本发明专利技术提供通过辐射退火，通常是激光退火，通常在惰性气氛下制备增强活性的纳米结构化薄膜催化剂的方法。通常所述惰性气体的残余氧水平为100ppm。通常所述辐射的入射能通量为至少30mJ/mm2。在一些实施例中，所述辐射退火通过激光退火来实现。在一些实施例中，所述纳米结构化薄膜催化剂布置在连续幅材上。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过辐射退火，通常是激光退火，通常在惰性气氛下制备增强活性的纳米结构化薄膜催化剂的方法。
技术介绍
美国专利No. 5，879，827 (其公开内容以引用的方式并入本文)公开了纳米结构化元件，该元件包括负载针状纳米观催化剂粒子的针状微结构化支撑晶须。所述催化剂粒子可包括不同催化剂材料的交替层，所述不同催化剂材料可在组成、合金度或结晶度方面不同。 美国专利No. 6，482，763 (其公开内容以引用的方式并入本文)公开了燃料电池电极催化剂，该催化剂包括交替的含钼层和含第二金属的低氧化物的层，所述低氧化物表现出CO氧化的较早发生。美国专利No. 5，338，430,No. 5，879，828,No. 6，040，077 和 No. 6，319，293 (其公开内容均以引用的方式并入本文)也涉及纳米结构化薄膜催化剂。美国专利No. 4，812，352, No. 5，039，56K No. 5，176，786 和 No. 5，336，558 (其公开内容均以引用的方式并入本文)涉及微结构。美国专利No. 7，419，741 (其公开内容以引用的方式并入本文)公开了燃料电池阴极催化剂，该催化剂包括通过如下方式形成的纳米结构将交替的钼层和第二层沉积于微结构载体上，这可形成一种三元催化剂。美国专利No. 7，622，217 (其公开内容以引用的方式并入本文)公开了燃料电池阴极催化剂，该催化剂包括负载纳米观催化剂粒子的微结构化支撑晶须，该纳米观催化剂粒子以指定体积比和Mn含量包含钼和锰以及至少一种其他金属，其中所述其他金属通常为Ni 或 Co。专利技术内容简而言之，本专利技术提供制备增强活性的催化剂的方法，所述方法包括以下步骤a)提供纳米结构化薄膜催化剂；和b)在残余氧水平为IOOppm或更低的惰性气体条件下通过入射能通量为至少30mJ/mm2的照射来对所述纳米结构化薄膜催化剂进行辐射退火。在一些实施例中，所述惰性气体的残余氧水平为50ppm或更低。在一些实施例中，所述入射能通量介于35mJ/mm2和40mJ/mm2之间。在一些实施例中，步骤b)的福射退火为激光退火。在一些实施例中，步骤b)的辐射退火为通过使用CO2激光器的激光退火。在一些实施例中，步骤b)的辐射退火为电子束退火。在一些实施例中，所述纳米结构化薄膜催化剂布置在连续幅材上。在本专利申请中“膜电极组件”是指包含膜的结构，其包括电解质(通常为聚合物电解质)和至少一个(但更典型的是两个或更多个)邻接所述膜的电极；“纳米结构化元件”是指针状、离散的、微观结构，该结构包括位于其表面至少一部分上的催化材料；“纳米观催化剂粒子”是指催化剂材料的粒子，所述粒子具有至少一个维度等于或小于约15nm,或具有约15nm或更小的微晶尺寸,所述尺寸由标准2- θ X射线衍射扫描的衍射峰半宽度来测量；“纳米观催化剂粒子的薄膜”包括离散的纳米观催化剂粒子的膜、熔融的纳米观催化剂粒子的膜，和为结晶或无定形的纳米观催化剂颗粒的膜；通常为离散的或熔融的纳米观催化剂粒子的膜，且最通常为离散的纳米观催化剂粒子的膜；·“针状”是指长度与平均横截面宽度的比大于或等于3 ；“离散的”是指具有独立身份的分开的元件，但并不排除元件之间相互接触；“微观”是指具有至少一个维度等于或小于约一微米；“平面等效厚度”是指，对于分布在表面上的层，其可以是不平坦分布的且其表面可以是不平坦的表面(例如散布在地表上的雪层，或在真空沉积过程中分布的原子层)，假设该层的总质量均匀地分布在覆盖与该表面的投影面积相同的面积(注意，一旦忽视不平坦形貌和褶积，该表面覆盖的投影面积小于或等于该表面的总表面积)的平面上而计算出的厚度；“双层平面等效厚度”是指第一层(如本文所述)和接下来存在的第二层(如本文所述)的总平面等效厚度。本专利技术的优点在于提供用于燃料电池的催化剂。本专利技术的目的和优点通过下面的实例进一步说明，但是这些实例中所提到的具体材料及其数量，以及其他条件和细节，均不应被解释为对本专利技术的不当限制。附图说明图I为用于根据本专利技术的方法的实施例中的激光束在处理平面处的标称激光功率的图，其中射束至少部分地被剃刀刀片遮挡，其中X轴表示从挡住所有射束的起始位置起始直到完全退出激光束路径的刀片位直。图2为用于执行本专利技术的方法的一个实施例的设备的示意图。图3是绘制成随着用于处理催化剂的激光扫描速度变化而变化(如实例I中所述)的通过X射线衍射所测定的来自组#3的催化剂的Pt fcc(hkl)晶粒尺寸的图。图4A和4B为绘制成如实例I中所述随着通量变化而变化的比活(4A)和燃料电池质量活(4B)的图。图5A为显示如实例2中所述暴露在空气或N2下并在4m/s或4. 5m/s速率下的激光处理的样品上留下的Pt载量的XRF测定的图。图5B 为显不如实例 2 中所述用 PtCoMn 中 O. 05mg/cm2、0. IOmg/cm2 和 O. 15mg/cm2的Pt制成的样品的XRF校准曲线的图。图6A和6B为如实例2中所述质量活对气体类型和通量所作的图。图7A和7B为如实例2中所述质量比表面积对气体类型和通量所作的图。图8A和8B为如实例2中所述比活对气体类型和通量所作的图。图9A和9B为如实例2中所述Pt晶粒尺寸和晶格常数的图。图10为如实例3中所述四种催化剂类型的质量比表面积对气体类型所作的图。图11为如实例3中所述四种催化剂类型的比活对气体类型所作的图。图12为如实例3中所述四种催化剂类型的质量活对气体类型所作的图。图13A表示如实例4中所述使用Pt3tlNi7tl制成的催化剂样品的动力区域和中等电流密度区域中的动电流极化曲线。 图13B至13E比较如实例4中所述三种样品类型和未处理的对照的ORR量度。图14A为针对实例5中所述的样品的PtCoMn合金催化剂的Pt面心立方(111)晶格参数随电子束辐射曝光改变而改变的图，如由X射线衍射图案所推导的。图14B为显示针对实例5中所述的样品的PtCoMn合金催化剂的Pt fcc[lll]微晶尺寸的变化随电子束辐射曝光改变而改变的图，如由X射线衍射图案所推导的。图14C表示实例5中所述的催化剂样品的动电流极化曲线。图14D表示对实例5中所述的催化剂样品测定的氧还原反应(ORR)燃料电池量度。具体实施例方式本专利技术描述用于增加纳米结构化薄膜(NSTF)PEM燃料电池电催化剂的氧还原活性的后制造方法。所述方法包括在最小残余氧水平为IOOppm或更低的惰性气体中以至少30mJ/mm2的入射通量对催化剂合金涂覆的NSTF晶须进行激光退火、电子束退火或其他辐射退火。以4m/s使用扫描CO2激光器，结果是NSTF-PtCoMn合金的质量活(A/mgPt)增加50%。其与移动幅材工艺相容。Pt基合金是目前用于机动车应用开发下的PEM燃料电池的阴极的最佳电催化剂。使用中存在两种基本类型的催化剂，其中标准的为承载在炭黑上的分散Pt纳米粒子。较新的替代形式是纳米结构化薄膜催化剂，称为NSTF。本专利技术展示通过在诸如Ar的惰性气体气氛下将位于幅材上的催化剂涂覆的晶须暴露于诸如工业CO2激光器的扫描激光器来增加原始制备的催化剂的质量活的方法。在介于35mJ/mm2和40mJ/mm2之间的恰当能通量下，并且在低本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.04.26 US 61/328,0641.一种制备增强活性的催化剂的方法，所述方法包括以下步骤 a)提供纳米结构化薄膜催化剂； b)在残余氧水平为IOOppm或更低的惰性气体下通过入射能通量为至少30mJ/mm2的照射对所述纳米结构化薄膜催化剂进行辐射退火。2.根据权利要求I所述的方法，其中所述惰性气体的残余氧水平为50ppm或更低。3.根据前述...
【专利技术属性】
技术研发人员：马克·K·德贝，罗伯特·L·W·史密森，查尔斯·J·斯图迪内四世，苏珊·M·亨德里克斯，迈克尔·J·库尔科夫斯基，安德鲁·J·L·斯坦巴克，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：
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