[發明專利]具有空心結構的金屬納米粒子的制造方法及金屬納米粒子

有效

• 申請號: 200710096173.8
• 申請日: 2007-04-18
• 公開（公告）號: CN101288909A
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發明（設計）人: 蔡麗端;薛康琳;張嵩駿;盧敏彥;彭裕民;黃俊杰;劉如熹;陳浩銘;彭歆杰
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: B22F9/24
• 分類號: B22F9/24;H01M4/88;H01M4/86;H01M8/02
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 張平元;趙仁臨

發明領域

本發明涉及一種金屬納米粒子的制造方法及金屬納米粒子，且特別涉及一種具有空心結構的金屬納米粒子的制造方法及以該方法制造的金屬納米粒子。

背景技術

燃料電池為將氫氣與氧氣經由觸媒的催化作用進行電化學反應而產生水，并由此過程中獲得電力的發電裝置。燃料電池是高效率、低污染、多元化能源的新發電科技，而燃料電池的氫供系統發電，不但比傳統石化燃料，且有潔凈、高效率的好處。另外，更可結合核能、生質能、太陽能、風能等發電技術，將能源使用多元化、可再生、及永續使用。

燃料電池的組成材料簡單，結構模組化，使得應用范圍廣泛。應用領域包含：太空能源、生命維持系、潛水艇動力、公交車、汽摩托車、自行車、分散式發電、家用獨立發電、工商業備用發電系統、個人數位助理、筆記型電腦、手機、電器產品攜帶式電源、軍事國防用途的電源設備等。

在燃料電池中，陽極觸媒即扮演催化氫氣的分解以產生質子的關鍵角色。經數十年的研究結果發現以鉑觸媒的效率最佳。為使反應的作用面積增加，并減少鉑金屬的用量，一般是將鉑制成小于5nm的顆粒。因顆粒小至納米級尺度，鉑失去原有金屬光澤呈現黑色而稱為鉑黑。以目前的技術而言，觸媒中鉑的用量為每平方厘米約0.5mg即可有效地催化氫分子的電解反應。雖然鉑黑的制備方式簡單，然而，使用鉑黑作為觸媒時，鉑黑粒子間易相互靠近聚集，使活性表面積下降，降低觸媒利用效率。

為了解決上述問題，目前采用的方法有兩種。方法之一是利用保護劑、分散劑或表面改性等方式提高鉑黑的分散性，然而提高效果有限。而且所采用的保護劑或分散劑或會對整體電子/質子傳導產生不利影響。方法之二則是利用納米碳做為載體(碳支撐鉑觸媒)，有效分散觸媒并提高使用效率。而且，碳的導電性亦佳，對整體阻抗影響不大。然而，由于碳粒子尺寸較大(數十nm)，使電極層厚度增加，導致燃料較不易擴散進入電極層內，且碳載體的耐候性不佳，于長期放電狀況下可能氧化形成二氧化碳逸走，導致電極結構的崩塌。由于觸媒為電極制作成本中最高者，故制備具有更高有效表面積的鉑觸媒，對于效能提高及成本降低方面均為十分重要的課題。

發明內容

本發明的目的為提供一種具有空心結構的金屬納米粒子的制造方法，其制程簡單且可制得粒徑大小均勻、且具高表面積的金屬納米粒子。

本發明的另一目的為提供一種具有空心結構的金屬納米粒子，此種具有空心結構的金屬納米粒子能有效提高觸媒的利用率。

本發明提出一種具有空心結構的金屬納米粒子的制造方法，包括下列步驟。首先，提供含有銀離子的硝酸銀溶液，所述硝酸銀溶液的體積為50毫升，所述硝酸銀溶液的濃度為0.8mM。然后，于所述硝酸銀溶液中加入硼氫化鈉，所述硼氫化鈉的重量百分濃度為1％且加入體積為2毫升，在60℃的溫度下反應15分鐘，以析出銀納米粒子。然后，于含有所述銀納米粒子的溶液中加入含有鉑離子的六氯鉑酸溶液，其中所述六氯鉑酸溶液的體積為50毫升，所述六氯鉑酸溶液的濃度為0.8mM，所述鉑的還原電位大于所述銀的還原電位。然后，所述鉑離子由外而內氧化所述銀納米粒子，反應時間為45分鐘，以形成具有空心結構的鉑納米粒子。

按照本發明的較佳實施例所述的具有空心結構的金屬納米粒子的制造方法所制作出來的球殼狀的鉑納米粒子，且平均外徑為4.6±0.9納米。

本發明的具有空心結構的金屬納米粒子的制造方法，其制程簡單且可制得粒徑大小均勻、且具高表面積的金屬納米粒子。

而且，以本發明的具有空心結構的金屬納米粒子的制造方法所制備出的具有空心結構的納米粒子，其可應用于觸媒的催化反應、感測元件的材料、導電薄膜的材料等，故極具產業實用價值。

本發明提供一種金屬納米粒子，其為利用所述的具有空心結構的金屬納米粒子的制造方法所制作出來的金屬納米粒子。

按照本發明的較佳實施例所述的金屬納米粒子，所述金屬納米粒子為空心球狀或空心柱狀。

將本發明的具有空心結構的金屬納米粒子用于做為觸媒時，由于具有空心結構的金屬納米粒子的內外壁均可做催化反應，可提高觸媒的使用效率，降低觸媒使用量及成本。

而且，即使具有空心結構的金屬納米粒子聚集，因具有空心結構的金屬納米粒子的內壁仍可反應，故仍保有相當的活性面積，制作電極的效能較不受分散效果的影響。

此外，將本發明的具有空心結構的金屬納米粒子用于做為觸媒時，由于利用改變觸媒本身型態提高其活性反應表面積，無須利用載體或保護劑輔助，制程上較為便利。且制備完成的觸媒組成不含載體，因此耐候性較佳。