板状催化剂产物和制造其的方法技术

本发明专利技术提供一种催化剂产物，其具有具体的三维板状形状，且包括催化剂纳米颗粒和用于制造其的方法。本发明专利技术的产物可以在燃料电池或电池应用中使用。在一些实施例中，本发明专利技术的催化剂在低催化剂负载量下仍呈现良好的催化活性和耐久性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术提供一种催化剂产物，其具有具体的三维板状形状，且包括催化剂纳米颗粒和用于制造其的方法。本专利技术的产物可以在燃料电池或电池应用中使用。在一些实施例中，本专利技术的催化剂在低催化剂负载量下仍呈现良好的催化活性和耐久性。【专利说明】
本专利技术通常涉及具有各种成分和结构的催化剂，且具体涉及在低负载量下具有高催化活性的板状催化剂产物和用于制造其的方法。
技术介绍
聚合物电解质型薄膜燃料电池(PEMFC:Polymer electrolyte membrane fuelcell)以电化学方式让氢燃料与氧化剂反应，以生产电力，在纯氢被用作燃料时副产物仅是热和水。已知的是使用金属或金属氧化物颗粒作为燃料电池应用中的催化剂。在PEMFC中，常见的是使用基于钼的催化剂，其包括碳载钼(carbon supported platinum),和具有钯和其他金属的碳载钼合金。钼催化剂提供良好的氢电化学活性和在强酸性介质中的良好耐久性，例如聚四氟乙烯(PTFE)树脂颗粒，薄膜通常用聚四氟乙烯制造。钼的高成本和价格波动性使得人们期望使其在燃料电池中的使用最小化。已经试图在电极上的碳载体上形成钼的更薄薄膜。通过该方法，已经可以减少基于钼的颗粒的使用，从2005年的绕8mg/cm2减小到2010年的约0.3mg/cm2。在研究领域,在阳极侧已经获得了低至0.15mg/cm2的钼负载量。然而，阴极侧上钼负载量仍然高，这增加了 PEMFC系统的成本。期望的是，在燃料电池系统中使用的催化剂具有良好的催化活性和耐久性。催化剂的重要的电化学性能包括比表面面积(活性表面面积)、结构、成分和催化活性。将钼颗粒的尺寸减少到低于约4纳米显示出，即使小的尺寸会增加总表面面积，但会减少总电化学活性。约4nm或更高的钼纳米颗粒由此被认为是期望用在PEMFC系统中的。通常，用在PEMFC系统中的钼纳米颗粒具有球形或扭曲的球形形状。颗粒的一部分不可用于催化，因为其被附接到基板。进一步地，纳米颗粒的某些露出表面将不能很好地被利用，因为氧气这样的大分子与氢这样的小分子相比具有与球形纳米颗粒表面上的活性位置接触的更低可能性。此外，对于球形颗粒，因为大部分催化反应为表面反应，所以构成大部分重量的球形颗粒的内部部分根本无法被利用。因此，用于催化反应的球形颗粒是不理想的。催化反应取决于催化剂的大的表面面积、催化剂的催化活性和反应条件。催化剂的活性位置是尤其重要的且直接与催化活性相关。众所周知的是，更多的晶粒边界、晶体缺陷(包括孪晶、位错、失配)和不同元素之间的连结或同一元素的不同化学状态都会促进反应的催化活性。燃料电池系统中其他参数的操控(例如空气压力)可改善催化性能，但是通常不能完全克服球形纳米颗粒的固有缺点，因为虽然控制了空气压力但是纳米颗粒的内部部分(非表面部分)仍未被利用。此外，难以增强限定尺寸球形纳米颗粒的活性位置，尤其是在针对处理条件使其优化时，例如通过浸溃或热还原手段制备钼纳米颗粒。用于制造纳米颗粒膜的各种方法是已知的。例如，US6，458，431公开了一种方法，用于通过来自一溶液的前体的固态膜将纳米颗粒沉积为无定形薄膜，所述固态膜被沉积在基板上且被转换成为金属或金属氧化物膜。该方法可在空气或其他气体条件下从金属有机络合物的固态膜生产无定形的薄膜和一些金属薄膜。纳米颗粒的形状大部分是不规则的的，且它们中的一些是球形的。US2004/91423公开了无光阻的方法,用于从金属有机络合物沉积金属和金属氧化物构成的膜。该方法可用于通过照射固态膜中的金属有机络合物而印出微米或亚微米尺寸的图案。无定形形式或一些金属形式的所制造纳米颗粒充满孔洞。纳米颗粒形成的薄膜具有20到数百纳米范围的厚度。US2008/085326公开了新颖的抗菌材料，其包括可渗透结构的活性氧、金属氧化物和金属的多晶纳米颗粒，这也与纳米尺寸载体上的催化剂无关。因而，本专利技术实施例的目的是提供一种纳米颗粒催化剂，其以低的负载量提供改进的催化活性。本专利技术的进一步实施例的目的是提供一种制造这种纳米颗粒催化剂的方法。从以下的描述可理解本专利技术的其他目的。
技术实现思路
本专利技术描述了具有各种成分的板状催化剂产物，其具有的结构能提供比常规的球形催化颗粒更好的催化活性。板状催化剂产物的结构用均质成分或不连续复合的方式(固体形式或多孔形式)的小颗粒制造。形成板状催化剂产物的小颗粒提供许多边界、边缘和/或形态，其用作用于显著增强催化活性的活性位置。本专利技术的催化剂产物可以用多晶钼或钼合金催化剂颗粒形成。在一些实施例中，催化剂颗粒是纳米颗粒。本专利技术进一步描述了制造这种纳米颗粒的方法。如在本文使用的，术语“纳米颗粒”是指最大直径为IOOOnm的颗粒。如在本文使用的，术语“板状催化剂产物”是指包括顶部表面、底部表面和厚度的催化剂产物；顶部表面包括活性位置且相对平坦，且厚度小于顶部表面的最大直径。例如，厚度可以比顶部表面的最大直径小至少约25%、约30%、约40%、约50%。催化剂板状物可以为任何合适的形状，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形、楔形等。根据本专利技术的一个方面，提供一种制造板状催化剂产物包括的方法:选择一种或多种金属有机络合物前体，每一个络合物包括金属离子和有机配体，在所形成的催化剂产物中时所述有机配体中至少一种金属离子对目的应用具有催化作用；在溶液中将载体材料和所述金属有机络合物前体混合，以形成混合物；允许金属有机络合物前体的分子吸附在载体材料的表面上；且照射混合物，直到每一个配体从金属离子分解且金属有机络合物的分子被转换成一种或多种金属纳米颗粒，至少一种金属纳米颗粒形成附接到载体材料的催化纳米颗粒产物。根据本专利技术的另一方面，提供通过上述方法制造的催化剂产物。根据本专利技术的另一方面，该方法可被改变以制造一种载体，通过将形成载体的金属有机络合物和形成催化剂的金属有机络合物(一种或多种)混合在一起而使得所述载体载有含板状金属的催化剂产物。照射被用于使得金属络合物分解，且所形成的催化剂颗粒被装载在所制造的载体上，例如载有银的二氧化钛纳米颗粒。催化剂颗粒可沉积在载体的表面上，或均匀地嵌入在载体中。根据本专利技术的又一方面，提供一种催化剂产物，其包括形成板状形状和晶体和/或无定形结构的催化剂纳米颗粒。本专利技术的催化剂产物具有高纯度且通常没有有机和无机污染物。使用浸溃以在载体上制备催化剂的大多数常规的方法是在具有不同金属盐、酸和碱、表面活性剂和其他无机化合物的水溶液中执行的。使用常规方法在载体上获得高纯度的催化剂是非常困难的且通常涉及许多清洗和后净化步骤。根据本专利技术一个方面的方法使用晶体形式的高纯度金属有机络合物，以溶解在挥发性有机溶剂中。具体的所选择有机配体将退化成其他挥发性片段，其可通过离心、分离、用有机溶剂(一种或多种)清洗和在真空下蒸发(在具有/没有低温加热的情况下)而被容易地去除。这将仅使得含有金属的催化剂沉积在所选择或制备的载体上。明显的是，新型的高纯度催化剂将比具有一些污染物残留的催化剂具有更好的催化活性。本
技术实现思路
不是必须要描述本专利技术的所有特征。在阅读本专利技术【具体实施方式】的以下描述时本领域技术人员可理解本专利技术的其他方面、特征和优点。【专利附图】【附图说明】图1(a)是根据一个实施例的多晶板状催本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造催化剂产物的方法，包括:(a)选择一种或多种金属有机络合物前体，每一络合物包括金属离子和有机配体，在所形成的催化剂产物中时所述有机配体中至少一种金属离子对目的应用具有催化作用;(b)在溶液中将载体材料和所述金属有机络合物前体混合，以形成混合物;(c)允许金属有机络合物前体的分子吸附在载体材料的表面上;(d)照射混合物，直到每一个配体从金属离子分解且金属有机络合物的分子被转换成一种或多种金属纳米颗粒，至少一种金属纳米颗粒形成附接到载体材料的催化纳米颗粒产物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：HX阮，
申请(专利权)人：蓝氧科技有限股份公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA