[发明专利]用于电化学反应的催化剂

说明书

本发明涉及一种包含载体和催化活性材料且作为均相催化剂用于电化学反应的催化剂。本发明进一步涉及该催化剂的用途。

铂族金属或铂族金属的合金催化剂通常作为催化剂用于电化学反应。作为合金组分，通常使用过渡金属，例如镍、钴、钒、铁、钛、铜、钌、钯等，在每种情况下单独或与一种或多种其它金属结合使用。该类催化剂特别用于燃料电池。催化剂可以在阴极侧和在阳极侧使用。具体而言在阳极侧，需要使用对腐蚀也稳定的活性催化剂。合金催化剂通常用作活性催化剂。

为了得到高活性表面积，通常负载催化剂。碳通常用作载体。所用碳载体通常具有可以使得催化剂纳米颗粒精细分布的高比表面积。BET表面积通常高于100m²/g。然而，例如BET表面积约250m²/g的Vulcan XC72或BET表面积约850m²/g的Ketjen Black EC-300J，这些碳载体的缺点是它们非常快速地被腐蚀。在1.1V的电位下，由于氧化在15小时内Vulcan XC72的约60％的碳腐蚀形成二氧化碳。在具有比表面积更小的碳黑如BET表面积约60m²/g的DenkaBlack的情况下，由于碳黑的石墨含量较高，载体的腐蚀稳定性更高。腐蚀损失在1.1V下在15小时之后仅为碳的8％。在表面积更低的碳载体上的催化剂颗粒通常有点较大且相互靠近。然而，这通常导致性能降低，因为仅小部分量施用于载体的催化活性材料可以催化利用。

因为与高表面积碳黑相比，低表面积碳黑上成核位点更少，晶体生长优选在现有核下进行，通常假定低表面积碳黑上的细碎催化剂颗粒的生产更为困难。因为较大的催化剂颗粒具有较低的催化剂表面积，故电化学反应以较低转化率进行。因为在低表面积碳黑上颗粒相互更靠近，它们还可以在操作过程中更快速团聚并因此催化剂表面积遭受进一步损失。为此，通常使用高表面积载体，即BET表面积大于100m²/g的载体，例如BET表面积约250m²/g的Vulcan XC72或BET表面积约850m²/g的Ketjen Black EC-300J生产活性催化剂。

碳载体和其上生产的催化剂的表面性能还实质上影响形成生产电极的油墨这一加工性能。在非常低表面积载体上的催化剂通常更难以稳定的方式分散，这会使加工更为困难。例如显而易见的是使用BET表面积约60m²/g的DenkaBlack。

由于现在通常使用的载体材料为黑色，所生产催化剂和最终使用催化剂的电极也为黑色。这导致阳极和阴极不能肉眼区分。这可能技术上在燃料电池的构造上导致问题。因此有利的是将阳极和阴极进行颜色编码。通过加入添加剂组分或表面后处理的颜色编码例如描述于WO 2004/091024中。然而，颜色编码的缺点是必须加入其它物质。这有时可能对催化剂活性产生不利影响。

本发明的目的是提供一种耐腐蚀性比由现有技术已知的催化剂更好的电化学反应催化剂。

该目的由一种包含载体和催化活性材料且作为均相催化剂用于电化学反应的催化剂实现，其中载体为BET表面积小于50m²/g的碳载体。

BET表面积小于50m²/g的碳载体的使用优点是该腐蚀稳定性与由现有技术已知的载体相比明显改善。此外，惊人地发现尽管表面积较低，催化剂的能量密度没有降低。

本发明催化剂的其它优点是与由现有技术已知的催化剂不同，它不是黑色而是灰色代替。这可以使得催化剂单纯通过使用不同载体进行颜色编码。因此，例如负载于由现有技术已知的碳载体上的催化剂可以用作阳极催化剂，原因是阳极催化剂不必如阴极催化剂一样是腐蚀稳定的。然后本发明催化剂用作阴极催化剂。不同颜色可以使得阳极催化剂和阴极催化剂的分配清晰，这降低或甚至可以消除误用催化剂的风险。当碳黑作为电催化剂载体用于燃料电池时，颜色没有改善燃料电池的性能但技术上简化区分阳极和阴极，例如这可以使得生产方法或组件方法自动化。

BET表面积通常通过N₂吸附测定。然而，或者还可以例如通过碘吸附测定总表面积，因为这两个值通常非常相似。本发明催化剂的BET表面积小于50m²/g。BET表面积优选为20-30m²/g。

由于载体的BET表面积低，碳黑的石墨含量较高。因此例如石墨的BET表面积小于10m²/g。低表面积改善载体对氧化腐蚀的稳定性。这对作为阴极材料使用尤其重要。