[发明专利]形成具有铂原子的原子层的催化剂的方法

说明书

背景

本公开内容涉及产生具有更均匀的铂原子的原子层的催化剂材料的方法。

在电化学反应（例如在燃料电池内产生电流的电化学反应）中，铂是已知的，并用作催化剂材料。可将铂沉积在承载在碳颗粒上的贵金属的金属核上。为了增大铂的物质活性（mass activity），以贵金属核上的薄层形式来提供铂。

用于制备此类催化材料的一种常规制造方法涉及首先将具有比铂低的还原电势的金属原子薄层沉积到贵金属核颗粒上。一些制造者使用欠电势（underpotential）沉积方法来沉积作为较低还原电势金属的铜原子。然后将核颗粒与含有铂盐的溶液混合。溶液中的铂原子自发地置换贵金属核上的铜原子，以产生在贵金属核上的铂原子薄层。

概述

公开的是形成催化剂材料的方法，其包括阻碍置换反应的反应速率，其中用铂原子置换金属原子的原子层，以产生包含铂原子的原子层的催化剂材料。

另一方面，形成催化剂材料的方法包括在表面活性剂的存在下，用铂原子置换金属原子的原子层，以产生包含铂原子的原子层的催化剂材料。

还公开的是形成催化剂材料的方法，其包括以下步骤：提供包含被金属原子的原子层覆盖的金属核的颗粒，提供包含表面活性剂和铂盐的溶液，和用所述溶液处理所述颗粒，以用来自该溶液的铂原子置换所述金属原子，并产生包含被铂原子的原子层覆盖的金属核的催化剂材料。

附图简述

从下列详述，对于本领域技术人员来说，所公开的实例的各种特征和优点将变得明显。可将该详述所随附的图简单描述如下。

图1图解了示例性催化剂材料。

图2图解了通过欠电势沉积来沉积金属的原子层的实例。

图3图解了使用表面活性剂来阻碍反应速率的置换反应的实例。

优选的实施方式的详述

图1示意性地图解了示例性催化剂材料20的所选部分，所述催化剂材料20具有高度活性，并可用于燃料电池或其它催化环境中。在该实例中，催化剂材料20包含碳载体（carbon support）22和附着于该碳载体的表面上的金属核24。金属核24被壳26覆盖。壳26是铂原子的原子层。金属核24可以是贵金属或金属（例如铂、金或其它贵金属）的混合物。

在实施方式中，壳26是原子单层(即，一个原子厚度)。然而，虽然壳26通常具有均匀厚度，但是应理解，壳26的一些部分可以是较薄的（亚单层（submonolayer））或较厚的（数个原子厚度）。

如将进一步详述的，用于在金属核24上形成壳26的方法产生了铂原子的原子层的更均匀厚度，从而增强了铂的物质活性。

用于形成壳26的方法涉及置换反应，其中铂原子置换金属核24上较低还原电势的金属原子。在一些实例中，较低还原电势的金属原子是铜。使用欠电势沉积方法(UPD)可将铜沉积在金属核24上。UPD是用于沉积原子层厚度的铜原子的临时性壳28的技术。然后用包含铂的溶液来处理金属核24和铜的临时性壳28。

在常规方法中，溶液中的铂原子自发地置换较低还原电势的铜原子，以产生铂原子的原子层。自发置换的反应速率快，导致铂原子壳的厚度的变化。换言之，铂原子并不基于一对一的方式（on a one-for-one basis）来置换铜原子。反而铂原子倾向于成簇（cluster）或留下金属核的一些部分（portions）未被覆盖。

本文公开的方法涉及阻碍置换反应的反应速率和控制或减少铂原子在现有的铂上的沉积，以提供铂原子壳26对金属核24更均匀的覆盖。在一个实例中，在表面活性剂的存在下进行本公开方法的置换反应，所述表面活性剂例如是柠檬酸和/或乙二胺四乙酸(EDTA)，其阻碍或减慢反应速率以实现用铂原子受控制地置换铜原子。表面活性剂与铂盐形成配位化合物。换言之，铂盐更难以还原，从而减慢置换反应的反应速率。在减慢的反应速率下，铂原子较不倾向于成簇或在金属核24的表面上留下敞开的部分（open portions）。从而所得的壳26具有更均匀的厚度和相应的较高的物质活性。表面活性剂也可阻碍铂原子在现有的铂原子上的沉积。表面活性剂通过吸附在现有的铂原子上来与新还原的铂原子竞争，以致铂原子只能沉积在金属核24上。从而减少铂簇的形成。