[发明专利]用于质子交换膜燃料电池的催化剂载体上的超薄电化学催化剂

说明书

负载型催化剂包括：(1)催化剂载体；和(2)覆盖催化剂载体的催化剂的沉积物，其中所述沉积物的平均厚度为约2nm或更小，并且所述沉积物彼此隔开。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年11月9日提交的美国临时申请号62/583,973的权益，其内容通过引用以其全部并入本文。

背景技术

质子交换膜(PEM)燃料电池作为比如零排放车辆等应用的动力源具有巨大的潜力。然而，现有技术的PEM燃料电池具有若干缺点。最具挑战性的缺点之一是昂贵的铂族金属(PGM)的量，该铂族金属在燃料电池的膜电极组件(MEA)中用作电化学催化剂。

正是在这种背景下，需要开发本公开的实施方式。

发明内容

在一些实施方式中，负载型催化剂包括：(1)催化剂载体；和(2)覆盖该催化剂载体的催化剂的沉积物，其中该沉积物具有约2nm或更小的平均厚度，并且该沉积物彼此隔开。

在一些实施方式中，用于燃料电池的膜电极组件包括：(1)聚合物离子导电膜；和(2)与聚合物离子导电膜相邻的电催化剂层，其中电催化剂层包括上述实施方式的负载型催化剂。

在一些实施方式中，燃料电池包括：(1)阴极电催化剂层；(2)阳极电催化剂层；和(3)设置在阴极电催化剂层和阳极电催化剂层之间的聚合物离子导电膜，其中阴极电催化剂层或阳极电催化剂层中的至少一个包括上述实施方式的负载型催化剂。

还考虑了本公开的其他方面和实施方式。前述发明内容和以下详细描述并不旨在将本公开限于任何特定实施方式，而仅旨在描述本公开的一些实施方式。

附图说明

为了更好地理解本公开的一些实施方式的性质和目的，应当结合附图参考以下详细描述。

图1.负载型催化剂的结构示意图，其包括覆盖催化剂载体的催化剂沉积物。

图2.图1中所显示的一部分负载型催化剂的放大的横截面图的示意图。

图3.并入本文公开的负载型催化剂的PEM燃料电池的示意图。

图4.在前体吸附阶段比较的钝化结合原子层沉积(PALD)(a)和常规原子层沉积(b)过程的示意图。在碳上75个循环的PALD(c)和50个循环的常规原子层沉积(d)的透射电子显微镜(TEM)和能量过滤TEM(EF-TEM)的显微照片。(c)和(d)中的比例尺表示为20nm。

图5.由密度函数理论(DFT)计算，含铂(Pt)的前体在Pt和一氧化碳吸附的Pt上的吸附能。

图6.通过质量活性对电化学势比较了由40个循环的PALD修饰的玻璃态碳电极和碳粉(a)。在O₂饱和电解质中进行10,000次循环的(相对于可逆氢电极(RHE)约0.6至约1.0V)加速降解测试(ADT)之前和之后在40次循环的PALD下在碳上铂(Pt/C)的氧还原反应(ORR)极化曲线(b)。在ADT之后通过TEM检查Pt沉积形态(c)。

图7.在O₂中在10,000ADT之前和之后的40次循环的PALD Pt/C样品的循环伏安曲线(上部)，其中比较了预计的动力学电流密度(左下)和比活性(右下)。

图8A.比较了玻璃态碳电极上Pt和Pt/C催化剂的40次循环的PALD的比活性。

图8B.比较了玻璃态碳电极上Pt和Pt/C催化剂的40次循环的PALD的质量活性。

图9.40次循环PALD的Pt/C催化剂的质量活性与Pt载量的关系图。

图10.在ORR测试之前和之后40次循环的PALD的Pt/C催化剂的Pt沉积物尺寸统计。