Окислителен контрол на порестата структура в катализатори, поддържани от въглерод, базирани на PGM - GM

Метод за образуване на катализатор с въглероден носител, методът включва:
Осигуряване на първи катализатор, поддържащ въглерод, имащ метал, поддържан от платинена група, поддържан върху първа въглеродна подложка, първата въглеродна подложка има първи среден диаметър на порите и първа средна повърхност; и
Привеждане на първия катализатор, поддържан с въглерод, в контакт с газ, съдържащ кислород, при температура по-ниска от около 250 ° C за предварително определен период от време, за да се образува втори катализатор, поддържан с въглерод, като вторият катализатор, поддържан с въглерод, е променена въглеродна подложка със втори среден диаметър на порите и втора средна повърхностна площ, където втората средна диаметър на порите е по-голяма от първата средна диаметър на порите и при която втората средна повърхностна площ е по-малка от първата средна повърхностна площ.

поддържани

2. Метод съгласно претенция 1, при който първият среден диаметър на порите е по-малък от 70 ангстрема, а вторият среден диаметър на порите е по-голям от 70 ангстрема.

3. Метод съгласно претенция 1, при който втората средна повърхност е по-малка от 500 m 2/g.

4. Метод съгласно претенция 1, при който първият въглероден носител има първи среден обем на порите, а промененият въглероден носител има втори среден обем на порите, като вторият среден обем на порите е по-малък от първия среден обем на порите.

5. Метод съгласно претенция 1, при който металът от платиновата група е избран от групата, състояща се от Pt, Pd, Au, Ru, Ir, Rh и Os.

6. Метод съгласно претенция 1, където първата въглеродна подложка е въглероден прах.

7. Метод съгласно претенция 1, където първата въглеродна подложка е въглероден прах.

8. Метод съгласно претенция 1, при който първата въглеродна подложка включва частици, избрани от групата, състояща се от нанотръби, нанотръби, наноплотове, електрически непроводими частици, сферични частици и комбинации от тях.

9. Метод съгласно претенция 1, при който първата въглеродна подложка е прах от въглерод с висока повърхност (HSC).

10. Въглероден катализатор, приготвен съгласно метода съгласно претенция 1.

В поне един аспект, настоящото изобретение се отнася до катализаторни материали за горивни клетки с подобрени характеристики.

Горивните клетки се използват като източник на електрическа енергия в много приложения. По-специално се предлага да се използват горивни клетки в автомобилите като заместител на двигателите с вътрешно горене. За транспортирането на йони между анода и катода, често използван дизайн на горивни клетки работи с твърда полимерна електролитна мембрана ("Твърд полимерен електролит, SPE") или протонообменна мембрана ("Протонна обменна мембрана, PEM").

Сажди с голяма площ са широко използвани като носител за катализатори на горивни клетки. В частиците, които го образуват, саждите с голяма повърхност често имат големи количества вътрешни микропори (15 nm).

Дълголетието на каталитичния преобразувател, особено по отношение на поддържането на висока производителност, е едно от основните предизвикателства, пред които е изправено развитието на технологията на горивните клетки за автомобилния сектор. Частиците от платина или платинени сплави губят своята електрохимична повърхност поради разтваряне и последващо узряване на Оствалд и поради миграция и коалесценция на частици по време на работа. Електрохимичното окисляване на въглеродната подложка увеличава тази миграция на частици и последващата загуба на ефективност при висока мощност. Окисляването на въглеродната подложка също причинява разрушаване на дебелината на електрода и порьозността на електродите, като по този начин предотвратява транспортирането на реагенти и последваща загуба на мощност. Поради това е обичайна практика за специалистите в тази област да избягват окисляването на въглеродната подложка.

Съответно тук има нужда от по-трайни катализаторни системи за катализаторните слоеве на горивните клетки.

Настоящото изобретение решава един или повече от проблемите на предшестващото състояние на техниката, като осигурява, в поне едно изпълнение, въглероден катализатор за приложение на горивни клетки. Поддържаният с въглерод катализатор включва метал от платинена група и въглеродна подложка с множество пори. Множеството пори имат среден диаметър на порите, който е по-голям от около 50 ангстрема. Металът от платиновата група е подреден върху въглеродната подложка или се носи върху въглеродната подложка.

КРАТКО ОПИСАНИЕ НА ЧЕРТЕЖИТЕ

1 е схематично напречно сечение на горивна клетка, съдържаща катализатори, поддържани от въглерод в слоевете на анода и/или катода;

Фигура 2 е схематично представяне на окислението на въглероден PGM катализатор;

3А показва графика на загуба на тегло за едночасова термична обработка на въглерод-поддържани катализатори във въздуха;

3В показва графика на загубата на тегло при термична обработка при 230 ° С като функция от времето за въглерод-поддържани катализатори във въздуха;

4А е ТЕМ микрофотография на катализатор, поддържан от платина/кобалт, преди топлинна обработка на въздух при 250 ° C;

4В е ТЕМ микрофотография на катализатор, поддържан от платина/кобалт, преди топлинна обработка на въздух при 250 ° C;

4С са показани микроскопични ТЕМ изображения на катализатор, поддържан от платина/кобалт, след термичната обработка на въздух при 250 ° C;

4D показва микроскопични ТЕМ изображения на катализатор, поддържан от платина/кобалт, след термична обработка на въздух при 250 ° C;

Фигура 5А е графика на абсорбирания обем, начертан спрямо относителното налягане за въглеродните катализатори;

5В е графика на въглеродните катализатори на производното на обема, погълнат по отношение на логаритъма на обема на порите, начертан спрямо диаметъра на порите;

Фигура 5С показва таблица, обобщаваща резултатите от BET за 5А и 5В; и

Фигура 6 показва графика на напрежението на горивните клетки спрямо плътността на тока за термично обработени и необработени катализатори с платина/кобалт.

Сега ще бъдат направени подробни препратки към предпочитаните в момента състави, изпълнения и методи на настоящото изобретение, които илюстрират най-добрите режими за практикуване на изобретението, известни в момента на изобретателите. Цифрите не са непременно в мащаб. Трябва да се разбере обаче, че разкритите изпълнения са само пример за изобретението, което може да бъде въплътено в различни и алтернативни форми. Следователно, конкретните подробности, разкрити тук, не трябва да се тълкуват като ограничения, а просто като представителна основа на различните аспекти на изобретението или като представителна основа за обучение на специалистите в областта на различните му приложения.

Трябва също така да се разбере, че това изобретение не се ограничава до конкретните изпълнения и методи, описани по-долу, тъй като определени компоненти или условия могат, разбира се, да варират. Освен това, използваната тук терминология е само с цел да опише различни изпълнения на настоящото изобретение и по никакъв начин не трябва да се приема като ограничаваща.

Трябва също така да се отбележи, че формите за единствено число „a“ и „der/die/das“, както се използват в спецификацията и приложените претенции, включват също препратка към множествено число, освен ако контекстът ясно посочва друго . Например препратката към компонент в единствено число е предназначена да обхваща множество компоненти.

В друго изпълнение, изброените по-горе въглеродни катализатори се използват в мастилен състав за образуване на катализаторни слоеве от горивни клетки по методи, известни на специалистите в областта на технологията на горивните клетки. В едно изпълнение, съставът на мастилото включва катализаторите, поддържани с въглерод, в количество от 1 до 10 тегловни процента от общото тегло на мастилния състав. В едно изпълнение, съставът на мастилото включва йономери (например, полимер на перфлуоросулфонова киселина като NAFION®) в количество от около 5% до около 40% от теглото на каталитичния състав. Обикновено остатъкът от състава на мастилото е разтворител. Използваните разтворители включват, но не се ограничават до алкохоли (например, пропанол, етанол и метанол), вода или смес от вода и алкохоли. Обикновено разтворителите се изпаряват при стайна температура.

Следващите примери илюстрират различните изпълнения на настоящото изобретение. Специалистите в областта ще разпознаят много вариации в рамките на настоящото изобретение и обхвата на претенциите.

Фигура ЗА показва графика на загуба на тегло за едночасова термична обработка на въглерод-поддържани катализатори във въздуха. Графиката показва по-малко от 6 процента загуба на тегло за катализатори, поддържани с платина и катализатори, поддържани от платина/кобалт, при температури от около 100 ° C до около 250 ° C. Трябва да се отбележи, че тази загуба на тегло включва отстраняване на адсорбираната вода и летливи съединения като повърхностноактивни вещества и не цялата загуба на тегло се дължи на окисляването на въглерода. 3В показва графика на загубата на тегло при термична обработка при 230 ° С като функция от времето за въглерод-поддържани катализатори във въздуха. Както за катализаторите, поддържани с платина, така и за катализаторите, поддържани с платина/кобалт, се наблюдава значителна загуба на тегло след 5 часа.

4A-B показват микроскопични ТЕМ изображения на катализатор, поддържан от платина/кобалт, преди топлинната обработка на въздух при 250 ° C. 4C-D показват микроскопични ТЕМ изображения на катализатор, поддържан от платина/кобалт, след термична обработка на въздух при 250 ° C. Микроскопичните TEM изображения не показват значителни промени след термичната обработка.

5A-C показват резултатите от тестовете за поглъщане на BET за термично обработени и необработени с въглерод катализатори. 5А е графика на абсорбирания обем, начертан спрямо относителното налягане. 5В е графика на производното на обема, погълнат по отношение на логаритъма на обема на порите, начертан спрямо диаметъра на порите. 5C показва таблица, обобщаваща резултатите от BET. Може да се забележи, че с малка промяна в теглото на катализатора (загуба от няколко процента), средният диаметър на порите се увеличава с окислителната обработка, докато повърхността намалява.

6 показва графики на напрежението на горивните клетки спрямо плътността на тока за термично обработени и необработени катализатори с платина/кобалт. Може да се забележи, че окислително модифицираните катализатори имат подобрени високи характеристики. Ако обаче окислителната обработка е твърде обширна, това може да повлияе неблагоприятно на производителността.

Докато примерните изпълнения са описани по-горе, тези изпълнения не са предназначени да опишат всички възможни конфигурации на изобретението. По-скоро думите, използвани в спецификацията, се използват за описание, а не за ограничение. Трябва да се разбере, че могат да се правят различни промени, без да се излиза от духа и обхвата на изобретението. В допълнение, характеристиките на различните изпълнения могат да бъдат комбинирани, за да образуват допълнителни изпълнения на изобретението.