包含Pt、Ni和Ta的催化剂制造技术

本发明专利技术提供催化剂，该催化剂包括纳米结构元件，该纳米结构元件包括微结构化晶须，该微结构化晶须具有外表面，该外表面至少部分地被催化剂材料覆盖，该催化剂材料包含总共至少90原子％的Pt、Ni和Ta，其中Pt以32.0原子％至35.7原子％的范围存在，Ni以57.2原子％至64.0原子％的范围存在，并且Ta以0.26原子％至10.8原子％的范围存在，并且其中Pt、Ni和Ta的总原子％等于100。本文所述的催化剂可用于例如燃料电池膜电极组件中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含Pt、Ni和Ta的催化剂相关申请的交叉引用本申请要求2018年4月4日提交的美国临时专利申请62/652607的权益，该专利的公开内容全文以引用方式并入本文。本专利技术在DOE授予的政府支持下进行，合同号为DE-EE0007270。政府对本专利技术享有一定的权利。
技术介绍
燃料电池通过燃料的电化学氧化和氧化剂的还原来产生电力。燃料电池通常根据电解质的类型和燃料与氧化剂反应物的类型来分类。一种类型的燃料电池为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，其中电解质为聚合物离子导体，并且反应物为氢燃料和作为氧化剂的氧气。氧气通常由环境空气提供。PEMFC通常需要使用电催化剂来提高氢氧化反应(HOR)和氧还原反应(ORR)的反应速率，这改善了PEMFC性能。PEMFC电催化剂通常包含铂，一种相对昂贵的贵金属。通常期望使PEMFC中的铂含量最小化，从而提高每单位催化剂表面积的催化剂活性(比活性)并提高每催化剂质量的催化剂表面积(比表面积或比面积)。HOR和ORR发生在催化剂表面上，因此提高比表面积和/或比活性可减小装置以使成本最小化。然而，需要足够的铂含量以提供足够的催化活性和PEMFC装置性能。因此，需要提高每单位催化剂质量的催化剂活性(质量活性)。存在两种提高质量活性的一般方法，即，实现期望的绝对性能所需的催化剂的量，从而降低成本。为了使比面积最大化，PEMFC电催化剂通常以纳米级薄膜或载体材料上的颗粒的形式存在。用于纳米颗粒PEMFC电催化剂的示例性载体材料为炭黑，并且用于薄膜电催化剂的示例性载体材料为晶须。<br>为了提高比活性，PEMFCPtORR电催化剂通常还包含某些过渡金属诸如钴或镍。不受理论的约束，认为某些过渡金属结合到Pt晶格中会引起Pt原子在催化剂表面的收缩，这通过改变分子氧结合和解离能以及反应中间体和/或观察物种的结合能来提高动力学反应速率。PEMFC电催化剂可以掺入其它贵金属。例如，可使HORPEMFCPt电催化剂与钌合金化以改善对一氧化碳(一种已知的Pt催化剂毒物)的耐受性。HOR和ORRPEMFC电催化剂也可以掺入铱以促进氧气析出反应(OER)的活性。在没有燃料的情况下以及在PEMFC系统启动和关闭期间，改善的OER活性可以改善PEMFC在无意操作下的耐久性。然而，将铱掺入PEMFCORR电催化剂中可导致质量活性降低和催化剂成本增加。铱对ORR的比活性比铂低，可能导致质量活性降低。铱也是贵金属，因此其掺入可增加成本。PEMFCPt电催化剂也可掺入金，金也是贵金属并且可增加成本。已知金在酸性电解质中对HOR和ORR相对无活性。由于金倾向于优先分离到电催化剂表面，因此掺入金可导致HOR和ORR显著失活，从而阻止活性催化位点。PEMFC电催化剂可具有不同的结构和组成形态。结构和组成形态通常通过电催化剂制造期间的特定加工方法来调整，诸如电催化剂沉积方法和退火方法的变化。PEMFC电催化剂可以是组成均匀的、组成分层的，或者可以在整个电催化剂中包含组成梯度。在电催化剂内调整组成分布可以改善电催化剂的活性和耐久性。PEMFC电催化剂颗粒或纳米级膜可具有基本上光滑的表面或具有原子或纳米级粗糙度。PEMFC电催化剂可以是结构上均匀的或可以是纳米多孔的，由纳米级孔和固体催化剂韧带构成。与结构均匀的电催化剂相比，纳米多孔PEMFC电催化剂可具有更高的比面积，从而降低成本。纳米多孔催化剂由许多相互连接的纳米级催化剂韧带构成，并且纳米多孔材料的表面积取决于纳米级韧带的直径和体积数密度。随着纳米级韧带直径减小和体积数密度增加，预期表面积将增加。在PEMFC装置中，电催化剂可由于各种降解机制而随时间的推移损失性能，这诱导了结构变化和组成变化。此类性能损失可缩短此类系统的实际寿命。例如，由于每单位表面积的电催化剂活性的损失和电催化剂表面积的损失，可发生电催化剂降解。例如，由于电催化剂合金元素的溶解，电催化剂比活性可损失。纳米颗粒和纳米级薄膜电催化剂可损失表面积，例如，由于Pt溶解、颗粒烧结和表面粗糙度的损失。纳米多孔电催化剂可另外损失表面积，例如，由于纳米级韧带直径增加和纳米级韧带密度降低。需要附加的电催化剂和包含此类催化剂的体系，包括那些解决上述问题中的一个或多个的催化剂和体系。
技术实现思路
在一个方面，本公开提供了一种催化剂，该催化剂包括纳米结构元件，该纳米结构元件包括微结构化晶须，该微结构化晶须具有外表面，该外表面至少部分地被催化剂材料覆盖，该催化剂材料包含总共至少90原子％(在一些实施方案中，至少95原子％、96原子％、97原子％、98原子％、99原子％、99.5原子％、99.6原子％、99.7原子％、99.8原子％、99.9原子％或甚至100原子％)的Pt、Ni和Ta，其中Pt以32.0原子％至35.7原子％的范围存在，Ni以57.2原子％至64.0原子％的范围存在，并且Ta以0.26原子％至10.8原子％的范围存在(在一些实施方案中，Pt以34.1原子％至35.7原子％的范围存在，Ni以60.8原子％至64.0原子％的范围存在，并且Ta以0.26原子％至5.1原子％的范围存在；Pt以35.2原子％至35.7原子％的范围存在，Ni以62.9原子％至64.0原子％的范围存在，并且Ta以0.26原子％至1.8原子％的范围存在；Pt以35.6原子％至35.7原子％的范围存在，Ni以63.6原子％至64.0原子％的范围存在，并且Ta以0.26原子％至0.8原子％的范围存在；Pt以34.1原子％至35.7原子％的范围存在，Ni以60.8原子％至63.9原子％的范围存在，并且Ta以0.46原子％至5.1原子％的范围存在；Pt以35.2原子％至35.7原子％的范围存在，Ni以62.9原子％至63.9原子％的范围存在，并且Ta以0.46原子％至1.8原子％的范围存在；Pt以35.6原子％至35.7原子％的范围存在，Ni以63.6原子％至63.9原子％的范围存在，并且Ta以0.46原子％至0.8原子％的范围存在；Pt以34.1原子％至35.6原子％的范围存在，Ni以60.8原子％至63.6原子％的范围存在，并且Ta以0.78原子％至5.1原子％的范围存在；并且甚至Pt以35.2原子％至35.6原子％的范围存在，Ni以62.9原子％至63.6原子％的范围存在，并且Ta以0.78原子％至1.8原子％的范围存在)，并且其中Pt、Ni和Ta的总原子％等于100。在一些实施方案中，催化剂材料用作氧还原催化剂材料。在一些实施方案中，本文所述的催化剂已被退火。令人惊讶地，申请人发现，向PtNi催化剂中添加钽可显著改善加速电催化剂老化后的质量活性、比面积和/或性能的保留。当在退火之前将钽掺入催化剂的表面处时，钽被观察到改善了耐久性。本文所述的催化剂可用于例如燃料电池膜电极组件。附图说明图1为本文所述的示例性催化剂的侧视图。图2为示例性燃料电池的示意图。图3为实施例2、4和6的电催化剂钽含量的曲线图。图4为实施例1-6和比较例催化剂的电催化剂质量活性归一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化剂，所述催化剂包括纳米结构元件，所述纳米结构元件包括微结构化晶须，所述微结构化晶须具有外表面，所述外表面至少部分地被催化剂材料覆盖，所述催化剂材料包含总共至少90原子％的Pt、Ni和Ta，其中所述Pt以32.0原子％至35.7原子％的范围存在，所述Ni以57.2原子％至64.0原子％的范围存在，并且所述Ta以0.26原子％至10.8原子％的范围存在，并且其中Pt、Ni和Ta的总原子％等于100。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180404 US 62/652,6071.一种催化剂，所述催化剂包括纳米结构元件，所述纳米结构元件包括微结构化晶须，所述微结构化晶须具有外表面，所述外表面至少部分地被催化剂材料覆盖，所述催化剂材料包含总共至少90原子％的Pt、Ni和Ta，其中所述Pt以32.0原子％至35.7原子％的范围存在，所述Ni以57.2原子％至64.0原子％的范围存在，并且所述Ta以0.26原子％至10.8原子％的范围存在，并且其中Pt、Ni和Ta的总原子％等于100。


2.根据权利要求1所述的催化剂，其中所述Pt以34.1原子％至35.7原子％的范围存在，其中所述Ni以60.8原子％至64.0原子％的范围存在，并且其中所述Ta以0.26原子％至5.1原子％的范围存在。


3.根据任一项前述权利要求所述的催化剂，其中所述催化剂材料包括包含铂和镍的层以及位于所述包含铂和镍的层上的包含钽的层。


4.根据权利要求3所述的催化剂，其中每个层独立地具有至多25nm的平面等效厚度。


5.根据权利要求1所述的催化剂，其中所述催化剂材料包括交替的包含铂和镍的层和包含钽的层。


6.根据权利要求5所述的催化剂，其中每个层独立地具...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·J·L·斯坦巴克，克日什托夫·A·莱温斯基，安德鲁·T·豪格，埃米·E·赫斯特，肖恩·M·卢奥帕，格朗特·M·托马斯，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US