本发明专利技术提供了一种Pt-Ni催化剂，其表现出非常高的氧还原质量活性。在一些实施例中，所述Pt-Ni催化剂是一种Pt-Ni二元合金。在一些实施例中，所述催化剂可表征为Pt?fcc晶格参数小于3.71埃或0.371nm。在一些实施例中，所述催化剂的Pt?fcc晶格参数在3.69埃(或0.369nm)和3.73埃(或0.373nm)之间。在一些实施例中，所述催化剂可表征为具有接近PtxNi(1-x)的组成，其中x在0.2和0.4之间。在一些实施例中，所述催化剂包括纳米结构化元件，所述纳米结构化元件包含具有纳米级催化剂颗粒的薄膜的微结构化支承晶须，所述纳米级催化剂颗粒的薄膜包括上述催化剂材料。所述催化剂可特别用作燃料电池催化剂，并且更具体地说，用作燃料电池阴极催化剂。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种Pt-Ni催化剂，其表现出非常高的氧还原质量活性。该催化剂尤其可用作燃料电池催化剂，并且更具体地说，用作燃料电池阴极催化剂。
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，该元件包含带有针状纳米级催化剂颗粒的针状微结构化支承晶须。所述催化剂颗粒可包含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，该催化剂包含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，该催化剂包含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，该催化剂包含带有纳米级催化剂颗粒的微结构化支承晶须，该纳米级催化剂颗粒以指定体积比和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。
技术实现思路
本专利技术涉及一种表现出非常高的氧还原质量活性的Pt-Ni催化剂。在一些实施例中，所述Pt-Ni催化剂是一种Pt-Ni 二元合金。在一些实施例中，所述催化剂可表征为Pt fee晶格参数小于3. 71埃或O. 371nm。在一些实施例中，所述催化剂的Pt fee晶格参数小于3. 72埃或O. 372nm。在一些实施例中，所述催化剂的Pt fee晶格参数小于3. 73埃或O. 373nm。在一些实施例中，所述催化剂的Pt fee晶格参数在3. 69埃(或O. 369nm)和3.73埃(或O. 373nm)之间。在一些实施例中，所述催化剂的Pt fee晶格参数在3. 70埃(或O. 370nm)和3. 72埃(或O. 372nm)之间。在一些实施例中，所述催化剂可表征为具有接近PtxNi(1_x)的组成，其中X在O. 2和O. 4之间。在一些实施例中，X在O. 21和O. 34之间。在一些实施例中，X在O. 22和O. 38之间。在一些实施例中，X在O. 22和O. 33之间。在一些实施例中，X在O. 26和O. 33之间。在一些实施例中，X在O. 28和O. 32之间。 在一些实施例中，所述催化剂包含纳米结构化元件,所述纳米结构化元件包含带有纳米级催化剂颗粒的薄膜的微结构化支承晶须，所述纳米级催化剂颗粒包括上述催化剂材料。所述催化剂可尤其用作燃料电池催化剂，并且更具体地说，用作燃料电池阴极催化剂。在本专利申请中“膜电极组件”是指包含膜的结构，其包含电解质(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，该结构包含位于其表面至少一部分上的催化剂材料；“纳米级催化剂颗粒”是指催化剂材料的颗粒，所述颗粒具有至少一个面等于或小于约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；“纳米级催化剂颗粒的薄膜”包括离散的纳米级催化剂颗粒的膜、熔融的纳米级催化剂颗粒的膜，和为结晶或无定形的纳米级催化剂颗粒的膜；通常为离散的或熔融的纳米级催化剂颗粒的膜，且最通常为离散的纳米级催化剂颗粒的膜；“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”是指具有至少一个面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。附图说明图I是针对多种三元Pt合金，通过电子微探针分析(XRD)测量的Pt合金fee晶格参数对Co和Ni的组合原子百分比的曲线图。图2是针对一系列PtNi 二元催化剂，通过电子微探针分析(XRD)测量的被测氧还原质量活性对PtNi fee晶格参数的曲线图。图4是通过EMP测量，在燃料电池中测得的燃料电池质量活性对在一系列PtxNiy合金组成中Ni的原子百分比的曲线图，并且涉及了所有检测到的元件，包括氧。图5是通过EMP测量，在燃料电池中测得的燃料电池质量活性对在一系列PtxNiy合金组成中Ni的原子百分比的曲线图，并且仅涉及了 Ni和Pt。图6是通过XRF测量，在燃料电池中测得的燃料电池质量活性对在一系列PtxNiy合金组成中Ni的原子百分比的曲线图。图7是通过测定重量的装置进行测量，在燃料电池中测得的燃料电池质量活性对在一系列PtxNiy合金组成中Ni的原子百分比的曲线图。具体实施例方式本专利技术提供了一种Pt-Ni催化剂，其表现出非常高的氧还原质量活性。在一些实施例中，所述催化剂可通过具有小于3. 71埃的Pt fee晶格参数来表征。在一些实施例中，所述催化剂可通过具有接近PtxNi(1_x)的组成来表征，其中X在O. 2和O. 4之间。所述催化剂可尤其用作燃料电池催化剂，并且更具体地讲，用作燃料电池阴极催化剂。本专利技术描述了一种特定Pt合金晶体结构和晶格参数，当其用作燃料电池阴极催 化剂时，在氧还原活性方面显著提高。据观察，具有高Ni原子百分比的PtNi合金的活性随着所述原子百分比在约60%至约65% (通过电子微探针测量)，或者65%至约73% (通过定量测量)(优选的)，或73%至约78% (通过X射线荧光确定)的非常小的范围内变化而显著增长，并且fee晶格参数降到3. 71埃以下。据信，低数值的晶格参数是关键性的。本专利技术用PtNi 二元合金进行说明，允许氧还原活性是标准催化剂组成(例如，NSTFPt68.7Co28.5Mn2.7三元催化剂)的两倍。用晶格参数为 3. 71埃的新PtNi合金进行测量，电流质量活性值是O. 32A/mgPt (仅利用O. 10mgPt/cm2)。本专利技术有可能使当前最佳NSTF催化剂ORR活性加倍，从而直接提高高电流密度性能并最终改进堆叠尺寸和成本，改进在低功率操作条件下的操作效率并因此提高车辆燃料效率，并且间接影响诸如水管理和制动处理(break-in conditioning)的其它因素。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，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 61/328,0491.一种包含纳米结构化元件的催化剂，所述纳米结构化元件包含具有纳米级催化剂颗粒的薄膜的微结构化支承晶须 ，所述纳米级催化剂颗粒的薄膜包含根据式PtxNi(1_x)的催化剂材料，其中X在O. 21和O. 39之间。2.根据权利要求I所述的催化剂，其中X在O.21和O. 34之间。3.根据权利要求I所述的催化剂，其中X在O.22和O. 38之间。4.根据权利要求I所述的催化剂，其中X在O.22和O. 33之间。5.根据权利要求I所述的催化剂，其中X在O.26和O. 33之间。6.根据权利要求I所述的催化剂，其中X在O.28和O. 32之间。7.根据权利要求I至6的任一项所述的催化剂，所述催化剂的Ptfee晶格参数小于3. 73。8.根据权利要求I至6的任一项所述的催化剂，所述催化剂的Ptfee晶格参数小于3. 72。9.根据权利要求I至6的任一项所述的催化剂，所述催化剂的Ptfee晶格参数小于3. 71。10.根据权利要求I至9的任一项所述的催化剂，所述催化剂的Ptfee晶格参数在3. 69和3. 73之间。11.根据权利要求I至9的任一项所述的催化剂，所述催化剂的Ptfee晶格参数在3. 70和3. 72之间。12.一种包含纳米结构化元件的催化剂，所述纳米结构化元件包含具有纳米级催化剂颗粒的薄膜的微结构化支承晶须，所述纳米级催化剂颗粒的薄膜包含一种催化剂材料，所述催化剂材料为Pt fee晶格参数在3. 69和3. 73之间的PtNi 二元合金。13.根据权利要求12所述的催化剂，所述催化剂的Ptfee晶格参数在3. 70和3. 72之间。14.一种包含纳米结构化元件的催化剂，所述纳米结构化元件包含具有纳米级催化剂颗粒的薄膜的微结构化支承晶须，所述纳米级催化剂颗...
【专利技术属性】
技术研发人员：马克·K·德贝，乔治·D·韦恩斯特伦，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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