本发明专利技术公开了一种催化剂涂料。在一个实施例中，催化剂涂料包括多个催化剂颗粒，每个催化剂颗粒包括支撑二维(2D)可扩展催化剂膜的颗粒基体，2D可扩展催化剂膜包括至少一种贵金属，2D可扩展催化剂膜包括存在于连续膜中的多个催化剂金属原子，所述多个催化剂金属原子基本上彼此连接而不需要中间连接介质。2D可扩展催化剂膜可接触颗粒基体的外表面。2D可扩展催化剂膜可接触颗粒基体的内表面。
Catalyst coating
The invention discloses a catalyst coating. In one embodiment, the catalyst coating comprises a plurality of catalyst particles, each catalyst particles including support for two-dimensional (2D) particle matrix extension catalyst film, scalable 2D catalyst film comprises at least one noble metal catalyst, 2D extensible film comprises a plurality of catalyst metal atoms exist in the continuous membrane. A plurality of catalyst metal atoms basically connected to each other without intermediate connection medium. 2D can extend the outer surface of the particle matrix by expanding the catalyst membrane. 2D can extend the inner surface of the particle matrix by expanding the catalyst membrane.
【技术实现步骤摘要】
催化剂涂料本申请是申请日为2012年1月30日、申请号为201210028442.8、题为“催化剂涂料”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种薄膜涂料催化剂。
技术介绍
虽然在汽车应用中为了利用燃料电池(FC)技术已经考虑到可靠性和工作寿命，但是催化活性仍然是为了使燃料电池技术特别是燃料电池车辆商业化需要彻底考虑的一个因素。已经致力于对具有期望的电催化氧化还原反应(ORR)的燃料电池催化剂的开发。为此，燃料电池催化剂显示出对支撑在碳上的纯铂纳米颗粒和/或纯铂合金纳米颗粒的一些改进。然而，这些传统的催化剂因作为纳米颗粒而仍然倾向于存在团聚、溶解和其它耐久性问题。对用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)应用的耐久的和活性的催化剂的开发依然是一项挑战。
技术实现思路
在一个实施例中，一种催化剂涂料包括多个催化剂颗粒，每个催化剂颗粒包括支撑二维(2D)可扩展催化剂膜的颗粒基体，2D可扩展催化剂膜包括至少一种贵金属，2D可扩展催化剂膜包括存在于连续膜中的多个催化剂金属原子，所述多个催化剂金属原子基本上彼此连接而不需要中间连接介质。2D可扩展催化剂膜可接触颗粒基体的外表面。2D可扩展催化剂膜可接触颗粒基体的内表面。在另一实施例中，颗粒基体的基体尺寸比2D可扩展催化剂膜的厚度大50倍至10000倍。在某些情况下，颗粒基体的基体尺寸比2D可扩展催化剂膜的厚度大100倍至5000倍。在又一实施例中，2D可扩展催化剂膜的厚度为1至20个原子层。在又一实施例中，对于至少一部分颗粒，催化剂涂料还包括设置在颗粒基体和2D可扩展催化剂膜之间的第一中间涂层。在某些情况下，催化剂涂料还包括设置在颗粒基体和2D可扩展催化剂膜之间的第二中间涂层。在某些其它情况下，第一中间涂层在组分上不同于第二中间涂层。在又一实施例中，催化剂涂料还包括涂料填料。附图说明图1A描绘了根据本专利技术一个或多个实施例的催化剂涂料(catalystink)；图1B1描绘了图1A中涉及的催化剂颗粒的放大剖视图；图1B2描绘了图1B1中涉及的催化剂颗粒的另一放大剖视图；图1C描述了图1B1中涉及的催化剂颗粒的另一放大剖视图；图2A描绘了图1A中涉及的催化剂涂料的变型的放大剖视图；图2B描绘了图2A中涉及的催化剂涂料的放大剖视图；图3描绘了图1A中的催化剂涂料的变型；图4A描绘了根据在此描述的一个或多个示例的样品基体颗粒；图4B描绘了图3中涉及的铂涂覆基体颗粒的放大图；图5描绘了与在此描述的一个或多个示例中采用的Pt多晶盘相比，基于由如在图4B中所见的铂涂覆颗粒制成的涂料的单体电池的循环伏安图；图6描绘了根据在此描述的一个或多个示例的配备有Pt涂覆玻璃珠阴极的单体电池的极化曲线；图7描绘了根据在此描述的一个或多个示例的被涂覆的基体颗粒和未被涂覆的基体颗粒的XRD图案；图8A至图8C描绘了在本专利技术的一个或多个实施例中涉及的形成线(wire)的示例性步骤；图9A至图9D描绘了在图8A至图8C中涉及的形成线的示例性步骤；以及图10A和图10B描绘了现有技术的催化剂纳米颗粒。具体实施方式按照所要求的，在此公开了本专利技术的详细实施例；然而，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是本专利技术的可以以各种可替换的形式实施的示例。附图不一定是按照比例的；会夸大或最小化一些特征，以示出具体组件的细节。因此，在此公开的具体的结构和功能的细节并不被解释为限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以各种方式实施本专利技术的代表性基准。燃料电池由于其高能量效率和其燃料灵活性的潜力而被作为运输工具的动力源。然而，对燃料电池的广泛商业化面临着许多限制，尤其是涉及相对高成本的燃料电池催化剂。燃料电池应用中使用的一些催化剂金属包括非常昂贵的贵金属和过渡金属，例如，铂。传统燃料电池催化剂成本高的一个原因可能是由于对催化剂自身使用不充分。作为示例，传统的燃料电池以支撑在碳支撑体上的纳米颗粒形式采用诸如Pt的催化剂。纳米颗粒本质上就没有其庞大的对应物有活性。传统的铂纳米颗粒由Pt金属的几百乃至更多的原子和原子层形成；然而，纳米颗粒中只有一些表面原子层易到达燃料电池反应物并且仍保持电化学反应的活性，而位于纳米颗粒中部的大部分催化剂层颗粒基本上保持非活性。此外，由于纳米颗粒固有的高表面能，它们趋于团聚而形成更大的颗粒，并且实际上可能逐渐溶解到电解质膜中并因此失去表面积和催化活性。在一个实施例中，并且如在图1A和图1B1至图1B2中所描绘的，以标号100总体示出的催化剂涂料包括多个颗粒102，每个颗粒包括颗粒基体104和支撑在颗粒基体104上的二维(2D)可扩展催化剂膜(extensivecatalystfilm)106。图1C说明性地描绘了图1B1的切割部分“1C-1C”。如图1C所描绘的，2D可扩展催化剂膜106呈近散体构造(pseudo-bulkconfiguration)，使得催化剂金属120相对于传统的纳米颗粒而言表现得更像块状金属。在这种近散体构造中，2D可扩展催化剂膜106呈现为相对于第三尺寸(例如，z轴)而言更为扩展的第一尺寸(例如，x轴)和第二尺寸(例如，y轴)。在某些情况下，第一尺寸和第二尺寸(例如，x尺寸和y尺寸)可以不小于25纳米、50纳米、75纳米或100纳米。在某些情况下，沿着z轴的厚度尺寸可以在2至120个原子层的范围内、2至100个原子层的范围内、2至80个原子层的范围内、2至60个原子层的范围内、2至40个原子层的范围内、2至20个原子层的范围内。在不应局限于任何具体理论的情况下，认为催化剂组件100的2D可扩展催化剂102在结晶学上取向，从而可以有效地利用2D可扩展催化剂102的催化活性。2D可扩展催化剂膜106包括说明性地示出为沿x-y方向布置的催化剂原子120的层的一个或多个催化剂晶面。在某些特定的情况下，催化剂的连续薄膜沿着第一和第二分隔线中的至少一条的纵轴设置有大于20纳米的连续尺寸。作为示例，连续尺寸可以是燃料电池催化剂层的平坦表面的x轴或y轴，而与基本垂直于燃料电池催化剂层的平坦表面的诸如z轴的厚度轴相对。2D可扩展催化剂膜106可以包括构造为单晶、多晶或它们的组合的催化剂金属。在使用单晶铂的情况下，优选的单晶的特征在于具有(110)面和/或(111)面。在某些特定的情况下，单晶均沿着厚度方向以1至20个原子层设置，尤其是以1至12个原子层设置，从而可以有效地使用昂贵的催化剂金属。可选择地，在使用多晶形式的材料的情况下，优选的用于铂或含铂合金的多晶的特征在于具有(111)面和(100)顶面。诸如铂的块状催化剂金属的(100)、(111)和(110)晶面的性能远远优于传统的铂纳米颗粒。因为诸如铂的催化剂可以以单晶生长并且可被构造为在基底上的可具有纳米线的薄的连续膜，所以这种催化剂表现得更像具有优选晶体结构的块状金属催化剂，并且相对于传统的纳米颗粒构造的表面原子上的催化剂而言，这种催化剂在每一给定的表面原子被提供了相对更高的催化活性。诸如铂的块状催化剂金属的(100)、(111)和(110)晶面的性能远远优于传统的铂纳米颗粒。因为诸如铂的催化剂可以以单晶生长并且被构造为在颗粒基体上的薄的连续膜，所以这种催化剂表现得更像具有优选晶体结构的块状金属催化剂，并且相对于传统的纳米颗粒构造的催本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种催化剂涂料，所述催化剂涂料包括：多个催化剂颗粒，每个催化剂颗粒包括支撑二维可扩展催化剂膜的颗粒基体，二维可扩展催化剂膜包括至少一种贵金属，二维可扩展催化剂膜包括存在于连续膜中的多个催化剂金属原子，所述多个催化剂金属原子基本上彼此连接而不需要中间连接介质。
【技术特征摘要】
2011.01.28 US 61/437,315;2012.01.17 US 13/351,7131.一种催化剂涂料，所述催化剂涂料包括：多个催化剂颗粒，每个催化剂颗粒包括支撑二维可扩展催化剂膜的颗粒基体，二维可扩展催化剂膜包括至少一种贵金属，二维可扩展催化剂膜包括存在于连续膜中的多个催化剂金属原子，所述多个催化剂金属原子基本上彼此连接而不需要中间连接介质。2.如权利要求1所述的催化剂涂料，其中，中间连接介质是碳。3.如权利要求2所述的催化剂涂料，其中，碳以少于二维可扩展催化剂膜的总干重的5重量百分比的量存在。4....
【专利技术属性】
技术研发人员：阿里瑞扎·佩支曼·施凡尼亚，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US
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