导电抗腐蚀镁钛氧化物催化剂载体材料制造技术

本发明专利技术涉及导电抗腐蚀镁钛氧化物催化剂载体材料。形成燃料电池催化剂体系的方法，所述方法包括提供具有式(I)的具有氧空位的抗腐蚀导电催化剂载体材料：其中δ是表示氧空位的0

【技术实现步骤摘要】
导电抗腐蚀镁钛氧化物催化剂载体材料
[0001]相关应用本申请是2019年11月6日提交的美国专利序列号16/675,564的部分继续申请案，其全部内容通过引用并入本文。


[0002]本专利技术涉及包含具有氧空位的抗腐蚀导电镁钛氧化物材料的催化剂载体及其生产方法。

技术介绍

[0003]催化材料或催化剂，例如贵金属在许多应用中已经变得必不可少，这些应用之一是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。贵金属和其它催化剂通常是昂贵的材料，它们从其应用的体系中的损失通常转化为较低的活性和效率。因此，已经进行了各种尝试以将催化材料保留在给定的应用中，以生产寿命更长的体系，例如燃料电池。

技术实现思路

[0004]根据一个实施方案，公开了形成燃料电池催化剂体系的方法。所述方法可包括提供具有式(I)的具有氧空位的抗腐蚀导电催化剂载体材料：其中δ是表示氧空位的0
‑
3的任何数字，其任选地包括小数部分。所述方法可进一步包括将所述催化剂载体材料用聚合物膜涂覆。所述方法还可包括将催化剂材料附着到该聚合物膜上。所述方法可进一步包括除去该聚合物膜。所述方法还可包括提供附加材料，以增加催化剂材料与催化剂载体材料之间的物理、电和/或机械接触。该附加材料可包含催化剂载体材料。该聚合物材料可为聚苯乙烯。所述除去可包括将所述催化剂体系加热到高于阈值温度。该阈值温度可为聚合物材料的熔化温度。该催化剂载体材料可进一步包含至少一种附加氧化物、碳化物或金属间化合物。该催化剂材料可包含Pt
‑
M双金属合金，其中M为Ag、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、Hf、Ir、Mn、Mo、Nb、Ni、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Sb、Sn、Ta、Ti、V或W。所述附着可包括使至少一些所述催化剂材料与所述催化剂载体材料接触。
[0005]在一个替代实施方案中，公开了形成燃料电池催化剂体系的方法。所述方法可包括形成包括多个初始孔的模板材料层。所述方法还可包括将抗腐蚀导电催化剂载体材料沉积在初始孔内，该催化剂载体材料具有式(I)且具有氧空位：其中δ是表示氧空位的0
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3的任何数字，其任选地包括小数部分。所述方法可进一步包括通过从所述体系中除去模板材料而形成具有次级孔的催化剂载体材料基质。所述方法还可包括将催化剂材料沉积在次级孔内。所述模板材料可包括多个纳米球。所述方法可进一步包括使该模板材料熔融。所述催化剂材料的沉积包括溅射。所述除去可包括将该模板材料溶解在酸中。所述方法还可包括使该体系在无氧气氛中退火。
[0006]在又一个实施方案中，公开了形成燃料电池催化剂体系的方法。所述方法可包括合成催化剂载体纳米颗粒，其包含具有式(I)的具有氧空位的抗腐蚀导电材料：其中δ是表示氧空位的0
‑
3的任何数字，其任选地包括小数部分。所述方法可进一步包括在每个纳米颗粒周围形成聚合物层。所述方法还可包括随后将多个催化剂纳米颗粒附着到聚合物层上，以使得至少一些所述催化剂纳米颗粒与所述催化剂载体纳米颗粒接触。所述方法可进一步包括除去该聚合物层。所述除去可包括将所述催化剂体系在无氧气氛中退火。所述聚合物层可包含聚苯乙烯。所述除去可包括将所述催化剂体系加热到高于阈值温度。所述阈值温度可为该聚合物层的熔化温度。所述催化剂纳米颗粒可包含Pt
‑
M双金属合金，其中M为Ag、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、Hf、Ir、Mn、Mo、Nb、Ni、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Sb、Sn、Ta、Ti、V或W。
附图说明
[0007]图1描绘了根据一个或多个实施方案的包括双极板的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的示意性组成；图2A显示了在PEMFC内的催化剂体系布置的示意图；图2B显示了图2A的催化剂体系的详细图，其具有附着有催化剂颗粒的催化剂载体材料；图3显示了所公开材料的合成丸粒样品的非限制性实例；图4A和4B分别显示了表明绝缘行为的MgTi2O5结构和表明导电行为的MgTi2O
4.92
的态密度(DOS)；图5A至5E显示了(110)MgTi2O5、(110)MgTi2O5‑
δ
、(101)TiO2(锐钛矿)、(110)TiO2(金红石)和(001)TiO的化学结构；图6显示了MgTi2O5‑
δ
从25℃到80℃的电导率的阿伦尼乌斯曲线图；图7显示了原始的刚合成的MgTi2O5‑
δ
、在空气中退火之后的MgTi2O5‑
δ
以及TiO2的Ti 2p X射线光电子能谱(XPS)谱图；图8是刚合成的MgTi2O5‑
δ vs. MgTi2O5的X射线衍射(XRD)图案；图9A至9C是刚合成的MgTi2O5‑
δ
、在空气中在600℃下退火之后的MgTi2O5‑
δ
以及在空气中在1000℃下退火之后MgTi2O5‑
δ
的照片；图10显示了原始MgTi2O5‑
δ
、碳纸和抛光不锈钢(SS)316的腐蚀电流密度的比较曲线图；图11A和11B分别显示了作为催化剂载体材料的MgTi2O5‑
δ
的示意图，其中催化剂以岛的形式或以核
‑
壳结构沉积。
[0008]图12A和12B是在退火之前和之后溅射在MgTi2O5‑
δ
丸粒的非限制性实例上的Pt的扫描电子显微镜(SEM)横截面图像；图13A至13F显示了在MgTi2O5‑
δ
与Pt表面之间在DFT弛豫之前和之后第一性原理密度泛函理论(DFT)构成的界面；图14显示了附着在MgTi2O5‑
δ
氧化物载体上的各种Pt颗粒/刻面的示意图；图15A和15B描绘了具有催化剂纳米颗粒的催化剂载体纳米颗粒材料的合成路线
的示意性非限制性实例；和图16显示了形成催化剂载体的耐酸MgTi2O5‑
δ
基质的形成的示意性非限制性实例。
具体实施方式
[0009]下文描述本公开的实施方案。然而，应当理解，所公开的实施方案仅是实例，并且其它实施方案可以采取各种和替代的形式。附图不必是按比例的；一些特征可能被夸大或最小化，以示出特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅仅是作为教导本领域技术人员以各种方式使用本实施方案的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施方案。所示特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施方案。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而言可能是所希望的。
[0010]除了明确指出之处，本说明书中所有表示尺寸或材料性能的所有数值量都应理解为在描述本公开的最宽范围时由词语“约”修饰。
[0011]首字母缩略词或其它缩写的第一次定义适用于本文中相同缩写的所有后续使用，并且加以必要的修正适用于最初定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.形成燃料电池催化剂体系的方法，所述方法包括：提供具有式(I)的具有氧空位的抗腐蚀导电催化剂载体材料：其中δ是表示氧空位的0
‑
3的任何数字，其任选地包括小数部分；将所述催化剂载体材料用聚合物膜涂覆；将催化剂材料附着到该聚合物膜上；除去该聚合物膜；和将附加材料提供在所述载体材料上，以增加催化剂材料与催化剂载体材料之间的物理、电和/或机械接触。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述附加材料包含催化剂载体材料。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物膜是聚苯乙烯。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述除去包括将所述催化剂体系加热到高于阈值温度。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述阈值温度是聚合物膜的熔化温度。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂载体材料还包含至少一种附加氧化物、碳化物或金属间化合物。7.根据权利要求1所述的方法，其中催化剂材料包含Pt
‑
M双金属合金，其中M为Ag、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、Hf、Ir、Mn、Mo、Nb、Ni、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Sb、Sn、Ta、Ti、V或W。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述附着包括使至少一些所述催化剂材料与所述催化剂载体材料接触。9.形成燃料电池催化剂体系的方法，所述方法包括：形成包括多个初始孔的模板材料层；将抗腐蚀导电催化剂载体材料沉积在初始孔内，该催化剂载体材料具有式(I)且具有氧空位：其中δ是表示氧空位的0
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3的任何数字，其任选地包括小数部分；通过从所述体系中除去模板材...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：