[發(fā)明專利]燃料電池電催化劑

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080069328.9
• 申請日: 2010-09-28
• 公開（公告）號: CN103140974A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: I·切里;永見哲夫;B·E·海登;A·C·維科文;C·莫爾米什;J·C·戴維斯
• 申請（專利權(quán)）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所 11247
• 代理人: 彭飛;林柏楠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于燃料電池電催化劑的載體材料和包含所述載體材料的燃料電池電催化劑。

背景技術(shù)

作為催化劑載體材料的碳的存在限制了常規(guī)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的耐久性。在PEMFC中，如果使用碳作為電催化劑的載體材料，則在水存在下和在相關(guān)的運行電位范圍（高于0.2V，SHE基礎(chǔ)，尤其大于1.0V）中發(fā)生將碳氧化成CO₂的反應(yīng)。碳的氧化導(dǎo)致催化劑變稀，隨之損失性能。由于復(fù)合氧化物在典型酸性環(huán)境中的穩(wěn)定性，可以使用它們增強電極材料的耐久性。

在WO2009/152003中公開了這樣的材料，其描述了使用鈮（Nb）摻雜的氧化鈦（TiO₂）作為電催化劑的載體。在該文獻中描述的電極的情況下，對該復(fù)合氧化物施以在高溫下的特定還原處理，以通過形成結(jié)晶金紅石相（包括較低氧化態(tài)Ti₄O₇（Magneli相））提高電導(dǎo)率。該復(fù)合氧化物包括相對于Ti和Nb的總量優(yōu)選為5-10原子％的量的Nb。所實現(xiàn)的電導(dǎo)率低于0.16S/cm。

US6,524,750描述了式Ti_1-xNb_xO_2-y所示的化合物，其中x為0.01至0.5，y為0.05至0.25。該化合物包括金紅石相并表現(xiàn)出改進的電導(dǎo)率。如US6,524,750中所述，在1250℃的非常高的溫度下合成后，進行在H₂氣氛中的高溫還原處理，以產(chǎn)生亞化學(xué)計量。該化合物用作一次和二次電池組電池的添加劑以改進放電容量。盡管已公開了用于電化學(xué)用途（例如催化劑載體和添加劑）的某些復(fù)合氧化物，但仍然需要在電導(dǎo)率、催化劑溶解和催化活性等方面改進這類材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要實現(xiàn)的目的

本發(fā)明的一個目的是開發(fā)用于PEMFC電催化劑的載體，其具有提高的電導(dǎo)率和在酸性環(huán)境中的穩(wěn)定性。

實現(xiàn)目的的手段

由于為實現(xiàn)上述目的而做出的深入研究，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)出了具有提高的電導(dǎo)率和在酸中的穩(wěn)定性的復(fù)合氧化物材料，作為碳催化劑載體的替代品。

具體而言，本發(fā)明概述如下。

（1）負(fù)載型燃料電池電催化劑，其包含：

載體材料，所述載體材料包含具有金紅石晶體結(jié)構(gòu)的Ti-Nb復(fù)合氧化物；和

負(fù)載在所述載體材料上的貴金屬催化劑。

（2）根據(jù)（1）的負(fù)載型燃料電池電催化劑，其中所述復(fù)合氧化物中的Nb量相對于Ti和Nb的總量為5-20原子％。

（3）根據(jù)（2）的負(fù)載型燃料電池電催化劑，其中所述復(fù)合氧化物中的Nb量相對于Ti和Nb的總量優(yōu)選為6-8原子％。

（4）根據(jù)（1）-（3）任一項的負(fù)載型燃料電池電催化劑，其中所述貴金屬催化劑是鉑催化劑。

（5）根據(jù)（1）-（4）任一項的負(fù)載型燃料電池電催化劑，其中所述貴金屬催化劑的量相對于所述載體材料為10-50重量％。

（6）根據(jù)（1）-（5）任一項的負(fù)載型燃料電池電催化劑，其中所述Ti-Nb復(fù)合氧化物是近化學(xué)計量金紅石復(fù)合氧化物。

（7）根據(jù)（1）-（6）任一項的負(fù)載型燃料電池電催化劑，其中所述Ti-Nb復(fù)合氧化物是薄膜或粉末形式。

（8）制造具有金紅石晶體結(jié)構(gòu)的Ti-Nb復(fù)合氧化物的方法，其包括：

在弱氧氣氛下在600-800℃的溫度用Nb摻雜TiO₂。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，可以提供具有提高的電導(dǎo)率和在酸中的穩(wěn)定性的Ti-Nb復(fù)合氧化物作為催化劑載體。可以制備具有提高的穩(wěn)定性和電導(dǎo)率的在高溫金紅石相中的Nb摻雜鈦的薄膜。Nb摻雜的氧化鈦的氧近化學(xué)計量學(xué)促成了較高的電導(dǎo)率，以使該氧化物成為具有長期穩(wěn)定性的FC催化劑載體的合適候選物。

附圖簡述

圖1顯示金紅石復(fù)合氧化物的XRD圖。

圖2顯示非晶態(tài)和金紅石近化學(xué)計量的復(fù)合氧化物膜的電導(dǎo)率。

圖3顯示沉積在復(fù)合氧化物上的Pt粒子的典型TEM圖像。

圖4顯示對完全化學(xué)計量的金紅石復(fù)合氧化物而言，在含氧的0.5MHClO₄溶液中但在沒有電極旋轉(zhuǎn)的情況下，在20mVs-1下進行的伏安法的第三陰極循環(huán)。

圖5顯示對表現(xiàn)最佳的非晶態(tài)、銳鈦礦和金紅石基底而言，在含氧的0.5M?HClO₄溶液中但在沒有電極旋轉(zhuǎn)的情況下，在20mVs-1下進行的伏安法的陰極循環(huán)。