[发明专利]三元纳米催化剂及其制造方法

说明书

本发明是在政府的支持下按能源部(DOE)裁决的合作协定DE-FC36-02AL67621作出的。政府对本发明拥有某些权利。

技术领域

本发明涉及含有三种或更多种金属元素的纳米结构化薄膜(NSTF)催化剂。根据本发明的催化剂可用作燃料电池催化剂。

背景技术

美国专利No.5,879,827(其公开内容以引用的方式并入本文)公开了纳米结构化元件，所述元件包含承载针状纳米观催化剂粒子的针状微结构化支撑晶须。所述催化剂粒子可包含不同催化剂材料的交替层，所述不同催化剂材料可在组成、合金度或结晶度方面不同。

美国专利申请公布No.2002/0004453 A1(其公开内容以引用的方式并入本文)公开了燃料电池电极催化剂，所述电极催化剂包含交替层叠的含铂层和包含第二种金属的低氧化物的层，所述低氧化物表现出较早发生CO氧化。

美国专利No.5,338,430、No.5,879,828、No.6,040,077和No.6,319,293(其公开内容以引用的方式并入本文)也涉及纳米结构化薄膜催化剂。

美国专利No.4,812,352、No.5,039,561、No.5,176,786和No.5,336,558(其公开内容以引用的方式并入本文)涉及微结构。

美国专利申请No.10/674,594(其公开内容以引用的方式并入本文)公开了燃料电池阴极催化剂，所述阴极催化剂包含如以下方式形成的纳米结构：将交替层叠的铂层和第二层沉积到微结构载体上，这可形成一种三元催化剂。

美国专利No.5,079,107公开了一种含有Pt-Ni-Co、Pt-Cr-C或Pt-Cr-Ce三元合金的用于磷酸电解质燃料电池的催化剂。

美国专利No.4,985,386公开了一种碳载体催化剂的方法，所述催化剂含有Pt的碳化物、选自Ni、Co、Cr和Fe的第二种金属的碳化物、以及可选地Mn的碳化物。该文献也公开了一种制造碳载体催化剂的方法，所述方法是：将金属离子还原沉积到碳载体上，然后应用热和含碳气体合金化并至少部分碳化所述金属。

美国专利No.5,593,934公开了一种碳载体催化剂，所述催化剂含有40-90原子的％Pt，30-5原子的％Mn和30-5原子的％Fe。该文献包括比较实例，据称这些实例中的碳载体催化剂含有50原子的％Pt、25原子的％Ni和25原子的％Co；50原子的％Pt和50原子的％Mn；以及单独Pt。

美国专利No.5,872,074公开了一种催化剂，所述催化剂的制备步骤如下：首先制备亚稳态复合材料或合金(其包含具有100nm或更低的结晶粒度的微晶)，然后滤掉所述合金中的诸元素之一。

Markovic等人，Oxygen Reduction Reaction on Pt and Pt BimetallicSurfaces：A Selective Review，Fuel Cells，2001年，第1卷，第2期(第105至116页)检查了由欠电位沉积方法、经典的冶金方法和假晶金属薄膜的沉积制成的双金属Pt-Ni和Pt-Co催化剂在晶体表面处的反应。

Paulus等人，Oxygen Reduction on Carbon-Supported Pt-Ni andPt-Co Alloy Catalysts，J.Phys.Chem.B，2002年，第106期(第4181至4191页)检查了可商购获得的含有Pt-Ni和Pt-Co合金的碳载体催化剂。

发明内容

简要地讲，本发明提供了一种制造包含纳米结构化元件的负载型催化剂的方法，所述纳米结构化元件包含承载纳米观催化剂粒子的微结构化支撑晶须，其中所述方法包括以下步骤：将含有至少三种金属元素的催化剂材料从含有至少三种金属元素的单靶上沉积到微结构化支撑晶须上。通常，所述金属元素中的至少一种为Pt。此外，所述金属元素中的一种或多种可以为Mn、Ni或Co。可以包括其它金属元素。可以包括其它过渡金属元素。

此外，本发明提供了一种包含纳米结构化元件的负载型催化剂，所述纳米结构化元件包含根据本发明的方法制成的承载纳米观催化剂粒子的微结构化支撑晶须。此外，本发明提供了包含根据本发明的负载型催化剂的燃料电池膜电极组件。

在本申请中：