本發明專利技術涉及包含納米級的貴金屬粒子(例如鉑或鉑合金粒子)以及至少一種具有酸性基團的離聚物組分的膠態分散體。用于其制造的方法是基于用一種液體酸性離聚物組分對一種適合的貴金屬前體化合物進行中和與溶解的過程，接著是一個還原步驟。適合的貴金屬前體是由貴金屬原子、氫原子、氧原子以及任選地碳原子組成。用于前體的實例為H2Pt(OH)6、Pd(OH)2或Ir(OH)4，優選的還原劑為脂肪族醇或氫氣。本發明專利技術進一步涉及用于制造此類膠態分散體的預產物，即涉及含有貴金屬前體和至少一種酸性離聚物化合物的組合物。這些膠態貴金屬分散體基本上不含諸如鹽或表面活性劑的污染物，并且可以進一步含有導電或非導電載體材料。這些膠態貴金屬分散體可以用于制備催化劑油墨、離聚物層、催化劑層、電極或復合催化劑材料，并且在燃料電池技術(例如，PEMFC、DMFC或水電解槽)中找到了廣泛應用。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】【專利說明】包含貴金屬粒子和酸性離聚物組分的膠態分散體以及其制 造和使用方法 專利
本專利技術涉及包含納米級的基于貴金屬的粒子以及至少一種具有酸性基團的離聚 物組分的膠態分散體。披露了用于制造此類基于貴金屬的膠態分散體的方法。在此背景下， 本專利技術進一步涉及一種用于其制造的預產物，即包含一種適合的貴金屬前體化合物和至少 一種酸性離聚物化合物的組合物。最后，本專利技術涉及包含此類膠態分散體的催化劑油墨并 且涉及使用它們制造離聚物層、催化劑層、電極以及復合催化劑材料的方法。 通過采用諸如醇類或氫的適合的還原劑，使包含一種適合的貴金屬前體化合物和 至少一種酸性離聚物化合物的這些預產物組合物轉化成貴金屬粒子的膠態分散體，這些膠 態分散體由該酸性離聚物化合物穩定并且基本上不含諸如有機聚合物、離子污染物或表面 活性劑的其他成分。 本專利技術的膠態貴金屬分散體特別適用于制備離聚物層、催化劑層以及電極層，而 不需要隨后的純化步驟。專利技術背景由表面活性劑或有機聚合物穩定的納米級的、膠態的鉑分散體是本領域中已知 的。此類膠態分散體大部分被用于生產用于化學合成和電化學應用的催化劑材料；在這種 情況下典型地使鉑粒子沉積到粉末狀載體材料或多孔載體上，接著進行洗滌和干燥步驟。 鉑粒子可以從此類膠態分散體直接沉積到表面上以便產生薄的催化層。例如可以通過使鉑 粒子沉積到多孔陶瓷或碳網的表面上和/或內部上來產生用于電化學裝置的氣體擴散電 極（下文簡稱為GDE)。 此外，離聚物膜的表面也可以通過使鉑粒子從膠態鉑分散體沉積到其表面上、接 著進行干燥和洗滌來進行催化。 膠態鉑分散體是在化學合成和電催化領域之外還在各種領域中具有潛在應用的 大量研究的主題，這些各種領域包括納米技術、醫藥、環境科學（有機化合物的光氧化）以 及具有獨特特性的新穎材料的合成。對于此類目的，還可以用不同有機配位體使處于分散 體形式的鉑納米粒子功能化，以便創造出具有先進功能性的有機/無機雜化材料。 膠態鉑分散體特別有用于制備用于燃料電池的催化劑和催化劑層。 燃料電池（FC)是用于或商業上預見用于各種不同應用的發電電化學裝置，這些 應用包括例如汽車傳動系統、用于住宅供暖的固定單元、機載輔助動力單元（APU)、便攜式 電子設備、遠程或便攜式備用單元等。PEM燃料電池（PEM-FC)更具體地說是包括一個固體-聚合物-電解質膜（為方便 起見，下文稱為"膜"），例如一個質子傳導全氟磺酸膜或一個烴酸膜的一種燃料電池。PEM 燃料電池還包括一個陰極層和一個陽極層，它們分別位于該膜的每一相反側上。該陽極層 和該陰極層在下文也稱為"電極層"或"電催化劑層"。PEM-FC的實例是氫氣PEM-FC、重整氫氣PEM-FC以及直接甲醇PEM-FC(下文簡稱 為"DMFC"）。在陽極層中，一種適當的電催化劑（總體上是一種鉑電催化劑或一種鉑合金 電催化劑）引起燃料（例如氫氣或甲醇）氧化，從而顯著地生成正性氫離子（質子）和帶 負電的電子（在氫氣燃料的情況下是氫氣氧化反應HOR)。該膜只允許這些帶正電的氫離子 通過它以到達陰極層，而這些帶負電的電子沿著連接陽極與陰極的一個外電路行進，由此 產生一個電流。在陰極側，使用來自陽極側的4個電子和質子使氧氣還原成水（氧氣還原 反應ORR)。在陰極層中，一種適合的電催化劑（總體上是一種鉑電催化劑）引起這些電子 和這些帶正電的氫離子與氧氣化合形成水，水從該電池中流出?？傮w上，發生在氫氣或重整 氫氣PEM-FC中的這些反應可以概括如下： 陽極：2H2- 4H++4e_ (HOR) 陰極：02+4e__i~4Hh-?? 2H20 (ORR) 總體上用于PEM-FC中的這些電催化劑包含鉑或鉑合金的精細分散的粒子，這些 粒子通常負載在碳黑上，以便確保適當電導率和大的電化學活性表面積。通常，這些電極層 還包含一種質子傳導電解質，下文稱為"離聚物"。 在重整氫氣和直接甲醇PEM-FC的情況下，用于陽極層的電催化劑通常是鉑合金 電催化劑，并且該鉑合金通常是一種鉑-釕合金，該鉑-釕合金被專門設計成在重整氫氣 PEM-FC的情況下有效地氧化由一個重整爐產生的富氫氣體或者在直接甲醇PEM-FC(DMFC) 的情況下有效地氧化甲醇。 PEM-FC通常包含相對厚的多孔氣體擴散層，下文簡稱為"⑶L"。這些多孔層位于 電極層與流場板之間。GDL的主要目的在于確保多種反應物氣體更好地接近電極層并且有 效地從燃料電池中移除水（以液體或蒸汽形式），增強燃料電池的電導率，從而確保電極層 與流場板之間更好的電接觸，并且最后但并非最不重要的是提供保持電極層的結構完整性 所必需的機械強度。 GDL通常包括碳紙或碳編織或非編織布，任選地用可變量的全氟化或部分氟化聚 合物和/或碳粒子糊劑進行處理以便適當地調節其電導率、機械強度、疏水性、孔隙率以及 質量傳輸特性。 該⑶L可以呈現一種單層或一種雙層結構。當⑶L呈現一種雙層結構時，它典型 地由一個通常朝向流場板定向的相對厚的大孔層（也稱為GDL-襯底）和一個通常朝向電 極層定向的相對薄的微孔層（"GDL-MPL"）組成。該GDL-MPL的主要目的在于降低電極層 與大孔GDL襯底之間的接觸電阻并且有效地使液體水從電極層（通常是陰極）芯吸到該大 孔襯底。 膜電極組件（下文簡稱為"MEA"）是PEM-FC的一個關鍵部件并且對其最終用途特 征具有顯著影響。術語MEA總體上是用于指示一種多層結構，該多層結構包括膜與陽極和 陰極層以及任選地另外兩個相鄰GDL的組合。 PEM-FC總體上由一個堆疊組成，該堆疊通常包括大量MEA;這些MEA各自位于多個 相應流場板之間。數個MEA連同多個相應流場板一起堆疊成一個堆疊以產生高電壓用于所 希望的應用。因為MEA是串接電連接，所以總PEM-FC堆疊電流同時流過所有MEA。 PEM-FC可以在多種不同條件（溫度；入口反應物氣體的類型、組成、流速以及濕 度，壓力，電流，電壓，穩定或高度動態等）下進行操作。這些條件有力地影響初始MEA性能 (例如在特定電流密度下遞送的電壓）和/或MEA壽命。 本專利技術還適用于提供用于PEM電解槽的改進的膜-電極組件（MEA)。PEM電解槽總體上具有一種與PEM燃料電池類似的結構，但它們以一種不同的方 式操作。在PEM燃料電池的操作過程中，在陰極發生氧氣還原并且在燃料電池的陽極發生 氫氣氧化。末端效應是產生了水和電力。另一方面，在PEM電解槽中電流的流動和電極反 轉，這樣使得發生水的分解。 在陽極發生氧氣的釋放（"氧氣析出反應"或簡稱為"0ER"）并且在陰極發生質子 (H+)的還原（"氫氣析出反應"或簡稱為"HER"），這些質子通過該聚合物電解質膜。結果 是在電流的幫助下水被分解成氫氣和氧氣。這些反應可以由以下方程概括：陽極：2H20 - 02+4H++4e_ (OER)陰極：4H++4e-?? 2H2 (HER) 用于PEM水電解槽的MEA(下文也稱為"電解MEA"）總體上含有一個聚合物電解 質膜（例如，來自杜邦（DuPont)的NafkK)，該膜以一種夾心構造被安排在兩個電極之 間以及兩個多孔電流收集器（或氣體擴散層）之間，這兩個電流收集器各自被安裝在電極 的兩側上。然而，由于電解MEA必須滿足不同要求以及本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種包含貴金屬前體化合物和至少一種酸性離聚物化合物的液體組合物，所述貴金屬前體化合物是由貴金屬原子、氫原子、氧原子以及任選地碳原子組成，并且其中該液體介質是由純的去離子水、包含有機溶劑的水性組合物、或處于極性有機溶劑中的不含水的液體組合物組成。
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...
【專利技術屬性】
技術研發人員：M·班德，G·海因茨，A·格希爾米，H·德齊阿拉斯，V·貝尼斯，
申請(專利權)人：索爾維克雷有限責任兩合公司，
類型：發明
國別省市：德國;DE
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