[發明專利]在鈀基核納米粒子上制備全鉑單層的方法

有效

• 申請號: 201180066734.4
• 申請日: 2011-02-03
• 公開（公告）號: CN103370130A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: M.邵
• 申請（專利權）人: UTC電力公司
• 主分類號: B01J23/44
• 分類號: B01J23/44;B01J35/08;B01J37/02;H01M4/92
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 段菊蘭;李炳愛

發明背景

含有載鉑催化劑粒子的電極用于電化學電池如燃料電池中。例如，在常規氫燃料電池中，載鉑催化劑用于在燃料電池的陽極將氫氣氧化成質子和電子。在燃料電池的陰極，另一載鉑催化劑觸發氧還原反應(ORR)，導致形成水。

鉑催化劑粒子可為具有鈀核和鉑殼的核-殼催化劑粒子。與先前的鉑催化劑例如鉑納米粒子相比，核-殼催化劑粒子具有提高的ORR活性。由于昂貴的鉑僅用于覆蓋核的外表面，因此核-殼催化劑粒子還具有降低的材料成本。

鉑殼為包封鈀核的鉑原子的原子薄層。盡管鉑原子覆蓋核的大部分，但殼可具有稱為小孔的空隙、空穴或間隙。這些小孔使得鈀核暴露。

發明概述

一種用于形成催化納米粒子的方法包括形成核-殼催化納米粒子和處理所述核-殼催化納米粒子。所述核-殼催化納米粒子具有由鉑殼包封的鈀核。對所述核-殼催化納米粒子進行處理以增加由鉑殼所覆蓋的核-殼催化納米粒子的表面積百分比。

附圖簡述

圖1為具有催化劑層的燃料電池重復單元的透視圖。

圖2為用于圖1的催化劑層的核-殼催化劑的放大視圖。

圖3A為示出制備由鉑所覆蓋的表面積百分比增加的核-殼催化納米粒子的方法的框圖。

圖3B為示出一種增加由鉑所覆蓋的核-殼催化納米粒子的表面積百分比的方法的框圖。

圖3C為示出另一種增加由鉑所覆蓋的核-殼催化納米粒子的表面積百分比的方法的框圖。

圖3D為示出另一種增加由鉑所覆蓋的核-殼催化納米粒子的表面積百分比的方法的框圖。

發明詳述

本文描述了用于增加由鉑所覆蓋的核-殼催化納米粒子的表面積百分比的方法。具有鈀核和鉑殼的核-殼催化納米粒子可用于電化學電池例如燃料電池中，以提高電化學反應的速率。核-殼結構降低了材料成本并改善了氧還原反應(ORR)活性。核-殼催化納米粒子可通過銅欠電位沉積-置換方法形成。盡管可使用銅欠電位沉積-置換方法將全鉑單層沉積在光滑表面上，但全鉑單層可能在納米粒子的表面上無法實現。本文所述的方法在鈀核上形成更加完整的鉑殼并且提高了鉑質量活性。

燃料電池利用一個或多個燃料電池重復單元將化學能轉化成電能。圖1示出一個示例性燃料電池重復單元10的透視圖，其包括膜電極組件(MEA)?12（具有陽極催化劑層(CL)?14、電解質16、陰極催化劑層(CL)?18)、陽極氣體擴散層(GDL)?20和陰極氣體擴散層(GDL)?22、陽極流場24和陰極流場26。燃料電池重復單元10可具有鄰近陽極流場24和陰極流場26的冷卻劑流場。冷卻劑流場在圖1中未示出。

陽極GDL?20面向陽極流場24，陰極GDL?22面向陰極流場26。陽極CL?14位于陽極GDL?20與電解質16之間，陰極CL?18位于陰極GDL?22與電解質16之間。通過已知的方法粘合在一起后，該組件被稱為單元化電極組件(UEA)。在一個實例中，燃料電池重復單元10為使用氫燃料（即，氫氣）和含氧氧化劑（即，氧氣或空氣）的質子交換膜燃料電池(PEMFC)。已經認識到，燃料電池重復單元10可使用替代燃料和/或氧化劑。

在工作過程中，陽極GDL?20通過陽極流場24接收氫氣(H₂)。含有催化劑（例如鉑）的陽極CL?14使得氫分子分裂成質子(H⁺)和電子(e^-)。質子和電子穿行至陰極CL?18；質子穿過電解質16到達陰極CL?18，而電子穿行通過外部電路28，導致電能的產生。空氣或純氧(O₂)通過陰極流場26供給至陰極GDL?22。在陰極CL?18，氧分子與來自陽極CL?14的質子和電子反應形成水(H₂O)，然后水與余熱一同離開燃料電池10。

電解質16設置在陽極CL?14與陰極CL?18之間。電解質16使得質子和水移動但不傳導電子。來自陽極CL?14的質子和水可移動通過電解質16到達陰極CL?18。電解質16可為液體例如磷酸，或固體膜例如含全氟磺酸(PFSA)的聚合物或離聚物。PFSA聚合物由氟烴主鏈構成，其中有磺酸根基團與短氟烴側鏈相連。示例性PFSA聚合物包括美國杜邦公司(E.I.?DuPont,?USA)生產的Nafion?。

陽極CL?14鄰近電解質16的陽極側。陽極CL?14包括促進燃料（即，氫）電化學氧化的催化劑。用于陽極CL?14的示例性催化劑包括在下文進一步描述的碳載鉑納米粒子和核-殼催化劑納米粒子。