[发明专利]形成负载纳米粒子催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于诸如燃料电池的电化学装置的催化剂。具体地讲，本发明涉及形成具有良好催化特性的负载纳米粒子催化剂的方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学装置，通过诸如氢的燃料和诸如氧气的氧化剂的催化组合生成可用的电流。与诸如内燃发电机之类的传统动力装置相比，燃料电池不利用燃烧。因此，燃料电池产生很少的危害性流出物。燃料电池将氢燃料和氧气直接转换为电，并且相对于内燃发电机来讲，操作可以更高效。

燃料电池(例如质子交换膜(PEM)燃料电池)通常包括膜电极组件(MEA)，由设置在一对催化剂层之间的电解质膜形成，该催化剂层相应地设置在一对气体扩散层之间。该电解质膜的两侧分别称为阳极部分和阴极部分。在典型的PEM燃料电池中，将氢燃料引入阳极部分，氢在那里发生反应并分解为质子和电子。电解质膜将质子传送到阴极部分，同时允许电子流流过外部电路到达阴极部分，以提供电能。氧气被引入到阴极部分中，并与质子和电子发生反应生成水和热。

PEM燃料电池在商业应用中的常见障碍在于催化剂层的性能。催化剂层通常包括催化剂纳米粒子(例如铂粒子)并且具有取决于催化剂纳米粒子的表面积的催化特性。因此，为了在燃料电池中获得所需的操作电压，有一种不断发展的需要是，具有高表面积的催化剂纳米粒子和形成这种催化剂纳米粒子的方法。

发明内容

本发明涉及一种形成具有良好催化特性的负载纳米粒子催化剂的方法。该方法包括形成铂—铁催化剂纳米粒子的胶态悬浮液，在载体粒子上沉积至少一部分催化剂纳米粒子，以及从沉积的催化剂纳米粒子除去至少一部分的铁。

附图说明

图1是形成负载催化剂方法的流程图。

图2是形成包含负载催化剂的燃料电池方法的流程图。

图3是表示包含负载催化剂的膜电极组件(MEA)和对比膜电极组件的动电位偏振曲线图。

尽管上述各图提出了本发明的数个实施例，但是如讨论所述，还可以想到其它的实施例。在所有情况下，本公开是示例性地而非限制性地介绍本发明。应该理解，本领域内的技术人员可以设计出大量其它修改形式和实施例，这些修改形式和实施例均属于本发明的范围之内并符合本发明原理的精神。附图可能未按比例绘制。在所有附图中，均利用类似的参考标号表示类似的部件。

具体实施方式

图1是形成可用于各种工业催化工艺中的负载催化剂的方法10的流程图。方法10包括步骤12至20，并且最初涉及在溶剂中形成未受保护的催化剂纳米粒子的胶态悬浮液，其中催化剂纳米粒子包含铂(Pt)和铁(Fe)(步骤12)。通过在溶剂中初始混合含铂卤素和含铁卤素形成胶态悬浮液。然后，以可控比率将碱性化合物(如氢氧化钠)引入至该混合物来增加所得混合物的PH值。形成胶态悬浮液的适合的pH值水平的例子包括至少约5的pH值，特别适合的pH值包括至少约7的pH值，甚至更特别适合的pH值包括至少约10的pH值。增加的pH值使得铂和铁从卤素中分离，使得铂和铁粒子结合在一起以形成催化剂纳米粒子。当pH值增加时，混合物变成不透明白色直至pH值达到约11至12。在该点，混合物变成透明的黄色。

pH值增加之后，然后在没有使用保护剂(例如表面活性剂、聚合物以及有机配体)的情况下，加热混合物使催化剂纳米粒子分散到溶剂中。适合的加热温度的例子包括至少约150℃的温度，特别适合的温度包括至少约190℃的温度。加热之后，得到的胶态悬浮液变成透明的黑棕色，这表示催化剂纳米粒子均匀地分散在溶剂中。

然后将载体粒子引入并混合到胶态悬浮液内(步骤14)。可预剪切载体粒子以增加表面积并且粉碎团聚物。载体粒子混合在胶态悬浮液中后，然后至少一部分的催化剂纳米粒子沉积到载体粒子上(步骤16)。这通过改变催化剂纳米粒子在溶剂中的稳定性来进行。在一个实施例中，通过以可控比率降低胶态悬浮液的pH值来改变该稳定性，这使得一部分的催化剂纳米粒子浓缩并且结合到载体粒子的外表面。胶态悬浮液的pH值可通过向胶态悬浮液内以可控比率引入酸性化合物(例如硝酸)来降低。将催化剂纳米粒子沉积到载体粒子上的适合的pH水平的例子包括小于约5的pH值。