[发明专利]催化剂

说明书

公开了一种式PtXY的去合金化催化剂，其中X选自由Ni、Co和Cr构成的组；并且Y选自由Zn、Al、Sn、Be、Pb、Ga、V、In、Y、Sr和Ti构成的组；其特征在于，由X射线光电子能谱法确定的去合金化催化剂表面处X和Y相对于Pt的总原子组成比去合金化催化剂体内X和Y相对于Pt的总原子组成低20‑99％。

发明领域

本发明涉及一种改进的催化剂，特别是一种用于在燃料电池阴极的氧化还原反应的改进的催化剂。

发明背景

燃料电池是包括由电解质分隔开的两个电极的电化学电池。将燃料例如氢、醇例如甲醇或乙醇或者甲酸提供给阳极，并且将氧化剂例如氧或空气提供给阴极。电化学反应在电极进行，并且燃料和氧化剂的化学能转变为电能和热能。电催化剂用于促进在阳极的燃料的电化学氧化以及在阴极的氧的电化学还原。

燃料电池通常根据所使用的电解质的种类分类。电解质通常为固体聚合物膜，其中该膜是电绝缘的但是离子传导性的。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，该膜是质子传导性的，并且在阳极产生的质子跨越该膜传输到阴极，在这里它们与氧结合以形成水。

PEMFC的主要部件是膜电极组件(MEA)，其基本上由五层构成。中间层为聚合物离子传导膜。离子传导膜的任一侧存在电催化剂层，含有经设计用于具体电解反应的电催化剂。最后，与各电催化剂层相邻存在气体扩散层。该气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层，并且必须传导由电化学反应产生的电流。因此，气体扩散层必须是多孔的和导电的。

常规地，MEA可由以下概述的多种方法构成：

(i)电催化剂层可用于气体扩散层，以形成气体扩散电极。气体扩散电极位于离子传导膜的每一侧上，并层合在一起以形成五层MEA。

(ii)电催化剂层可用于离子传导膜的两面，以形成覆盖涂覆有催化剂的离子传导膜。然后，气体扩散层施加在涂覆有催化剂的离子传导膜的每一面。

(iii)MEA可由一侧上涂覆有电催化剂层的离子传导膜、与该电催化剂层相邻的气体扩散层、以及该离子传导膜的另一侧上的气体扩散电极形成。

通常，需要几十或几百个MEA为大部分应用提供足够的动力，因此组合多个MEA以构建一个燃料电池堆。场流板用来分隔这些MEA。这些板实现多个功能：为MEA提供反应物；移除产物；提供电连接；以及提供物理支撑。

发明内容

用于燃料氧化和氧还原的电催化剂通常基于铂或者与一种或多种其他金属形成合金的铂。该铂或铂合金催化剂可以是非支撑纳米尺寸颗粒的形式(例如金属黑)，或者可以作为离散的非常高表面积的纳米颗粒沉积到载体材料上(负载型催化剂)。电催化剂也能以涂层或延伸膜的形式沉积在载体材料上。一直在不断寻找催化剂，尤其是氧还原催化剂，其具有改进的活性和/或稳定性，因而更为有效地利用昂贵的铂催化剂。这使得MEA性能增加，或者使MEA中采用的催化剂的负载量(和因而成本)减少，或者综合这两个优点。

广义的催化剂概念，例如Pt二元合金、Pt单层催化剂、Pt外壳催化剂(skincatalyst)以及纳米结构薄膜(NSTF)催化剂在过去十年一直被研究。近年来报道的高活性催化剂的其他途径是使Pt-M去合金化概念——通过合成富含贱金属(M)的颗粒而获得的材料，其经历从颗粒表面将少量贵金属选择性浸出的工艺。经去合金化的电催化剂颗粒的所得的富铂外壳表现出压缩应变，其通过电子效应产生高活性氧还原反应(ORR)催化剂。已经报道了旋转圆盘电极(RDE)和MEA实验中有前途的性能。然而，还存在设计进一步改进的催化剂的需求，其对于富铂外壳以及下面的核材料的结构有更好的控制，以能够进一步强化这种催化剂的活性和稳定性。

因此，本发明的目的是提供一种改进的催化剂，特别是一种用于在燃料电池阴极的氧化还原反应的改进的催化剂。特别地，该改进的催化剂显示了非常高的活性和稳定性。