催化剂载体制造技术

本发明专利技术提供了一种金属碳氮化物，该金属碳氮化物包含：i)第一金属M1；和ii)第二金属M2；其中M1为钛、锆或铪；并且M2为钒、铌、钽、铬、钼、钨、铁、钌或锇。钌或锇。钌或锇。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】催化剂载体


[0001]本专利技术涉及可用作电催化剂的载体的混合金属碳氮化物。

技术介绍

[0002]燃料电池是包括被电解质隔开的两个电极的电化学电池。燃料(例如，氢气、醇(诸如甲醇或乙醇)或甲酸)被供应给阳极，并且氧化剂(例如，氧气或空气)被供应给阴极。电化学反应在电极处发生，并且燃料和氧化剂的化学能被转换成电能和热量。电催化剂用于促进阳极处燃料的电化学氧化和阴极处氧气的电化学还原。
[0003]燃料电池通常根据所用电解质的性质进行分类。电解质通常为固体聚合物膜，其中该膜为电绝缘的但离子导电的。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，该离子导电膜是质子导电的，并且将在阳极处产生的质子横跨该离子导电膜传送至阴极，其中它们与氧组合以形成水。
[0004]PEMFC的主要部件是膜电极组件，该膜电极组件基本上由五层组成。中间层为聚合物离子导电膜。在离子导电膜的任一面上存在电催化剂层，该电催化剂层含有设计用于特定电解反应的电催化剂。最后，邻近每个电催化剂层存在气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层并且必须传导由电化学反应产生的电流。因此，气体扩散层必须为多孔的和导电的。
[0005]电催化剂层一般还包含质子导电材料，诸如质子导电聚合物，以有助于质子从阳极电催化剂转移到离子导电膜和/或从离子导电膜转移到阴极电催化剂。
[0006]常规地，膜电极组件可通过多种方法构造。通常，这些方法涉及将电催化剂层中的一个或两个电催化剂层施加到离子导电膜以形成催化剂涂覆的离子导电膜。随后，将气体扩散层施加到电催化剂层。另选地，将电催化剂层施加到气体扩散层以形成气体扩散电极，然后将该气体扩散电极与离子导电膜组合。膜电极组件可通过这些方法的组合来制备，例如，将一个电催化剂层施加到离子导电膜以形成催化剂涂覆的离子导电膜，并施加另一个电催化剂层作为气体扩散电极。使用通常包含电催化剂材料、离子导电聚合物、溶剂和/或稀释剂以及希望包含在电催化剂层中的任何试剂的电催化剂油墨来施加电催化剂层。
[0007]电催化剂层通常包含电催化剂材料，该电催化剂材料包含适用于燃料氧化或氧还原反应的金属或金属合金，这取决于该层待用于阳极还是阴极。用于燃料氧化和氧气还原的电催化剂通常基于铂或与一种或多种其他金属合金化的铂。铂或铂合金电催化剂可以呈未负载的纳米尺寸粒子(例如金属黑)的形式，或者可以作为离散的非常高表面积的纳米粒子沉积到导电的载体材料(负载的电催化剂)，诸如高表面积的碳材料上。
[0008]合适的碳通常包括来自炭黑家族的那些，诸如油炉黑、超导黑、乙炔黑以及它们的石墨化型式。示例性碳包括Akzo NobelEC300J和CabotXC72R。另外，可使用专门设计用于燃料电池应用的碳，诸如WO2013/012894中描述的那些。用作导电载体的另选材料包括金属氧化物或混合氧化物，特别是导电混合氧化物诸如掺杂氧化铌的二氧化钛、掺杂磷的氧化锡和混合铂族金属氧化物或混合金属氧化物，如WO2012/080726中公开
的。
[0009]已经研究了基于金属碳化物、氮化物和碳氮化物的电催化剂载体材料作为潜在稳定的材料，这些材料可在特性诸如导电性和催化活性方面进行调节。已经研究的特定催化剂载体体系包括碳化铌上的铂，其在酸性和碱性两种环境中都显示出高的析氢活性和稳定性。[1]已经研究了碳氮化铌作为在电势循环下在酸性环境中的氧还原反应的铂载体[2][3]，也已经研究了各种过渡金属碳化物[4]。另外，纳米结构化的氮化铌钛已经显示作为氧还原反应催化剂的潜在耐久的非碳载体[5][6]。此外，氮化钛和碳氮化钛纳米粒子已经显示为充当PEMFC的电催化剂载体，并且在酸性介质中已经显示出比常规镀铂金碳电催化剂更好的活性和/或耐久性[7][8]。
[0010]使用碳氮化物和碳化物的主要问题之一是由于需要高温和反应性气体而难以合成。传统上，该合成涉及使用碳化混合物(例如20(体积/体积)％CH4/H2)和适当的升温程序对过渡金属氧化物进行程序升温碳化[9,10]。取决于最终碳化温度，可能发生甲烷的热分解，导致形成覆盖碳化物表面的热解碳[11]。经由该方法不能在950℃以下形成碳化铌[9,10]，并且此类条件有利于形成具有低比表面积的样品[12]。Chagas等人提出了一种使用比传统方法更低的温度合成碳氮化铌的新方法[11]。该方法使碳酸胍和铌(V)酸铵草酸盐水合物在150℃在空气中反应达12小时，然后在氦气下加热至400℃达4小时，并随后在氦气下在450℃至900℃达2小时[11]。然而，需要三个单独的加热步骤。

技术实现思路

[0011]本领域需要具有良好导电性、耐酸性和电化学稳定性的新型电催化剂载体。
[0012]因此，在第一方面，本专利技术提供了一种金属碳氮化物，该金属碳氮化物包含：
[0013]i)第一金属M1；和
[0014]ii)第二金属M2；
[0015]其中M1为钛、锆或铪；并且M2为钒、铌、钽、铬、钼、钨、铁、钌或锇。
[0016]具体地，金属碳氮化物的组成表示为：
[0017]M
2x
M
11
‑
x
C1‑
p
N
p
[0018]其中M1为钛、锆或铪；并且M2为钒、铌、钽、铬、钼、钨、铁、钌或锇。
[0019]本专利技术的金属碳氮化物，其包含：
[0020]i)第一金属M1，其中M1为钛、锆或铪；和
[0021]ii)第二金属M2，其中M2为钒、铌、钽、铬、钼、钨、铁、钌或锇；可通过包括以下步骤的方法制备：
[0022]a)将以下物质的混合物均质化：
[0023]A)金属M2的盐；
[0024]B)金属M1的盐；和
[0025]C)胍的盐；并且随后将均质化的混合物加热至100℃至200℃范围内并包括端值的温度；然后
[0026]b)将步骤a)的产物加热至500℃至1500℃范围内并包括端值的温度；
[0027]其中金属M1和M2的所述盐各自含有碳。
[0028]本专利技术还提供了纳米粒子，这些纳米粒子包含本专利技术的金属碳氮化物，优选基本
上由本专利技术的金属碳氮化物组成，更优选由本专利技术的金属碳氮化物组成(或仅包含本专利技术的金属碳氮化物)。
[0029]本专利技术还提供了催化剂载体材料，该催化剂载体材料包含本专利技术的金属碳氮化物或纳米粒子，优选基本上由本专利技术的金属碳氮化物或纳米粒子组成，更优选由本专利技术的金属碳氮化物或纳米粒子组成(或仅包含本专利技术的金属碳氮化物或纳米粒子)。
[0030]本专利技术还提供了催化剂材料，该催化剂材料包含承载在本专利技术的载体材料上的电催化剂，优选基本上由承载在本专利技术的载体材料上的电催化剂组成，更优选由承载在本专利技术的载体材料上的电催化剂组成(或仅包含承载在本专利技术的载体材料上的电催化剂)。
[0031]本专利技术还提供了电催化剂层，该电催化剂层包含本专利技术的催化剂材料。
[0032]本专利技术还提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种金属碳氮化物，所述金属碳氮化物包含：i)第一金属M1；和ii)第二金属M2；其中M1为钛、锆或铪；并且M2为钒、铌、钽、铬、钼、钨、铁、钌或锇。2.根据权利要求1所述的金属碳氮化物，所述金属碳氮化物的组成表示为：M
2x
M
11
‑
x
C1‑
p
N
p
。3.根据权利要求1或权利要求2所述的金属碳氮化物，其中M1为钛。4.根据前述权利要求中任一项所述的金属碳氮化物，其中M2为钒、铌或钽。5.根据权利要求2至4中任一项所述的金属碳氮化物，其中x在0.05至0.95的范围内并包括端值。6.根据权利要求5所述的金属碳氮化物，其中x在0.05至0.55的范围内并包括端值。7.根据权利要求2至6中任一项所述的金属碳氮化物，其中p在0.1至0.7的范围内并包括端值。8.一种纳米粒子，所述纳米粒子包含根据前述权利要求中任一项所述的金属碳氮化物。9.一种催化剂载体材料，所述催化剂载体材料包含根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：L，
申请(专利权)人：庄信万丰氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：