本發明專利技術提供了一種Pt-Ni催化劑，其表現出非常高的氧還原質量活性。在一些實施例中，所述Pt-Ni催化劑是一種Pt-Ni二元合金。在一些實施例中，所述催化劑可表征為Pt?fcc晶格參數小于3.71埃或0.371nm。在一些實施例中，所述催化劑的Pt?fcc晶格參數在3.69埃(或0.369nm)和3.73埃(或0.373nm)之間。在一些實施例中，所述催化劑可表征為具有接近PtxNi(1-x)的組成，其中x在0.2和0.4之間。在一些實施例中，所述催化劑包括納米結構化元件，所述納米結構化元件包含具有納米級催化劑顆粒的薄膜的微結構化支承晶須，所述納米級催化劑顆粒的薄膜包括上述催化劑材料。所述催化劑可特別用作燃料電池催化劑，并且更具體地說，用作燃料電池陰極催化劑。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種Pt-Ni催化劑，其表現出非常高的氧還原質量活性。該催化劑尤其可用作燃料電池催化劑，并且更具體地說，用作燃料電池陰極催化劑。
技術介紹
美國專利No. 5，879，827 (其公開內容以引用的方式并入本文)公開了納米結構化元件，該元件包含帶有針狀納米級催化劑顆粒的針狀微結構化支承晶須。所述催化劑顆粒可包含不同催化劑材料的交替層，所述不同催化劑材料可在組成、合金度或結晶度方面不同。·美國專利No. 6，482，763 (其公開內容以引用的方式并入本文)公開了燃料電池電極催化劑，該催化劑包含交替的含鉬層和含第二金屬的低氧化物的層，所述低氧化物表現出CO氧化的較早發生。美國專利No. 5，338，430,No. 5，879，828,No. 6，040，077 和 No. 6，319，293 (其公開內容以引用的方式并入本文)也涉及納米結構化薄膜催化劑。美國專利No. 4，812，352, No. 5，039，56K No. 5，176，786 和 No. 5，336，558 (其公開內容均以引用的方式并入本文)涉及微結構。美國專利No. 7，419，741 (其公開內容以引用的方式并入本文)公開了燃料電池陰極催化劑，該催化劑包含通過如下方式形成的納米結構將交替的鉬層和第二層沉積于微結構載體上，這可形成一種三元催化劑。美國專利No. 7，622，217 (其公開內容以引用的方式并入本文)公開了燃料電池陰極催化劑，該催化劑包含帶有納米級催化劑顆粒的微結構化支承晶須，該納米級催化劑顆粒以指定體積比和Mn含量包含鉬和錳以及至少一種其他金屬，其中所述其他金屬通常為Ni 或 Co。
技術實現思路
本專利技術涉及一種表現出非常高的氧還原質量活性的Pt-Ni催化劑。在一些實施例中，所述Pt-Ni催化劑是一種Pt-Ni 二元合金。在一些實施例中，所述催化劑可表征為Pt fee晶格參數小于3. 71埃或O. 371nm。在一些實施例中，所述催化劑的Pt fee晶格參數小于3. 72埃或O. 372nm。在一些實施例中，所述催化劑的Pt fee晶格參數小于3. 73埃或O. 373nm。在一些實施例中，所述催化劑的Pt fee晶格參數在3. 69埃(或O. 369nm)和3.73埃(或O. 373nm)之間。在一些實施例中，所述催化劑的Pt fee晶格參數在3. 70埃(或O. 370nm)和3. 72埃(或O. 372nm)之間。在一些實施例中，所述催化劑可表征為具有接近PtxNi(1_x)的組成，其中X在O. 2和O. 4之間。在一些實施例中，X在O. 21和O. 34之間。在一些實施例中，X在O. 22和O. 38之間。在一些實施例中，X在O. 22和O. 33之間。在一些實施例中，X在O. 26和O. 33之間。在一些實施例中，X在O. 28和O. 32之間。 在一些實施例中，所述催化劑包含納米結構化元件,所述納米結構化元件包含帶有納米級催化劑顆粒的薄膜的微結構化支承晶須，所述納米級催化劑顆粒包括上述催化劑材料。所述催化劑可尤其用作燃料電池催化劑，并且更具體地說，用作燃料電池陰極催化劑。在本專利申請中“膜電極組件”是指包含膜的結構，其包含電解質(通常為聚合物電解質)和至少一個(但更典型的是兩個或更多個)鄰接所述膜的電極；“納米結構化元件”是指針狀、離散的、微觀結構，該結構包含位于其表面至少一部分上的催化劑材料；“納米級催化劑顆粒”是指催化劑材料的顆粒，所述顆粒具有至少一個面等于或小于約15nm,或具有約15nm或更小的微晶尺寸,所述尺寸由標準2-θ X射線衍射掃描的衍射峰半寬度來測量；“納米級催化劑顆粒的薄膜”包括離散的納米級催化劑顆粒的膜、熔融的納米級催化劑顆粒的膜，和為結晶或無定形的納米級催化劑顆粒的膜；通常為離散的或熔融的納米級催化劑顆粒的膜，且最通常為離散的納米級催化劑顆粒的膜；“針狀”是指長度與平均橫截面寬度的比大于或等于3 ；“離散的”是指具有獨立身份的分開的元件，但并不排除元件之間相互接觸；“微觀”是指具有至少一個面等于或小于約一微米；“平面等效厚度”是指，對于分布在表面上的層，其可以是不平坦分布的且其表面可以是不平坦的表面(例如散布在地表上的雪層，或在真空沉積過程中分布的原子層)，假設該層的總質量均勻地分布在覆蓋與該表面的投影面積相同的面積(注意，一旦忽視不平坦形貌和褶積，該表面覆蓋的投影面積小于或等于該表面的總表面積)的平面上而計算出的厚度；“雙層平面等效厚度”是指第一層(如本文所述)和接下來存在的第二層(如本文所述)的總平面等效厚度。本專利技術的優點在于提供用于燃料電池的催化劑。附圖說明圖I是針對多種三元Pt合金，通過電子微探針分析(XRD)測量的Pt合金fee晶格參數對Co和Ni的組合原子百分比的曲線圖。圖2是針對一系列PtNi 二元催化劑，通過電子微探針分析(XRD)測量的被測氧還原質量活性對PtNi fee晶格參數的曲線圖。圖4是通過EMP測量，在燃料電池中測得的燃料電池質量活性對在一系列PtxNiy合金組成中Ni的原子百分比的曲線圖，并且涉及了所有檢測到的元件，包括氧。圖5是通過EMP測量，在燃料電池中測得的燃料電池質量活性對在一系列PtxNiy合金組成中Ni的原子百分比的曲線圖，并且僅涉及了 Ni和Pt。圖6是通過XRF測量，在燃料電池中測得的燃料電池質量活性對在一系列PtxNiy合金組成中Ni的原子百分比的曲線圖。圖7是通過測定重量的裝置進行測量，在燃料電池中測得的燃料電池質量活性對在一系列PtxNiy合金組成中Ni的原子百分比的曲線圖。具體實施例方式本專利技術提供了一種Pt-Ni催化劑，其表現出非常高的氧還原質量活性。在一些實施例中，所述催化劑可通過具有小于3. 71埃的Pt fee晶格參數來表征。在一些實施例中，所述催化劑可通過具有接近PtxNi(1_x)的組成來表征，其中X在O. 2和O. 4之間。所述催化劑可尤其用作燃料電池催化劑，并且更具體地講，用作燃料電池陰極催化劑。本專利技術描述了一種特定Pt合金晶體結構和晶格參數，當其用作燃料電池陰極催 化劑時，在氧還原活性方面顯著提高。據觀察，具有高Ni原子百分比的PtNi合金的活性隨著所述原子百分比在約60%至約65% (通過電子微探針測量)，或者65%至約73% (通過定量測量)(優選的)，或73%至約78% (通過X射線熒光確定)的非常小的范圍內變化而顯著增長，并且fee晶格參數降到3. 71埃以下。據信，低數值的晶格參數是關鍵性的。本專利技術用PtNi 二元合金進行說明，允許氧還原活性是標準催化劑組成(例如，NSTFPt68.7Co28.5Mn2.7三元催化劑)的兩倍。用晶格參數為 3. 71埃的新PtNi合金進行測量，電流質量活性值是O. 32A/mgPt (僅利用O. 10mgPt/cm2)。本專利技術有可能使當前最佳NSTF催化劑ORR活性加倍，從而直接提高高電流密度性能并最終改進堆疊尺寸和成本，改進在低功率操作條件下的操作效率并因此提高車輛燃料效率，并且間接影響諸如水管理和制動處理(break-in conditioning)的其它因素。本專利技術的目的和優點通過下面的實例進一步說明，但是這些實例中所提到的具體材料及其數量，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.04.26 US 61/328,0491.一種包含納米結構化元件的催化劑，所述納米結構化元件包含具有納米級催化劑顆粒的薄膜的微結構化支承晶須 ，所述納米級催化劑顆粒的薄膜包含根據式PtxNi(1_x)的催化劑材料，其中X在O. 21和O. 39之間。2.根據權利要求I所述的催化劑，其中X在O.21和O. 34之間。3.根據權利要求I所述的催化劑，其中X在O.22和O. 38之間。4.根據權利要求I所述的催化劑，其中X在O.22和O. 33之間。5.根據權利要求I所述的催化劑，其中X在O.26和O. 33之間。6.根據權利要求I所述的催化劑，其中X在O.28和O. 32之間。7.根據權利要求I至6的任一項所述的催化劑，所述催化劑的Ptfee晶格參數小于3. 73。8.根據權利要求I至6的任一項所述的催化劑，所述催化劑的Ptfee晶格參數小于3. 72。9.根據權利要求I至6的任一項所述的催化劑，所述催化劑的Ptfee晶格參數小于3. 71。10.根據權利要求I至9的任一項所述的催化劑，所述催化劑的Ptfee晶格參數在3. 69和3. 73之間。11.根據權利要求I至9的任一項所述的催化劑，所述催化劑的Ptfee晶格參數在3. 70和3. 72之間。12.一種包含納米結構化元件的催化劑，所述納米結構化元件包含具有納米級催化劑顆粒的薄膜的微結構化支承晶須，所述納米級催化劑顆粒的薄膜包含一種催化劑材料，所述催化劑材料為Pt fee晶格參數在3. 69和3. 73之間的PtNi 二元合金。13.根據權利要求12所述的催化劑，所述催化劑的Ptfee晶格參數在3. 70和3. 72之間。14.一種包含納米結構化元件的催化劑，所述納米結構化元件包含具有納米級催化劑顆粒的薄膜的微結構化支承晶須，所述納米級催化劑顆...
【專利技術屬性】
技術研發人員：馬克·K·德貝，喬治·D·韋恩斯特倫，安德魯·J·L·斯坦巴克，
申請(專利權)人：三M創新有限公司，
類型：
國別省市：
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