentru producerea pulberilor fine în masă cu o morfologie și o distribuție a dimensiunii uniformă [I. Morjan, I. Voicu, F. D urnit rac he, i. Sandu, I. Soare, R. Alexandrescu, E. Vasile, I. Pasuk, R.M. Brydson, H. Daniels, B. Rând, Carbon Voi. 41, issue 15, 2913-21 (2003)]. Piroliză laser bazată pe precursori solizi (metoda LIG) folosește laseri industriali de gravare pentru piroliză substraturilor polimerice comerciale (exemplu: poliimide, polieterimide, polisulfone) în spumă grafenică. Metoda a produs numeroase aplicații, incluzând electrocatalizatori pe bază de oxigen pentru disocierea apei [US20170062821A1]. însă, suntem primii care am folosit LIG în celule de combustie. Având în vedere exemplele din trecut ale trasferului LIG la substraturi elastomerice și metodele de transfer decal a pilelor de combustie, am demonstrat o aplicație directă din LIG în pile de combustie [A. Tiliakos, A.M.I. Trefilov, E. Tanasă, A. Balan, I. Stamatin, Apl Surf Sci Voi. 504, 144096 (2020)].

RO 135060 Α2 ,

1υ

EXPUNEREA INVENȚIEI

Materia primă utilizată este filmul comercial de poliimidă asupra căruia se aplică metoda de piroliză cu laser cu șablonare a suprafeței pentru a induce caracterul superhidrofob al spumei grafenice conform cererii de brevet A/00662/21.09.2016 [A. Tiliakos, I. Stamatin, A. Balan, A. Cucu, A/00662/21.09.2016.]. Se utilizează un sistem de gravat-tăiere laser SLG-3020, echipat cu o sursă laser IR de 40 W (tub laser de CO2 închis, răcit cu apă) care operează cu o lungime de undă laser de 10.6 pm, un puls de 14 ps și un diametru al punctului focal de 50 pm. Se selectează parametrii de operare astfel: Puterea laser: 2-8 W, viteza de scanare: 50-150 mm/sec, distanța dintre liniile de scanare (line space): 50-100 pm (în funcție de diametrul spotului laser, ie. Trebuie sa fie mai mică sau egală cu spotul laser). Se configurează gravatorul cu laser IR să utilizeze o scanare orizontală mono-direcțională (gravură în mod raster). Se realizează un șablon pătrat la rezoluție de 500-1000 ppi ce a fost, mai apoi, importat în soft-ul dedicat al sistemului de gravaretăiere. Toate componentele optice se curăță atât preliminar cât și după fiecare sesiune de piroliză; tubul laser se calibrează pentru a asigura o funcționare constantă, fără deviații de putere.

Se realizează o cerneală de catalizator de platină aplicând o metodă standard din literatura de specialitate [Arevalo-Bastante A, Âlvarez-Montero MA, Bedia J, G6mez-Sainero LM, Rodriguez JJ., Appl Catal B, Voi. 179, 551-7 (2015)] astfel: un catalizator comercial de platină pe carbon (Pt/C) se amestecă cu 10-32% soluție de rășină perfluorinată de Nafion® (în formă H⁺) și izopropanol (1-5 mL per mg Pt/C). Mixtura se ultrasonează pe o baie de ultrasunete timp de Ιό ore până la omogenizare.

Se pulverizează uniform cerneala de catalizator de platină pe suprafața a două filme de spumă grafenică astfel încât după uscare (1-4 ore la temperaturi de 20-70 °C) se obțin două substraturi de grafene acoperite cu catalizator de platină ce prezintă o încărcare fixă Pt în intervalul de la 0,1 la 1,0 mg cm’² la anod și catod.

în timpul depunerii, Nafion-ul lichid din cerneala catalizatorului percolează rețeaua poroasă a filmului LIG, datorită interacțiilor puternice dintre ionomer și grafenă hidrofobă și se acumulează la interfața dintre stratul de grafenă și stratul de poliimidă nepirolizat, formând astfel o peliculă de Nafion. Această peliculă are rolul de strat de separare, deoarece acesta rămâne lipit de poliimidă nepirolizată, în timp ce filmul de grafene LIG se desprinde cu ușurință deasupra peliculei, menținându-și astfel integritatea structurală. în tehnica decal clasică formarea acestei pelicule este un efect nedorit deoarece acestă peliculă este transferată împreună cu catalizatorul, formând astfel o barieră între stratul microporos și stratul de catalizator. Astfel, prin adăugarea unei surse suplimentare ce generează rezistență interfacială în timpul funcționării pilei de combustie apar pierderi suplimentare de transport de masă și, implicit, de putere.

Se presează, utilizând o presă hidraulică cu încălzire, cele două substraturi de o parte și de alta a unei membrane polimerice de Nafion în formă H⁺ timp de 15 minute, la temperaturi cuprinse între 100 și 140 □ și presiuni de 0,2 -1 kN cm'².

Se detașează substratul de poliimidă, astfel încât stratul de catalizator și filmul de grafenă rămân atașate de o parte și de alta a membranei de Nafion, în timp ce pelicula de Nafion rămâne atașată de filmul de poliimidă rămas nepirolizat.

Se atașează mecanic două folii de suport carbonic (hârtie carbonică sau pânză carbonică) de o parte și de alta a ansamblului membrană-electrod obținut conform invenției. Acest pas este opțional deoarece stratul microporos de film de spumă de grafenă este suficient de stabil și durabil pentru a juca singur rolul de strat de difuzie al gazului. în plus filmul de spumă de grafenă prezintă un caracter crescător al porozității, de la microporozitatea părții superioare la macroporozitatea bazei.

PREZENTAREA AVANTAJELOR INVENȚIEI IN RAPORT CU STADIUL TEHNICII

Procedeul conform invenției, în cadrul etapei de pirolizare a spumei grafenice, utilizează metode de șablonare a suprafeței ce sporește superhidrofobicitatea suprafeței Astfel se poate elimina liantului superhidrofobic.

în funcție de tipul de precursor folosit, acesta fie poate conține catalizatiorul de la început (conversie laser în grafenă și platină in situ), fie se poate include un pas intermintent de pulverizare de cerneală de catalizator.

Noutatea procedeului conform invenției constă în introducerea unei metode ieftine, rapide, scalabile și eficiente de a încorpora integral filmele de spume grafenice LIG în pilele de combustie cu rol de strat microporos sau strat de difuzie de gaze. Prin utilizarea acestui material se vor îmbunătăți stabilitatea, transportul electric și administrarea apei în cadrul pilelor de combustie.

PREZENTAREA FIGURILOR DIN DESENE

Figura 1. Ilustrare grafică a unei pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (PEM FC) și poziționarea stratului de spumă de LIG ca strat central micoporos (MPL) ce susține un strat catalitic depozitat de nanoparticule de carbon însămânțate cu nanoparticule de platină.

Figura 2. Ilustrare grafică a unei proceduri obținere a pilelor de combustie pe bază de grafenă, astfel: i) piroliză laser a substratului de poliimidă (PI) pentru generarea spumei grafenice indusă laser (LIG); ii) vedere laterală a modelului LIG decal compus din stratul microporos LIG (MPL) ancorat de substratul PI; iii) depunerea pulverizată a stratului de cerneală de catalizator pe LIG MPL și infiltrarea Nafion-ului prin MPL; iv) presarea la cald a două unități de LIG decal pe ambele părți ale membranei de Nafion; v) îndepărtarea substratului PI decal și vi) finalizarea absamblului membrană-electrod prin atașarea straturilor de sprijin.

Figura 3. Imagini SEM :(a) suprafața LIG superhidrofobă - accentuând structurarea și distanțele marcate dintre structurile ierarhice; (b) structura de rețea LIG ce prezintă componente grafenice și non-grafenice și dimensiunea acestora; și (c) stratul catalitic, ce prezintă clustere de Pt/C în matricea de Nafion (stânga) și măsurătorile dimensiunilor particulelor carbonice ancorate și încărcătura acestora cu platină (dreapta), (d) Imagini TEM ale fulgilor de LIG și structurii cristalitelor (stânga) și clusterele Pt/C ale stratului catalitic cu particule de platină ancorate de nanoparticule de carbon de dimeniuni mai mari, acționând ca suporți (dreapta).

Figura 4. (a) diagrama de polarizare pentru profilele I-V pentru ansamblul membrană-electron pe bază de LIG sub toate condițiile de testare; (b) grafic Tafel ce reprezintă ansamblul membranăelectron pe bază de LIG sub toate condițiile de testare, fiecare pantă Tafel fiind colorată diferit și prezentată în ordine inversă a magnitudinii; (c) diagrama de polarizare a profilelor de densitate de putere pentru ansamblul membrană-electron pe bază de LIG sub toate condițiile de testare, colorate în funcție de graficul I-V și de valorile densității de putere prezentate în ordine inversă a magnitudinii și (d) diagrama de polarizare comparativă între I-V și profilele de densitate de putere între ansamblul membrană-electron pe bază de LIG și ansamblele membrană-electron de referință (zonă umbrită); maximele densității de putere pentru fiecare în parte prezentate corespunzător profilelor. Testarea polarizării in situ s-a realizat la o presiune generală de 150 kPa în mod galvanostatic controlând curentul, aplicând debite fixe de 200 sccm pentru Hidrogen la anod și 800 sccm pentru Aer la catod.

PREZENTAREA IN DETALIU A UNUI MOD DE REALIZARE CU REFERIRE LA

DESENE

Se utilizează drept materie primă filmul comercial de poliimidă cu o grosime de 127 pm, laminat pe folie de cupru Pyralux® LF9150R, DuPont™. Se aplică metoda de piroliză laser a filmului de poliimidă cu șablonare a suprafeței prin setarea parametrilor sistemului de gravat-tăiere laser SLG3020 (Jinan Artsign Co. Ltd.) astfel: precizia de scanare de 25,4 pm, precizia de poziționare de 10,0 pm, rezoluția imaginii de 1000 ppi și suprafața șablonului pătrat de 6.25 cm². Toate componentele optice se curăță prin spălare cu alcool etilic, atât preliminar cât și după fiecare sesiune de piroliză; tubul laser se calibrează pentru a asigura o funcționare constantă, fără deviații de putere. Filmele de grafenă pirolizate rămân atașate de substratul de poliimidă rămas nepirolizat din care provin.

Se realizează o cerneală de catalizator de platină astfel: 100 mg catalizator comercial de platină HiSPEC™ 9100 (60% particule de platină pe suport de carbon) se amestecă cu 300 mg soluție de rășină perfluorinată de Nafion® (de concentrație 5%) și 25 mL izopropanol. Mixtura se ultrasonează pe o baie de ultrasunete timp de 6 ore pentru omogenizare.

Se pulverizează uniform cerneala de catalizator de platină pe suprafața a două filme de spumă de grafenă astfel încât după uscare (1 oră la temperatura de 60 °C se obțin două substraturi de grafene acoperite de stratul de catalizator de platină ce prezintă o încărcare de Pt fixă astfel: 0.3 mg Pt cm*² la anod și 0.6 mg Pt cm’² la catod.

Se aduce o membrană de Nafion ® 1110, Chemours|DuPont™ în formă H⁺ prin tratarea acesteia cu soluție 10% apă oxigenată timp de 1 oră la 75 °C și soluție IM acid sulfuric timp de 2 ore la 75 °C.

Se presează, utilizând o presă hidraulică cu încălzire, cele două substraturi de o parte și de alta a membranei polimerice de Nafion 1110 în formă H⁺ timp de 15 minute, la temperaturi de 120 □ și presiuni de 0,8 kN cm'².

Se detașează substratul de Pyralux rămas nepirolizat, astfel încât stratul de catalizator și filmul de grafenă rămân atașate de o parte și de alta a membranei de Nafion.

Se atașează mecanic două folii de hârtie carbonică comercială Toray TGP-H-120 de o parte și de alta a ansamblului membrană-electrod-strat microporos obținut în etapa anterioară.

RO 135060 Α2 p

MODUL IN CARE SE POATE APLICA INDUSTRIAL

Transpunerea procedurii pentru aplicații industriale necesită folosirea unor echipamente de dimensiuni mai mari. Astfel, creșterea capacități de procesare a suprafețelor de dimensiuni mai mari ale materialelor duce la o crește proporțională a vitezei și eficienței producției, ceea ce rezultă în scăderea costurile asociate.

în cazul exemplului prezentat anterior, foii de poliimidă de dimensiuni mari pot fi achiziționate de la vânzători comerciali (DuPont, foii cu dimensiuni personalizate de minim 1 m² ). Acestea pot fi folosite ca și materiale precursoare folosind laseri industriali de tip CNC (CO2 sau fibre, dimensiuni minime ale spațiului de lucru de minim 1 m²).

Piroliză laser poate fi realizată cu laseri de tip CNC în mod de scanare (gravare) setând laserul să împartă dimensiunea totală prin gravarea de matrici de electrozi de grafene. Fără a îndepărta foaia precursoare polimerică gravată, pentru al doilea pas, laserul de tip CNC folosește o putere mai mare pentru a tăia de-a lungul perimetrelor fiecărui pătrat gravat.

în funcție de tipul de precursor folosit, acesta fie poate conține catalizatiorul de la început (conversie laser în grafenă și platină in situ), fie se poate include un pas intermintent de pulverizare de cerneală de catalizator, conform exemplului.

Foile gravate și tăiate sunt transferată în mod intact pe o presă hidraulică încălzită. O membrană de Nafion intactă, de aceleași dimensiuni, este plasată între doua astfel de foi gravate, iar apoi este presată la cald la o temperatură, presiune și un timp adecvant, precum a fost descris în exemplul anterior. Ansamblul este presat până când perimetrele anterior gravate sunt eliberate din matriță.

Claims (3)

1. REVENDICĂRILE

   1. Procesul de fabricare a pilelor de combustie cu electrozi grafenici obținuți prin piroliză laser a precursorilor polimerici adecvați (exemplu: familia poliimidelor) folosiți fie ca parte sau ca întreg strat de difuzie de gaze, procedeu caracterizat prin aceea că:

   - Piroliză laser este realizată cu un laser industrial de tip CNC (echipament de gravare) de diferiți parametrii aleși corespunzător.

   - Procedura implică un proces de transfer decal prin presarea la cald a electrozilor de grafenă pe o membrană de Nafion și apoi îndepărtând substratul polimeric.

   - în cazul simplu în care substratul este îndepărtat înainte, procesul implică presarea electrozilor pe membrana de Nafion în aceleași condiții.

   - Catalizatorii necesari (exemplu: platină) pot fi pulverizați pe electrozi după procesul de piroliză, sau precursorii catalitici (exemplu: acetilacetonat de platină) pot fi inserați în precursorii polimerici pentru a fi pirolizați in situ în grafenă însămânțată cu catalizator.
2. 2. Pilele de combustie caracterizate prin aceea că:

   - Au o suprafață superhidrofobă a stratului microporos.

   - Un strat de difuzie a gazului (incluzând strat microporos) realizat doar prin metode laser, ie. Piroliză laser a substraturilor polimerice.
3. 3. Parametrii experimentali:

   - Puterea laser: 2-8 W

   - Viteza de scanare: 50-150 mm/sec

   - Distanța dintre liniile de scanare (line space): 50-100 pm (în funcție de diametrul spotului laser, ie. Trebuie sa fie mai mică sau egală cu spotul laser)

   Se presează, utilizând o presă hidraulică cu încălzire, cele două substraturi de o parte și de alta a unei membrane polimerice de Nafion în formă H⁺ timp de 15 minute, la temperaturi cuprinse între 100 și 140 □ și presiuni de 0,2 - 1 kN cm’².