用于铂氧化和溶解速率降低的氧还原电催化剂制造技术

本发明专利技术涉及一种铂－金属氧化物复合颗粒及其在氧还原阴极和燃料电池中作为电催化剂的应用。本发明专利技术尤其涉及通过使用这种铂－金属氧化物复合颗粒来防止燃料电池阴极中的铂电催化剂被氧化的方法。本发明专利技术还涉及通过提供这种含有诸如氧的氧化剂和诸如氢的燃料源的燃料电池来产生电能的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用作催化剂的颗粒复合物，并尤其是燃料电池中的 氧-还原电催化剂。本专利技术尤其涉及铂-金属氧化物复合物电催化剂， 其在燃料电池的氧-还原阴极中具有降低的铂氧化和溶解速率。
技术介绍
"燃料电池"是一种将化学能转化为电能的装置。在典型的燃 料电池中，诸如氳气之类的气体燃料被供到阳极(负极)，而诸如 氧气之类的氧化剂被供到阴极(正极)。燃料在阳极的氧化作用导 致电子从燃料中向连接阳极和阴极的外部导电电路中释放。相应电路是通过离子流过允许电极间的化学相互作用的电解质而 实现的。电解质通常为质子传导聚合物膜的形式。质子-传导聚合物 膜将阳极室和阴极室分隔开而允许其间的质子流动。这种质子-传导 月莫 一 个熟知的例子是N AFI ON 。尽管燃冲十电池具有与普通电池相似的构件和净争4正， <旦它们在几 个方面有所不同。电池是一种能源储存装置，其可以提供的能量由 储存在电池自身当中的化学反应物的量决定。当储存的化学反应物耗尽后电池就停止产生电能。相反，燃料电池是一种能量转换装置， 理论上，只要向电极提供燃料和氧化剂，就能够产生电能。在氢/氧燃料电池中，向阳极提供氢气并向阴极提供氧气。氢气 分子被氧化以形成质子，同时向外部回^各释方丈电子。氧分子在阴相、 寻皮还原以形成还原氧。质子穿过质子传导膜到达阴极室与还原氧发 生反应，由此产生7K。典型的氩/氧气趁&阡电池的反应如下阳极2H2 — 4H++4e- ( 1 )阴极〇2+4H++4e-— 2H20 (2)净反应2H2+02 — 2H2〇 (3 )在4艮多燃料电池系统中，通过将诸如曱烷之类的烃类燃料,或 诸如曱醇之类的含氧烃燃料在称为"重整"的工艺中转化为氢来生 产氢燃料。重整工艺通常涉及在施加热的同时这种燃料与水的反 应。通过这个反应产生了氬。通过重整工艺产生氢通常伴随二氧化 》友和 一 氧化碳副产物的产生。其它燃料电池，已知为"直接"或"非重整"燃料电池，直接 氧化高氲含量的燃料，而不需要通过重整工艺产生氢。例如，从20 世纪50年代起就已经知道低级伯醇，尤其是甲醇，可以直接被氧 化。由于省略重整步骤的优势，人们已经对所谓的"直接甲醇氧化" 燃料电池的开发投入了相当的努力。为了使燃料电池中的氧化和还原反应以有用的速率和期望的 电势发生，就需要电催化剂。电催化剂是提高电化学反应速率的催 化剂，并因此允许燃料电池在^氐电位下工作。因此，在没有电催化 剂的情况下，通常的电极反应，如果发生的话，将仅在非常高的电位下发生。由于铂的高催化性能，被支持的铂和铂合金材料被优选 作为燃料电池的阳极和阴极中的电催化剂。然而，在燃料电池商品化过程中的一个显著障碍是，在燃料电 池的工作过程中，阴极中的铂电催化剂缺少稳定性。通常，在燃料 电池的工作过程中，阴才及电位将在0.5和IV之间变化。阴才及电位 的变化是由燃料电池驱动的机械的波动的动力需求导致的。例如， 由燃冲+电池驱动的车辆需要4f止和启动。在较高的大约1伏的阴极电位中， 一部分铂电催化剂具有氧化 的趋势，从而导致铂离子的同时溶解。铂离子能够至少迁移到质子 传导膜。来自阳极穿过质子传导膜的氢导致铂离子随后被还原成铂 纳米颗粒。如此，钿被从阴极耗尽，同时賴在质子传导膜上的积累 会阻碍氢到阴的转移。上述两种效应都会导致燃冲牛电池工作中的 大量电位损失。这种在电位上的损失是燃料电池效率下降的主要根 源。因此，对能够^氐抗前述氧化和溶解效应的基于铂的电催化剂存 在需求。这种铂电催化剂将大大促进燃料电池的商品化。本专利技术涉 及这样的铂电催化剂。
技术实现思路
在一种具体实施方式中，本专利技术涉及柏-金属氧化物复合颗粒。 该铂-金属氧化物复合颗粒含有 一 个至少部分被原子级薄层的零价 或部分带电的铂原子包覆的金属氧化物核。可替换地，或另外地， 该金属氧化物核被结合于零价或部分带电的铂簇。当用于燃^1"电池时，该铂-金属氧化物复合颗粒优选含有具有能 够在燃料电池的工作条件下抵抗分解的金属氧化物核。在一种具体实施方式中，该金属氧化物核包括选自钛、铌、钇、4告、钼、4各、4臬、4孟、4凡、钽、《乌、4来、钌、4老和4因纟且成的纟且中的 一种或多种金属的氧化物。在另一种具体实施方式中， 4目、铬、镍、锰、钒、钽、鴒、或多种金属的氧化物。在另一种具体实施方式中， 、铬、镍、锰、钒、钽、铼、种金属的氧化物。该金属氧化物核包括选自钛、铌、 铼、钌、铑和铱组成的组中的一种该金属氧化物核包括选自钛、铌、 钌、4老和铱组成的组中的一种或多在一个优选的具体实施方式中，该铂-金属氧化物复合颗粒的金 属氧化物核包括鴒的氧化物。在一个更优选的具体实施方式中，该 《乌氧^4勿是4内4乌复合氧4匕对勿(sodium tungsten oxide )。在一个进一 步优选的具体实施方式中，该钠钨复合氧化物是钠-钨青铜。优选地，该柏-金属氧化物复合颗粒的金属氧化物核的尺寸为从 一纳米到五百樣i米的范围内。更优选地，该铂-金属氧化物复合颗粒 的金属氧化物核的尺寸为大约十到五十纳米的范围内。当该金属氧化物核被结合到铂簇时，每一个铂簇优选独立地包 括大约三到六十个铂原子。当该金属氧化物核至少部分地被原子级薄层的零价或部分带 电的铂原子包覆时，该原子级薄层优选为零价或部分带电的铂原子 的亚单层、单层、双层、三层。在另一具体实施方式中，本专利技术涉及氧还原阴极。该氧还原阴极包括一个与上述铂-金属氧化物复合颗粒相结合的电导性载体。该 电导性载体优选选自由炭黑、石墨化>^友、石墨和活性炭组成的组。在另一个具体实施方式中，本专利技术涉及一种燃料电池。该燃料电池包括(i )上文描述的氧还原阴极；(ii )阳极；(iii)将该氧 还原阴极与阳极连接起来的电导性接触件；和(iv )与该氧还原阴 极和阳极共接触中的离子-传导电解质。该离子-传导电解质更优选 为质子-传导电解质，并进一步优选质子-传导膜。在另一种具体实施方式中，本专利技术涉及一种通过防止或减少燃 料电池的氧还原阴极中的柏的溶解来改善燃料电池稳定性的方法。 该方法包括将上文中描述的铂-金属氧化物复合颗粒引入到燃料电 池的氧还原阴极中。在另一种具体实施方式中，本专利技术涉及一种产生电能的方法。 该方法包括(i)使如上文所述的燃料电池的氧还原阴极与诸如氧 气的氧化剂相4妻触；和(ii )使该燃料电池的阳极与诸如氢气的燃 泮牛源相纟妻触。该燃料源可以是例如氢气。氲气可以直接纟是供，或可替换地， 产生于燃料的重整，例如产生于重整的曱醇、重整的甲烷或重整的 汽油。一些其它的燃冲牛源包4舌例如醇、曱》完、汽油、甲酸、二曱醚和 乙二醇。 一些适宜的醇的例子包4舌曱醇和乙醇。由于本专利技术，燃津+电池的稳、定性通过防止或减少燃津十电 >也的氧 还原阴极中的铂溶解得以改善。此外，本专利技术才是供了在维持铂的氧 还原电催化活性的同时铂装载量的显著降低。 具体实施例方式在一种具体实施方式中，本专利技术涉及柏-金属fU匕物复合颗^:。 在一个具体实施方式中，该铂-金属氧化物复合颗粒最低限度是由被 一层原子级薄的零价或部分带电的铂原子至少部分包裹的金属氧 化物核构成。"原子级薄层，，或"原子级薄的表层"是一层零价或 部分带电的铂原子，优选为亚单原子、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铂－金属氧化物复合颗粒，包括金属氧化物核，所述金属氧化物核至少部分地被原子级薄层的零价或部分带电的铂原子所包覆；或可替换地，或另外地，所述金属氧化物核被结合至零价或部分带电的铂簇。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉多斯拉夫R阿季奇，章俊良，米奥米尔武克米罗维奇，
申请(专利权)人：布鲁克哈文科学协会，
类型：发明
国别省市：US[美国]