[发明专利]使用热可分解的多孔载体制成的催化剂

说明书

相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119(e)来要求于2011年2月8日提交的、标题为“使用热可分解的多孔载体制成的催化剂(CATALYSTSMADEUSINGTHERMALLYDECOMPOSABLEPOROUSSUPPORTS)”的美国临时专利申请序列号61/440663的权益，该美国临时专利申请通过引用以其全部内容结合在此。 

背景

本披露的主题涉及催化剂前体、催化剂、以及生产这些催化剂前体和催化剂的方法。更确切地说，本发明涉及非贵金属催化剂。此类材料可以用于在燃料电池中进行氧还原反应，这些燃料电池包括酸性或碱性聚合物电解质膜燃料电池、微生物燃料电池、以及金属-空气电池。 

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是内燃机和可再充电电池的现今有前景的发电替代方案之一。它们的优点包括使用点零排放，这对于汽车推进来说是尤其有吸引力的。此外，与可再充电电池不同，PEM燃料电池系统允许车辆快速加油并提供可与常规的汽油机车辆相比的行驶里程。虽然这项技术在过去几十年已经明显成熟，但PEM燃料电池系统的高成本仍是它们广泛的商业使用的一个主要障碍，特别是对于汽车推进来说。 

由于PEMFC的操作温度相当低(大约80℃)，催化剂在推动反应动力学以产生所希望的高功率密度上起着关键作用。广泛接受的是，用于 当前PEM燃料电池的阴极中的铂基催化剂是这些系统高成本的关键贡献者之一。根据对递交给美国能源部年度绩效审查(U.S.DOEAnnualMerit Review)的PEMFC系统的大规模生产成本的众多研究以及过去5年内进行的独立研究，Pt-基电极独自占据了PEMFC堆的大约一半的成本。用于解决这个问题的两种方法是：或者降低铂负载，同时维持高功率和耐久性性能；亦或用性能良好的、成本更低的替代物来整体替换铂基电催化剂，例如像基于非贵过渡金属的电催化剂。 

最近对PEM燃料电池研究的工作已经放在了低成本非贵金属催化剂(NPMC)的发展中。为了获得用于在燃料电池中进行氧还原的一种非贵金属催化剂，典型地使用碳载体(该碳载体在惰性气氛中是不热可分解的)、氮源以及非贵金属前体(NPMP)。 

NPMC合成的一种方法一直是使用氮源(如氨)、有机化合物、铁基或钴基化合物、以及碳载体(该碳载体在惰性气氛中是不热可分解的)。这些催化剂是通过用铁前体(如乙酸铁(II)(FeAc))和氮源来浸渍多孔碳黑载体(该多孔碳黑载体在惰性气氛中是不热可分解的)、随后在惰性或反应性气氛中进行热解而获得的。如果是用以替换当前所使用的昂贵的铂基催化剂的话，对用于在聚合物电解质膜燃料电池中进行氧还原反应的这些低成本的非贵金属催化剂(NPMC)的整体性能的重大改进是必要的。NPMC的最艰难的挑战之一是在有效的燃料电池电压(例如像0.6V或更高)下实现更高的功率密度。 

概述

描述了使用热可分解的多孔载体(TDPS)制成的多种催化剂及其制造方法。还描述了多种催化剂前体组合物及其制造。 

在一个方面中，催化剂前体包括：一种热可分解的多孔载体；一种有机涂敷/填充化合物；一种非贵金属前体；其中该有机涂敷/填充化合物以及该非贵金属催化剂前体涂敷和/或填充了该热可分解的多孔载体的孔。 

在一个或多个实施例中，该热可分解的多孔载体、该非贵金属前体、或该有机涂敷/填充化合物中的至少一种包含氮。 

在任一个以上实施例中，该热可分解的多孔载体是微孔性的并且是选自下组的一种或多种载体，该组由以下各项组成：金属有机骨架结构材料、共价有机骨架结构材料、聚合物有机骨架结构材料、微孔有机聚合物类、内在微孔聚合物(polymer of intrinsic microporosity)类、以及微孔聚合物类。 

在任一个以上实施例中，该金属有机骨架结构材料包括一种沸石咪唑酯骨架结构材料(zeolitic imidazolate framework)，并且例如，该沸石咪唑酯骨架结构材料包含ZIF-8。 

在任一个以上实施例中，该沸石咪唑酯骨架结构材料的金属包含锌。 

在任一个以上实施例中，该热可分解的多孔载体包括一种金属有机骨架结构材料并且该金属是选自下组的一种或多种，该组由以下各项组成：锌、钴、锰、镁、铁、铜、铝、以及铬。