[发明专利]用于PEMFC的作为阴极催化剂的磷化铂及对燃料电池的催化剂的磷处理

说明书

本申请要求在2009年3月12日提交的美国临时申请61/159,633和61/159,628以及在2009年3月13日提交的美国临时申请61/159,843和61/159,838的优先权。通过引用将这些申请的全部内容并入本文中。 

技术领域

本公开涉及包含具有立方结构的磷化铂的催化剂和制造该催化剂的方法。本公开还涉及含有该催化剂的燃料电池以及产生电力的方法。此外，本公开涉及包含铂络合物的催化剂，其中铂与非金属或类金属络合。 

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于运输燃料电池应用(例如车辆)以及静止燃料电池应用的候选者。这些燃料电池在阳极和阴极处都需要活性的且稳定的催化剂。 

目前，PEMFC使用铂催化剂，例如碳载铂和铂-过渡金属合金催化剂。虽然目前的铂催化剂对阳极处的应用而言是足够的，但燃料电池工业寻求具有改善的溶解稳定性和保持的或改善的活性的阴极催化剂。随着燃料电池堆体积功率密度的增加，改善的稳定性和活性是必需的，以补偿所需的催化剂装载还原(loading reduction)。 

已知与碳载铂催化剂相比，铂-过渡金属合金催化剂具有提高的在阴极处的氧还原反应的活性。然而，目前的铂催化剂缺乏在PEMFC的酸性电解质中的足够稳定性。 

例如，在PEMFC的操作期间，碳载铂溶解或凝聚，导致电化学表面 积(ECA)损失，从而降低催化剂活性。类似地，与铂相比，铂-过渡金属合金催化剂的过渡金属最终以更大的程度溶解。因此，这些铂-过渡金属合金催化剂最终不比单纯的铂催化剂活性更强。 

因此，需要用于PEMFC的具有改善的稳定性和保持的或改善的活性的铂催化剂。 

发明内容

本文中公开了一种催化剂，其包括具有立方结构的磷化铂。本文中还公开了一种制造所述催化剂的方法。该方法包括使铂催化剂与磷化剂组合并加热所述磷催化剂和所述磷化剂。 

本文中还公开了一种包括所述催化剂的燃料电池。此外，本文中公开了一种产生电力的方法。该方法包括以下步骤：向包括所述催化剂的PEMFC的阳极提供氢；使所述氢在所述阳极处反应，以提供质子和电子；使所述电子沿外部电路移动到所述燃料电池的阴极以提供电力；向所述阴极提供氧；以及使所述质子、电子和氧在所述阴极处反应以提供水。 

其中，所述包含具有立方结构的磷化铂的催化剂可以呈现提高的在酸性环境中的溶解稳定性，并且可以较好地保持其使用活性，甚至可以呈现提高的活性。可以从目前可得的商业铂催化剂容易地合成这些催化剂。 

本文中公开的催化剂的优点可以使利用该催化剂的燃料电池具有优点。例如，提高的催化剂活性能够降低催化剂装载并降低燃料电池成本。提高的稳定性和保持的或改善的活性还可以减少或防止电压损失并延长燃料电池寿命。此外，本文中公开的催化剂可以减少或防止由例如碳腐蚀和自由基(raidcal)形成导致的对燃料电池部件的损伤。 

本文中还公开了一种包含铂络合物的催化剂，其中铂与非金属或类金属络合。该催化剂可以呈现良好的电化学活性特性(例如，良好的ORR活性)。 

附图说明

图1示出了实例1的催化剂的XRD谱； 

图2示出了实例2的催化剂的XRD谱； 

图3示出了实例3的催化剂的XRD谱； 

图4示出了实例4的催化剂的XRD谱； 

图5示出了实例5的催化剂的XRD谱； 

图6示出了TKK 52的XRD谱； 

图7示出了在0.05V与0.6V之间循环之前和之后实例4的催化剂在0.5M硫酸中的循环伏安图； 

图8示出了a)在SWC之前、b)在0.05-0.6V的SWC之后、以及c)在0.05V与0.6V之间的SWC之前和之后，实例4的催化剂在0.5M硫酸中的归一化到活性Pt表面积的塔菲尔(Tafel)图； 

图9示出了在0.05V与0.6V之间循环之前和之后实例4的催化剂在0.1M高氯酸中的循环伏安图； 

图10示出了在0.05V与0.6V之间循环之前和之后实例4的催化剂和TKK 52在0.1M高氯酸中的归一化到活性Pt表面积的塔菲尔图； 

图11示出了在0.05V与1.2V之间循环之前和之后实例4的催化剂在0.1M高氯酸中的循环伏安图；