[发明专利]催化剂

说明书

本发明涉及一种新型三元铂合金催化剂、以及催化剂的用途，尤其是氧还原催化剂在诸如质子交换膜燃料电池（PEMFC）的燃料电池中的用途。

燃料电池是一种包含通过电解质隔开的两个电极的电化学电池。将诸如氢气、醇如甲醇或乙醇、或甲酸的燃料供应至正极并将诸如氧气或空气的氧化剂供应至负极。在电极处发生电化学反应，并将燃料和氧化剂的化学能转化成电能和热。使用电催化剂以促进燃料在正极处的电化学氧化和氧气在负极处的电化学还原。

通常根据所使用电解质的本质对燃料电池进行分类。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质为固体聚合物膜。所述膜电绝缘但可传导离子。在所述PEM燃料电池中，所述膜可传导质子，且在正极处产生的质子穿过所述膜而传输到负极，在所述负极处其与氧气化合以形成水。

PEM燃料电池的主要组件称作膜电极组件(MEA)并基本由五个层构成。中心层是聚合的离子传导性膜。在离子传导性膜的任一侧上，存在电催化剂层，其含有设计用于特定电催化反应的电催化剂。最后，与各个电催化剂层相邻地，存在气体扩散层。所述气体扩散层必须使得反应物到达电催化剂层并必须传导电流，所述电流是通过电化学反应而产生的。因此，气体扩散层必须多孔并导电。

常规地，通过下文中列出的多种方法能够构造MEA：

（i）可将电催化剂层施加到气体扩散层上以形成气体扩散电极。能够将两个气体扩散电极放置到离子传导性膜的每一侧上并层压在一起以形成五个层的MEA；

（ii）可将电催化剂层施加到离子传导性膜的两个面上以形成涂有催化剂的离子传导性膜。随后，将气体扩散层施加到所述涂有催化剂的离子传导性膜的两个面上。

（ii）由在一侧上涂布有电催化剂层的离子传导性膜、与所述电催化剂层相邻的气体扩散层和在所述离子传导性膜的另一侧上的气体扩散电极能够形成MEA。

典型地，对于大部分应用，需要数十个或数百个MEA以提供足够的电力，从而组装多个MEA以构成燃料电池堆。使用场流板将MEA隔开。所述板发挥几种功能：向MEA供应反应物；移除产物；提供电连接；以及提供物理支撑。

用于燃料氧化和氧还原的电催化剂典型地是以铂或铂与一种或多种其他金属的合金为基础的。所述铂或铂合金催化剂能够为非负载型的纳米级粒子的形式（例如金属黑）或能够作为离散的非常高表面积的纳米粒子沉积到载体材料上（负载的催化剂）。电催化剂还能够为沉积到载体材料上的涂层或扩展膜的形式。对催化剂、尤其是具有更高活性和/或稳定性并因此更有效地利用昂贵的铂催化剂的氧气还原催化剂进行了持续的研究。这使得燃料电池的性能能够提高或催化剂的载荷（并因此成本）下降，或实现两种利益的结合。

本发明的目的是提供一种催化剂，在用于电化学电池中、尤其是用作PEM燃料电池中的氧气还原催化剂时，所述催化剂显示了比现有技术的催化剂更高的活性以及更好的寿命稳定性。

因此，本发明提供一种铂合金催化剂PtXY，其中X是过渡金属（铂、钯或铱除外）且Y是在酸性环境中比X更不易浸出的过渡金属（铂、钯或铱除外），所述铂催化剂PtXY的特征在于，在所述合金中，铂的原子百分比为20.5~40原子%，X的原子百分比为40.5~78.5原子%，且Y的原子百分比为1~19.5原子%。适当地，铂的原子百分比为24~30原子%，X的原子百分比为55~72原子%且Y的原子百分比为3~16原子%。

在《热力学稳定性》（Thermodynamic Stability）以及也在《电化学系列》（Electrochemical Series）的上下文中对特定的过渡金属的相对可浸出性进行了描述；然而，《实用贵金属》（Practical Nobility），其包括在pH和电势范围内存在免蚀态和钝化的区域，是在电化学应用中的行为的更好指南。各种金属的Pourbaix图代表作为pH和电势的函数的稳定电化学相的详细绘图，使得对于不同的过渡金属，能够在特定条件下对稳定性物种进行横向比较。在the Pourbaix Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions（由the National Association of Corrosion Engineers出版）中可发现这种图。该文章还包括《热力学》和《实用贵金属》两者中对依次的43种不同金属的分类。作为实例，对于选择的金属，《实用贵金属》（Practical Nobility）的这种顺序的子集是：

最稳定的Nb=Ta>Ir~Pt>Ti>Cu>Cr>Fe>Ni>Co最不稳定的