[發(fā)明專利]鎢金屬/氮化鎢增強(qiáng)的鉑基ORR催化劑以及制備它的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201980075772.2
• 申請(qǐng)日: 2019-10-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113454028A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·W·魏默;W·麥克尼里
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 科羅拉多大學(xué)校務(wù)委員會(huì)(一個(gè)法人團(tuán)體)
• 主分類號(hào): C01G41/00
• 分類號(hào): C01G41/00;B01J23/18;B01J23/40;C23C16/34
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 樂(lè)洪詠;朱黎明

用于形成氧還原反應(yīng)(ORR)催化劑(200，900)的方法可包括提供碳(210，910)載的鉑納米顆粒(220，920)襯底(Pt/C)(110)以及使用原子層沉積(ALD)(120)將氮化鎢(WN)膜(940)施加至Pt/C襯底(210，220，910，920)的表面上。然后可以將具有WN膜(940)的Pt/C襯底(210，220，910，920)在低溫(130)下氧化并在升高溫度下退火，以便將WN還原為金屬鎢(W)(140)。金屬W在粗糙的Pt納米顆粒(220，920)上形成阻擋層(230，930)，并提高了Pt/C催化劑(900，200)在用于燃料電池或相關(guān)應(yīng)用中時(shí)的活性和耐久性。

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2018年10月26日提交并且標(biāo)題為T(mén)UNGSTEN METAL/TUNGSTENNITRIDE OVERLAYS FOR PREVENTING CATALYST NANOPARTICLE SINTERING的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)62/751,518的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)通過(guò)引用整體并入本文。

背景技術(shù)

由于烴基能量來(lái)源的局限性，近年來(lái)對(duì)新能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存方法的興趣急劇增加。燃料電池使用包含兩個(gè)被電解質(zhì)隔開(kāi)的電極的電化學(xué)電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在操作中，諸如氫或醇的燃料被供給至陽(yáng)極，而諸如氧或空氣的氧化劑被供給至陰極。電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并且燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能。電催化劑用于促進(jìn)燃料在陽(yáng)極的電化學(xué)氧化和氧氣在陰極的的電化學(xué)還原，但是電催化劑通常必須在強(qiáng)酸性條件下運(yùn)行，并且催化劑的選擇受到降解問(wèn)題的限制。

開(kāi)發(fā)用于陰極氧還原反應(yīng)(ORR)的具有足夠活性、持久性和成本效益的催化劑是聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)商業(yè)化所面臨的主要挑戰(zhàn)。已知碳載鉑(Pt)基納米顆粒可以用作氧還原催化劑。這些常規(guī)的碳載Pt基納米顆粒催化劑(Pt/C)可以提供高的表面積和適度的活性；然而，Pt/C ORR催化劑的耐久性存在重大問(wèn)題，這阻礙了PEMFC的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

已知的Pt/C催化劑在燃料電池運(yùn)行期間容易發(fā)生性能退化(這至少是由于Pt納米顆粒的團(tuán)聚和生長(zhǎng)和/或碳襯底的應(yīng)力所致)，所述性能退化是通過(guò)Pt微晶遷移、電化學(xué)奧斯特瓦爾德(Ostwald)熟化和碳載體腐蝕的綜合機(jī)制發(fā)生的。Pt/C催化劑的退化隨后使燃料電池的功率輸出降低，并且使得需要使用更大量的貴金屬，例如Pt、金、銀、銠、鈀、釕和鋨，從而進(jìn)一步增加了PEMFC的成本。

改善ORR催化劑的耐久性和反應(yīng)活性的方式已經(jīng)成為對(duì)可替代材料、助催化劑和載體材料的廣泛研究的焦點(diǎn)。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在使用這些可替代材料、助催化劑和載體材料增強(qiáng)反應(yīng)活性或耐久性方面取得了一些成功，但事實(shí)證明，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的活性和耐久性的成本有效方法已被證明是難以捉摸的。

仍然需要具有適用于PEMFC的改善的活性和改善的耐久性，而不會(huì)增加制造和使用的成本或復(fù)雜性的Pt/C ORR催化劑。

發(fā)明內(nèi)容

本公開(kāi)的實(shí)施方案涉及氮化鎢(WN)增強(qiáng)的Pt基ORR催化劑以及相關(guān)的制造和使用方法。

根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案，WN增強(qiáng)的Pt基ORR催化劑是相對(duì)于常規(guī)的Pt基ORR催化劑、特別是碳載的Pt基納米顆粒催化劑(Pt/C)來(lái)改善電化學(xué)表面積(ESCA)保留、活性和Pt納米顆粒尺寸保留的催化劑，例如用于燃料電池和/或其他ORR依賴性方法和設(shè)備的催化劑。根據(jù)本公開(kāi)的WN增強(qiáng)的ORR催化劑的優(yōu)點(diǎn)是使用相對(duì)便宜的W來(lái)穩(wěn)定和改善催化劑中Pt的功效而獲得的優(yōu)異的活性和耐久性，使得對(duì)PEMFC對(duì)昂貴的Pt或其他貴金屬的需求減少。