TWI661603B - 燃料電池電極及燃料電池 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種燃料電池電極，包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構包括金屬韌帶和至少一個奈米碳管結構，所述金屬韌帶之間形成多孔結構，該至少一個奈米碳管結構設置於所述金屬韌帶中，所述至少一個奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜，該至少一層奈米碳管膜包括多個奈米碳管，該多個奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。本發明進一步涉及一種燃料電池。

Description

燃料電池電極及燃料電池
本發明涉及一種燃料電池電極及燃料電池。
隨著化石燃料的日益枯竭及化石燃料引起的環境污染，迫使人們努力去尋找新的清潔能源。目前，最具有應用前景的是燃料電池，燃料電池作為一種把有機小分子的化學能轉化成電能的能源，具有低雜訊、可持續、無污染的優點。燃料電池裝置的性能與其電極材料中的催化劑性質密切相關，當前燃料電池中的催化劑的活性較低，穩定性較差且價格昂貴，成為了制約燃料電池發展的主要因素，因此開發高效、穩定的電催化劑，是解決當前能源問題的一個重要途徑，常見的低維奈米催化劑可以為奈米顆粒、奈米棒、奈米花等，該低維奈米催化劑具有很大的比表面積。在應用該低維奈米催化劑時，需要引入各種各樣的添加劑，用來支撐催化劑以及收集電子，這些引入的添加劑會導致接觸內阻增大，這樣催化劑的活性就大大降低了。
為了解決上述問題，先前人們採用奈米多孔金屬來作電極材料，該多孔金屬為Pt、Pd、Au、Ag、Cu、Ni等這類本身就具有催化活性的過渡金屬，這些金屬可以直接用於電催化和收集電子。然而，該奈米多孔金屬存在孔徑不均勻、韌帶尺寸不均勻、韌帶連接不完整的現象，電極材料的穩定性差、電導率低以及強度差，從而減少燃料電池電極及燃料電池的使用壽命。
有鑑於此，確有必要提供一種使用壽命較長的燃料電池電極及燃料電 池。
一種燃料電池電極，包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構包括金屬韌帶和至少一個碳奈米管結構，所述金屬韌帶之間形成多孔結構，該至少一個碳奈米管結構設置於所述金屬韌帶中，所述至少一個碳奈米管結構包括至少一層碳奈米管膜，該至少一層碳奈米管膜包括多個碳奈米管，該多個碳奈米管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
一種燃料電池，包括正極、負極、電解質以及分別設置於所述正極和負極的氣體流路，該正極與負極分別設置於所述電解質的兩側，所述氣體流路用於供給燃料氣體和氧化劑氣體，所述正極或負極包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構包括金屬韌帶和至少一個碳奈米管結構，所述金屬韌帶之間形成多孔結構，該至少一個碳奈米管結構設置於所述金屬韌帶中，所述至少一個碳奈米管結構包括至少一層碳奈米管膜，該至少一層碳奈米管膜包括多個碳奈米管，該多個碳奈米管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
與先前技術相比較，本發明提供的燃料電池電極包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構中設置有至少一層碳奈米管膜，該碳奈米管膜包括多根碳奈米管，由於碳奈米管具有良好的機械強度、穩定性以及導電性，從而提高了燃料電池電極及燃料電池的壽命。
下麵根據說明書圖式並結合具體實施例對本發明的技術方案進一步詳細表述。
本發明實施例提供一種燃料電池電極，該電極包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構包括金屬韌帶和至少一個碳奈米管結構，所述金屬韌帶之間形成多孔結構，該至少一個碳奈米管結構設置於所述金屬韌帶中，所述至少一個碳奈米管結構包括至少一層碳奈米管膜，該至少一層碳奈米管膜包括多個碳奈米管，該多個碳奈米管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
所述燃料電池電極可進一步包括具有催化性能的材料，該具有催化性能的材料設置於所述三維多孔複合結構的表面，該具有催化性能的材料可以為奈米氧化物、金屬顆粒等，能夠進一步提高電極的催化性能。所述奈米氧化物可以通過化學或電化學的方法生長在所述三維多孔複合結構的表面。所述奈米氧化物可以為Co3 O4 、MnO2 等材料，所述奈米氧化物的形狀可以為奈米顆粒、奈米片、奈米花等。優選的，所述具有催化性能的材料為奈米Pt顆粒。所述電極可以為正極或負極。
請參閱圖1及圖2，本發明實施例提供一種三維多孔複合材料，該三維多孔複合材料包括金屬韌帶和至少一個奈米碳管結構，所述金屬韌帶之間形成多孔結構，該至少一個奈米碳管結構設置於所述金屬韌帶中，所述至少一個奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜，該至少一層奈米碳管膜包括多個奈米碳管，該多個奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
可以理解為，所述三維多孔複合材料呈三維網狀，所述多孔結構是由金屬韌帶相互交錯形成多個孔的結構。所述多個孔可以呈規則分佈，如三維雙連續網路形式分佈，也可以呈不規則分佈。該多個孔的孔徑小於等於100μm。該多個孔的形成方法不限。優選的，所述金屬韌帶的材料可以為銅、汞、銀、鉑、金等惰性金屬中的任意一種。本實施例中，所述金屬韌帶的材料為銅。
所述奈米碳管結構為多個時，該多個奈米碳管結構之間間隔設置，相鄰兩個奈米碳管結構中的奈米碳管的排列方向可以形成一夾角θ，該夾角θ的範圍為0˚≦θ≦90˚，優選的，所述夾度θ為0˚，即，奈米碳管結構中的奈米碳管均沿同一方向擇優取向排列。所述奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜，當所述奈米碳管結構包括多層奈米碳管膜時，該多層奈米碳管膜可以共面設置或層疊設置，層疊設置的相鄰奈米碳管膜中的奈米碳管形成一個夾度α，該夾角α的範圍為0˚≦θ≦90˚ ，優選的，所述夾度α為0˚，即，奈米碳管膜中的奈米碳管均沿同一方向擇優取向排列。本實施例中，所述奈米碳管結構為一個，該奈米碳管結構由一層奈米碳管膜構成。
所述奈米碳管膜包括多個基本沿同一方向擇優取向排列且首尾相連的奈米碳管，從而使奈米碳管膜具有更好的機械強度、韌性及導電性。所述擇優取向是指在奈米碳管膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於該奈米碳管膜的表面。進一步地，所述奈米碳管膜中多數奈米碳管是通過凡得瓦力首尾相連，相鄰的奈米碳管之間具有間隙。具體地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連，從而使該奈米碳管膜能夠實現自支撐。
當然，所述奈米碳管膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。可以理解，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部分接觸而部分分離的情況。本實施例中，所述奈米碳管膜從超順排奈米碳管陣列中拉取獲得，該超順排奈米碳管陣列中的多個奈米碳管基本沿同一方向生長且彼此平行。
本實施例中，所述一層奈米碳管膜設置於在所述金屬韌帶中。可以理解，奈米碳管膜中的部分奈米碳管嵌入在所述金屬韌帶內，部分奈米碳管位元於所述多個孔內或者部分奈米碳管通過所述多個孔暴露。
本發明實施例提供的三維多孔複合材料包括至少一個奈米碳管結構，使所述三維多孔複合材料具有良好的導電性、韌性及穩定性；該三維多孔複合材料具有多孔結構，至少一個奈米碳管結構設置於所述金屬韌帶內，增大了該三維多孔複合材料的比表面積；所述三維多孔複合材料中穿插有奈米碳管，該三維多孔複合材料能夠自支撐。
請參閱圖3，本發明進一步提供上述三維多孔複合材料的製備方法，主要包括以下步驟：
步驟S10，提供一惰性金屬的鹽溶液及一活潑金屬的鹽溶液；
該惰性金屬的鹽溶液作為待用鍍液A，該活潑金屬的鹽溶液待用鍍液B。該活潑金屬可以為鉀、鈣、鈉、鎂、鋁、鋅、鐵、錫、鎳中的任意一種。該惰性金屬可以為銅、汞、銀、鉑、金中的任意一種。該活潑金屬相對於該惰性金屬而言，更容易與酸、堿反應。優選的，所述惰性金屬的鹽溶液與葡萄糖充分攪拌，能夠細化後續形成的惰性金屬鍍膜。本實施例中，所述活潑金屬的鹽溶液為ZnSO4 溶液，所述惰性金屬的鹽溶液為CuSO4 溶液。
步驟S20，提供一基板，在該基板的表面電鍍所述惰性金屬的鹽溶液形成鍍膜M；
該基板可以為純金屬或金屬的合金，該金屬的種類不限，可以是碳、鈦、金、銀或鉑等。所述電鍍的具體過程為：以基板為工作電極，惰性金屬板為對電極，惰性金屬的鹽溶液為待用鍍液，給予一定電壓，所述惰性金屬的鹽溶液中惰性金屬離子得到電子被還原形成惰性金屬原子，沉積在基板的表面形成一層鍍膜M。所述鍍膜M是所述待用鍍液A中的惰性金屬原子形成的膜結構。本實施例中，所述基板為鈦板，所述鍍膜M為Cu膜。
步驟S30，在所述鍍膜M的表面設置一個奈米碳管結構；
該一個奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜，該至少一層奈米碳管膜依次鋪設於所述鍍膜M的表面。當該奈米碳管膜為多層時，所述相鄰兩層奈米碳管膜可以共面設置或層疊設置，若層疊設置，相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管的排列方向形成一夾角α，該夾角α的範圍為0˚≦α≦90˚，優選的，該夾角α為0˚；若無間隙共面設置，相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管均沿同一方向擇優取向排列。該奈米碳管膜包括多個奈米碳管，該多個奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。該多個奈米碳管基本平行於該奈米碳管膜的表面。優選的，該多個奈米碳管通過凡得瓦力相互連接，相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管膜為一自支撐結構。所謂“自支撐結構”即該奈米碳管膜無需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。
所述奈米碳管膜的獲取方法不限，優選地，所述奈米碳管膜可通過從超順排奈米碳管陣列中直接拉取獲得，該拉取的方法進一步包括以下步驟：
首先，提供一奈米碳管陣列。具體的，該奈米碳管陣列為通過化學氣相沉積的方法生長在該生長基底的表面。該奈米碳管陣列中的奈米碳管基本彼此平行且垂直於生長基底表面，相鄰的奈米碳管之間相互接觸並通過凡得瓦力相結合。通過控制生長條件，該奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。由於基本不含雜質且奈米碳管相互間緊密接觸，相鄰的奈米碳管之間具有較大的凡得瓦力，足以使在拉取一些奈米碳管（奈米碳管片段）時，能夠使相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力的作用被首尾相連，連續不斷的拉出，由此形成連續且自支撐的宏觀奈米碳管膜。該生長基底的材料可以為P型矽、N型矽或氧化矽等適合生長超順排奈米碳管陣列的基底。所述能夠從中拉取奈米碳管膜的奈米碳管陣列的製備方法可參閱馮辰等人在2008年8月13日公開的中國專利申請CN101239712A。
其次，採用一拉伸工具從超順排奈米碳管陣列中拉取獲得至少一奈米碳管膜。
其具體包括以下步驟：（a）從上述奈米碳管陣列中選定一定寬度的多個奈米碳管片斷，本實施例優選為採用具有一定寬度的膠帶接觸奈米碳管陣列以選定一定寬度的多個奈米碳管片斷；（b）以一定速度沿基本垂直于奈米碳管陣列生長方向拉伸該多個奈米碳管片斷，以形成一連續的奈米碳管膜。
步驟S40，在所述奈米碳管結構的表面電鍍所述活潑金屬的鹽溶液形成一鍍膜N，剝離所述基板，得到複合結構；
所述鍍膜N為所述待用鍍液B中的活潑金屬原子形成的膜結構。所述複合結構為鍍膜M、奈米碳管結構以及鍍膜N層疊設置。在電鍍過程中，所述活性金屬原子會進入到所述奈米碳管膜中相鄰奈米碳管之間的間隙。本實施例中，所述鍍膜N為鋅膜。在該步驟S40中，可以只形成一個複合結構，也可以形成多個複合結構，該多個複合結構層疊設置。即，可以進一步包括在所述鍍膜M、奈米碳管以及鍍膜N的表面不斷重複形成鍍膜M、奈米碳管以及鍍膜N這一複合結構。其中，相鄰兩個複合結構中奈米碳管結構中的奈米碳管膜中的奈米碳管的排列方向不限，可以根據實際需要進行選擇。
步驟S50，對上述複合結構進行高溫退火，使所述複合結構中的金屬原子形成合金，得到一預製體；
該複合結構在真空條件下進行高溫退火的過程為：當高溫加熱時，所述複合結構中的鍍膜N與鍍膜M處於熔融狀態，鍍膜N中的活潑金屬原子和鍍膜M中的惰性金屬原子通過所述奈米碳管結構進行混合，具體的，熔融狀態的活潑金屬原子和惰性金屬原子位於相鄰的兩根碳管之間的間隙或奈米碳管膜的表面；此時進行退火冷卻，所述活潑金屬原子和惰性金屬原子形成合金。不同的金屬其退火溫度不同，通過控制退火溫度可以實現原子與原子之間的充分擴散並形成合金。在高溫退火的過程中，熔融態的金屬直接生長在所述奈米碳管上，大大降低了奈米碳管與金屬之間的接觸電阻，使該三維多孔複合結構具有更好的導電性。可以理解，所述奈米碳管與金屬接觸的界面為共格界面。優選的，所述退火溫度範圍選擇300°C以上。本實施例中，該退火溫度為450°C，Zn原子與Cu原子充分擴散形成合金。
所述預製體中活潑金屬和惰性金屬合金不僅存在於所述奈米碳管膜的表面，進一步存在於所述奈米碳管膜中相鄰兩根奈米碳管之間的間隙，更進一步存在於首尾相連的兩根奈米碳管的節點上。
步驟S60，對所述預製體進行腐蝕形成多孔結構，得到三維多孔複合材料。
請參閱圖4a、4b及5，對所述預製體進行腐蝕的方法可以為電化學或化學腐蝕，具體的，將所述預製體放置於稀酸或稀堿溶液中，使預製體中的活潑金屬原子與稀酸或稀堿發生化學反應或電化學反應，該預製體中的活潑金屬原子被反應完全從而形成多孔結構。優選的，對所述預製體進行電化學腐蝕，更容易控制形成孔的孔徑大小。
請參閱圖6和圖7，對所述預製體腐蝕之後，形成金屬韌帶，金屬韌帶之間形成多個孔。可以理解，形成的三維多孔複合材料呈三維網狀。所述三維多孔複合材料中的多個奈米碳管的存在形式有多種，如可以通過所述孔暴露，也可以位於所述孔中，也可以嵌入金屬韌帶內。所述孔的孔徑、分佈率等參數取決於所述活性金屬原子與惰性金屬原子的比例，稀酸、稀堿濃度，腐蝕的時間。對所述預製體進行腐蝕直到所述活潑金屬被完全腐蝕掉，腐蝕的時間越長，形成所述孔的孔徑就越大。本實施例中，所述稀酸為稀鹽酸，濃度為0.05mol/L，所述孔的孔徑為1μm。
本發明提供的三維多孔複合材料的製備方法中，先將至少一奈米碳管結構設置在惰性金屬與活潑金屬之間，然後才利用去合金化技術形成多孔結構，所述奈米碳管結構中的多根奈米碳管部分嵌入在金屬韌帶中，部分位元於孔內，提高了三維多孔複合材料的導電性、機械強度以及穩定性，同時增大了三維多孔複合材料的比表面積；奈米碳管與金屬的接觸處具有共格界面，消除了奈米碳管與金屬之間的接觸電阻，進一步提高了三維多孔複合材料的導電性。
本發明實施例提供的燃料電池電極包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構中設置有至少一層奈米碳管膜，奈米碳管膜包括多根奈米碳管，由於奈米碳管具有較優的穩定性、機械強度以及導電性，所以提高了燃料電池電極的穩定性、機械強度以及導電性；第二，所述三維多孔複合結構具有較大的比表面積，提高了催化過程中的傳質速率，進一步提高了燃料電池電極的催化性能；第三，三維多孔複合結構可以同時作用於收集電子和催化，無需引入添加劑，降低了燃料電池電極的內部電阻，提高了導電性。
本發明進一步提供一種燃料電池，包括負極、正極、電解質以及分別設置於所述正極和負極的氣體流路，該正極與負極分別設置於所述電解質的兩側，所述氣體流路用於供給燃料氣體和氧化劑氣體。
所述負極可以包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構包括金屬韌帶和至少一個奈米碳管結構，所述金屬韌帶限定有多個孔，該至少一個奈米碳管結構設置於所述金屬韌帶中，所述至少一個奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜，該至少一層奈米碳管膜包括多個奈米碳管，該多個奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
所述燃料氣體為氫氣、甲醇、乙醇、天然氣或碳氫化合物。本實施例中，所述燃料氣體為氫氣，所述氧化劑氣體為空氣中的氧。所述負極與所述氣體流路引入的燃料氣體發生氧化反應產生電荷，電荷通過外部回路流入所述正極，參與正極的還原反應。所述正極也可以包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構包括金屬韌帶和至少一個奈米碳管結構，所述金屬韌帶限定有多個孔，該至少一個奈米碳管結構設置於所述金屬韌帶中，所述至少一個奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜，該至少一層奈米碳管膜包括多個奈米碳管，該多個奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
本發明實施例提供的燃料電池具有以下優點：第一，該三維多孔複合結構中設置有至少一層奈米碳管膜，該奈米碳管膜包括多根奈米碳管，由於奈米碳管具有較優的穩定性、機械強度以及導電性，所以提高了鋰離子電池的使用壽命；第二，所述三維多孔複合結構具有較大的比表面積，提高了燃料電池的傳質速率；第三，所述三維多孔複合結構中包括奈米碳管，能夠自支持的進行組裝和測試。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
無
圖1是本發明實施例中三維多孔複合材料的結構示意圖。
圖2是本發明實施例中多根奈米碳管設置於三維多孔複合材料的金屬韌帶中的掃描電鏡圖。
圖3是本發明實施例圖1中三維多孔複合材料製備方法的流程圖。
圖4a是本發明實施例用0.05m/L的稀鹽酸腐蝕後形成的三維多孔複合材料的掃描電鏡圖。
圖4b是圖4a形成的三維多孔複合材料的橫截面掃描電鏡圖。
圖5是本發明實施例中用0.05m/L的稀鹽酸電化學腐蝕後形成的三維多孔複合材料的掃描電鏡圖。
圖6是本發明實施例中三維多孔複合材料在低倍下的掃描電鏡圖。
圖7是本發明實施例中用0.05m/L的稀鹽酸腐蝕15個小時形成的三維多孔複合材料的掃描電鏡圖。
無

Claims (10)

  1. 一種燃料電池電極，包括三維多孔複合結構，該三維多孔複合結構包括金屬韌帶和至少一個奈米碳管結構，所述金屬韌帶之間形成多孔結構，該至少一個奈米碳管結構設置於所述金屬韌帶中，所述至少一個奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜，該至少一層奈米碳管膜包括多個奈米碳管，該多個奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
  2. 如請求項第1項所述燃料電池電極，其中，所述燃料電池電極進一步包括具有催化性能的材料，該具有催化性能的材料設置於所述三維多孔複合結構。
  3. 如請求項第2項所述燃料電池電極，其中，所述具有催化性能的材料為奈米氧化物。
  4. 如請求項第1項所述燃料電池電極，其中，所述至少一個奈米碳管結構設置於所述金屬韌帶的方式包括：所述至少一奈米碳管膜中的部分奈米碳管嵌入在所述金屬韌帶、部分奈米碳管位於所述孔和/或部分奈米碳管通過所述孔暴露。
  5. 如請求項第1項所述燃料電池電極，其中，當所述三維多孔複合結構包括多個奈米碳管結構時，該多個奈米碳管結構間隔設置於所述三維多孔複合結構。
  6. 如請求項第5項所述燃料電池電極，其中，所述相鄰兩個奈米碳管結構中的擇優取向排列的奈米碳管之間形成夾角θ，該夾角θ為0˚。
  7. 如請求項第1項所述燃料電池電極，其中，所述至少一奈米碳管膜為一自支撐結構。
  8. 如請求項第1項所述燃料電池電極，其中，當所述多個奈米碳管結構包括多層奈米碳管膜時，相鄰兩層奈米碳管膜為共面設置或層疊設置。
  9. 如請求項第8項所述燃料電池電極，其中，所述相鄰兩層奈米碳管膜中的擇優取向排列的奈米碳管之間形成夾角α，該夾角α為0˚。
  10. 一種燃料電池，包括正極、負極、電解質以及分別設置於所述正極和負極的氣體流路，該正極與負極分別設置於所述電解質的兩側，所述氣體流路用於供給燃料氣體和氧化劑氣體，所述正極或負極為請求項1-9中任意一項所述的燃料電池電極。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108878768B (zh) * 2017-05-08 2020-12-04 清华大学 锂离子电池负极及锂离子电池

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102916199A (zh) * 2011-08-05 2013-02-06 清华大学 燃料电池膜电极的制备方法

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1785183A3 (en) 1998-08-24 2007-08-15 Pall Corporation Porous structures and method and apparatus for forming porous structures
US7473411B2 (en) 2003-12-12 2009-01-06 Rensselaer Polytechnic Institute Carbon nanotube foam and method of making and using thereof
WO2006080702A1 (en) * 2004-10-06 2006-08-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Carbon nanotube for fuel cell, nanocompisite comprising the same, method for making the same, and fuel cell using the same
CN101465434B (zh) 2007-12-19 2010-09-29 清华大学 燃料电池膜电极及其制备方法
JP2009138252A (ja) 2007-12-11 2009-06-25 Sumitomo Electric Ind Ltd 多孔体並びに該多孔体を用いた触媒担持体、ろ過フィルタ、浄水装置及び船舶バラスト排水処理装置
CN101880035A (zh) * 2010-06-29 2010-11-10 清华大学 碳纳米管结构
KR101199004B1 (ko) * 2011-01-06 2012-11-07 성균관대학교산학협력단 슈퍼커패시터용 나노다공성 전극 및 이의 제조방법
JP2013243090A (ja) 2012-05-22 2013-12-05 Kaneka Corp 非水電解質二次電池
CN102709569A (zh) * 2012-06-15 2012-10-03 常德力元新材料有限责任公司 多孔金属复合材料
CN102690968B (zh) 2012-06-15 2014-08-20 常德力元新材料有限责任公司 多孔金属复合材料的制备方法
JP6083602B2 (ja) 2013-03-29 2017-02-22 日本精線株式会社 溶融ポリマ−用精密金属フィルタ−の製造方法
JP2014220328A (ja) * 2013-05-07 2014-11-20 住友電気工業株式会社 蓄電デバイス用電極、蓄電デバイスおよび蓄電デバイス用電極の製造方法
TWI495183B (zh) 2013-10-09 2015-08-01 Nat Univ Tsing Hua 電極薄膜之製備方法
US20150253277A1 (en) 2014-03-06 2015-09-10 Kabushiki Kaisha Toshiba Biosensor and manufacturing method thereof
US10161737B2 (en) 2014-05-19 2018-12-25 The Regents Of The University Of California Flexible sensor apparatus
WO2016152645A1 (ja) 2015-03-26 2016-09-29 ニッタ株式会社 ケミカルフィルタ
CN106276778B (zh) * 2015-05-21 2018-08-14 清华大学 一种金属纳米线膜的制备方法以及导电元件
US20180183041A1 (en) 2015-06-09 2018-06-28 William Marsh Rice University Sulfur-containing carbon nanotube arrays as electrodes
CN106611627A (zh) 2015-10-23 2017-05-03 苏州汉纳材料科技有限公司 高质量碳纳米管透明导电膜及其制备方法与应用
US10190211B2 (en) 2015-11-20 2019-01-29 Fourté International, Sdn. Bhd High conductivity graphane-metal and graphene-metal composite and methods of manufacture
CN105779804B (zh) * 2016-03-21 2018-01-02 中南大学 一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料及制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102916199A (zh) * 2011-08-05 2013-02-06 清华大学 燃料电池膜电极的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
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