催化剂体系、电极以及燃料电池或电解器制造技术

本发明专利技术涉及一种催化剂体系(9)、包括所述催化剂体系(9)的电极(1)以及包括至少一个此类电极(1)的燃料电池(10)或电解器。所述催化剂体系(9)包括导电金属氧化物载体和导电金属氧化物催化剂材料。所述金属氧化物载体和所述催化剂材料的称为pzzp值(pzzp＝零zeta电位点)的近表面pH值不同。所述催化剂材料和所述金属氧化物载体形成至少两相的复合氧化物。所述金属氧化物载体具有第一晶格结构，所述第一晶格结构包括第一氧晶格格位和第一金属晶格格位，其中所述第一氧晶格格位上的所述金属氧化物载体优选掺有来自包含氮、碳和硼的组的至少一种元素，并且任选地另外掺有氢。所述金属氧化物载体具有第二晶格结构，所述第二晶格结构包括第二氧晶格格位和第二金属晶格格位，其中所述第二氧晶格格位上的所述催化剂材料优选掺有氟和来自包含氮、碳和硼的组的至少一种元素，并且任选地另外掺有氢。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】催化剂体系、电极以及燃料电池或电解器
本专利技术涉及一种催化剂体系，该催化剂体系包括金属氧化物载体和金属氧化物催化剂材料。本专利技术进一步涉及一种电极，该电极包括催化剂体系。本专利技术进一步涉及一种燃料电池或电解器，该燃料电池或电解器包括至少一个此类电极以及高分子电解质膜。
技术介绍
20多年以来，领先的汽车制造商一直致力于用含氢燃料电池作为能量载体。在整个产业链中，从原料的生产到回收，尽管采用燃料电池以及利用可再生资源制氢在效率上明显低于普通电池动力汽车的效率，但是燃料电池在“CO2足迹”方面是有利的。此外，燃料电池的动力学性能明显弱于普通电池。其原因在于，若是发生紧急的用电需求，将反应物氢和氧输送至燃料电池的反应室中需要一定的时间。这也是燃料电池和锂电池组成的混合体系模型日益普及的原因。在汽车的典型驱动循环中，燃料电池在汽车的驱动行为中承担基本载荷，而普通电池则被切换为“发电机”以达到短时间的电力高峰。因此，焦点在于提高燃料电池的效率。对于高分子电解质膜燃料电池，在工作温度窗口为T＝80℃-90℃时，燃料电池具有约为90-95％的基于热力学的理论效率。然而，从技术上讲，在最佳情况下，当前达到的效率也仅有50-60％。其主要原因之一是在用铂催化剂进行氧还原反应时，过电压太高。迄今为止，铂被认为是用于在燃料电池中还原氧的最佳催化剂，但由于其价格过高，所以应该避免使用或至少在使用时要非常节制。基于氧化物的化合物例如为另一类催化剂。US2015/0368817A1公开了一种用于电解器的阳极侧的催化剂体系，该催化剂体系包括支架和布置在该支架上的多个催化剂颗粒。载体包括多个金属氧化物颗粒或掺杂的金属氧化物颗粒。催化剂颗粒基于贵金属铱、氧化铱、钌、氧化钌、铂或铂黑，并且因此其相当昂贵。载体的颗粒(包括催化剂颗粒)分散于粘合剂中。DE102008036849A1公开了一种用于燃料电池的双极板单元，该双极板单元包括基体、设置在阳极侧上的涂层和设置在阴极侧上的涂层，其中涂层具有不同的组成。阴极侧上的涂层包括金属氧化物，特别是呈掺杂氟的氧化锡形式。几乎所有的氧化或部分氧化的催化剂体系，特别是对于燃料电池或电解器而言，都对水解具有很高的敏感性，这导致电池操作中的催化能力下降。
技术实现思路
本专利技术的目标是提供一种用于改进的氧还原的催化剂体系，特别是在燃料电池或电解器中使用，该催化剂体系不使用贵金属或仅使用少量的贵金属。本专利技术的进一步目标是提供电极、燃料电池和包括这样的催化剂体系的电解器，其中后者的效率会提高。该目标通过催化剂体系来实现，其中该催化剂体系包括-电导率λ1为至少10S/cm的导电金属氧化物载体，其中该金属氧化物载体具有选自由非贵金属组成的组的至少两种第一金属元素，并且具有包括粒径为至少30nm的氧化物晶粒的结构，-电导率λ2为至少10S/cm的导电金属氧化物催化剂材料，该催化剂材料具有来自由非贵金属组成的组的至少一种第二金属元素，其中金属氧化物载体中的第一金属元素和至少一种第二金属元素以固体定比化合物或固体均质溶液的形式存在于催化剂材料中，其中金属氧化物载体具有第一晶格结构，该第一晶格结构包括第一氧晶格格位和第一金属晶格格位，其中金属氧化物载体在第一氧晶格格位上掺有氟和/或来自包含氮、碳、硼的组的至少一种元素，并且任选地另外掺有氢，其中催化剂材料具有第二晶格结构，该第二晶格结构包括第二氧晶格格位和第二金属晶格格位，其中第二氧晶格格位上的催化剂材料掺有氟和来自包含氮、碳、硼的组的至少一种元素，并且任选地另外掺有氢，其中金属氧化物载体和催化剂材料的组成不同，并且其中金属氧化物载体和催化剂材料的称为pzzp值(pzzp＝零zeta电位点)的近表面pH值不同，并且催化剂材料和金属氧化物载体形成至少两相的分散复合氧化物。这种催化剂体系的优点在于其离子导电性和电子电导率得到显著改善，对氧和羟基具有优异的吸附和解吸能力，并且对水解的敏感性降低，因此长期稳定性高。特别地，金属氧化物载体具有第一晶格结构，该第一晶格结构包括第一氧晶格格位和第一金属晶格格位，其中第一氧晶格格位上的金属氧化物载体优选掺有来自包含氮、碳和硼的组的至少一种元素。任选地，氢也可用作掺杂元素。掺杂元素这里取代第一氧晶格格位上的氧。掺杂优选地以基于金属氧化物载体中非金属元素的至多0.06的摩尔分数存在。根据本专利技术的催化剂材料具有第二晶格结构，该第二晶格结构包括第二氧晶格格位和第二金属晶格格位，其中第二氧晶格格位上的催化剂材料掺有氟和来自包含氮、碳和硼的组的至少一种元素。任选地，氢也可用作掺杂元素。掺杂元素取代第二氧晶格格位上的氧。掺杂优选地以基于金属氧化物载体中非金属元素的至多0.1的摩尔分数存在。在催化剂体系的优选实施例中，金属氧化物载体和催化剂材料的表面能不同，其中至少两相的分散复合氧化物的第一相具有比至少另一个相的另一个表面疏水性更大的表面。特别地，第一相的疏水性更大的表面的表面能为<30Nm/mm2，特别是在22至28Nm/mm2的范围内。至少另一个相的另一个表面的表面能优选大于35Nm/mm2。有针对性地调整所述表面的能态，显著提高了催化剂体系的电子转移能力。有可能可靠地设置三相反应区，并且进一步有一种可能性，即氧优先吸附在疏水性较大的表面上，而在疏水性较小的表面上比水更多地解吸，这被称为“溢出”机制。金属氧化物载体和催化剂材料的亲水表面到疏水表面的特定调整通过含氟气体(诸如四氟化碳CF4)的特定处理来进行。这种表面处理在真空下，在650℃至750℃的温度范围内，在氩气、CF4和微量氢的混合物中，在约100Pa的压力下进行。另选地，这种表面处理在真空下，在450℃至550℃的温度范围内，在氩气、CF4和微量氢的气体混合物中，在约100Pa的压力下进行，并通过微波辐射形成等离子体。同时，利用来自包含氮、碳、硼的组的至少一种掺杂元素作用于金属氧化物载体和催化剂材料的表面。在数学上，对于100nm晶粒和D≈10–12cm-2的扩散系数，例如，可预期在t<1h的处理时间内实现氮的浓度均衡。之后在200℃-400℃的温度范围内进行温度处理，以实现催化剂体系表面的热力学稳定和调节。催化剂材料可在金属氧化物载体中固有地分散或相干地分散和/或沉积在金属氧化物载体的表面上。根据本专利技术的催化剂体系无需使用贵重金属。因此，本专利技术在价格方面令人关注，并且在节约成本方面具有巨大潜力，尤其是在汽车行业。通过掺氟来稳定金属氧化物载体和氧化催化剂材料。特别地，基于氧含量，氟在催化剂体系中的比例为最高2mol％。氟均匀分布于氧化物晶格中，并且增加了催化剂体系的金属氧化物载体和催化剂材料的长期化学稳定性与电导性。特别地，用于形成金属氧化物载体的第一金属元素包括来自由锡、钽、铌、钛、铪和锆组成的组的至少两种金属。特别地，第一金属元素以组合方式使用，其电化学价不同。特别地，第一金属元素包括锡，还包括来自由钽、铌、钛、铪和锆组成的组的至少一种金属。特别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化剂体系(9)，其包括/n导电金属氧化物载体，所述导电金属氧化物载体具有至少10S/cm的电导率λ

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181120 DE 102018129104.31.一种催化剂体系(9)，其包括
导电金属氧化物载体，所述导电金属氧化物载体具有至少10S/cm的电导率λ1，所述金属氧化物载体具有选自由非贵金属组成的组的至少两种第一金属元素并且具有包括粒径至少为30nm的氧化物晶粒的结构，
导电金属氧化物催化剂材料，所述导电金属氧化物催化剂材料具有至少10S/cm的电导率λ2，所述催化剂材料具有来自由非贵金属组成的组的至少一种第二金属元素，所述金属氧化物载体中的所述第一金属元素和所述催化剂材料中的所述至少一种第二金属元素各自呈固体定比化合物或均质固溶体存在，
所述金属氧化物载体具有第一晶格结构，所述第一晶格结构包括第一氧晶格格位和第一金属晶格格位，所述第一氧晶格格位上的所述金属氧化物载体掺有氟和/或来自包含氮、碳、硼的组的至少一种元素，并且任选地另外掺有氢，
所述催化剂材料具有第二晶格结构，所述第二晶格结构包括第二氧晶格格位和第二金属晶格格位，其中所述第二氧晶格格位上的所述催化剂材料掺有氟和来自包含氮、碳、硼的组的至少一种元素，并且任选地另外掺有氢，
所述金属氧化物载体和所述催化剂材料的组成不同，所述金属氧化物载体和所述催化剂材料的称为pzzp值(pzzp＝零zeta电位点)的近表面pH值不同，并且所述催化剂材料和所述金属氧化物载体至少形成两相的分散复合氧化物。


2.根据权利要求1所述的催化剂体系(9)，其中所述金属氧化物载体和所述催化剂材料的表面能不同，其中所述至少两相的分散复合氧化物的第一相具有比所述至少另一个相的另一个表面疏水性更大的表面。


3.根据权利要求2所述的催化剂体系(9)，其中所述第一相的疏水性更大的表面的表面能为<30Nm/mm2，特别是在22至28Nm/mm2的范围内。


4.根据权利要求2或3所述的催化剂体系(9)，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫里茨·维格纳，亚沙尔·穆萨耶夫，吉万提·维维卡南珊，德特勒夫·雷佩宁，拉迪斯劳斯·多布雷尼兹基，
申请(专利权)人：舍弗勒技术股份两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE