燃料电池氧化还原反应催化剂制造技术

公开了一种燃料电池氧化还原反应催化剂，所述燃料电池氧化还原反应催化剂包括：碳基底；非晶金属氧化物中间层，位于基底上；以及铂和元素铌的交织基质，布置为形成覆盖中间层的表面金属层，使得在氧化反应时，铌与氧结合引起铂与中间层之间的加强的结合。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池氧化还原反应催化剂
本公开涉及一种燃料电池氧化还原反应(ORR)阴极催化剂以及制造该催化剂的方法。
技术介绍
诸如质子交换膜燃料电池(PEMFC)的燃料电池由于零排放产生以及提高的能源安全而代表有吸引力的电力来源。每个燃料电池的主要组分之中有两个电极和离子导电电解质。电极的设计需要材料和生产工艺的精细优化，以确保气体、电子和质子的良好的传导性，使得所得电极是有效的、不易于液泛(flooding)并且在使用期间不会过度劣化。为了改善电极的催化功能，期望将ORR催化剂包括到阴极上。为了沉积催化剂，已经开发了包括化学气相沉积的各种基于溶液的方法。
技术实现思路
在至少一个实施例中，公开了燃料电池氧化还原反应催化剂。催化剂可以包括碳粉末基底。催化剂还可以包括位于基底上的非晶金属氧化物中间层。催化剂可以另外地包括铂和元素铌的交织基质。基质可以被布置为形成覆盖中间层的表面金属层，使得在氧化反应时，铌与氧结合引起铂与中间层之间的加强的结合。中间层可以包括氧化铌、氧化钽、氧化钼或它们的组合。与表面金属层相关联的铂负载量可以是大约3重量％至50重量％。铂与铌的比例可以是形成从7:1至1:7。交织基质可以包括至少一层铂和至少一层元素铌。交织基质可以包括与多个元素铌层交替的多个铂层。在大约8重量％至10重量％的Pt负载量下，催化剂在25,000次循环后的寿命末期质量活性可以是大约250A/gPt至500A/gPt。催化剂的质量活性保留率在25,000次循环后可以是大约75％至100％。根据本公开的一个实施例，在大约5重量％至25重量％的Pt负载量下，催化剂在25,000次循环后的寿命末期质量活性可以是大约250A/gPt至500A/gPt。在可选择的实施例中，公开了燃料电池氧化还原反应催化剂。催化剂可以包括碳基底层。催化剂可以另外地包括铂和元素铌的交织基质。基质可以被布置为形成覆盖碳基底层的表面金属层，使得在氧化反应时，铌与氧结合，引起铂与碳基底层之间的加强的结合。与表面金属层相关联的铂负载量可以是大约3重量％至50重量％。铂与铌的比例可以是从7:1至1:7。交织基质可以包括至少一层铂和至少一层元素铌。基质可以包括以交替的方式布置的多个铂层和多个元素铌层。在大约5重量％至25重量％的Pt负载量下，催化剂在25,000次循环后的寿命末期质量活性可以是大约250A/gPt至500A/gPt。根据本专利技术的一个实施例，在大约8重量％至10重量％的Pt负载量下，催化剂在25,000次循环后的寿命末期质量活性可以是大约250A/gPt至500A/gPt。在又一可选择的实施例中，公开了形成燃料电池氧化还原反应电催化剂的方法。方法可以包括在碳基底上沉积导电金属氧化物以形成中间层。方法还可以包括将元素铂和元素铌溅射到中间层上，以形成被构造为交织基质的表面金属层。方法还可以包括通过氧化反应将元素铌的至少一部分转化为NbOx，引起铂与中间层之间的加强的结合。方法还可以包括溅射元素铂和元素铌，从而以形成各自的分立的层。方法可以包括以从7:1至1:7的比例溅射元素铂和元素铌。中间层可以包括氧化铌、氧化钽、氧化钼或它们的组合。方法还可以包括在25,000次循环后取得电催化剂的大约80％至100％的质量活性保留率。导电金属氧化物可以包括不具有规则地重复的原子晶格的非晶层。附图说明图1描绘了根据一个或更多个实施例的示例燃料电池单元的分解示意图；图2A示出了包括碳基底层、非晶金属氧化物中间层和表面金属层的示例催化剂的示意性描述；图2B示出了具有碳基底层和表面金属层的另一示例催化剂的可选择的示意性布置；图3示出了Nb到NbOx的示意性原位氧化；图4示出了根据一个或更多个实施例的描绘现有技术的催化剂(比较例)、包括位于碳基底上的共溅射的Pt和Nb的催化剂(示例1)以及包括位于碳基底上的非晶NbOx上的共溅射的Pt和Nb的催化剂(示例2)的寿命初期(BOL)质量活性测试结果的图；图5示出了描绘现有技术的催化剂(比较例)、包括位于碳基底上的共溅射的Pt和Nb的催化剂(示例1)以及包括位于碳基底上的非晶NbOx上的共溅射的Pt和Nb的催化剂(示例2)的寿命末期(EOL)质量活性测试结果的图；图6示出了描绘现有技术的催化剂(比较例)、包括位于碳基底上的共溅射的Pt和Nb的催化剂(示例1)以及包括位于碳基底上的非晶NbOx上的共溅射的Pt和Nb的催化剂(示例2)的质量活性保留率和比活性保留率测试结果的图；图7和图8代表包括位于碳基底上的非晶NbOx上的共溅射的Pt和Nb的催化剂的暗场扫描透射电子显微镜(STEM)照片；图9是包括位于碳基底上的非晶NbOx上的共溅射的Pt和Nb的催化剂在25KPt-应力测试后的暗场STEM照片。具体实施方式这里描述了本公开的实施例。然而，将理解的是，所公开的实施例仅是示例，其它实施例可以采取各种和替代的形式。附图不一定按比例绘出；可以夸大或最小化一些特征以显示具体组件的细节。因此，这里公开的具体的结构细节和功能细节不被理解为限制性的，而只是作为用于教导本领域技术人员以各种形式实施本专利技术的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任何一个附图来示出和描述的各种特征可以与一个或更多个其它图中示出的特征结合，来产生未明确地示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定应用或实施方式是可期望的。除了明确地指出的，在描述本公开的最广泛的范围时，在本说明书中表示尺寸或材料性质的所有数量将被理解为由词语“大约”修饰。首字母缩略词或其它缩写的首次定义适用于同样缩写的在此所有后续使用，并且将必要的修正应用于最初定义的缩写的正常语法变化。除非明确做出相反陈述，否则通过与之前或者稍后对于同一性质提及的技术相同的技术来确定性质的测量。与本专利技术的一个或更多个实施例相关的对于给定目的合适的一组或一类材料的描述意味着该组或该类中的任意两个或更多个成员的混合物是合适的。用化学术语进行的成分的描述是指在添加到说明书中指定的任意组合时的成分，并且未必排除一旦混合后混合物的成分之间的化学相互作用。首字母缩略词或其它缩写的首次定义适用于同样缩写的在此所有后续使用，并且将必要修正应用于最初定义的缩写的正常语法变化。除非明确做出相反陈述，否则通过与之前或者稍后对于同一性质提及的技术相同的技术来确定性质的测量。燃料电池是通过燃料与氧或其它氧化剂的化学反应将来自燃料(通常为氢)的化学势能转换成电能的装置。只要燃料电池具有燃料和氧的连续来源，它们就能生产电力。已经开发了许多不同类型的燃料电池，并且它们正在被用于为大量不同的车辆提供动力。燃料电池的示例性类型包括PEMFC、磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等。每个燃料电池包括具有彼此相邻的若干个组件的多个单个单元10的一个或更多个堆叠件。在图1中描绘示例PEM单元10，示例PEM单元10包括阳极12、膜电极组件(MEA)14和阴极16。存在在两个电极12、16之间携带带电粒子的电解质。通常，MEA14包括PEM18、两个催化剂层20和两个气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池氧化还原反应催化剂，包括：碳基底；非晶金属氧化物中间层，位于基底上；以及铂和元素铌的交织基质，布置为形成覆盖中间层的表面金属层，使得在氧化时，铌与氧结合引起铂与中间层之间的加强的结合。

【技术特征摘要】
2016.08.26 US 15/248,2701.一种燃料电池氧化还原反应催化剂，包括：碳基底；非晶金属氧化物中间层，位于基底上；以及铂和元素铌的交织基质，布置为形成覆盖中间层的表面金属层，使得在氧化时，铌与氧结合引起铂与中间层之间的加强的结合。2.根据权利要求1所述的催化剂，其中，中间层包括氧化铌、氧化钽、氧化钼或它们的组合。3.根据权利要求1所述的催化剂，其中，与表面金属层相关的铂负载量是大约3重量％至50重量％。4.根据权利要求1所述的催化剂，其中，铂与铌的比例是从7:1至1:7。5.根据权利要求1所述的催化剂，其中，交织基质包括至少一层铂和至少一层元素铌。6.根据权利要求1所述的催化剂，其中，交织基质包括与多个元素铌层交替的多个铂层。7.根据权利要求1所述的催化剂，其中，在大约5重量％至25重量％的Pt负载量下，催化剂在25,000次循环后的寿命末期质量活性是大约250A/gPt至500A/gPt。8.根据权利要求1所述的催化剂，其中，催化剂在25,000次循环后的质量活性保留率是大约75％至100％。9.一种燃料电池氧化还原反应催化剂，包括：碳基底层；以及铂和元素铌的交织基质，布置为形成覆盖碳基底层的表面金属层，使得在氧化时，铌与氧结合引起铂与碳基底层之间的加强的结合。10.根据权利要求9所述的催化剂，...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯莉·K·加思，杨俊，徐淳川，帕特里克·皮埃特瑞兹，理查德·E·索尔蒂斯，马克·约翰·贾格尔，詹姆士·瓦尔德克，鲁自界，马克·S·苏莱克，
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