[发明专利]用于燃料电池的含有金属或合金和铂颗粒的纳米金属颗粒的组合物

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及包括金属和/或合金的纳米颗粒或包括由氧化物壳 围绕的金属或合金芯的纳米颗粒与铂颗粒混合的组合物。更具体而言，所 述组合物可用于制造阳极和阴极所用的墨，其可以在燃料电池中使用。

背景技术

[0002]对于多种燃料电池的气体扩散电极中的烃或氢的氧化和氧的 还原，铂是高度催化的。然而，该稀有金属是快速耗尽的不可再生资源并 且因此是昂贵的。批量铂黑的当前价格是$75.00/克。铂沉积电极的有关成 本，一般地装载约是2-8mg/cm²，被广泛地认为是普遍工业化的障碍。随 着消费者对于替代能源的增加的需要，必须发现有效的催化剂，特别是在 实际操作温度(室温至60℃)，以减轻铂的需求和费用。基于此，正在进 行相当大的努力以发现备选的催化剂，其可以匹配或超过铂的电性能。合 成金属纳米颗粒的方法已经在前描述在美国专利申请号10/840,409中，以 及它们在电池的空气阴极中的用途描述在美国专利申请号10/983,993中， 两个申请都具有与本申请相同的专利受让人。这些申请的内容通过参考结 合于此。还通过碳上的化学还原制备用于燃料电池电极的铂颗粒。

发明内容

[0003]纳米颗粒催化剂可用于补充用于本发明燃料电池的电极实施 方案的铂催化剂。实施方案包括钴，铁，镍，钌，铬，钯，银，金，和铜 以及它们的合金的纳米颗粒催化剂，其对于直接氧化燃料电池中的氧的还 原或烃燃料的氧化与铂是至少几乎相同活性的。这里所描述的多种实施方 案论述了对于直接甲醇燃料电池应用的金属纳米颗粒催化剂，但是同样适 用于其它的应用，例如不排除(i)质子交换膜燃料电池(PEMFC’s)，和甲酸 燃料电池(FAFC’s)。

[0004]第一个实施方案包括纳米颗粒，其可以包含单一金属或两种或 多种过渡金属的合金，任意具有与铂颗粒混合或物理共混的围绕所述金属 或合金芯的氧化物壳。优选的，这些铂颗粒在尺寸上是在一微米以下，其 是精细划分分类的。优选地，所述铂颗粒直径应该低于100nm。

[0005]优选地，纳米颗粒具有小于50nm并且优选在30nm以下的直 径。理想地，这些颗粒的直径应该小于15nm以使与铂的表面相互作用最 大化。

[0006]在另一个实施方案中，过渡金属钴，铁，镍，钌，铬，钯，银， 金和铜或其合金构成所述纳米颗粒或在存在氧化物壳的情况下构成芯。虽 然不受限于理论，但是这些元素接收来自铂的电子，其在观察到增强的催 化方面是优选的。合金纳米颗粒优选包含两种或多种过渡金属，或具有两 种，三种或四种过渡金属。可以以多种比例制备在前指定的过渡金属以产 生性能增强。其中使用电极的应用将规定所述合金组成。在一个实施方案 中，合金的一种金属可以在所述合金的5-95重量％之间的范围。在一个实 施方案中，合金的一种金属大于10重量％，或大于25重量％。在一个实 施方案中，一种金属是所述合金的90重量％。

[0007]在所述组合物中，纳米颗粒是组合的纳米颗粒和铂颗粒的5重 量％或以上。在另一个实施方案中，纳米颗粒是纳米颗粒和铂颗粒的25 重量％或以上，或50重量％或以上。

[0008]优选地，按常规组合物的总金属重量计，将至少50％的铂用金 属纳米颗粒或金属合金纳米颗粒替换。所述纳米颗粒还可以是75重量％ 或以上或90重量％或以上。

[0009]在另一个实施方案中，将铂/纳米颗粒混合物与离子交联聚合 物组合，在许多情况下，所述离子交联聚合物是质子导电的离子交联聚合 物，以促进离子的电导率并且将所述电极结合到导电膜。该离子交联聚合 物可以与铂-纳米金属混合物组合并且可以是多至总铂和纳米金属重量的 40重量％。铂，纳米金属颗粒，和离子交联聚合物的组合形成墨。优选地， 所述离子交联聚合物是全氟化的树脂，其兼具疏水性和亲水性。更优选所 述全氟化树脂是导电聚合物。

[0010]所述墨组合物可以与电子传导载体(electron-conducting support) 使用以形成电极。在一个实施方案中，将该墨涂覆到导电的碳基底。所述 电子传导的载体也可以是复写纸，碳布，或碳粉末。所述墨组合物可以通 过喷涂，丝网印刷或喷雾涂覆到所述电子传导的载体。随后可以将所述电 极施加到离子交换膜并且在直接氧化燃料电池中使用。该燃料电池能够将 化学能直接转化成电能。

附图简述