[发明专利]燃料电池电催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池电催化剂的载体材料和包含所述载体材料的燃料电池电催化剂。

背景技术

作为催化剂载体材料的碳的存在限制了常规质子交换膜燃料电池（PEMFC）的耐久性。在PEMFC中，如果使用碳作为电催化剂的载体材料，则在水存在下和在相关的运行电位范围（高于0.2V，SHE基础，尤其大于1.0V）中发生将碳氧化成CO₂的反应。碳的氧化导致催化剂变稀，随之损失性能。由于复合氧化物在典型酸性环境中的稳定性，可以使用它们增强电极材料的耐久性。

在WO2009/152003中公开了这样的材料，其描述了使用铌（Nb）掺杂的氧化钛（TiO₂）作为电催化剂的载体。在该文献中描述的电极的情况下，对该复合氧化物施以在高温下的特定还原处理，以通过形成结晶金红石相（包括较低氧化态Ti₄O₇（Magneli相））提高电导率。该复合氧化物包括相对于Ti和Nb的总量优选为5-10原子％的量的Nb。所实现的电导率低于0.16S/cm。

US6,524,750描述了式Ti_1-xNb_xO_2-y所示的化合物，其中x为0.01至0.5，y为0.05至0.25。该化合物包括金红石相并表现出改进的电导率。如US6,524,750中所述，在1250℃的非常高的温度下合成后，进行在H₂气氛中的高温还原处理，以产生亚化学计量。该化合物用作一次和二次电池组电池的添加剂以改进放电容量。尽管已公开了用于电化学用途（例如催化剂载体和添加剂）的某些复合氧化物，但仍然需要在电导率、催化剂溶解和催化活性等方面改进这类材料。

发明内容

本发明要实现的目的

本发明的一个目的是开发用于PEMFC电催化剂的载体，其具有提高的电导率和在酸性环境中的稳定性。

实现目的的手段

由于为实现上述目的而做出的深入研究，本发明的发明人已经开发出了具有提高的电导率和在酸中的稳定性的复合氧化物材料，作为碳催化剂载体的替代品。

具体而言，本发明概述如下。

（1）负载型燃料电池电催化剂，其包含：

载体材料，所述载体材料包含具有金红石晶体结构的Ti-Nb复合氧化物；和

负载在所述载体材料上的贵金属催化剂。

（2）根据（1）的负载型燃料电池电催化剂，其中所述复合氧化物中的Nb量相对于Ti和Nb的总量为5-20原子％。

（3）根据（2）的负载型燃料电池电催化剂，其中所述复合氧化物中的Nb量相对于Ti和Nb的总量优选为6-8原子％。

（4）根据（1）-（3）任一项的负载型燃料电池电催化剂，其中所述贵金属催化剂是铂催化剂。

（5）根据（1）-（4）任一项的负载型燃料电池电催化剂，其中所述贵金属催化剂的量相对于所述载体材料为10-50重量％。

（6）根据（1）-（5）任一项的负载型燃料电池电催化剂，其中所述Ti-Nb复合氧化物是近化学计量金红石复合氧化物。

（7）根据（1）-（6）任一项的负载型燃料电池电催化剂，其中所述Ti-Nb复合氧化物是薄膜或粉末形式。

（8）制造具有金红石晶体结构的Ti-Nb复合氧化物的方法，其包括：

在弱氧气氛下在600-800℃的温度用Nb掺杂TiO₂。

发明效果

根据本发明，可以提供具有提高的电导率和在酸中的稳定性的Ti-Nb复合氧化物作为催化剂载体。可以制备具有提高的稳定性和电导率的在高温金红石相中的Nb掺杂钛的薄膜。Nb掺杂的氧化钛的氧近化学计量学促成了较高的电导率，以使该氧化物成为具有长期稳定性的FC催化剂载体的合适候选物。

附图简述

图1显示金红石复合氧化物的XRD图。

图2显示非晶态和金红石近化学计量的复合氧化物膜的电导率。

图3显示沉积在复合氧化物上的Pt粒子的典型TEM图像。

图4显示对完全化学计量的金红石复合氧化物而言，在含氧的0.5MHClO₄溶液中但在没有电极旋转的情况下，在20mVs-1下进行的伏安法的第三阴极循环。

图5显示对表现最佳的非晶态、锐钛矿和金红石基底而言，在含氧的0.5M HClO₄溶液中但在没有电极旋转的情况下，在20mVs-1下进行的伏安法的阴极循环。