[发明专利]退火纳米结构化薄膜催化剂

说明书

依据DOE颁布的合作协议DE-FG36-07GO17007，在政府资助下创造本发明。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及通过辐射退火，通常是激光退火，通常在惰性气氛下制备增强活性的纳米结构化薄膜催化剂的方法。

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，该元件包括负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括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No.6,482,763（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，该催化剂包括交替的含铂层和含第二金属的低氧化物的层，所述低氧化物表现出CO氧化的较早发生。

美国专利No.5,338,430、No.5,879,828、No.6,040,077和No.6,319,293（其公开内容均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（其公开内容均以引用的方式并入本文）涉及微结构。

美国专利No.7,419,741（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，该催化剂包括通过如下方式形成的纳米结构：将交替的铂层和第二层沉积于微结构载体上，这可形成一种三元催化剂。

美国专利No.7,622,217（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，该催化剂包括负载纳米观催化剂粒子的微结构化支撑晶须，该纳米观催化剂粒子以指定体积比和Mn含量包含铂和锰以及至少一种其他金属，其中所述其他金属通常为Ni或Co。

发明内容

简而言之，本发明提供制备增强活性的催化剂的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供纳米结构化薄膜催化剂；和b)在残余氧水平为100ppm或更低的惰性气体条件下通过入射能通量为至少30mJ/mm²的照射来对所述纳米结构化薄膜催化剂进行辐射退火。在一些实施例中，所述惰性气体的残余氧水平为50ppm或更低。在一些实施例中，所述入射能通量介于35mJ/mm²和40mJ/mm²之间。在一些实施例中，步骤b)的辐射退火为激光退火。在一些实施例中，步骤b)的辐射退火为通过使用CO₂激光器的激光退火。在一些实施例中，步骤b)的辐射退火为电子束退火。在一些实施例中，所述纳米结构化薄膜催化剂布置在连续幅材上。

在本专利申请中：

“膜电极组件”是指包含膜的结构，其包括电解质（通常为聚合物电解质）和至少一个（但更典型的是两个或更多个）邻接所述膜的电极；

“纳米结构化元件”是指针状、离散的、微观结构，该结构包括位于其表面至少一部分上的催化材料；

“纳米观催化剂粒子”是指催化剂材料的粒子，所述粒子具有至少一个维度等于或小于约15nm，或具有约15nm或更小的微晶尺寸，所述尺寸由标准2-θX射线衍射扫描的衍射峰半宽度来测量；

“纳米观催化剂粒子的薄膜”包括离散的纳米观催化剂粒子的膜、熔融的纳米观催化剂粒子的膜，和为结晶或无定形的纳米观催化剂颗粒的膜；通常为离散的或熔融的纳米观催化剂粒子的膜，且最通常为离散的纳米观催化剂粒子的膜；

“针状”是指长度与平均横截面宽度的比大于或等于3；

“离散的”是指具有独立身份的分开的元件，但并不排除元件之间相互接触；

“微观”是指具有至少一个维度等于或小于约一微米；

“平面等效厚度”是指，对于分布在表面上的层，其可以是不平坦分布的且其表面可以是不平坦的表面（例如散布在地表上的雪层，或在真空沉积过程中分布的原子层），假设该层的总质量均匀地分布在覆盖与该表面的投影面积相同的面积（注意，一旦忽视不平坦形貌和褶积，该表面覆盖的投影面积小于或等于该表面的总表面积）的平面上而计算出的厚度；

“双层平面等效厚度”是指第一层（如本文所述）和接下来存在的第二层（如本文所述）的总平面等效厚度。

本发明的优点在于提供用于燃料电池的催化剂。

本发明的目的和优点通过下面的实例进一步说明，但是这些实例中所提到的具体材料及其数量，以及其他条件和细节，均不应被解释为对本发明的不当限制。

附图说明