[發(fā)明專利]三元鉑合金催化劑

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210211794.7
• 申請(qǐng)日: 2010-02-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102820475A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S.鮑爾;T.R.拉爾夫;B.R.西奧博爾德;D.湯普塞特
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 約翰遜馬西有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/92
• 分類號(hào): H01M4/92
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 呂彩霞;林森

本申請(qǐng)是于2011年8月10日進(jìn)入國(guó)家階段、國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?01080007283.2、名稱為“三元鉑合金催化劑”的PCT申請(qǐng)（國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/GB2010/050164）的分案申請(qǐng)。?

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種新的三元鉑合金催化劑，和涉及該催化劑的用途，特別是作為氧還原催化劑用于燃料電池中，例如磷酸燃料電池(PAFC)或者質(zhì)子交換隔膜燃料電池(PEMFC)中。?

背景技術(shù)

燃料電池是一種電化學(xué)電池，其包含被電解質(zhì)隔開(kāi)的兩個(gè)電極。將燃料例如氫氣，醇例如甲醇或者乙醇，或者甲酸供給到陽(yáng)極，將氧化劑例如氧氣或者空氣供給到陰極。在該電極處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并且將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能和熱。使用電催化劑來(lái)促進(jìn)燃料在陽(yáng)極的電化學(xué)氧化和氧氣在陰極的電化學(xué)還原。?

用于燃料氧化和氧還原的電催化劑典型的基于鉑或者具有一種或多種其他金屬的鉑合金。該鉑或者鉑合金催化劑可以處于不負(fù)載的納米尺寸粒子(金屬黑)的形式或者可以作為甚至更高表面積的粒子沉積到導(dǎo)電碳基底上(負(fù)載的催化劑)。?

燃料電池通過(guò)根據(jù)所用電解質(zhì)的性質(zhì)分類。在PAFC中，電池是由包含在惰性基質(zhì)薄層中的磷酸電解質(zhì)制成，該基質(zhì)薄層夾在陽(yáng)極和陰極電極之間。在PEMFC中，電解質(zhì)層典型的是位于電極層之間的一種薄質(zhì)子傳導(dǎo)性聚合物。這些電池的任何一種能夠用純的氫氣燃料，或者用通過(guò)烴燃料重整而形成的更稀的含氫燃料混合物來(lái)運(yùn)行，或者特別是在PEMFC的情況中，可以直接用烴燃料例如甲醇或者乙醇來(lái)運(yùn)行。?

PAFC和PEMFC的電極經(jīng)常稱作氣體擴(kuò)散電極(GDE)，通常包含氣體多孔性、導(dǎo)電的和化學(xué)惰性氣體擴(kuò)散基底(GDS)和電催化劑層，該電催化劑層包含電催化劑，其面向電解質(zhì)或者隔膜并且與之接觸。磷酸燃料電池使用磷酸作為電解質(zhì)，并且典型的運(yùn)行溫度是150℃-220℃。在相關(guān)領(lǐng)域中公開(kāi)的或者申請(qǐng)專利的研究中，用過(guò)渡金屬例如鉻、鈷和鎳對(duì)鉑進(jìn)行合金化能夠?qū)?duì)于氧還原反應(yīng)的催化劑活性相對(duì)于PAFC系統(tǒng)中的鉑催化劑提高2或者3倍。用于磷酸燃料電池陰極處的常規(guī)催化劑是鉑-鉻(US4316944)，鉑-鎳(US5068161)和鉑-鈷-鉻(US4447506)。與這種催化劑有關(guān)的一個(gè)問(wèn)題是缺少穩(wěn)定性，這歸因于催化劑在磷酸燃料電池所用溫度時(shí)的燒結(jié)。催化劑粒子在延長(zhǎng)的磷酸燃料電池運(yùn)行環(huán)境過(guò)程中具有通過(guò)表面遷移或者溶解/重新沉淀而聚結(jié)的傾向。這導(dǎo)致了在燃料電池系統(tǒng)壽命中電池性能(電壓)不可接受的降低，并且伴隨著燃料電池發(fā)電能力效率的降低。所以持續(xù)進(jìn)行研究來(lái)尋求具有更高活性和穩(wěn)定性的氧還原催化劑。三元系統(tǒng)已經(jīng)顯示出比二元組合物更穩(wěn)定，并且磷酸燃料電池環(huán)境中的穩(wěn)定性可以通過(guò)加入第三金屬來(lái)提高。US4806515描述了一種鉑-鉻-鎵三元系統(tǒng)，具有對(duì)于燒結(jié)明顯的穩(wěn)定性和耐金屬溶解性。還已經(jīng)證實(shí)鉑-鈷-鉻(US5068161)和鉑-銠-鐵(WO94/10715)在磷酸燃料電池環(huán)境中具有穩(wěn)定性的某種程度的提高，如鉑-銥-鉻和鉑-銥-鐵那樣(US5013618)。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種改進(jìn)的催化劑，其表現(xiàn)出提高的壽命穩(wěn)定性，與現(xiàn)有技術(shù)的催化劑相比沒(méi)有活性的降低，或者具有提高的活性，同時(shí)保持了現(xiàn)有技術(shù)程度的穩(wěn)定性，或者優(yōu)選同時(shí)具有提高的穩(wěn)定性和活性二者，特別是對(duì)作為氧還原催化劑用于磷酸燃料電池來(lái)說(shuō)更是如此。?

因此，本發(fā)明提供一種鉑合金催化劑PtXY，其中X是鎳，鈷，鉻，銅，鈦或者錳，Y是鉭或者鈮，特征在于在該合金中，鉑的原子百分比是46-75at%，X是1-49at%和Y是1-35at%；條件是該合金不是66at%Pt20at%Cr14at%Ta或者50at%Pt25at%Co25at%Ta。?

合適的X是鎳，鈷，鉻或者銅；優(yōu)選是鎳或者鈷。?

在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，這里提供一種PtXTa合金，其中X是鎳，鈷，鉻，銅，鈦或者錳，特征在于鉑的百分比是46-75at%，Ta是1-35at%和X是1-49at%；條件是該合金不是66at%Pt20at%Crl4at%Ta或者50at%Pt25at%Co25at%Ta。?

在本發(fā)明第二種實(shí)施方案中，這里提供一種PtXNb合金，其中X是鎳，鈷，鉻，銅，鈦或者錳，特征在于鉑的百分比是46-75at%，Nb是1-35at%和X是1-49at%。?

合適的，在該合金中，鉑的原子百分比是46-65?at%，更合適的是46-60?at%，優(yōu)選46-55at%。?