[发明专利]氧还原反应催化剂

说明书

在至少一个实施例中，提供一种氧还原反应(ORR)催化剂。该方法可以包括在石墨化碳或石墨烯基底上沉积金属氧化物。然后可以将铂催化剂沉积在金属氧化物上，以提供用于在以PEMFC为例中使用的ORR催化剂。金属氧化物可以是氧化铌并且可以具有非晶结构。位于金属氧化物上的铂催化剂可以形成薄的、电互连的网结构。可以通过交替沉积金属氧化物和铂催化剂制备ORR催化剂，例如使用物理气相沉积。ORR催化剂可以具有至少1000μA/cm²Pt的特定活性，并且可以接近或获得块状Pt的活性。

技术领域

本公开涉及一种例如用于燃料电池中的金属氧化物稳定的铂基氧还原催化剂。

背景技术

耐久的、高活性的氧还原反应(ORR，oxygen reduction reaction)催化剂是开发质子交换膜燃料电池(PEMFC)车辆的重要候选者。许多年来，已知的是碳负载铂(Pt)基颗粒能够用作氧还原催化剂。然而，由于单个电池中会经受宽范围的操作电压，铂基ORR催化剂通常具有耐久性的问题。这些电压范围会对Pt催化剂和/或碳基底产生应力。在过去的几十年中，改善ORR催化剂的耐久性和增强反应活性的方法已经成为全世界研究的焦点。

发明内容

在至少一个实施例中，提供一种氧还原反应(ORR)催化剂。所述催化剂包括：碳基底；第一非晶金属氧化物层，叠置基底的表面；第一铂层，叠置第一金属氧化物层；第二非晶金属氧化物层，叠置第一铂层；以及第二铂层，叠置第二非晶金属氧化物层。非晶金属氧化物层可以包括多个不连续的伸长结构。

非晶金属氧化物层可以包括氧化铌材料，铂层可以包括纯铂或铂合金。碳基底可以包括石墨化碳或石墨烯。铂层可以具有1-20个原子层的厚度，并且可以均包括铂的电互连网。铂的电互连网可以在网中形成多个开口。在一个实施例中，第一铂层和第二铂层基本上彼此分离并且被第二非晶金属氧化物层分开。ORR催化剂可以具有至少1000μA/cm²Pt的特定活性或1200μA/cm²Pt至2000μA/cm²Pt的特定活性。在一个实施例中，非晶金属氧化物层包括具有2nm至50nm的长轴和1nm至10nm的短轴的多个不连续的伸长结构。非晶金属氧化物层可以包括氧化铌材料。碳基底可以包括石墨化碳和石墨烯。

在至少一个实施例中，提供一种ORR催化剂，该ORR催化剂包括：碳基底；多个非晶金属氧化物和铂催化剂材料的交替的层，位于基底上。非晶金属氧化物的层可以包括多个不连续的伸长结构，铂催化剂材料的层可以均包括铂的电互连网。

碳基底可以包括石墨化碳或石墨烯，非晶金属氧化物的层可以包括氧化铌，铂催化剂材料的层可以包括纯铂或铂合金。在一个实施例中，非晶金属氧化物的第一层与碳基底接触，铂催化剂材料的层基本上彼此分离并且被非晶金属氧化物的层分开。催化剂可以具有1200μA/cm²Pt至2000μA/cm²Pt的特定活性。在一个实施例中，铂催化剂的层可以具有1至20个原子层的厚度。在另一实施例中，铂催化剂的层可以具有2-5个原子层的厚度。

在至少一个实施例中，提供一种形成ORR催化剂的方法。所述方法包括：将第一金属氧化物层沉积到碳基底上；将第一铂层沉积到第一金属氧化物层上；将第二金属氧化物层沉积到第一铂层上；以及将第二铂层沉积到第二金属氧化物层上。所述方法可以形成铂和包括多个不连续的伸长结构的非晶金属氧化物的交替的层。

沉积金属氧化物层的步骤可以包括沉积氧化铌。可以通过物理气相沉积执行金属氧化物层的沉积和铂催化剂层的沉积。沉积第一金属氧化物层的步骤可以包括沉积到石墨化碳或石墨烯的基底上。沉积第一铂层和第二铂层的步骤可以包括沉积1至20个原子层的铂或铂合金。沉积第一铂层和第二铂层的步骤可以均包括沉积铂或铂合金的电互连网。

附图说明

图1A至图1C是裸基底、具有金属氧化物涂层的基底以及具有金属氧化物涂层和沉积在金属氧化物涂层上的铂ORR催化剂的基底的示意图；