水滞留量减少的碳载催化剂制造技术

公开了用于具有高金属负载量、高电化学活性表面积及优良水处理性能的碳载催化剂的组合物。在一个方面，本发明专利技术涉及一种含一种碳质基材及一种分散的金属的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为０．５且氮表面积至少为１００ｍ↑［２］／ｇ。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水滞留量减少的碳载催化剂相关申请的相互参引本申请要求2004年9月24日提交的美国临时申请60/613,064和2005年3月30日提交的美国专利申请11/093,858的优先权，两项专利申请的全部内容在此通过引证的方式纳入本说明书。
本专利技术涉及碳载催化剂(carbon supported catalyst)。在一个方面，该催化剂用于燃料电池。
技术介绍
燃料电池是一种将化学反应的能量转化为电能的设备。聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)含有置于电催化剂(一个阴极和一个阳极)之间的一种质子传导性的聚合物膜电解质。电催化剂用来引发电极上所需的电化学反应。电催化剂通常为一种载于一种碳质基材上的贵金属，例如，载于碳上的铂黑或铂催化剂。电催化剂通常通过在电解质表面涂布一种电催化剂颗粒浆液而结合到电极/电解质的界面处。当诸如氢燃料等的燃料进料通过阳极电催化剂/电解质界面时，发生一种电化学反应，产生质子和电子。导电的阳极与一个外部电路相连，外部电路输送电子产生电流。聚合物电解质通常为一种质子导体，阳极产生的质子通过该电解质迁移到阴极。在阴极，质子与电子及氧结合生成水。由于燃料电池的催化剂金属——通常为铂——非常昂贵，因而希望在形成催化剂时对于所用的每克金属获得最高的金属表面积。现有的将金属沉积在碳载体上的熟知的工艺方法有几种。例如，可将载体分散于氯铂酸的水溶液中、干燥并暴露于氢气中。惯常地，传导性的炭黑(例如，Columbian Conductex975或CDX-975，可由Columbian Chemicals，Marietta，GA获得)已用作燃料电池的催化剂载体。在燃料电池的应用中，要求催化剂的载体材料为导电性的。在其它应用领域，导电性倒未必是必需的。另外，将-->贵金属沉积于炭黑颗粒表面的过程通常要求所用的炭黑具有合理高的表面积(大于200m2/g)。但该要求不是绝对的，因为所需的表面积是与所需的金属负载量成比例的。例如，在炭黑上负载20％(重量比)铂的催化剂较之按类似方式制得的、在炭黑上负载50％铂的催化剂，所需的可利用碳表面积更低。要获得高的金属负载量(例如50％)，通常的做法是使用一种高表面积的碳材料，例如Ketjen炭黑(KetjenEC-300或EC-600，可由日本Ketjen Black International获得)。使用具有较高金属负载量的催化剂使得可使用较少的催化剂材料在电极层获得需要量的金属，从而获得较薄的电极层。高表面积的炭黑可通过生产具有小的初始颗粒粒度的高细度炭黑或通过生产具有不同孔隙率的多孔炭黑而获得。孔隙率的表述方法之一为电子显微镜表面积与氮表面积之比(EMSA/NSA)，越是多孔的炭黑该比例越低。但不幸的是，高孔隙率炭黑，如Ketjen炭黑，与较低孔隙率的炭黑相比，也更易于吸水，且吸水程度更高。水的吸收和滞留在燃料电池中可能产生问题，引起电池水淹(flood)而使其中气态反应物的输送减少或受到限制。因而，在本领域中有必要生产这样的燃料电池催化剂：既可负载高的金属负载量，又可提供高的如下文定义的电化学活性表面积值，同时还可避免可能引起水淹的水滞留问题。
技术实现思路
一方面，本专利技术涉及一种包括一种碳质基材和一种分散的金属的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.5且氮表面积至少为100m2/g。另一方面，本专利技术涉及包括本专利技术的碳载催化剂的催化燃料电池。其它优点一部分将在后面的描述中提出，一部分由描述中显而易见，或者可通过实施下述各方面而知晓。下述优点可通过所附权利要求中具体指出的各要素及其组合而实现和获得。应当理解的是，无论是前面的概述还是后面的详述，都只是示例性和解释性的，而非限制性的。附图说明-->附图并入本说明书中，而且构成本说明书的一部分，它们示例说明下述几个方面。在所有附图中，相同的号码代表同一个部件。图1为一个比较图，比较在用2nm的球形铂颗粒覆盖时，在不同的Pt负载量下，Conductex975，Raven3600 Ultra和Ketjen EC-600中碳表面的覆盖百分比。假定：CB密度＝1.8，2nm Pt颗粒，单分散Pt球密度21.45g/cc。单层密堆积Pt球可“覆盖”的表面积不高于约pi/(2*sqrt(3))、或表面积的90.7％(以Pt球相对于炭黑颗粒而言非常小的极限情况计算)。具体实施方式在公开和描述本专利技术的化合物、组合物、制品、设备和/或方法之前，应当理解下述各方面并不限于具体的合成方法，或具体的催化剂，因为这些当然是可变的。而且也应当理解，本说明书所用到的术语只是为了描述具体的方面，并非旨在限制。本专利技术公开了可用于、可结合用于、可用于制备、或得自所公开的方法和组合物的材料、化合物、组合物及组分。本专利技术公开这些材料以及其它材料，并且应当理解的是：在公开这些材料或方法的组合、子集、相互作用及成组等时，尽管不可能明确地公开这些化合物或方法的每一个不同的个体、集体组合及改变，但每一个都是本专利技术所具体预期和打算的。本专利技术书及随后的权利要求中，将提到一些术语，其应限定为具有以下含义：应当指出的是，如本专利技术书及所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文中另有明确指出。因而，例如提到“一种金属”包括金属的混合物，提到“一种碱”包括两种或更多种碱的混合物，等等。“任选的”或“任选地”意思是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，而且该描述包括了该事件或情况发生的情形及没有发生的情形。文中的范围可表达为从“约”一个特定值，和/或到“约”另一个特定值。当表述为这样一种范围时，另一方面也包括从该一个特定值和/或到该另一个特定值。类似地，当在数值前使用修饰词“约”将数-->值表示为近似值时，应当理解为该特定值构成另一个方面。还应当理解的是，每一个范围的端值，不管是与另一端值相联系，还是与另一端值不相联系，其都是有意义的。一种组分的重量百分比，除非特别相反指明外，均基于包含该组分的制剂或组合物的总重量。文中用到的“金属”可能是，例如，一种或多种贵金属、贵金属、铂族金属、铂、前述任一种的合金或氧化物，或包含一种过渡金属或前述任一种的氧化物的组合物。在本说明书中，“金属”用作燃料电池中所发生反应、或其它催化反应的催化剂。该金属可耐受含CO的杂质，并且可用于直接甲醇燃料电池。“碳质的”指一种基本由元素碳组成的固体材料。“碳质材料”意指包括、但是不限于，i)具有单一的可定义的结构的碳质化合物；或ii)碳质颗粒的聚集物，其中该聚集物不必具有单元的、重复的、和/或可定义的结构或聚集度。“炭黑”是一种可用作例如催化剂载体的传导性的无定形(acinoform)碳。“载体”或“碳载体”指一种碳质材料，一种金属或催化材料分散于其上。“微粒”指一种分散的颗粒材料。“X射线衍射”(XRD)为一种测定材料结晶性能的分析方法，尤其如此处用到的、用于测定分散的金属颗粒的粒径。“NSA”或“氮表面积”指根据ASTM D6556、通过氮气吸附所获得的平均表面积测量值。因此，此处报导的NSA是指碳质材料的平均值。“EMSA”或“电子显微镜表面积”是指根据ASTM D3849、通过透射电子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳载催化剂，含有一种碳质基材及一种分散的金属，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为０．５且氮表面积至少为１００ｍ↑［２］／ｇ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-9-24 60/613,064;US 2005-3-30 11/093,8581.一种碳载催化剂，含有一种碳质基材及一种分散的金属，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.5且氮表面积至少为100m2/g。2.权利要求1的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比为0.5到0.95。3.权利要求1或2的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.6。4.权利要求1或2的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.7。5.权利要求1的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比为0.7到0.85。6.权利要求1-5之一的碳载催化剂，其中该碳质基材的氮表面积至少为200m2/g。7.权利要求1-5之一的碳载催化剂，其中该碳质基材的氮表面积为200到1400m2/g。8.权利要求1-7之一的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积至少为80m2/g。9.权利要求1-7之一的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积为80到500m2/g。10.权利要求1的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比为0.7到0.85，氮表面积为200到400m2/g且电子显微镜表面积为140到340m2/g。11.权利要求1的碳载催...

【专利技术属性】
技术研发人员：S博利帕里，AO多森，S德赛，GA乔伊斯，KW海斯考克，RL泰勒，
申请(专利权)人：哥伦比亚化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]