[發(fā)明專利]催化劑

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201980025540.6
• 申請日: 2019-04-11
• 公開（公告）號: CN112042022A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發(fā)明（設計）人: 安德魯·J·L·斯坦巴克;安德魯·T·豪格;克日什托夫·A·萊溫斯基;埃米·E·赫斯特;格朗特·M·托馬斯;賽德利克·貝多亞
• 申請（專利權）人: 3M創(chuàng)新有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/92;B01J23/42;B01J23/46;B01J37/02
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 王潛;郭國清

本發(fā)明提供了一種催化劑，所述催化劑包括Ir層，所述Ir層具有外層，所述外層具有直接位于其上的包含Pt的層，其中所述Ir層的平均厚度在0.04納米至30納米的范圍內，其中所述包含Pt的層的平均厚度在0.04納米至50納米的范圍內，并且其中所述Pt和所述Ir以0.01:1至10:1范圍內的原子比存在。本文所述的催化劑可用于例如燃料電池膜電極組件。

相關申請的交叉引用

本申請要求2018年4月13日提交的美國臨時專利申請62/657184的權益，該專利的公開內容全文以引用方式并入本文。

本發(fā)明在DOE授予的政府支持下進行，合同號為DE-EE0007270。政府對本發(fā)明享有一定的權利。

背景技術

燃料電池通過燃料的電化學氧化和氧化劑的還原來產生電力。燃料電池通常根據電解質的類型和燃料與氧化劑反應物的類型來分類。一種類型的燃料電池為聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)，其中電解質為聚合物離子導體，并且反應物為氫燃料和作為氧化劑的氧氣。氧氣通常由環(huán)境空氣提供。

PEMFC通常需要使用電催化劑來提高氫氧化反應(HOR)和氧還原反應(ORR)的反應速率，這改善了PEMFC性能。PEMFC電催化劑通常包含鉑，一種相對昂貴的貴金屬。通常期望使PEMFC中的鉑含量最小化，從而提高每單位催化劑表面積的催化劑活性(比活性)并提高每催化劑質量的催化劑表面積(比表面積或比面積)。HOR和ORR發(fā)生在催化劑表面上，因此提高比表面積和/或比活性可減小裝置以使成本最小化。然而，需要足夠的鉑含量以提供足夠的催化活性和PEMFC裝置性能。因此，需要提高每單位催化劑質量的催化劑活性(質量活性)。存在兩種提高質量活性的一般方法，即，實現期望的絕對性能所需的催化劑的量，從而降低成本。

為了使比面積最大化，PEMFC電催化劑通常以納米級薄膜或載體材料上的顆粒的形式存在。用于納米顆粒PEMFC電催化劑的示例性載體材料為炭黑，并且用于薄膜電催化劑的示例性載體材料為晶須。

為了提高比活性，PEMFC Pt ORR電催化劑通常還包含某些過渡金屬諸如鈷或鎳。不受理論的約束，認為某些過渡金屬結合到Pt晶格中會引起Pt原子在催化劑表面的收縮，這通過改變分子氧結合和解離能以及反應中間體和/或觀察物種的結合能來提高動力學反應速率。

PEMFC電催化劑可以摻入其它貴金屬。例如，可使HOR PEMFC Pt電催化劑與釕合金化以改善對一氧化碳(一種已知的Pt催化劑毒物)的耐受性。HOR和ORR PEMFC電催化劑也可以摻入銥以促進氧氣析出反應(OER)的活性。在沒有燃料的情況下以及在PEMFC系統(tǒng)啟動和關閉期間，改善的OER活性可以改善PEMFC在無意操作下的耐久性。然而，將銥摻入PEMFCORR電催化劑中可導致質量活性降低和催化劑成本增加。銥對ORR的比活性比鉑低，可能導致催化劑質量活性降低。銥也是貴金屬，因此其摻入可增加成本。PEMFC Pt電催化劑也可摻入金，金也是貴金屬并且可增加成本。已知金在酸性電解質中對HOR和ORR相對無活性。由于金傾向于優(yōu)先分離到電催化劑表面，因此摻入金可導致HOR和ORR顯著失活，從而阻止活性催化位點。

PEMFC電催化劑可具有不同的結構和組成形態(tài)。結構和組成形態(tài)通常通過電催化劑制造期間的特定加工方法來調整，諸如電催化劑沉積方法和退火方法的變化。PEMFC電催化劑可以是組成均勻的、組成分層的，或者可以在整個電催化劑中含有組合物梯度。在電催化劑內調整組合物分布可以改善電催化劑的活性和耐久性。PEMFC電催化劑顆?；蚣{米級薄膜可具有基本上光滑的表面或具有原子或納米級粗糙度。PEMFC電催化劑可以是結構上均勻的或可以是納米多孔的，由納米級孔和固體催化劑韌帶組成。