[发明专利]制备具有导电氧化物保护层的催化剂的方法以及由该方法制备的催化剂

说明书

本发明公开了一种制备具有导电氧化物保护层的催化剂的方法以及由该方法制备的催化剂。所述方法可以包括：向流化床反应器提供(例如，供应)负载有金属催化剂的碳载体，以及使用原子层沉积(ALD)形成导电氧化物保护层。特别地，所述原子层沉积可以包括：向流化床反应器供应导电氧化物前体，通过向流化床反应器供应惰性气体以进行第一次吹扫，通过向流化床反应器供应反应性气体以将导电氧化物前体转化为导电氧化物，以及通过向流化床反应器供应惰性气体以进行第二次吹扫。

技术领域

本发明涉及一种制备具有导电氧化物保护层的催化剂的方法以及由该方法制备的催化剂。

背景技术

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是一种高电流密度、高功率的燃料电池，其可在各种操作条件下提供至少几十千瓦或更高的高功率以应用于车辆。例如，PEMFC需要在宽电流密度范围内稳定地运行、无漏水问题并且快速驱动。

燃料电池产生电能的反应发生在膜电极组件(MEA)中，所述膜电极组件包括离聚物基膜和一对电极(即阳极和阴极)。同时，为了提高用于PEMFC的电极的性能，通常在电极中加入催化剂。

例如，铂(Pt)纳米颗粒分散在由碳(C)材料制成的载体上的催化剂可主要用作燃料电池电化学反应的催化剂。特别地，需要开发能够提高催化剂使用效率同时减少贵金属催化剂(例如，铂(Pt))的量的方法。为此目的，正在进行通过将铂(Pt)颗粒的尺寸调整至几纳米(nm)的较小水平来提高催化剂活性的研究。另一方面，常规燃料电池在长时间使用的过程中会发生粗化现象(例如，奥斯特瓦尔德熟化)，其中碳载体中包含的金属催化剂会团聚在一起。

例如，在相关领域中，图1A和图1B分别显示了常规燃料电池在初始使用期间和在长时间使用之后，燃料电池中催化剂分布的变化。

如图1A所示，在初始阶段，燃料电池中存在的催化剂以相对均一的尺寸(主要为3至5nm)均匀分布。然而，如图1B所示，当长时间使用燃料电池之后，可以观察到纳米尺寸的催化剂颗粒团聚在一起的现象(即粗化)。特别地，催化剂颗粒会团聚为6nm或更大尺寸的颗粒，并且大量的催化剂颗粒会团聚为10nm或更大尺寸的颗粒。

该催化剂颗粒的团聚会降低电池性能和燃料电池的整体耐久性。因此，需要开发防止燃料电池催化剂颗粒的团聚的技术。

提供本背景技术中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能包含不构成本领域技术人员在其国家已知的现有技术的信息。

发明内容

在优选的方面，提供的是通过使用原子层沉积(ALD)形成设置有导电氧化物保护层的催化剂从而可防止包含在燃料电池中的催化剂颗粒的团聚并且提高催化剂的耐久性。

一方面，提供的是在具有较大表面积的催化剂和载体上通过进行原子层沉积(ALD)均匀地形成的导电氧化物保护层。

一方面，提供的是通过使用原子层沉积(ALD)形成在原子基础上受控的网状结构的导电氧化物从而防止催化剂颗粒的团聚。

本发明的目的不限于上述目的。本发明的其它细节将并入本发明的具体实施方式和附图中。

在一个优选的方面，提供了一种制备包括导电氧化物保护层的催化剂的方法。所述方法可以包括向流化床反应器提供(例如，供应)负载有金属催化剂的碳载体；以及使用原子层沉积(ALD)形成导电氧化物保护层。导电氧化物保护层可适当地形成在设置于流化床反应器中的碳载体和金属催化剂上或其周围。

本文使用的术语“原子层沉积”或“ALD”表示形成例如具有原子级厚度的表面结构(例如，薄膜或网状表面)的沉积技术。例如，ALD可以包括例如使用两种化学品或前体的气相化学法的顺序使用。在某些实施方案中，这些前体可以在基底(例如，碳载体)的表面上以顺序的方式每次反应一种。在某些实施方案中，可以将分离的和/或不同的前体依次和/或交替地暴露在该表面以进行反应，从而形成网状表面。