CN105144443A - 带有非铂芯的铂合金纳米催化剂 - Google Patents

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Abstract

根据一实施例，铂合金粒子包括：芯，其包括不同于铂的材料。在芯上的壳体包括铂。壳体具有多个小平面。小平面中的至少大部分是{111}小平面。

Description

带有非铂芯的铂合金纳米催化剂
技术领域
本公开的主题大体而言涉及燃料电池部件。更特定而言，本公开的主题涉及适用于燃料电池部件的催化剂材料。
背景技术
燃料电池基于电化学反应而发电。典型燃料电池布置包括了在两个电极层之间的膜以便于电化学反应。电极层常常被称作催化剂层。催化剂之一通常被称作阳极，而另一个通常被称作阴极。
至少阳极层包括诸如铂这样的材料，其已被证明有效地便于燃料诸如氢气的氧化，以将燃料转变为带正电荷的离子和负电荷电子。虽然铂已被证明是有用的并且有效的，其是昂贵的材料。
已做出了相当大量努力来降低燃料电池部件的成本。一个建议是替换铂或者减少所需铂的量，这将会降低电极层中至少一个的成本。与试图减少铂的量相关联的显著挑战在于其倾向于降低便于促成催化反应的活性。
已据报道的是，Pt合金的{111}小平面在活性方面比{100}和{110}小平面更强得多(StamenkovicVR,FowlerB,MunBS,WangG,RossPN,LucasCA,MarkovicNM(2007)ImprovedoxygenreductionactivityonPt3Ni{111}viaincreasedsurfacesiteavailability.Science315:493)。
发明内容
根据一示例实施例，铂合金粒子包括：芯，其包括不同于铂的材料。在芯上的壳体包括铂。壳体具有多个小平面。小平面中的至少大部分是{111}小平面。
根据一示例实施例，燃料电池催化剂部件包括由芯和在芯上的壳体所构成的铂合金。芯包括不同于铂的材料。壳体包括铂。壳体具有多个小平面。小平面中的至少大部分是{111}小平面。
从下文的详细描述，与至少一个所披露的示例实施例相关联的各种特点和优点对于本领域技术人员将显而易见。附图以及详细描述可如下简要地描述。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的一实施例而设计的包括催化剂的示例燃料电池的选定部分。
图2示意性地示出了根据本发明的一实施例而设计的示例铂合金粒子。
图3示意性地示出了源自图2的示例的{111}铂小平面。
图4示意性地示出了在{111}铂小平面中的铂原子的布置/排列。
具体实施方式
图1示意性地示出了燃料电池20的选定部分。膜电极组件22包括了在膜28的相对侧上的催化剂层24和26。出于讨论目的，催化剂层24被认为是阳极电极层并且催化剂层26被认为是阴极电极层。
流体分配板30包括用于通过气体扩散层36向电极组件22输送反应物诸如氢气的多个肋状物32和通道34。当反应物诸如氢气到达阳极电极催化剂层24时，氢离子和电子以已知方式分离开，作为由燃料电池20所促成的电化学反应的部分。
另一流体分配板40包括用于通过气体扩散层46向阴极电极催化剂层26输送另一种反应物诸如氧气的多个肋状物42和通道44。
电极催化剂层中的至少一个包括铂。在此示例中，铂合金便于促成在相对应催化剂层处发生的催化反应。如在图2中示意性地示出，铂合金粒子50包括芯52和在芯52上的壳体54。在此示例中，壳体54具有八面体的形状，所述八面体的形状具有八个侧面或小平面56。在另一示例中，壳体54具有四面体形状。
芯52包括非铂材料。在一示例中，芯52包括钯。在图示实施例中，芯52具有立方体形状。芯52的其它形状是可能的，诸如八面体，三次八面体、球形。在另一示例中，芯52包括至少一种贵金属，诸如Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir和Au。在另一示例中，芯52包括金属合金、诸如PdCo。在另一示例中，芯52包括金属氧化物、碳化物或聚合物。
示例壳体54包括铂合金，铂合金包括Pt和至少一种过渡金属，诸如Ni、Co、Fe、Cr、V、Mn、Cu、Zn、Ti、Zr、Y、W、Ta。其它Pt合金包括Pt和至少一种其它贵金属，诸如Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Au。在另一示例中，壳体54包括铂。
使用非铂材料的芯52提供了更廉价的芯。同时，示例粒子50包括具有高活性的壳体54。芯52用作一种用于铂基壳体生长的种子。
在一示例粒子50上，小平面56中的大部分是{111}小平面。在一示例中，{111}小平面包括Pt合金，诸如Pt3Ni。使大部分小平面56为{111}小平面维持了催化反应的高活性。在某些示例中，所有小平面56是{111}小平面。在某些示例中，使用铂来代替Pt3Ni；并且在这些情况下，{111}小平面是铂{111}小平面。运用非铂材料芯52便利了减少与实现这种高活性相关联的费用，因为需要更少的铂。
图3示意性地示出了在{111}小平面布置中在示例小平面56上的铂原子60的布置/排列。图4示意性地示出了呈与{111}小平面对应的六边形包装的铂原子60的布置/排列。以62示意性地示出的六边形轮廓展示了铂原子60的紧致/紧密包装。
示例催化剂粒子50提供了用以实现降低燃料电池催化剂成本的目标的能力，而不会具有有所降低的催化反应活性的缺陷。
前文的描述是示例性的而非限制性质。对于所披露的示例的变化和修改对于本领域技术人员可以变得显而易见，其未必偏离本发明的本质。仅可以通过学习所附权利要求来确定给予本发明的法律保护范围。

Claims (23)

1.一种燃料电池催化剂粒子，包括：
芯，其包括不同于铂的材料；以及
在所述芯上的壳体，所述壳体包括铂，所述壳体具有多个小平面，所述小平面中的至少大部分是{111}小平面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所有小平面是{111}小平面。
3.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述小平面中的大部分是{111}铂小平面。
4.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述壳体包括铂和至少一种过渡金属。
5.根据权利要求4所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述过渡金属包括Ni、Co、Fe、Cr、V、Mn、Cu、Zn、Ti、Zr、Y、W或Ta中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述壳体包括铂和至少一种其它贵金属。
7.根据权利要求6所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述其它贵金属包括Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir或Au中至少一种。
8.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述壳体具有八面体形状。
9.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述壳体具有四面体形状。
10.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述芯包括至少一种贵金属。
11.根据权利要求10所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述贵金属包括Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir或Au中至少一种。
12.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述芯包括钯合金。
13.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂粒子，其特征在于，所述芯包括碳化物、金属氧化物或聚合物中的至少一种。
14.一种燃料电池，包括：
膜；
在所述膜的一侧上的第一催化剂层；以及
在所述膜的相反侧上的第二催化剂层，
其中所述催化剂层中至少一个包括多个粒子，每个粒子具有含与铂不同于的材料的芯，以及在所述芯上的壳体，所述壳体包括铂，所述壳体具有多个小平面，所述小平面中的至少大部分是{111}小平面。
15.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所有小平面是{111}小平面。
16.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述小平面中的大部分是{111}铂小平面。
17.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述{111}小平面的大部分是铂合金{111}小平面。
18.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述壳体具有八面体形状。
19.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述壳体具有四面体形状。
20.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述芯包括至少一种贵金属。
21.根据权利要求20所述的燃料电池催化剂，其特征在于，所述其它贵金属包括Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir或Au中至少一种。
22.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述芯包括钯合金。
23.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述芯包括碳化物、金属氧化物或聚合物中的至少一种。
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