[发明专利]钯钴颗粒作为氧还原电催化剂

说明书

本发明是由美国政府支持并在美国能源部的资助下完成的，合同号为DE-AC02-98CH10886。对于本发明，政府具有某些权利。

背景技术

本发明涉及在燃料电池中可用作氧还原电催化剂的钯钴合金纳米颗粒。已发现，本发明的钯钴纳米颗粒具有至少和非常昂贵的铂纳米颗粒相同的催化活性，同时可以作为铂的显著便宜的替代物。

“燃料电池”是一种装置，其将化学能转化成电能。在典型的燃料电池中，将气体燃料如氢供给正极(阴极)，而将氧化剂如氧供给负极(阳极)。燃料在正极的氧化引起从燃料释放电子并进入连接正极和负极的外电路。接着，利用由氧化燃料提供的电子在负极处还原氧化剂。利用离子流动通过电解质来完成电路，其中电解质可以在电极之间进行化学相互作用。电解质通常具有质子传导聚合物膜的形式，其中聚合物膜将正极室和负极室分开并且还是电绝缘的。上述质子传导膜的一个众所周知的实例是NAFION。

虽然燃料电池具有类似于典型电池的成分和特性，但在若干方面有差别。电池是一种储能装置，其可获得的能量是由储存在电池内的化学反应物的量来决定。当储存的化学反应物耗尽时，该电池将停止产生电能。相反，燃料电池是一种能量转化装置，因为只要向电极供给燃料和氧化物，则该装置理论上就能够产生电能。

在典型的质子交换膜(PEM)燃料电池中，将氢供给正极以及将氧供给负极。氢被氧化以形成质子，同时释放电子并进入外电路。在负极处氧被还原以形成经还原的氧物种。质子移动穿过质子传导膜到负极室以和经还原的氧物种进行反应，从而形成水。在典型的氢/氧燃料电池中的反应如下：

正极：2H₂→4H⁺+4e^-    (1)

负极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O    (2)

净反应：2H₂+O₂→2H₂O    (3)

在许多燃料电池系统中，通过在称作“转化”的方法中将基于碳氢化合物的燃料如甲烷、或含氧碳氢化合物燃料如甲醇转化成氢来产生氢燃料。转化方法通常涉及在加热条件下使甲烷或甲醇与水的反应以产生氢以及二氧化碳和一氧化碳的副产物。

其它燃料电池(称作“直接”或“非转化”燃料电池)直接氧化高氢含量的燃料，而没有借助于转化过程来首先产生氢。例如，自二十世纪五十年代就已经知道，可以直接氧化低级伯醇，尤其是甲醇。因此，基于绕过(或避开)转化步骤的优点，已作出相当大的努力来开发所谓的“直接甲醇氧化”燃料电池。

为了使燃料电池中的氧化和还原反应以有效速率并且在所期望的电势发生，则需要电催化剂。电催化剂是促进电化学反应速率的催化剂，因而使燃料电池可以在较低的超电势下进行操作。因此，在没有电催化剂的情况下，仅在非常高的超电势下才发生典型的电极反应(如果真正发生的话)。由于铂的高催化特性，提供的铂和铂合金材料优选作为燃料电池的正极和负极中的电催化剂。

然而，铂是过于昂贵的贵金属。事实上，在现有技术的电催化剂中所需要的铂负载量(platinum loading)仍然太高以致不能在商业上大规模生产燃料电池。

因此，已试图减少电催化剂中的铂用量。例如，已研究将铂纳米颗粒作为电催化剂(参见例如，美国专利6,007,934和4,031,292)。此外，已研究了铂合金纳米颗粒，如铂钯合金纳米颗粒(参见例如，美国专利6,232,264；Solla-Gullon，J.，et al.，“Electrochemical AndElectrocatalytic Behaviour Of Platinum-Palladium NanoparticleAlloys”，Electrochem.Commun.，4，9：716(2002)；以及Holmberg，K.，“Surfactant-Templated Nanomaterials Synthesis”，J.Colloid InterfaceSci.，274：355(2004))。