本发明专利技术涉及一种作为提高用于燃料电池应用的氧还原催化剂性能的助催化剂的离子液体。该提高聚合物电解质膜燃料电池中阴极催化剂的活性与稳定性的次级离聚物包括离子液体1‑甲基‑2,3,4,6,7,8‑六氢‑1H‑嘧啶并[1,2‑a]嘧啶‑9‑鎓1,1,2,2,3,3,4,4,4‑九氟丁烷‑1‑磺酸盐([MTBD][C4F9SO3])。当接触该催化剂时，[MTBD][C4F9SO3]比此前已知的离聚物更有效地提高催化剂活性与稳定性，可能是通过防止催化剂表面处的氧化物形成与水吸附。公开的次级离聚物由此当完全涂覆该催化剂时是最有效的。
【技术实现步骤摘要】
作为提高用于燃料电池应用的氧还原催化剂性能的助催化剂的离子液体
本公开通常涉及燃料电池，更特别涉及用于聚合物电解质膜燃料电池的次级离聚物(secondaryionomer)。
技术介绍
本文中提供的背景描述是为了大体上呈现本公开的背景的目的。目前指定的专利技术人的工作，在该背景部分可能描述的程度上，以及在提交时不以其它方式适合作为现有技术的该描述的方面，既不明确也不隐含地被承认为针对本技术的现有技术。燃料电池车辆代表未来机动车的一种很有前途的选择，因为它们提供高能量效率并包括零排放动力传动系平台。市场上所有现有的燃料电池车辆均使用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。虽然PEMFC技术已经商业化数十年，但是仍然面临着高材料成本和显著的性能差距的主要挑战。在PEMFC的阴极发生的氧还原反应(ORR)具有相对缓慢的化学动力学，由此对电池性能造成了障碍。即使使用铂催化剂，此类电池通常受困于显著的过电位损失和不佳的耐久性。通常使用大量催化剂以克服性能问题。但是，这大大提高了成本。已经提出了所谓次级离聚物(与该催化剂直接接触的离聚物组合物)以便以较低的成本改善催化剂功能和/或耐久性。为了实现这些目标，改善的次级离聚物将是期望的。专利技术概述该部分提供了公开内容的大致概述，并非是其全部范围或其全部特征的全面披露。在各种方面，本教导提供了一种氧还原反应(ORR)催化剂。该ORR催化剂包括固体催化剂，和接触该固体催化剂的次级离聚物。该次级离聚物包括1-甲基-2,3,4,6,7,8-六氢-1H-嘧啶并[1,2-a]嘧啶-9-鎓1,1,2,2,3,3,4,4,4-九氟丁烷-1-磺酸盐([MTBD][C4F9SO3])。在其它方面，本教导提供了一种聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，其包含用于氧还原的阴极。该阴极包括固体催化剂，和接触该固体催化剂的次级离聚物。该次级离聚物包括1-甲基-2,3,4,6,7,8-六氢-1H-嘧啶并[1,2-a]嘧啶-9-鎓1,1,2,2,3,3,4,4,4-九氟丁烷-1-磺酸盐([MTBD][C4F9SO3])。由本文中提供的说明，其它应用领域和各种提高上述耦合技术的方法将变得显而易见。该概述中的描述和具体实例仅意在说明而非意在限制本公开的范围。附图概述由详述和附图将更充分理解本教导，其中：图1显示了本文中提及的各种离子的化学线图；图2A是[MTBD][TFSI]的NMR谱图；图2B是[MTBD][Beti]的NMR谱图；图2C是[MTBD][C4F9SO3]的NMR谱图；图2D是[MTBD][C2F5OC2F4SO3]的NMR谱图；图2E是[MTBD][C6F13SO3]的NMR谱图；图3A是[MTBD][TFSI]的随室温下压力而变的O2摩尔分数的曲线图；图3B是[MTBD][TFSI]中O2的时间依赖性吸收的曲线；图4A是在N2饱和的0.1MHClO4中具有各种次级离聚物的PEMFC的一系列循环伏安曲线；图4B是在1600rpm的旋转速率下在O2饱和的0.1MHClO4中的一系列极化曲线；图4C绘制了具有各种次级离聚物的氧还原反应催化剂的电化学活性表面积(ECA)；图4D绘制了图4C的氧还原反应催化剂的比活性(SA)和质量活性(MA)；图5绘制了随图4C和4D的催化剂上无氧化物的Pt位点而改变的比活性；图6A是具有各种IL/C比率的Pt/C-[MTBD][C4F9SO4]的一系列循环伏安曲线；图6B绘制了在0.6V至1.2V的电位的过程中的ECA和Pt-氧化物的电荷；图7A是在N2饱和的0.1MHClO4中具有各种K[C4F9SO4]浓度的Pt/C的一系列循环伏安曲线；图7B是在1600rpm的旋转速度下在O2饱和的0.1MHClO4中具有从0mM至1mM的增大K[C4F9SO4]浓度的Pt/C的一系列极化曲线；图8A是对于仅混有NafionTM、仅混有[MTBD][C4F9SO3]和混有IL/C比率为2.56的NafionTM与[MTBD][C4F9SO3]的混合物的催化剂层在N2饱和的0.1MHClO4下测得的阻抗谱的Nyquist曲线；图8B是对于具有各种离子液体对碳的比率的催化剂层在N2饱和的0.1MHClO4下测得的阻抗谱的Nyquist曲线；图9A是在N2饱和的0.1MHClO4和0.5H2SO4中Pt/C催化剂的一系列循环伏安曲线；图9B是在N2饱和的0.1MHClO4和0.5H2SO4中具有2.56的离子液体对催化剂比率(IL/C比率)的Pt/C的一系列循环伏安曲线；图9C是在N2饱和的0.5H2SO4中具有各种IL/C比率的Pt/C的一系列循环伏安曲线；图9D显示了在N2饱和的0.1MHClO4和0.5H2SO4中测得的Pt/C-IL系统的电化学活性表面积；图9E是在N2饱和的0.1MHClO4中具有0mM至1mM的K[C4F9SO4]浓度的Pt/C的一系列循环伏安曲线；图10A是在1600rpm的旋转速度下在O2饱和的0.1MHClO4中具有各种IL/C比率的Pt/C的一系列氧还原反应(ORR)极化曲线；图10B是Pt/C-IL系统的一系列ORRTafel曲线图；图10C是在0.9V下计算的对于各种接触离聚物的催化剂的MA和SA的曲线；图10D是比活性与游离Pt位点(1-θOH)之间的相关性的曲线图；和图11A-11D是在不含离聚物或具有变化量的离聚物的Pt/C催化剂的5000次电位循环之前和之后的ORR极化曲线。应当注意的是，为了描述某些方面，本文中所述的附图意在例示那些本技术中的方法、算法和设备的一般特征。这些附图可能不能精确地反映任何给定方面的特征，并且不一定意在限定或限制该技术范围内的具体实施方案。此外，某些方面可以结合有来自附图组合的特征。
技术实现思路
本教导描述了可以在聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)中用作次级离聚物的新型离子液体。下文中描述的结果表明，通过该离子液体接触并在PEMFC的阴极处并入的氧还原反应(ORR)催化剂与不具有次级离聚物或替代的次级离聚物的催化剂相比具有优异的活性与稳定性。本教导的ORR催化剂可以包括具有催化金属如铂的颗粒。该颗粒通过包括新型离子液体的前述次级离聚物接触，获得了优异的活性与稳定性。由此，公开了在PEMFC中用于催化ORR的催化剂组合物(或称为ORR催化剂)。该催化剂组合物包括固体催化剂，所述固体催化剂通常包括催化金属的颗粒或另一高表面积形式。在一些实施方式中，该催化金属将是铂，或含铂合金的颗粒。在一些实施方式中，该固体催化剂将包括与另一材料如碳的颗粒混合的催化金属颗粒。在一些实施方式中，催化金属的颗粒将具有至少10m2/g、或20m2/g、或30m2/g、或40m2/g、或50m2/g、或60m2/g、或70m2/g、或80m2/g、或90m2/g、或100m2/g的比表面积。在一些实施方式中，催化金属的颗粒将是具有小于100nm、或小于90nm、或小于80nm、或小于70nm、或小于60nm、或小于50nm、或小于40nm、或小于30nm、或小于20nm、或小于10nm的平均最大尺寸的纳米颗粒。在一些具体实施方式中，该催化剂组合物将包括具有2-5nm的平均最大尺寸的铂纳米颗粒。在一些实施方式中，催化金属的颗本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.氧还原反应(ORR)催化剂，包含：固体催化剂；和接触所述固体催化剂的次级离聚物，所述次级离聚物包含1‑甲基‑2,3,4,6,7,8‑六氢‑1H‑嘧啶并[1,2‑a]嘧啶‑9‑鎓1,1,2,2,3,3,4,4,4‑九氟丁烷‑1‑磺酸盐([MTBD][C4F9SO3])。
【技术特征摘要】
2017.04.03 US 15/477,9671.氧还原反应(ORR)催化剂，包含：固体催化剂；和接触所述固体催化剂的次级离聚物，所述次级离聚物包含1-甲基-2,3,4,6,7,8-六氢-1H-嘧啶并[1,2-a]嘧啶-9-鎓1,1,2,2,3,3,4,4,4-九氟丁烷-1-磺酸盐([MTBD][C4F9SO3])。2.如权利要求1中所述的ORR催化剂，其中所述固体催化剂包含铂纳米颗粒。3.如权利要求1中所述的ORR催化剂，其中所述固体催化剂包含铂和碳的颗粒。4.如权利要求1中所述的ORR催化剂，其中所述[MTBD][C4F9SO3]以1.25:1至3.85:1的相对于固体催化剂的重量比率存在。5.如权利要求1中所述的ORR催化剂，其中所述[MTBD][C4F9SO3]以2:1至3:1的相对于固体催化剂的重量比存在。6.如权利要求1中所述的ORR催化剂，其中所述[MTBD][C4F9SO3]以2.5:1至2.6:1的相对于固体催化剂的重量比率存在。7.如权利要求1中所述的ORR催化剂，包含与固体催化剂接触的聚合离聚物。8.如权利要求1中所述的ORR催化剂，其中所述次级离聚物完全覆盖所述固体催化剂。9.如权利要求1中所述的ORR催化...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄侃，O·M·科拉佐，J·布伦内克，贾鸿飞，加藤久雄，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，丰田自动车株式会社，圣母大学，
类型：发明
国别省市：美国,US
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