燃料电池催化剂、其制备方法和包含其的燃料电池技术

本发明专利技术涉及燃料电池催化剂、其制备方法和包含其的燃料电池。所述燃料电池催化剂，包括导电性载体和在载体上负载的核

【技术实现步骤摘要】
燃料电池催化剂、其制备方法和包含其的燃料电池
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年8月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10
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2021
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0114866号的优先权，其公开内容通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及具有增加的电化学活性表面积和高质量活性的燃料电池催化剂、其制备方法和包含其的燃料电池。

技术介绍

[0004]作为下一代能源备受瞩目的燃料电池是将燃料的氧化/还原所产生的化学能转换为电能的电化学装置，近年来有望成为用于如电动汽车等交通运输和家庭供电的未来型电源。
[0005]燃料电池中的电极反应由负极(“阳极”或“氧化电极”)中的氢的氧化反应和正极(“阴极”或“还原电极”)中的氧的还原反应组成，为了使这些电化学反应在低温驱动的燃料电池系统(例如聚合物电解质膜燃料电池)中真正顺利地发生，应有效地提高反应速率。
[0006]为此，在燃料电池系统中不可避免地使用贵金属催化剂铂(Pt)。然而，铂催化剂虽然具有优异的能量转换效率，但非常昂贵且储量有限，因此可能成为燃料电池商业化的阻碍因素。因此，解决铂的高价和储量限制，是燃料电力商业化效率最大化的途径。
[0007]因此，近来研究了铂
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过渡金属合金催化剂以减少铂的使用量和提高性能，但存在过渡金属在燃料电池驱动条件下容易溶出从而降低性能的限制，并且作为解决该限制的一部分，已经研究了将合金纳米颗粒表面的过渡金属置换为适合燃料电池驱动条件的异种金属的技术。
[0008]但是，由于表面上的过渡金属的置换是在原子水平上进行的，因此反应条件非常严格，难以有效置换。此外，由于电偶置换利用金属的固有标准还原电位逐渐诱导具有较低标准还原电位的金属与具有较高标准还原电位的金属之间的置换反应，因此有效地表现原子级置换是有利的，但是由于具有高标准还原电位的异种金属具有优异的还原能力，因此存在异种金属作为独立的纳米颗粒(晶体)存在于催化剂表面上的限制。

技术实现思路

[0009]提供本
技术实现思路
是为了以简化形式介绍一系列构思，这些构思将在下面的具体实施方式中进一步说明。本
技术实现思路
并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于确定所要求保护的主题的范围。
[0010]本专利技术的一个方面提供了一种由于电化学反应的活性面积增加而具有高质量活性的燃料电池催化剂，该催化剂是通过经由包括除去表面上的异种金属的步骤的电偶置换反应或包括预处理步骤的电偶置换反应的制备方法制备的。
[0011]本专利技术的另一方面提供了一种制备燃料电池催化剂的方法。
[0012]本专利技术的另一方面提供一种包含该燃料电池催化剂的燃料电池。
[0013]在一个一般方面，燃料电池催化剂包括导电性载体和在载体上负载的核
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壳纳米颗粒。核包含铂和过渡金属，壳包含异种金属。在O2饱和的0.1M HClO4电解质溶液中在电压为0.05V至1.05V(vs.RHE)的电位范围内在5mV/s的扫描速率和1,600rpm的旋转速率下测量的电化学比活性为0.3mA/cm2至0.6mA/cm2，并且质量活性为0.05mA/μg至0.08mA/μg。
[0014]所述过渡金属可以为选自由钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)和铁(Fe)组成的组中的一种或多种。
[0015]所述异种金属可以为选自由银(Ag)、金(Au)、钯(Pd)和铱(Ir)组成的组中的一种或多种。
[0016]所述导电性载体可以为选自由炭黑、科琴黑和金属氧化物组成的组中的一种或多种。
[0017]所述核
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壳纳米颗粒的直径可以为3nm至6nm，壳的厚度可以为0.3nm至1.0nm。
[0018]所述燃料电池催化剂在O2饱和的0.1M HClO4电解质溶液中在电压为0.05V至1.05V(vs.RHE)的电位范围内在5mV/s的扫描速率和1,600rpm的旋转速率下测量的电化学比活性为0.4mA/cm2至0.6mA/cm2，并且质量活性为0.06mA/μg至0.08mA/μg。
[0019]在另一个一般方面，一种制备燃料电池催化剂的方法包括：通过将在导电性载体上负载有含有铂和过渡金属的核的核
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载体颗粒分散在有机溶剂中，并且在还原性气体氛围下搅拌分散液，制备核
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载体颗粒分散液(S1)；通过将所述核
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载体颗粒分散液与异种金属前体溶液混合进行电偶置换反应，产生混合物(S2)；以及洗涤并干燥所述混合物，然后在还原性气体氛围下热处理(S3)。进行电偶置换反应包括：将所述核
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载体颗粒分散液制备成pH为2至5的酸性分散液，然后将该分散液与异种金属前体溶液搅拌混合(S2
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1)；或者通过将所述核
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载体颗粒分散液与所述异种金属前体溶液搅拌混合来制备含有核
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壳纳米颗粒的分散液，然后洗涤并干燥所述含有核
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壳纳米颗粒的分散液，之后热处理以制备一次核
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壳纳米颗粒，再将所述一次核
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壳纳米颗粒分散在pH为2至5的酸性溶液中(S2
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2)。
[0020]所述核
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载体颗粒可以通过将溶解有导电性载体的有机溶液与溶解有铂前体和过渡金属前体的金属前体有机溶液混合并反应，然后洗涤并干燥混合物来制备。
[0021](S1)中的所述分散可以通过超声处理进行。
[0022](S2
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1)中的所述酸性分散液可以通过在还原性气体氛围下将酸添加到所述核
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载体颗粒分散液中来制备。
[0023](S2)中的所述异种金属前体溶液可以通过将异种金属前体溶解在有机溶剂中来制备，所述异种金属前体可以为选自由所述异种金属的氮化物、氯化物、硫化物、乙酸盐、乙酰丙酮化物、氰化物和水合物组成的组中的一种或多种化合物。
[0024](S2
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1)和(S2
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2)中的所述搅拌混合可以通过将溶液搅拌12小时至24小时来进行。
[0025](S2
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2)中的所述酸性溶液可以为乙酸以1M至3M溶解于醇中的溶液。
[0026](S3)中的所述热处理可以在还原性气体氛围中在300℃至900℃下进行。
[0027]在另一个一般方面，燃料电池包括：正极；与所述正极相对的负极；以及位于所述正极和所述负极之间的电解质膜，其中，所述正极和所述负极中的至少一个包含所述燃料电池催化剂。
[0028]其他特征和方面将从以下具体实施方式、附图和权利要求明白。
附图说明
[0029]本专利技术的上述和其他方面、特征和其他优点将从以下结合附图的具体实施方式中得到更清楚的理解，其中：
[0030]图1A
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1D是实施例1的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池催化剂，其包含：导电性载体；和在所述载体上负载的核
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壳纳米颗粒，其中，所述核包含铂和过渡金属，所述壳包含异种金属，在O2饱和的0.1M HClO4电解质溶液中在电压为0.05V至1.05V(vs.RHE)的电位范围内在5mV/s的扫描速率和1,600rpm的旋转速率下测量的电化学比活性为0.3mA/cm2至0.6mA/cm2，并且质量活性为0.05mA/μg至0.08mA/μg。2.如权利要求1所述的燃料电池催化剂，其中，所述过渡金属为选自由钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)和铁(Fe)组成的组中的一种或多种。3.如权利要求1所述的燃料电池催化剂，其中，所述异种金属为选自由银(Ag)、金(Au)、钯(Pd)和铱(Ir)组成的组中的一种或多种。4.如权利要求1所述的燃料电池催化剂，其中，所述导电性载体为选自由炭黑、科琴黑和金属氧化物组成的组中的一种或多种。5.如权利要求1所述的燃料电池催化剂，其中，所述核
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壳纳米颗粒的直径为3nm至6nm，壳的厚度为0.3nm至1.0nm。6.如权利要求1所述的燃料电池催化剂，其中，所述燃料电池催化剂在O2饱和的0.1M HClO4电解质溶液中在电压为0.05V至1.05V(vs.RHE)的电位范围内在5mV/s的扫描速率和1,600rpm的旋转速率下测量的电化学比活性为0.4mA/cm2至0.6mA/cm2，并且质量活性为0.06mA/μg至0.08mA/μg。7.一种制备权利要求1所述的燃料电池催化剂的方法，所述方法包括：通过将在导电性载体上负载有含有铂和过渡金属的核的核
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载体颗粒分散在有机溶剂中，并且在还原性气体氛围下搅拌分散液，制备核
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载体颗粒分散液(S1)；通过将所述核
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载体颗粒分散液与异种金属前体溶液混合进行电偶置换反应，产生混合物(S2)；和洗涤并干燥所述混合物，然后在还原性气体氛围下热处理(S3)，其中，进行所述电偶置换反应包括：将所述核
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载体颗粒分散液制备成p...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞恩英，姜允植，刘大钟，李圣哲，刘成钟，李世显，张柱赫，李应准，
申请(专利权)人：韩国科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：