[發明專利]用于電化學反應的催化劑

無效

• 申請號: 201080038518.4
• 申請日: 2010-07-28
• 公開（公告）號: CN102574104A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: C·奎爾納;E·施瓦布;O·因薩爾;S·布羅伊寧格;T-J·施密特
• 申請（專利權）人: 巴斯夫歐洲公司
• 主分類號: B01J21/18
• 分類號: B01J21/18;B01J23/42;B01J23/89;B01J37/02;B01J35/10;H01M4/92;H01M4/96
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 劉金輝;林柏楠

本發明涉及一種包含載體和催化活性材料且作為均相催化劑用于電化學反應的催化劑。本發明進一步涉及該催化劑的用途。

鉑族金屬或鉑族金屬的合金催化劑通常作為催化劑用于電化學反應。作為合金組分，通常使用過渡金屬，例如鎳、鈷、釩、鐵、鈦、銅、釕、鈀等，在每種情況下單獨或與一種或多種其它金屬結合使用。該類催化劑特別用于燃料電池。催化劑可以在陰極側和在陽極側使用。具體而言在陽極側，需要使用對腐蝕也穩定的活性催化劑。合金催化劑通常用作活性催化劑。

為了得到高活性表面積，通常負載催化劑。碳通常用作載體。所用碳載體通常具有可以使得催化劑納米顆粒精細分布的高比表面積。BET表面積通常高于100m²/g。然而，例如BET表面積約250m²/g的Vulcan?XC72或BET表面積約850m²/g的Ketjen?Black?EC-300J，這些碳載體的缺點是它們非常快速地被腐蝕。在1.1V的電位下，由于氧化在15小時內Vulcan?XC72的約60％的碳腐蝕形成二氧化碳。在具有比表面積更小的碳黑如BET表面積約60m²/g的DenkaBlack的情況下，由于碳黑的石墨含量較高，載體的腐蝕穩定性更高。腐蝕損失在1.1V下在15小時之后僅為碳的8％。在表面積更低的碳載體上的催化劑顆粒通常有點較大且相互靠近。然而，這通常導致性能降低，因為僅小部分量施用于載體的催化活性材料可以催化利用。

因為與高表面積碳黑相比，低表面積碳黑上成核位點更少，晶體生長優選在現有核下進行，通常假定低表面積碳黑上的細碎催化劑顆粒的生產更為困難。因為較大的催化劑顆粒具有較低的催化劑表面積，故電化學反應以較低轉化率進行。因為在低表面積碳黑上顆粒相互更靠近，它們還可以在操作過程中更快速團聚并因此催化劑表面積遭受進一步損失。為此，通常使用高表面積載體，即BET表面積大于100m²/g的載體，例如BET表面積約250m²/g的Vulcan?XC72或BET表面積約850m²/g的Ketjen?Black?EC-300J生產活性催化劑。

碳載體和其上生產的催化劑的表面性能還實質上影響形成生產電極的油墨這一加工性能。在非常低表面積載體上的催化劑通常更難以穩定的方式分散，這會使加工更為困難。例如顯而易見的是使用BET表面積約60m²/g的DenkaBlack。

由于現在通常使用的載體材料為黑色，所生產催化劑和最終使用催化劑的電極也為黑色。這導致陽極和陰極不能肉眼區分。這可能技術上在燃料電池的構造上導致問題。因此有利的是將陽極和陰極進行顏色編碼。通過加入添加劑組分或表面后處理的顏色編碼例如描述于WO?2004/091024中。然而，顏色編碼的缺點是必須加入其它物質。這有時可能對催化劑活性產生不利影響。

本發明的目的是提供一種耐腐蝕性比由現有技術已知的催化劑更好的電化學反應催化劑。

該目的由一種包含載體和催化活性材料且作為均相催化劑用于電化學反應的催化劑實現，其中載體為BET表面積小于50m²/g的碳載體。

BET表面積小于50m²/g的碳載體的使用優點是該腐蝕穩定性與由現有技術已知的載體相比明顯改善。此外，驚人地發現盡管表面積較低，催化劑的能量密度沒有降低。

本發明催化劑的其它優點是與由現有技術已知的催化劑不同，它不是黑色而是灰色代替。這可以使得催化劑單純通過使用不同載體進行顏色編碼。因此，例如負載于由現有技術已知的碳載體上的催化劑可以用作陽極催化劑，原因是陽極催化劑不必如陰極催化劑一樣是腐蝕穩定的。然后本發明催化劑用作陰極催化劑。不同顏色可以使得陽極催化劑和陰極催化劑的分配清晰，這降低或甚至可以消除誤用催化劑的風險。當碳黑作為電催化劑載體用于燃料電池時，顏色沒有改善燃料電池的性能但技術上簡化區分陽極和陰極，例如這可以使得生產方法或組件方法自動化。

BET表面積通常通過N₂吸附測定。然而，或者還可以例如通過碘吸附測定總表面積，因為這兩個值通常非常相似。本發明催化劑的BET表面積小于50m²/g。BET表面積優選為20-30m²/g。

由于載體的BET表面積低，碳黑的石墨含量較高。因此例如石墨的BET表面積小于10m²/g。低表面積改善載體對氧化腐蝕的穩定性。這對作為陰極材料使用尤其重要。