[发明专利]三元铂合金催化剂

说明书

本申请是于2011年8月10日进入国家阶段、国家申请号为201080007283.2、名称为“三元铂合金催化剂”的PCT申请（国际申请号PCT/GB2010/050164）的分案申请。 

技术领域

本发明涉及一种新的三元铂合金催化剂，和涉及该催化剂的用途，特别是作为氧还原催化剂用于燃料电池中，例如磷酸燃料电池(PAFC)或者质子交换隔膜燃料电池(PEMFC)中。 

背景技术

燃料电池是一种电化学电池，其包含被电解质隔开的两个电极。将燃料例如氢气，醇例如甲醇或者乙醇，或者甲酸供给到阳极，将氧化剂例如氧气或者空气供给到阴极。在该电极处发生电化学反应，并且将燃料和氧化剂的化学能转化成电能和热。使用电催化剂来促进燃料在阳极的电化学氧化和氧气在阴极的电化学还原。 

用于燃料氧化和氧还原的电催化剂典型的基于铂或者具有一种或多种其他金属的铂合金。该铂或者铂合金催化剂可以处于不负载的纳米尺寸粒子(金属黑)的形式或者可以作为甚至更高表面积的粒子沉积到导电碳基底上(负载的催化剂)。 

燃料电池通过根据所用电解质的性质分类。在PAFC中，电池是由包含在惰性基质薄层中的磷酸电解质制成，该基质薄层夹在阳极和阴极电极之间。在PEMFC中，电解质层典型的是位于电极层之间的一种薄质子传导性聚合物。这些电池的任何一种能够用纯的氢气燃料，或者用通过烃燃料重整而形成的更稀的含氢燃料混合物来运行，或者特别是在PEMFC的情况中，可以直接用烃燃料例如甲醇或者乙醇来运行。 

PAFC和PEMFC的电极经常称作气体扩散电极(GDE)，通常包含气体多孔性、导电的和化学惰性气体扩散基底(GDS)和电催化剂层，该电催化剂层包含电催化剂，其面向电解质或者隔膜并且与之接触。磷酸燃料电池使用磷酸作为电解质，并且典型的运行温度是150℃-220℃。在相关领域中公开的或者申请专利的研究中，用过渡金属例如铬、钴和镍对铂进行合金化能够将对于氧还原反应的催化剂活性相对于PAFC系统中的铂催化剂提高2或者3倍。用于磷酸燃料电池阴极处的常规催化剂是铂-铬(US4316944)，铂-镍(US5068161)和铂-钴-铬(US4447506)。与这种催化剂有关的一个问题是缺少稳定性，这归因于催化剂在磷酸燃料电池所用温度时的烧结。催化剂粒子在延长的磷酸燃料电池运行环境过程中具有通过表面迁移或者溶解/重新沉淀而聚结的倾向。这导致了在燃料电池系统寿命中电池性能(电压)不可接受的降低，并且伴随着燃料电池发电能力效率的降低。所以持续进行研究来寻求具有更高活性和稳定性的氧还原催化剂。三元系统已经显示出比二元组合物更稳定，并且磷酸燃料电池环境中的稳定性可以通过加入第三金属来提高。US4806515描述了一种铂-铬-镓三元系统，具有对于烧结明显的稳定性和耐金属溶解性。还已经证实铂-钴-铬(US5068161)和铂-铑-铁(WO94/10715)在磷酸燃料电池环境中具有稳定性的某种程度的提高，如铂-铱-铬和铂-铱-铁那样(US5013618)。 

发明内容

本发明的目标是提供一种改进的催化剂，其表现出提高的寿命稳定性，与现有技术的催化剂相比没有活性的降低，或者具有提高的活性，同时保持了现有技术程度的稳定性，或者优选同时具有提高的稳定性和活性二者，特别是对作为氧还原催化剂用于磷酸燃料电池来说更是如此。 

因此，本发明提供一种铂合金催化剂PtXY，其中X是镍，钴，铬，铜，钛或者锰，Y是钽或者铌，特征在于在该合金中，铂的原子百分比是46-75at%，X是1-49at%和Y是1-35at%；条件是该合金不是66at%Pt20at%Cr14at%Ta或者50at%Pt25at%Co25at%Ta。 

合适的X是镍，钴，铬或者铜；优选是镍或者钴。 

在本发明的一种实施方案中，这里提供一种PtXTa合金，其中X是镍，钴，铬，铜，钛或者锰，特征在于铂的百分比是46-75at%，Ta是1-35at%和X是1-49at%；条件是该合金不是66at%Pt20at%Crl4at%Ta或者50at%Pt25at%Co25at%Ta。 

在本发明第二种实施方案中，这里提供一种PtXNb合金，其中X是镍，钴，铬，铜，钛或者锰，特征在于铂的百分比是46-75at%，Nb是1-35at%和X是1-49at%。 

合适的，在该合金中，铂的原子百分比是46-65 at%，更合适的是46-60 at%，优选46-55at%。