CN1925198A - 用于燃料电池阴极的催化剂及用于燃料电池的膜电极组件 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池用阴极催化剂包括载体和活性材料，该活性材料包括选自Ru、Pt、Rh及其结合物的M，和选自S、Se、Te及其结合物的Ch；条件是当载体是C时该活性材料不是RuSe。

Description

用于燃料电池阴极的催化剂及用于燃料电池的膜电极组件
技术领域
本发明涉及燃料电池的阴极催化剂和膜电极组件。更具体地说，本发明涉及对氧化剂的还原反应具有活性和选择性的阴极催化剂和膜电极组件。
背景技术
燃料电池是发电系统，其通过氧化剂和燃料例如氢，或基于烃的材料例如甲醇、乙醇和天然气等的电化学氧化还原反应产生电能。
这样的燃料电池是取代化石燃料的清洁能源。它包括由单元电池组成的电池组并产生各种范围内的功率输出。因为它具有比小型锂电池高四到十倍的能量密度，所以它已用作小型便携式电源。
代表性的示例性燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。该直接氧化燃料电池包括使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池。
聚合物电解质燃料电池具有高能量密度和高功率的优点，但是它也存在需要谨慎处理氢气和要求辅助设施例如燃料重整处理器的问题，该处理器用于重整甲烷或甲醇、天然气等以产生作为燃料气体的氢气。
相反，直接氧化燃料电池具有比气体型燃料电池低的能量密度，但是它的优点在于液体型燃料容易处理、操作温度较低和无需另外的燃料重整处理器。因此，它被认为是合适的用于小型且通用的电气设备的便携式电源系统。
在上述燃料电池系统中，产生电的电池组主要包括数个到许多彼此邻接堆叠的单元电池，并且每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)形成。该膜电极组件由阳极(也称为″燃料电极″或″氧化电极″)和阴极(也称为″空气电极″或″还原电极″)组成，该两种电极由聚合物电解质膜隔离。
燃料供给阳极并吸附在该阳极的催化剂上，并且被氧化产生质子和电子。电子经由外电路输送到阴极，质子通过聚合物电解质膜也输送到该阴极。此外，氧化剂供给阴极，然后该氧化剂、质子以及电子在该阴极的催化剂上反应产生电和水。
发明内容
本发明一个实施方案提供燃料电池用阴极催化剂，其对氧化剂还原反应具有高活性和高选择性。
本发明另一个实施方案提供制备阴极催化剂的方法。
本发明又一个实施方案提供包括上述阴极催化剂的膜电极组件。
本发明还有一个实施方案提供包括上述催化剂的燃料电池系统。
根据本发明的一个实施方案，提供一种阴极催化剂，其包括载体和活性材料，该活性材料包括选自Ru、Pt、Rh及其结合物的M，和选自S、Se、Te及其结合物的Ch；条件是当该载体是C时该活性材料不是RuSe。
根据本发明的又一个实施方案，提供一种阴极催化剂，其包括载体和包含Ru和S的活性材料。该活性材料具有纳米级的平均粒度并载于载体上。
根据本发明的又一个实施方案，提供燃料电池用阴极催化剂，其包括碳基材料和至少一种载于该碳基材料上的化合物，该化合物选自PtxS100-x、PtxSe100-x、PtxTe100-x、RhxS100-x、RhxSe100-x、RhxTe100-x及其结合物。
根据一个实施方案，该阴极催化剂按如下方式来制备：混合钌化合物和硫溶液，添加载体，回流和过滤所得的混合物，并对滤液进行热处理。
根据另一个实施方案，该阴极催化剂按如下方式来制备：在溶剂中混合以下物质：M载于其上的碳基材料粉末和选自S、Se、Te及其结合物的硫族元素粉末，其中M选自Pt、Rh及其结合物；回流和过滤该混合物；并干燥该滤液然后进行热处理。
根据本发明的又一个实施方案，提供一种膜电极组件，其包括彼此面对的阴极和阳极以及插入它们之间的聚合物电解质膜。该阴极催化剂层包括至少一种选自根据上述实施方案的阴极催化剂及其结合物中的至少一种催化剂。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方案的膜电极组件的剖面示意图。
图2示意性地说明根据本发明一个实施方案的燃料电池系统的结构。
图3A到3C是根据本发明实施例1的阴极催化剂的SEM照片。
图4是根据实施例1和对比实施例1的阴极催化剂的使用旋转圆盘电极(RDE)的测量结果的曲线图。
图5是根据实施例2的催化剂的活性的曲线图。
图6是根据实施例2的催化剂的选择性的曲线图。
具体实施方式
本发明的实施方案将在下文中参照附图进行详细描述。
根据本发明的一个实施方案，提供替代通常用于阴极的铂基催化剂的含Ru阴极催化剂。该含Ru催化剂对氧化还原反应具有极好的活性和稳定性。
根据本发明的一个实施方案，该阴极催化剂包括载体和活性材料，该活性材料包括选自Ru、Pt、Rh及其结合物的M，和选自S、Se、Te及其结合物的Ch。
根据本发明的另一个实施方案，该阴极催化剂包括Ru和S，并且具有纳米级平均粒度。根据一个实施方案，该阴极催化剂具有2到3纳米的平均粒度。当该催化剂的粒度小于2纳米时，该颗粒会互相聚集而变成5纳米以上的大颗粒，然而当它大于3纳米时，催化剂活性可能会降低。
根据上述实施方案，因为本发明的催化剂具有极小尺寸的颗粒，因此用于催化剂活性的活性表面面积增加，催化剂活性极好。具体来说，该催化剂的活性高于含Ru催化剂的活性，后者已被研究作为铂的替代物。
根据本发明一个实施方案，该阴极催化剂可以载于载体中。适合的载体包括碳，例如活性碳、denka黑、ketjen黑、乙炔黑和石墨；或无机材料微粒，例如氧化铝、二氧化硅、氧化钛和氧化锆。通常使用碳。
在一个实施方案中，在该阴极催化剂中，M和Ch的摩尔比为0.03到9。在上述M和Ch的摩尔比范围内，催化剂活性是极好的。根据另一个实施方案，在该阴极催化剂中，Ru和S的摩尔比为0.03到0.05。当Ru和S的摩尔比小于0.03时，抗被燃料毒害性会减弱，然而当它大于0.05时，催化剂活性降低。
在一个实施方案中，该载体的Ru的量为5到80wt％。当Ru的量小于5wt％时，催化剂活性较低。然而，当大于80wt％时，由于颗粒的聚集该催化剂可能会具有过大的颗粒，并可能从而降低催化剂活性。
根据一个实施方案，该燃料电池用阴极催化剂可以按如下方式制备。
首先，混合钌化合物和元素硫溶液。可以在100到170℃的温度下提供硫溶液。溶剂可以包括但不限于：苯、甲苯或二甲苯。
钌化合物可以包括但不限于羰合钌或乙酰丙酮酸钌。
将载体添加到该混合物中以制备包括钌和硫的混合物。载体可以包括如上所述的载体。
该混合物在140到200℃回流24到96小时。然后过滤该回流产物。干燥所得滤液然后热处理。
该热处理过程可以在氮气气氛下或H2和N2混合气体气氛下于200到250℃进行3到7小时。当热处理在H2气氛下进行时，S会被还原。因此，当它在H2和N2混合气体气氛下进行时，包含的H2的量最多为50wt％，即H2和N2的比例在1∶1以下。
根据本发明另一个实施方案，该阴极催化剂可以包括碳基材料和载于该碳基材料上的选自以下物质的至少一种化合物：PtxS100-x、PtxSe100-x、PtxTe100-x、RhxS100-x、RhxSe100-x、RhxTe100-x及其结合物。
Pt和Rh可能吸附空气中的氧气并与氧气结合。氧气会抑制Pt和Rh对于氧化剂还原反应的活性中心，并因此使氧化还原反应变得困难和促进燃料的氧化反应。
与Pt或Rh结合的S、Se或Te会防止空气中的氧气与Pt或Rh结合，从而促进氧化剂的还原和抑制燃料的氧化。根据本发明，这种燃料电池用阴极催化剂对氧化剂的还原具有极好的活性和选择性。
此外，根据本发明的一个实施方案，燃料电池用阴极催化剂通过载于碳基材料上而具有增加的反应面积，并具有改进的活性和极好的电导率。碳基材料的实例包括乙炔黑、denka黑、活性碳、ketjen黑、石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米丝及其结合物，但不限于它们。
在该化合物的一个实施方案中，x为10到95，优选为40到90。当x小于10时，催化剂活性可能会减弱。当x大于95时，它可能具有不充分的催化剂选择性。
在一个实施方案中，该化合物基于催化剂的总重量可以以40到80wt％的量载于载体上。根据一个实施方案，该化合物可以以50到70wt％的量载于载体上。当该化合物以小于40wt％的量被承载时，催化剂活性可能会减弱。然而，当它大于80wt％时，催化剂可能会具有过大的颗粒，并从而可能降低活性。
该碳承载的PtxS100-x颗粒可以具有2到6纳米，优选2到3纳米的粒径。当该粒径小于2纳米时，制备起来困难，然而当它大于6纳米时，该催化剂活性会减小。
根据另一个实施方案，该阴极催化剂按如下方式来制备：在溶剂中混合以下物质：M载于其上的碳基材料粉末和选自S、Se、Te及其结合物的硫族元素粉末，其中M选自Pt、Rh及其结合物；回流并过滤该混合物；和干燥滤液然后热处理。
在该混合步骤的一个实施方案中，苯、甲苯或二甲苯可以用作溶剂。在另一个实施方案中，相对于1gM载于其上的碳基材料粉末，硫族元素粉末可以以0.01到0.1g的量混合。当硫族元素粉末的量小于0.01g时，不能获得所需的选择性。然而，当它大于0.1g时，活性会减弱。
在一个实施方案中，回流在100到140℃下进行12到36小时，并且可以在70到90℃下干燥2到30小时。
在一个实施方案中，热处理在氮气、氦气或氩气气氛下于200到350℃进行2到6小时。
通过这些方法，制备了本发明实施方案的用于燃料电池的阴极催化剂。通过上述方法制备的使活性物质载于载体上的催化剂具有2到3纳米的粒度，并因此具有极好的活性。
根据本发明的实施方案，阴极催化剂可以适用于直接氧化燃料电池。直接氧化燃料电池是这样的燃料电池，其中烃基燃料如甲醇和乙醇直接地供给电池组而不需要燃料重整处理器。
在直接氧化燃料电池中，当注射到阳极的燃料经过电解质膜跨向阴极时发生的现象可能减弱催化剂性能。
通常作为阴极催化剂用于燃料电池的铂，由于其具有较高的氧化剂还原反应活性，可能受跨过来的燃料毒害而失活。因为铂具有较低的选择性，它可能氧化跨过来的燃料并降低阴极性能。
根据本发明实施方案制备的催化剂具有改进的性能，这些性能可以包括以下性能中的一种或多种：对氧化剂的还原反应的高活性、高选择性以及耐甲醇失活性。因此，它可以用于直接氧化燃料电池。
根据一个实施方案，该膜电极组件包括：含有上述阴极催化剂的阴极、阳极和插在它们中间的聚合物电解质膜。
图1是说明根据本发明一个实施方案的膜电极组件131的剖面示意图。参照该附图，描述该膜电极组件131。
该膜电极组件131通过燃料氧化和氧化剂还原反应来发电，并且多个膜电极组件形成一个电池组。
在阴极催化剂层53，发生氧化剂还原反应。阴极催化剂层53可以包括根据本发明上述实施方案的催化剂及其结合物。该阴极催化剂对氧化剂还原反应具有极好的活性和/或选择性，并因此改进阴极5和包括阴极催化剂的膜电极组件131的性能。
在阳极3的阳极催化剂层33，发生燃料氧化反应并且铂基催化剂可用来促进氧化反应。铂基催化剂的实例包括铂、钌、锇、铂钌合金、铂锇合金、铂钯合金、铂-M合金或它们的结合物，其中M是选自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及其结合物的过渡元素。
该阳极催化剂能载于碳载体上或者作为黑型而不被承载。在一个实施方案中，适合的载体包括碳，例如石墨、denka黑、ketien黑、乙炔黑、活性碳、碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米丝；或者无机材料微粒，例如氧化铝、二氧化硅、氧化锆和氧化钛。根据一个实施方案，使用碳。
阳极3和阴极5的催化剂层33、53分别安置在电极基材31、51上。电极基材31、51支撑电极，并且使燃料和氧化剂扩展到催化剂层33、53，有助于燃料和氧化剂容易地接近催化剂层33和53。就该电极基材31、51而言，使用导电性基材，例如碳纸、碳布、碳毡或金属布(包括金属布纤维或金属化聚合物纤维的多孔膜)，但不限于它们。
在一个实施方案中，能在电极基材31、51和催化剂层33、53之间添加微多孔层(MPL)来提高反应物扩散效应。一般而言，该微孔层可以包括但不限于：小尺寸导电性粉末，例如碳粉、炭黑、乙炔黑、活性碳、碳纤维、富勒烯、纳米碳或它们的结合物。该纳米碳可包括诸如碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米丝、碳纳米角质、碳纳米环或它们的结合物的材料。该微孔层通过用包括导电性粉末、粘结剂树脂和溶剂的组合物涂覆导电性基材而形成。
该粘结剂树脂可包括但不限于：聚四氟乙烯、偏二氟乙烯、聚乙烯醇、醋酸纤维素和它们的结合物。溶剂可以包括但不限于：醇，例如乙醇、异丙醇、乙醇、正丙醇或丁醇；水；二甲基乙酰胺；二甲亚砜和N-甲基吡咯烷酮。涂覆方法可以包括但不限于：丝网印刷、喷涂、刮刀涂覆法、凹板涂覆、浸涂、丝网法和着漆等，取决于该组合物的粘度。聚合物电解质膜1交换离子，将在阳极催化剂层33中产生的质子输送到该阴极催化剂层53，并且因此能包括高质子导电性聚合物。该质子导电性聚合物可以是通常用于燃料电池的聚合物电解质膜的任何质子导电性聚合物树脂。在一个实施方案中，该质子导电性聚合物可以是在其侧链具有阳离子交换基的聚合物树脂，该阳离子交换基选自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基和它们的衍生物。
在一个实施方案中，该质子导电性聚合物可以包括至少一种选自以下物质的聚合物：基于氟的聚合物、基于苯并咪唑的聚合物、基于聚酰亚胺的聚合物、基于聚醚酰亚胺的聚合物、基于聚苯硫醚的聚合物、基于聚砜的聚合物、基于聚醚砜的聚合物、基于聚醚酮的聚合物、基于聚醚醚酮的聚合物和基于聚苯喹喔啉的聚合物。在一个优选实施方案中，该聚合物电解质膜包括选自聚(全氟磺酸)(NAFIONTM)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯和具有磺酸基的氟乙烯基醚的共聚物、脱氟的聚醚酮硫化物、芳基酮、聚(2，2′-(间亚苯基)-5，5′-双苯并咪唑)或聚(2，5-苯并咪唑)。一般而言，该聚合物膜的厚度为10到200μm。
包括本发明膜电极组件的燃料电池系统包括至少一个发电元件、燃料供给装置和氧化剂供给装置。
在一个实施方案中，该发电元件包括膜电极组件和安置在膜电极组件两侧的隔板。它通过燃料的氧化和氧化剂的还原来发电。
该燃料供给装置的作用是向发电元件提供包括氢的燃料，该氧化剂供给装置的作用是向发电元件提供氧化剂例如氧气或空气。该燃料包括液体或气体氢或烃基燃料，例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气。
图2示出了将参照以下附图进行详细描述的根据本发明一个实施方案的燃料电池系统100的示意性结构。图2说明燃料电池系统100，其中通过泵151和171将燃料和氧化剂提供给发电元件130，但是本发明不限于这样的结构。本发明的燃料电池系统可以选择性地包括在其中以扩散方式提供燃料和氧化剂的结构。
燃料电池系统100包括：包括至少一个发电元件130的电池组110、向发电元件130供应燃料的燃料供给装置150、和向发电元件130供应氧化剂的氧化剂供给装置170，其中发电元件130经由燃料和氧化剂的电化学反应产生电能。
此外，燃料供给装置150安装有储存燃料的罐153，和与该罐连接的泵151。燃料泵151将储存在槽153中的燃料供给电池组。
向电池组110的发电元件130供应氧化剂的氧化剂供给装置170安装有至少一个泵171，用于向电池组供应氧化剂。
该发电元件130包括膜电极组件131，它氧化氢或燃料并还原氧化剂；隔板133、135，它们分别位于该膜电极组件131的相对的两侧面，并且供应氢或燃料和氧化剂。
本发明的阴极催化剂能应用于聚合物电解质燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。根据一个实施方案，该阴极催化剂能应用于直接氧化燃料电池(DOFC)，尤其是使用液体甲醇的直接甲醇燃料电池(DMFC)。
以下实施例将更详细地说明本发明的实施方案但显然本发明不限于这些
实施例。
实施例1
将硫苯溶液添加到1g Ru3(CO)12中，然后混合。该硫苯溶液通过将0.06g硫加入150ml苯中来制备。
将该混合物静置1小时，并添加1g ketjen黑载体。所得混合物在100℃下回流48小时。过滤已回流产物获得所得的滤液，并且将滤液在80℃下干燥24小时。在氮气气氛下，于250℃加热该干燥产物以制备RuS/C阴极催化剂。
对比实施例1
将硒苯溶液添加到1g Ru3(CO)12中，然后混合。该硒苯溶液通过将0.03g硒加入150ml苯中来制备。
将该混合物静置1小时，并添加1g ketjen黑载体。在100℃下回流所得混合物48小时。过滤该已回流产物获得所得滤液，并且在80℃下干燥该滤液24小时。然后在体积比为1∶1的氢气和氮气混合气体气氛下，于300℃热处理该干燥产物以制备RuSe/C阴极催化剂。
图3A到3C是根据实施例1制备的阴极催化剂按各种取向和各种放大率拍摄的SEM照片。图3A到3C的刻度条表示5纳米。根据图3A到3C的最暗部分，实施例1的阴极催化剂的尺寸为2到3纳米。
根据实施例1和对比实施例1的催化剂的催化活性使用旋转圆盘电极来测量。
Ag/AgCl用作参比电极，Pt用作反电极，并且使用0.5M硫酸溶液。在10mV/s的扫描速率和2000rpm的转速下测量该活性。图4示出了该结果。如图4所示，根据实施例1的RuS催化剂与根据对比实施例1的RuSe催化剂相比具有更高的活性。
实施例2
将承载量为60％的1g Pt/C和0.004g硫粉末添加到100ml苯溶剂中，然后搅拌30分钟，之后在120℃下回流24小时。
过滤所得溶液，并且所得滤液在90℃干燥4小时。在氢气气氛下，于250℃热处理该干燥的样品3小时，以制备用于燃料电池的阴极催化剂PtS/C。
为了检查根据实施例2的催化剂的催化活性，通过在0.5M硫酸溶液中鼓泡氧气2小时来制备氧饱和的硫酸溶液。通过各自地在玻璃化炭黑上装载3.78×10-3mg根据实施例2的催化剂来制备工作电极，并且铂网用作反电极。将工作电极和反电极放入该硫酸溶液中，并在改变电压的同时测量电流密度。该测量结果在图5中示出。
为了检查根据实施例2的催化剂的选择性，通过在包括0.5M硫酸和1M甲醇的溶液中鼓泡氧气2小时来制备氧饱和的硫酸溶液。通过各自地在玻璃化炭黑上装载3.78×10-3mg根据实施例2的催化剂来制备工作电极，并且铂网用作反电极。将工作电极和反电极放入硫酸溶液中，并在改变电压的同时测量电流密度。该测量结果在图6中示出。
图5表明由实施例2制备的催化剂对氧还原反应具有高活性，且图6表明当甲醇存在时对氧还原反应的活性不会减弱。
本发明的阴极催化剂具有极小的平均粒径，并对氧化剂还原具有高活性和高选择性。
虽然已经结合示例性实施方案对本发明进行了描述，但是，显然本发明不限于所公开的实施方案，相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种改进及等同的技术方案。

Claims (30)

1.燃料电池用阴极催化剂，包括：
载体；和
活性材料，该活性材料包括：
选自Ru、Pt、Rh及其结合物的M，和
选自S、Se、Te及其结合物的Ch；条件是当该载体是C时该活性材料不是RuSe。
2.权利要求1的阴极催化剂，其中该活性材料包括Ru和S，其中该活性材料具有纳米级的平均粒度。
3.权利要求2的阴极催化剂，其中该催化剂具有2到3纳米的平均粒度。
4.权利要求1的阴极催化剂，其中Ch相对于M的摩尔比在0.03到9的范围之内。
5.权利要求2的阴极催化剂，其中S相对于Ru的摩尔比在0.03到0.05的范围之内。
6.权利要求1的阴极催化剂，其中相对于该载体的重量，M的用量在5到80wt％的范围之内。
7.权利要求1的阴极催化剂，其中
该载体是碳基材料，和
该活性材料包括至少一种载于该碳基材料上的选自以下物质的化合物：PtxS100-x、PtxSe100-x、PtxTe100-x、RhxSe100-x、RhxSe100-x、RhxTe100-x及其结合物，其中x在10到95的范围之内。
8.权利要求7的阴极催化剂，其中x在40到90的范围之内。
9.权利要求7的阴极催化剂，其中相对于该阴极催化剂的总重量，以40到80wt％的量提供该化合物。
10.权利要求9的阴极催化剂，其中相对于该阴极催化剂的总重量，以50到70wt％的量提供该化合物。
11.权利要求7的阴极催化剂，其中该化合物具有2到6纳米的粒径。
12.权利要求11的阴极催化剂，其中该化合物具有2到3纳米的粒径。
13.权利要求7的阴极催化剂，其中该碳基材料选自乙炔黑、denka黑、活性碳、ketjen黑、石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米丝及其结合物。
14.制备阴极催化剂的方法，包括：
混合钌化合物与硫溶液；
将载体添加到该混合物中；
回流该混合物；
过滤该混合物来制备滤液；和
加热该滤液。
15.权利要求14的方法，其中该钌化合物选自氯化钌、乙酰丙酮酸钌及其结合物。
16.权利要求14的方法，其中该硫溶液包括在选自苯、甲苯、二甲苯及其结合物的溶剂中提供的硫化合物。
17.权利要求14的方法，其中该回流在140℃到200℃的温度下进行。
18.权利要求14的方法，其中该加热在200℃到250℃的温度下进行。
19.权利要求14的方法，其中该加热在氮气气氛下或在包括H2和N2的混合气体气氛下进行。
20.制备阴极催化剂的方法，包括：
在溶剂中混合以下物质：M载于其上的碳基材料粉末和选自S、Se、Te及其结合物的硫族元素，其中M选自Pt、Rh及其结合物；
回流该混合物；
过滤该混合物来制备滤液；和
加热该滤液。
21.权利要求20的方法，其中相对于1g该M载于其上的碳基材料粉末，该硫族元素粉末的混合量为0.01到0.1g。
22.权利要求20的方法，其中该溶剂选自苯、甲苯和二甲苯。
23.权利要求20的方法，其中该回流在100℃到140℃的温度下进行。
24.权利要求20的方法，其中该加热包括在70到90℃的温度下干燥该滤液，然后热处理所干燥的滤液。
25.权利要求24的方法，其中该热处理在选自氮气、氦气和氩气的气氛下进行。
26.权利要求24的方法，其中该热处理在200℃到350℃的温度下进行。
27.燃料电池用膜电极组件，其包括一边具有阴极一边具有阳极的聚合物电解质膜，其中该阴极包括阴极催化剂，该催化剂包括：
载体；和
活性材料，该活性材料包括
选自Ru、Pt、Rh及其结合物的M，和
选自S、Se、Te及其结合物的Ch；条件是当该载体是C时该活性材料不是RuSe。
28.权利要求27的膜电极组件，其中该活性材料包括Ru和S，其中该活性材料具有纳米级的平均粒度。
29.权利要求27的膜电极组件，其中
该载体是碳基材料，
该活性材料包括至少一种载于该碳基材料上的选自以下物质的化合物：PtxS100-x、PtxSe100-x、PtxTe100-x、RhxS100-x、RhxSe100-x、RhxTe100-x及其结合物，其中x在10到95的范围之内。
30.权利要求29的膜电极组件，其中该燃料电池是直接氧化燃料电池。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102133525A (zh) * 2011-03-04 2011-07-27 北京工业大学 一种新型Pt-Te金属间化合物的制备方法
CN102064329B (zh) * 2009-11-13 2013-05-08 中国科学院大连化学物理研究所 燃料电池用负载型催化剂、其制法及包括其的燃料电池
CN101743655B (zh) * 2007-07-12 2014-08-27 丰田自动车株式会社 燃料电池用电极催化剂和使用该催化剂的固体高分子型燃料电池
CN109904472A (zh) * 2017-12-11 2019-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种非晶PtSe电催化剂及其制备和应用
CN114182283A (zh) * 2021-11-29 2022-03-15 华中科技大学 一种负载型贵金属化合物及其制备和应用

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5902916A (en) * 1996-04-26 1999-05-11 Basf Aktiengesellschaft Process for reacting an organic compound in the presence of a ruthenium catalyst formed in situ
US6239065B1 (en) 1998-12-22 2001-05-29 Hydro-Quebec Process for the preparation of a supported catalyst
US6686308B2 (en) * 2001-12-03 2004-02-03 3M Innovative Properties Company Supported nanoparticle catalyst
TW200508431A (en) 2003-08-26 2005-03-01 Showa Denko Kk Crimped carbon fiber and production method thereof

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101743655B (zh) * 2007-07-12 2014-08-27 丰田自动车株式会社 燃料电池用电极催化剂和使用该催化剂的固体高分子型燃料电池
CN102064329B (zh) * 2009-11-13 2013-05-08 中国科学院大连化学物理研究所 燃料电池用负载型催化剂、其制法及包括其的燃料电池
CN102133525A (zh) * 2011-03-04 2011-07-27 北京工业大学 一种新型Pt-Te金属间化合物的制备方法
CN102133525B (zh) * 2011-03-04 2012-10-31 北京工业大学 一种Pt-Te金属间化合物的制备方法
CN109904472A (zh) * 2017-12-11 2019-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种非晶PtSe电催化剂及其制备和应用
CN109904472B (zh) * 2017-12-11 2021-08-31 中国科学院大连化学物理研究所 一种非晶PtSe电催化剂及其制备和应用
CN114182283A (zh) * 2021-11-29 2022-03-15 华中科技大学 一种负载型贵金属化合物及其制备和应用
CN114182283B (zh) * 2021-11-29 2022-12-09 华中科技大学 一种负载型贵金属化合物及其制备和应用

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