[发明专利]用于氧还原反应（ORR）的具有受控的限定晶面暴露的石墨颗粒负载Pt和Pt合金电催化剂

说明书

发明背景

1. 发明领域

本发明涉及用于燃料电池应用的电催化剂。

2. 背景技术

燃料电池在很多应用中用作电源。特别地，燃料电池计划用于汽车以代替内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质（“SPE”）膜或质子交换膜（“PEM”）以在阳极和阴极之间提供离子传输。

在质子交换膜型燃料电池中，将氢气作为燃料供给阳极，氧气作为氧化剂供给阴极。该氧气能够是纯态（O₂）或空气（O₂和N₂的混合物）的形式。PEM燃料电池通常具有膜电极组件（“MEA”），其中固体聚合物膜在一面具有阳极催化剂，在另一面具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层是由多孔导体材料（例如织造石墨（woven graphite）、石墨化片材或碳纸（carbon paper））形成的以能使该燃料和氧化剂分别在面向该燃料供给电极和氧化剂供给电极的膜的表面上分散。每个电极具有负载在碳颗粒上的细微分散的催化剂颗粒(例如铂颗粒)，来促进氢气在阳极的氧化和氧气在阴极的还原。质子从阳极通过离子传导聚合物膜流向阴极，在这里它们与氧气结合来形成水，所述水从该电池中排出。MEA夹在成对的多孔气体扩散层(“GDL”)之间，该多孔气体扩散层又夹在成对的非多孔的导电元件或板之间。所述的板充当了阳极和阴极的集电器（current collector），并且包含了适当的通道和在其中形成的开口，用于将燃料电池的气态反应物分配到各自的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的，化学稳定的，能传输质子的，非导电的和气体可透过的。在典型的应用中，燃料电池是以许多单个燃料电池堆叠体的阵列来提供的，来提供高水平的电功率。

常规Pt/C电催化剂在满足汽车竞争目标所必需的活性和耐久性需要中具有显著的困难。耐腐蚀的石墨化碳负载的、具有受控颗粒尺寸和形状的、均匀分散的Pt合金非晶电催化剂提供了显著的活性和耐久性优点。然而，由于其低表面能且其缺乏官能团，石墨化碳表面不是适合金属颗粒生长的成核中心。而且，在商品石墨化碳负载Pt催化剂和合金中已经观察到显著的催化剂分散不均匀性，其中Pt优先沿边缘和阶梯生长，造成该催化剂具有较低的使用效率和大的气体和质子传输阻力。该商品Pt合金催化剂的另一个缺点是Pt合金颗粒的无形状控制。如文献中所报道的那样，Pt₃Ni(111)表面比其它表面具有更高得多的活性，因此需要该Pt₃Ni合金催化剂的选择性(111)表面暴露。

因此，需要用于将亲水涂层施加在用于燃料电池应用中的双极板的表面处的改进方法。

发明概述

本发明通过在至少一个实施方案中提供用于制备电催化剂的方法解决了现有技术的一个或多个问题。该方法包括通过将该碳载体颗粒与酸溶液接触，并然后任选地在该碳载体颗粒上沉积痕量的钯以形成含钯的碳载体颗粒，从而活化多个碳载体颗粒。然后将镍沉积在该含钯的碳载体颗粒上。该镍是由含镍离子的溶液形成的。该镍与含钯溶液在足以形成沉积在该碳载体颗粒上的钯-镍合金的温度下与含钯溶液反应。最后，将沉积在该碳载体颗粒上的该钯-镍合金引入燃料电池的催化剂层（例如阴极层）中。

在另一实施方式中提供了用于制备电催化剂的方法。该方法包括通过将该碳载体颗粒与酸溶液接触，并然后任选地在该碳载体颗粒上沉积痕量钯以形成含钯碳载体颗粒，从而活化多个碳载体颗粒。然后将镍沉积在该含钯的碳载体颗粒上。该镍是由含镍离子的水溶液形成的。该镍与含钯溶液在足以形成沉积在该碳载体颗粒上的晶体钯-镍合金的温度下与含钯溶液反应。最后，将沉积在该碳载体颗粒上的该晶体钯-镍合金加入到燃料电池的催化剂层（例如阴极层）中。

本发明包括以下方面：

1. 用于形成用于燃料电池中的电催化剂的方法，该方法包括：

a）通过将碳载体颗粒与酸溶液接触来活化多个该碳载体颗粒；

b）任选地在该碳载体颗粒上沉积痕量的钯以形成含钯碳载体颗粒；

c）将镍无电沉积到该含钯的碳载体颗粒上，该镍是由含镍离子水溶液形成的；

d）将该镍与含铂溶液在足以形成沉积在该碳载体颗粒上的铂-镍合金的温度下反应；和

e）将沉积在该碳载体颗粒上的该铂-镍合金加入该燃料电池的阴极层中。

2. 方面1的方法，其中沉积在该碳载体颗粒上的铂-镍合金是晶体。

3. 方面1的方法，其中铂-镍合金沿(111)方向取向。