帶有非鉑芯的鉑合金納米催化劑的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開的主題大體而言涉及燃料電池部件。更特定而言，本公開的主題涉及適用于燃料電池部件的催化劑材料。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池基于電化學反應(yīng)而發(fā)電。典型燃料電池布置包括了在兩個電極層之間的膜以便于電化學反應(yīng)。電極層常常被稱作催化劑層。催化劑之一通常被稱作陽極，而另一個通常被稱作陰極。
[0003]至少陽極層包括諸如鉑這樣的材料，其已被證明有效地便于燃料諸如氫氣的氧化，以將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姾傻碾x子和負電荷電子。雖然鉑已被證明是有用的并且有效的，其是昂貴的材料。
[0004]已做出了相當大量努力來降低燃料電池部件的成本。一個建議是替換鉑或者減少所需鉑的量，這將會降低電極層中至少一個的成本。與試圖減少鉑的量相關(guān)聯(lián)的顯著挑戰(zhàn)在于其傾向于降低便于促成催化反應(yīng)的活性。
[0005]已據(jù)報道的是，Pt合金的{111}小平面在活性方面比{100}和{110}小平面更強得多(Stamenkovic VR, Fowler B, Mun BS, Wang G, Ross PN, Lucas CA, MarkovicNM (2007) Improved oxygen reduct1n activity on Pt3Ni { 111 } via increasedsurface site availability.Science 315:493)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]根據(jù)一示例實施例，鉑合金粒子包括:芯，其包括不同于鉑的材料。在芯上的殼體包括鉑。殼體具有多個小平面。小平面中的至少大部分是{ 111 }小平面。
[0007]根據(jù)一示例實施例，燃料電池催化劑部件包括由芯和在芯上的殼體所構(gòu)成的鉑合金。芯包括不同于鉑的材料。殼體包括鉑。殼體具有多個小平面。小平面中的至少大部分是{ 111 }小平面。
[0008]從下文的詳細描述，與至少一個所披露的示例實施例相關(guān)聯(lián)的各種特點和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見。附圖以及詳細描述可如下簡要地描述。
【附圖說明】
[0009]圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例而設(shè)計的包括催化劑的示例燃料電池的選定部分。
[0010]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例而設(shè)計的示例鉑合金粒子。
[0011]圖3示意性地示出了源自圖2的示例的{ 111 }鉑小平面。
[0012]圖4示意性地示出了在{ 111 }鉑小平面中的鉑原子的布置/排列。
【具體實施方式】
[0013]圖1示意性地示出了燃料電池20的選定部分。膜電極組件22包括了在膜28的相對側(cè)上的催化劑層24和26。出于討論目的，催化劑層24被認為是陽極電極層并且催化劑層26被認為是陰極電極層。
[0014]流體分配板30包括用于通過氣體擴散層36向電極組件22輸送反應(yīng)物諸如氫氣的多個肋狀物32和通道34。當反應(yīng)物諸如氫氣到達陽極電極催化劑層24時，氫離子和電子以已知方式分離開，作為由燃料電池20所促成的電化學反應(yīng)的部分。
[0015]另一流體分配板40包括用于通過氣體擴散層46向陰極電極催化劑層26輸送另一種反應(yīng)物諸如氧氣的多個肋狀物42和通道44。
[0016]電極催化劑層中的至少一個包括鉑。在此示例中，鉑合金便于促成在相對應(yīng)催化劑層處發(fā)生的催化反應(yīng)。如在圖2中示意性地示出，鉑合金粒子50包括芯52和在芯52上的殼體54。在此示例中，殼體54具有八面體的形狀，所述八面體的形狀具有八個側(cè)面或小平面56。在另一示例中，殼體54具有四面體形狀。
[0017]芯52包括非鉑材料。在一示例中，芯52包括鈀。在圖示實施例中，芯52具有立方體形狀。芯52的其它形狀是可能的，諸如八面體，三次八面體、球形。在另一示例中，芯52包括至少一種貴金屬，諸如仙、詘、？(^8、1^、08、&和411。在另一示例中，芯52包括金屬合金、諸如PdCo。在另一示例中，芯52包括金屬氧化物、碳化物或聚合物。
[0018]示例殼體54包括鉑合金，鉑合金包括Pt和至少一種過渡金屬，諸如N1、Co、Fe、Cr、V、Mn、Cu、Zn、T1、Zr、Y、W、Ta。其它Pt合金包括Pt和至少一種其它貴金屬，諸如Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Au。在另一示例中，殼體54包括鈾。
[0019]使用非鉑材料的芯52提供了更廉價的芯。同時，示例粒子50包括具有高活性的殼體54。芯52用作一種用于鉑基殼體生長的種子。
[0020]在一示例粒子50上，小平面56中的大部分是{111}小平面。在一示例中，{ 111}小平面包括Pt合金，諸如Pt3Ni。使大部分小平面56為{ 111 }小平面維持了催化反應(yīng)的高活性。在某些示例中，所有小平面56是{ 111 }小平面。在某些示例中，使用鉑來代替Pt3Ni ;并且在這些情況下，{ 111 }小平面是鉑{111 }小平面。運用非鉑材料芯52便利了減少與實現(xiàn)這種高活性相關(guān)聯(lián)的費用，因為需要更少的鉑。
[0021]圖3示意性地示出了在{111}小平面布置中在示例小平面56上的鉑原子60的布置/排列。圖4示意性地示出了呈與{ 111 }小平面對應(yīng)的六邊形包裝的鉑原子60的布置/排列。以62示意性地示出的六邊形輪廓展示了鉑原子60的緊致/緊密包裝。
[0022]示例催化劑粒子50提供了用以實現(xiàn)降低燃料電池催化劑成本的目標的能力，而不會具有有所降低的催化反應(yīng)活性的缺陷。
[0023]前文的描述是示例性的而非限制性質(zhì)。對于所披露的示例的變化和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以變得顯而易見，其未必偏離本發(fā)明的本質(zhì)。僅可以通過學習所附權(quán)利要求來確定給予本發(fā)明的法律保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種燃料電池催化劑粒子，包括: 芯，其包括不同于鉑的材料；以及 在所述芯上的殼體，所述殼體包括鉑，所述殼體具有多個小平面，所述小平面中的至少大部分是{ 111 }小平面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所有小平面是{111 }小平面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述小平面中的大部分是{111 }鉑小平面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述殼體包括鉑和至少一種過渡金屬。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述過渡金屬包括N1、Co、Fe、Cr、V、Mn、Cu、Zn、T1、Zr、Y、W 或 Ta 中的至少一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述殼體包括鉑和至少一種其它貴金屬。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述其它貴金屬包括Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir 或 Au 中至少一種。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述殼體具有八面體形狀。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述殼體具有四面體形狀。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述芯包括至少一種貴金屬。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述貴金屬包括Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir 或 Au 中至少一種。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述芯包括鈀合金。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池催化劑粒子，其特征在于，所述芯包括碳化物、金屬氧化物或聚合物中的至少一種。14.一種燃料電池，包括: 膜； 在所述膜的一側(cè)上的第一催化劑層；以及 在所述膜的相反側(cè)上的第二催化劑層， 其中所述催化劑層中至少一個包括多個粒子，每個粒子具有含與鉑不同于的材料的芯，以及在所述芯上的殼體，所述殼體包括鉑，所述殼體具有多個小平面，所述小平面中的至少大部分是Ull }小平面。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所有小平面是{111 }小平面。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所述小平面中的大部分是{111 }鉑小平面。17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所述{111 }小平面的大部分是鉑合金{ 111 }小平面。18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所述殼體具有八面體形狀。19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所述殼體具有四面體形狀。20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所述芯包括至少一種貴金屬。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的燃料電池催化劑，其特征在于，所述其它貴金屬包括Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir 或 Au 中至少一種。22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所述芯包括鈀合金。23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所述芯包括碳化物、金屬氧化物或聚合物中的至少一種。
【專利摘要】根據(jù)一實施例，鉑合金粒子包括：芯，其包括不同于鉑的材料。在芯上的殼體包括鉑。殼體具有多個小平面。小平面中的至少大部分是{111}小平面。
【IPC分類】H01M8/02, H01M4/92, B01J23/42, B82B3/00
【公開號】CN105144443
【申請?zhí)枴緾N201280076574
【發(fā)明人】M.邵
【申請人】奧迪股份公司, 豐田自動車株式會社
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2012年10月22日
【公告號】EP2909882A1, US20150255798, WO2014065777A1