[发明专利]用于氧还原反应的石墨颗粒负载Pt-壳/Ni-核纳米颗粒电催化剂

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。

降低Pt负载量和提高阴极催化剂的ORR活性已经成为PEM燃料电池汽车商业化道路上最困难的挑战之一。石墨颗粒负载的包括覆盖在非贵金属基体颗粒上的Pt或Pt合金壳的连续薄层的核-壳式电催化剂能够潜在克服这一关键挑战。

因此，需要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核壳式电催化剂的方法解决了现有技术的一个或多个问题。该方法包括在碳载体颗粒上无电沉积未涂覆的镍颗粒。该镍颗粒是由包含镍离子的水溶液形成的。通过贾凡尼置换反应（galvanic displacement reaction）用铂置换该未涂覆的镍颗粒的至少一部分，以形成铂涂覆的镍颗粒。在该置换反应步骤过程中，将该镍颗粒加热到足以形成铂层的温度。最后，任选地将该铂涂覆的镍颗粒加入燃料电池的阴极层中。本发明制备了其中铂壳覆盖在镍纳米颗粒上的核壳式颗粒。有利地，由本发明方法形成的该催化剂的铂质量活性是由Pt/Vulcan催化剂得到的活性的3-4倍。

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）在碳载体颗粒上无电沉积未涂覆的镍颗粒，该镍颗粒是由含镍离子的水溶液形成的；

c）通过贾凡尼置换反应用铂置换至少一部分的该镍颗粒以形成铂涂覆的镍颗粒，其中将该镍颗粒加热到足以形成铂层的预定温度；和

d）将该铂涂覆的镍颗粒加入该燃料电池的阴极层中。

2. 方面1的方法，其中在步骤c）之前加热该镍颗粒以预定的时间。

3. 方面1的方法，其中该碳载体颗粒包含石墨。

4. 方面1的方法，其中该镍颗粒具有约50-约200纳米的空间尺寸。

5. 方面1的方法，其中该镍颗粒具有约70-约100纳米的空间尺寸。

6. 方面1的方法，其中该铂层具有约1-约10纳米的厚度。

7. 方面1的方法，其中该铂层具有约2-约3纳米的厚度。

8. 方面1的方法，其中在步骤c）中该镍颗粒与含铂离子的溶液接触。