[发明专利]催化剂

说明书

本发明公开了电催化剂材料在阳极催化剂层中的用途，其中所述电催化剂材料包括载体材料，所述载体材料包括多个单独的载体粒子或聚集体，其中每个单独的载体粒子或聚集体在其上分散有(i)第一粒子和(ii)第二粒子，其中：(i)所述第一粒子包括可选地与合金化金属X1合金化的Pt；其中所述可选的合金化金属X1选自Rh、Ti、Os、V、Co、Ni、Ga、Hf、Sn、Ir、Pd、Mo、Zn、W、Zr和Re；(ii)所述第二粒子基本上由第二金属或第二金属化合物组成，其中所述第二金属选自Ir和Ru，并且所述第二金属化合物包括IrX2，其中X2选自Ta、Nb、Ru、Ni和Co；并且其中如果所述第一粒子由Pt组成，则所述第二粒子不包括IrTa；并且其中如果所述第一粒子由不含合金化金属X1的Pt组成，并且所述第二粒子基本上由第二金属组成，所述第二金属为Ir，则所述电催化剂材料的所述载体材料的每个单独的载体粒子或聚集体仅在其上分散有所述第一粒子和所述第二粒子；或者其中每个单独的载体粒子或聚集体在其上分散有(i)第一粒子和(ii)第三粒子，其中：(iii)所述第三粒子包括Au或第三金属合金；其中所述第三金属合金选自AuX3和PdX4，其中X3选自Pt、Pd、Cu、Ir和Sn；并且X4选自Hg、Au、Sn、Co、Ni、Ga、In、Zn、W和Pb。

技术领域

本发明涉及新型电催化剂材料，并且具体地涉及用于燃料电池阳极处的新型电催化剂材料。

背景技术

燃料电池是包括由电解质分隔的两个电极的电化学电池。将燃料(例如氢、醇诸如甲醇或乙醇、或甲酸)提供给阳极，并且将氧化剂(例如氧气或空气)提供给阴极。电化学反应发生在电极处，并且燃料和氧化剂的化学能被转化成电能和热量。电催化剂用于促进燃料在阳极处的电化学氧化以及氧气在阴极处的电化学还原。

燃料电池通常根据所采用的电解质的性质分类。通常，电解质是固体聚合物膜，其中该膜是电绝缘的但离子导电的。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，膜是质子导电的，并且在阳极处产生的质子穿过该膜传输到阴极，在该阴极处这些质子与氧气结合以形成水。

PEMFC的主要组分是膜电极组件(MEA)，该膜电极组件基本上由五个层组成。中间层是聚合物离子导电膜。在离子导电膜的任一侧上存在电催化剂层，该电催化剂层包含设计用于特定电催化反应的电催化剂。最后，与每个电催化剂层相邻的是气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层，并且必须传导由电化学反应产生的电流。因此，气体扩散层必须是多孔且导电的。

通常，MEA可通过下文概述的多种方法来构造：

(i)可将电催化剂层施加到气体扩散层以形成气体扩散电极。将气体扩散电极放置在离子导电膜的每侧上，并且层压在一起以形成五层MEA；

(ii)可将电催化剂层施加到离子导电膜的两个面以形成催化剂涂覆的离子导电膜。随后，将气体扩散层施加到催化剂涂覆的离子导电膜的每个面上。

(iii)MEA可由在一侧上涂覆有电催化剂层的离子导电膜，与该电催化剂层相邻的气体扩散层以及在该离子导电膜的另一侧上的气体扩散电极形成。

通常，需要数十个或几百个MEA来为大多数应用提供足够的电力，因此组装多个MEA以构成燃料电池组。流场板用于分隔MEA。这些板执行若干功能：将反应物供应到MEA；除去产物；提供电气连接；以及提供物理载体。

用于水氧化和析氧反应的电催化剂通常基于过渡金属诸如铂或这些过渡金属与一种或多种金属的氧化物或合金。含铂催化剂可以是未负载型纳米级粒子(例如金属黑)的形式，或者可以作为离散的纳米粒子沉积到载体材料(负载型催化剂)上，从而导致非常高的催化剂表面积。电催化剂也可以是沉积到载体材料上的涂层或延伸膜的形式。一直在搜索具有改善的活性和/或稳定性并因此更有效地利用昂贵的铂催化剂的催化剂。这使得能够提高MEA性能或减少MEA中采用的催化剂的负载(并因此降低成本)，或兼而有之。