核壳催化剂包括多孔钯基核颗粒以及在所述颗粒上的催化层。可通过提供具有间以牺牲材料的钯的前体颗粒制备所述颗粒。然后除去至少一部分的所述牺牲材料以便剩下的前体颗粒是多孔的。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 背景 本公开涉及用于电化学或其它催化设备中的高活性催化剂。 电化学设备通常被用来产生电流。例如，电化学设备可包括正极催化剂，负极催化 剂和在正极催化剂和负极催化剂之间的电解质，用于在反应物之间的已知的电化学反应中 产生电流。电化学设备遇到的一个问题为催化剂的操作效率。例如，负极催化剂处的电化学 活性为控制效率的一个参数。电化学活性的一个指示是负极催化剂处的反应物的电化学还 原的速率。铂已用于催化剂。例如，已使铂与其它金属合金化来生产具有提高的催化活性 和稳定性的三元或四元合金。也已将铂分散在核颗粒上来形成称为核-壳催化剂的东西。 总结 核-壳催化剂包括多孔钯基核颗粒和在所述颗粒上的催化层。可通过提供具有间以牺 牲材料的钯的前体颗粒制备所述颗粒。然后除去至少一部分的所述牺牲材料以便剩下的前 体颗粒为多孔的。 还公开了核-壳催化剂的制备方法。所述方法包括确定核-壳催化剂的目标表面 积并响应所述目标表面积而形成多孔钯基核颗粒以便所述多孔钯基核颗粒具有所述目标 表面积。然后将催化层沉积在所述多孔钯基核颗粒上以形成具有所述目标表面积的核-壳 催化剂。表面积越大，就可将越多的铂沉积在核上。高的燃料电池性能需要为核壳催化剂 提供更高的铂负载量和低的过渡金属负载量。可通过公开的方法良好地控制过渡金属的表 面积和量。 附图简述 图IA显示实施例核-壳催化剂。 图IB显示核壳催化剂的一部分的TEM图像。 图2显示制备多孔钯基核颗粒的实施例方法。 图3显示制备核-壳催化剂的实施例方法。 详述 图IA示意性地显示实施例核-壳催化剂20并且图IB显示所述核-壳催化剂20的一 部分的TEM图像。如可被理解地，所述核-壳催化剂20可被用在将从中获益的电化学设备 或其它设备中。如将被进一步详述地，所述核-壳催化剂20包括提供提高的电化学活性的 结构和材料。 所述核-壳催化剂20包括多孔钯基核颗粒22 ("颗粒22")以及在所述颗粒22上 的催化层24。所述颗粒22的孔隙为所述催化层24提供更大量的自由表面积，催化层24可 渗透入所述颗粒22并覆盖其内表面。所述颗粒22包括固体的、连续的晶格结构26 (用白 色部分表示)和开放孔隙28。所述开放孔隙28延伸遍及整个所述颗粒22。在一个实例中， 所述颗粒22具有20%或更大的孔隙度。在另一实例中，所述颗粒22具有50%或更大的孔 隙度。 所述颗粒22为钯基的和因此包括作为主要金属成分的钯。在一个实例中，所述颗 粒22仅具有钯，并排除大于痕量杂质量的其它金属。在另一实例中，所述颗粒22包括作为 主要金属成分的钯和至少一种过渡金属。所述过渡金属(一种或多种)可包括在元素周期表 第3-12族中的任何元素，锕系元素和镧系元素。任选地，所述颗粒22还可包括碳基材料， 例如炭黑。 被使用的过渡金属的量和类型用来改性所述钯的原子晶格结构，其继而影响所述 核-壳催化剂20的电化学活性。在一个实例中，所述过渡金属包括镍。在另一个实例中， 所述颗粒22仅包括钯和镍，并排除大于痕量杂质量的其它元素。 可选取所述催化层24的组合物用于所述核壳催化剂20的计划最终用途。在一个 实例中，所述催化层24包括铂，但替代地或附加地还可包括其它金属。在另一个实例中，所 述催化层24为铂单层。单层约有一个原子厚。但是，虽然所述单层通常具有一致的厚度， 但应理解某些部分可薄些(亚单层）或厚些(多个原子厚)。 在另一个实例中，通过添加所述一种或更多种的过渡金属来改性所述颗粒22的 所述钯的原子晶格结构以提高所述催化层24的电化学活性。在一个实例中，所述颗粒22 具有10:1或更大的钯的量与所述一种或更多种的过渡金属的量按重量的比率。在基于使 用铂作为所述催化层24并且镍作为在所述颗粒22内的所述过渡金属的另一个实例中，钯 与镍的按重量的比率为20:1或更大或为30:1或更大。 图2显示制备如本文所述的多孔钯基核颗粒22的实施例方法40。所述方法40包 括在步骤42中提供具有间以牺牲材料的钯的前体颗粒。在步骤44中，除去至少一部分的 所述牺牲材料以便剩下的前体颗粒为多孔的（即，多孔钯基核颗粒22)。例如，使用酸通过酸 洗除去所述牺牲材料，所述酸与所述牺牲材料的反应性比与所述钯更大。 在另一个实例中，所述牺牲材料为所述颗粒22的一种或更多种的过渡金属。例 如，所述前体颗粒包括所述钯和所述一种或更多种过渡金属。在所述前体颗粒内提供所述 一种或更多种的过渡金属，其量大于在所述颗粒22内的期望量。然后除去（S卩，"脱合金"） 一部分的所述一种或更多种的过渡金属以生成在所述颗粒22内的孔隙。由此，按体积计， 在所述前体颗粒内的所述一种或更多种的过渡金属的初始量也大于所生成的孔隙度，因为 在完成除去步骤44之后，一部分的所述一种或更多种的过渡金属作为晶格改性剂留存在 所述颗粒22内。 在另一个实例中，所述方法40采用两种方法论中的任一种来提供所述前体颗粒， 包括浸渍工艺和共还原工艺。在浸渍工艺中，将固体钯颗粒与所述一种或更多种过渡金属 的盐混合。然后还原所述盐以便所述一种或更多种过渡金属渗透入所述固体钯颗粒以形成 间以一种或更多种过渡金属的钯。然后除去至少一部分的渗透入所述固体钯颗粒的所述过 渡金属以形成所述颗粒22。 或者，在所述共还原工艺中，共还原钯盐和所述一种或更多种过渡金属的盐以形 成间以所述一种或更多种过渡金属的钯，随后除去至少一部分的所述过渡金属以形成所述 颗粒22。在所述工艺的任一种(浸渍或共还原）中，可使所述前体颗粒经受热处理以促进所 述钯和所述牺牲材料的散布。以下实施例进一步示例性说明各种工艺的细节。 实施例1 :浸渍工艺；PdNi6/C的60°CIMHNO3酸洗程序 1) 向含有50mL超纯水的IOOmL烧杯中添加Ig的35%Pd/C，超声波处理并搅拌30分 钟 2) 将所需量的硝酸镍六水合物溶解在25mL的水中以达到1:6摩尔比率的PchNi并将 该前体溶液添加至Pd/C分散体中 3) 在搅拌区（stirplat)上搅拌悬浮液并将其加热至95°C直至大部分的水蒸发以形 成稠密浆料或潮湿固体 4) 在80°C的真空烘箱内干燥数天。 5)从烧杯刮下粉末并用研钵和研杵研磨并允许其在干燥器中静置过夜 6) 将2g的粉末放置在陶瓷或石英舟皿中并将其放入管炉内 7) 在2小时内在4%H2/氩中加热至400°C并维持在氩中1小时 8) 在1小时内在氩中加热至700°C并维持在氩中4小时，并且允许冷却至室温 9) 用研钵和研杵研磨催化剂（PdNi6/C) 酸洗步骤1 : 1) 向含有230mL超纯水的250mL烧杯中添加800mg的PdNi6/C，超声波处理并搅拌30 分钟；将PdNi6/C悬浮液转移到500mL的圆底烧瓶中 2) 将烧瓶放置在60°C的水浴中并以500rmp保持搅拌 3) 在烧瓶中快速添加172mL的预先加热的60°C2. 3MHNO3并保持搅拌1. 58小时 4) 过滤出固体 酸洗步骤2 : 1) 再分散所述固体于170mL超纯水中，超声波处理并搅拌30分钟 2) 将所述固体转移至250mL的圆底烧瓶中 3) 将烧瓶放置在60°C的水浴中并以500rmp保持搅拌 4) 向烧瓶中快速添加4本文档来自技高网...
【技术保护点】
核‑壳催化剂，所述核‑壳催化剂包含： 多孔钯基核颗粒；以及 在所述颗粒上的催化层。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
【专利技术属性】
技术研发人员：M邵，BH史密斯，
申请(专利权)人：奥迪股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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