具有金属氧化物/磷酸盐载体结构的燃料电池催化剂及其制造方法技术

燃料电池负载型催化剂包括具有金属氧化物和金属磷酸盐中的至少一种的基础载体结构。催化剂颗粒在所述载体结构上排列并与该载体结构接合。中间的导电的耐腐蚀层，例如掺硼金刚石，在所述载体结构上排列并与该载体结构接合，以围绕催化剂颗粒。在一个实例中，通过在催化剂颗粒已在基础载体结构上沉积之后，在载体结构上沉积中间层，来制备所述负载型催化剂。在另一个实例中，在已沉积在基础载体结构上的中间层中提供空隙，以随后容纳催化剂颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及燃料电池负载型催化剂及其制造方法。背景成本和持久性问题使得燃料电池的商业化困难。燃料电池利用在燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气，通常来自空气)之间产生化学反应的催化剂。该催化剂通常为在载体(通常为高表面积碳)上负载的钼。一些持久性问题归因于由腐蚀引起的载体的降解。电化学研究已表明，腐蚀强烈地取决于碳的表面积和形态结构。例如，已有报道，具有高表面积的碳，例如科琴黑(ketjen black)，在启动和停止燃料电池循环期间所经历的电位下能严重腐蚀，引起燃料电池性能显著丧失。因此，为了克服该特别的持久性问题，可期望使用在化学和电化学上更稳定的非碳的载体。用于催化剂的一种可能的供选的载体为金属氧化物或金属磷酸盐。金属氧化物/ 磷酸盐在低温燃料电池应用中通常可具有高表面积和良好的耐腐蚀性。然而，大多数那些高表面积金属氧化物/磷酸盐不导电，并且极为亲水。亲水载体可能引起严重的问题，例如溢流，其导致电池性能显著下降，尤其是在高电流密度下。结果是，基于金属氧化物/磷酸盐的负载型催化剂尚未用于低温燃料电池。因此，需要一种适用于燃料电池环境的改性的基于金属氧化物/磷酸盐的负载型催化剂。概述公开了一种燃料电池负载型催化剂，所述催化剂包括具有金属氧化物和金属磷酸盐中的至少一种的基础(underlying)载体结构。催化剂颗粒在所述载体结构上排列并与该载体结构接合。中间导电的耐腐蚀层，例如掺硼金刚石，在所述载体结构上排列并与该载体结构接合，以围绕催化剂颗粒。在一个实例中，通过在催化剂颗粒已在基础载体结构上沉积之后，在基础载体结构上沉积中间层，来制备所述负载型催化剂。在另一个实例中，在已沉积在基础载体结构上的中间层中提供空隙，以随后容纳催化剂颗粒。由以下描述和附图可最好地理解本公开的这些和其他特性，以下为附图简述。附图简述附图说明图1为一种实例燃料电池的高度示意图。图2为用于图1所示的燃料电池的一种实例基于金属氧化物/磷酸盐的负载型催化剂的高度示意图。图3a_;3b举例说明通过用催化性材料和中间层涂布金属氧化物/磷酸盐基础载体来制备燃料电池负载型催化剂的一种方法。图4a_4b举例说明通过用催化性材料和中间层涂布金属氧化物/磷酸盐基础载体来制备燃料电池负载型催化剂的另一种方法。图5a_5d举例说明通过用催化性材料和中间层涂布金属氧化物/磷酸盐基础载体3来制备燃料电池负载型催化剂的再一种方法。专利技术详述在图1中示意性举例说明一种实例燃料电池10。燃料电池10包括电池12，该电池12具有在质子交换膜16附近排列的阳极14和阴极18。阳极12接受来自燃料源M的燃料，例如氢气。泵洲将氧化剂(例如空气)从氧化剂源沈供应至阴极18。在该实例中， 氧化剂源26为周围环境。燃料和氧化剂在受控的化学过程中反应以产生电。电池12和其他电池20在电池堆叠组件22中排列，以提供足够的电为负载供电。示于图1的燃料电池 10仅用于举例说明，不应看作是限制权利要求。阳极14和阴极18通常包括在催化剂载体上排列的催化剂。催化剂载体提供基础高表面积结构，在该高表面积结构上沉积受控量的催化剂颗粒。通常，催化剂为钼颗粒，并且催化剂载体为碳，例如科琴黑、碳纤维或石墨。本公开涉及一种负载型催化剂30，该催化剂具有金属氧化物或金属磷酸盐基础载体结构32，如图2所示。该基础载体结构32还可为金属氧化物和金属磷酸盐的混合物。实例金属氧化物包括钛的氧化物(例如，打02或11407)、锆的氧化物(ZrO2)、钨的氧化物(WO3)、 钽的氧化物(Ta2O5)和铌的氧化物(Nb02、Nb205)。其他实例金属氧化物包括钇、钼、铟和/或锡的氧化物(例如，ΙΤ0)。金属磷酸盐包括，例如，TaPOx、TiPOx * ^Ρ0χ。更期望具有高表面积的金属氧化物/磷酸盐，使得催化剂颗粒可相应地充分分散并表现出增强的催化活性。金属氧化物/磷酸盐在低温燃料电池环境中高度耐腐蚀，这使其成为可行的载体材料。然而，金属氧化物/磷酸盐极为亲水，这在一些应用中由于电极溢流而为不合乎需要的性能，特别是在低温燃料电池中。此外，未掺杂的金属氧化物/磷酸盐具有有限的导电性，但是催化剂载体通常必须多少有些导电以确保在负载型催化剂结构内有效的电子转移。否则燃料电池将经历不期望量的内阻。结果是，负载型催化剂必须不仅要更疏水而且还要导电，以适用于燃料电池。为此，在金属氧化物/磷酸盐基础载体结构上沉积导电的中间层。在一个实例中，掺硼金刚石(BDD)用作中间层。然而，BDD昂贵，具有有限的金属-载体强相互作用(strong-metal-support-interaction)并且具有低表面积。因此，期望以受控、受限的方式使用BDD，并且在金属氧化物/磷酸盐载体结构上直接沉积催化剂颗粒。其他导电的耐腐蚀中间层材料包括石墨化碳、类金刚石碳，碳化物和导电聚合物可代替BDD。负载型催化剂30包括在金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32上排列的催化剂颗粒34。实例催化剂包括贵金属，例如钼、钯、金、钌、铑、铱、锇或其合金。还可使用第二金属来降低贵金属的用量。实例第二金属包括过渡金属，例如钴、镍、铁、铜、锰、钒、钛、锆和铬。 催化剂颗粒34与金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32接触并被该金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32物理负载。中间层36涂布金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32，使得催化剂颗粒34的表面38暴露并延伸超过中间层36的表面40。上述负载型催化剂30具有优异的氧还原反应活性和持久性。制备负载型催化剂30的几种实例方法示意性地描述于图3a_5d。第一种制备方法示于图3a-3b。参考图3a，在金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32上沉积催化剂颗粒34。 如图北所示，在催化剂颗粒34周围或围绕催化剂颗粒34，在金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32上沉积中间层36。在该实例中，中间层36与催化剂颗粒34接合，并且未暴露显著量的金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32。选择中间层36的厚度，使其足够厚，以提供期望的电导率，并且足够薄，以允许表面38延伸超过表面40。采用这种方式，当BDD用作中间层材料时，降低量的BDD可用于制备负载型催化剂30。第二种制备方法示于图^_4b。在金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32上沉积不完全的中间层36，留下空隙44而暴露表面46，如图如所示。在空隙44中沉积催化剂颗粒 ；34，使得催化剂颗粒34与金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32接合，如图4b举例说明。第三种制备方法示于图fe_5d。参考图fe，在金属氧化物/磷酸盐基础载体结构 32上沉积中间材料42，例如金属或其他化合物。该化合物可通过化学方法溶解。在金属氧化物/磷酸盐载体结构32上沉积中间层36，使得中间材料42暴露，如图恥所示。参考图 5c，中间材料42在化学品(例如酸溶液)中溶解，留下空隙44，其暴露金属氧化物/磷酸盐载体结构32的表面46。最后，在空隙44内并且在金属氧化物/磷酸盐基础载体结构32 上沉积催化剂颗粒34，如图5d所示。虽然已公开了实例实施方案，但是本领域普通技术人员将认识到，某些修改在权利要求的范围内。出于该原因，应研究所附权利要求以确定其确切的范围和内容。权利要求1.一种燃料电池催化剂，所述催化剂包括基础载体结构，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：B·默佐圭，T·卡瓦穆拉，
申请(专利权)人：UTC电力公司，丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：