[發明專利]制備納米尺寸的鉑-鈦合金

有效

• 申請號: 200680031301.4
• 申請日: 2006-06-22
• 公開（公告）號: CN101405101A
• 公開（公告）日: 2009-04-08
• 發明（設計）人: I·C·哈拉萊;M·K·卡彭特
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: B22F9/26
• 分類號: B22F9/26
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫宏艷;林 森

技術領域

本發明涉及納米尺寸的鉑-鈦合金顆粒的制備。更具體地，本發明涉及應用超聲波能于鉑和鈦前體化合物的分散體或溶液來生產小的鉑鈦合金顆粒。該顆粒可以例如用作催化劑。

發明背景

研發具有經濟可行性的汽車用含聚合物電解質膜(PEM)的燃料電池時所面臨挑戰是：為了氧的催化還原，目前陰極中需要高成本的鉑。多種鉑合金催化劑已顯示改進了氧還原的整體活性，并且鉑-鈦合金催化劑已顯示出一定程度上更理想的活性。此外，催化劑中的鈦組分有望在PEM燃料電池中出現的酸性環境中相當穩定。

為了在燃料電池中有效，鉑合金催化劑必須制成納米顆粒。當前的鉑-鈦催化劑的合成方法需要若干濕化學步驟，最后在高溫下還原。這種最后的步驟對得到納米顆粒不理想，因為在還原鈦所需的溫度下兩種金屬都將發生燒結。需要更好的制備納米尺寸的鉑-鈦合金顆粒的方法。

發明概述

本發明將高頻聲波應用于合適的惰性液體中，以誘導懸浮或溶解的鉑和鈦前體化合物的還原(分解)。使用高頻聲來誘導化學反應有時被稱為聲化學。在本發明的實踐中，鉑和鈦的金屬有機化合物、有機金屬化合物和/或鹵素化合物都是合適的。可以使用包含合適比例的鉑和鈦的單一前體化合物，其同時，或分開使用鉑和鈦的化合物。大多數這些材料是可以作為顆粒懸浮在或者溶解在低蒸汽壓的液體中，但是有些鈦化合物是液體。一般地，惰性低蒸汽壓的烴液體比如十氫化萘，四氫化萘或十三烷是尤其合適的。所述液體適宜地維持在低于環境的溫度，以進一步減少其蒸汽壓和在施加高頻聲(超聲)時最小化反應物損失。

在液體中產生高頻聲波，比如大約20KHz的高頻聲波，來制造成穴。小的氣泡不斷產生，迅速漲大并且破裂。破裂的氣泡內部以及周圍附近產生的極端溫度和壓力條件導致了鉑和鈦前體化合物的分解，同時周圍大量液體的高冷卻速率產生了具有亞穩(可能為無定形態)結構的非常微小顆粒。這些顆粒具有納米尺寸并且含有鉑和鈦的混合物。為了避免小金屬顆粒被氧化，讓還原氣體如氫氣鼓泡通過該液體。此外，該液體可單獨地被惰性氣體如氬氣覆蓋(遮蔽)。鉑和鈦的初始比例影響最終顆粒中的沉積比例。

施加聲能的時間取決于液體中金屬前體分解的量。在聲振動停止后，固相與液體分離，并且任何無機或有機化合物被從金屬顆粒中洗出或溶解掉。取決于還原反應的條件，金屬顆粒可為無定形態或部分晶態。但它們的直徑或最大顆粒尺寸一般都小于約十納米。這樣的顆粒一般具有有用的催化特性。

聲化學方法可以以間歇方法或連續方法進行。連續方法尤其有利于大批量生產鉑或鉑鈦合金或金屬間化合物小顆粒。顆粒的形態可能隨金屬前驅體和/或液體介質的組成以及聲化學反應的物理條件的改變而變化。此外，由于合成過程中反應介質的溫度低(＜0℃)，該方法可合成比使用傳統方法可得到的顆粒更小的納米顆粒。

本發明的其它目的和優點將在接下來的具體實施方案的詳細描述中變得顯而易見。

優選實施方式的描述

本發明是便利的低溫制備Pt-Ti納米尺寸顆粒催化劑的方法。Pt-Ti催化劑的使用會減少燃料電池的陰極上負載的鉑含量，這樣就降低了成本。碳腐蝕和Pt催化劑顆粒的燒結是燃料電池中致使陰極性能退化的兩大主因。而鈦的存在可阻止催化顆粒的燒結從而改進了陰極的耐久性。

依據本發明，鉑-鈦合金在成穴條件下被合成，通過鈦和鉑分子化合物的共還原產生了納米尺寸的合金顆粒。鈦和鉑可以被結合入同一種聲波可分解的前體化合物中，或者可使用單獨的金屬化合物。該方法采用鉑(II)和鈦(IV)化合物進行闡述。但是應該想到采用其它氧化態的金屬化合物也是可行的，比如鉑(IV)和鈦(III)。