[发明专利]包含贵金属粒子和酸性离聚物组分的胶态分散体以及其制造和使用方法

说明书

发明领域

本发明涉及包含纳米级的基于贵金属的粒子以及至少一种具有酸性基团的离聚物组分的胶态分散体。披露了用于制造此类基于贵金属的胶态分散体的方法。在此背景下，本发明进一步涉及一种用于其制造的预产物，即包含一种适合的贵金属前体化合物和至少一种酸性离聚物化合物的组合物。最后，本发明涉及包含此类胶态分散体的催化剂油墨并且涉及使用它们制造离聚物层、催化剂层、电极以及复合催化剂材料的方法。

通过采用诸如醇类或氢的适合的还原剂，使包含一种适合的贵金属前体化合物和至少一种酸性离聚物化合物的这些预产物组合物转化成贵金属粒子的胶态分散体，这些胶态分散体由该酸性离聚物化合物稳定并且基本上不含诸如有机聚合物、离子污染物或表面活性剂的其他成分。

本发明的胶态贵金属分散体特别适用于制备离聚物层、催化剂层以及电极层，而不需要随后的纯化步骤。

发明背景

由表面活性剂或有机聚合物稳定的纳米级的、胶态的铂分散体是本领域中已知的。此类胶态分散体大部分被用于生产用于化学合成和电化学应用的催化剂材料；在这种情况下典型地使铂粒子沉积到粉末状载体材料或多孔载体上，接着进行洗涤和干燥步骤。铂粒子可以从此类胶态分散体直接沉积到表面上以便产生薄的催化层。例如可以通过使铂粒子沉积到多孔陶瓷或碳网的表面上和/或内部上来产生用于电化学装置的气体扩散电极(下文简称为GDE)。

此外，离聚物膜的表面也可以通过使铂粒子从胶态铂分散体沉积到其表面上、接着进行干燥和洗涤来进行催化。

胶态铂分散体是在化学合成和电催化领域之外还在各种领域中具有潜在应用的大量研究的主题，这些各种领域包括纳米技术、医药、环境科学(有机化合物的光氧化)以及具有独特特性的新颖材料的合成。对于此类目的，还可以用不同有机配位体使处于分散体形式的铂纳米粒子功能化，以便创造出具有先进功能性的有机/无机杂化材料。

胶态铂分散体特别有用于制备用于燃料电池的催化剂和催化剂层。

燃料电池(FC)是用于或商业上预见用于各种不同应用的发电电化学装置，这些应用包括例如汽车传动系统、用于住宅供暖的固定单元、机载辅助动力单元(APU)、便携式电子设备、远程或便携式备用单元等。

PEM燃料电池(PEM-FC)更具体地说是包括一个固体-聚合物-电解质膜(为方便起见，下文称为“膜”)，例如一个质子传导全氟磺酸膜或一个烃酸膜的一种燃料电池。PEM燃料电池还包括一个阴极层和一个阳极层，它们分别位于该膜的每一相反侧上。该阳极层和该阴极层在下文也称为“电极层”或“电催化剂层”。

PEM-FC的实例是氢气PEM-FC、重整氢气PEM-FC以及直接甲醇PEM-FC(下文简称为“DMFC”)。在阳极层中，一种适当的电催化剂(总体上是一种铂电催化剂或一种铂合金电催化剂)引起燃料(例如氢气或甲醇)氧化，从而显著地生成正性氢离子(质子)和带负电的电子(在氢气燃料的情况下是氢气氧化反应HOR)。该膜只允许这些带正电的氢离子通过它以到达阴极层，而这些带负电的电子沿着连接阳极与阴极的一个外电路行进，由此产生一个电流。在阴极侧，使用来自阳极侧的4个电子和质子使氧气还原成水(氧气还原反应ORR)。在阴极层中，一种适合的电催化剂(总体上是一种铂电催化剂)引起这些电子和这些带正电的氢离子与氧气化合形成水，水从该电池中流出。总体上，发生在氢气或重整氢气PEM-FC中的这些反应可以概括如下：

阳极：2H₂→4H++4e-(HOR)

阴极：O₂+4e-+4H+→2H₂O(ORR)

总体上用于PEM-FC中的这些电催化剂包含铂或铂合金的精细分散的粒子，这些粒子通常负载在碳黑上，以便确保适当电导率和大的电化学活性表面积。通常，这些电极层还包含一种质子传导电解质，下文称为“离聚物”。

在重整氢气和直接甲醇PEM-FC的情况下，用于阳极层的电催化剂通常是铂合金电催化剂，并且该铂合金通常是一种铂-钌合金，该铂-钌合金被专门设计成在重整氢气PEM-FC的情况下有效地氧化由一个重整炉产生的富氢气体或者在直接甲醇PEM-FC(DMFC)的情况下有效地氧化甲醇。

PEM-FC通常包含相对厚的多孔气体扩散层，下文简称为“GDL”。这些多孔层位于电极层与流场板之间。GDL的主要目的在于确保多种反应物气体更好地接近电极层并且有效地从燃料电池中移除水(以液体或蒸汽形式)，增强燃料电池的电导率，从而确保电极层与流场板之间更好的电接触，并且最后但并非最不重要的是提供保持电极层的结构完整性所必需的机械强度。