Углеродный материал с сульфированным электропроводящим привитым полимером для использования в топливных элементах
Формула / Реферат
1. Каталитическая композиция, включающая измельченный углеродистый материал, сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатом, и частицы металла, однородно распределенные в композиции, причем сульфированный электропроводящий полимер привит к углеродистому материалу.
2. Композиция по п.1, в которой углеродистым материалом является технический углерод.
3. Композиция по п.1, в которой углеродистый материал включает графит, наноуглерод, фуллерен, фуллереновый материал, тонко измельченный углерод или их смеси.
4. Композиция по п.1, в которой углеродистый материал составляет меньше, чем 98% композиции.
5. Композиция по п.1, в которой углеродистый материал составляет от 50 до 80% композиции.
6. Композиция по п.1, в которой электропроводящий полимер включает полианилин, полипиррол, полифуран, политиофен или их смеси.
7. Композиция по п.1, в которой электропроводящий полимер включает полианилин, полипиррол, полифуран, политиофен, поли(п-фениленоксид), поли(п-фениленсульфид), их замещенный электропроводящий полимер или их смеси.
8. Композиция по п.1, в которой гетероатомом является N, О или S.
9. Композиция по п.1, в которой гетероатом составляет 0,2-15 ат.% композиции согласно данным химического анализа методом сканирования электронов (ЭСХА).
10. Композиция по п.1, в которой электропроводящий полимер составляет от 2 до 50% композиции.
11. Композиция по п.1, в которой сульфированный электропроводящий полимер составляет от 20 до 50% композиции.
12. Композиция по п.1, в которой полимер включает от примерно 0,1 до примерно 3 эквивалентов сульфонатных групп на мономерное звено.
13. Композиция по п.12, в которой полимер включает примерно 0,4 эквивалента сульфонатных групп на мономерное звено.
14. Композиция по п.12, в которой полимер включает примерно 1 эквивалент сульфонатных групп на мономерное звено.
15. Композиция по п.12, в которой полимер включает примерно 2 эквивалента сульфонатных групп на мономерное звено.
16. Композиция по п.1, в которой сульфированный полимер одновременно образуется и прививается путем окислительной полимеризации мономера, образующего электропроводящий полимер, в присутствии углеродистого материала с последующим прямым сульфированием образующегося полимер-углеродистого материала.
17. Композиция по п.1, в которой сульфированный полимер одновременно образуется и прививается путем окислительной полимеризации сульфированного мономера, образующего электропроводящий полимер, в присутствии углеродистого материала.
18. Композиция по п.1, в которой металлом является платина.
19. Композиция по п.1, в которой от примерно 2 до примерно 80% композиции составляет металл.
20. Композиция по п.1, в которой от примерно 2 до примерно 60% композиции составляет металл.
21. Композиция по п.1, в которой от примерно 20 до примерно 40% композиции составляет металл.
22. Композиция по п.1, которая является измельченной.
23. Способ получения каталитической композиции, включающий окислительную полимеризацию мономера электропроводящего полимера, содержащего гетероатом, с измельченным углеродистым материалом с образованием углеродистого материала с привитым электропроводящим полимером, причем либо мономер сульфирован, либо полимер последовательно сульфирован с образованием углеродистого материала с привитым сульфированным электропроводящим полимером, с последующей металлизацией углеродистого материала с привитым сульфированным электропроводящим полимером.
24. Способ по п.23, в котором углеродистый материал включает графит, наноуглерод, фуллерен, фуллереновый материал, тонко измельченный углерод или их смесь.
25. Способ по п.23, в котором углеродистым материалом является технический углерод.
26. Способ по п.23, в котором мономер электропроводящего полимера включает аминоарил или азотсодержащий гетероцикл.
27. Способ по п.23, в котором окислительная полимеризация протекает в присутствии окислителя.
28. Способ по п.23, в котором окислительная полимеризация включает добавление окислителя к смеси углеродистого материала и мономера электропроводящего полимера.
29. Способ по п.28, в котором смесь углеродистого материала и мономера электропроводящего полимера дополнительно включает кислотный растворитель, в результате чего смесь образует слабо кислую среду.
30. Способ по п.29, в котором слабо кислая среда имеет рН менее 7.
31. Способ по п.29, в котором слабо кислая среда имеет рН от примерно 3 до примерно 4.
32. Способ по п.28, в котором окислителем является персульфат аммония, персульфат натрия, хлорид железа(III), хлорид алюминия, пероксид водорода, перманганат калия, перманганат натрия, хлорат калия или комбинация окислителей.
33. Способ по п.23, в котором электропроводящий полимер включает полианилин, полипиррол, полифуран, политиофен, поли(п-фениленоксид), поли(п-фениленсульфид), их замещенный электропроводящий полимер или их смесь.
34. Способ по п.23, в котором полимер непосредственно сульфирован после окислительной полимеризации мономера с углеродистым материалом.
35. Способ по п.23, в котором мономер представляет собой сульфированный мономер электропроводящего полимера.
36. Способ по п.34, в котором прямое сульфирование осуществляют добавлением сульфирующего агента.
37. Способ по п.35, в котором сульфирующим агентом является хлорсульфоновая кислота.
38. Способ по п.35, в котором сульфирующим агентом является ацетилсульфоновая кислота.
39. Способ по п.23, в котором металлизация включает добавление металлсодержащего материала к углеродному материалу с привитым электропроводящим полимером.
40. Способ по п.39, в котором металлизация дополнительно включает добавление восстановителя.
41. Способ по п.23, в котором металлизацией является платинизация.
42. Способ по п.40, в котором восстановитель включает формальдегид, боргидрид натрия, водород, гидразин, гидроксиламин или их смесь.
43. Способ по п.39, в котором металлосодержащий материал включает хлорплатиновую кислоту, нитрат платины, галогенид платины, цианид платины, сульфид платины, платиноорганическую соль или их смесь.
44. Каталитическая композиция, полученная способом по п.23.
45. Топливный элемент, включающий анод, катод и протонообменную мембрану, в котором анод и/или катод имеет в своем составе композицию, содержащую измельченный углеродистый материал, сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатом, и металл, причем электропроводящий полимер привит к углеродистому материалу.
46. Топливный элемент по п.45, в котором металлом является платина.
Текст
011179 Ссылки на родственные заявки Заявкой на данный патент заявлен приоритет по заявке США, находящейся в процессе одновременного рассмотрения, серийный 60/382665, поданной 23 мая 2002 г., включенной в настоящее описание в качестве ссылки. Уровень техники Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится главным образом к измельченным электропроводящим углеродам. Изобретение также относится к катализаторам на носителе для топливных элементов и протонообменным мембранам. Топливный элемент (ТЭ) представляет собой устройство, которое превращает энергию химической реакции в электрическую энергию (электрохимическое устройство) без сгорания. Топливный элемент(см., например, фиг. 1) обычно включает анод 20, катод 50, электролит 10, уплотняющие слои 30, 60 и коллекторы полей течения/тока 40, 70. Существуют пять типов топливных элементов, определяемых их электролитами: В настоящее время представляет наибольший интерес. Настоящее описание относится к топливным элементам с протонообменной мембраной (полимерной мембраной для электролита) (ПОМ) (топливным элементам с твердым полимерным электролитом(ТПЭ), топливным элементам с полимерным электролитом и топливным элементам с твердой полимерной мембраной (ТПМ. Топливный элемент с мембраной из полимерного электролита (ПЭМТЭ) включает проводящий протоны электролит полимерной мембраны 10, расположенный между электрокатализаторами (катодом 50 и анодом 20) (см., например, фиг. 1). Внутри топливного элемента протекают следующие реакции окисления и восстановления: 2H24H4e- окислительная полуреакция+O22H2O восстановительная полуреакция Этот электрохимический процесс является процессом, не сопровождающимся горением, который не сопровождается образованием газообразных загрязнителей воздуха. Поэтому топливные элементы являются чистыми, с низким выбросом, высокоэффективными источниками энергии. Топливные элементы могут иметь в 2-3 раза большую эффективность, чем двигатели внутреннего сгорания, и могут ис-1 011179 пользовать отработанные и/или регенерируемые виды топлив. Топливные элементы образуют электричество, воду и тепло, используя топливо 90 и кислород 80. Вода (жидкая или в виде пара) является единственным выбросом, когда топливом является водород. Поскольку напряжение типичных топливных элементов является небольшим, их обычно располагают последовательно. Две полуреакции обычно протекают очень медленно при низкой рабочей температуре топливного элемента, и таким образом катализаторы 56 используются на одном или обоих аноде 20 и катоде 50 для увеличения скоростей каждой из полуреакции. Платина (Pt) оказалась наиболее эффективным катализатором на основе благородного металла 56 до настоящего времени, так как она способна генерировать достаточно высокие скорости восстановления O2 при относительно низких температурах ПОМ топливных элементов. Кинетические свойства ПОМ топливных элементов ограничиваются в основном низкой скоростью полуреакции восстановления O2 (реакцией на катоде), которая более чем в 100 раз меньше,чем скорость полуреакции окисления H2 (реакции на аноде). Полуреакция восстановления O2 также ограничивается особенностями массопереноса. По мере прохождения топлива 90, такого как водород, в топливном элементе со стороны анода катализатор 56 ускоряет разделение газообразного водорода топлива на электроны и протоны (ионы водорода). Ионы водорода проходят через мембрану 10 (центр топливного элемента) и вновь с помощью катализатора 56 объединяются с окислителем 80, таким как кислород, и электронами на стороне катода,образуя воду. Электроны, которые не могут пройти через мембрану 10, текут от анода 20 к катоду 50 через внешнюю цепь, содержащую мотор и другую электрическую нагрузку, которая потребляет энергию, генерируемую элементом. Катализатор 56 используют для индуцирования желательных электрохимических реакций на электродах 20, 50. Катализатор 56 часто вводят на межфазную поверхность электрод/электролит нанесением суспензии частиц электрокатализатора 56 на поверхность электролита 10. Когда водородное или метанольное топливо 90 проходит через межфазную поверхность анод с катализатором/электролит, происходит электрохимическая реакция, сопровождающаяся образованием протонов и электронов. Электропроводный анод 20 соединен с внешней цепью, которая несет электроны в результате образования электрического тока. Полимерный электролит 10 обычно представляет собой проводник протонов, а протоны, образованные на катализированном аноде, мигрируют через электролит 10 к катоду 50. На поверхности катализированного катода протоны объединяются с электронами и кислородом и образуют воду. Катализатор 56 обычно представляет собой такой измельченный металл, как платина, и диспергирован по высокой удельной поверхности проводящего электроны носителя 52. Проводящий электроны материал носителя 52 в ПОМТЭ обычно состоит из частиц углерода. Углерод имеет электропроводность (10-4-10-2 С/см), которая помогает ускорить прохождение электронов от катализатора 56 к внешней цепи. Проводящие протоны материалы 54, такие как Nafion, часто добавляют для ускорения перемещения протонов от катализатора 56 к межфазной поверхности мембраны. Чтобы ускорить образование и перемещение протонов и электронов и предотвратить высушивание мембраны 10, топливные элементы работают в условиях повышенной влажности. Чтобы создать такие условия, газообразным топливным водороду 90 и кислороду 80 повышают влажность перед подачей в топливный элемент. В электрокатализаторе на носителе (52+56) углерод является относительно гидрофобным и как таковой, граничный контакт между реакционноспособными газами, водой и поверхностью твердых электродов, изготовленных из углерода, способствует высокому электрическому контактному сопротивлению и потере омической мощности в топливном элементе, что приводит к более низкой эффективности топливного элемента. В настоящем изобретении углеродный материал с привитым сульфированным, содержащим гетероатом электропроводящим полимером проявляет гидрофильный характер и ускоряет таким образом процесс увеличения влажности. Кроме того, более высокие показатели электронной и протонной проводимости этих сульфированных полимеров способствуют ускорению процесса переноса электронов и протонов. Обычный электролит представляет собой вещество, которое диссоциирует на положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды, делая таким образом водный раствор электропроводным. Электролитом и ПОМ в топливном элементе является полимерная мембрана 10. Обычно материал мембраны (например, Nafion) имеет различную толщину, меняющуюся в интервале 50-175 мкм. Мембраны из полимерного электролита 10 представляют собой электролиты, несколько необычные тем, что в присутствии воды, которую мембрана 10 легко поглощает, отрицательные ионы легко удерживаются внутри их структуры. Только протоны, содержащиеся внутри мембраны 10, являются подвижными и свободными, чтобы нести положительный заряд через мембрану 10. Без такого движения внутри мембраны цепь остается открытой, и ток не течет. Мембраны из полимерного электролита 10 могут быть относительно прочными, стабильными веществами. Эти мембраны 10 также могут быть эффективными сепараторами для газов. Хотя и являясь-2 011179 ионными проводниками, ПОМ не проводят электронов. Органическая природа структуры делает ее электронным изолятором. Поскольку электроны не могут перемещаться через мембрану 10, электроны, образованные на одной стороне топливного элемента, должны проходить по внешней цепи на другую сторону элемента для завершения цепи. Именно в процессе прохождения по внешней цепи электроны обеспечивают электрическую мощность. Мембрана из полимерного электролита 10 может состоять из твердой, органической, полимерной,обычно поли(перфторсульфоновой) кислоты. Типичный материал мембраны, Nafion, состоит из трех областей:(1) Teflon-подобной фторуглеродной цепи, сотен повторяющихся по длине звеньев -CF2-CF-CF2-,(2) боковых цепей, -O-CF2-CF-O-CF2-CF2-, которые соединяют молекулярную основную цепь с третьей областью, и(3) ионных кластеров, состоящих из ионов сульфоновой кислоты, SO3-, H+. Отрицательные ионы, SO3-, постоянно присоединены к боковым цепям и не могут перемещаться. Однако, когда мембрана 10 становится гидратированной за счет поглощения воды, ионы водорода становятся подвижными. Ионное движение осуществляется протонами, соединенными с молекулами воды,мигрирующими от места SO3- к месту SO3- внутри мембраны. Вследствие действия такого механизма твердый гидратированный электролит является хорошим проводником ионов водорода. Носитель катализатора 52 служит для проведения электронов и протонов и удерживания катализатора 56 (например, благородного металла). Многочисленные попытки были направлены на снижение стоимости топливных элементов за счет снижения содержания катализатора на основе благородного металла (например, платины) 56 из-за стоимости благородного металла. Одним из путей снижения стоимости является создание слоя носителя катализатора 52 с максимально возможной удельной поверхностностью. Электроды 20, 50 топливного элемента обычно состоят из углерода 52, на котором диспергированы очень маленькие частицы металла 56. Электрод несколько пористый, так что газы могут диффундировать через каждый электрод и достигать катализатора 56. И металл 56, и углерод 52 хорошо проводят электроны, так что электроны могут свободно перемещаться через электрод. Небольшой размер частиц металла 56, примерно 2 нм в диаметре для благородного металла, обеспечивает большую суммарную удельную поверхность металла 56, которая избыточна для молекул газа. Общая удельная поверхность очень велика, даже когда общая масса металла 56 невелика. Такая высокая дисперсность катализатора 56 является одним из факторов для создания соответствующего потока электронов (тока) в топливном элементе. Электропроводные полимеры представляют собой класс полимеров с сопряженными двойными связями, чьи электропроводности сравнимы с электропроводностями полупроводников к металлам, в интервале величин от 0,1 до 100 С/см. Типичные примеры электропроводящих полимеров включают полианилин, полипиррол, политиофен, полифуран, полиацетилен и полифенилен. Оба материала - и полианилин, и полипиррол (без углерода) - в качестве материалов носителя катализатора 52 показали улучшенную эффективность топливных элементов (например, патент США 5334292 и WO 01/15253). Однако длительная стабильность этих материалов не подтверждена в электродном окружении в циклических операциях. Когда в качестве материала носителя 52 катализатора используют одни электропроводящие полимеры, то такие носители имеют более высокую стоимость, более низкую удельную поверхность и более низкую стабильность, по сравнению с носителями 52 катализаторов на основе углерода. Примером существующих в настоящее время коммерческих катализаторов на углеродном носителе для топливных элементов являются продукты серии HiSPEC (Johnson Matthey, Reading, U.K.), в которых использован технический углерод Vulcan XC72 (Cabot Corporation) с различным содержанием платины (или другого металла). Упомянутые коммерческие катализаторы на углеродном носителе очень дорогие. Такие факторы, как удельная поверхность и электронная проводимость исторически рассматривались как важные для материала углеродного носителя. Однако относительно малое число исследований было предпринято для выяснения роли углеродного носителя или его оптимизации. В настоящем изобретении сульфированный электропроводный полимер прививают к поверхности углеродистого материала, повышая тем самым электропроводимость, а также протонную проводимость углеродистого материала, при этом предполагается, что стабильность гибридного материала увеличивается. Процесс прививки полимера также снижает пористость углеродного носителя, что приводит к увеличению доступности металла для реакции на электроде. Кроме того, установлено, что углеродистый материал с привитым сульфированным электропроводящим полимером имеет более высокую электронную и протонную проводимость по сравнению с углеродистым материалом с привитым несульфированным электропроводящим полимером. Основную часть стоимости, связанной с электродами, составляет высокая стоимость металла, который входит в состав катализатора 56. Только те каталитические участки, которые расположены на по-3 011179 верхности частиц катализатора, определяют каталитическую активность электрода и, таким образом,электроды с самой высокой долей металлов, доступных для реакции, должны быть самыми эффективными. Носители 52 углерода с высокой пористостью приводят к захвату участков металла, которые не доступны для реакции на электроде. Степень дисперсности металлического катализатора 56 на материале носителя 52 и стабильность такой высокой дисперсности при использовании, т.е. сопротивление катализатора к спеканию и/или агломерации, прямо связана с удельной поверхностью и доступностью участков поверхности, к которым может быть присоединен диспергированный металл 56. В настоящем изобретении углеродный материал с привитым сульфированным, содержащим гетероатом электропроводящим полимером способствует равномерному распределению и стабилизации частиц металла присоединением их к гетероатомам, а именно, N, O, S и т.п., содержащихся в электропроводном полимере. Кроме того, содержащие гетероатомы группы присоединения препятствуют агломерации и спеканию кристаллитов в частицах металла (например, платины (Pt. Желательно разработать носитель 52 катализатора, который имеет более высокую удельную поверхность, а также более высокую плотность поверхности на участках присоединения, чем носители катализаторов, состоящие исключительно из углерода. Это приведет к увеличению и стабилизации дисперсности металлического катализатора 56 и, таким образом, ограничению количества требуемого катализатора 56. Настоящее изобретение относится к ПОМТЭ электроду, который может быть изготовлен более дешевым, чем электроды, содержащие исключительно углеродный носитель или исключительно носитель из электропроводного полимера. По вышеназванным причинам желательно усовершенствование катализаторов на носителях, что и реализовано настоящим изобретением. Краткое изложение сущности изобретения В соответствии с целью(ями) настоящего изобретения, осуществленного и широко описанного в данном описании, настоящее изобретение относится к углеродам с привитым сульфированным электропроводящим полимером. Настоящее изобретение относится к композиции, содержащей измельченный углеродистый материал и сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатомы, причем электропроводящий полимер привит к углеродистому материалу. Изобретение также относится к способу получения углерода с улучшенной электронной проводимостью, включающему окислительную полимеризацию мономера для электропроводящего полимера,содержащего гетероатомы, с измельченным углеродистым материалом с образованием углеродистого материала с привитым электропроводящим полимером и прямое сульфирование электропроводящего полимера или мономера. Раскрыто устройство, включающее измельченный углеродистый материал и сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатомы, причем электропроводящий полимер привит к углеродистому материалу. Топливный элемент, включающий анод, катод и ПОМ, также является объектом изобретения. Изобретение относится к способу прививки сульфированных электропроводящих полимеров, содержащих гетероатомы, к измельченному углеродистому материалу (например, техническому углероду,графиту, наноуглеродам, фуллеренам, тонко измельченному углероду или их смесям) полимеризацией insitu и образующимся из них композициям. В частности, электропроводящими полимерами являются,например, сульфированный полианилин и сульфированный полипиррол. Настоящее изобретение относится к применению углеродов с привитым сульфированным электропроводящим полимером в топливных элементах. Настоящее изобретение, в частности, относится к применению углеродов с привитым сульфированным электропроводящим полимером в качестве материала носителя в катализаторе топливных элементов. Дополнительные преимущества изобретения будут изложены частично в описании, которое представлено ниже, и частично будет ясны из описания, или могут быть выявлены при практическом осуществлении изобретения. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты с помощью элементов и комбинаций, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения. Следует понимать, что и нижеприведенное общее описание, и последующее подробное описание являются только пояснительными и не ограничивают объема притязаний изобретения, как оно заявлено. Краткое описание чертежей Прилагаемые чертежи, которые включены в описание и составляют часть настоящего патента, иллюстрируют несколько вариантов осуществления изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения. На фиг. 1 показан типичный ПОМТЭ. На фиг. 1 А представлена схема ПОМТЭ. На фиг. 1 В представлен вид вблизи электрода и мембраны ПОМТЭ. На фиг. 2 представлены результаты рентгеноскопической спектроскопии (ЭСХА) технического углерода с привитым сульфированным полианилином примера 1. Эта фигура показывает присутствие N1s и S2p пиков, которые подтверждают, что сульфированный полиамид действительно привит к поверхности технического углерода.-4 011179 На фиг. 3 представлен обзорный рентгеноскопический спектр (ЭСХА) технического углерода с привитым сульфированным полипирролом примера 3. Эта фигура показывает присутствие N1s и S2p пиков, которые подтверждают, что сульфированный полипиррол действительно привит к поверхности технического углерода. На фиг. 4 представлен обзорный рентгеноскопический спектр (ЭСХА) технического углерода с привитым сульфированным полианилином и 20% Pt примера 6. Эта фигура показывает присутствие пикаPt4f, который подтверждает, что технический углерод с привитым сульфированным полианилином платинизирован. На фиг. 5 представлен обзорный рентгеноскопический спектр (ЭСХА) технического углерода с привитым сульфированным полипирролом и 20% Pt примера 8. Эта фигура показывает присутствие пикаPt4f, который подтверждает, что технический углерод с привитым сульфированным полипирролом платинизирован. На фиг. 6 представлена микрофотография (ТЭМ) катализатора настоящего изобретения (CDX-975 с привитым сульфированным полианилином/20% Pt). ТЭМ показывает лучшее распределение Pt на CDX975 с привитым сульфированным полипирролом/20% Pt. На фиг. 7 дана микрофотография (ТЭМ) CDX-975 с привитым сульфированным полипирролом/20%Pt. На фиг. 8 представлены кривые поляризации МЭА в сравнении с коммерческим продуктом JohnsonMatthey и платинизированным техническим углеродом с привитым сульфированным полианилином настоящего изобретения, показывающие поведение двух материалов в узлах мембрана/электрод. Напряжение меняли по сечению материала и измеряли ток. Электрод приготовлен методом лекального переноса (decal transfer), разработанного Los Alamos Laboratory. Для каждого образца и анод, и катод получали при приблизительном содержании Pt 0,3 мг/см 2. Условия проведения анализа: Температура элемента = 80 С Температура емкости увлажнения анода=105 С Температура емкости увлажнения катода=90 С Реакционные газы: Анодный водород = 60 мл/мин + 14 мл/мин/А Катодный кислород = 60 мл/мин + 8 мл/мин/А Во время проведения анализа в элементе поддерживают обратное давление 30 фунт/кв.дюйм. Изображенные потенциалы даны без поправки на падение iR. Описание изобретения Перед тем, как настоящие соединения, композиции, изделия, устройства и/или способы раскрыты и описаны, следует помнить, что настоящее изобретение не ограничивается в объеме притязаний конкретными методами синтеза; конкретные методы, безусловно, могут меняться. Следует также понимать, что использованная в настоящем описании терминология дана только в целях описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения. В настоящем описании и формуле изобретения, которая дана ниже, будет дана ссылка на ряд терминов, которые должны быть определены и иметь следующие значения. Следует отметить, что, например, ссылка окислительный агент включает окислительные агенты,ссылка восстанавливающий агент включает смеси двух или нескольких таких восстанавливающих агентов, и т.п. Интервалы могут быть выражены в настоящем описании от "примерно" одной конкретной величины и/или до "примерно" другой конкретной величины. Когда обозначается такой интервал, другой вариант его обозначения включает от одной конкретной величины и/или до другой конкретной величины. Аналогично этому, когда величины обозначены в приближении, путем использования предшествующего слова "примерно", следует понимать, что конкретная величина образует другой вариант его обозначения. Также следует понимать, что предельные величины каждого из интервалов важны как в отношении другого предельного значения, так и независимо от другого предельного значения. Ссылки в тексте описания и формуле изобретения на части по массе для конкретного элемента или компонента в композиции или изделии обозначают соотношение по массе между элементом или компонентом и любыми другими элементами или компонентами в композиции или изделии, для которого указаны части по массе. Таким образом, в соединении, содержащем 2 части по массе компонента X и 5 частей по массе компонента Y, X и Y содержатся в массовом отношении 2:5, и присутствуют в таком отношении, независимо от того, содержатся ли дополнительные компоненты в соединении. Массовый процент компонента, если конкретно не указано иначе, берут в расчете на общую массу состава или композиции, в которую включен упомянутый компонент."Возможный" или "возможно" означает, что далее описанное событие или обстоятельство может произойти или не может произойти, и что описание включает случаи, в которых указанное событие или обстоятельство происходит, и случаи, когда оно не происходит. Под термином "эффективное количество" композиции или свойства, использованным в описании,-5 011179 подразумевается такое количество, которое способно обеспечить осуществление функции композиции или свойство, для которого указано эффективное количество. Как будет указано ниже, точное требуемое количество будет меняться от способа к способу, в зависимости от принятых переменных, таких как использованные композиции и наблюдаемые технологические условия. Таким образом, невозможно выразить точно эффективное количество. Однако приблизительное эффективное количество может быть определено специалистом в данной области рутинными опытами. Термин замещенный электропроводный полимер использован в настоящем описании для описания любого химического изменения в электропроводном полимере, которое сохраняет функцию электропроводности и гетероатомы. Например, поли-3-метиланилин представляет собой замещенный полианилин. Топливный элемент (ТЭ), использованный в настоящем описании, представляет собой электрохимическое устройство, которое превращает химическую энергию в электрическую энергию без сжигания. Различные типы топливных элементов включают топливные элементы на основе твердого оксида(ТОТЭ), на основе расплавленного карбоната (РКТЭ), на основе щелочи (ЩТЭ), на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ), ПОМ и прямые метанольные (ПМТЭ) топливные элементы. Протонообменные мембраны (ПОМ) также известны или обозначаются как мембрана из полимерного электролита, мембрана из твердого полимера (ТПМ) или электролит из твердого полимера(ТПЭ) в области топливных элементов. ПОМТЭ представляет собой тип топливного элемента, в котором использована мембрана из полимерного электролита для перемещения протонов между двумя слоями каталитического электрода, таким образом образующего электрический ток. ПОМ обычно работает при температурах до 100 С. Узел мембрана/электрод (УМЭ) представляет собой термин, использованный для обозначения узла, который обычно включает полимерную мембрану с добавленными/соседними электродными слоями. В некоторых случаях УМЭ также может включать газодиффузионный слой/материалы. Металлом, как использовано в настоящем описании, может быть, например, драгоценный металл,благородный металл, металлы платиновой группы, платина, их сплавы и оксиды и композиции, которые включают металлы переходной группы и их оксиды. Как использовано в настоящем описании, именно металл действует как катализатор реакций, протекающих в топливном элементе. Металл может быть стойким к загрязнениям CO и также может быть использован в прямых метанольных топливных элементах. Иономер представляет собой полимер с ионной проводимостью (например, Nafion). Иономер также часто используется в слое электрода для улучшения ионной проводимости. Мембрана может быть известна как мембрана из полимерного электролита, твердый полимерный электролит, протонообменная мембрана, сепаратор или полимерная мембрана. Мембрана представляет собой обладающий ионной проводимостью диэлектрический материал, напротив которого расположены или прикреплены каталитические электроды. Обычно в настоящее время в рассматриваемой технологии наиболее часто используемой мембраной является перфторсульфированный полимер (например,Nafion), который может быть получен различной толщины, эквивалентных масс и т.п. Термин электролит, использованный в настоящем описании, обозначает неметаллический электропроводник, в котором ток создается в результате движения ионов или вещества, которое, будучи растворенным в целесообразном растворителе, становится проводником ионов. Полимерная мембрана топливного элемента представляет собой электролит. Электрокатализатор, также называемый катализатором, представляет собой металл (как определено выше), который является катализатором реакций в топливном элементе, обычно нанесенный на носитель катализатора (определение дано ниже). Катализатор на носителе представляет собой металл (как определено выше), диспергированный на носителе. Носитель катализатора представляет собой материал, на котором диспергирован металл (как определено выше), обычно электропроводный (например, технический углерод, электропроводный полимер или модифицированный технический углерод). Электрод, как использовано в настоящем описании, представляет собой слой электрокатализатора на носителе, находящегося в контакте с мембраной и/или прикрепленного к ней. Электрод может включать иономер и другие материалы помимо электрокатализатора. Реакция восстановления кислорода, также известная как РВК, реакция на катоде или процесс на катоде, представляет собой реакцию, в которой газообразный кислород восстанавливается в присутствии протонов с образованием воды. Реакция окисления водорода также известна как РОВ, реакция на аноде или процесс на аноде. Это реакция, в которой газообразный водород превращается в протоны и электроны. Протоны, иногда называемые в контексте топливных элементов как H+, ионами водорода или положительными ионами, представляют собой положительно заряженные протоны атомов водорода, которые образуются при реакции над каталитическим материалом.-6 011179 Анод представляет собой электрод, на котором протекает реакция окисления топлива. Катод представляет собой электрод, на котором протекает реакция восстановления окислителя. Газодиффузионный слой, или ГДС, или пористый задний слой представляет собой слой, соседний с электродами, который способствует диффузии газообразных реагентов через поверхность электрода; он обычно представляет собой углеродную ткань или бумагу на основе углерода/содержащую углерод (например, бумагу производства фирмы Toray). ГДС должен быть электропроводным и пропускать электроны через внешнюю цепь. Коллектор тока представляет собой часть топливного элемента рядом с ГДС, через который электроны проходят на внешнюю цепь, он также может содержать каналы или проходы (поле потока), способствующие диффузии газа и обычно выполненные из графита или электропроводных композитов. Поле потока представляет собой схему распределения газообразных реагентов по электроду. Поле потока может быть частью коллектора тока и/или ГДС. Изолятор или диэлектрик представляет собой материал, который не является электропроводным. Электрическая проводимость или электронная проводимость представляет собой способность материала проводить электроны. Протонная проводимость или ионная проводимость (ИП) представляет собой способность материала проводить ионы или протоны. Платинизация, или в более общем виде металлизация, представляет собой процесс нанесения или осаждения металла (как определено выше) на поверхности носителя катализатора. В частности, платинизация представляет собой процесс отложения или осаждения платины (Pt) на поверхность носителя катализатора. Технический углерод представляет собой электропроводящий углерод в ациноформе, использованный, например, как носитель катализатора (как определено выше). Пористость, или проницаемость, может быть использована для обозначения пористости технического углерода (т.е. разницы измерений удельной поверхности NSA и STSA), или макроскопической пористости поверхности электрода (т.е. связанной со способностью к диффузии газообразных реагентов через слой электрода). Углеродистый относится к твердым материалам, включающим, по существу, элементарный углерод. Предполагается, что углеродистый материал включает, без ограничений,i) углеродистые соединения, имеющие одну определяемую структуру, илиii) агрегаты углеродистых частиц, причем агрегаты не обязательно имеют единую, повторяющуюся и/или определяемую структуру или степень агрегации. Измельченный означает материал из отдельных частиц. Кривая поляризации, IV кривая, или кривая зависимости ток-напряжение, представляет собой данные/результаты электрохимического анализа УМЭ или материалов катализатора. ПАНИ, или полианилин, представляет собой электропроводящий полимер. ППИ, или полипиррол, представляет собой электропроводящий полимер. Дифракция рентгеновских лучей (ДРЛ) представляет собой метод анализа для определения кристаллографических свойств материала, в частности, при использовании в настоящем изобретении, для определения размера частиц диспергированного металла. Рентгеноэлектронная спектроскопия (РЭС), или химический анализ методом сканирования электронов (ЭСХА) представляет собой метод анализа для получения информации о химическом состоянии материалов. Хемосорбция CO, или более упрощенно CO, представляет собой метод анализа для определения доступной удельной поверхности материала, в частности, частиц металла. Настоящее изобретение относится к способу прививки электропроводящих полимеров, в частности,сульфированных электропроводящих полимеров, содержащих гетероатомы, к частицам углеродного субстрата, и образующимся композициям. Углерод с привитым сульфированным электропроводящим полимером служит уникальным носителем катализатора для увеличения электронной проводимости, протонной проводимости и равномерного распределения частиц металла в катализаторах на носителе топливного элемента. Настоящее изобретение относится к способу увеличения электронной и протонной проводимости углеродного субстрата для катализаторов топливных элементов. Субстрат из углерода с привитым сульфированным электропроводящим полимером имеет более высокую электронную и протонную проводимость по сравнению с углеродом с привитым электропроводящим полимером или любым другим углеродным материалом. Субстрат из углерода с привитым сульфированным электропроводящим полимером легко диспергируется в водных растворах с получением катализаторов с высокодиспергированным металлом. Согласно настоящему изобретению прививка сульфированного электропроводящего полимера осуществляется к углеродному субстрату окислительной полимеризацией с последующим прямым сульфированием с использованием, например, ацетилсульфоновой кислоты или хлорсульфоновой кислоты. В другом варианте осуществления углеродный материал с привитым сульфированным полимером-7 011179 получен окислительной полимеризацией предшественника сульфированного мономера к полимеру. Привитые электропроводящие полимеры включают сульфированные производные полианилина,полипиррола, полифурана, политиофена и их смеси. Настоящее изобретение также включает способ получения катализаторов топливных элементов с использованием углеродного носителя с привитым сульфированным электропроводящим полимером для увеличения дисперсности металла и увеличения электронной и протонной проводимости. Композиция. Изобретение включает композицию, содержащую измельченный углеродистый материал (субстрат) и сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатомы, причем сульфированный электропроводящий полимер привит к поверхности углеродистого материала. Композиция может дополнительно содержать металл. Углеродистый материал описан ниже. Углеродистый материал может содержаться в количестве менее чем примерно 98% по массе композиции настоящего изобретения, например примерно 2, 5, 10, 15,20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 96 или 97%. Углеродистый материал может составлять от примерно 1 до примерно 90% по массе композиции, например примерно 2, 5, 10, 12, 15, 17,20, 22, 25, 27, 30, 32, 35, 37, 40, 42, 45, 47, 50, 52, 55, 57, 60, 62, 65, 67, 70, 72, 75, 77, 80, 82, 85, 87 или 88%. Углеродистый материал может составлять от примерно 40 до примерно 90% по массе композиции,например примерно 41, 44, 46, 50, 51, 54, 56, 60, 61, 64, 66, 70, 71, 74, 76, 80, 81, 84, 86 или 89%. Углеродистый материал может составлять от примерно 50 до примерно 80% по массе композиции, например примерно 53, 54, 55, 57, 58, 60, 63, 65, 67, 68, 70, 73, 75, 77, 78 или 79% настоящего изобретения. Сульфированный электропроводящий полимер описан ниже. Сульфированный электропроводящий полимер может составлять больше чем примерно 0% и меньше чем примерно 100% по массе композиции настоящего изобретения, например примерно 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85,90, 95, 96, 97, 98 или 99%. Сульфированный электропроводящий полимер может составлять от примерно 1 до примерно 50% по массе, например 2, 5, 7, 10, 12, 15, 17, 20, 22, 25, 27, 30, 32, 35, 37, 40, 42, 45, 47, 48 или 49%. Сульфированный электропроводящий полимер может составлять от примерно 20 до примерно 50% по массе, например примерно 22, 24, 25, 30, 35, 40, 45, 47 или 48% композиции настоящего изобретения. Сульфированный электропроводящий полимер содержит гетероатомы, которые также описаны ниже. Сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатомы, привит к поверхности углеродистого материала. Электропроводящий полимер может быть привит к углеродистому материалу,например, описанным ниже методом. Электропроводящие полимеры могут быть получены и привиты к углеродистому материалу, например, либо 1) окислительной полимеризацией мономера, образующего электропроводящий полимер, с углеродистым материалом, а затем прямым сульфированием полимера,или 2) окислительной полимеризацией сульфированного мономера, образующего электропроводящий полимер, с углеродистым материалом. Композиция может дополнительно содержать металл. Металл описан ниже. Металл может составлять от примерно 2 до примерно 80% композиции, например примерно 3, 5, 7, 8, 10, 12, 13, 15 17, 20, 22,25, 27, 30, 32, 35, 37, 40, 42, 45, 47, 50, 52, 55, 57, 60, 62, 65, 67, 70, 72, 75 или 78%. Металл может составлять от примерно 2 до примерно 60% композиции, например примерно 5, 7, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 35, 40,45, 50, 55 или 57%. Металл может составлять от примерно 20 до примерно 40% композиции, например примерно 22, 25, 30, 35 или 38%. Металл может быть равномерно распределен по композиции, т.е. по поверхности композиции или сульфированного электропроводящего полимера композиции. Углеродистый материал. Углеродистым материалом может быть любой измельченный, по существу углеродистый материал,который представляет собой углерод с электронной проводимостью и имеет достаточно высокую удельную поверхность. Например, могут быть использованы технический углерод, графит, наноуглероды, фуллерены, фуллереновый материал, тонко измельченный углерод или их смеси. Технический углерод. Углеродистым материалом может быть технический углерод. Выбор технического углерода в настоящем изобретении не является критическим. В изобретении может быть использован любой технический углерод. Могут быть использованы технические углероды с удельной поверхностью (удельная поверхность по азоту, NSA) от примерно 200 до примерно 1000 м 2/г, например примерно 200, 220, 240, 250,300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850 или 950 м 2/г. В частности, может быть использован технический углерод с удельной поверхностью 240 м 2/г (NSA, ASTM D6556). Предпочтительно, чтобы технический углерод имел степень измельчения, эффективную для диспергирования металла. Предпочтительно, чтобы технический углерод имел структуру, эффективную для диффузии газа. Технический углерод может составлять менее примерно 98% по массе композиции настоящего изобретения, например примерно 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96 или 97%. Технический углерод может составлять примерно от 1 до примерно 90% по массе композиции, например примерно 2, 5, 10, 12, 15, 17, 20, 22, 25, 27, 30, 32, 35, 37, 40, 42, 45, 47, 50, 52, 55, 57, 60, 62, 65,-8 011179 67, 70, 72, 75, 77, 80, 82, 85, 87 или 88%. Технический углерод может составлять от примерно 40% до примерно 90% по массе композиции, например примерно 41, 44, 46, 50, 51, 54, 56, 60, 61, 64, 66, 70, 71,74, 76, 80, 81, 84, 86 или 89%. Технический углерод может составлять от примерно 50% до примерно 80% по массе композиции, например примерно 53, 54, 55, 57, 58, 60, 63, 65, 67, 68, 70, 73, 75, 77, 78 или 79%, настоящего изобретения. Специалисты в данной области поймут, что частицы технического углерода обладают физическими и электропроводящими свойствами, которые определяются в первую очередь размером частиц и агрегатов, формой агрегатов, степенью упорядоченности и химией поверхности частиц. Кроме того, электропроводимость высококристаллических или высокографитовых частиц выше,чем электропроводимость более аморфных частиц. Обычно приемлема любая из форм частиц технического углерода для осуществления настоящего изобретения, и конкретный выбор размера, структуры и степени графитовой упорядоченности зависит от требований к физическим и электропроводным свойствам технического углерода. Специалист в данной области может легко выбрать соответствующий технический углерод для конкретного использования. Технический углерод является коммерчески доступным (например, от фирмы Columbian ChemicalCompany, Atlanta, GA). Другие углеродистые материалы. Измельченным углеродистым материалом может быть материал, отличный от технического углерода. Выбор другого углеродистого материала в изобретении не является определяющим фактором. При осуществлении изобретения может быть использован любой по существу углеродистый материал, который представляет собой углерод, обладающий электронной проводимостью, и имеет достаточно высокую удельную поверхность. Например, могут быть использованы графит, наноуглероды, фуллерены,фуллереновые материалы, тонко измельченный углерод или их смеси. Предпочтительно, чтобы углеродистый материал имел степень измельчения, эффективную для диспергирования металла. Предпочтительно, чтобы углеродистый материал имел структуру, эффективную для диффузии газа. Специалист в данной области может легко выбрать углеродистый материал для конкретного использования. Эти углеродистые материалы являются коммерчески доступными. Углеродистый материал может составлять менее примерно 98% по массе композиции настоящего изобретения, например примерно 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96 или 97%. Углеродистый материал может составлять от примерно 1 до примерно 90% по массе композиции, например примерно 2, 5, 10, 12, 15, 17, 20, 22, 25, 27, 30, 32, 35, 37, 40, 42, 45, 47, 50, 52, 55, 57, 60,62, 65, 67, 70, 72, 75, 77, 80, 82, 85, 87 или 88%. Углеродистый материал может составлять от примерно 40 до примерно 90% по массе композиции, например примерно 41, 44, 46, 50, 51, 54, 56, 60, 61, 64, 66, 70,71, 74, 76, 80, 81, 84 или 89%. Углеродистый материал может составлять от примерно 50 до примерно 80% по массе композиции, например примерно 53, 54, 55, 57, 58, 60, 63, 65, 67, 68, 70, 73, 75, 77, 78 или 79% настоящего изобретения. Электропроводящий полимер. Электропроводящим материалом, используемым в настоящем изобретении, является любой электропроводящий материал, который эффективен для рассмотренных целей настоящего изобретения. В частности, электропроводящим материалом может быть электропроводящий полимер. Электропроводящим полимером может быть любой органический полимер, обладающий электронной проводимостью,присущей растянутым сопряженным/делокализованным множественным связям, и содержащий неразделенные электронные пары, что обеспечено присутствием гетероатомов. Электропроводящий полимер сульфирован. Могут быть использованы полианилин, полипиррол, политиофен, полифуран, поли(пфениленоксид), поли(п-фениленсульфид), замещенные электропроводящие полимеры или их смеси. В частности, электропроводящий полимер может включать полианилин, полипиррол, полифуран, политиофен или их смеси. Смеси этих полимеров могут включать физические смеси, а также сополимеры на основе мономеров, образующих соответствующие полимеры. Как использовано в настоящем описании,указание на полимер также охватывает сополимер. В частности, сульфированный электропроводящий полимер может включать сульфированный полианилин или сульфированный полипиррол. Электропроводящий полимер прививается к поверхности углеродистого материала таким способом,как окислительная полимеризация. Мономер(ы), образующий желательный электропроводящий полимер, или сульфированный мономер(ы), образующий желательный сульфированный электропроводящий полимер, полимеризуют в присутствии углеродистого материала, обеспечивая таким образом прививку полимера к углеродистому материалу. Способ получения его описан ниже. Если используют несульфированный(е) мономер(ы), то тогда непосредственно сульфируют полимер. Присутствие сульфированных полимеров в конечной композиции подтверждается результатами ЭСХА и наблюдаемыми физическими свойствами (например, способностью прессовать пленки из ком-9 011179 позиции). Специалист в данной области легко выберет электропроводящий материал (например, электропроводный полимер) для конкретного использования. Электропроводящие полимеры являются коммерчески доступными и их легко получают специалисты в данной области. Электропроводящий полимер содержит гетероатомы. Гетероатомами могут быть, например, атомы N, S и O. Количество гетероатомов в мас.% от конечного полимера составляет тот же мас.%, что и гетероатомы в мономере(ах), использованном для полимера (например, 15% N для анилин/полианилин и 21% N для пиррол/полипиррол). Расположение гетероатомов в электропроводящем полимере также зависит от соответствующего мономера(ов). Специалист в данной области сможет легко выбрать гетероатомы для конкретного электропроводящего полимера для выбранной области использования. Электропроводящие полимеры с гетероатомами являются коммерчески доступными и их легко получить специалисту в данной области. Сульфированный полимер или сульфированный мономер обеспечивают введение сульфонатного заместителя общей формулы -SO3M, где M означает водород или катионный остаток. Любое количество сульфонатных групп в полимере лучше, чем отсутствие сульфонатных групп в полимере. Предполагается, что электропроводимость увеличивается с увеличением числа сульфонатных групп до какого-то теоретического максимума сульфонатных групп, которое можно присоединить к полимеру. Более целесообразно, когда в полимер можно ввести от примерно 0,1 до примерно 3 эквивалентов сульфонатных групп на мономерное звено. В частности, можно ввести примерно 0,4, 1 или 2 эквивалентных сульфонатных группы на мономерное звено в полимер. Можно ввести примерно 0,2; 0,3; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8 или 2,9 эквивалентных сульфонатных групп на мономерное звено в полимер. Сульфированный электропроводящий полимер с гетероатомами прививают, например, к поверхности технического углерода, увеличивая тем самым электрическую и протонную проводимость углеродистого материала и, как предполагается, увеличивая стабильность гибридного (т.е. полимер + углерод) материала. Процесс прививки полимера также приводит к снижению пористости технического углерода. Процесс прививки описан ниже. Углеродный материал с содержащим гетероатом сульфированным электропроводящим привитым полимером также проявляет гидрофильный характер и ускоряет тем самым процесс увеличения влажности при использовании, например, в топливных элементах. Кроме того, при более высокой электропроводимости этих полимеров ускоряется процесс переноса электронов. Сульфированный электропроводящий полимер может составлять больше чем примерно 0 и меньше чем примерно 100% по массе композиции настоящего изобретения, например примерно 1, 2, 5, 10, 15, 20,25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98 или 99%. Сульфированный электропроводящий полимер может составлять от примерно 1 до примерно 50% по массе, например 2, 5, 7, 10, 12, 15,17, 20, 22, 25, 27, 30, 32, 35, 37, 40, 42, 45, 47, 48 или 49%. Сульфированный электропроводящий полимер может составлять от примерно 20 до примерно 50% по массе, например примерно 22, 24, 25, 30, 35, 40,45, 47 или 48%, композиции настоящего изобретения. Привитой сульфированный электропроводящий полимер (с гетероатомами), привитый на углеродистый материал, обеспечивает превосходную электронную проводимость, протонную проводимость и влагопоглощение при использовании в качестве носителя катализатора, по сравнению с одним углеродистым материалом или одним электропроводящим полимером. Носитель катализатора. Композиция настоящего изобретения может быть использована как носитель катализатора. Носитель катализатора настоящего изобретения включает углеродистый материал и электропроводящий материал (например, сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатомы). Электропроводящий материал привит к углеродистому материалу и образует таким образом единый материал, а не просто смесь. Носитель катализатора включает углеродистый материал с привитым сульфированным электропроводящим полимером. Количество каждого компонента описано ниже. Способ получения носителя катализатора описан ниже. Приведенный ниже пример 10 демонстрирует увеличение электронной проводимости и протонной проводимости носителей катализатора настоящего изобретения по сравнению с одним углеродом и техническим углеродом с несульфированным электропроводящим привитым полимером. Металл/катализатор. Композиции настоящего изобретения могут дополнительно содержать металл. Металлом может быть, например, платина, иридий, осмий, рений, рутений, родий, палладий, ванадий, хром или их смеси или сплавы, в частности, металлом может быть платина. Как определено выше, металлом также могут быть сплавы или оксиды металлов, эффективные как катализаторы. Желательно, чтобы форма и/или размер металла обеспечивали самую высокую площадь поверхности металла, возможную на единицу массы. Желательно, чтобы размер частиц металла поддерживался- 10011179 возможно малым для достижения этой цели. Как правило, в данной области знаний, конечный размер частиц металла достигает от примерно 2 до примерно 6 нм в период использования в топливных элементах вследствие спекания. Размер менее примерно 2 нм может обеспечить лучшие технологические свойства. Атомарная платина, например, была бы идеальна в группах из примерно 3-х атомов. Количество металла может быть любым. Количество металла может быть эффективно действующим каталитическим количеством. Специалист в данной области может определить количество, эффективное для достижения желательных технологических свойств. Металл может составлять от примерно 2 до примерно 80% композиции, например примерно 3, 5, 7,8, 10, 12, 13, 15, 17, 20, 22, 25, 27, 30, 32, 35, 37, 40, 42, 45, 47, 50, 52, 55, 57, 60, 62, 65, 67, 70, 72, 75 или 78%. Металл может составлять от примерно 2 до примерно 60% композиции, например примерно 5, 7,10, 12, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 или 57%. Металл может составлять от примерно 20 до примерно 40% композиции, например примерно 22, 25, 30, 35 или 38%. Металл может быть равномерно распределен по объему композиции, т.е. по поверхности композиции или в сульфированном электропроводящем полимере композиции. Специалист в данной области сможет легко выбрать, какой металл использовать в композиции для конкретной области использования. Металлы являются коммерчески доступными. Катализатор на носителе/электрод. Рассмотренный выше носитель катализатора может дополнительно включать металл. Такая образующаяся композиция может быть катализатором на носителе (или электродом), как в топливном элементе. Носитель катализатора и металл рассмотрены выше. Металл может быть равномерно распределен по носителю катализатора. Катализатор на носителе может быть получен описанными ниже способами. Например, катализатор на носителе может быть получен прививкой сульфированного электропроводящего полимера, содержащего гетероатомы, к измельченному углеродистому материалу, а затем добавлением металла. В частности, сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатомы, может быть получен и привит к углеродистому материалу (например, техническому углероду) окислительной полимеризаций мономера, образующего электропроводящий полимер, в присутствии углеродистого материала прямым сульфированием полимера, а затем последующей металлизацией (например, платиной). В другом варианте, сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатомы, может быть получен и привит к углеродистому материалу (например, техническому углероду) окислительной полимеризацией сульфированного мономера, образующего электропроводящий полимер, в присутствии углеродистого материала, а затем последующей металлизацией (например, платиной). Катализаторы на носителе могут быть использованы в различных областях, требующих использования таких катализаторов на носителе. Одним из примеров такого использования является топливный элемент, в частности, электрод в топливном элементе. Такие факторы, как удельная поверхность и электропроводимость катализатора на носителе исторически рассматривались как важные. Относительно небольшое число исследований, вплоть до разработки настоящего изобретения, было посвящено выявлению роли и оптимизации параметров углеродного носителя. В настоящем изобретении технический углерод с сульфированным электропроводящим привитым полимером способствует равномерному распределению металла, например, за счет присоединения металла к гетероатомам, содержащимся в сульфированном электропроводящем полимере. Кроме того, содержащие гетероатомы группы присоединения усиливают фактор предотвращения агломерации и спекания частиц платины (Pt) (или другого металла). Сульфированный электропроводящий полимер привит, например, к поверхности технического углерода, увеличивая электрическую проводимость и протонную проводимость углеродистого материала,и предполагается, что это способствует увеличению стабильности гибридного материала. Снижение доступной пористости технического углерода вследствие прививки полимера приводит к увеличению склонности металла к реакции на электроде. Существующий в промышленности стандартный катализатор на углеродном носителе в топливных элементах представляет собой серию Jhonson Matthey HiSPEC, содержащий примерно 10-40% или 1060% платины. Приведенный ниже пример 11 показывает сравнение размера диспергированных частиц Pt на техническом углероде в катализаторе на носителе настоящего изобретения относительно катализатора на носителе HiSPEC. Устройство. Изобретение включает различные устройства. Электрод. Электрод настоящего изобретения описан выше. Электрод настоящего изобретения может служить либо анодом, либо катодом, либо обоими электродами.- 11011179 Узел мембрана электрод (УМЭ). Комбинацией анод/мембрана/катод (электрод/электролит/электрод) в топливном элементе называется узел мембрана/электрод (УМЭ). Эволюция УМЭ в ПОМ топливных элементах прошла по нескольким поколениям. Исходные узлы мембрана/электрод были сконструированы в 1960-х годах для космической программы Gemini и предусматривали использование 4 мг Pt/см 2 площади мембраны, что генерировало примерно 0,5 А на мг Pt. Современная технология меняется в зависимости от производителя, но общее содержание Pt снизилось от исходных 4 до примерно 0,5 мг/см 2. Сейчас в лабораторных исследованиях используют содержание Pt 0,15 мг/см 2, что позволяет генерировать ток примерно 15 А на мг Pt. Конструкция узла мембрана/электрод меняется в широких пределах, но следующая является конструкцией типичных методов. Катализатор на носителе/материал электрода сначала получают в форме жидких чернил тщательным смешением соответствующих количеств катализатора на носителе (порошка металла, например, Pt, диспергированного на углероде) и раствора материала мембраны (иономера), растворенного в растворителе, например спирте. Как только образованы чернила, их наносят на поверхность твердой мембраны, например, Nafion, различными путями. Самый простой метод включает окрашивание каталитическими чернилами непосредственно сухой, твердофазной мембраны. Влажный слой катализатора на подложке и мембрану нагревают до тех пор, пока каталитический слой не высохнет. Затем мембрану переворачивают и операцию повторяют на другой стороне. Слои катализатора на носителе после этого находятся с обеих сторон мембраны. Затем сухой узел мембрана/электрод вновь гидратируют помещением в разбавленный раствор кислоты, чтобы также обеспечить, чтобы мембрана находилась в H+ форме, необходимой для работы топливного элемента. На конечной стадии ее тщательно промывают дистиллированной водой. Узел мембрана/электрод после этого готов для помещения в корпус топливного элемента. Узел мембрана/электрод может иметь общую толщину, например, примерно 200 мкм, и обычно генерирует ток больше чем 0,5 А на каждый квадратный см узла мембрана/электрод при напряжении между катодом и анодом 0,7 В, при помещении внутрь хорошо сконструированных компонентов. Катализатор на носителе/электрод. Катализатор на носителе/электрод настоящего изобретения описан выше. Катализатор на носителе/электрод может быть нанесен на мембрану УМЭ, которая рассмотрена ниже. Например, катализатор на носителе может быть добавлен к растворителю, и им может быть окрашена мембрана. Любой специалист в данной области сможет легко определить методы нанесения катализатора на носителе на мембрану. Переход мембрана/электролит. ПОМ несет необходимые протоны от анода к катоду, поддерживая газы в безопасно разделенном состоянии. Толщина мембраны в узле мембрана/электрод может изменяться в зависимости от типа мембраны. Толщина слоев катализатора на носителе зависит от того, как много металла использовано на каждом электроде. Например, для слоев катализатора на носителе, содержащих примерно 0,15 мг Pt/см 2, толщина слоя катализатора на носителе может приближаться к 10 мкм. Толщина слоя катализатора на носителе может составлять, например, примерно от 0,1 до примерно 50 мкм, в частности, порядка примерно от 20 до 30 мкм. Толщина выше примерно 50 мкм увеличивает проблемы массопереноса настолько, что оказываются неэффективными. Соответствующую толщину катализатора на носителе может определить любой специалист в данной области. Мембрана УМЭ может быть диэлектрическим, ионопроводящем материалом. Желательно, чтобы мембрана была достаточно долговечна, чтобы выдерживать условия внутри топливного элемента. Соответствующая мембрана может быть определена любым специалистом в данной области. Мембраной УМЭ может быть иономер, в частности перфторсульфированный иономер. Более конкретно, мембраной может быть катионообменный иономер на основе поли(тетрафторэтилена), такой какNafion представляет собой перфорированный полимер, который содержит небольшие количества сульфоновых или карбоновых ионных функциональных групп. Его общую химическую структуру можно видеть ниже, где X означает либо сульфоновую, либо карбоксильную функциональную группу, а М означает либо катион металла в нейтральной форме, либо H+ в кислотной форме. УМЭ включает анод, катод и мембрану. Анодом может быть электрод настоящего изобретения. Электрод должен быть электропроводящим,достаточно пористым, чтобы позволить реагентам диффундировать к металлу, и быть способным нести- 12011179 протоны к мембране. Катодом также может быть электрод настоящего изобретения. На фиг. 8 показан принцип работы УМЭ настоящего изобретения. Топливный элемент. Топливный элемент включает УМЭ, топливное питание и окислитель. Топливный элемент обычно включает УМЭ, задние слои, коллекторы поля потока/ток, топливное питание и окислитель. УМЭ. УМЭ описан выше. Задние слои. Корпус топливного элемента может включать задние слои. Слои обычно представляют собой слой,расположенный следом за анодом, и другой слой, расположенный следом за катодом, и изготовленные из пористой углеродной бумаги или углеродной ткани. Эти слои изготовлены из материала, который может проводить электроны, выходящие от анода и поступающие на катод. Задние слои являются коммерчески доступными и могут быть получены любым специалистом в данной области. Соответствующие задние слои могут быть выбраны любым специалистом в данной области. Коллекторы полей потока/тока. Корпус топливного элемента может включать коллекторы полей потока/тока. Прессованный к наружной поверхности каждого заднего слоя может представлять собой участок корпуса, называемый биполярной платиной, которая часто играет двоякую роль коллектора поля потока и тока. Пластины обычно выполнены из легкого, прочного, газонепроницаемого проводящего электроны материала; обычно используют графит, металлы или композиционные пластины. Биполярные пластины могут обеспечивать такое поле скоростей потока газа, как каналы, сформированные в пластине. Каналы несут реакционный газ от точки, в которой он входит в топливный элемент, до точки, из которой газ выходит. Рисунок, ширина и глубина существенно влияют на эффективность распределения газов равномерно по активной площади поверхности узла мембрана/электрод. Поле потока также влияет на подачу воды к мембране и отвод воды с катода. Биполярные пластины также могут служить коллекторами тока. Электроны, образованные при окислении водорода, могут быть проведены через анод, через задний слой и через пластину перед тем,как они выйдут из элемента, могут пройти через наружную цепь и вновь войти в элемент на катодную пластину. Поля скоростей потока и коллекторы тока являются коммерчески доступными и могут быть получены любым специалистом в данной области. Соответствующие поля потока и коллекторы тока могут быть выбраны специалистом в данной области. Устройство и способы настоящего изобретения целесообразны для использования при получении использовании топливных элементов. Другие области использования могут включать электроды и биполярные пластины (или пластины коллектора тока) в устройствах по преобразованию энергии (таких как топливные элементы, батареи или конденсаторы), когда существующие модифицированные углеродные продукты используются в комбинации с другими материалами. Способ. Окислительная полимеризация. Способ настоящего изобретения включает осуществление контакта мономера, образующего электропроводящий полимер и содержащий гетероатомы, с измельченным углеродистым материалом в присутствии окислителя, таким образом обеспечивая эффективные, одновременно протекающие процессы полимеризации мономера и прививки образующегося полимера к углеродистому материалу. Осуществление контакта может осуществляться, но не обязательно, в жидкой фазе. Может быть использован любой способ, который ускоряет окислительную полимеризацию. Специалист в данной области может определить, каким способом привить электропроводящий полимер (полимеризовать мономер) к углеродистому материалу, который обеспечивает реализацию целей и отличительных особенностей изобретения. После окислительной полимеризации может быть осуществлено прямое сульфирование. Прямое сульфирование может быть осуществлено, например, с использованием ацетилсульфоновой кислоты или хлорсульфоновой кислоты. В альтернативном варианте, в процессе окислительной полимеризации может быть использован сульфированный мономер, образующий электропроводящий полимер. Сульфированный мономер может быть получен различными способами; также сульфированные мономеры являются коммерчески доступными продуктами, например, Aldrich. Различные способы получения сульфированных мономеров известны специалистам в данной области. Примеры таких реакционных схем/методов включают следующие. Окислитель может быть добавлен в стехиометрическом количестве/молярном эквиваленте к количеству мономера. Например, молярное отношение мономера к окислителю 1:1 использовано для пред- 14011179 ставленных ниже примеров. Реакцию можно проводить при комнатной температуре и давлении. Конкретные примеры реакции представлены ниже в примерах. Реакцию можно проводить, например, при температурах до примерно 70 С. Конкретные примеры этих методов описаны ниже в примерах 1-5. Может быть использована водная суспензия углеродистого материала. Могут быть применены слегка кислые условия, такие как pH примерно от 4 до примерно 5. Время реакции может составлять,например, примерно 2 ч. Сульфирующим агентом могут быть различные сульфирующие агенты, например, хлорсульфоновая кислота или ацетилсульфоновая кислота. Ацетилсульфоновая кислота может быть образована in situ из уксусного ангидрида и концентрированной серной кислоты. Углеродистый материал. Измельченный углеродистый материал подробно описан выше в разделе Композиция. Электропроводящий полимер. Сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатомы, и соответствующий мономер также подробно описаны в разделе Композиция. Сульфированный полимер может быть образован при использовании несульфированных мономеров с последующим прямым сульфированием полимера или при использовании сульфированных мономеров. Окислитель. Реакцию можно осуществлять в присутствии окислителя. Окислитель использован для создания достаточных условий окисления для ускорения полимеризации мономера. В данной области известны различные окислители. Эти окислители являются легко доступными коммерческими продуктами или легко синтезируются известными специалистам в данной области методами. Выбор соответствующего окислителя для желательного использования легко определяется специалистами в данной области. Примеры окислителей, которые могут быть использованы, включают персульфат аммония, персульфат натрия, хлорид железа (III), пероксид водорода, перманганат калия, хлорат калия, хлорплатиновую кислоту или комбинации окислителей. Некоторые мономеры требуют более сильных окислителей, чем другие. Количество окислителя может быть скорее стехиометрическим относительно мономера, чем каталитическое количество. Специалист в данной области сможет определить условия, количество и сделать выбор окислителя для конкретной области использования. Сульфирующий агент. Сульфирующим агентом может быть любой сульфирующий агент. Не следует ожидать, что потребуется какой-то определенный сульфирующий агент или метод. Сульфирующие агенты являются коммерчески доступными продуктами. Специалистам известны различные методы сульфирования. Примеры сульфирующих агентов включают хлорсульфоновую кислоту или ацетилсульфоновую кислоту. Хлорсульфоновая кислота является коммерчески доступной. Ацетилсульфоновая кислота может быть образована in situ из уксусного ангидрида и концентрированной серной кислоты. Ацетилсульфоновую кислоту обычно получают in situ при использовании ее для сульфирования. Мономер или полимер могут быть сульфированы, например, при осуществлении контакта полимера с сульфирующим агентом в течение промежутка времени и концентрации, достаточных для присоединения сульфонатных групп к полимеру. Углерод с привитым электропроводящим полимером может быть приведен в контакт с сульфирующим агентом с сульфированием части электропроводящего полимера композиции. Добавление металла/металлизация. Металл может быть добавлен к углеродистому материалу с привитым полимером после его получения. Металл может быть добавлен металлизацией. Например, если металлом является платина, один из методов платинизации описан ниже. Специалист в данной области сможет выбрать метод металлизации для конкретной области использования. В данной области известны различные металлизирующие агенты. Эти металлизирующие агенты являются легко доступными коммерческими продуктами или легко синтезируются известными специалистам методами. Количество металлизирующего агента легко определяется специалистами в данной области для желательного использования. Платинизация. Платинизирующий агент может быть использован для присоединения платины к привитому углеродистому материалу. Известны различные платинизирующие агенты. Эти платинизирующие агенты являются легко доступными промышленными продуктами или легко синтезируются известными специалистам методами.- 15011179 Выбор соответствующего платинизирующего агента легко может быть сделан специалистами в данной области для желательного использования. Обычно может быть использовано что-то, содержащее желательный металл, например, любую соль или органическое соединение, содержащее металл. Примеры платинизирующих агентов, которые могут быть использованы, включают соли платины: хлорплатиновую кислоту, нитрат платины, галогениды платины, цианид платины, сульфид платины,платиноорганические соли или их комбинации. Количество платинизирующего агента легко определяется специалистами в данной области для желательного использования. Восстановитель. Восстановитель может быть использован для восстановления металла в металлическую форму. В данной области известны различные восстановители. Эти восстановители являются легко доступными коммерческими продуктами или легко синтезируются известными специалистам в данной области методами. Количество восстановителя для существующего метода всегда составляет избыток относительно стехиометрического. Выбор соответствующего восстановителя легко может быть сделан специалистами в данной области для желательного использования. Примеры восстановителей, которые могут быть использованы, включают формальдегид, муравьиную кислоту, боргидрид натрия, водород, гидразин, гидроксиламин или комбинации восстановителей. Примеры Следующие примеры представлены, чтобы обеспечить специалистов в данной области пониманием полной сущности изобретения и описанием того, как заявленные в формуле изобретения соединения,композиции, изделия, устройства и/или способы реализуются и оцениваются, и являются чисто пояснительными и не предназначены ограничивать объем притязаний того, что авторы рассматривают как изобретение. Предприняты попытки обеспечить точность в отношении числовых величин (например, количеств, температуры и т.д.), но некоторые ошибки и отклонения должны учитываться. Если не указано иначе, то части являются частями по массе, температура дана в С или является температурой окружающей среды, а давление является или приближается к атмосферному. Пример 1. Получение технического углерода с привитым сульфированным полианилином. Этот пример описывает прививку полианилина к поверхности технического углерода с использованием анилина и персульфата аммония с последующим прямым сульфированием. Готовят суспензию с использованием 100 г технического углерода CDX-975 (удельная поверхность по азоту NSA 240 м 2/г и поглощение масла 170 мл/100 г) (Columbian Chemical Company, Atlanta, GA) и 25 мл ледяной уксусной кислоты в 750 мл деионизированной (ДИ) воды. Типичные свойства CDX-975 20 г анилина (Aldrich, 98% чистота) добавляют к суспензии при непрерывном перемешивании. К суспензии технического углерода добавляют раствор, содержащий 45 г персульфата аммония в 250 мл деионизированной воды, и перемешивание продолжают при комнатной температуре в течение 2 ч. К суспензии добавляют раствор, содержащий 30 мл концентрированной H2SO4 и 60 мл уксусного ангидрида, и перемешивают при комнатной температуре в течение 1 ч. Суспензию технического углерода фильтруют, промывают деионизированной водой, сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся углеродный порошок содержит технический углерод с привитым сульфированным полианилином, как показано на схеме I, представленной на фиг. 2. Пример 2.- 16011179 Получение технического углерода с привитым сульфированным полипирролом. Этот пример описывает прививку полипиррола к поверхности технического углерода с использованием пиррола и раствора хлорида железа с последующим прямым сульфированием. Готовят суспензию с использованием 100 г технического углерода CDX-975 (удельная поверхность по азоту NSA 240 м 2/г и поглощение масла 170 мл/100 г) (Columbian Chemical Company, Atlanta, GA) и 25 мл ледяной уксусной кислоты в 750 мл деионизированной (ДИ) воде. 20 г пиррола (Aldrich) добавляют к суспензии при непрерывном перемешивании. К суспензии технического углерода добавляют 100 мл 3 М-го раствора FeCl3 и перемешивание продолжают при комнатной температуре в течение 1 ч. К суспензии добавляют раствор, содержащий 30 мл концентрированной H2SO4 и 60 мл уксусного ангидрида, и перемешивают при комнатной температуре в течение 1 ч. Суспензию технического углерода фильтруют, промывают деионизированной водой, сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся углеродный порошок содержит технический углерод с привитым сульфированным полипирролом, как показано на схеме I. Пример 3. Получение технического углерода с привитым сульфированным полипирролом. Настоящий пример описывает прививку полипиррола к поверхности технического углерода с использованием пиррола и раствора пероксида водорода с последующим прямым сульфированием. Готовят суспензию с использованием 100 г технического углерода CDX-975 (удельная поверхность по азоту NSA 240 м 2/г и поглощение масла 170 мл/100 г) (Columbian Chemical Company, Atlanta, Georgia) и 25 мл ледяной уксусной кислоты в 750 мл деионизированной (ДИ) воде. 20 г пиррола (Aldrich) добавляют к суспензии при непрерывном перемешивании. К суспензии технического углерода добавляют 100 мл 10%-го раствора H2O2 и перемешивание продолжают при комнатной температуре в течение 1 ч. К суспензии добавляют раствор, содержащий 30 мл концентрированной H2SO4 и 60 мл уксусного ангидрида, и перемешивают при комнатной температуре в течение 1 ч. Суспензию технического углерода фильтруют, промывают деионизированной водой, сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся углеродный порошок содержит технический углерод с привитым сульфированным полипирролом, как показано на схеме I, представленной на фиг. 3. Пример 4. Получение технического углерода с привитым сульфированным полианилином. Настоящий пример описывает прививку сульфированного полианилина к поверхности технического углерода с использованием 2-сульфоновой кислоты анилина и персульфата аммония. Готовят суспензию с использованием 100 г технического углерода CDX-975 (удельная поверхность по азоту NSA 240 м 2/г и поглощение масла 170 мл/100 г) (Columbian Chemical Company, Atlanta, GA) и 25 мл ледяной уксусной кислоты в 750 мл деионизированной (ДИ) воде. 30 г 2-сульфоновой кислоты анилина (Aldrich) растворяют в 100 мл деионизированной воды и добавляют к суспензии при непрерывном перемешивании. К суспензии технического углерода добавляют раствор, содержащий 45 г персульфата аммония в 250 мл деионизированной воды, и перемешивание продолжают при комнатной температуре в течение 2 ч. Суспензию технического углерода фильтруют, промывают деионизированной водой, сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся углеродный порошок содержит технический углерод с привитым сульфированным полианилином, как показано на схеме II. Пример 5. Получение технического углерода с привитым сульфированным полипирролом. Настоящий пример описывает прививку сульфированного полипиррола к поверхности технического углерода с использованием пиррол 3-сульфоновой кислоты и раствора пероксида водорода. Готовят суспензию с использованием 100 г технического углерода CDX-975 (удельная поверхность по азоту NSA 240 м 2/г и поглощение масла 170 мл/100 г) (Columbian Chemical Company, Atlanta, Giorgia) и 25 мл ледяной уксусной кислоты в 750 мл деионизированной (ДИ) воды. 30 г пиррол 3-сульфоновой кислоты (Aldrich) растворяют в 100 мл деионизированной воды и добавляют к суспензии при непрерывном перемешивании. К суспензии технического углерода добавляют 100 мл 10%-го раствора H2O2 и перемешивание продолжают при комнатной температуре в течение 1 ч. Суспензию технического углерода фильтруют, промывают деионизированной водой, сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся углеродный порошок содержит технический углерод с привитым сульфированным полипирролом, как показано на схеме II. Пример 6. Получение технического углерода с привитым сульфированным полианилином. Настоящий пример описывает прививку полианилина к поверхности технического углерода с использованием анилина и персульфата аммония с последующим прямым сульфированием.- 17011179 Готовят суспензию с использованием 100 г технического углерода CDX-975 (удельная поверхность по азоту NSA 240 м 2/г и поглощение масла 170 мл/100 г) (Columbian Chemical Company, Atlanta, GA) и 25 мл ледяной уксусной кислоты в 750 мл деионизированной (ДИ) воды. 20 г анилина (Aldrich, 98% чистота) добавляют к суспензии при непрерывном перемешивании. К суспензии технического углерода добавляют раствор, содержащий 45 г персульфата аммония в 250 мл деионизированной воды, и перемешивание продолжают при комнатной температуре в течение 2 ч. Образующийся технический углерод фильтруют и сушат. Раствор, содержащий 30 мл концентрированной H2SO4 и 60 мл уксусного ангидрида, добавляют к порошку и перемешивают при комнатной температуре в течение 1 ч. Образующийся углеродный порошок содержит технический углерод с привитым сульфированным полианилином, как показано на схеме I. Пример 7. Получение технического углерода с привитым сульфированным полипирролом. Настоящий пример описывает прививку полипиррола к поверхности технического углерода с использованием пиррола и раствора хлорида железа (III) с последующим прямым сульфированием. Готовят суспензию с использованием 100 г технического углерода CDX-975 (удельная поверхность по азоту NSA 240 м 2/г и поглощение масла 170 мл/100 г) (Columbian Chemical Company, Atlanta, GA) и 25 мл ледяной уксусной кислоты в 750 мл деионизированной (ДИ) воды. 20 г пиррола (Aldrich) добавляют к суспензии при непрерывном перемешивании. К суспензии технического углерода добавляют 100 мл 3 М-го раствора FeCl3 и перемешивание продолжают при комнатной температуре в течение 1 ч. Образующийся технический углерод фильтруют и сушат. Раствор, содержащий 30 мл концентрированной H2SO4 и 60 мл уксусного ангидрида, добавляют к порошку и перемешивают при комнатной температуре в течение 1 ч. Образующийся углеродный порошок содержит технический углерод с привитым сульфированным полипирролом, как показано на схеме I. Пример 8. Получение технического углерода с привитым сульфированным полипирролом. Настоящий пример описывает прививку полипиррола к поверхности технического углерода с использованием пиррола и раствора пероксида водорода с последующим прямым сульфированием. Готовят суспензию с использованием 100 г технического углерода CDX-975 (удельная поверхность по азоту NSA 240 м 2/г и поглощение масла 170 мл/100 г) (Columbian Chemical Company, Atlanta, Georgia) и 25 мл ледяной уксусной кислоты в 750 мл деионизированной (ДИ) воды. 20 г пиррола (Aldrich) добавляют к суспензии при непрерывном перемешивании. К суспензии технического углерода добавляют 100 мл 10%-го раствора H2O2 и перемешивание продолжают при комнатной температуре в течение 1 ч. Образующийся технический углерод фильтруют и сушат. Раствор, содержащий 30 мл концентрированной H2SO4 и 60 мл уксусного ангидрида, добавляют к порошку и перемешивают при комнатной температуре в течение 1 ч. Образующийся углеродный порошок содержит технический углерод с привитым сульфированным полипирролом, как показано на схеме I. Пример 6. Платинизация технического углерода с привитым сульфированным полианилином. Настоящий пример демонстрирует платинизацию технического углерода с привитым сульфированным полианилином с использованием хлорплатиновой кислоты и формальдегида. 4 г технического углерода с привитым сульфированным полианилином (полученного в примере 1) диспергируют в 300 мл ДИ воды. 200 мл 1%-го раствора хлорплатиновой кислоты добавляют по каплям в течение 1 ч при непрерывном перемешивании. pH суспензии доводят до величины 8,5 с использованием 1 М-го раствора бикарбоната натрия. 200 мл 3%-го раствора формальдегида добавляют в течение 1 ч и температуру поддерживают при 70 С в течение 1 ч. Суспензию охлаждают до комнатной температуры, фильтруют и промывают деионизированной водой. Технический углерод сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся катализатор на носителе содержал 20% платины с сульфированным полианилином, привитым к поверхности углерода,как показано на фиг. 4. Пример 7. Платинизация технического углерода с привитым сульфированным полианилином. Настоящий пример демонстрирует платинизацию технического углерода с привитым сульфированным полианилином с использованием хлорплатиновой кислоты и формальдегида в отсутствие основания.- 18011179 4 г технического углерода с привитым сульфированным полианилином (полученного в примере 1) диспергируют в 300 мл деионизированной воды. 200 мл 1%-го раствора хлорплатиновой кислоты добавляют по каплям в течение 1 ч при непрерывном перемешивании. 200 мл 3%-го раствора формальдегида добавляют в течение 1 ч и температуру поддерживают при 70 С в течение 1 ч. Суспензию охлаждают до комнатной температуры, фильтруют и промывают ДИ водой. Технический углерод сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся катализатор на носителе содержал 20% платины с сульфированным полианилином, привитым к поверхности углерода. Пример 8. Платинизация технического углерода с привитым сульфированным полипирролом. Настоящий пример поясняет платинизацию технического углерода с привитым сульфированным полипирролом с использованием хлорплатиновой кислоты и формальдегида. 4 г технического углерода с привитым сульфированным полипирролом (полученного в примере 3) диспергируют в 300 мл деионизированной воды. 200 мл 1%-го раствора хлорплатиновой кислоты добавляют по каплям в течение 1 ч при непрерывном перемешивании. pH суспензии доводят до величины 8,5 с использованием 1 М-го раствора бикарбоната натрия. 200 мл 3%-го раствора формальдегида добавляют в течение 1 ч и температуру поддерживают при 70 С в течение 1 ч. Суспензию охлаждают до комнатной температуры, фильтруют и промывают ДИ водой. Технический углерод сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся катализатор на носителе содержал 20% платины с сульфированным полипирролом, привитым к поверхности углерода, как показано на фиг. 5. Пример 9. Платинизация технического углерода с привитым сульфированным полипирролом. Настоящий пример демонстрирует платинизацию технического углерода с привитым сульфированным полипирролом с использованием хлорплатиновой кислоты и формальдегида в отсутствие основания. 4 г технического углерода с привитым сульфированным полипирролом (полученного в примере 3) диспергируют в 300 мл деионизированной воды. 200 мл 1%-го раствора хлорплатиновой кислоты добавляют по каплям в течение 1 ч при непрерывном перемешивании. 200 мл 3%-го раствора формальдегида добавляют в течение 1 ч и температуру поддерживают при 70 С в течение 1 ч. Суспензию охлаждают до комнатной температуры, фильтруют и промывают ДИ водой. Технический углерод сушат при 110 С в течение 4 ч и измельчают. Образующийся катализатор на носителе содержал 20% платины с сульфированным полипирролом, привитым к поверхности углерода. Пример 10. Сравнительные измерения электропроводимости. Электронную проводимость измеряют на прессованных таблетках технического углерода с использованием измерителя удельного сопротивления на четыре пробы (Loresta АР Resistivity, МСР 400, Mitsubishi Petrochemical Company, Tokyo, Japan). Используют метод измерения ASTM D257. Таблетки материала на основе технического углерода включают технический углерод с привитым несульфированным электропроводным полимером, технический углерод с привитым сульфированным электропроводным полимером из примера 1 и примера 3, представленных выше, и только технического углерода CDX-975 с Nafion. Измерения протонной проводимости проведены на основе метода, разработанного Saab et al., (Saabet al., J. Electrochem. Soc. 150, A214 (2203) и Saab et al., J. Electrochem. Soc. 149, A1514 (2002. Тонкими пленками из каждого материала покрывают субстрат из поликарбоната. Тонкую пленку Nafion(1100 экв. по массе) прикрепляют затем к субстрату рядом с материалом, в контакте по краю материала. Электрический контакт осуществляют с использованием серебряной краски. Измерения полного сопротивления осуществляют с использованием частотного анализатора Solarton 1255B Frequency ResponseAnalyzer, соединенного с электрохимической межфазной поверхностью Solarton 1287. Образец CDX-975 смешивают с Nafion для того, чтобы получить величины электропроводимости, так как образцы только одного углерода не обеспечивают достаточной протонной проводимости для проведения метода измерения. В следующей таблице (табл. 1) представлены сравнительные результаты измерений электронной и протонной проводимости перечисленных материалов. 2,5: 1 по массе CDX-975: Nafion 1100, Nafion добавлен для обеспечения измеряемой протонной проводимости и возможности получения образцов для испытаний (связующее).NA = нет характеристической проводимости у самихPPY = полипиррол Пример 11. Сравнительные измерения дисперсности металла. Образцы катализатора HiSPEC, содержащего 20% Pt, катализатора вышеописанного примера 6(фиг. 6), и катализатора вышеописанного примера 8 (фиг. 7) подвергают рентгеноструктурному анализу для определения распределения металла (Pt) внутри каждого из них. В следующей таблице (табл. 2) приведено сравнение распределения Pt на техническом углероде (по объему, средняя величина) в катализаторах на носителе настоящего изобретения относительно катализатора на носителе HiSPEC. Таблица 2 Рентгеноструктурный анализ распределения Pt в катализаторах на носителе из технического углерода Везде по тексту патента даны ссылки на различные публикации. Сущности этих публикаций во всей полноте включены в данное описание в качестве ссылок для того, чтобы более полно описать уровень техники, к которой относится настоящее изобретение. Специалистам в данной области будет ясно, что различные модификации и изменения могут быть сделаны в настоящем изобретении без отклонения от объема его притязаний или существа. Другие варианты осуществления изобретения будут очевидны специалистам в данной области из рассмотрения описания изобретения и осуществления изобретения, описанного в данном патенте. Предполагается, что описание и примеры должны быть рассмотрены только как пояснительные, а полный объем притязаний и сущность изобретения сформулированы в следующей формуле изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Каталитическая композиция, включающая измельченный углеродистый материал, сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатом, и частицы металла, однородно распределенные в композиции, причем сульфированный электропроводящий полимер привит к углеродистому материалу. 2. Композиция по п.1, в которой углеродистым материалом является технический углерод. 3. Композиция по п.1, в которой углеродистый материал включает графит, наноуглерод, фуллерен,- 20011179 фуллереновый материал, тонко измельченный углерод или их смеси. 4. Композиция по п.1, в которой углеродистый материал составляет меньше, чем 98% композиции. 5. Композиция по п.1, в которой углеродистый материал составляет от 50 до 80% композиции. 6. Композиция по п.1, в которой электропроводящий полимер включает полианилин, полипиррол,полифуран, политиофен или их смеси. 7. Композиция по п.1, в которой электропроводящий полимер включает полианилин, полипиррол,полифуран, политиофен, поли(п-фениленоксид), поли(п-фениленсульфид), их замещенный электропроводящий полимер или их смеси. 8. Композиция по п.1, в которой гетероатомом является N, О или S. 9. Композиция по п.1, в которой гетероатом составляет 0,2-15 ат.% композиции согласно данным химического анализа методом сканирования электронов (ЭСХА). 10. Композиция по п.1, в которой электропроводящий полимер составляет от 2 до 50% композиции. 11. Композиция по п.1, в которой сульфированный электропроводящий полимер составляет от 20 до 50% композиции. 12. Композиция по п.1, в которой полимер включает от примерно 0,1 до примерно 3 эквивалентов сульфонатных групп на мономерное звено. 13. Композиция по п.12, в которой полимер включает примерно 0,4 эквивалента сульфонатных групп на мономерное звено. 14. Композиция по п.12, в которой полимер включает примерно 1 эквивалент сульфонатных групп на мономерное звено. 15. Композиция по п.12, в которой полимер включает примерно 2 эквивалента сульфонатных групп на мономерное звено. 16. Композиция по п.1, в которой сульфированный полимер одновременно образуется и прививается путем окислительной полимеризации мономера, образующего электропроводящий полимер, в присутствии углеродистого материала с последующим прямым сульфированием образующегося полимеруглеродистого материала. 17. Композиция по п.1, в которой сульфированный полимер одновременно образуется и прививается путем окислительной полимеризации сульфированного мономера, образующего электропроводящий полимер, в присутствии углеродистого материала. 18. Композиция по п.1, в которой металлом является платина. 19. Композиция по п.1, в которой от примерно 2 до примерно 80% композиции составляет металл. 20. Композиция по п.1, в которой от примерно 2 до примерно 60% композиции составляет металл. 21. Композиция по п.1, в которой от примерно 20 до примерно 40% композиции составляет металл. 22. Композиция по п.1, которая является измельченной. 23. Способ получения каталитической композиции, включающий окислительную полимеризацию мономера электропроводящего полимера, содержащего гетероатом, с измельченным углеродистым материалом с образованием углеродистого материала с привитым электропроводящим полимером, причем либо мономер сульфирован, либо полимер последовательно сульфирован с образованием углеродистого материала с привитым сульфированным электропроводящим полимером, с последующей металлизацией углеродистого материала с привитым сульфированным электропроводящим полимером. 24. Способ по п.23, в котором углеродистый материал включает графит, наноуглерод, фуллерен,фуллереновый материал, тонко измельченный углерод или их смесь. 25. Способ по п.23, в котором углеродистым материалом является технический углерод. 26. Способ по п.23, в котором мономер электропроводящего полимера включает аминоарил или азотсодержащий гетероцикл. 27. Способ по п.23, в котором окислительная полимеризация протекает в присутствии окислителя. 28. Способ по п.23, в котором окислительная полимеризация включает добавление окислителя к смеси углеродистого материала и мономера электропроводящего полимера. 29. Способ по п.28, в котором смесь углеродистого материала и мономера электропроводящего полимера дополнительно включает кислотный растворитель, в результате чего смесь образует слабо кислую среду. 30. Способ по п.29, в котором слабо кислая среда имеет рН менее 7. 31. Способ по п.29, в котором слабо кислая среда имеет рН от примерно 3 до примерно 4. 32. Способ по п.28, в котором окислителем является персульфат аммония, персульфат натрия, хлорид железа(III), хлорид алюминия, пероксид водорода, перманганат калия, перманганат натрия, хлорат калия или комбинация окислителей. 33. Способ по п.23, в котором электропроводящий полимер включает полианилин, полипиррол, полифуран, политиофен, поли(п-фениленоксид), поли(п-фениленсульфид), их замещенный электропроводящий полимер или их смесь. 34. Способ по п.23, в котором полимер непосредственно сульфирован после окислительной полимеризации мономера с углеродистым материалом. 35. Способ по п.23, в котором мономер представляет собой сульфированный мономер электропро- 21011179 водящего полимера. 36. Способ по п.34, в котором прямое сульфирование осуществляют добавлением сульфирующего агента. 37. Способ по п.35, в котором сульфирующим агентом является хлорсульфоновая кислота. 38. Способ по п.35, в котором сульфирующим агентом является ацетилсульфоновая кислота. 39. Способ по п.23, в котором металлизация включает добавление металлсодержащего материала к углеродному материалу с привитым электропроводящим полимером. 40. Способ по п.39, в котором металлизация дополнительно включает добавление восстановителя. 41. Способ по п.23, в котором металлизацией является платинизация. 42. Способ по п.40, в котором восстановитель включает формальдегид, боргидрид натрия, водород,гидразин, гидроксиламин или их смесь. 43. Способ по п.39, в котором металлосодержащий материал включает хлорплатиновую кислоту,нитрат платины, галогенид платины, цианид платины, сульфид платины, платиноорганическую соль или их смесь. 44. Каталитическая композиция, полученная способом по п.23. 45. Топливный элемент, включающий анод, катод и протонообменную мембрану, в котором анод и/или катод имеет в своем составе композицию, содержащую измельченный углеродистый материал,сульфированный электропроводящий полимер, содержащий гетероатом, и металл, причем электропроводящий полимер привит к углеродистому материалу. 46. Топливный элемент по п.45, в котором металлом является платина.
МПК / Метки
МПК: H01M 8/10, H01B 1/00, H01B 1/02, H01B 1/04
Метки: элементах, сульфированным, углеродный, электропроводящим, использования, полимером, материал, топливных, привитым
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/26-11179-uglerodnyjj-material-s-sulfirovannym-elektroprovodyashhim-privitym-polimerom-dlya-ispolzovaniya-v-toplivnyh-elementah.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Углеродный материал с сульфированным электропроводящим привитым полимером для использования в топливных элементах</a>
Углеродный материал с привитым проводящим полимером для применения в топливных элементах
Номер патента: 9404
Опубликовано: 28.12.2007
Автор: Боллепалли Сринивас
МПК: H01B 1/04, H01B 1/00, H01B 1/02...
Метки: проводящим, углеродный, материал, полимером, элементах, применения, топливных, привитым
Формула / Реферат:
1. Композиция на основе углеродного материала, привитого проводящим полимером, для изготовления элементов электротехнического устройства, содержащая мелкодисперсный углеродный материал, проводящий полимер, содержащий гетероатом, и металл, однородно распределенный через всю композицию, в которой проводящий полимер привит на углеродный материал. 2. Композиция по п.1, в которой углеродным материалом является углеродная сажа. 3. Композиция по...
Протонопроводящий углеродный материал
Номер патента: 9587
Опубликовано: 28.02.2008
Авторы: Дотсон Андерсон О., Боллепалли Сринивас
Метки: материал, протонопроводящий, углеродный
Формула / Реферат:
1. Преобразующее энергию устройство, включающее электролит, электроды и/или биполярную пластину, где электрод и/или биполярная пластина выполнены из материала, содержащего мелкодисперсный сульфированный углеродный материал. 2. Устройство по п.1, где углеродный материал содержит углеродную сажу. 3. Устройство по п.1, где углеродный материал содержит графит, наноуглерод, фуллерен, фуллереновый материал, мелкодисперсный углерод или их смесь. 4....
Высоковлажный материал для кормления птицы и других животных и способ его использования
Номер патента: 1648
Опубликовано: 25.06.2001
Авторы: Дибнер Джулия Дж., Найт Кристофер Д., Иви Фрэнсиз Дж.
МПК: A23K 1/00
Метки: других, птицы, способ, кормления, использования, материал, животных, высоковлажный
Формула / Реферат:
1. Способ повышения здоровья, жизнеспособности, общего привеса или эффективности усвоения корма у птицы, предусматривающий предоставление птице до того, как ей будет позволено принимать сухой корм вдоволь, высоковлажного материала, содержащего, по меньшей мере, 20 вес.% воды, усвояемые углеводы, источник аминокислот и, возможно, жир, причем указанный материал выполнен в форме геля, содержащего твердые частицы, который не выделяет воду в...
Гидрофильные полимеры и их использование в электрохимических элементах
Номер патента: 6564
Опубликовано: 24.02.2006
Автор: Хайгейт Дональд Джеймс
МПК: C08F 226/00, C08F 26/00, C25B 9/02...
Метки: элементах, гидрофильные, электрохимических, использование, полимеры
Формула / Реферат:
1. Мембранно-электродный узел, содержащий электроды и ионообменную мембрану, которая содержит гидрофильный полимер, получаемый путем сополимеризации гидрофобных и гидрофильных мономеров, которые при полимеризации дают гидрофильный полимер; мономера, включающего сильно ионную группу; и воды. 2. Мембранно-электродный узел по п.1, который содержит по меньшей мере один заданный канал, для переноса жидкого или газообразного реакционного компонента по...
Система многосекционных топливных элементов
Номер патента: 2216
Опубликовано: 28.02.2002
Авторы: Грин Кевин Джон, Крукшэнк Джон Малкольм, Сли Ранульф, Лэйкман Джон Барри
МПК: H01M 8/02
Метки: многосекционных, элементов, топливных, система
Формула / Реферат:
1. Система многосекционных топливных элементов, содержащая цилиндрическую оправку, перезаряжаемый источник водородного топлива и большое количество секций топливного элемента, при этом оправка содержит последовательность взаимосвязанных модулей, и каждый модуль оправки перфорирован для обеспечения возможности прохождения топлива к секциям топливного элемента, причем каждую секцию топливного элемента располагают радиально наружу от оправки и...
Предыдущий патент: Многослойный материал
Следующий патент: Способ осуществления электрохимической реакции в электрохимическом элементе
Случайный патент: Портативный проигрыватель компакт-дисков