细粒金属催化剂及其制造方法技术

本发明专利技术涉及细粒金属催化剂及其制造方法，尤其涉及一种便宜、高效的催化材料优选地通过浸出处理形成。所述催化剂包含细粒金属微粒和载体。活性材料可以是一种颗粒尺寸小于约１００埃的镍和／或镍合金微粒。所述载体可以是一种或多种金属氧化物。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及便宜的催化材料，更准确地说涉及非铂和非钯催化材料，以及生产该催化材料的便宜方法。
技术介绍
燃料电池是一种电化学装置，在该装置中传统燃料的化学能直接和有效地转换成 低压电能。燃料电池具有许多潜在的用途，如给交通运输工具供电、替代蒸汽轮机和远程供 电应用等。 如同传统的电池一样，燃料电池通过利用电化学反应来工作。与电池不同的是，电 池中化学能存储在电池内，燃料电池一般由电池外部提供反应剂。除非电极故障，只要提供 燃料(最好是氢)和氧化剂(最好是氧或含氧的空气)，以及去除反应产物，电池就继续工 作。 燃料电池也发动机或发电机系统提供了许多重要优势。包括较高的效率，特别是 当利用氢气作为燃料时的合乎环境要求的清洁运行、高可靠性、较少的移动部件以及安静 的运行。 在图4中示出了具有反应物/产物气体以及穿过电池的离子传导流向的燃料电池 的示意图。参考图4，一般燃料电池10的主要部件是一个阳极14、一个阴极16和一个电 解质层12。在示出的实施例中，所述阳极14和阴极16互相接触并位于所述电解质层的相 对边。在运行过程中，燃料的连续流(一般为氢)供给阳极14，与此同时，连续的氧化剂流 (一般为氧或空气)供给阴极16。在所示出的例子中，所述氢是经由一个氢气室13供给到 阳极14的。同样地，所述氧气或空气通过一个氧气/空气室17供给阴极16。燃料在阳极 通过催化剂的作用随着电子的释放而氧化。通过催化剂的重复作用，这些电子通过电池外 部的电线从阳极14经过负荷18传导给阴极16，在阴极16氧化剂减少而电子被消耗掉。从 阳极14到阴极16的持续电子流就构成了一个能够用来做有用功的电流。典型地，反应物 如氢和氧分别通过多孔的阳极14和阴极16供给，并与电解质12的表面接触。用于阳极14 和阴极16的具体材料是很重要的，因为它们必须担当发生反应的有效催化剂。 不管其潜在的优势如何，大部分由于其较高的成本，燃料电池还没有广泛应用。其 高成本的一个重要因素是现有技术的催化材料的低催化效率和/或许多上述材料的高成 本。材料的低催化效率增加了燃料电池的运行成本，因为这样的低效率导致一定量燃料较 低的电能输出。使用昂贵的催化材料(例如贵金属催化剂)导致燃料电池对于广泛应用来 说是太贵了。 低成本下的高催化效率是一个预期效果，这在燃料电池广泛商业应用可能之前是必须获得的。现有技术的燃料电池的阳极催化剂，通常被断言为具有较低的催化活性部位密度的昂贵的贵金属催化剂之一，不能满足要求。本专利技术提供一种新型的、低成本和高效的催化材料，该催化材料可用于各种应用，如燃料电池的阳极。本专利技术也提供一种制造该新型催化材料的有效和便宜的方法。 专利技术概述 本专利技术的一个目的是提供一种可用于利于燃料电池阳极中氢气消耗的便宜、高效的催化材料。本专利技术的另一个目的是提供一种具有小颗粒尺寸的被细分的金属颗粒的催化材料。本专利技术的另一目的是提供一种用于制造该催化材料的节省成本的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种燃料电池阳极和一种结合有该催化材料的燃料电池。这些和其他目的由一种没有铂和钯的催化剂满足，该催化剂包含一种颗粒尺寸小于约100埃的金属颗粒；以及一种载体。 这些和其他目的也可由一种催化剂来满足，该催化剂包含一种颗粒尺寸小于约 100埃的镍和/或镍合金颗粒，镍合金中不含铂和钯；以及一种载体。 这些和其他目的也可由一种催化剂满足，该催化剂含有一种金属颗粒和一种载 体，其特征在于该催化剂是由含有至少浸出(leach)大部分储氢合金这一步的工艺形成 的。 这些和其他目的可由制造一种催化剂的方法来满足，该方法包含步骤提供一种 储氢合金；至少浸出大部分合金。 这些和其他目的可由一种燃料电池满足，该电池包含一种具有不含铂和钯的催 化剂的阳极，该催化剂包含一种颗粒尺寸小于100埃的金属颗粒，和一种载体。该燃料电 池最好还包含一个阴极和一种电解质。该电解质可包含一种碱性材料。 这些和其他目的可由一种燃料电池满足，该电池包含一种具有一种催化剂的阳 极，该催化剂包含一种颗粒尺寸小于100埃的镍和/或镍合金颗粒，该镍合金不含铂和钯， 和一种载体。该燃料电池最好还包含一个阴极和一种电解质。该电解质可包含一种碱性材 料。 附图的简要描述 附图说明图1是一张STEM显微照片，示出了用一种碱性溶液浸出储氢合金颗粒的效果； 图2是一张本专利技术催化材料的STEM显微照片，是在明视野成像(Brightfield Imaging)下形成的，示出了催化活性镍的富集区； 图3是一张STEM显微照片，是在暗视野成像(Darkf ield Imaging)下形成的，与图2是相同的催化材料区域； 图4是一个燃料电池的示意图； 图5是一个使用本专利技术催化剂的碱性燃料电池的示意图； 图6是一个示意图，示出了含有一种催化剂和一种疏水材料的碱性燃料电池的阳 极层实例； 图7是一个图表，示出了 Ni-MH电池在C/10速度下充电20小时的电池电压和压 力与时间之间的关系； 图8示出了图7中Ni-MH电池的电池电压和压力与时间的关系图表，所述电池在 断路结构下保持空闲5小时； 图9示出了 Ni-MH电池在多次充放电循环之后以C/10的速度充电20小时的电池 电压和压力与时间的关系；以及 图10示出了图9中Ni-MH电池的电池电压和压力与时间的关系，所述电池在断路结构下保持断路5小时。 专利技术的详细描述 在这里所公开的是一种新型催化剂，特别是可用于促进燃料电池阳极上的分子氢 消耗的催化剂。所述催化剂设计成具有一种高密度的催化活性部位以提供有效的、低成本 的燃料电池操作。由于具有较大密度的催化活性部位，更容易发生氢氧反应以允许在减小 成本的情况下更有效地消耗氢气。 通常，本专利技术的催化剂包含一种金属微粒和一种载体。所述微粒可以附着在该载 体的表面上。或者，所述微粒可以部分或全部嵌入该载体。所述金属微粒是多种金属微粒。 优选地，每种金属微粒可以是一种基本上纯净的元素金属，或可以是两种或多种元素金属 的合金。 一种或多种单独的颗粒可以是两种或多种元素金属、两种或多种合金、或一种元素 金属和一种合金的复合物或混合物。所有的颗粒可以具有相同的组成或可以是具有不同组 成的颗粒混合物。同样，一些颗粒基本上可以是纯元素金属，而其它颗粒可以是两种或多种 元素金属的合金。 在本专利技术的一个优选实施例中，催化剂不含铂和钯两种金属。因此，没有铂颗粒和 钯颗粒。同样，也没有包含铂或钯作为合金、复合物或混合物的一部分的金属颗粒。 在本专利技术的另一实施例中，金属颗粒包含镍颗粒和/或镍合金颗粒。镍合金包括 镍和至少一种附加元素金属。优选地，该至少一种附加元素金属可以是除铂或钯金属之外 的任何元素金属。(因此，优选不含铂和钯两种金属的镍合金)。更好地，该至少一种附加 元素金属是从由Al、Co、Sn、Mn、Ti和Fe构成的组中选择的。最好地，该至少一种附加元素 金属是从由Al、 Co、 Sn、 Mn、 Ti构成的组中选择的。可使用的镍合金的实例包括包含Ni和 Co的镍合金；包含Ni、 Co和Al的镍合金；包含Ni、 Co、 Mn和Ti的镍合金；包含Ni、 Co、 Mn 和Fe的镍合金；以及包含Ni和Mn的镍合金。镍合金的具体实例包括Ni本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种催化剂，包括：具有在约１０埃－约７０埃之间的平均颗粒尺寸的镍或镍合金微粒，所述微粒分散在载体中，所述催化剂主要由其镍或镍合金微粒及载体组成，其中所述镍合金是从ＮｉＣｏ合金、ＮｉＭｎ合金、ＮｉＣｏＡｌ合金、ＮｉＣｏＭｎＴｉ合金和ＮｉＣｏＭｎＦｅ合金构成的组中选择的合金。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MA费特岑科，SR奥夫辛斯基，K杨，
申请(专利权)人：双向电池公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]