[发明专利]催化剂组合体及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂组合体及其制造方法。

背景技术

燃料电池是为车辆提供动力的潜在低排放能源。现有的燃料电池催化剂包括碳载体上的铂(Pt)纳米颗粒。这些催化剂易受催化剂溶解和/或聚结的影响，经常需要额外的昂贵催化剂负载，因此一般是成本低效的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种催化剂组合体。在一个实施方案中，催化剂组合体包括具有催化剂晶面的二维(2-D)外延催化剂(extensive catalyst)；和负载该2-D外延催化剂并且具有与所述催化剂晶面基本上对齐的基底晶面的基底。在某些情况下，催化剂晶面包含限定催化剂原子间距的第一和第二相邻催化剂原子，基底晶面包含限定基底原子间距的第一和第二相邻基底原子，催化剂原子间距和基底原子间距之间的百分比差小于10％。在某些其他情况下，催化剂晶面和基底晶面彼此相邻布置。在某些特定情况下，2-D外延催化剂的厚度尺寸为2-20个原子层。

在另一实施方案中，基底是二维(2-D)外延的，使得2-D外延催化剂和基底以层-层构造彼此相邻布置。在又一实施方案中，催化剂组合体被配置为多个核-壳颗粒，其中2-D催化剂是壳而基底是核。

在又一实施方案中，基底和2-D外延催化剂具有至少一个共用的晶面，共用晶面为(111)晶面、(110)晶面、(001)晶面和/或(0001)晶面。

在又一实施方案中，基底包括一种或多种(111)取向的金属元素，其包括Ag、Al、Au、Cu、Ir、Pd和Rh；一种或多种(011)取向的金属元素，其包括Mo、Nb、Ta、W、Os、Re和Ru；一种或多种(0001)取向的金属元素，其包括Ti；以及它们的组合和合金。

在又一实施方案中，基底包括一种或多种金属氧化物，其包括(100)取向的TiO₂、(111)取向的NbO、SrTiO_x和YSZ；一种或多种金属氮化物，其包括(111)取向的TiN；一种或多种碳化物，其包括(111)取向的TiC和(0001)取向的WC；以及它们的组合。

在又一实施方案中，所述基底包括一种或多种含石墨烯结构，其包括石墨、石墨烯、金属硫化物、硒化物和硅化物；一种或多种芳环结构的聚合物材料，其包括酞菁类、卟啉类、席夫碱、金属-N₄大环和金属-有机框架；以及它们的组合。

在又一实施方案中，基底是电子传导的。

在又一实施方案中，基底为网，所述网包括一个或多个用于传输水分子的孔。在某些情况下，基底包括网状载体和涂布在该网状载体上的晶种材料。

附图说明

图1A图示了根据一个实施方案的催化剂组合体；

图1B1和1B2共同图示了显示涉及图1B的催化剂组合体的原子间距和原子间距变化的示意图；

图2A和2B图示了根据另一实施方案用于形成催化剂组合体的不同催化剂生长模式；

图3A至3C图示了根据又一实施方案用于形成催化剂组合体的某些材料的自由表面能值；

图4图示了Pt的示例性晶体构造；

图5图示了根据又一实施方案适用于形成催化剂组合体的示例性材料；

图6图示了根据又一实施方案用于形成催化剂组合体的某些材料的原子间距变化百分比值；

图7图示了根据又一实施方案用于形成催化剂组合体的某些陶瓷材料中包含的示例性元素；

图8图示了根据又一实施方案用于形成催化剂组合体的材料中包含的石墨烯的示例性结构；

图9图示了根据又一实施方案用于形成催化剂组合体的材料中包含的示例性苯环结构；

图10图示了根据又一实施方案的催化剂组合体中包含的示例性网状结构；

图11图示了根据又一实施方案的特殊化的催化剂组合体的非限制性实例；

图12A至12C图示了根据又一实施方案形成催化剂组合体的材料中所用的几种环状结构；以及

图13图示了根据又一实施方案的基底的颗粒形貌的非限制性实例。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本发明的详细实施方案；然而，应理解所公开的实施方案仅是本发明的示例，其可以体现为多种和可替代的形式。附图未必按比例给出；一些特征可放大或缩小以显示特定部件的细节。因此本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员多方面应用本发明的代表性基础。