CH638693A5 - PLATINUM CATALYST AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF. - Google Patents

PLATINUM CATALYST AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF. Download PDF

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CH638693A5
CH638693A5 CH1161978A CH1161978A CH638693A5 CH 638693 A5 CH638693 A5 CH 638693A5 CH 1161978 A CH1161978 A CH 1161978A CH 1161978 A CH1161978 A CH 1161978A CH 638693 A5 CH638693 A5 CH 638693A5
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Vinod Motilal Jalan
Calvin Lawrence Bushnell
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Platinkatalysator, insbesondere auf einen Platinkatalysator mit Kohlenstoffteilchen als Träger, sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung. The invention relates to a platinum catalyst, in particular to a platinum catalyst with carbon particles as a carrier, and to a process for its production.

Platin ist ein bekannter Katalysator, der in elektrochemischen Zellen verwendet wird. Die Elektrodenleistung in einer Zelle steht in direktem Zusammenhang mit der Platinober-fläche, die durch verschiedene reagierende Komponenten innerhalb der Zelle zu erreichen ist. Diese Tatsache in Verbindung mit den hohen Platinkosten führte zu erheblichen Anstrengungen, Platin in eine brauchbare Form mit maximaler Oberfläche pro Gewichtseinheit des Platins zu bringen. Die grundlegende Lösung lag und liegt noch darin, das Platin auf die Oberfläche geeigneter, als Träger bezeichnete Teilchen zu bringen. Kohle- oder Kohlenstoffteilchen und Graphitteilchen sind übliche Platinträger auf dem Gebiet der Brennstoffzellen. Für die Abscheidung kleiner Platinteilchen auf solchen Trägern gibt es mehrere bekannte Techniken. Beispielsweise kann der Trägerin einer wässrigen Lösung von Chlorplatinsäure dispergiert, getrocknet und Wasserstoff ausgesetzt werden. Einige weitere Techniken sind in den US-Patentschriften 3 857 737,3 440 107,3 470 019 und 3 532 556 beschrieben. Platinum is a known catalyst that is used in electrochemical cells. The electrode performance in a cell is directly related to the platinum surface, which can be achieved by various reacting components within the cell. This fact, combined with the high cost of platinum, led to considerable efforts to bring platinum into a usable form with a maximum surface area per unit weight of platinum. The basic solution was and still is to bring the platinum onto the surface of suitable particles called carriers. Coal or carbon particles and graphite particles are common platinum carriers in the field of fuel cells. There are several known techniques for depositing small platinum particles on such supports. For example, the carrier can be dispersed in an aqueous solution of chloroplatinic acid, dried and exposed to hydrogen. Some other techniques are described in U.S. Patent Nos. 3,857,737,3,440,107,3,470,019 and 3,532,556.

Durch diese Techniken können Platinkristalle auf den Oberflächen der Trägerteilchen so verteilt werden, dass sich eine grosse Oberfläche für das Platin ergibt." With these techniques, platinum crystals can be distributed on the surfaces of the carrier particles so that there is a large surface area for the platinum. "

Wird Platin auf Kohlenstoffbei Temperaturen über 100 °C in Gegenwart einer Flüssigkeit (oder bei höheren 4s Temperaturen in Gegenwart eines Gases) verwendet, verliert es, wie gefunden wurde, an Oberfläche. Dieser Verlust an Oberfläche ist besonders ausgeprägt in einer sauren Brennstoffzellenumgebung, wie z.B. Brennstoffzellen, die Phosphorsäure als Elektrolyt verwenden und bei Temperaturen so von 120 °C und darüber arbeiten-Während der ersten wenigen Stunden Zellenbetrieb ist der Verlust an Oberfläche gewaltig, er schreitet aber langsam, doch stetig für eine beträchtliche Zeit danach weiter fort. Ein Verlust an Zellenleistung ist diesem Verlust an Platinoberfläche direkt zuzu-55 schreiben. If platinum on carbon is used at temperatures above 100 ° C in the presence of a liquid (or at higher 4s temperatures in the presence of a gas), it has been found to lose surface area. This loss of surface area is particularly pronounced in an acidic fuel cell environment, e.g. Fuel cells that use phosphoric acid as an electrolyte and operate at temperatures of 120 ° C and above - During the first few hours of cell operation, the loss of surface area is enormous, but continues slowly but steadily for a considerable time afterwards. A loss of cell power is directly attributable to this loss of platinum surface.

Ein Verfahren zur Verringerung dieses Verlustes an Oberfläche ist in der US-PS 4 028 274 beschrieben. Hiernach wurden die Oberflächen graphitierter Kohlenstoffträgerteilchen in Gegenwart eines oxydierenden Metallkatalysators 6o zur Bildung von Narben in den Teilchenoberflächen oxydiert. Der oxydierende Metallkatalysator wurde dann entfernt und das Platin auf den oxydierten Teilchen abgeschieden. Gestützt auf die Theorie, dass während der Verwendung des Katalysators die Platinkristallite über die Koh-65 lenstoffoberfläche wandern und sich mit anderen Platinkristalliten vereinigen (d.h. rekristallisieren), wodurch Oberfläche verlorengeht, wurde angenommen, dass die Narben in der Oberfläche des Trägermaterials die Platinkristallite si- A method of reducing this loss of surface area is described in U.S. Patent No. 4,028,274. Thereafter, the surfaces of graphitized carbon carrier particles were oxidized in the presence of an oxidizing metal catalyst 6o to form scars in the particle surfaces. The oxidizing metal catalyst was then removed and the platinum was deposited on the oxidized particles. Based on the theory that during the use of the catalyst the platinum crystallites migrate over the carbon surface and unite (i.e. recrystallize) with other platinum crystallites, whereby surface is lost, it was assumed that the scars in the surface of the carrier material prevent the platinum crystallites

3 3rd

638 693 638 693

cherer an ihrem Platz halten würden und dadurch die Wanderung und der Verlust an Oberfläche herabgesetzt würde. Wenn diese Methode auch eine Verbesserung des Standes der Technik darstellte, war sie doch nicht völlig zufriedenstellend, und fortgesetzte Bemühungen führten zu dem erfin-dungsgemäss verbesserten Verfahren. would hold in place, reducing migration and loss of surface area. Although this method was an improvement in the prior art, it was not entirely satisfactory and continued efforts led to the improved method according to the invention.

Daher ist es Hauptziel der Erfindung, einen verbesserten Platin-auf-Kohlenstoff-Katalysator herzustellen, insbesondere eine verbesserte Brennstoffzellenelektrode unter Verwendung dieses Katalysators. Die Erfindung soll die Rekristallisation des auf dem Kohlenstoff getragenen Platins durch Verminderung der Wanderung des Platins über die Oberfläche der Kohlenstoffträgerteilchen bei der späteren Verwendung des Katalysators, z.B. in einer Brennstoffzelle, herabsetzen. It is therefore the main object of the invention to produce an improved platinum-on-carbon catalyst, in particular an improved fuel cell electrode using this catalyst. The invention is intended to recrystallize the platinum supported on the carbon by reducing the migration of the platinum across the surface of the carbon support particles when the catalyst is later used, e.g. in a fuel cell.

Daher wird beim erfindungsgemässen Verfahren zur Verbesserung eines Katalysators aus Platin-Kristalliten auf Kohlenstoff auf und um die Platinkristallite herum abgeschieden. Therefore, in the method according to the invention for improving a catalyst from platinum crystallites on carbon, deposition is carried out on and around the platinum crystallites.

Es hat sich gezeigt, dass ein nach den hier beschriebenen Verfahren hergestellter und als Elektrodenkatalysator in einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle verwendeter Katalysator verbesserte Rekristallisationseigenschaften hat, in dem nämlich die Geschwindigkeit des Verlustes spezifischer Katalysatoroberfläche während dem Brennstoffzellenbetrieb erheblich herabgesetzt wird. It has been shown that a catalyst produced by the processes described here and used as an electrode catalyst in a phosphoric acid fuel cell has improved recrystallization properties, namely in that the rate of loss of specific catalyst surface is considerably reduced during fuel cell operation.

Vermutlich hält der poröse, auf den und um die Platinkristallite herum abgeschiedene Kohlenstoff die Platinkristalle sicherer an ihrem Platz auf dem Kohlenstoffträgerteilchen, wodurch die Neigung der Kristallite, über die Oberfläche des Kohlenstoffträgerteilchens während der Verwendung in einer Brennstoffzelle zu wandern, beträchtlich verringert wird. Durch Herabsetzen der Wanderungsgeschwindigkeit werden die Geschwindigkeit und das Ausmass, zu dem Rekristallisation erfolgt, beträchtlich herabgesetzt. Presumably, the porous carbon deposited on and around the platinum crystallites holds the platinum crystals more securely in place on the carbon support particle, thereby significantly reducing the tendency of the crystallites to travel across the surface of the carbon support particle during use in a fuel cell. By reducing the rate of migration, the rate and extent to which recrystallization occurs are significantly reduced.

Die Methode der Abscheidung porösen Kohlenstoffs auf den Platinkristalliten und um diese herum vor der Hochtemperatur-Wärmebehandlung scheint für die Erfindung unkritisch zu sein, eine bevorzugte Methode besteht jedoch darin, einen Platinträgerkatalysator in Gegenwart von Koh-lenmonoxidgas so zu erhitzen, dass sich das Kohlenmonoxid in der Nachbarschaft der Platinkristallite (die als Zersetzungskatalysator wirken) unter Abscheidung von Kohlenstoff auf ihnen und um sie herum zersetzt. Weitere Methoden zur Abscheidung porösen Kohlenstoffs werden nachfolgend genannt, aber die Kohlenmonoxid-Methode wird wegen ihrer Einfachheit und niederen Kosten bevorzugt. Vorzugsweise wird bei allen hier beschriebenen Methoden zur Abscheidung porösen Kohlenstoffs der Katalysator in Gegenwart einer kohlenstoffhaltigen Verbindung zur Zersetzung der Verbindung unter Bildung poröser Kohlenstoffab-scheidungen auf den Platinkristalliten und um sie herum erhitzt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass andere Techniken zur Abscheidung von Kohlenstoff unwirksam wären. The method of depositing porous carbon on and around the platinum crystallites prior to high temperature heat treatment appears to be uncritical to the invention, but a preferred method is to heat a supported platinum catalyst in the presence of carbon monoxide gas so that the carbon monoxide is in the vicinity of the platinum crystallites (which act as a decomposition catalyst) with carbon being deposited on and around them. Other porous carbon deposition methods are mentioned below, but the carbon monoxide method is preferred because of its simplicity and low cost. In all of the methods described here for the deposition of porous carbon, the catalyst is preferably heated in the presence of a carbon-containing compound to decompose the compound to form porous carbon deposits on the platinum crystallites and around them. However, this does not mean that other carbon deposition techniques are ineffective.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden genaueren Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, wie in den Figuren veranschaulicht; es zeigen: These and other objects, features and advantages of the invention will become more apparent from the following detailed description of preferred embodiments, as illustrated in the figures; show it:

s Fig. 1 eine graphische Darstellung der verbesserten Brennstoffzellenleistung, erzielt durch Kohlenmonoxid/ Wärmebehandlung eines Platin-auf-Kohle-Katalysators, aber ohne die Hochtemperatur-Wärmebehandlung gemäss der Erfindung; 1 is a graphical representation of the improved fuel cell performance achieved by carbon monoxide / heat treatment of a platinum on carbon catalyst, but without the high temperature heat treatment according to the invention;

io Fig. 2 eine graphische Darstellung, die deutlich macht, dass ein erfindungsgemäss hergestellter Katalysator unter Brennstoffzellenbedingungen langsamer an Oberfläche verliert, und 2 is a graphical representation which makes it clear that a catalyst produced according to the invention loses surface area more slowly under fuel cell conditions, and

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die verbesserte ka-15 talytische Aktivität eines erfindungsgemäss hergestellten Katalysators veranschaulicht. Fig. 3 is a graph illustrating the improved ka-15 analytical activity of a catalyst made according to the invention.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Abscheidung porösen Kohlenstoffs auf Platin-Kristalliten eines Platin-auf-Träger-Katalysators und um diese herum besteht darin, den Kataly-20 sator auf eine Temperatur im Bereich von 260 bis 649 °C in einer Kohlenmonoxid-Atmosphäre zu erhitzen. Die Platinkristallite wirken als Katalysator für die Zersetzung des Kohlenmonoxids gemäss folgender Reaktionsgleichung: A preferred method of depositing porous carbon on and around platinum crystallites of a platinum on supported catalyst is to heat the catalyst to a temperature in the range of 260 to 649 ° C in a carbon monoxide atmosphere. The platinum crystallites act as a catalyst for the decomposition of the carbon monoxide according to the following reaction equation:

25 25th

2 CO + Wärme 2 CO + heat

Pt Pt

' C "T CO2 'C "T CO2

CD CD

Da sich Kohlenmonoxid in Abwesenheit von Platin in diesem Temperaturbereich nicht zersetzt, wird der Kohlenstoff nur auf den Platinkristalliten und um sie herum abge-30 schieden. Der Bereich der Wärmebehandlung wird mit der Zeit koordiniert, die der Katalysator in dem Temperaturbereich gehalten wird. Kritische Aspekte bestehen darin, sicherzustellen, dass die Kohlenstoffabscheidungen schwer genug sind, die Platinwanderung erheblich herabzusetzen, 35 während sie aber zugleich nicht so dicht und dick sind, dass während der Verwendung des Katalysators das reagierende Gas und/oder Flüssigkeit die Platinkristallite nicht leicht zu erreichen vermag. Mit anderen Worten müssen die Kohlenstoffabscheidungen porös sein, so dass die Leistung des Ka-40 talysators nicht so stark leidet, dass die Vorteile der Erfindung zunichte werden. Since carbon monoxide does not decompose in the absence of platinum in this temperature range, the carbon is only deposited on the platinum crystallites and around them. The range of heat treatment is coordinated with the time the catalyst is held in the temperature range. Critical issues are to ensure that the carbon deposits are heavy enough to significantly reduce platinum migration, 35 while at the same time not being so dense and thick that the reacting gas and / or liquid cannot easily reach the platinum crystallites while the catalyst is in use can In other words, the carbon deposits must be porous so that the performance of the catalyst does not suffer so much that the advantages of the invention are nullified.

Da es nicht möglich war, die optimale Dicke oder Porosität des abzuscheidenden Kohlenstoffs zu errechnen, wurden eine Reihe von Katalysatorproben unter Anwendung ver-45 schiedener Temperaturen und Zeiten hergestellt. Elektroden wurden aus diesen Proben nach Standardtechniken gefertigt. Die folgende Tabelle I zeigt Proben der erhaltenen Daten. Die Daten der Elektrodenleistung stammen von unter dem normalen Mass liegenden Zellentests unter Verwendung von so Kathoden von 5 x 5 cm mit einer Katalysatormenge von 0,25 bis 0,50 mg/cm2 Elektrodenoberfläche. Eine herkömmliche Anode wurde verwendet. Das Katalysatorträgermaterial war ein Kohlenstoffruss mit hoher Oberfläche. Der Elektrolyt bei diesen Tests war Phosphorsäure und die Reak-55 tionskomponenten Luft und Wasserstoff. Since it was not possible to calculate the optimal thickness or porosity of the carbon to be deposited, a series of catalyst samples were produced using different temperatures and times. Electrodes were made from these samples using standard techniques. The following Table I shows samples of the data obtained. The electrode performance data are from sub-normal cell tests using 5 x 5 cm cathodes with a catalyst amount of 0.25 to 0.50 mg / cm 2 electrode surface. A conventional anode was used. The catalyst support material was a high surface area carbon black. The electrolyte in these tests was phosphoric acid and the reaction components were air and hydrogen.

Tabelle I Table I

Einfluss der CO-Behandlungstemperatur und -zeit auf Platinoberfläche und Anfangsleistung in H3P04-Brennstoffzellen Influence of CO treatment temperature and time on platinum surface and initial performance in H3P04 fuel cells

Katalysator catalyst

Behandlung treatment

(Temperaturen ± 14°C) (Temperatures ± 14 ° C)

Kathoden-Anfangs-Potential mV bei 0,22 A/cm2 Initial cathode potential mV at 0.22 A / cm2

Pt-Oberfläche, m2/g anfangs Pt surface area, m2 / g initially

100 h 100 h

1* 1*

2 2nd

3 3rd

4 4th

ohne without

5 min bei 260 10 min bei 260 15 min bei 260 5 min at 260 10 min at 260 15 min at 260

680-687** 682-691** 680-691** 685 680-687 ** 682-691 ** 680-691 ** 685

120-140** 120-140 **

139 139

125 125

40-50 40-50

46 46

53 53

638 693 638 693

4 4th

Tabelle I (Fortsetzung) Table I (continued)

Katalysator Behandlung Kathoden-Anfangs- Pt-Oberfläche, m2/g Catalyst treatment initial cathode Pt surface, m2 / g

(Temperaturen + 14°Q Potential anfangs 100 h mV bei 0,22 A/cm2 (Temperatures + 14 ° Q potential initially 100 h mV at 0.22 A / cm2

5 60 min bei 260 686 113 51 5 60 min at 260 686 113 51

6 60 min bei 260 686 120 62 6 60 min at 260 686 120 62

7 5 min bei 371 687 7 5 min at 371 687

8 10 min bei 371 695 131 64 8 10 min at 371 695 131 64

9 10 min bei 371 695 131 66 9 10 min at 371 695 131 66

10 15 min bei 371 683 - - 10 15 min at 371 683 - -

11 30 min bei'371 678 11 30 min at 371 678

12 5 min bei 816 621 - - 12 5 min at 816 621 - -

* Kontrollkatalysator, d.h. ohne CO-Behandlung * Control catalyst, i.e. without CO treatment

** Bereiche sind das Ergebnis mehrerer Tests unter Verwendung des gleichen Katalysators. ** Areas are the result of multiple tests using the same catalyst.

Aus diesen Tests und anderen Informationen bezüglich Wärmebehandlung von Platin-Trägerkatalysatoren wird abgeschätzt, dass Vorteile festzustellen sind, wenn die Wär-mebehandlungstemperatur im Bereich von 260 bis 649 °C liegt und in diesem Bereich 1 bis 60 Minuten gehalten wird. Offenbar ist die Zeit, für die die Temperatur gehalten werden sollte, um so kürzer, je höher die Wärmebehandlungstemperatur ist und umgekehrt. Aus zurückliegender Erfahrung ist bekannt, dass Temperaturen über etwa 649 °C zu zu starkem thermischem Sintern des Platins während der Wärmebehandlung führen. Mit anderen Worten würde die hohe Temperatur eine erhebliche Wanderung der Platinkristallite während der Kohlenmonoxidbehandlung verursachen, was zu einer Zunahme der Grösse der Platinkristallite führt und Vorteile zunichte macht, die sonst erzielbar wären. Ein bevorzugter Temperaturbereich für die Wärmebehandlung ist 260 bis 427 °C, wobei die Temperatur in diesem Bereich 5 bis 30 Minuten gehalten wird. Beste Ergebnisse wurden durch Erhitzen auf eine Maximaltemperatur von etwa 371 °C und lOminütiges Halten bei dieser Temperatur erzielt. From these tests and other information related to heat treatment of supported platinum catalysts, it is estimated that benefits can be seen when the heat treatment temperature is in the range of 260 to 649 ° C and is held in this range for 1 to 60 minutes. Apparently, the higher the heat treatment temperature, and the shorter the time that the temperature should be maintained, and vice versa. It is known from past experience that temperatures above about 649 ° C lead to excessive thermal sintering of the platinum during the heat treatment. In other words, the high temperature would cause a significant migration of the platinum crystallites during the carbon monoxide treatment, which would increase the size of the platinum crystallites and nullify advantages that would otherwise be achievable. A preferred temperature range for the heat treatment is 260 to 427 ° C, the temperature being held in this range for 5 to 30 minutes. Best results have been obtained by heating to a maximum temperature of about 371 ° C and holding at that temperature for 10 minutes.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Zeit in einer Brennstoffzelle auf der Abszisse und die Brennstoffzellenleistung, ausgedrückt in Zellenspannung, auf der Ordinate aufgetragen ist Die Kurven sind aus tatsächlichen Daten entstanden. Die Kurve A stammt von einer Zelle mit unbe-handeltem Katalysator, wie dem Katalysator 1 aus Tabelle I. Die Kurven B und C stammen von Zellen mit einem Katalysator, der bei 371 °C 10 Minuten mit Kohlenmonoxid 1 shows a graph in which the time in a fuel cell is plotted on the abscissa and the fuel cell power, expressed in cell voltage, is plotted on the ordinate. The curves have arisen from actual data. Curve A is from a cell with an untreated catalyst, such as Catalyst 1 from Table I. Curves B and C are from cells with a catalyst that is at 371 ° C for 10 minutes with carbon monoxide

20 behandelt worden war. Zu bemerken ist, dass, obgleich Unterschiede der Anfangsleistungen unbedeutend waren, die behandelten Katalysatoren über längere Zeit deutlich überlegen waren, als Folge der geringeren Verluste an Platinoberfläche im Zeitverlauf. 20 had been treated. It should be noted that, although differences in initial performance were insignificant, the treated catalysts were clearly superior over a long period of time due to the lower loss of platinum surface over time.

2s Auch andere kohlenstoffhaltige Gase oder Dämpfe als Kohlenmonoxid können bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann ein gasförmiger Kohlenwasserstoff, wie Methan, Acetylen oder Äthylen, verwendet werden, ebenso wie Benzol, Hexen oder 30 Heptan, die in Dampfform verwendet werden sollten. Die folgenden Reaktionsgleichungen geben die Reaktionen wieder, die mit diesen beiden Materialien eintreten: 2s Carbon-containing gases or vapors other than carbon monoxide can also be used in the practice of the invention. For example, a gaseous hydrocarbon such as methane, acetylene or ethylene can be used, as can benzene, hexene or 30 heptane which should be used in vapor form. The following reaction equations represent the reactions that occur with these two materials:

Pt Pt

Methan (CH4) + Wärme ► C + 2HZ (2) Methane (CH4) + heat ► C + 2HZ (2)

Benzol (CeH6) + Wärme 6 C + 3H2 (3) Benzene (CeH6) + heat 6 C + 3H2 (3)

Wie beim Kohlenmonoxid wären Tests für jedes Gas durchzuführen, um die optimalen Temperaturbereiche für 40 die Wärmebehandlung und die Zeitdauer herauszufinden, für die die Temperatur in den Bereichen zu halten wäre. Eine Reihe von Proben wurde unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Beispiele einiger Elektrodentestdaten unter Verwendimg dieser Proben sind in der folgenden Tabelle II 45 wiedergegeben. Elektrodengrösse, Katalysatorauftrag und andere Aspekte der Brennstoffzellentests waren wie zuvor bei Tabelle I beschrieben. As with carbon monoxide, tests would have to be carried out for each gas to find the optimal temperature ranges for the heat treatment and the length of time for which the temperature in the ranges would be maintained. A number of samples were carried out under different conditions. Examples of some electrode test data using these samples are given in Table II 45 below. Electrode size, catalyst build, and other aspects of the fuel cell tests were as previously described in Table I.

Tabelle II Table II

Leistungs- und Oberflächendaten für mit Kohlenwasserstoff behandeltem Katalysator Performance and surface data for hydrocarbon treated catalyst

Katalysator Behandlung Kathoden-Anfangs- Platin-Oberfläche, m2/g Catalyst treatment initial cathode platinum surface, m2 / g

Potential anfangs 100 h mV bei 0,22 A/cm2 Potential initially 100 h mV at 0.22 A / cm2

13* ohne 680-687** 140 43 13 * without 680-687 ** 140 43

14 Hexen, 5 min bei 360 °C 672-683** 133 54 14 witches, 5 min at 360 ° C 672-683 ** 133 54

15 Benzol, 5 min bei 427 °C 680 - - 15 benzene, 5 min at 427 ° C 680 - -

* Kontrollkatalysator, d.h. ohne Behandlung * Control catalyst, i.e. without treatment

** Bereiche sind das Ergebnis mehrerer Tests unter Verwendung des gleichen Katalysators. ** Areas are the result of multiple tests using the same catalyst.

Während diese Tests zeigen, dass der Kohlenstoff unter Bei einem anderen Verfahren zur Abscheidung porösen While these tests show that the carbon is porous under another method of deposition

Verwendung verschiedener Gase und Dämpfe abgeschieden 65 Kohlenstoffs wurde ein Platin-auf-Kohle-Katalysator 15 bis werden kann, Hessen sie aber noch keine bevorzugten und 30 Minuten in einer wässrigen Lösung von etwa 10 Gew.-% Using various gases and vapors deposited 65 carbon, a platinum-on-carbon catalyst could be used until 15, but they were not yet preferred and 30 minutes in an aqueous solution of about 10 wt .-%

optimalen Wärmebehandlungsbedingungen für diese Mate- Ct iH22Oh, gewöhnlich als Saccharose bekannt, einge- optimal heat treatment conditions for this Mate Ct iH22Oh, commonly known as sucrose,

rialien erkennen. weicht. Der Katalysator wurde dann bei niederer Tempera- recognize rialien. gives way. The catalyst was then at a low temperature

5 5

638 693 638 693

tur zum Entfernen des Wassers getrocknet, wodurch ein Saccharose-Überzug auf den gesamten Katalysatorteilchen zurückblieb. Der überzogene Katalysator wurde dann in einer inerten Atmosphäre (ein Vakuum hätte angewandt werden können) zur Zersetzung der Saccharose gemäss folgender Reaktionsgleichung erhitzt: Dried to remove water, leaving a sucrose coating on all of the catalyst particles. The coated catalyst was then heated in an inert atmosphere (vacuum could have been used) to decompose the sucrose according to the following reaction equation:

CnHa-jOn + Wärme -» 11 C + 11H20 (4) CnHa-jOn + heat - »11 C + 11H20 (4)

Dadurch hinterbleiben poröse Kohlenstoffabscheidun-gen auf allen Flächen des Katalysators, einschliesslich auf den Platinkristalliten und um diese herum, sowie auch einfach auf dem Kohlenstoffträgermaterial. Wie bei den anderen Ausführungsformen dient der Kohlenstoff, der auf den Platinkristalliten und um sie herum abgeschieden ist, dem Zwecke der Herabsetzung der Wanderung der Platin-. s kristallite gemäss den Lehren der Erfindung. Kohlenstoff, der woanders auf dem Träger abgeschieden wird, schadet nicht, da das Katalysatorträgermaterial bereits Kohlenstoff ist. Tabelle III zeigt Testdaten für Elektroden mit einem Katalysator, der nach der Saccharosezersetzungsmethode her-lo gestellt wurde. Elektrodengrösse, Katalysatormenge und andere Aspekte der Brennstoffzellentests waren die gleichen wie im Zusammenhang mit Tabelle I beschrieben. This leaves porous carbon deposits on all surfaces of the catalyst, including on and around the platinum crystallites, as well as simply on the carbon support material. As with the other embodiments, the carbon deposited on and around the platinum crystallites serves the purpose of reducing platinum migration. s crystallites according to the teachings of the invention. Carbon that is deposited elsewhere on the support does no harm since the catalyst support material is already carbon. Table III shows test data for electrodes with a catalyst made by the sucrose decomposition method. Electrode size, amount of catalyst and other aspects of the fuel cell tests were the same as described in connection with Table I.

Tabelle III Table III

Leistungs- und Oberflächendaten für mit Saccharose behandeltem Katalysator Performance and surface data for sucrose treated catalyst

Katalysator Behandlung Kathoden-Anfangs- Platinoberfläche, m2/g Catalyst treatment initial cathode platinum surface, m2 / g

Potential anfangs 100 h 400 h mV bei 0,22 A/cm2 Potential initially 100 h 400 h mV at 0.22 A / cm2

16* ohne 685 140 56 43 16 * without 685 140 56 43

17 30 min bei 493 °C 685 110 70 58 17 30 min at 493 ° C 685 110 70 58

18 30 min bei 593 °C 681 - 18 30 min at 593 ° C 681 -

* Kontroll-Katalysator, d.h. keine Behandlung. * Control catalyst, i.e. no treatment.

Um Vorteile zu erkennen, sollte die Temperatur der Wärmebehandlung zur Zersetzung der Saccharose zwischen 427 und 649 °C liegen und eine halbe bis 6 Stunden gehalten werden. Im allgemeinen muss die Temperatur nur so lange gehalten werden, bis die gesamte Saccharose in Kohlenstoff überführt ist. Wird Kohlenstoff abgeschieden, wenn die Temperatur über 649 °C hinausgeht, kann zu starkes thermisches Sintern des Platins während der Saccharose-Zerset-zung eintreten und den erfindungsgemässen Zweck zunichte machen, der darin besteht, kleine Platinkristallitgrössen zu erhalten. Temperaturen unter 427 °C verkohlen die Saccharose nicht vollständig. Es wird angenommen, dass jedes lösliche organische Material, das sich beim Erhitzen zu Kohlenstoff zersetzt, für die erfindungsgemässen Zwecke verwendet werden kann. Saccharose ist ein solches lösliches organisches Material. Beispiele für andere Materialien sind Phenolharze, Cellulose und Polyvinylalkohol. In order to recognize advantages, the temperature of the heat treatment for the decomposition of sucrose should be between 427 and 649 ° C and held for half a to 6 hours. In general, the temperature need only be maintained until all of the sucrose has been converted to carbon. If carbon is deposited when the temperature exceeds 649 ° C, excessive thermal sintering of the platinum can occur during the decomposition of sucrose and nullify the purpose according to the invention, which is to obtain small platinum crystallite sizes. Temperatures below 427 ° C do not charr the sucrose completely. It is believed that any soluble organic material that decomposes to carbon when heated can be used for the purposes of the present invention. Sucrose is one such soluble organic material. Examples of other materials are phenolic resins, cellulose and polyvinyl alcohol.

Gänzlich unerwartet wurde gefunden, dass, wenn die wie vorstehend offenbart hergestellten Katalysatoren in einer inerten Atmosphäre oder in Vakuum weiterhin in einem Temperaturbereich von 816 bis 1232 °C wärmebehandelt werden, und die Temperatur eine halbe bis 6 Stunden in diesem Bereich gehalten wird, der erhaltene Katalysator sogar noch weniger rekristallisiert. Noch überraschender ist ausserdem, dass die Aktivität des Platins selbst durch diese Hochtemperaturbehandlung erhöht wird. Diese Steigerung der Platin-Aktivität scheint mit der Tatsache, dass die Platinrekristallisation in der Brennstoffzelle auch herabgesetzt wird, nicht zusammenzuhängen. Quite unexpectedly, it has been found that if the catalysts prepared as disclosed above are further heat treated in an inert atmosphere or in vacuum in a temperature range of 816 to 1232 ° C and the temperature is held in this range for half a to 6 hours, the resultant Catalyst recrystallized even less. It is even more surprising that the activity of the platinum itself is increased by this high temperature treatment. This increase in platinum activity does not appear to be related to the fact that platinum recrystallization in the fuel cell is also reduced.

Ist der poröse Kohlenstoff auf den Platinkristalliten abgeschieden worden, z. B. nach einer der obigen Methoden oder nach irgendeiner anderen geeigneten Methode, wird der Has the porous carbon been deposited on the platinum crystallites, e.g. B. by one of the above methods or by any other suitable method, the

Katalysator dann einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre oder in Vakuum unterworfen. 30 Tests wurden zur Bestimmung der optimalen Wärmebehandlungsbedingungen durchgeführt. Einige dieser Testdaten sind in der folgenden Tabelle IV wiedergegeben. Elektrodengrösse, Katalysatormenge und andere Aspekte der Brennstoffzellentests waren die gleichen, wie oben im Zu-35 sammenhang mit Tabelle I beschrieben. The catalyst is then subjected to a high temperature heat treatment in an inert atmosphere or in vacuum. 30 tests were carried out to determine the optimal heat treatment conditions. Some of this test data is shown in Table IV below. Electrode size, amount of catalyst and other aspects of the fuel cell tests were the same as described above in connection with Table I.

Katalysator 19 war der Kontrollkatalysator und erfuhr keine Behandlung. Kohlenstoff wurde vor der Hochtemperatur-Wärmebehandlung im Falle der Katalysatoren 20 und 22 nicht abgeschieden, dies aus dem Grunde, die erfin-40 dungsgemäss erzielbare Wirksamkeit beurteilen zu können. Alle übrigen Katalysatoren wurden vor der Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre oder in Vakuum bei der angegebenen Temperatur für 10 Minuten einer Kohlen-^ monoxidbehandlung bei 371 °C unterworfen. Catalyst 19 was the control catalyst and received no treatment. Carbon was not deposited in the case of catalysts 20 and 22 before the high-temperature heat treatment, for the reason that it was possible to assess the effectiveness which can be achieved according to the invention. All other catalysts were subjected to a carbon monoxide treatment at 371 ° C. for 10 minutes before the heat treatment in an inert atmosphere or in vacuo at the stated temperature.

Bei all diesen Tests erfolgte die Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre oder in Vakuum durch Erhitzen der Katalysatorprobe von Raumtemperatur auf die maximale Wärmebehandlungstemperatur in der in der zweiten Spalte so der Tabelle angegebenen Geschwindigkeit. Die in Spalte 4 der Tabelle angegebene Zeit zählt von dem Augenblick, in dem die Temperatur 899 °C erreicht. Beispielsweise würde bei 205 °C/h der Katalysator 21 in 1 Stunde 20 Minuten von 899 auf 1170 °C erhitzt. Die restliche Zeit der 2,5 Stunden 55 Gesamtzeit wären bei 1170 °C. Die Katalysatorproben 27 und 29 wurden einfach in der angegebenen Geschwindigkeit auf 899 CC erhitzt und 1 Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Katalysator 24 wurde mit 111 °C auf 899 °G und dann mit 222 ~C auf 1038 °C erhitzt. In all of these tests, the heat treatment was carried out in an inert atmosphere or in vacuum by heating the catalyst sample from room temperature to the maximum heat treatment temperature at the speed indicated in the second column of the table. The time given in column 4 of the table counts from the moment the temperature reaches 899 ° C. For example, at 205 ° C / h, the catalyst 21 would be heated from 899 to 1170 ° C in 1 hour 20 minutes. The remaining time of the 2.5 hours 55 total time would be at 1170 ° C. Catalyst samples 27 and 29 were simply heated to 899 cc at the rate indicated and held at that temperature for 1 hour. Catalyst 24 was heated at 111 ° C to 899 ° G and then at 222 ~ C to 1038 ° C.

638 693 638 693

Tabelle IV Table IV

Einfluss der Katalysator-Wärmebehandlung auf die Kathoden-Anfangsleistung in einer H3P04.-Brennstoffzelle (sofern nicht anders angegeben, wurden alle Katalysatoren vor der Wärmebehandlung einer lOminütigen CO-Behandlung bei 371 :C unterworfen) Influence of the catalyst heat treatment on the initial cathode performance in an H3P04. Fuel cell (unless otherwise stated, all catalysts were subjected to a 10-minute CO treatment at 371: C before the heat treatment)

Katalysator Aufheiz- maximale Wärme- Zeit der Wärmegeschwindigkeit behandlungs- behandlung" (°C/h) Temperatur (h) Catalyst heating-up maximum heat time of heat rate treatment treatment "(° C / h) temperature (h)

(=C) (= C)

Atmosphäre der Wärmebehandlung Heat treatment atmosphere

Kathoden-Anfangspotential (mV bei 0,22 A/cm2) Initial cathode potential (mV at 0.22 A / cm2)

19* 19 *

-

-

-

685 685

20" 20 "

210 210

1177 1177

2,5 2.5

n2 n2

630 630

21 21st

210 210

1177 1177

2,5 2.5

n2 n2

680 680

22b 22b

167 167

950 950

1,0 1.0

n2 n2

680 680

23 23

167 167

950 950

1,0 1.0

n2 n2

710 710

24 24th

lll/222c III / 222c

1038 1038

1,0 1.0

n2 n2

690 690

25 25th

111 111

954 954

6,0 6.0

n2 n2

674 674

26 26

iii iii

916 916

2,0 2.0

n2 n2

695 695

27 27th

111 111

899 899

1,0 1.0

n2 n2

710 710

28 28

iii iii

960 960

1,0 1.0

n2 n2

701 701

29 29

167 167

899 899

1,0 1.0

Vakuum vacuum

714 714

30 30th

250 250

910 910

1,0 1.0

Ar Ar

708 708

* Kontrollkatalysator - keine CO-Behandlung oder Wärmebehandlung * Control catalyst - no CO treatment or heat treatment

a beginnend bei 899 °C a starting at 899 ° C

b keine KohlenstofTabscheidung vor der Wärmebehandlung (d.h., keine CO-Behandlung) = 111 °C/h bis zu 899°C; 222°C/h von 899 bis 1038°C. b no carbon deposition before the heat treatment (i.e. no CO treatment) = 111 ° C / h up to 899 ° C; 222 ° C / h from 899 to 1038 ° C.

Obgleich die Zählzeit bei 899 °C begann, beginnen die 30 tems (d.h., der Erhöhung der Platin-Teilchengrösse), verur- Although the counting time started at 899 ° C, the 30 tems (i.e., the increase in platinum particle size) begin to

Vorteile vermutlich bereits bei etwa 816 °C zu erwachsen. sacht durch die hohen Temperaturen der Wärmebehand- Advantages to grow at around 816 ° C. gently due to the high temperatures of the heat treatment

Temperaturen oberhalb etwa 1232 °C können thermisches lung. Im Hinblick auf die Erfindung wird unterstellt, dass Temperatures above about 1232 ° C can cause thermal lung. With regard to the invention it is assumed that

Sintern in einem Ausmass hervorrufen, dass alle durch die die porösen Kohlenstoffabscheidungen die Wanderungsge- Cause sintering to such an extent that all of the porous carbon deposits

Wärmebehandlung hervorgerufenen Vorteile tatsächlich zu- schwindigkeit der Platinkristallite während der Hochtem- Advantages caused by heat treatment actually speed of the platinum crystallites during the high-temperature

nichte werden. Unter Berücksichtigung dieser Zusammen- 35 peratur-Wärmebehandlung erheblich verlangsamen, und hänge und auf der Grundlage der erzielten Testergebnisse wenn sich die Platinkristallite langsam über die Oberfläche und weiterer Versuche ist eine Wärmebehandlung im Tem- des Kohlenstoffs bewegen, finden sie geeignete natürliche peraturbereich von 816 bis 1232 °C für eine halbe bis 6 Stun- Fehlstellen in der Oberfläche des Kohlenstoff-Trägermateri- will be niece. Taking this temperature heat treatment into consideration, slow it down considerably and, based on the test results obtained, if the platinum crystallites move slowly over the surface and further attempts to heat treat in the temper of carbon, you will find suitable natural temperature ranges from 816 to 1232 ° C for half to 6 hours defects in the surface of the carbon carrier material

den vorteilhaft. Natürlich erfordern tiefere Maximaltem- als, die die Platinteilchen halten und die Wanderung und Re- the advantageous. Of course, deeper maximum temperatures than that which hold the platinum particles and require the migration and re-

peraturen und langsamere Aufheizgeschwindigkeiten längere 40 kristallisation nach Gebrauch des Katalysators in der Brenn- temperatures and slower heating rates longer crystallization after use of the catalyst in the combustion

Wärmebehandlungszeiten als höhere Maximaltemperaturen stoffzelle herabsetzen. Reduce heat treatment times as higher maximum temperatures.

und Aufheizgeschwindigkeiten. Zu rasche Temperatursteigerung kann eine Oxydation des Kohlenstoffträgers durch Tabelle V bietet einige Angaben zur Katalysatoroberflä-Verflüchtigung von Verunreinigungen auslösen, bevor sie che für die Katalysatoren 19,20 und 21, die behandelt wur-Gelegenheit hatten, aus den Kohlenstoffteilchen zu entwei- 45 den, wie in Tabelle IV angegeben. Aus den Daten der Tabel-chen. Daher wird eine Aufheizgeschwindigkeit von nicht hö- len IV und V ist folgendes zu entnehmen: Zuerst zeigt sich her als etwa 334 °C/h empfohlen. Die erhaltenen Daten zei- klar, dass die CO-Behandlung (oder eine andere Behandlung gen, dass eine bevorzugte Wärmebehandlung im Tempera- zur Abscheidung porösen Kohlenstoffs auf den Platinkri-turbereich von 899 bis etwa 960 °C für % bis 1Vi Stunden stalliten) vor der Hochtemperatur-Wärmebehandlung für sein sollte. ■ ... 50 die Erfindung kritisch ist. Zweitens hat der Katalysator 21 and heating rates. Too rapid an increase in temperature, oxidation of the carbon support by Table V may provide some information about the catalyst surface volatilization of contaminants before they have escaped for the catalysts 19, 20 and 21 that have been treated to escape from the carbon particles. as indicated in Table IV. From the data in the table. Therefore a heating rate of not high IV and V can be seen from the following: At first it turns out to be about 334 ° C / h recommended. The data obtained clearly show that the CO treatment (or another treatment against a preferred heat treatment in the temperature range for depositing porous carbon on the platinum crystal range from 899 to about 960 ° C. for% to 1Vi hours) the high temperature heat treatment should be for. ■ ... 50 the invention is critical. Second, the catalyst has 21

Auf der Grundlage der Versuchstests wurde gefunden, trotz der grossen Verbesserung des Kathoden-Anfangs-dass die Hochtemperatur-Wärmebehandlung, wenn sie auch potentials zwischen Katalysator 20 und 21 noch ein niedrige-für die Erfindung nicht notwendig ist, den Katalysator doch res Kathoden-Anfangspotential als der unbehandelte Kata-in zweifacher Hinsicht verbessert. Erstens wird die Rekristal- lysator 19, doch nach nur 100 Betriebsstunden in einer Iisation des Platins während der Verwendung der Elektrode 5s Brennstoffzelle sind die Oberflächen der Katalysatoren 19 in einer Brennstoffzelle sogar noch stärker herabgesetzt als und 21 nahezu gleich. Bei längerer Zeit in der Brennstoffzelle durch einfaches Abscheiden porösen Kohlenstoffs auf den übertrifft der Katalysator 21 den unbehandelten Katalysator Platinkristalliten ohne anschliessende Hochtemperatur-Wär- 19 an Leistung und Oberfläche (vgl. Fig. 2). So zeigen sich mebehandlung des Katalysators, und zweitens wird die An- beim Langzeitbetrieb Vorteile als Folge der speziellen Be-fangsaktivität des Platinkatalysators (d. h. vor der Verwen- M Handlung, die der Katalysator 21 erfahren hat. Drittens zeigt dung in der Brennstoffzelle) erhöht. Der Vorteil dieser an- die Behandlung des Katalysators 25, dass, selbst wenn die fänglichen Erhöhung bleibt während der gesamten Verwen- Wärmebehandlungstemperatur nicht besonders hoch ist, zu dung des Katalysators erhalten. lange Zeit bei dieser Temperatur zu einer beträchtlichen Ein-Am Anfang wurde versucht, verminderte Platin-Rekri- busse an Anfangsleistung führt. Schliesslich kann allgemein stallisation unter Anwendung einer Hochtemperatur-Wär- 6s geschlossen werden, dass bessere Ergebnisse bei Anwendung mebehandlung zu erhalten, ohne aber zuerst Kohlenstoff auf niedrigerer Temperaturen und kürzerer Wärmebehandlungs-den Platinkristalliten abzuscheiden. Diese Tests waren nicht zeit erhalten werden, als beim bevorzugten Temperaturbesonderlich erfolgreich wegen des zu starken thermischen Sin- reich von 899 bis 960 °C bei V* bis 1 Vi Stunden. On the basis of the test tests, it was found, despite the great improvement in the cathode start - that the high-temperature heat treatment, although it is still a low potential between catalyst 20 and 21 - is not necessary for the invention, but the catalyst's initial cathode potential than the untreated kata improved in two ways. First, the recrystallizer 19 is used, but after only 100 hours of operation in an ionization of the platinum while using the electrode 5s fuel cell, the surfaces of the catalysts 19 in a fuel cell are reduced even more than and 21 are almost the same. If the fuel cell is used for a long time by simply separating porous carbon onto it, the catalyst 21 outperforms the untreated platinum crystallite catalyst without subsequent high-temperature heat in terms of output and surface (cf. FIG. 2). This shows me treatment of the catalytic converter, and secondly, the advantages in long-term operation are increased as a result of the special starting activity of the platinum catalytic converter (i.e. prior to the use that the catalytic converter 21 has experienced. Thirdly, the use in the fuel cell). The advantage of this and the treatment of the catalyst 25 is that even if the catchable increase remains not particularly high during the entire use heat treatment temperature, the catalyst is retained. For a long time at this temperature, there was a considerable initial effort. Finally, it can be concluded generally using a high temperature heat that better results can be obtained when using treatment, but without first depositing carbon at lower temperatures and with shorter heat treatment - the platinum crystallites. These tests were not obtained at the time when the preferred temperature was particularly successful because of the too strong thermal range from 899 to 960 ° C at V * to 1 Vi hours.

638 693 638 693

Tabelle V Table V

Einfluss der CO-Behandlung auf die Platinoberfläche vor der Wärmebehandlung Influence of the CO treatment on the platinum surface before the heat treatment

Katalysator catalyst

Oberfläche, m2/g anfangs Surface, m2 / g initially

100 h 100 h

19d 20d 21d 19d 20d 21d

140 40 60 140 40 60

45 34 •43 45 34 • 43

1 vgl. Tabelle IV zu den Einzelheiten der Behandlung. 1 cf. Table IV for details of treatment.

Die graphische Darstellung der Fig. 2 macht deutlich, dass die Erfindung eine wesentliche Verbesserung gegenüber Katalysatoren liefert, die keine KohlenstofTabscheidung auf den Platinkristalliten haben. In Fig. 2 ist die unter Brenn-stofTzellenbedingungen verstrichene Zeit auf der Abszisse und die durchschnittliche Platinoberfläche auf der Ordinate aufgetragen. Die Kurven beruhen auf tatsächlichen Daten. Die mit D gekennzeichnete Kurve betrifft unbehandelten Platin-auf-Kohlenstoff-Katalysator. Die mit E markierte Kurve betrifft einen Katalysator, der der gleiche wie für die Kurve D war, mit der Ausnahme, dass auf und um die Platinkristallite nach der vorstehend beschriebenen Kohlen-monoxidmethode poröser Kohlenstoff abgeschieden worden war. Der Katalysator E war jedoch nicht einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre unterworfen worden. Die mit F bezeichnete Kurve betrifft einen Katalysator, der mit CO behandelt und dann der Hochtemperatur-Wärmebehandlung gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterworfen worden war. Das heisst, sie bezieht sich auf einen Katalysator, der mit dem Katalysator der Kurve E identisch ist, der aber auch einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre unterworfen worden war. The graphical representation of FIG. 2 makes it clear that the invention provides a significant improvement over catalysts which have no carbon deposition on the platinum crystallites. 2, the time elapsed under fuel cell conditions is plotted on the abscissa and the average platinum surface area on the ordinate. The curves are based on actual data. The curve marked D relates to untreated platinum-on-carbon catalyst. The curve marked E relates to a catalyst which was the same as for curve D, except that porous carbon had been deposited on and around the platinum crystallites by the carbon monoxide method described above. However, the catalyst E had not been subjected to a high temperature heat treatment in an inert atmosphere. The curve labeled F relates to a catalyst which was treated with CO and then subjected to the high-temperature heat treatment according to a preferred embodiment of the invention. That is, it refers to a catalyst which is identical to the catalyst of curve E, but which has also been subjected to high-temperature heat treatment in an inert atmosphere.

Die Katalysatoren D und E beginnen erkennbar mit etwa der gleichen Platinoberfläche, die grösser ist als die Platinoberfläche des Katalysators F. In allen Fällen nimmt die Platinoberfläche während des Brennstoffzellenbetriebs ab; die Oberfläche der Katalysatoren E und F nimmt aber langsamer ab als die des Katalysators D. Nach etwa 200 Stunden The catalysts D and E start recognizably with approximately the same platinum surface, which is larger than the platinum surface of the catalyst F. In all cases, the platinum surface decreases during fuel cell operation; the surface of the catalysts E and F decreases more slowly than that of the catalyst D. After about 200 hours

Brennstoffzellenbetrieb übertrifft die Platinoberfläche des Katalysators F die Oberfläche des Katalysators D. Nach etwa 2000 Stunden Brennstoffzellenbetrieb übertrifft die Oberfläche des Katalysators F auch die Platinoberfläche des s Katalysators E. Dies erklärt teilweise die verbesserte Leistung der Brennstoffzelle, die den einer KohlenstofTabscheidung und anschliessenden Wärmebehandlung unterworfenen Katalysator verwendet. Fuel cell operation exceeds the platinum surface of the catalyst F the surface of the catalyst D. After about 2000 hours of fuel cell operation, the surface of the catalyst F also exceeds the platinum surface of the catalyst E. This partly explains the improved performance of the fuel cell, the catalyst subjected to carbon separation and subsequent heat treatment used.

Die graphische Darstellung der Fig. 3 basiert auch auf io Versuchsdaten und zeigt, dass, abgesehen von der herabgesetzten Rekristallisationsgeschwindigkeit des Platins, wenigstens am Anfang das Platin in sich und von sich selbst als Folge der Erfindung aktiver ist. In diesem Diagramm ist wieder die Zeit in der Brennstoffzelle auf der Abszisse und 15 die Katalysatoraktivität, ausgedrückt als Brennstoffzellenlei-stung bei 0,22 A/cm2, auf der Ordinate aufgetragen. Es ist unmittelbar abzulesen, dass die Aktivität des erfindungsgemäss hergestellten Katalysators (Kurve H) zu Beginn und stets höher ist als die Aktivität des unbehandelten Katalysa-20 tors (Kurve G), trotz der Tatsache, dass er am Anfang eine geringere Platinoberfläche aufweist (vgl. Fig. 2). Vermutlich ist, selbst wenn nach langer Einsatzzeit die Katalysatoren der Kurven H und G schliesslich die gleiche Oberfläche haben (was nicht der Fall ist), die Aktivität des durch die Kur-25 ve H dargestellten Katalysators noch höher als die des unbehandelten Katalysators. 3 is also based on experimental data and shows that, apart from the reduced recrystallization rate of the platinum, at least initially the platinum is more active in itself and as a result of the invention. In this diagram the time in the fuel cell is again plotted on the abscissa and 15 the catalyst activity, expressed as fuel cell performance at 0.22 A / cm2, on the ordinate. It can be seen immediately that the activity of the catalyst produced according to the invention (curve H) is at the beginning and always higher than the activity of the untreated catalyst (curve G), despite the fact that it has a smaller platinum surface area at the beginning (cf. Fig. 2). Even if the catalysts of curves H and G finally have the same surface (which is not the case) after a long period of use, the activity of the catalyst represented by the Kur-25 ve H is still higher than that of the untreated catalyst.

Die Erfindung offenbart so einen verbesserten Katalysator aus Platinkristalliten auf Kohlenstoff mit einer KohlenstofTabscheidung auf den Platinkristalliten und um sie her-30 um. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine weitere Verbesserung dieses Katalysators durch anschliessende Wärmebehandlung erreicht werden. Diese Wärmebehandlung, wenngleich vorteilhaft, ist jedoch erfindungsgemäss nicht notwendig, sie liefert selbst in Ab-35 Wesenheit dieser zusätzlichen Wärmebehandlung eine erhebliche Verbesserung gegenüber den Katalysatoren des Standes der Technik. The invention thus discloses an improved platinum crystallite on carbon catalyst with carbon deposition on and around the platinum crystallites. According to a preferred embodiment of the invention, a further improvement of this catalyst can be achieved by subsequent heat treatment. However, this heat treatment, although advantageous, is not necessary according to the invention, even in the absence of this additional heat treatment it provides a considerable improvement over the catalysts of the prior art.

Wenngleich die Erfindung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird 40 der Fachmann selbstverständlich verschiedene weitere Abänderungen und Weglassungen in Form und Einzelheiten vornehmen können, ohne vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Although the invention has been shown and described in terms of preferred embodiments, those skilled in the art will of course be able to make various other changes and omissions in form and details without departing from the spirit and scope of the invention.

s s

3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims (15)

638 693 638 693 PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 1. Platinkatalysator, dadurch gekennzeichnet, dass er Pia tin krf s talli ta auf Kohlenstoffteilehen âls Träger aufweist, wobei Kohlenstoff auf den und um die Kristallite herum zur Herabsetzung der Wanderung der Kristallite auf der Oberfläche der Kohlenstoffteilchen bei späterer Behandlung oder Verwendung des Katalysators abgeschieden worden ist. 1. Platinum catalyst, characterized in that it has pia tin krf s talli ta on carbon particles as a carrier, wherein carbon has been deposited on and around the crystallites to reduce the migration of the crystallites on the surface of the carbon particles during subsequent treatment or use of the catalyst is. 2. Verfahren zur Herstellung eines Platinkatalysators gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatoraus Platinkristalliten auf Kohlenstoffteilchen als Träger der Abscheidung von porösem Kohlenstoff auf den Platinkristalliten und um diese herum unterworfen wird. Process for the production of a platinum catalyst according to claim 1, characterized in that the catalyst made of platinum crystallites on carbon particles as a carrier is subjected to the deposition of porous carbon on the platinum crystallites and around them. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abscheidimg der Katalysator in Gegenwart einer kohlenstoffhaltigen Verbindung zu deren Zersetzung und zur Bildung porösen Kohlenstoffs erhitzt wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that in the Abscheidimg the catalyst is heated in the presence of a carbon-containing compound to decompose it and to form porous carbon. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine gasförmige oder dampfförmige kohlenstoffhaltige Verbindung verwendet und der Katalysator in Gegenwart des Gases oder Dampfes erhitzt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that a gaseous or vaporous carbon-containing compound is used and the catalyst is heated in the presence of the gas or steam. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als kohlenstoffhaltige Verbindung Kohlenmonoxid verwendet wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that carbon monoxide is used as the carbon-containing compound. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhitzen auf eine Temperatur von 260 bis 649 °C erhitzt und die Temperatur in diesem Bereich 1 bis 60 Minuten gehalten wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that when heated to a temperature of 260 to 649 ° C and the temperature is maintained in this range for 1 to 60 minutes. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf 260 bis 427 °C erhitzt und die Temperatur in diesem Bereich 5 bis 30 Minuten gehalten wird. 7. The method according to claim 5, characterized in that heated to 260 to 427 ° C and the temperature is held in this range for 5 to 30 minutes. 8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf maximal 371 °C erhitzt und diese Maximaltemperatur 10 Minuten beibehalten wird. 8. The method according to claim 3, characterized in that heated to a maximum of 371 ° C and this maximum temperature is maintained for 10 minutes. 9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als kohlenstoffhaltige Verbindung ein Kohlenwasserstoffdampf oder -gas verwendet und auf eine zur Zersetzung des Kohlenwasserstoffs zur Abscheidung porösen Kohlenstoffs auf den Platinkristalliten und um diese herum ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird. 9. The method according to claim 4, characterized in that a hydrocarbon vapor or gas is used as the carbon-containing compound and is heated to a sufficiently high temperature for the decomposition of the hydrocarbon for the deposition of porous carbon on the platinum crystallites and around them. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenwasserstoff n-Hexen, Heptan, Benzol, 10. The method according to claim 9, characterized in that as the hydrocarbon n-hexene, heptane, benzene, 5 Acetylen, Methan oder Äthylen verwendet wird. 5 acetylene, methane or ethylene is used. 11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als kohlenstoffhaltiges Material ein wasserlösliches organisches Material verwendet und zur Abscheidung des Kohlenstoffs eine Schicht des wasserlöslichen organischen 11. The method according to claim 3, characterized in that a water-soluble organic material is used as the carbon-containing material and a layer of the water-soluble organic for the deposition of the carbon 10 Materials auf den Katalysator aufgebracht und dieser dann in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum zur Zersetzung des organischen Materials in der Schicht unter Zurücklassimg porösen Kohlenstoffs auf den Platinkristalliten und um diese herum erhitzt wird. 10 material applied to the catalyst and this is then heated in an inert atmosphere or in vacuo to decompose the organic material in the layer, leaving porous carbon on and around the platinum crystallites. 1S 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen einer Schicht des wasserlöslichen organischen Materials der Katalysator in einer wässrigen Lösung des organischen Materials eingeweicht und zum Entfernen des Wassers aus der Schicht getrocknet wird. 1S 12. The method according to claim 11, characterized in that to apply a layer of the water-soluble organic material, the catalyst is soaked in an aqueous solution of the organic material and dried to remove the water from the layer. 20 20th 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als kohlenstoffhaltiges Material Saccharose verwendet wird. 13. The method according to any one of claims 11 or 12, characterized in that sucrose is used as the carbon-containing material. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich- 14. The method according to claim 13, characterized in 25 net, dass auf eine Temperatur im Bereich von 427 bis 649 °C 25 net that to a temperature in the range of 427 to 649 ° C erhitzt und die Temperatur in diesem Bereich eine halbe bis t Stunden gehalten wird. heated and the temperature is held in this range for half a to t hours. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator nach der Koh- 15. The method according to any one of claims 2 to 14, characterized in that the catalyst after the carbon 30 lenstoffabscheidung einer Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre oder in Vakuum auf eine Temperatur im Bereich von 816 bis 1232 CC unterworfen und die Temperatur in diesem Bereich eine halbe bis 6 Stunden gehalten wird. 30 subjected to a heat treatment in an inert atmosphere or in vacuum to a temperature in the range from 816 to 1232 CC and the temperature is maintained in this range for half a to 6 hours. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich- 16. The method according to claim 15, characterized in 3s net, dass auf eine Temperatur im Bereich von 899 bis 960 °C 3s net that to a temperature in the range of 899 to 960 ° C erhitzt und die Temperatur in diesem Bereich 0,75 bis 1,5 Stunden gehalten wird. heated and the temperature in this range is maintained for 0.75 to 1.5 hours.
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