專利名稱：：多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明整體涉及具有增大的表面積的納米結(jié)構(gòu)化薄膜和制造此類薄膜的方法。
背景技術(shù)：
：諸如質(zhì)子交換膜燃料電池、傳感器、電解裝置、氯堿分離膜之類的電化學(xué)裝置，已由膜電極組件構(gòu)造出來。例如，一種用于典型電化學(xué)電池的MEA包括接觸陽極和陰極的離子傳導(dǎo)膜(ICM)。所述陽極/膜/陰極結(jié)構(gòu)以類似三明治的形式被夾在稱為擴(kuò)散集電器(DCC)的兩層多孔的導(dǎo)電元件之間，從而形成一個五層的MEA。陽極產(chǎn)生的離子被傳送到陰極，從而允許電流在連接電極的外部電路中流動。所述ICM通常包含聚合物電解質(zhì)材料，所述材料可構(gòu)成自身的結(jié)構(gòu)支持或被包含于多孔結(jié)構(gòu)膜中。陽離子-或質(zhì)子-傳送聚合物電解質(zhì)材料可為包含陰離子基團(tuán)的聚合物鹽，且通常被部分氟化或全部氟化。燃料電池MEA已經(jīng)通過使用催化劑電極進(jìn)行構(gòu)造，其中所述催化劑電極的形式為鉑或碳支持的鉑催化劑的施用分散體。一種用于聚合物電解質(zhì)膜的催化劑形式為通過濕化學(xué)方法(諸如氯鉑酸還原法)涂布于大碳粒上的鉑或鉑合金。這種形式的催化劑通過離聚物粘結(jié)劑、溶劑、及通常的聚四氟乙烯(PTFE)顆粒進(jìn)行分散以形成施用到膜或擴(kuò)散集電器上的墨水、糊劑或分散體。更近一些時候，催化劑層通過以承載顆?；虼呋瘎┎牧媳∧さ募{米結(jié)構(gòu)化支承元件來形成。所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑電極可被集成到非常薄的ICM表面層，使催化劑顆粒密集分布。與使用分散體方法所形成的催化劑層相比，使用納米結(jié)構(gòu)化薄膜(NSTF)催化劑層可獲得更高的催化劑利用率，并獲得更耐用的催化劑。本發(fā)明描述制造用于化學(xué)和電化學(xué)裝置的增強(qiáng)催化劑層的方法，提供現(xiàn)有技術(shù)所不及的各種優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種具有增大的表面積的多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜以及制造這種薄膜的方法。本發(fā)明的一個實(shí)施例涉及一種包含多個納米結(jié)構(gòu)化層的制品，所述納米結(jié)構(gòu)化層包含針狀納米結(jié)構(gòu)化支承元件。在各個具體實(shí)施中，所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件可具有小于0.1Mm的平均橫截面尺寸和一個大于0.6/mi的長度。每個納米結(jié)構(gòu)化層的納米結(jié)構(gòu)化支承元件面密度范圍可以為約每平方厘米107至約1011個納米結(jié)構(gòu)化支承元件。每個納米結(jié)構(gòu)化層可具有約0.3至約1.3|tmi的厚度。每個多層薄膜可具有約2至10層。所述納米材料支承元件可由諸如C丄PIGMENT149(本文表示為"茈紅")之類的有機(jī)物為主的材料形成。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述納米結(jié)構(gòu)化層的納米結(jié)構(gòu)化支承元件可用以形成納米結(jié)構(gòu)化薄膜催化劑層。在這些具體實(shí)施中，對所述多層結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)化支承元件涂布催化劑材料的適形涂層。所述納米結(jié)構(gòu)化元件的多層薄膜可形成于一個基底上。所述基底可為多孔狀和/或具有顯微織構(gòu)表面。例如，多個納米結(jié)構(gòu)化層可置于一個離子傳導(dǎo)膜的表面或一個擴(kuò)散集電器上。通過所述多層薄膜形成的催化劑層可用以形成膜電極組件，其中所述膜電極組件進(jìn)而可集成到各種諸如離子交換膜(PEM)燃料電池和/或電解裝置之類的電化學(xué)裝置中。在其它應(yīng)用中，所述多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜可用于過濾器、光吸收體、光伏裝置、傳感器、柔性電路和/或生物吸附支承應(yīng)用中等。本發(fā)明的另一個實(shí)施例涉及多個納米結(jié)構(gòu)化層的形成方法。第一層材料沉積到基底上，并通過退火形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第一層。第一層納米結(jié)構(gòu)化支承元件生長點(diǎn)通過例如將諸如金屬的錮囚材料沉積到第一層的納米結(jié)構(gòu)化支承元件上進(jìn)行錮囚。第二層材料沉積到所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第一層上。第二層材料通過退火形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第二層。第一和第二層材料可包括諸如茈紅的有機(jī)物為主的材料。所述多層的形成可涉及將第一和第二材料層在約230°C至約270°C的溫度下退火約3分鐘至約60分鐘。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種諸如鉑族金屬之類的催化劑材料可沉積到第一和第二層上，以適形地涂布第一和第二層的納米結(jié)構(gòu)化支承元件。根據(jù)一個實(shí)施方式，所述多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜可轉(zhuǎn)移到離子傳導(dǎo)膜的至少一個表面，以形成催化劑涂布膜。根據(jù)另一個實(shí)施方式，所述多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜可在擴(kuò)散集電器上形成。所述催化劑涂布的多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜可集成至膜電極組件中。以上對本發(fā)明的概述并非旨在說明本發(fā)明的每個實(shí)施例或每個實(shí)施方式。參見以下結(jié)合附圖的具體實(shí)施方式和權(quán)利要求，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和成效將顯而易見，這樣就能更全面地理解和領(lǐng)會本發(fā)明。圖1為根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的制造方法流程圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的催化劑涂布的離子傳導(dǎo)膜的制造方法流程圖；圖3為一個表面的橫截面電子顯微圖，在所述表面上，納米結(jié)構(gòu)化薄膜符合根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的顯微織構(gòu)形狀；圖4A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用一個或多個納米結(jié)構(gòu)化催化劑層的燃料電池；圖4B示出包含MEA的一體式電池組合件的一個實(shí)施例，其中所述MEA具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例成型的納米結(jié)構(gòu)化催化劑層；圖5-8描述幾個系統(tǒng)，其中可能利用本文所述實(shí)施例中示出的燃料電池組合件；圖9A為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，具有兩層納米結(jié)構(gòu)化支承元件的樣品的SEM剖視圖；圖9B為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，具有四層納米結(jié)構(gòu)化支承元件的樣品的SEM剖視圖；圖10A和圖10B示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，在顯微織構(gòu)基底上的一個雙層納米結(jié)構(gòu)化薄膜在兩個放大倍數(shù)下的SEM剖視圖。雖然本發(fā)明可以有各種修改形式和替代形式，本文仍以舉例的方式在圖中示出具體細(xì)節(jié)，并將對其進(jìn)行詳細(xì)描述。然而應(yīng)當(dāng)了解，這并非旨在將本發(fā)明的范圍限定在所描述的具體實(shí)施例中。相反，本發(fā)明涵蓋所有在所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明范圍之內(nèi)的修改形式、等同物及替代形式。具體實(shí)施方式在以下對示出的實(shí)施例進(jìn)行的描述中將參考附圖，附圖是本文的一部分，其中以舉例說明的方式示出了可以實(shí)施本發(fā)明的多種實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，可以利用所述實(shí)施例，而且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的更改而不脫離本發(fā)明的范圍。表面或薄膜的一個重要特性是其表面積。表面吸附分子的能力以及不同分子或同種分子之間的反應(yīng)程度直接取決于可利用的表面積。在異質(zhì)化學(xué)催化和電化學(xué)催化中，在表面發(fā)生的過程的有效性取決于表面積的量。能夠控制并增大表面積將是有利的。形成結(jié)構(gòu)化支承元件(微觀結(jié)構(gòu)化和/或納米結(jié)構(gòu)化支承元件)可增大層的表面積。本發(fā)明涉及多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜、集成多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的制品、以及制造此類薄膜的方法。多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的每層都具有許多納米結(jié)構(gòu)化支承元件或晶須。例如，多層薄膜的每層可具有每平方厘米約107個至約1011個納米結(jié)構(gòu)化支承元件的納米結(jié)構(gòu)化支承元件的面密度。所述多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜可包含任何數(shù)量的層。例如，層數(shù)可以在約2層至約10層的范圍內(nèi)。與單層薄膜相比，可形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件的面積數(shù)量密度(個/平方厘米)更大的多層薄膜，從而提供更大的表面積以支承催化劑顆粒。面積數(shù)量密度更高的催化劑支承元件可以獲得更高的單位質(zhì)量面積(m2/g)。對于其中官能團(tuán)活性與可用來支承表面活性顆?；虮∧ね繉拥谋砻娣e有關(guān)的設(shè)備來說，本文所述的多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜尤其有用。本文所提供的實(shí)例主要涉及燃料電池應(yīng)用。然而，所述多層納米結(jié)構(gòu)化層可用于各種化學(xué)裝置和電化學(xué)裝置，包括，例如，過濾器、光吸收體、電池、電解裝置、光伏裝置、傳感器、柔性電路、改質(zhì)裝置、催化轉(zhuǎn)化器、氧化裝置和/或生物吸附支撐件及其它裝置。本文實(shí)施例中所述的多層薄膜可用于形成催化劑層，所述催化劑層用于膜電極組件(MEA)。在這些應(yīng)用中，催化劑層的表面積與其在燃料電池或其它電化學(xué)裝置中的性能相關(guān)。所述納米結(jié)構(gòu)化薄膜催化劑的表面積取決于出現(xiàn)在不同空間等級中的至少四個主要特性。這些特性包括每一個納米結(jié)構(gòu)化支承元件上催化劑涂層的表面粗糙度，具有催化劑涂層的納米結(jié)構(gòu)化元件的平均幾何表面積，該元件可近似直圓柱體，單位面積上的支承元件數(shù)量，以及納米結(jié)構(gòu)化支承元件在其上"生長"的基底表面積。對于第一近似值，單個納米結(jié)構(gòu)化薄膜的幾何表面積只需通過將單個納米結(jié)構(gòu)化元件作為具有光滑表面、直徑為W、長度為L、以及數(shù)量密度為N個/平方厘米的直圓柱體進(jìn)行計算。為簡便起見，忽略納米結(jié)構(gòu)化元件頂端的面積，單位平面面積上薄膜的表面積被簡化為S二ttWxLxN。此外，如果所述納米結(jié)構(gòu)化元件的表面不光滑，而是相比光滑表面具有粗糙系數(shù)R，(>1)那么S-ttWxLxNxR。最后，如果所述納米結(jié)構(gòu)在更大規(guī)模的微結(jié)構(gòu)基底上生長，該微結(jié)構(gòu)基底面積大于平面殼體，且兩者之比為a，那么S=QttWxLxNxR。根據(jù)此S的表達(dá)式可以看出有五個參數(shù)，也就是說，有五種方法可以增加S的值。本文所述的多層薄膜在每個單位面積上以更大的密度N提供納米結(jié)構(gòu)化元件，從而增加所述催化劑層的表面積S。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的形成方法在圖1的流程圖中示出。該方法生成多層針狀納米結(jié)構(gòu)化支承元件。所述方法涉及將第一層材料沉積到基底上(110)，以及在第一個退火步驟中形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件(120)。第一層納米結(jié)構(gòu)化支承元件的增長被抑制(125)。例如，將一種錮囚材料沉積到所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件上。該錮囚材料抑制納米結(jié)構(gòu)化支承元件的進(jìn)一步增長。第二層材料沉積到納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第一層上(130)。第二退火步驟140生成納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第二層。還可形成附加層的納米結(jié)構(gòu)化支承元件。例如，可形成約2至約10個層。所述薄膜的表面積可通過倍數(shù)因子增加，倍數(shù)因子等于層疊的納米結(jié)構(gòu)化支承元件的層數(shù)。可用于沉積所述納米結(jié)構(gòu)化層的基底材料包括那些能夠在汽相沉積和退火步驟中施加的溫度和真空條件下仍能保持完整性的材料。所述基底可為柔性的或剛性的，平面的或非平面的，凸面的或凹面的，具有紋理的，或以上特征的組合。所述基底可由例如多孔材料制得，所述多孔材料可用于過濾應(yīng)用。優(yōu)選的基底材料包括有機(jī)材料和無機(jī)材料(包括，例如玻璃、陶瓷、金屬和半導(dǎo)體)。優(yōu)選的無機(jī)基底材料是玻璃或金屬。一種優(yōu)選的有機(jī)基底材料是聚酰亞胺。更為優(yōu)選的是，如果所述基底材料為非金屬，則用10-70nm厚的電導(dǎo)金屬層對其進(jìn)行金屬化，以消除靜電荷或提供有用的光學(xué)特性。所述層可為不連續(xù)層。具有代表性的有機(jī)基底材料包括那些在退火溫度下仍能保持穩(wěn)定性的材料，例如，諸如聚酰亞胺膜(例如可從DuPontElectronics,Wilmington,Del.以商標(biāo)名"KAPTON"商購獲得)之類的聚合物、高溫穩(wěn)定性聚酰亞胺、聚酯、聚酰胺和聚芳酰胺?？捎糜诨椎慕饘侔ǎ玟X、鈷、鉻、鉬、鎳、鉑、鉭，或它們的組合?？捎糜诨撞牧系奶沾砂?，例如，諸如氧化鋁和二氧化硅之類的金屬或非金屬氧化物。一種可用的無機(jī)非金屬材料是硅。所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件可具有多種取向以及直曲形狀(例如，須狀、桿狀、錐狀、角錐狀、球狀、圓柱狀、條板狀、管狀及類似形狀，這些形狀可以是扭曲的、彎曲的、中空或直的。所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件可通過諸如C丄顏料紅149(茈紅)之類的有機(jī)顏料來形成。用于支承元件的材料優(yōu)選在沉積到基底時能夠形成連續(xù)的層。在一些應(yīng)用中，所述連續(xù)層的厚度范圍為約1納米至約1000納米。以引用的方式并入本文中的共同擁有的美國專利4,812352、5,879,827和6,136,412描述了形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件的方法。制造有機(jī)納米結(jié)構(gòu)化層的方法公開于于MaterialsScienceandEngineering,A158(1992)，pp.l-6;J.Vac.Sci.Technol.A，5(4)，July/August,1987，pp.1914-16;J.Vac.Sci.Technol.A,6，(3)，May/August,1988,pp.1907-11;ThinSolidFilms,186，1990，pp.327-47;J.Mat.Sci.，25，1990，pp.5257-68;RapidlyQuenchedMetals，Proc.oftheFifthInt.Conf.onRapidlyQuenchedMetals,Wurzburg，Germany(Sep.3-7，1984)，S.Steebetal.，eds.，ElsevierSciencePublishersB.V.，NewYork,(1985),pp.1117-24;Photo.Sci.和Eng.,24，(4),July/August,1980，pp.211-16;和美國專利No.4，568，598、No.4，340，276，所述專利公開以引用的方式并入本文。使用碳納米管陣列的催化劑層的特性公開于"HighDispersionandElectrocatalyticPropertiesofPlatinumonWell-AlignedCarbonNanotubeArrays"(Carbon42(2004)191-197)一文中。納米結(jié)構(gòu)生長于其上的材料的沉積可涉及使用本領(lǐng)域中所知的向基底上帶有機(jī)材料層的技術(shù)將一層有機(jī)顏料涂布于基底上，這些技術(shù)包括，例如，氣相沉積(如真空蒸發(fā)、升華以及化學(xué)氣相沉積)、溶液涂布或分散體涂布(如浸涂、噴涂、旋涂、刮涂、刀涂、棒涂、輥涂、傾涂(即將一種液體傾倒于表面并使流體流過該表面)。在一個實(shí)施例中，茈紅或其它適宜材料的一個有機(jī)層通過物理真空汽相沉積(即，所述有機(jī)材料在一種施加的真空條件下升華)進(jìn)行涂布。例如，所述茈紅層的厚度范圍可為約0.03至約所述有機(jī)層在真空(即，低于約0.1帕斯卡)條件下于第一退火步驟中進(jìn)行退火，以使所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件從已經(jīng)沉積的茈紅之中長出。所述涂布茈紅可在例如約160至約27CTC的溫度范圍中進(jìn)行退火。將初始有機(jī)材料層轉(zhuǎn)化為所述納米結(jié)構(gòu)化層的退火時間取決于退火溫度。通常，退火時間在約2分鐘至約6小時的范圍內(nèi)即足夠。例如，退火時間可在約20分鐘至約4小時的范圍內(nèi)。對于茈紅，據(jù)觀察，轉(zhuǎn)化基13于厚度為約0.05至約0.15/mi的初始有機(jī)層，退火溫度在約245至約270°C的范圍內(nèi)。納米結(jié)構(gòu)生長的基本機(jī)制產(chǎn)生于在已沉積層上升起的螺型位錯，所述沉積層作為具有取向的、離散的晶須的生長點(diǎn)。當(dāng)薄膜在真空中被加熱(退火)時，所述2萘嵌苯分子在表面擴(kuò)散并到達(dá)所述錯位點(diǎn)(而不是再升華)，于是所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件開始生長。通過上述方法初步形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件之后，納米結(jié)構(gòu)化支承元件的進(jìn)一步生長被抑制。例如，所述支承元件的進(jìn)一步生長可通過在支承元件上沉積錮囚材料進(jìn)行抑制。所述錮囚材料可為無機(jī)材料，或為包括聚合材料的有機(jī)材料?？捎玫腻d囚材料包括任何金屬或其它可進(jìn)行原子沉積或以足夠小(能錮囚納米結(jié)構(gòu)化元件的螺型位錯生長點(diǎn))的分子沉積的材料。例如，所述錮囚材料可包含鉑、鈀、金、釕等。錮囚材料的優(yōu)選厚度通常在約0.2至約50nm的范圍內(nèi)。所述錮囚材料可通過傳統(tǒng)技術(shù)沉積在所述納米結(jié)構(gòu)化層上。任何能夠避免所述納米結(jié)構(gòu)化層被機(jī)械力干擾的方法都可用于沉積所述錮囚材料。適宜的方法包括，例如，氣相沉積(如真空汽化、噴涂以及化學(xué)氣相沉積)、溶液涂布或分散體涂布(如浸涂、噴涂、旋涂、傾涂(即，將一種液體傾倒于表面，并使此液體流過所述納米結(jié)構(gòu)化層，隨后用溶劑移除)、浸沒涂布(即，將所述微結(jié)構(gòu)層浸入一種溶液中，通過足夠時間的浸泡使得所述微結(jié)構(gòu)層從溶液中吸附分子，或從一種分散體中吸附膠?；蚱渌w粒、電鍍以及無電鍍。所述錮囚材料可通過氣相沉積的方法進(jìn)行沉積，諸如，例如，離子濺射沉積、陰極電弧沉積、氣相凝結(jié)、真空升華、物理氣相傳輸、化學(xué)氣相傳輸、以及金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積。在一些實(shí)施例中，適形涂層材料為催化金屬或金屬A會PI血o對初始納米結(jié)構(gòu)化支承元件的生長進(jìn)行抑制后，將第二層材料沉積到已有的納米結(jié)構(gòu)化支承元件上。例如，可用真空涂層的方法將諸如茈紅或其它已為人們所知的能夠產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)化層的材料在室溫下或接近室溫的溫度下涂布于已有的納米結(jié)構(gòu)化支承元件上。在所述的第二材料沉積步驟之后是第二退火步驟。第二沉積步驟和退火步驟形成納米結(jié)構(gòu)的第二層。在一個實(shí)施方式中，第二沉積步驟可涉及厚度約為500埃的茈紅的涂布。然后將此組件在約160至約270°C的溫度范圍下進(jìn)行第二次退火，退火時間為約2分鐘至約6小時。通過本文所述工藝所獲得的多層薄膜納米結(jié)構(gòu)化支承元件可具有大于約0.6/mi的垂直尺寸和約0.03/zm至約0.1/mi的水平尺寸。所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件可具有約3:1至約100:1的縱橫比(長度/平均橫截面尺寸)。在一些實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)化支承元件的每層具有約0.3至約1.3pm的厚度。可用于形成納米結(jié)構(gòu)化層的有機(jī)材料包括，例如包含鏈或環(huán)的平面分子，所述鏈或環(huán)上的7T-電子密度廣泛移位。這些有機(jī)材料通常以交叉縫式構(gòu)造結(jié)晶。例如，在一些實(shí)施例中，使用大致分為多環(huán)芳香烴和雜環(huán)芳香化合物的有機(jī)材料。這些材料包括，例如，萘、菲、2萘嵌苯、蒽、六苯并苯和芘。如上文所述，一種可用的多環(huán)芳香烴是N,N'-2(3,5-2甲苯基)2萘嵌苯-3，4，9，10雙(2甲酰亞胺)(可從AmericanHoechstCorp.ofSomerset,N丄以商業(yè)名稱"C丄PIGMENTRED149"商購獲得)，本文中稱為"茈紅"?？捎糜谥圃旒{米結(jié)構(gòu)化層的無機(jī)材料包括，例如，碳、類金剛石碳、碳納米管、陶瓷(例如，諸如氧化鋁、2氧化硅、氧化鐵和氧化銅之類的金屬或非金屬氧化物；諸如氮化硅、氮化鈦之類的金屬或非金屬氮化物；諸如碳化硅之類的金屬或非金屬碳化物；諸如硼化鈦之類的金屬或非金屬硼化物)；諸如硫化鎘和硫化鋅之類的金屬或非金屬硫化物；諸如硅化鎂、硅化鈣和硅化鐵之類的金屬硅化物；金屬(例如，諸如金、銀、鉑、鋨、銥、鈀、釕、銠之類的貴金屬及其合金；諸如鈧、釩、鉻、錳、鈷、鎳、銅、鋯之類的過渡金屬及其合金；諸如鉍、鉛、銦、銻、錫、鋅、鋁之類的低熔點(diǎn)金屬及其合金；諸如鴿、錸、鉭、鉬之類的難熔金屬及其合金)；以及半導(dǎo)體材料(例如，金剛石、鍺、硒、砷、硅、碲、砷化鎵、銻化鎵、磷化鎵、銻化鋁、銻化銦、氧化銦錫、銻化鋅、磷化銦、砷化鋁鎵、碲化鋅及其混合物)。如前文所討論，本文所述的多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜可用于形成納米結(jié)構(gòu)化催化劑層，該催化劑層可用于燃料電池膜電極組件(MEA)。所述多層增大的表面積有利地為MEA提供更好的催化劑裝填外形，如用于質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池和/或電解裝置的MEA。適形涂布于納米結(jié)構(gòu)化支承元件上的一個或多個催化劑材料層發(fā)揮功能團(tuán)層的作用，賦予所期望的催化劑特性，還可賦予電傳導(dǎo)性、機(jī)械性能(例如，加強(qiáng)和/或保護(hù)包含每個納米結(jié)構(gòu)化層的支承元件)以及低蒸氣壓特性。用于錮囚初始納米結(jié)構(gòu)化支承元件頂端的相同材料可用作適形催化劑涂層。所述適形涂層可為有機(jī)或無機(jī)材料?？捎玫臒o機(jī)適形涂層材料包括鉑族金屬(包括鉑、鈀、金、釕等及其合金)和本文所述的諸如過渡金屬的其它無機(jī)材料。例如，所述適形涂層可包括諸如Fe/C/N、導(dǎo)電聚合物(例如，聚乙炔)、聚對亞苯基2亞甲基衍生物之類的材料。所述適形涂層優(yōu)選的厚度通常在約0.2至約50nm的范圍內(nèi)。所述適形涂層可通過傳統(tǒng)技術(shù)沉積到所述納米結(jié)構(gòu)化層上，所述傳統(tǒng)技術(shù)包括例如美國專利NO.4,812,352和No.5，(B9，561所公開的那些技術(shù)，以上兩個專利的公開以引用的方式并入本文。任何能夠避免所述納米結(jié)構(gòu)化層被機(jī)械力干擾的方法都可用于沉積適形涂層。適宜的方法包括，例如，氣相沉積(如真空汽化、噴涂以及化學(xué)氣相沉積)、溶液涂布或分散體涂布(如浸涂、噴涂、旋涂、傾涂(即，將一種液體傾倒于表面，并使此液體流過所述納米結(jié)構(gòu)化層，隨后用溶劑移除)、浸沒涂布(即，將所述微結(jié)構(gòu)薄膜浸入一種溶液中，通過足夠時間的浸泡使得所述微結(jié)構(gòu)層從溶液中吸附分子，或從一種分散體中吸附膠粒或其它顆粒、電鍍以及無電鍍。所述適形涂層可通過氣相沉積的方法進(jìn)行沉積，諸如，例如，離子噴涂、陰極電弧沉積、氣相凝結(jié)、真空升華、物理氣相傳輸、化學(xué)氣相傳輸、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積、離子輔助沉積和射流汽相沉積(JETVAPORDEPOSITION)。在一些實(shí)施例中，適形涂層材料為催化金屬或金屬合金。對于成圖案的適形涂層的沉積，所述沉積技術(shù)可通過本領(lǐng)域己為人們所知的方法進(jìn)行改進(jìn)，以生產(chǎn)此類非連續(xù)涂層。已為人們所知的改進(jìn)方式包括，例如使用掩模、阻斷器、移動基底、定向離子束以及沉積源束。在一些應(yīng)用中，形成的針狀納米結(jié)構(gòu)化支承元件有以下幾個方面的主要特點(diǎn)可輕易從初始基底轉(zhuǎn)移至膜，以形成MEA催化劑電極層；納米結(jié)構(gòu)化支承元件上的催化劑涂層沉積到表面時，可具有更高的填塞重量百分比，優(yōu)選的重量百分比(催化劑涂層/支承和催化劑顆?？傊亓?至少為80重量％;具有足夠大的數(shù)密度和長寬比以提供更大的表面積以支持催化劑，所提供的表面積為基底平面面積的至少10至15倍；針狀納米結(jié)構(gòu)化支承元件在初始基底上的形狀和取向有助于使用催化材料形成均勻的元件涂層。所述催化劑沉積方法有以下幾個方面的主要特點(diǎn)其導(dǎo)致一層薄的催化劑薄膜的形成，此薄膜包含顆粒尺寸為數(shù)10納米范圍內(nèi)(優(yōu)選在2-50nm范圍內(nèi))的多晶顆粒，均勻地涂布于所述支承元件至少部分的外部表面區(qū)域。一般來講，所述催化劑在成核位置沉積到所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件上，所述成核位置生長成為催化劑顆粒。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，生成的催化劑顆粒是所述支承元件初始尺寸和催化劑填塞量的函數(shù)。對于相同的、以mg/cm2為單位的催化劑填塞來說，較之橫截面尺寸相同的更短的催化劑支承元件，用更長的催化劑支承可獲得催化劑粒度更小的更薄的催化劑薄膜。圖2的流程圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造催化劑涂布膜的一種方法。第一材料在轉(zhuǎn)移基底上進(jìn)行沉積(210)，并通過退火(220)形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第一層。所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件的生長被抑制(225)，例如通過在納米結(jié)構(gòu)化支承元件上沉積一層錮囚材料進(jìn)行抑制。第二層材料在被錮囚的納米結(jié)構(gòu)化支承元件上進(jìn)行沉積(230)。對材料進(jìn)行退火(240)，在第一層納米結(jié)構(gòu)化支承元件上形成第二層納米結(jié)構(gòu)化支承元件。催化劑材料被沉積(250)于所述納米結(jié)構(gòu)第一層和第二層上，形成納米結(jié)構(gòu)化催化劑層。然后所述納米結(jié)構(gòu)化催化劑層被緊貼離子傳導(dǎo)膜(ICM)的一個或兩個表面放置(260)，以形成中間組件?？蓪λ鲋虚g組件施加壓力(或可選地加熱)(270)，以將所述催化劑層粘結(jié)在所述ICM上。在剝離步驟中，所述轉(zhuǎn)移基底被移除(280)，剩下一層催化劑涂布膜。所述離子傳導(dǎo)膜(ICM)可由任何適當(dāng)?shù)碾x子交換電解質(zhì)組成。電解質(zhì)優(yōu)選地為固體或凝膠。本發(fā)明中可用的電解質(zhì)可包括諸如聚合物電解質(zhì)和離子交換樹脂之類的離子傳導(dǎo)材料。電解質(zhì)優(yōu)選地為適合用于質(zhì)子交換膜燃料電池的質(zhì)子傳導(dǎo)離聚物。具有如下化學(xué)式的四氟乙烯(TFE)的共聚物和共聚單體FS02-CF2-CF2-0-CF(CF3)-CF2-0-CF=CF2已為人們所知，并以磺酸的形式(艮卩，F(xiàn)S02-端基7雄為HSOr)，由DuPontChemicalCompany,Wilmington,Delaware以商標(biāo)名Nafion出售。Nafion②通常用于制造用于燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜。具有如下化學(xué)式的四氟乙烯(TFE)共聚物和共聚單體FS02-CF2-CF2-0-CF=CF2也已經(jīng)為人們所知，并以磺酸的形式(即，F(xiàn)S02-端基水解為HS03-)在燃料電池用的聚合物電解質(zhì)膜的制造過程中使用。最優(yōu)選的是四氟乙烯(TFE)和FS02-CF2CF2CF2CF2-0-CF=CF2的共聚物，其中FS02-端基水解為HS03-?？捎糜诒景l(fā)明的離子電導(dǎo)材料可為堿金屬的復(fù)合物或堿土金屬鹽，或具有一個或多個諸如聚醚、聚酯或聚酰亞胺之類極性聚合物的質(zhì)子酸，或堿金屬復(fù)合物或堿土金屬鹽，或具有包含以上極性聚合物鏈段之網(wǎng)狀聚合物或交聯(lián)聚合物的質(zhì)子酸。可用的聚醚包括諸如聚乙2醇、聚乙2醇單醚、聚乙2醇2醚、聚丙2醇、聚丙2醇單醚、以及聚丙2醇2醚之類的聚氧化烯；諸如聚(氧化乙烯-co-氧化丙烯)2醇、聚(氧化乙烯-co-氧化丙烯)2醇單醚和聚(氧化乙烯-co-氧化丙烯)2醇2醚之類的這些聚醚的共聚物；以上聚氧化烯與1，2-乙2胺的縮合產(chǎn)物；以上聚氧化烯的酯，諸如磷酸酯、脂族羧酸酯或芳香族羧酸酯。在本領(lǐng)域中，人們已經(jīng)知道，共聚物，如，聚乙2醇和2烷基硅氧烷、聚乙2醇和馬來酸酐、或聚乙2醇單乙基醚和甲基丙烯酸等顯示具有用于本發(fā)明ICM的足夠的離子傳導(dǎo)性?？捎玫膹?fù)合成形試劑可包括堿金屬鹽、堿土金屬鹽、以及質(zhì)子酸和質(zhì)子酸鹽。以上所述鹽可用的抗衡離子可為鹵素離子、高氯酸離子、硫氰酸鹽離子、三氟甲垸磺基離子、氟硼酸離子、以及類似離子。此類鹽的代表性例子包括，但不限于氟化鋰、碘化鈉、碘化鋰、高氯酸鋰、硫氰酸鋰、三氟甲基磺酸鋰、氟硼酸鋰、六氟磷酸鋰、磷酸、硫酸、三氟甲烷磺酸、四氟乙烯磺酸、六氟丁垸磺酸、以及類似鹽。本發(fā)明中可用作電解質(zhì)的離子交換樹脂包括烴類樹脂和氟烴類樹脂。烴類離子交換樹脂可包括酚類樹脂或磺酸類樹脂，諸如苯酚甲醛、聚苯乙烯、苯乙烯-2乙烯基苯共聚物、苯乙烯一丁2烯共聚物、苯乙烯-2乙烯基苯-氯乙烯三元共聚物以及類似的縮合樹脂，這些樹脂通過磺化作用而具有陽離子交換能力，或通過氯甲基化，然后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的季銨而具有陰離子交換能力。氟烴類離子交換樹脂可包括四氟乙烯-全氟磺酰乙氧代乙烯基醚或四氟乙烯-羥基化物(全氟乙烯基醚)共聚物。如果期望獲得抗氧化性和/或耐酸性，例如在燃料電池的陰極，那么優(yōu)選的是具有磺基、羧基和/或磷酸官能團(tuán)的氟烴類樹脂。氟烴類樹脂通常顯示對鹵素氧化、強(qiáng)酸和堿具有卓越的抗性，并可作為本發(fā)明所用復(fù)合電解質(zhì)膜的優(yōu)選材料。具有磺酸基官能團(tuán)的磺酸氟烴類樹脂的一族是Nafion樹脂(由DuPontChemicals,Wilmington,Del制造，可得自ElectroChem,Inc.,Woburn，Mass.禾口AldrichChemicalCo.，Inc.,Milwaukee,Wis.)。本發(fā)明所用的其它氟烴類離子交換樹脂包括含芳基全氟垸基磺酰亞胺陽離子交換基團(tuán)的烯烴聚合物，其化學(xué)通式(I)為CH.sub.2=CH—Ar—S02—N—S02(Q+nF3+2n)，其中n為0-11，優(yōu)選地為0-3,最優(yōu)選地為0;其中Ar為任何取代或未取代的2價芳基基團(tuán)，優(yōu)選地為單環(huán)基團(tuán)，最優(yōu)選地為2價苯基基團(tuán)，本文稱為苯基。Ar可包含任何取代或未取代的芳族部分，包括苯、萘、蒽、菲、茚、芴、環(huán)吩嗪和芘，其中所述部分優(yōu)選地為分子量400或更少，更優(yōu)選地為分子量100或更少。Ar可被本文所定義的任何基團(tuán)取代。此類樹脂之一是p-STSI，這是一種由苯乙烯基-三氟甲基-磺酰亞胺(STSI)通過自由基聚合所衍生出的離子傳導(dǎo)材料，STSI的化學(xué)式(II)為苯乙烯基-S02N--S02CF3。ICM還可為復(fù)合材料膜，包括一種與以上所述的任何一種電解質(zhì)結(jié)合的多孔膜材料。可使用任何適宜的多孔膜?？捎米鞅景l(fā)明加強(qiáng)膜的多孔膜可采用具有足夠孔隙度的任何構(gòu)造，孔隙度應(yīng)足以使電解質(zhì)的至少一種液體溶液注入或滲入其中，所述構(gòu)造還需具有足夠的強(qiáng)度，以經(jīng)受電化學(xué)電池的操作條件。本發(fā)明可用的優(yōu)選的多孔膜包含在電池條件下表現(xiàn)為惰性的聚合物，諸如聚烯烴、或鹵(優(yōu)選的為氟化)化聚乙烯樹脂?？捎门蛎汸TFE膜，諸如SumitomoElectricIndustriesInc.,Tokyo,Japan制造的Poreflon禾卩Tetratec，Inc.,Feasterville,Pa.制造的Tetratex。本發(fā)明可用的多孔膜包括微孔薄膜，通過熱誘導(dǎo)相位分離(TIPS)的方法制備，所述熱誘導(dǎo)相位分離(TIPS)方法如美國專利No.4,539,256、No.4,726,989、No.4,867,881、No.5,120,594禾卩No.5,260,360所述，其教導(dǎo)內(nèi)容以引用方式并入本文。TIPS薄膜顯示具有多個間隔的、隨機(jī)分散的、等軸的、以及形狀不一致的熱塑性聚合物顆粒，可選地用一種與聚合物不混溶的液體在所述聚合物的結(jié)晶溫度下對這些顆粒進(jìn)行涂布，優(yōu)選地以薄膜、膜、或薄片材料的形式。由顆粒所限定的微孔優(yōu)選地具有足夠的尺寸以使電解質(zhì)結(jié)合于其中。適合通過TIPS工藝制備薄膜的聚合物包括熱塑性聚合物、熱敏性聚合物以及這些聚合物的混合物，只要所混合的兩種聚合物是相容的。諸如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)之類的熱敏聚合物不可直接進(jìn)行熔融處理，但在有稀釋劑將其粘度稀釋至足夠低的情況下可以進(jìn)行熔融處理。適宜的聚合物包括，例如，可結(jié)晶乙烯基聚合物、縮合聚合物、以及氧化聚合物。典型的可結(jié)晶乙烯基聚合包括，例如，高密度和低密度聚乙烯、聚丙烯、聚丁2烯、諸如聚(甲基丙烯酸甲酯)之類的聚丙烯酸酯、諸如聚(偏2氟乙烯)之類的含氟聚合物以及類似物質(zhì)?？捎玫目s合聚合物包括，例如，諸如聚(乙烯對苯2酸鹽)和聚(丁烯對苯2酸鹽)之類的聚酯、聚酰胺，包括Nylon族中的很多類型、聚碳酸酯和聚砜?？捎玫难趸酆衔锇ǎ?，聚(氧化亞苯基)和聚(醚酮)。聚合物和共聚物的共混物也可用于本發(fā)明。由于具有耐水解和抗氧化的性質(zhì)，諸如聚烯烴和含氟聚合物之類的可結(jié)晶聚合物可用作本發(fā)明加強(qiáng)膜優(yōu)選的聚合物。優(yōu)選的聚烯烴包括高密度的聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物、以及聚(偏2氟乙烯)。在一些實(shí)施例中，所述催化劑層還可直接在擴(kuò)散集電器(DCC)上形成。所述DCC可為能夠從電極中聚集電流，又可同時允許反應(yīng)物氣體從其中通過的任何材料。所述DCC為氣體反應(yīng)物、水蒸氣提供孔道，使其能夠浸入所述催化劑和膜，同時聚集所述催化劑層所產(chǎn)生的電流，從而為外部負(fù)載提供能量。所述DCC通常包括碳紙、或網(wǎng)孔、或一個多孔或可滲透的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、或諸如碳或金屬之類的傳導(dǎo)材料纖維。擴(kuò)散集電器(DCC)包括微孔層(MPL)和電極背襯層(EBL)，其中所述MPL設(shè)置于催化劑層和EBL之間。所述EBL的碳纖維構(gòu)造通常具有粗糙多孔的表面，其顯示具有與催化劑層之間較低的鍵合粘結(jié)性。為了增大鍵合粘結(jié)性，MPL被涂布于所述EBL的表面上。該方法使得EBL粗糙多孔的表面變得光滑，從而使其能夠與催化劑層之間進(jìn)行較好的鍵合粘結(jié)，并提供水傳送特性。所述每一EBL可為任何適宜的電導(dǎo)多孔基底，如碳纖維構(gòu)造(例如織造或非織造的碳纖維構(gòu)造)?？缮藤彨@得的碳纖維構(gòu)造的例子包括由BallardMaterialProducts,Lowell,MA制造的商品名為"AvCarbP50"的碳纖維紙；可從ElectroChem，Inc.，Woburn，MA獲得的"Toray"碳纟氏；Spectracorp,Lawrence,MA的"SpectraCarb"碳纟氏；Hollingsworth&VoseCompany,EastWalpole，MA的"AFN"非織造碳布；ZoltekCompanies,Inc.,StLouis，MO的"Zoltek"碳布。還可對EBL進(jìn)行處理以增強(qiáng)或使其獲得疏水特性。例如，EBL可用諸如聚四氟乙烯(PTFE)和氟化乙烯丙烯(FEP)之類的高度氟化聚合物進(jìn)行處理。本文所述催化劑涂層的納米結(jié)構(gòu)可直接施加在所述ICM的表面，但無需嵌入其整個表面。催化劑涂布的納米結(jié)構(gòu)化元件的嵌入程度只要能夠在所述顆粒和ICM之間形成穩(wěn)固的附連即可。雖然催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件體積的99%都可嵌入所述ICM，優(yōu)選的是，將體積不超過95%的催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件嵌入所述ICM，更優(yōu)選的是，將體積不超過90%的催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件嵌入所述ICM。在一些實(shí)施例中，每個催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件可部分嵌入所述ICM，部分露置在ICM夕卜。在其它實(shí)施例中，所有催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件中，一部分?jǐn)?shù)量的催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件位于所述ICM內(nèi)，一部分露在外(部分顆粒嵌入，部分顆粒未嵌入，其它顆粒部分嵌入)。所述催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件可以單一取向部分嵌入所述ICM的表面，也可以無規(guī)方向嵌入所述ICM的表面。在以上情況中，所述催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件的取向可平行于ICM的表面，原則是僅使支承顆粒一側(cè)的催化劑接觸固體聚合物電解質(zhì)，或者所述催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件的取向也可垂直于所述ICM的表面，且其部分長度嵌入ICM表面，或者所述催化劑涂布支承元件可具有任何中間位置或各種位置的組合。此外，還可折斷或擠壓所述納米結(jié)構(gòu)化元件，以進(jìn)一步減小其尺寸，從而進(jìn)一步致密所述電極層。優(yōu)選的是，以離聚物涂布所述針狀支承元件以獲得好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，但同時在所述催化劑涂布針狀支撐元件之間保留空隙以使反應(yīng)物具有良好的催化劑表面接觸位置。將催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件應(yīng)用于ICM或DCC以形成MEA的適宜方法包括施加熱和壓力的靜電壓，或用于連續(xù)滾軸生產(chǎn)的層合法、輥隙輥法、或壓延法，隨后將初始催化劑支承薄膜基底從ICM表面剝離，催化劑顆粒保持嵌入。由基底支承的催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件可通過施加機(jī)械壓力或可選地加熱被轉(zhuǎn)移和連接到ICM，然后將所述初始基底移除?？刹捎萌魏芜m宜的壓力源。可釆用液壓。優(yōu)選的是，可通過一個或一系列輥隙輥施加壓力。該工藝還可通過重復(fù)操作的平板床或連續(xù)操作的輥進(jìn)行修改，以用于連續(xù)方法。在壓力源和基底之間的墊片、間隔材料和其它機(jī)械裝置還可用以實(shí)現(xiàn)壓力的均勻分配。催化劑顆粒優(yōu)選地支承在基底上，將所述基底施加到所述ICM表面，以使得顆粒接觸膜的表面。在一個實(shí)施例中，ICM可置于兩片聚酰亞胺支承的催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件層之間，所述催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化支承元件緊貼所述ICM放置。未涂布的聚酰亞胺附加層和PTFE薄片進(jìn)一步層鋪于所述"三明治"夾層的兩面，以使壓力均勻分配，最后，一對不銹鋼墊片被置于該組件的外面。施壓后基底被移除，使所述催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化支承元件連接到ICM。所述壓力、溫度和施壓持續(xù)時間可為足以使納米結(jié)構(gòu)化元件部分嵌入膜的任意組合。所采用的確切條件部分取決于所使用的納米結(jié)構(gòu)化元件的性質(zhì)。可使用約90至約900MPa之間的壓力將所述納米材料層轉(zhuǎn)移至ICM。在一個實(shí)施例中，使用約180至約270MPa之間的壓力?？蛇x擇一定的壓力溫度，使其能足以將催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化支承元件連接到ICM，但又低于所述膜聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(TG)。例如，壓力溫度可在約80°C至約300°C之間，最優(yōu)選的在約IO(TC至約150°C之間。施壓時間可大于約1秒并可為約1分鐘。被裝填進(jìn)入壓機(jī)之后，可使所述MEA元件在進(jìn)行壓板之前，在低壓力或無壓力的條件下，先使其達(dá)到與所述壓機(jī)一致的溫度。另一種方法是，將所述MEA元件在烘箱或其它適用設(shè)備中預(yù)熱，以達(dá)到同樣的效果。優(yōu)選的是，在壓板之前，將所述MEA元件進(jìn)行1-10分鐘的預(yù)熱?？稍趯EA移出壓機(jī)之前或之后對其進(jìn)行冷卻。所述壓機(jī)臺板可用水冷卻或用其它任何適宜方法進(jìn)行冷卻。MEA仍在壓機(jī)中受到壓力作用時，可對其進(jìn)行1-10分鐘的冷卻。優(yōu)選的是，在將MEA移出壓機(jī)之前，將其冷卻至50°C以下。還可選擇具有真空臺板的壓機(jī)。例如，可使用層合工序制造MEA，所述層合工序的組成步驟包括將催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件轉(zhuǎn)移至所述膜，轉(zhuǎn)移的方法為將一層高光紙、一層2mil(50prn)厚的聚酰亞胺薄片、一層陽極催化劑、一層膜、一層陰極催化劑、一層2mil(50/mi)厚的聚酰亞胺和(最后)一層高光紙依次組合層疊為一個"三明治"組件。該組件在132°C(270下)的溫度下以1英尺/分鐘的速率被進(jìn)給通過雙輥式熱層合機(jī)，輥隙壓力足以將所述催化劑轉(zhuǎn)移到膜。然后將所述光澤紙和聚酰亞胺剝離，剩下所述的三層催化劑涂布膜(CCM)。在另一個實(shí)施例中，可在室溫及約9至約900MPa壓力的條件下，使用適宜的溶劑預(yù)處理ICM，使MEA成形。相比之下，現(xiàn)有技術(shù)需要高溫以使得催化劑/離聚物和ICM之間能夠緊密鍵合。通過短暫地將全氟磺基酸聚合物膜表面暴露于一種溶劑(優(yōu)選的為庚烷)，可在室溫下將所述催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)支承顆粒從基底轉(zhuǎn)移到ICM并部分嵌入其中。在一個實(shí)施例中，優(yōu)選使用約9至約900MPa之間的壓力。最優(yōu)選地，使用約45至約180MPa之間的壓力。優(yōu)選地，壓機(jī)溫度為室溫，即約25°C，但也可為0°C至50°C之間的任何溫度。施壓時間優(yōu)選地大于1秒，最選優(yōu)地在10秒至約1分鐘之間。由于是在室溫下施壓，因此無需進(jìn)行預(yù)熱或壓后冷卻。通過任何方式使ICM短時暴露于所述溶劑以對其進(jìn)行預(yù)處理，這些方式包括浸漬、接觸飽和材料、噴霧、或蒸汽冷凝等，但優(yōu)選的方式為浸漬。預(yù)處理后可抖落多余的溶劑。只要不損壞所述ICM，可采用任何長度的暴露時間，但是，優(yōu)選的暴露時間為至少1秒。所述溶劑可選自非極性溶劑、庚垸、異丙醇、甲醇、丙酮、IPA、C8F17S03H、辛烷、乙醇、THF、MEK、DMSO、環(huán)己烷或環(huán)己酮。非極性溶劑為優(yōu)選的。由于據(jù)觀察具有最佳潤濕條件和干燥條件，且可使納米結(jié)構(gòu)化催化劑完整地轉(zhuǎn)移至ICM表面而不使ICM溶脹或變形，庚垸是最優(yōu)選的溶劑。除用于支承催化劑的納米結(jié)構(gòu)化支承元件之外，所述多層納米結(jié)，所述微結(jié)構(gòu)具有尺寸在1-50微米范圍內(nèi)的特征，以使得催化的膜表面也能復(fù)制所述微結(jié)構(gòu)。圖3為此類CCM表面橫截面的掃描電子顯微圖，其中所述納米結(jié)構(gòu)化層的形狀與顯微織構(gòu)形狀一致。催化劑涂布膜(CCM)每單位平面面積實(shí)際的納米結(jié)構(gòu)化催化劑層表面積(相對于所述CCM疊堆軸垂直測量)以納米結(jié)構(gòu)化基底的幾何表面積系數(shù)增大。由于所述表面的每個部分與所述CCM疊堆軸的垂直方向成45°角，因此在圖3所示出的實(shí)例中，該系數(shù)為1.414或2的平方根，但是CCM所增加的厚度遠(yuǎn)小于1.414,且在實(shí)踐中可忽略不計。此外，與ICM的厚度相比，所述微結(jié)構(gòu)的深度可相對較小?？赏ㄟ^任何有效的方法生成微結(jié)構(gòu)。一種優(yōu)選的方法是，將所述納米結(jié)構(gòu)造成于一個顯微織構(gòu)初始基底上，本文將此基底稱作顯微織構(gòu)催化劑轉(zhuǎn)移基底(MCTS)。在將催化劑涂布納米結(jié)構(gòu)化元件轉(zhuǎn)移至ICM的步驟中，將所述微結(jié)構(gòu)賦予CCM，微結(jié)構(gòu)在剝走初始基底后依然保持。所述納米結(jié)構(gòu)和CCM的形成條件與上述條件相同。另一個方法是，將微結(jié)構(gòu)通過印制或壓模賦予成形的CCM。所述微結(jié)構(gòu)無需為均勻一致的幾何形狀。任意尺寸和排列的特征可達(dá)到相同的效果。當(dāng)催化劑層足夠薄，即，其厚度比微結(jié)構(gòu)特征的厚度小一個量級，且微結(jié)構(gòu)特征的厚度又比膜的厚度小的時候，可通過使催化劑電極面積微結(jié)構(gòu)化來增大CCM每個單位平面面積上實(shí)際的催化劑面積。例如，本發(fā)明中，膜的催化表面區(qū)域厚度可為2微米或更小。微結(jié)構(gòu)化特征的寬度可為約12微米，微結(jié)構(gòu)化特征峰到谷的高度為約6微米，膜的厚度可為約20微米或更大。將所述微結(jié)構(gòu)通過使用顯微織構(gòu)基底賦予本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化支承元件時，在應(yīng)用催化劑以及形成CCM的工藝中又可以凸顯其兩個方面的優(yōu)點(diǎn)。針對諸如燃料電池和/或電解裝置之類的膜轉(zhuǎn)化應(yīng)用，本發(fā)明的支承顆粒的一個關(guān)鍵方面是，支承顆粒形成于一個基底上，并可從基底轉(zhuǎn)移至膜表面。該要求可能導(dǎo)致出現(xiàn)可以從平滑基底上被輕易刷掉或在將此類平滑基底巻繞在芯上(如連續(xù)纖維網(wǎng)涂層工藝中所做)時損壞的顆粒。由于多數(shù)小得多的催化劑涂布支承顆粒會滯留于谷處，在峰的下方，峰將防止它們在巻繞中損壞，因此讓納米結(jié)構(gòu)化支承元件附于顯微織構(gòu)基底上可防止損壞。在將催化支承顆粒轉(zhuǎn)移至CCM表面時，可以實(shí)現(xiàn)顯微織構(gòu)基底所提供的第二個優(yōu)點(diǎn)。通?？墒褂眉訜岷蛪毫Γ趬喊遄鳂I(yè)開始時采用諸如真空的方法將空氣從界面移除，這一點(diǎn)可以是10分重要的。從載有納米結(jié)構(gòu)化催化劑支承元件的大片平面基底進(jìn)行轉(zhuǎn)移時，空氣可能會滯留在CCM和支承基底之間。在排空過程中，使用具有顯微織構(gòu)峰間隔CCM和基底，可以使得在壓力轉(zhuǎn)移剛要開始時，能更有效地除去這些空氣。通過本發(fā)明所述催化劑層形成的MEA可集成到燃料電池組件、各種類型、構(gòu)造和技術(shù)的層疊件中。圖4A描述一種典型的燃料電池。燃料電池是一種通過混合氫燃料和空氣中的氧生成電、熱及水的電化學(xué)裝置。燃料電池不利用燃燒，因此，燃料電池幾乎不會產(chǎn)生危害性流出物。燃料電池直接將氫燃料和氧轉(zhuǎn)化為電能，較之例如內(nèi)燃發(fā)電機(jī)，其效率更高。圖4A所示的燃料電池10包括鄰近陽極14的擴(kuò)散集電器(DCC)12。鄰近所述陽極14的是離子傳導(dǎo)膜(ICM)16。陰極18的位置鄰近所述ICM16，第二DCC19的位置鄰近所述陰極18。在操作中，將氫燃料引入所述燃料電池10的陽極部分，使其通過第一DCC12，并越過陽極14。在陽極14，氫燃料被分為氫離子(H+)和電子e-)。ICM16僅允許氫離子或質(zhì)子通過ICM16至燃料電池10的陽極部分。電子不能通過ICM16，而是以電流的形式從外部電路通過。該電流可為諸如電力發(fā)動機(jī)之類的電力負(fù)荷17提供電能，也可導(dǎo)入諸如充電電池之類的能量貯存裝置中。氧氣通過第二DCC19進(jìn)入燃料電池10的陰極一側(cè)。氧氣通過陰極18時，氧、質(zhì)子和電子相結(jié)合生產(chǎn)水和熱能。單體的燃料電池，如圖4A所示，可包裝為如下所述的一體式燃料電池組件。所述一體式燃料電池組件，本文中稱作一體式電池組件(UCA)或多電池組件(MCA)，可與許多其它UCA/MCA組合形成燃料電池組。UCA/MCA可通過串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)電連接，連接于所述電池組中的UCA/MCA的數(shù)量決定電池組的總電壓，而每個電池的活性表面積決定總電流。給定燃料電池組產(chǎn)生的總電能可通過電池組總電壓與總電流的乘積確定。參見圖4B，該圖示出一個UCA的實(shí)施例，所述實(shí)施例根據(jù)PEM燃料電池技術(shù)實(shí)施。如圖4B所示，UCA20的膜電極組件(MEA)25包括五個元件層。ICM層22以三明治的形式被夾在一對擴(kuò)散集電器(DCC)之間。陽極30被置于第一DCC24和膜22之間，陰極32被置于膜22和第二DCC26之間。作為另外一種選擇，所述UCA可包含兩個或多個MEA以形成一個MCA。在一個構(gòu)造中，ICM22層通過加工，包括位于一個表面的陽極催化劑層30和位于另一個表面的陰極催化劑層32。該結(jié)構(gòu)通常被稱為催化劑涂布膜或CCM。根據(jù)另一種構(gòu)造，第一和第二DCC24、26通過加工，分別包括陽極催化劑層和陰極催化劑層30、32。在另一種構(gòu)造中，陽極催化劑涂層30可被部分設(shè)置于第一DCC24上，部分設(shè)置于ICM層22的一個表面上，陰極催化劑催化劑涂層32可被部分設(shè)置于第二DCC26上，部分設(shè)置于ICM層22的另一個表面上。DCC24、26通常從碳纖維紙或非織造材料或織造布進(jìn)行加工。根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)造，DCC24、26可在一側(cè)或兩側(cè)具有微孔層。如以上所討論，DCC24、26可通過加工來包括或排除催化劑涂層。在圖4B所示的具體實(shí)施例中，MEA25顯示以三明治的形式被夾于第一邊緣密封系統(tǒng)34和第二邊緣密封系統(tǒng)36之間。分別鄰近第一和第二邊緣密封系統(tǒng)34、36的是流場板40和42。其中每個流場板40，42包括氣體流動通道43區(qū)域和孔45，氫和氧進(jìn)料燃料從中通過。圖4B所示的構(gòu)造中，流場板40、42呈單極流場板的構(gòu)造，其中一個單獨(dú)的MEA25以三明治的形式被夾于其間。所述邊緣密封系統(tǒng)34、36在UCA包裝中提供必要的密封，以隔離各種流體(氣體/液體)傳送區(qū)域和反應(yīng)區(qū)域，防止其相互污染，并防止其不適當(dāng)?shù)仉x開UCA20，并可進(jìn)一步提供電流隔絕，并在流場板40、42之間提供硬質(zhì)障礙物壓縮控制。圖5-8示出各種可能集成具有根據(jù)以上說明形成的催化劑層的燃料電池組件的發(fā)電系統(tǒng)。圖5所示的燃料電池系統(tǒng)1000描述許多可能使用如本文實(shí)施例所示出的燃料電池組件的系統(tǒng)之一。所述燃料電池系統(tǒng)1000包括燃料處理器1004，發(fā)電部分1006、和電力調(diào)節(jié)器1008。所述包括燃料轉(zhuǎn)換器的燃料處理器1004，接收諸如天然氣之類的燃料源，并處理所述燃料源以生成富氫燃料。所述富氫燃料被供應(yīng)給發(fā)電部分1006。在發(fā)電部分1006內(nèi)，所述富氫燃料被引入發(fā)電部分1006所包含燃料電池組的UCA疊堆中?？諝庖脖还?yīng)至所述發(fā)電部分1006，其為所述燃料電池組提供氧源。發(fā)電部分1006的燃料電池組生成直流電，可用熱能和清潔水。在一個再生系統(tǒng)中，所有或部分熱能副產(chǎn)物可用于生成水蒸汽，水蒸氣反過來又可以被燃料處理器1004利用以發(fā)揮其各種加工性能。發(fā)電部分1006產(chǎn)生的直流電源被輸送至電力調(diào)節(jié)器1008，電力調(diào)節(jié)器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，或?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為不同電壓的直流電以供后續(xù)使用。應(yīng)該理解的是，交流電轉(zhuǎn)換無需被包括進(jìn)一個提供直流電輸出的系統(tǒng)。圖6示燃料電池電源1100，它包括燃料供應(yīng)單元1105，燃料電池發(fā)電部分1106和電力調(diào)節(jié)器1108。燃料供應(yīng)單元1105包括貯存器，所述貯存器包含氫燃料，所述氫燃料被供應(yīng)至燃料電池發(fā)電部分1106。在燃料電池發(fā)電部分1106中，氫燃料與空氣或氧氣一道被引入包含于所述燃料電池發(fā)電部分1106中的燃料電池組。燃料電池電源系統(tǒng)1100的燃料電池發(fā)電部分1106生成直流電、可用熱能和清潔水。燃料電池發(fā)電部分1106生成的直流電可被輸送至電力調(diào)節(jié)器1008，根據(jù)需要將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，或?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為其它種類的直流電。例如，圖6所示的燃料電池電源系統(tǒng)1100可作為固定式或便攜式的交流電或直流電發(fā)電機(jī)實(shí)施。在圖7所示的實(shí)施方案中，燃料電池系統(tǒng)使用燃料電池電源生成的電為計算機(jī)供電。如結(jié)合圖7的說明，燃料電池電源系統(tǒng)包括燃料供應(yīng)單元1205和燃料電池發(fā)電部分1206。所述燃料供應(yīng)單元1205向所述燃料電池發(fā)電部分1206提供氫燃料。所述燃料電池發(fā)電部分1206的燃料電池組生成電能，所述電能可用于運(yùn)行諸如臺式或膝上型之類的計算機(jī)1210。在圖8所示的另一個實(shí)施中，燃料電池電源所發(fā)的電可用于汽車1310。在該構(gòu)造中，燃料供應(yīng)單元1305向燃料電池發(fā)電部分1306提供氫燃料。所述燃料電池發(fā)電部分1306的燃料電池組生成電能，所述電能用于運(yùn)行連接到汽車1310驅(qū)動機(jī)構(gòu)的馬達(dá)1308。實(shí)例1:在該實(shí)例中，四個納米結(jié)構(gòu)化層形成于一個納米結(jié)構(gòu)化催化劑轉(zhuǎn)移基底，所述MCTS為50微米厚，約30cm寬的聚酰亞胺輥，它具有丙烯酸樹脂涂層，所述丙烯酸樹脂涂層根據(jù)美國6，136，412中的說明，被形成為一系列平行的V形凹槽和峰，深度(峰至谷)為12微米，峰與峰之間的距離為24微米，并具有90度的夾角。將PR149的第一層(通常為1680埃厚(平面當(dāng)量))涂布于MCTS網(wǎng)。隨后所述網(wǎng)在真空中進(jìn)行退火，網(wǎng)被置于直徑為6英尺且加熱至300°C的筒上被一個連續(xù)輥碾過，輥的移動速度為1-2英尺/分鐘，經(jīng)過此程序生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)化薄膜。然后將鉑噴涂于網(wǎng)上，使其填塞量為約0.14mg/cm2，約相當(dāng)于每單位平面650埃的鉑量。納米結(jié)構(gòu)PR149薄膜形成及涂布的其它方法的參考可見于并入本文中的各種專利文件。隨后將按實(shí)例1-1的方法涂布的約28cmx28cm的MCTS薄片置于另一個真空室內(nèi)，并將厚度為1500埃的第二層PR149沉積到第一層晶須上。然后將所述樣本薄片在真空中加熱至260-264"之后冷卻，對其進(jìn)行退火。然后將一層500埃的附加鉑通過電子束蒸發(fā)的方法應(yīng)用于經(jīng)過退火的薄片上，并切割一個小樣本(實(shí)例1-2)以用于SEM檢査。圖9A為如以上所述的生長于具有12微米深的谷的微結(jié)構(gòu)MCTS基底上的兩層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的樣本實(shí)例1-2放大20，000倍的掃描電子顯微剖視圖。微米刻度顯示于具有11個小點(diǎn)的線下方。從圖9A可見在初始層的頂部生長著第二層PR149晶須。由于沉積到第二層上的PR149量較少，因此晶須也較少。由于第一層鉑涂布于所述PR149的第一層晶須，在晶須的頂端錮囚了螺型位錯生長點(diǎn)，因此PR149生長成為第二層晶須，而不是在初始晶須上繼續(xù)生長。然而，不期望附加的PR149可生長成為第二完整的層，而是，例如，在初始晶須邊緣之外生長為一些較小的晶體。重復(fù)以上所述生長第二層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的方法，從而在前兩層晶須上生成第三層晶須，并再沉積一層厚度為500埃的鉑。移除另一個小樣本(實(shí)例1-3)，以供SEM檢査。最后，重復(fù)以上所述生長第二層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的方法，從而在前三層晶須上生成第四層晶須，并再沉積一層厚度為500埃的鉑。移除另一個小樣本(實(shí)例1-4)，以供SEM檢查。圖9B示出該樣本的橫截面掃描電子顯微照片，由于多層膜的厚度增加，其放大倍數(shù)小于圖9A中掃描電子顯微照片的放大倍數(shù)。在圖9B中，四層納米結(jié)構(gòu)化薄膜的總厚度為約2.7微米，與約0.7微米厚的初始單層薄膜相比，后者厚度為前者厚度的約四分之一?？芍貜?fù)該方法，積聚具有任意厚度、高表面面積的多孔薄膜。由于所述PR149沉積、退火和催化劑涂布均可在一個連續(xù)網(wǎng)涂布工序中完成，因此要積聚多層薄膜，僅需在涂層來源和中間的退火工位上來回逆轉(zhuǎn)網(wǎng)的方向即可。實(shí)例2:在該實(shí)例中，兩個納米結(jié)構(gòu)化層形成于另一個不同的MCTS基底上，與實(shí)例1相比，其使用的PR149量更大。通過兩種方法測量所得表面積。所述MCTS為50微米厚，約30cm寬的聚酰亞胺輥，它具有丙烯酸樹脂涂層，所述丙烯酸樹脂涂層根據(jù)美國6,136,412中的說明，被形成為一系列平行的V形凹槽和峰，深度為6微米，峰與峰之間的距離為12微米，有90度的夾角。將PR149的第一層(厚度約為2100埃(平面當(dāng)量))，涂布于所述MCTS輥，并作為連續(xù)輥在真空中進(jìn)行退火，以生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)化薄膜。隨后一片約28cmx28cm見方的Pt/PR149涂布MCTS被裝入另一個真空系統(tǒng)中，并將一層1000埃的鉑通過電子束蒸發(fā)的方法涂布于該片MCTS上。然后通過實(shí)例1所述汽相沉積的方法將150nm厚的PR149第二層沉積到該片MCTS，并在260-265°C的溫度下退火，將附加的PR149轉(zhuǎn)化為所述晶須。此外，如實(shí)例1所討論的，由于鉑在所述PR149的第一層晶須頂端錮囚了螺型位錯生長點(diǎn)，因此PR149的第二層不在第一層的晶須的頂端繼續(xù)生長，而是在鉑涂布晶須的第一層頂端上生長成為一個全新的第二層。以上是實(shí)例2-2。還制作了數(shù)個標(biāo)稱相同的樣本薄片，其名稱分別為實(shí)例2-3、2-4、2-5和2-6。圖10A和10B示出顯微織構(gòu)基底上所得的雙層納米結(jié)構(gòu)化薄膜橫截面在兩個放大倍數(shù)下的掃描電子顯微照片。所述薄膜的雙層特性10分顯著。設(shè)晶須的平均面積數(shù)密度為N，對于該樣本，確定N=31//mi2。平均晶須寬度W=0.09微米，平均晶須長度L=0.67微米。通過視覺檢查很難估計單個晶須上鉑涂層的粗糙度。如果將所述表面視作平滑表面，并取晶須最大點(diǎn)的直徑，那么晶須的寬度在一定程度上近似于粗糙度。如果將粗糙因子納入寬度估算，取R=l。由于MCTS基底a=1.414，晶須表層的幾何表面積的一個估算方法為S=1.414xttWxLxNxR=8.3cm2/cm2平面面積。根據(jù)初始涂層MCTS基底上PR149晶須第一層的掃描電子顯微照片所得的幾何參數(shù)當(dāng)量測算，當(dāng)S=9.4cm2/Cm2時，得出N=35/Mm，L=0.67微米，W=0.09微米。幾何表面積的總估算值是第一層和第二層表面積的總和，或Stotal=17.7cm2/cm2。加工幾個膜電極組件(MEA)，以進(jìn)行燃料電池評估和電化學(xué)表面積測量。為了制造MEA，將催化劑從初始MCTS基底轉(zhuǎn)移至聚合物離子交換膜的任意一側(cè)，其中所述聚合物離子交換膜由例如Nafion離聚物制造。將所述催化劑通過熱輥層合方式轉(zhuǎn)移至PEM膜，所述PEM膜的制造方法是通過溶液澆注和干燥，將Nafion制成30微米厚膜。MEA樣本通過以上所述以及本專利之前合并文件所述的層合方式加工制得。所述MEA可在一端(陰極)上具有本發(fā)明雙層催化劑中的任何一層，也可在兩端(陰極和陽極)各具有本發(fā)明雙層催化劑中的任何一層。對于所述雙層在一端的情況，所述MEA的另一端具有一個標(biāo)準(zhǔn)單層催化劑電極層。所述催化劑電極的電化學(xué)活性表面積(ESCA)通過氫吸附/解吸循環(huán)電壓電流測定技術(shù)從以上樣本進(jìn)行測量，其中所述氫吸附/解吸循環(huán)電壓電流測定技術(shù)是燃料電池催化劑領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的技術(shù)。在所有情況下，都可對所述MEA的兩個電極測量所述ECSA。由數(shù)個MEA所得的ECSA值與兩端僅具有單層催化劑電極的標(biāo)準(zhǔn)MEA相比，比較結(jié)果如表1所示。表1提供了通過實(shí)例2中的雙層催化劑制得的電極的電化學(xué)表面積測量概要。<table>tableseeoriginaldocumentpage34</column></row><table>如從表1可以看到的，所述納米結(jié)構(gòu)的雙層較單層的催化劑層增約兩倍的表面積。此外，該值與計算所得的雙層幾何估算值非常一致，所述的估算值通過SEM顯微圖獲得，Stotal=17.7cm2/cm2。上述對本發(fā)明各種實(shí)施例進(jìn)行的描述旨在提供示例和說明。并非旨在詳盡說明或?qū)⒈景l(fā)明限制在已公開的確切的形式。根據(jù)以上教導(dǎo)內(nèi)容還可進(jìn)行多種修改和變化。本發(fā)明的范圍不應(yīng)受該詳細(xì)描述的限制，而應(yīng)受此文附加的權(quán)利要求書的限定。權(quán)利要求1.一種包括多層納米結(jié)構(gòu)化層的制品，所述納米結(jié)構(gòu)化層包括針狀納米結(jié)構(gòu)化支承元件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述納米結(jié)構(gòu)化層包括納米結(jié)構(gòu)化支承元件，所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件具有小于約0.1/mi的平均橫截面尺寸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述納米結(jié)構(gòu)化層包括納米結(jié)構(gòu)化支承元件，所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件具有大于約0.3pm的長度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述每個納米結(jié)構(gòu)化層具有每平方厘米約107至約1011個納米結(jié)構(gòu)化支承元件的納米結(jié)構(gòu)化支承元件面密度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述納米結(jié)構(gòu)化層包括由有機(jī)基材料形成的納米結(jié)構(gòu)化支承元件。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制品，其中所述有機(jī)基材料包括茈紅。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述納米結(jié)構(gòu)化層包括帶有涂層的納米結(jié)構(gòu)化支承元件。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制品，其中所述涂層包括催化劑材料。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制品，其中所述涂層包括金屬。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制品，其中所述金屬包括鉑族金屬。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中每個納米結(jié)構(gòu)化層具有約0.3至約1.3Mm的厚度。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述多層包括約2至約10個層。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，還包括基底，其中所述多層納米結(jié)構(gòu)化層形成于所述基底上。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制品，其中所述基底包括顯微織構(gòu)化基底。15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制品，其中所述基底是多孔的。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，還包括離子傳導(dǎo)膜，其中所述多層納米結(jié)構(gòu)化層被設(shè)置在所述離子傳導(dǎo)膜的表面上。17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，還包括擴(kuò)散集電器，其中所述多層納米結(jié)構(gòu)化層被設(shè)置在所述擴(kuò)散集電器的表面上。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，還包括膜電極組件，其中所述多層納米結(jié)構(gòu)化層被設(shè)置在所述膜電極組件的元件上。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的制品，還包括電化學(xué)裝置，其中所述電化學(xué)裝置包括所述膜電極組件。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制品，其中所述電化學(xué)裝置為質(zhì)子交換膜燃料電池。21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，還包括裝置，其中所述多層納米結(jié)構(gòu)化層被結(jié)合到該裝置中，且所述裝置包括過濾器、吸光體、光伏裝置、傳感器、柔性電路或生物吸附支承體。22.—種方法，所述方法包括將第一材料層沉積到基底上；對所述第一材料層進(jìn)行退火，以形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第一層；錮囚所述第一層的納米結(jié)構(gòu)化支承元件的生長點(diǎn)；將第二材料層沉積到納米結(jié)構(gòu)化支承元件的所述第一層上；以及對所述第二層進(jìn)行退火，以形成納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第二層。23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過錮囚此前形成的納米結(jié)構(gòu)化支承元件層的生長點(diǎn)，形成約2至約10個納米結(jié)構(gòu)化支承元件層，將附加的材料層沉積到此前所形成的納米結(jié)構(gòu)化支承元件層上，并對所述附加的材料層進(jìn)行退火，以形成附加的納米結(jié)構(gòu)化支承元件層。24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中錮囚所述第一層納米結(jié)構(gòu)化支承元件的生長點(diǎn)包括將錮囚材料沉積到所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第一層上。25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述錮囚材料錮囚所述第一層納米結(jié)構(gòu)化支承元件的螺型位錯。26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述錮囚材料包括金屬。27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中對第一材料層進(jìn)行退火，包括在約230°C至約270°C的溫度下進(jìn)行約3至約60分鐘的退火；以及對第二材料層進(jìn)行退火，包括在約230°C至約270°C的溫度下進(jìn)行約3至約60分鐘的退火。28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中將所述第一材料層沉積到所述基底上的方法包括將所述第一材料層沉積到擴(kuò)散集電器上。29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中將所述第一材料層沉積到所述基底上的方法包括將所述第一材料層沉積到顯微織構(gòu)基底上。30.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中沉積所述第一材料層和沉積所述第二材料層包括沉積有機(jī)基材料。31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述有機(jī)基材料包括茈紅。32.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括將催化劑材料沉積到所述納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第一層和第二層上，以形成催化劑涂布的多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜。33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述催化劑材料包括沉積鉑族金屬。34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括將所述催化劑涂布的多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜轉(zhuǎn)移到離子傳導(dǎo)膜的至少一個表面，以形成催化劑涂布膜。35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括使用所述多層納米結(jié)構(gòu)化薄膜，以形成膜電極組件。全文摘要本文描述了形成包括多層納米結(jié)構(gòu)化支承元件的薄膜的工藝。納米結(jié)構(gòu)化支承元件的第一層通過將一種基底材料沉積到基底并進(jìn)行退火而形成。納米結(jié)構(gòu)第一層的進(jìn)一步生長隨后被抑制。納米結(jié)構(gòu)化支承元件的附加的層可通過附加的沉積和退火步驟在納米結(jié)構(gòu)的第一層上生長。所述多層薄膜提供增大的表面積，并在催化活性與可用來支承催化劑顆粒的表面面積相關(guān)聯(lián)的裝置中尤其有用。文檔編號H01M8/10GK101263620SQ200680033616公開日2008年9月10日申請日期2006年8月23日優(yōu)先權(quán)日2005年9月13日發(fā)明者蘇珊·M·亨德里克斯,雷蒙德·J·齊格勒,馬克·K·德貝申請人:3M創(chuàng)新有限公司