[发明专利]用于燃料电池的PT-NI-IR催化剂

说明书

本发明公开了一种包含PtNiIr的纳米多孔氧还原催化剂材料，该催化剂材料优选具有式Pt_xNi_yIr_z，其中x在26.6至47.8的范围内，y在48.7至70的范围内，并且z在1至11.4的范围内。该纳米多孔氧还原催化剂材料例如可用于燃料电池膜电极组件中。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月26日提交的美国临时专利申请62/413165的权益，该专利申请的公开内容以引用方式全文并入本文。

背景技术

燃料电池经由燃料的电化学氧化和氧化剂的还原产生电。燃料电池通常按电解质类型和燃料与氧化剂反应物的类型进行分类。一种类型的燃料电池是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，其中电解质是聚合物离子导体并且反应物是氢燃料和作为氧化剂的氧气。氧气通常从环境空气提供。

PEMFC通常需要使用电催化剂来提高氢氧化反应(HOR)和氧还原反应(ORR)的反应速率，这改进了PEMFC性能。PEMFC电催化剂通常包括铂，一种相对昂贵的贵金属。通常期望使PEMFC装置中的铂含量最小化来使成本最小化。然而，需要足够的铂含量来提供足够的催化活性和PEMFC装置性能。这样，期望增加每单位催化剂质量的催化剂活性(质量活性)。存在两种一般方法来增加质量活性，即，增加每单位催化剂表面积的催化剂活性(比活性)和增加每催化剂质量的催化剂表面积(比表面积或比面积)。HOR和ORR发生在催化剂表面上，因此增加比表面积和/或比活性可减少实现期望的绝对性能所需的催化剂的量，从而降低成本。

为了使比面积最大化，PEMFC电催化剂经常在支承材料上呈纳米级薄膜或颗粒的形式。用于纳米颗粒PEMFC电催化剂的示例性支承材料是炭黑，并且用于薄膜电催化剂的示例性支承材料是晶须。

为了增加比活性，PEMFC Pt ORR电催化剂通常也包括某些过渡金属，诸如钴或镍。不受理论的约束，据信将某些过渡金属掺入Pt晶格中诱导了催化剂表面处Pt原子的收缩，这通过改性分子氧键合和离解能以及反应中间体和/或旁观物质的键合能来提高动力学反应速率。

PEMFC电催化剂可掺入其它贵金属。例如，可将HOR PEMFC Pt电催化剂与钌合金化，以改进对一氧化碳(一种已知的Pt催化剂毒物)的耐受性。HOR和ORR PEMFC电催化剂也可掺入铱来促进改进氧析出反应(OER)的活性。改进的OER活性可在无燃料的意外操作下和在PEMFC系统启动和关闭期间改进PEMFC的耐久性。然而，将铱掺入PEMFC ORR电催化剂中可导致质量活性降低和催化剂成本更高。铱比铂对ORR具有相对更低的比活性，从而潜在地导致质量活性降低。铱也是贵金属，并且因此其掺入可增加成本。这样，掺入PEMFC ORR电催化剂中铱的量应平衡改进的OER活性和降低的ORR活性。

PEMFC电催化剂可具有不同的结构和组合形态。该结构和组合形态经常在电催化剂制备期间通过特定处理方法(诸如电催化剂沉积方法和退火方法的变型形式)进行调控。PEMFC电催化剂可在组成上是均一化的，在组成上分层，或可在整个电催化剂上包含组成梯度。对电催化剂内组成分布的调控可改进电催化剂的活性和耐久性。PEMFC电催化剂颗粒或纳米级膜可具有基本上平滑的表面或具有原子或纳米级粗糙度。PEMFC电催化剂可在结构上是均一化的或可以是纳米多孔的，由纳米级孔和固体催化剂系带组成。

与结构上均一化的电催化剂相比，纳米多孔PEMFC电催化剂可具有更高的比面积，从而降低成本。纳米多孔催化剂由许多互连的纳米级催化剂系带组成，并且纳米多孔材料的表面积取决于纳米级系带的直径和体积数密度。当纳米级系带直径减小并且体积数密度增大时，期望表面积增大。