[发明专利]利用碳层保护涂层和臭氧生产Pt合金催化剂的方法

说明书

本发明涉及一种利用碳层保护涂层和臭氧生产Pt合金催化剂的方法。一种生产包含碳上的铂‑过渡金属合金的催化剂的方法，更具体地，生产具有高活性和优异的耐久性的碳负载铂合金催化剂的方法，包括用作为用于碳层的材料的有机聚合物涂覆碳负载催化剂，在缺氢气氛下热处理催化剂以将有机聚合物转化成碳层以防止由热处理碳层引起的催化剂颗粒的生长，同时允许连同铂一起负载的过渡金属扩散到铂颗粒中以形成具有核‑壳结构的催化剂，其包括在其表面上的铂表层，以及在热处理以后通过臭氧处理来除去碳层以诱导催化剂的表面上的电化学反应。

技术领域

本公开涉及生产包括碳上的铂-过渡金属合金的催化剂的方法。更具体地，涉及生产具有高活性和优异的耐久性的碳负载铂合金催化剂的方法，该方法包括用作为用于碳层的材料的有机聚合物来涂覆碳负载催化剂，在缺氢气氛下热处理催化剂以将有机聚合物转化成碳层以防止由热处理碳层引起的催化剂颗粒的生长，同时允许连同铂一起负载的过渡金属扩散到铂颗粒中以形成具有核-壳结构的催化剂，其包括在它的表面上的铂表层，以及在热处理之后通过臭氧处理来除去碳层以诱导催化剂的表面上的电化学反应。

背景技术

铂(Pt)基贵金属通常用作用于燃料电池的氧化/还原反应的催化剂。然而，由于它们的价格高，铂基催化剂尚未商品化。为了解决这个问题，一直在进行铂合金催化剂或非铂基催化剂的研究。非铂基催化剂由于它们的活性低而实际上不适用于燃料电池。另一方面，铂合金催化剂包含代替铂的预定比值的另一种金属，并且由于铂的量减少和由合金效应引起的催化活性改善而具有经济效益的优点。

正在积极研究具有利用铂(Pt)和过渡金属(M＝Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni)合金化的面心立方结构的Pt₃M，作为用于燃料电池的铂合金催化剂之一。生产合金催化剂的一般方法是共沉淀，包括同时还原铂盐和过渡金属盐。根据共沉淀，基于在还原电位方面的差异，首先还原铂，然后还原过渡金属，以致合金表面富含过渡金属。因此，在燃料电池的酸性环境下洗脱过渡金属，造成问题诸如劣化燃料电池的性能。因此，为了解决这个问题，努力生产铂合金，其具有包括铂表层的核-壳结构。进行形成核-壳结构的一般方法，该方法利用基于在700至1200℃的高温下的热处理在铂和过渡金属之间的固体扩散的差异。然而，由于在高温热处理期间催化剂颗粒严重团聚和生长，所以催化剂的有效表面积减小并且总体催化活性因此劣化。

为了解决这些问题，近来，一直在进行生产各种各样的核-壳型铂合金催化剂的研究。Adzic研究团队利用欠电位沉积(UPD)生产了具有核-壳结构的铂单层合金催化剂。Strasser研究团队生产了具有核-壳结构的铂合金催化剂，其中根据电化学方法通过去合金化反应从表面除去过渡金属。Strasser研究团队通过制备过渡金属核以及将铂壳沉积其上生产了合金催化剂。这些方法使得能够制备核-壳型合金催化剂，但所有这些均不利地不适合于大规模生产，这是因为它们需要以电化学方式来控制各个颗粒的电压。

为了解决这些问题，Han-sung Kim博士的研究团队开发了在高温热处理期间通过引入聚吡咯(PPy)和聚多巴胺(PDA)作为封端材料来抑制铂合金催化剂的生长的方法。根据此方法，当在碳负载铂催化剂(carbon supported platinum catalyst)上形成聚合物保护涂层，过渡金属浸渍在保护涂层中以及进行热处理时，聚合物保护涂层被热分解并且存在于聚合物保护涂层中的过渡金属扩散到铂颗粒中形成核-壳结构。在这个过程中，聚合物保护涂层用于抑制可能由铂颗粒的团聚所引起的颗粒生长。然而，随着进行高温热处理，聚合物保护涂层被逐渐除去，降低抑制团聚的能力。当不能充分抑制颗粒的生长时，则仍然存在颗粒之间尺寸不平衡的问题。

在此背景部分中公开的以上信息只是为了增进对本发明的背景的理解，因此，它可能含有并不形成在该国已为本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于解决与现有技术相关的上述问题。

本公开提供了生产用于燃料电池的铂合金催化剂的方法。