[發(fā)明專利]鈀鈷顆粒作為氧還原電催化劑

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680004573.5
• 申請(qǐng)日: 2006-02-09
• 公開（公告）號(hào): CN101151745A
• 公開（公告）日: 2008-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 拉多斯拉夫·R·阿季奇;黃濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 布魯克哈文科學(xué)協(xié)會(huì)
• 主分類號(hào): H01M4/00
• 分類號(hào): H01M4/00;B01J23/42
• 代理公司: 北京康信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 章社杲;李丙林

本發(fā)明是由美國政府支持并在美國能源部的資助下完成的，合同號(hào)為DE-AC02-98CH10886。對(duì)于本發(fā)明，政府具有某些權(quán)利。

背景技術(shù)

本發(fā)明涉及在燃料電池中可用作氧還原電催化劑的鈀鈷合金納米顆粒。已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的鈀鈷納米顆粒具有至少和非常昂貴的鉑納米顆粒相同的催化活性，同時(shí)可以作為鉑的顯著便宜的替代物。

“燃料電池”是一種裝置，其將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。在典型的燃料電池中，將氣體燃料如氫供給正極(陰極)，而將氧化劑如氧供給負(fù)極(陽極)。燃料在正極的氧化引起從燃料釋放電子并進(jìn)入連接正極和負(fù)極的外電路。接著，利用由氧化燃料提供的電子在負(fù)極處還原氧化劑。利用離子流動(dòng)通過電解質(zhì)來完成電路，其中電解質(zhì)可以在電極之間進(jìn)行化學(xué)相互作用。電解質(zhì)通常具有質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜的形式，其中聚合物膜將正極室和負(fù)極室分開并且還是電絕緣的。上述質(zhì)子傳導(dǎo)膜的一個(gè)眾所周知的實(shí)例是NAFION。

雖然燃料電池具有類似于典型電池的成分和特性，但在若干方面有差別。電池是一種儲(chǔ)能裝置，其可獲得的能量是由儲(chǔ)存在電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物的量來決定。當(dāng)儲(chǔ)存的化學(xué)反應(yīng)物耗盡時(shí)，該電池將停止產(chǎn)生電能。相反，燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，因?yàn)橹灰螂姌O供給燃料和氧化物，則該裝置理論上就能夠產(chǎn)生電能。

在典型的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池中，將氫供給正極以及將氧供給負(fù)極。氫被氧化以形成質(zhì)子，同時(shí)釋放電子并進(jìn)入外電路。在負(fù)極處氧被還原以形成經(jīng)還原的氧物種。質(zhì)子移動(dòng)穿過質(zhì)子傳導(dǎo)膜到負(fù)極室以和經(jīng)還原的氧物種進(jìn)行反應(yīng)，從而形成水。在典型的氫/氧燃料電池中的反應(yīng)如下：

正極：2H₂→4H⁺+4e^-????(1)

負(fù)極：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O????(2)

凈反應(yīng)：2H₂+O₂→2H₂O????(3)

在許多燃料電池系統(tǒng)中，通過在稱作“轉(zhuǎn)化”的方法中將基于碳?xì)浠衔锏娜剂先缂淄椤⒒蚝跆細(xì)浠衔锶剂先缂状嫁D(zhuǎn)化成氫來產(chǎn)生氫燃料。轉(zhuǎn)化方法通常涉及在加熱條件下使甲烷或甲醇與水的反應(yīng)以產(chǎn)生氫以及二氧化碳和一氧化碳的副產(chǎn)物。

其它燃料電池(稱作“直接”或“非轉(zhuǎn)化”燃料電池)直接氧化高氫含量的燃料，而沒有借助于轉(zhuǎn)化過程來首先產(chǎn)生氫。例如，自二十世紀(jì)五十年代就已經(jīng)知道，可以直接氧化低級(jí)伯醇，尤其是甲醇。因此，基于繞過(或避開)轉(zhuǎn)化步驟的優(yōu)點(diǎn)，已作出相當(dāng)大的努力來開發(fā)所謂的“直接甲醇氧化”燃料電池。

為了使燃料電池中的氧化和還原反應(yīng)以有效速率并且在所期望的電勢(shì)發(fā)生，則需要電催化劑。電催化劑是促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)速率的催化劑，因而使燃料電池可以在較低的超電勢(shì)下進(jìn)行操作。因此，在沒有電催化劑的情況下，僅在非常高的超電勢(shì)下才發(fā)生典型的電極反應(yīng)(如果真正發(fā)生的話)。由于鉑的高催化特性，提供的鉑和鉑合金材料優(yōu)選作為燃料電池的正極和負(fù)極中的電催化劑。

然而，鉑是過于昂貴的貴金屬。事實(shí)上，在現(xiàn)有技術(shù)的電催化劑中所需要的鉑負(fù)載量(platinum?loading)仍然太高以致不能在商業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)燃料電池。

因此，已試圖減少電催化劑中的鉑用量。例如，已研究將鉑納米顆粒作為電催化劑(參見例如，美國專利6,007,934和4,031,292)。此外，已研究了鉑合金納米顆粒，如鉑鈀合金納米顆粒(參見例如，美國專利6,232,264；Solla-Gullon，J.，et?al.，“Electrochemical?AndElectrocatalytic?Behaviour?Of?Platinum-Palladium?NanoparticleAlloys”，Electrochem.Commun.，4，9：716(2002)；以及Holmberg，K.，“Surfactant-Templated?Nanomaterials?Synthesis”，J.Colloid?InterfaceSci.，274：355(2004))。