[发明专利]载体上的贵金属的共形薄膜

说明书

公开了载体上的贵金属的共形薄膜。一种用于形成燃料电池催化剂层的被涂覆的基底包括多个基底颗粒、布置在基底颗粒上的粘附层以及布置在粘附层上的贵金属层。粘附层包括钨金属层。特有地，被涂覆的基底用于燃料电池应用中，诸如提供用于阴极和/或阳极催化剂层中的催化剂颗粒。

相关申请的交叉引用

此申请要求2013年12月13日提交的美国临时申请序号61/915,731的权益，该申请公开内容的全文以引用的方式并入本文。

技术领域

在至少一个方面中，本发明涉及用于燃料电池应用中的催化剂层。

背景技术

燃料电池在许多应用中被用作电源。具体来说，提议将燃料电池用于汽车中来替代内燃机。通常使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”）来提供阳极与阴极之间的离子运输。

在质子交换膜型的燃料电池中，将氢气供应给阳极作为燃料，并且将氧气供应给阴极作为氧化剂。氧气可以是纯形式的（O₂）或者是空气（O₂与N₂的混合物）。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个面上具有阳极催化剂而在相反的面上具有阴极催化剂。典型PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔导电材料（诸如编织石墨、石墨化片或碳纸）形成，以使得燃料和氧化剂能够分别分散在面向燃料和氧化剂供应电极的膜表面上。每个电极具有负载在碳粒子上的精细分离的催化剂颗粒（例如，铂颗粒）以促进氢气在阳极的氧化和氧气在阴极的还原。质子穿过离子键导电聚合物膜从阳极流到阴极，在阴极它们与氧气结合形成水从电池排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，气体扩散层接着夹在一对非多孔的导电元件或板之间。板用作用于阳极和阴极的电流收集器，并且含有形成在其中的适当通道和开口以将燃料电池的气体反应剂分布在各自的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、能传递质子、不导电并且气体不可渗透。在典型应用中，以堆叠布置的许多个别燃料电池的阵列提供燃料电池以提供高水平的电功率。尽管用于燃料电池中的催化剂层相当好地起作用，但是需要改进的燃料电池催化剂层。

碳黑和碳纳米管由于其极好的电子传导性、良好的机械和化学稳定性以及低成本成为对于燃料电池电催化剂的优选载体。催化剂层通常使用制成为非常精细的纳米颗粒的铂和/或铂合金来通过增加表面面积提高总体活性。然而，碳的惰性表面使得金属非常难以附接。碳表面上的铂的成核已经证明在产生大的铂颗粒尺寸以及颗粒移动和凝聚方面富有挑战性。此外，铂的高表面能量使得非常难以涂覆薄且光滑的表面。扫描电子显微照片示出这些先前技术涂层凝聚而不形成光滑的匀质层的趋势。铂与碳表面之间的不良相互作用使得难以成核和形成均匀薄膜。具体来说，由于不良成核和层生长，需要相对高的最小层厚度来确保导电。

可购得的纳米结构化的薄膜（NSTF）催化剂通过将Pt溅镀在自组装的二萘嵌苯红色染料载体上来制成。载体是不导电的，因此电子必须运输通过涂覆的Pt连续层。另一方面，此催化剂类型由于平滑的Pt表面和优秀的载体稳定性而比常规的碳载Pt纳米颗粒更持久。观察到一些先前技术溅镀薄膜由于溅镀过程的视线特性而不均匀。

因此，需要改进用于形成燃料电池催化剂材料的材料。

发明内容

本发明通过在至少一个实施例中提供用于形成燃料电池催化剂层的被涂覆的基底来解决先前技术的一个或多个问题。被涂覆的基底包括多个基底颗粒。在每个基底颗粒上布置粘附层并且在粘附层上布置贵金属层。粘附层包括钨金属层、钨合金层、WO_x层、W_xN层或W_xC层。特有地，被涂覆的基底用于燃料电池应用中，诸如提供用于阴极和/或阳极催化剂层中的催化剂颗粒。有利地，本发明的实施例提供具有超过常规分散负载型催化剂的高活性且持久性的催化剂。此外，由于该方法是干式方法，所以减少了催化剂处理成本并且最小化了化学/贵金属浪费。