【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及一種析氧反應(yīng)催化劑，并且特定地但非排他地，涉及一種適用于電化學(xué)燃料電池的三元氧化物催化劑材料。
技術(shù)介紹
1、燃料電池是包括被電解質(zhì)隔開的兩個(gè)電極的電化學(xué)電池。燃料(例如，氫氣、醇(諸如甲醇或乙醇)或甲酸)被供應(yīng)給陽極，并且氧化劑(例如，氧氣或空氣)被供應(yīng)給陰極。電化學(xué)反應(yīng)在電極處發(fā)生，并且燃料和氧化劑的化學(xué)能被轉(zhuǎn)換成電能和熱量。電催化劑用于促進(jìn)陽極處燃料的電化學(xué)氧化和陰極處氧氣的電化學(xué)還原。
2、燃料電池通常根據(jù)所用電解質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行分類。電解質(zhì)通常為固體聚合物膜，其中該膜為電絕緣的但離子導(dǎo)電的。在質(zhì)子交換膜燃料電池中，該膜是質(zhì)子導(dǎo)電的，并且將在陽極處產(chǎn)生的質(zhì)子橫跨該膜傳送至陰極，其中它們與氧組合以形成水。
3、質(zhì)子交換膜燃料電池的主要組分是膜電極組件，其基本上由五個(gè)層組成。中間層為聚合物離子導(dǎo)電膜。在離子導(dǎo)電膜的任一側(cè)上存在電催化劑層，該電催化劑層包含設(shè)計(jì)用于特定電解反應(yīng)的電催化劑。最后，鄰近每個(gè)電催化劑層存在氣體擴(kuò)散層。氣體擴(kuò)散層必須允許反應(yīng)物到達(dá)電催化劑層并且必須傳導(dǎo)由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流。因此，氣體擴(kuò)散層必須為多孔的和導(dǎo)電的。膜電極組件可通過若干方法構(gòu)造。可將電催化劑層施加到氣體擴(kuò)散層以形成氣體擴(kuò)散電極。可將兩個(gè)氣體擴(kuò)散電極置于離子傳導(dǎo)膜的任一側(cè)并且層合在一起以形成五層膜電極組件。作為另外一種選擇，可將電催化劑層施加到離子傳導(dǎo)膜的兩個(gè)面以形成催化劑涂覆的離子傳導(dǎo)膜。隨后，將氣體擴(kuò)散層施加到催化劑涂覆的離子傳導(dǎo)膜的兩個(gè)面。最后，可由在一側(cè)上涂覆有電催化劑層的離子傳導(dǎo)膜、鄰近該電催化劑層
4、通常，需要數(shù)十或數(shù)百個(gè)膜電極組件來為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠的功率，因此組裝多個(gè)膜電極組件來構(gòu)成燃料電池組。使用場(chǎng)流板來隔開膜電極組件。板執(zhí)行若干功能：向膜電極組件供應(yīng)反應(yīng)物、移除產(chǎn)物、提供電連接以及提供物理載體。
5、已知存在許多在陽極或陰極處將水電解催化劑摻入燃料電池中可證明有益的情形。例如，wo01/15247描述了為了電解水的目的在陽極處摻入附加或第二催化劑組合物可如何改善燃料電池對(duì)電池電壓反極的耐受性。如果電池接收到的燃料供應(yīng)不足(例如，由于燃料不足)，則可能會(huì)發(fā)生電池電壓反極。如果發(fā)生這種情況，則燃料電池陽極處可能發(fā)生除燃料氧化之外的反應(yīng)，這些反應(yīng)包括水電解和陽極部件的氧化。陽極部件的氧化是不期望的，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致陽極的顯著劣化。通過在陽極處摻入促進(jìn)析氧反應(yīng)的催化劑組合物，可通過促進(jìn)水電解超過陽極部件氧化來減輕或避免陽極的劣化。
6、促進(jìn)水電解可有益的情形的另一示例是：對(duì)于燃料電池來說，在關(guān)閉期間用惰性氣體諸如氮?dú)鈴年枠O氣體空間吹掃氫也不切實(shí)際或不經(jīng)濟(jì)的情形，或者在電池閑置一段時(shí)間后重啟的情形。這兩種情形可導(dǎo)致陽極上存在氫和空氣的混合組合物，而陰極上存在空氣。在這些情況下，可存在內(nèi)部電池，如tang等人(journal?of?power?sources?158(2006)1306-1312)所述，這導(dǎo)致陰極上的高電位。高電位可導(dǎo)致碳氧化，這在催化劑層包含碳的情況下對(duì)催化劑層的結(jié)構(gòu)極具破壞性。然而，如果陰極層能夠支持析氧，則高電位可用于驅(qū)動(dòng)水電解而不是碳腐蝕。
7、最后，在再生燃料電池中，電極是雙功能的，并且陽極和陰極都必須在不同時(shí)間支持兩種電化學(xué)反應(yīng)類型。當(dāng)作為燃料電池操作時(shí)，陰極必須還原氧，且陽極必須氧化氫；當(dāng)作為電解槽操作時(shí)，陰極必須析出氫，且陽極必須析出氧。因此，在這種燃料電池的陽極中摻入傳統(tǒng)的氫氧化反應(yīng)催化劑和析氧反應(yīng)催化劑兩者可能是有益的，因?yàn)槔眠@種布置，陽極可有效地進(jìn)行氫氧化反應(yīng)和析氧反應(yīng)兩者。
8、用于析氧反應(yīng)的各種電催化劑是本領(lǐng)域已知的。例如，wo11/021034公開了包含電催化劑和析氧反應(yīng)催化劑的催化劑層，其中析氧反應(yīng)催化劑包含銥或氧化銥和一種或多種金屬m或它們的氧化物，其中m選自由過渡金屬和sn組成的組，釕除外。
9、然而，期望的是提供改進(jìn)的析氧反應(yīng)催化劑，并且特別地是提供可改進(jìn)膜電極組件在重復(fù)反極事件期間的穩(wěn)定性的催化劑。此外，銥是稀有的，這可能使其昂貴，并且因此希望提供表現(xiàn)出與已知催化劑類似的性能但使用較少銥的催化劑材料。
10、根據(jù)以上考慮設(shè)計(jì)了本專利技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)三元氧化物可克服上述問題中的一個(gè)或多個(gè)問題。
2、因此，在第一方面，本專利技術(shù)提供了一種析氧反應(yīng)催化劑，其中該析氧反應(yīng)催化劑是包含銥、鉭和釕的氧化物材料：
3、其中該析氧催化劑包含具有金紅石晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氧化物相；
4、其中該結(jié)晶氧化物相具有大于的晶格參數(shù)a。
5、銥可以基于該析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子組成在50原子％至80原子％的范圍內(nèi)且包括端值的量存在。優(yōu)選地，銥以基于該析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子組成小于70原子％、更優(yōu)選地至多65原子％的量存在。
6、鉭可以基于該析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子組成在10原子％至40原子％的范圍內(nèi)且包括端值的量存在。優(yōu)選地，鉭以基于該析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子百分比至少15原子％的量存在。優(yōu)選地，鉭以基于該析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子組成至多35原子％的量存在。
7、釕以基于該析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子百分比在1原子％至20原子％的范圍內(nèi)且包括端值的量存在。優(yōu)選地，釕以基于該析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子百分比至少5原子％的量存在。優(yōu)選地，釕以基于該析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子組成至多15原子％的量存在。
8、銥、鉭和釕的量由制備該材料時(shí)所包括的銥、鉭和釕的摩爾量來確定，并且可使用電感耦合等離子體質(zhì)譜(icpms)來確認(rèn)。
9、本專利技術(shù)人已發(fā)現(xiàn)，與一些已知的析氧反應(yīng)催化劑相比，具有上述組成的析氧反應(yīng)催化劑可提供具有合適活性同時(shí)提供增加的穩(wěn)定性并且節(jié)約銥的膜電極組件。特別是與二元混合金屬氧化物析氧反應(yīng)催化劑諸如irta基材料或ruir基材料相比。
10、該析氧反應(yīng)催化劑可任選地例如以基于該析氧反應(yīng)催化劑中金屬物質(zhì)的總原子組成至多5原子％且包括端值、合適地以基于該析氧反應(yīng)催化劑中金屬物質(zhì)的總原子組成至多1原子％且包括端值的量包含除銥、鉭和釕之外的金屬物質(zhì)。優(yōu)選地，銥、鉭和釕基本上構(gòu)成存在于該析氧反應(yīng)催化劑中的所有金屬物質(zhì)。換句話說，該析氧反應(yīng)催化劑中的金屬物質(zhì)基本上由銥、鉭和釕組成，優(yōu)選地由銥、鉭和釕組成。銥、鉭和釕總和與氧的比率通常為約1:2。該析氧反應(yīng)催化劑可任選地例如以基于該析氧反應(yīng)催化劑中金屬物質(zhì)的總原子組成至多5原子％且包括端值、合適地以基于該析氧反應(yīng)催化劑中金屬物質(zhì)的總原子組成至多1原子％且包括端值的量包含呈金屬形式的金屬物質(zhì)。此類呈金屬形式的金屬物質(zhì)可包括銥和/或鉭。
11、該結(jié)晶氧化物相具有金紅石mo2(m是金屬物質(zhì))結(jié)構(gòu)。通過參考pdf-4+數(shù)據(jù)庫(kù)2021版比較x射線衍本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種析氧反應(yīng)催化劑，其中所述析氧反應(yīng)催化劑是包含銥、鉭和釕的氧化物材料：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的析氧反應(yīng)，其中銥以基于所述析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子百分比在1原子％至15原子％的范圍內(nèi)且包括端值的量存在。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的析氧反應(yīng)催化劑，其中所述析氧反應(yīng)催化劑具有至少30m2/g的BET表面積。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的析氧反應(yīng)催化劑的合成方法，所述方法包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中提供銥、鉭和釕的化合物的水性溶液的所述步驟包括以下子步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的方法，其中銥、鉭和釕的化合物的所述水性溶液具有5至7:2至4:0.5至1.5的摩爾比Ir:Ta:Ru。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述煅燒在于400℃至800℃的范圍內(nèi)且包括端值的溫度下執(zhí)行。
8.一種催化劑層，所述催化劑層包含根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的析氧反應(yīng)催化劑以及第二電催化劑材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的催化劑層，其中所述第二電催化劑材料選自：
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的催化劑層，其中所述催化劑層中的所述析氧反應(yīng)催化劑與所述第二電催化劑材料的重量比為10:1至1:10。
12.一種氣體擴(kuò)散電極，所述氣體擴(kuò)散電極包括氣體擴(kuò)散層和根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)所述的催化劑層。
13.一種經(jīng)催化膜，所述經(jīng)催化膜包括離子傳導(dǎo)膜和根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)所述的催化劑層。
14.一種膜電極組件，所述膜電極組件包括根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)所述的催化劑層、根據(jù)權(quán)利要求12所述的氣體擴(kuò)散電極、或根據(jù)權(quán)利要求13所述的經(jīng)催化膜。
15.一種燃料電池，所述燃料電池包括根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)所述的催化劑層、根據(jù)權(quán)利要求12所述的氣體擴(kuò)散電極、根據(jù)權(quán)利要求13所述的經(jīng)催化膜、或根據(jù)權(quán)利要求14所述的膜電極組件。
...【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】
1.一種析氧反應(yīng)催化劑，其中所述析氧反應(yīng)催化劑是包含銥、鉭和釕的氧化物材料：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的析氧反應(yīng)，其中銥以基于所述析氧反應(yīng)催化劑中銥、鉭和釕物質(zhì)的總原子百分比在1原子％至15原子％的范圍內(nèi)且包括端值的量存在。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的析氧反應(yīng)催化劑，其中所述析氧反應(yīng)催化劑具有至少30m2/g的bet表面積。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的析氧反應(yīng)催化劑的合成方法，所述方法包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中提供銥、鉭和釕的化合物的水性溶液的所述步驟包括以下子步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的方法，其中銥、鉭和釕的化合物的所述水性溶液具有5至7:2至4:0.5至1.5的摩爾比ir:ta:ru。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述煅燒在于400℃至800℃的范圍內(nèi)且包括端值的溫度下執(zhí)行。
8.一種催化劑層，所述催化劑層包含根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的析氧反應(yīng)催化劑以及第二電催化劑材料...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：J·布雷克，S·伯頓，T·R·拉爾夫，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：莊信萬豐氫能科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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