DE102013112288A1 - Ruthenium/palladium/carbon catalyst useful for electro-oxidation of the formic acid in formic acid fuel cells comprises palladium and ruthenium deposited on a carbon support - Google Patents

Ruthenium/palladium/carbon catalyst useful for electro-oxidation of the formic acid in formic acid fuel cells comprises palladium and ruthenium deposited on a carbon support Download PDF

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Anna Mikolajczuk
Andrzej Borodzinski
Leszek Stobinski
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Abstract

Ruthenium/palladium/carbon catalyst comprises palladium and ruthenium deposited on a carbon support. The nominal atomic ratio of ruthenium to palladium in the catalyst is 0.2-1.5. Independent claims are also included for: (1) producing ruthenium/palladium/carbon catalyst comprising (a) providing palladium/carbon catalyst with a palladium crystallite size of less than 5 nm, and (b) subsequently depositing ruthenium on the produced palladium/carbon catalyst; and (2) a formic acid fuel cell comprising a cathode, preferably palladium/carbon catalyst, an ion-conducting membrane, and an anode, preferably palladium catalyst refined with ruthenium, where the palladium catalyst refined with ruthenium is ruthenium/palladium/carbon catalyst.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Ru/Pd/C-Katalysator, ein Verfahren zum Herstellen des Ru/Pd/C-Katalysators, dessen Anwendung in einer Ameisensäure-Brennstoffzelle sowie eine derartige Brennstoffzelle. The invention relates to a Ru / Pd / C catalyst, a method for producing the Ru / Pd / C catalyst, its use in a formic acid fuel cell and such a fuel cell.

Die Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, in den die freie Enthalpie der Brennstoffoxidation in elektrische Energie hochleistungsfähig umgewandelt wird. The fuel cells are electrochemical cells, in which the free enthalpy of the fuel oxidation is converted into electrical energy high performance.

In einer Ameisensäure-Brennstoffzelle, nachfolgend DFAFC (von englisch: Direct Formic Acid Fuel Cell) genannt, wird die Ameisensäure zu Kohlenstoffdioxid und Wasser elektrooxidiert (1). Niedertemperatur-Ameisensäure-Brennstoffzellen werden als Stromquelle für portable Geräte wie Mobiltelefone oder Laptops verwendet, die eine Alternative zu Akkumulatoren darstellt. In a formic acid fuel cell, hereinafter referred to as DFAFC (Direct Formic Acid Fuel Cell), the formic acid is electro-oxidized to carbon dioxide and water ( 1 ). Low-temperature formic acid fuel cells are used as a power source for portable devices such as mobile phones or laptops, which is an alternative to batteries.

Die am weitesten untersuchten Brennstoffzellen sind Wasserstoff- und Methanol-Brennstoffzellen. Diese Brennstoffzellen weisen eine Reihe von Nachteilen auf, die ihre Kommerzialisierung beschränken. Ein bedeutendes Problem bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle ist die Lagerung des Wasserstoffs und hohe Kosten des Platins – des hauptsächlichen Katalysators, sowie ein niedriger Massenanteil von Platin in der Erdkruste. Die grundlegenden Probleme bei der Methanol-Brennstoffzelle sind: langsame Kinetik der Anodenreaktion; hohe Eindringungsrate des Brennstoffes durch die ionenleitende Membran, die Anode von Kathode abtrennt; notwendige Versorgung von Wasser, das eines der Reagenzien der Anodenreaktion ist; Entwässerung der ionenleitenden Membran durch Methanol; notwendige Verwendung des teuren Platins. The most widely studied fuel cells are hydrogen and methanol fuel cells. These fuel cells have a number of disadvantages that limit their commercialization. A major problem with the hydrogen fuel cell is the storage of hydrogen and high cost of platinum - the main catalyst, as well as a low mass fraction of platinum in the earth's crust. The basic problems with the methanol fuel cell are: slow kinetics of the anode reaction; high rate of penetration of the fuel through the ion-conducting membrane separating the anode from the cathode; necessary supply of water which is one of the reagents of the anode reaction; Dehydration of the ion-conducting membrane by methanol; necessary use of expensive platinum.

Die Ameisensäure-Brennstoffzelle bietet zahlreiche Vorteile an, davon u.a. hohe Leistungsdichte und hohe elektromotorische Kraft (im Vergleich mit der Methanol-Brennstoffzelle). Die Ameisensäure ist eine leicht zu vertreibende und zu lagernde Flüssigkeit, ist verhältnismäßig sicher – in geringen Konzentrationen wird sie als Konservierungsmittel in Lebensmitteln verwendet. Außerdem bieten die Ameisensäure-Brennstoffzellen die Möglichkeit, Palladium als einen Katalysator zur Elektrooxidation der Ameisensäure zu verwenden [ Yimin Zhu, Zakia Khan, R. I. Masel, The behavior of palladium catalysts in direct formic acid fuel cells, Journal of Power Sources 139 (2005) 15–20 ; S. Ha, Z. Dunbar, R. I. Masel, Characterization of a high performing passive direct formic acid fuel cell, Journal of Power Sources 158 (2006) 129–136 ; Robert Larsen, Su Ha, Joseph Zakzeski, Richard I. Masel, Unusually active palladium-based catalysts for the electrooxidation of formic acid, Journal of Power Sources 157 (2006) 78–84 ; S. Ha, R. Larsen, R. I. Masel, Performance characterization of Pd/C nanocatalyst for direct formic acid fuel cells, Journal of Power Sources 144 (2005) 28–34 ; sowie Xingwen Yu, Peter G. Pickup, Mechanistic study of the deactivation of carbon supported Pd during formic acid oxidation, Electrochemistry Communications 11 (2009) 2012–2014 ]. Palladium ist 2,5-mal billiger als Platin, und der Massenanteil von Palladium in der Erdkruste ist höher. The formic acid fuel cell offers numerous advantages, including high power density and high electromotive force (in comparison with the methanol fuel cell). Formic acid is a liquid that is easy to dispose of and store, is relatively safe - in low concentrations it is used as a food preservative. In addition, the formic acid fuel cells offer the possibility of using palladium as a catalyst for the electro-oxidation of formic acid [ Yimin Zhu, Zakia Khan, RI Masel, The Behavior of Palladium Catalysts in Direct Formic Acid Fuel Cells, Journal of Power Sources 139 (2005) 15-20 ; S. Ha, Z. Dunbar, RI Masel, Characterization of a High Performance Passive Formative Acid Fuel Cell, Journal of Power Sources 158 (2006) 129-136 ; Robert Larsen, Su Ha, Joseph Zakzeski, Richard I. Masel, Unusually active palladium-based catalysts for the electrooxidation of formic acid, Journal of Power Sources 157 (2006) 78-84 ; S. Ha, R. Larsen, RI Masel, Performance characterization of Pd / C nanocatalyst for direct formic acid fuel cells, Journal of Power Sources 144 (2005) 28-34 ; such as Xingwen Yu, Peter G. Pickup, Mechanistic study on the deactivation of carbon supported Pd during formic acid oxidation, Electrochemistry Communications 11 (2009) 2012-2014 ]. Palladium is 2.5 times cheaper than platinum, and the mass fraction of palladium in the earth's crust is higher.

In einer Reihe der Patentveröffentlichungen [ WO 03/088402 A1 ; US 7,132,188 ; US 2007/0099064 ; WO 2005/081706 A2 ; US 2005/0136309 ; US 7,7490,974 ; sowie US 2,007,154,743 ] wurde die Anwendung der auf Kohlenstoffträgern abgeschiedenen oder in der Form von Palladium-Schwarz verbleibenden Palladium-Nanopartikel als Katalysatoren der Elektrooxidation der Ameisensäure in den Brennstoffzellen vorbehalten. In a number of the patent publications [ WO 03/088402 A1 ; US 7,132,188 ; US 2007/0099064 ; WO 2005/081706 A2 ; US 2005/0136309 ; US 7,7490,974 ; such as US 2,007,154,743 ] reserved the use of palladium nanoparticles deposited on carbon supports or remaining in the form of palladium black as catalysts for the electro-oxidation of formic acid in fuel cells.

Ein Palladium-Katalysator ist aber an der DFAFC-Anode nur bei Verwendung einer sehr teuren hochreinen Ameisensäure stabil [ Xingwen Yu, Peter G. Pickup, Mechanistic study of the deactivation of carbon supported Pd during formic acid oxidation, Electrochemistry Communications 11 (2009) 2012–2014 ; Wai Lung Law, Alison M. Platt, Priyantha D. C. Wimalaratne and Sharon L. Blair, Effect of Organic Impurities on the Performance of Direct Formic Acid Fuel Cells; Journal of The Electrochemical Society, 156 (5) B553–B557 (2009) ; A. Mikołajczuk, A. Borodzinski, P. Kedzierzawski, L. Stobinski, B. Mierzwa, R. Dziura, Deactivation of carbon supported palladium catalyst in direct formic acid fuel cells, Applied Surface Science 257 (2011) 8211–8214 ; Mingjun Ren, Yongyin Kang, Wei He, Zhiqing Zou, Xinzhong Xue, Daniel L. Akinsc, Hui Yang, Songlin Feng, Origin of performance degradation of palladium-based direct formic acid fuel cells, Applied Catalysis B: Environmental 104 (2011) 49–53 ; sowie Won Suk Jung, Jonghee Han, Sung Pil Yoon, Suk Woo Nam, Tae-Hoon Lim, Seong-Ahn Hong, Performance degradation of direct formic acid fuel cell incorporating a Pd anode catalyst, Journal of Power Sources 196 (2011) 4573–4578 ]. In analysenreiner Ameisensäure, die spurige Mengen von Verunreinigungen mit der -CH3 Gruppe enthält, wie Essigsäure, Ameisensäuremethylester oder Methanol, wird der Palladium-Katalysator innerhalb von wenigen Stunden desaktiviert (2). Die Hauptursache der Desaktivierung ist die Oxidation dieser Verunreinigungen mit der Bildung von Kohlenstoffoxid, das stark an die Palladium-Oberfläche adsorbiert und dadurch seine für die Ameisensäure zugängliche aktive Oberfläche reduziert. Die Geschwindigkeit der Desaktivierung nimmt mit dem steigenden Gehalt der Verunreinigungen in der Ameisensäure, der Konzentration der zu verwendenden Säure und der Stromdichte zu [ Wai Lung Law, Alison M. Platt, Priyantha D. C. Wimalaratne and Sharon L. Blair, Effect of Organic Impurities on the Performance of Direct Formic Acid Fuel Cells, Journal of The Electrochemical Society, 156 (5) B553–B557 (2009) , sowie A. Mikołajczuk, A. Borodzinski, P. Kedzierzawski, L. Stobinski, B. Mierzwa, R. Dziura, Deactivation of carbon supported palladium catalyst in direct formic acid fuel cells, Applied Surface Science 257 (2011) 8211–8214 ]. However, a palladium catalyst is stable at the DFAFC anode only when using a very expensive high purity formic acid [ Xingwen Yu, Peter G. Pickup, Mechanistic study on the deactivation of carbon supported Pd during formic acid oxidation, Electrochemistry Communications 11 (2009) 2012-2014 ; Wai Lung Law, Alison M. Platt, Priyantha DC Wimalaratne and Sharon L. Blair, Effect of Organic Impurities on the Performance of Direct Formic Acid Fuel Cells; Journal of The Electrochemical Society, 156 (5) B553-B557 (2009) ; A. Mikołajczuk, A. Borodzinski, P. Kedzierzawski, L. Stobinski, B. Mierzwa, R. Dziura, Deactivation of carbon supported palladium catalyst in direct formic acid fuel cells, Applied Surface Science 257 (2011) 8211-8214 ; Mingjun Ren, Yongyin Kang, Wei He, Zhiqing Zou, Xinzhong Xue, Daniel L. Akinsc, Hui Yang, Songlin Feng, Origin of Performance Degradation of Palladium-based Direct Formic Acid Fuel Cells, Applied Catalysis B: Environmental 104 (2011) 49 -53 ; such as Won Suk Jung, Jonghee Han, Sung Pil Yoon, Suk Woo Nam, Tae-Hoon Lim, Seong-Ahn Hong, Performance degradation of Pd anode catalyst, Journal of Power Sources 196 (2011) 4573-4578 ]. In analytically pure formic acid containing trace amounts of impurities with the -CH 3 group, such as acetic acid, methyl formate or methanol, the palladium catalyst is deactivated within a few hours ( 2 ). The main cause of deactivation is the oxidation of these impurities with the formation of carbon oxide, which strongly adsorbs to the palladium surface, thereby reducing its active surface accessible to formic acid. The rate of deactivation increases with the increasing content of the formic acid impurities, the concentration of the acid to be used and the current density [ Wai Lung Law, Alison M. Platt, Priyantha DC Wimalaratne and Sharon L. Blair, Effect of Organic Impurities on the Performance of Direct Formic Acid Fuel Cells, Journal of the Electrochemical Society, 156 (5) B553-B557 (2009) , such as A. Mikołajczuk, A. Borodzinski, P. Kedzierzawski, L. Stobinski, B. Mierzwa, R. Dziura, Deactivation of carbon supported palladium catalyst in direct formic acid fuel cells, Applied Surface Science 257 (2011) 8211-8214 ].

Eine andere Lösung des Problems der Desaktivierung der Palladium-Katalysatoren in einer mit der Ameisensäure von beschränkter Reinheit versorgten Brennstoffzelle ist eine periodische Aktivierung der Brennstoffzelle mit den Anodenpulsen [ Yimin Zhu, Zakia Khan, R. I. Masel, The behavior of palladium catalysts in direct formic acid fuel cells, Journal of Power Sources 139 (2005) 15–20 ; Robert Larsen, Su Ha, Joseph Zakzeski, Richard I. Masel, Unusually active palladium-based catalysts for the electrooxidation of formic acid, Journal of Power Sources 157 (2006) 78–84 ; S. Ha, R. Larsen, Y. Zhu, R. I. Masel, Direct formic acid fuel cells with 600 A/cm2 at 0.4 V and 22°C, Fuel Cells 4 (4) (2004) 337–343 ; US 7,7490,974 B2 ; sowie US 2007154743 ]. Während solcher Pulse ist das Anodenpotential so hoch, dass ein an Pd adsorbiertes CO zu CO2 oxidiert ist. Eine solche Aktivierung benötigt aber, dass die Anode auf hohe Potentiale gebracht ist, was die Notwendigkeit bedeutet, die Polarisation der Brennstoffzelle umzukehren, und so die Brennstoffzelle mit der Energie von außen zu versorgen. Dies führt zu einer Reduzierung der Energieausbeute einer Brennstoffzelle und kann auch das Auflösen des Palladium-Katalysators verursachen. Zur periodischen Aktivierung ist auch eine elektronische Schaltung notwendig, die eine Ansammlung der elektrischen Ladung ermöglicht, wodurch der Aufbau der Brennstoffzelle komplizierter wird und die Kosten ihrer Herstellung wachsen. Another solution to the problem of deactivating the palladium catalysts in a fuel cell supplied with the formic acid of limited purity is a periodic activation of the fuel cell with the anode pulses. Yimin Zhu, Zakia Khan, RI Masel, The Behavior of Palladium Catalysts in Direct Formic Acid Fuel Cells, Journal of Power Sources 139 (2005) 15-20 ; Robert Larsen, Su Ha, Joseph Zakzeski, Richard I. Masel, Unusually active palladium-based catalysts for the electrooxidation of formic acid, Journal of Power Sources 157 (2006) 78-84 ; S. Ha, R. Larsen, Y. Zhu, RI Masel, Direct Formic Acid Fuel Cells at 600 A / cm 2 at 0.4 V and 22 ° C, Fuel Cells 4 (4) (2004) 337-343 ; US 7,7490,974 B2 ; such as US 2007154743 ]. During such pulses, the anode potential is so high that CO adsorbed on Pd is oxidized to CO 2 . Such activation, however, requires that the anode be brought to high potentials, which means that it is necessary to reverse the polarization of the fuel cell, thus providing the fuel cell with the energy from the outside. This leads to a reduction in the energy yield of a fuel cell and may also cause the dissolution of the palladium catalyst. For periodic activation, an electronic circuit is necessary, which allows an accumulation of electric charge, whereby the structure of the fuel cell is complicated and the cost of their production grow.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer stabilen, mit der Ameisensäure vom beschränkten Reinheitsgrad versorgten Brennstoffzelle ist es, eine PtRu-Legierung als Anodenkatalysator zu benutzen. Der Nachteil solchen Katalysators ist die Verwendung des teuren Platins [ S. Ha, R. Larsen, Y. Zhu, R. I. Masel, Direct formic acid fuel cells with 600 A/cm2 at 0.4 V and 22ºC, Fuel Cells 4 (4) (2004) 337–343 , sowie Craig M. Miesse, Won Suk Jung, Kyoung-Jin Jeong, Jae Kwang Lee, Jaeyoung Lee, Jonghee Han, Sung Pil Yoon, Suk Woo Nam, Tae-Hoon Lim, and Seong-Ahn Hong, Direct formic acid fuel cell portable power system for the operation of a laptop computer, Journal of Power Sources 162, (1), 2006, 532–540 ]. Another method of producing a stable fuel cell supplied with formic acid of limited purity is to use a PtRu alloy as an anode catalyst. The disadvantage of such a catalyst is the use of expensive platinum [ S. Ha, R. Larsen, Y. Zhu, RI Masel, Direct Formic Acid Fuel Cells at 600 A / cm 2 at 0.4 V and 22 ° C, Fuel Cells 4 (4) (2004) 337-343 , such as Craig M. Miesse, Won Suk Jung, Kyoung-Jin Jeong, Jae Kwang Lee, Jaeyoung Lee, Jonghee Han, Sung Pil Yoon, Suk Woo Nam, Tae-Hoon Lim, and Seong-Ahn Hong, Direct Formic Acid Fuel Cell Portable Power System for the operation of a laptop computer, Journal of Power Sources 162, (1), 2006, 532-540 ].

Die Verfasser der vorliegenden Patentanmeldung haben Versuche unternommen, die auf dem Kohlenstoffträger Vulcan XC-72 abgeschiedenen Palladium-Katalysatoren mit Ruthenium durch die Reduzierung der Rutheniumionen mit verschiedenen Reduziermitteln zu veredeln. Die so präparierten Ru/Pd/C-Katalysatoren wurden an der Anode einer mit analysenreiner Ameisensäure versorgten Brennstoffzelle untersucht. The authors of the present patent application have made attempts to refine the palladium catalysts deposited on the carbon support Vulcan XC-72 with ruthenium by reducing the ruthenium ions with various reducing agents. The prepared Ru / Pd / C catalysts were analyzed at the anode of a reagent-grade formic acid fuel cell.

Unerwartet, beim Betrieb der Brennstoffzelle bei einem vorgegebenen Stromwert, begann die Spannung der Brennstoffzelle zu oszillieren. Als Ausgangswerkstoff zur Herstellung der hier beschriebenen Katalysatoren wurde ein Katalysator mit 20 Gewichtsprozent Palladium auf einem Kohlenstoffträger verwendet. Das Ruthenium wurde durch die Reduktion von Ameisensäure, Natriumborhydrid (NaBH4) oder Hydrazin abgeschieden. Das nominale Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium in den Katalysatoren lag im Bereich von 0,05 bis 1,5 vor. Es wurde festgestellt, dass bei Verwendung der Katalysatoren an der Brennstoffzellenanode, bei den das Verhältnis höher als 0,2 war, oszillierte die Brennzellenspannung spontan. Der Mittelwert der Brennstoffzellenspannung war während der Messung annähernd konstant. Bei einem Ru:Pd-Atomverhältnis kleiner oder gleich 0,2 oszillierte die Brennstoffzellespannung dagegen nicht und stabilisierte sich auf einem niedrigeren Niveau als bei den Katalysatoren, bei den die Brennstoffzellespannung spontan oszillierte. Unexpectedly, when operating the fuel cell at a given current value, the voltage of the fuel cell began to oscillate. As the starting material for the preparation of the catalysts described herein, a 20 weight percent palladium catalyst was used on a carbon support. The ruthenium was deposited by the reduction of formic acid, sodium borohydride (NaBH 4 ) or hydrazine. The nominal atomic ratio of ruthenium to palladium in the catalysts was in the range of 0.05 to 1.5. It was found that when using the catalysts at the fuel cell anode where the ratio was higher than 0.2, the firing cell voltage oscillated spontaneously. The mean value of the fuel cell voltage was approximately constant during the measurement. On the other hand, with a Ru: Pd atomic ratio less than or equal to 0.2, the fuel cell voltage did not oscillate and stabilized at a lower level than the catalysts in which the fuel cell voltage spontaneously oscillated.

Die US-Patentanmeldung Nr. US 20080241642 umfasst Katalysatoren der Oxidation der Ameisensäure, die ein Edelmetall (Pd, Pt, Au, Rh, Ir und Os) mit Zusatz anderer Metalle (Sn, Ru, Mo, Re, V, Bi, Pb, Au und Sb) beinhalten. Die Patentanmeldung behält unter anderem ein Pd-Ru-System vor, die Erfinder geben aber weder Anwendungsbeispiele, noch Beispiele für die Herstellung der mit Ruthenium veredelten Palladium-Katalysatoren, sie zeigen auch nicht, dass solche Katalysatoren beim Betrieb einer Brennstoffzelle stabil bleiben, wie auch, dass für manche dieser Katalysatoren die Brennstoffzellenspannung spontan oszilliert. US Patent Application No. US 20080241642 comprises catalysts for the oxidation of formic acid containing a noble metal (Pd, Pt, Au, Rh, Ir and Os) with the addition of other metals (Sn, Ru, Mo, Re, V, Bi, Pb, Au and Sb). The patent application reserves, inter alia, a Pd-Ru system, but the inventors give neither application examples, nor examples of the preparation of ruthenium-refined palladium catalysts, nor do they show that such catalysts remain stable in the operation of a fuel cell, as well in that for some of these catalysts the fuel cell voltage spontaneously oscillates.

Die Veröffentlichung US 2010/0086831 A1 umfasst dagegen die Katalysatoren aus den einphasigen PdRu-Legierungen mit eventuellem Zusatz eines dritten Metalls in einer Menge bis zu 10%, die an der Anode der Brennstoffzellen, darunter der Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Methanol-Brennstoffzelle, benutzt werden können. Die Erfinder dieser Erfindung geben kein Bespiel für die Anwendung solcher Katalysatoren in einer Ameisensäure-Brennstoffzelle, sowie nicht zeigen, dass solche Katalysatoren beim Betrieb der Brennstoffzelle stabil sind, wie auch, dass für manche dieser Katalysatoren die Brennstoffzellenspannung spontan oszilliert. Diese Lösung unterscheidet sich auch grundsätzlich von der Lösung, die von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen ist, in dem Pd und Ru als separate Metalle vorliegen, ohne eine Legierung zu bilden. The publication US 2010/0086831 A1 In contrast, the catalysts comprise the single-phase PdRu alloys with the optional addition of a third metal in an amount of up to 10%, which can be used at the anode of the fuel cell, including the hydrogen fuel cell and the methanol fuel cell. The inventors of this invention give no example of the use of such catalysts in a formic acid fuel cell, as well as show that such catalysts are stable in operation of the fuel cell, as well as that for some of these catalysts the fuel cell voltage spontaneously oscillates. This solution also differs fundamentally from the solution proposed by the inventors of the present application in which Pd and Ru are present as separate metals without forming an alloy.

Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuen und besseren Ru/Pd/C-Katalysator vorzusehen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung dieses neuen Katalysators in einer Ameisensäure-Brennstoffzelle, wobei die Ameisensäure organische Verunreinigungen beinhaltet, und der Katalysator fähig ist, beim Betrieb der Brennstoffzelle sich selbst zu regenerieren. It is therefore the object of the present invention to provide a new and better Ru / Pd / C catalyst. More particularly, the invention relates to the use of this novel catalyst in a formic acid fuel cell wherein the formic acid includes organic contaminants and the catalyst is capable of self-regeneration during operation of the fuel cell.

Gemäß der Erfindung, ein Ru/Pd/C-Katalysator, insbesondere zur Elektrooxidation der Ameisensäure, beinhaltend auf einem Kohlenstoffträger abgeschiedenes Palladium und Ruthenium, zeichnet sich dadurch aus, dass das nominale Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium bei diesem Ru/Pd/C-Katalysator im Bereich von 0,2 bis 1,5 vorliegt. According to the invention, a Ru / Pd / C catalyst, in particular for the electro-oxidation of formic acid, comprising palladium and ruthenium deposited on a carbon support, is characterized in that the nominal atomic ratio of ruthenium to palladium in this Ru / Pd / C catalyst in the range of 0.2 to 1.5.

Vorzugsweise liegt Ruthenium in metallischer Form vor, ohne eine Legierung mit Palladium zu bilden. Preferably, ruthenium is in metallic form without forming an alloy with palladium.

Ein erfindungsgemäßer, in einer Ameisensäure-Brennstoffzelle verwendeter Ru/Pd/C-Katalysator aktiviert sich selbst durch spontane Oszillationen der Brennstoffzellenspannung, die keine Energiezufuhr von außen benötigen. An inventive Ru / Pd / C catalyst used in a formic acid fuel cell activates itself by spontaneous oscillations of the fuel cell voltage, which do not require external power supply.

Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des Ru/Pd/C-Katalysators, gekennzeichnet dadurch, dass es folgende Schritte umfasst, in denen:

  • a) ein Pd/C-Katalysator, vorzugsweise mit einer Pd-Kristalliten-Größe unter 5 nm, bereitgestellt, und anschließend
  • b) auf dem hergestellten Pd/C-Katalysator Ruthenium (Ru) mit der Bildung eines Ru/Pd/C-Katalysators abgeschieden wird.
Moreover, the present invention comprises a process for producing the Ru / Pd / C catalyst, characterized in that it comprises the following steps, in which:
  • a) provided a Pd / C catalyst, preferably with a Pd crystallite size below 5 nm, and then
  • b) depositing on the prepared Pd / C catalyst ruthenium (Ru) with the formation of a Ru / Pd / C catalyst.

Vorzugsweise wird in Schritt a) das auf einem Kohlenstoffträger abgeschiedenes Palladium als Pd/C-Katalysator verwendet, wobei der Kohlenstoffträger aus der Gruppe umfassend Vulcan XC-72, Carbo Medicinalis Ligni, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanofaser und Graphen, ausgewählt ist. Preferably, in step a), the palladium deposited on a carbon support is used as the Pd / C catalyst, wherein the carbon support is selected from the group comprising Vulcan XC-72, Carbo Medicinalis Ligni, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene.

Vorzugsweise wird in Schritt b) Ruthenium entweder durch die Reduktion von Rutheniumsalzen in wässriger Lösung unter Benutzung eines Reduktionsmittels oder durch die Imprägnierung (Beschichtung) des Pd/C-Katalysators mit Rutheniumhydroxid, und anschließend die Reduktion dieses Rutheniumhydroxids unter Benutzung eines Reduktionsmittels, auf dem Pd/C-Katalysator abgeschieden. Preferably, in step b), ruthenium is formed either by the reduction of ruthenium salts in aqueous solution using a reducing agent or by impregnation (coating) of the Pd / C catalyst with ruthenium hydroxide, followed by reduction of this ruthenium hydroxide using a reducing agent on the Pd / C catalyst deposited.

Vorzugsweise, wird in Schritt b) Rutheniumchlorid (RuCl3) als Rutheniumsalz verwendet. Preferably, in step b) ruthenium chloride (RuCl 3 ) is used as the ruthenium salt.

Vorzugsweise wird in Schritt b) Natriumborhydrid (NaBH4), Ameisensäure (HCOOH) oder Hydrazin (N2H4) als ein Rutheniumionen reduzierendes Reduktionsmittel verwendet. Preferably, in step b) sodium borohydride (NaBH 4 ), formic acid (HCOOH) or hydrazine (N 2 H 4 ) is used as a reducing agent reducing ruthenium ions.

Vorzugsweise liegt das nominale Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium im hergestellten Ru/Pd/C-Katalysator im Bereich von 0,2 bis 1,5 vor. Preferably, the nominal atomic ratio of ruthenium to palladium in the prepared Ru / Pd / C catalyst is in the range of 0.2 to 1.5.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Anwendung des mit dem oben definierten Verfahren hergestellten Ru/Pd/C-Katalysators zur Elektrooxidation der Ameisensäure in den Ameisensäure-Brennstoffzellen. The present invention also encompasses the use of the Ru / Pd / C catalyst prepared by the process as defined above for the electro-oxidation of formic acid in the formic acid fuel cells.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Ameisensäure-Brennstoffzelle, bestehend aus einer Kathode, die vorzugsweise einen Pt/C-Katalysator darstellt, einer ionenleitenden Membran, sowie einer Anode, die einen mit Ruthenium veredelter Palladium-Katalysator darstellt, gekennzeichnet dadurch, dass der mit Ruthenium veredelte Palladium-Katalysator der oben beschriebene Ru/Pd/C-Katalysator ist. The present invention also includes a formic acid fuel cell consisting of a cathode, which is preferably a Pt / C catalyst, an ion-conducting membrane, and an anode, which is a ruthenium-refined palladium catalyst, characterized in that the ruthenium refined palladium catalyst is the above-described Ru / Pd / C catalyst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der mit Ruthenium als Promotor veredelte Palladium-Katalysator (Ru/Pd/C), in dem das molare Verhältnis von Ruthenium zu Palladium im Beriech von 0,2 bis 1,5 vorliegt, für Anode einer Ameisensäure-Brennstoffzelle bestimmt, wobei die Ameisensäure organische Verunreinigungen wie Methanol, Ameisensäuremethylester, Essigsäure, Formaldehyd beinhaltet, und diese im Bereich von 45 ppm bis 600 ppm, vorzugsweise entsprechend mindestens 45 ppm, 190 ppm, 600 ppm oder 600 ppm, vorliegen. According to the present invention, the ruthenium promoted palladium catalyst (Ru / Pd / C) in which the molar ratio of ruthenium to palladium is 0.2 to 1.5 is intended for the anode of a formic acid fuel cell wherein the formic acid contains organic impurities such as methanol, methyl formate, acetic acid, formaldehyde, and these are in the range of 45 ppm to 600 ppm, preferably corresponding to at least 45 ppm, 190 ppm, 600 ppm or 600 ppm.

Durch Erzeugung spontaner Oszillationen der Brennstoffzellenspannung ist der Ru/Pd/C-Katalysator zur Selbstregeneration fähig, wodurch die Palladium-Oberfläche von den daran adsorbierenden Produkten der Elektrooxidation dieser Verunreinigungen der Ameisensäure gereinigt wird. By generating spontaneous oscillations of the fuel cell voltage, the Ru / Pd / C catalyst is capable of self-regeneration, thereby purifying the palladium surface from the products of the electrochemilization of these formic acid contaminants.

Beim Betrieb der Ameisensäure-Brennstoffzelle ist der Ru/Pd/C-Katalysator stabil und an der Anode dieser Brennstoffzelle wird die Ameisensäure durch die periodische Änderung des Anodenpotentials spontan aktiviert. Die Brennstoffzellenspannung oszilliert spontan bei einem Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium von über 0,2, vorzugsweise von 0,2 bis 1,5. During operation of the formic acid fuel cell, the Ru / Pd / C catalyst is stable and at the anode of this fuel cell, the formic acid is spontaneously activated by the periodic change of the anode potential. The fuel cell voltage spontaneously oscillates at an atomic ratio of ruthenium to palladium greater than 0.2, preferably from 0.2 to 1.5.

Die Erfindung wird nun anhand von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 die Niedertemperatur-Ameisensäure-Brennstoffzellen gemäß dem Stand der Technik, 1 the low-temperature formic acid fuel cells according to the prior art,

2 die Brennstoffzellenspannung in der Abhängigkeit von der Betriebsdauer einer Ameisensäure-Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik, Anode: 20% Pd/Vulcan (Premetek), 0,5 mgPd cm–2; Durchflussrate von analysenreiner 3 M HCOOH 1 ml min–1; Kathode: 60% Pt/Vulcan (Premetek), 4 mgPt cm–2, Luftdurchfluss 400 ml min–1; 30°C, 10 mA cm–2; 2 the fuel cell voltage as a function of the operating time of a Prior art formic acid fuel cell, anode: 20% Pd / Vulcan (Premetek), 0.5 mg Pd cm -2 ; Flow rate of reagent grade 3M HCOOH 1 ml min -1 ; Cathode: 60% Pt / Vulcan (Premetek), 4 mg Pt cm -2 , air flow 400 ml min -1 ; 30 ° C, 10 mA cm -2;

3 die Abhängigkeit der Leistungsdichte einer Brennstoffzelle von ihrer Betriebsdauer, wobei 3 the dependence of the power density of a fuel cell on its service life, wherein

3a diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 30–60 min, für den Katalysator 0.25 RuPd (NaBH4) zeigt; 3a this dependence for the period of 30-60 min, for the catalyst shows 0.25 RuPd (NaBH 4 );

3b diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 130–160 min, für den Katalysator 0.25 RuPd (NaBH4) zeigt; 3b this dependence for the period of 130-160 min, for the catalyst shows 0.25 RuPd (NaBH 4 );

3c diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 230–260 min, für den Katalysator 0.25 RuPd (NaBH4) zeigt; 3c this dependence for the period of 230-260 min, for the catalyst shows 0.25 RuPd (NaBH 4 );

3d diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 330–360 min, für den Katalysator 0.25 RuPd (NaBH4) zeigt; 3d this dependence for a period of 330-360 minutes for the catalyst 00:25 RuPd (NaBH 4) shows;

4 die Abhängigkeit der Leistungsdichte einer Brennstoffzelle von ihrer Betriebsdauer, wobei 4 the dependence of the power density of a fuel cell on its service life, wherein

4a diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 30–60 min, für den Katalysator 0.5 RuPd (NaBH4) zeigt; 4a this dependence for the period of 30-60 min, for the catalyst 0.5 RuPd (NaBH 4 ) shows;

4b diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 130–160 min, für den Katalysator 0.5 RuPd (NaBH4) zeigt; 4b this dependence for the period of 130-160 min, for the catalyst 0.5 RuPd (NaBH 4 ) shows;

4c diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 230–260 min, für den Katalysator 0.5 RuPd (NaBH4) zeigt; 4c this dependence for the period of 230-260 min, for the catalyst 0.5 RuPd (NaBH 4 ) shows;

4d diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 330–360 min, für den Katalysator 0.5 RuPd (NaBH4) zeigt; 4d this dependence for the period of 330-360 min, for the catalyst 0.5 RuPd (NaBH 4 ) shows;

5 die Abhängigkeit der Leistungsdichte einer Brennstoffzelle von ihrer Betriebsdauer, wobei 5 the dependence of the power density of a fuel cell on its service life, wherein

5a diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 30–60 min, für den Katalysator 0.25 RuPd (HCOOH) zeigt; 5a this dependence for the period of 30-60 min, for the catalyst shows 0.25 RuPd (HCOOH);

5b diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 130–160 min, für den Katalysator 0.25 RuPd (HCOOH) zeigt; 5b this dependence for the period of 130-160 min, for the catalyst shows 0.25 RuPd (HCOOH);

5c diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 230–260 min, für den Katalysator 0.25 RuPd (HCOOH) zeigt; 5c this dependence for the period of 230-260 min, for the catalyst shows 0.25 RuPd (HCOOH);

5d diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 330–360 min, für den Katalysator 0.25 RuPd (HCOOH) zeigt; 5d this dependence for the period of 330-360 min, for the catalyst shows 0.25 RuPd (HCOOH);

6 die Abhängigkeit der Leistungsdichte einer Brennstoffzelle von ihrer Betriebsdauer, wobei 6 the dependence of the power density of a fuel cell on its service life, wherein

6a diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 30–60 min, für den Katalysator 0.15 RuPd (HCOOH) zeigt; 6a this dependence for the period of 30-60 min, for the catalyst shows 0.15 RuPd (HCOOH);

6b diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 130–160 min, für den Katalysator 0.15 RuPd (HCOOH) zeigt; 6b this dependence for the period 130-160 min, for the catalyst shows 0.15 RuPd (HCOOH);

6c diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 230–260 min, für den Katalysator 0.15 RuPd (HCOOH) zeigt; 6c this dependence for the period of 230-260 min, for the catalyst shows 0.15 RuPd (HCOOH);

6d diese Abhängigkeit für den Zeitraum von 230–260 min, für den Katalysator 0.15 RuPd (HCOOH) zeigt; 6d this dependence for the period of 230-260 min, for the catalyst shows 0.15 RuPd (HCOOH);

7 die Abhängigkeit der Leistungsdichte einer Brennstoffzelle von ihrer Betriebsdauer für einen kommerziell erhältlichen Katalysator 20%Pd/Vulcan von Premetek und 7 the dependence of the power density of a fuel cell on its service life for a commercially available 20% Pd / Vulcan catalyst from Premetek and

8. den Vergleich der Leistungsdichte einer Ameisensäure-Brennstoffzelle, nach 6 Stunden Betrieb, mit der Anwendung verschiedener Anoden-Katalysatoren bei konstanter Stromdichte von 10 mA/cm2; die grüne Farbe markiert die in den Beispielen 1–3 der vorliegenden Patentanmeldung beschriebenen (Spannungsoszillationen erzeugenden) Ru/Pd/C-Katalysatoren, die blaue Farbe markiert den im Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen Ru/Pd/C-Katalysator (keine Oszillationen der Brennstoffzellenspannung), und die rosarote Farbe markiert den im Vergleichsbeispiel 2 beschriebenen kommerziell erhältlichen Pd/C-Katalysator (keine Oszillationen der Brennstoffzellenspannung). 8th , the comparison of the power density of a formic acid fuel cell, after 6 hours of operation, with the application of various anode catalysts at a constant current density of 10 mA / cm 2 ; the green color indicates the Ru / Pd / C catalysts described in Examples 1-3 of the present patent application (voltage oscillation generating), the blue color marks the Ru / Pd / C catalyst described in Comparative Example 1 (no fuel cell voltage oscillations), and the pink color marks the commercially available Pd / C catalyst described in Comparative Example 2 (no oscillations of the fuel cell voltage).

Bevorzugte Ausführungsbeispiele Preferred embodiments

Beispiel 1 example 1

Auf einen Magnetrührer wurde ein Becherglas mit 1 g kommerziell erhältlichen Katalysators 20% Pd/Vulcan (BASF Fuel Cells) mit einer Pd-Krystalliten-Größe von ca. 3 nm, 0,114 g RuCl3·2H2O (ABCR Co.), und 200 ml Wasser gestellt. Nach 30 Minuten Mischen wurde das Gemisch bei 22 ± 1°C mit einer durch Auflösen von 0,064 g NaBH4 in 50 ml deionisiertes Wasser (Milipore®) hergestellten NaBH4 Lösung allmählich versetzt. Nach 2 Stunden Mischen wurde der Katalysator mit deionisiertem Wasser (Milipore®) fünfmal gewaschen, und anschließend 12 Stunden bei 80°C unter reduziertem Druck getrocknet. Nach der dargestellten Präparation lag das Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium in diesem Katalysator bei 0,25 vor. Der hergestellte Katalysator wurde mit dem Symbol 0.25 RuPd (NaBH4) gekennzeichnet. On a magnetic stirrer was a beaker with 1 g of commercially available 20% Pd / Vulcan catalyst (BASF Fuel Cells) having a Pd-crystallite size of about 3 nm, 0.114 g RuCl 3 · 2H 2 O (ABCR Co.), and 200 ml of water. After mixing for 30 minutes the mixture was gradually added at 4 Solution 22 ± 1 ° C with a by dissolving 0.064 g of NaBH 4 in 50 ml of deionized water (Millipore ®) prepared NaBH. After mixing for 2 hours, the catalyst (Millipore ®) was washed five times with deionized water, and then dried under reduced pressure for 12 hours at 80 ° C. After the preparation shown that was Atomic ratio of ruthenium to palladium in this catalyst at 0.25. The prepared catalyst was characterized by the symbol 0.25 RuPd (NaBH 4 ).

Die Stabilitätsmessungen von präparierten Katalysatoren wurden an einer eigengebauten Ameisensäure-Brennstoffzelle durchgeführt. The stability measurements of prepared catalysts were carried out on a self-made formic acid fuel cell.

Als ionenleitende Membran wurde Nafion 115 von DuPont verwendet. Auf der Kathode wurde der Katalysator 60% Pt/Vulcan von Premetek benutzt. Zur Herstellung der Anoden wurden die untersuchten, mit Ruthenium veredelten Palladium-Katalysatoren verwendet. Als Diffusionsschichten wurden Kohlenstoffgewebe verwendet: an der Kathode ein Gewebe mit Teflon-Zusatz (Carbon Cloth Designation B 30% Wet Proofing B1B30WP von BASF Fuel Cell), und an der Anode ein Gewebe ohne Teflon-Zusatz (Carbon Cloth Designation B-1, Designation B, von Clean Fuel Cell Energy). Die Katalysatoren wurden auf die Kohlenstoffgewebe in Mengen: 4 mg Pt x cm–2 an der Kathode und 2,5 mg Katalysator x cm–2 an der Anode, aufgebracht. Die Messungen der Desaktivierungsrate der Katalysatoren wurden bei 30°C durchgeführt. Als Brennstoff wurde verhältnismäßig preiswerte analysenreine Ameisensäure von Chempur verwendet. Diese Säure enthielt Verunreinigungen, die für die Desaktivierung des Ruthenium als Promotor nicht enthaltenden Palladium-Katalysators verantwortlich sind [ Wai Lung Law, Alison M. Platt, Priyantha D. C. Wimalaratne and Sharon L. Blair, Effect of Organic Impurities on the Performance of Direct Formic Acid Fuel Cells, Journal of The Electrochemical Society, 156 (5) B553–B557 (2009) , sowie A. Mikołajczuk, A. Borodzinski, P. Kedzierzawski, L. Stobinski, B. Mierzwa, R. Dziura, Deactivation of carbon supported palladium catalyst in direct formic acid fuel cells, Applied Surface Science 257 (2011) 8211–8214 ]: Methanol 50 (ppm), Essigsäure 200 (ppm), Formaldehyd 600 (ppm) und Ameisensäuremethylester 600 (ppm). Nach Verdünnung mit deionisiertem Wasser (Milipore®) bis auf die Konzentration von 3 M, wurde eine Brennstoffzelle mit dieser Säure mit Durchflussrate 0,5 oder 0,7 ml min–1 versorgt. Als Oxidationsmittel an der Kathodenseite wurde reiner, mit einer Durchflussrate von 1000 ml min–1 durchfließender Sauerstoff verwendet. Die Stabilitätsprüfungen von Katalysatoren wurden mit einem Gleichstromverfahren bei Strom 10 mA cm–2 durchgeführt. The ion-conducting membrane used was Nafion 115 from DuPont. On the cathode, the 60% Pt / Vulcan catalyst from Premetek was used. For the preparation of the anodes, the investigated, with ruthenium-refined palladium catalysts were used. Carbon fabrics were used as diffusion layers: at the cathode, a fabric with Teflon addition (Carbon Cloth Designation B 30% Wet Proofing B1B30WP from BASF Fuel Cell), and at the anode a fabric without Teflon additive (Carbon Cloth Designation B-1, Designation B, from Clean Fuel Cell Energy). The catalysts were applied to the carbon cloths in amounts: 4 mg Pt x cm -2 at the cathode and 2.5 mg catalyst x cm -2 at the anode. The measurements of the deactivation rate of the catalysts were carried out at 30 ° C. The fuel used was relatively inexpensive analytically pure formic acid from Chempur. This acid contained impurities responsible for the deactivation of the palladium catalyst not containing ruthenium as a promoter [ Wai Lung Law, Alison M. Platt, Priyantha DC Wimalaratne and Sharon L. Blair, Effect of Organic Impurities on the Performance of Direct Formic Acid Fuel Cells, Journal of the Electrochemical Society, 156 (5) B553-B557 (2009) , such as A. Mikołajczuk, A. Borodzinski, P. Kedzierzawski, L. Stobinski, B. Mierzwa, R. Dziura, Deactivation of carbon supported palladium catalyst in direct formic acid fuel cells, Applied Surface Science 257 (2011) 8211-8214 ]: Methanol 50 (ppm), acetic acid 200 (ppm), formaldehyde 600 (ppm) and methyl formate 600 (ppm). After dilution with deionized water (Millipore ®), except for the concentration of 3 M, with a fuel cell of this acid was supplied with flow rate of 0.5 or 0.7 ml min -1. As the oxidizer on the cathode side, pure oxygen flowing at a flow rate of 1000 ml min -1 was used. The stability tests of catalysts were carried out with a DC method at current 10 mA cm -2 .

In diesem Fall wurde die standardmäßige, oben dargestellte Stabilitätsprüfung des Katalysators an der Anode einer Ameisensäure-Brennstoffzelle bei 30°C bei einer Durchflussrate von 3 M HCOOH von 0,5 ml min–1 durchgeführt. Die Prüfung wurde mit einem Gleichstromverfahren bei einem Strom von 10 mA cm–2 durchgeführt. Die Prüfungsergebnisse sind in 3a3d dargestellt, wo die spontanen Oszillationen der Brennstoffzellenspannung erkennbar sind. Aufgetragen auf diese Diagramme wurde auch die mittlere Leistung der Brennstoffzelle, die für die in diesen Diagrammen dargestellten 30-Minuten-Perioden bestimmt wurde. Die mittlere Leistung der Brennstoffzelle nahm innerhalb von 6 Messungsstunden nur unbedeutend ab und strebte asymptotisch gegen den Wert 4,2 mW/cm2, was darauf hinweist, dass der Katalysator sich spontan regenerierte. In this case, the standard catalyst stability test described above was conducted at the anode of a formic acid fuel cell at 30 ° C at a flow rate of 3 M HCOOH of 0.5 ml min -1 . The test was conducted by a DC method at a current of 10 mA cm -2 . The exam results are in 3a - 3d represented where the spontaneous oscillations of the fuel cell voltage can be seen. The average power of the fuel cell, which was determined for the 30-minute periods shown in these diagrams, was also plotted on these diagrams. The average power of the fuel cell decreased only insignificantly within 6 hours of measurement and aspired asymptotically to the value of 4.2 mW / cm 2 , indicating that the catalyst regenerated spontaneously.

Beispiel 2 Example 2

Auf einen Magnetrührer wurde ein Becherglas mit 1 g kommerziell erhältlichen Katalysators 20% Pd/Vulcan (BASF Fuel Cells) mit einer Pd-Krystalliten-Größe von ca. 3 nm, 0,229 g RuCl3·2H2O (ABCR Co.), und 200 ml Wasser gestellt. Nach 30 Minuten Mischen wurde das Gemisch bei 22 ± 1°C mit einer durch Auflösen von 0,064 g NaBH4 in 50 ml deionisiertes Wasser (Milipore®) hergestellten NaBH4 Lösung allmählich versetzt. Nach 2 Stunden Mischen wurde der Katalysator mit deionisiertem Wasser (Milipore®) fünfmal gewaschen. Der hergestellte Katalysator wurde 12 Stunden bei 80°C unter reduziertem Druck getrocknet. Nach der dargestellten Präparation lag das Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium in diesem Katalysator bei 0,5 vor. Der hergestellte Katalysator wurde mit dem Symbol 0.5 RuPd (NaBH4) gekennzeichnet. To a magnetic stirrer was added a beaker containing 1 g of commercially available 20% Pd / Vulcan catalyst (BASF Fuel Cells) having a Pd crystallite size of about 3 nm, 0.229 g RuCl 3 .2H 2 O (ABCR Co.), and 200 ml of water. After mixing for 30 minutes the mixture was gradually added at 4 Solution 22 ± 1 ° C with a by dissolving 0.064 g of NaBH 4 in 50 ml of deionized water (Millipore ®) prepared NaBH. After mixing for 2 hours, the catalyst (Millipore ®) was washed five times with deionized water. The prepared catalyst was dried at 80 ° C under reduced pressure for 12 hours. After the preparation shown, the atomic ratio of ruthenium to palladium in this catalyst was 0.5. The prepared catalyst was identified by the symbol 0.5 RuPd (NaBH 4 ).

In diesem Fall wurde die standardmäßige, oben dargestellte Stabilitätsprüfung des Katalysators an der Anode einer Ameisensäure-Brennstoffzelle bei 30°C bei einer Durchflussrate von 3 M HCOOH von 0,5 ml min–1 durchgeführt. Die Stabilitätsprüfung des Katalysators wurde mit einem Gleichstromverfahren bei einem Strom von 10 mA cm–2 durchgeführt. Die Prüfungsergebnisse sind in 4a4d dargestellt, wo die spontanen Oszillationen der Brennstoffzellenspannung erkennbar sind. Aufgetragen auf diese Diagramme ist auch die mittlere Leistung der Brennstoffzelle, die für die in diesen Diagrammen dargestellten 30-Minuten-Perioden bestimmt wurde. Die mittlere Leistung der Brennstoffzelle nahm innerhalb von 6 Messungsstunden nur unbedeutend ab und strebte asymptotisch gegen den Wert 4,1 mW/cm2, was darauf hinweist, dass der Katalysator sich spontan regenerierte. In this case, the standard catalyst stability test described above was conducted at the anode of a formic acid fuel cell at 30 ° C at a flow rate of 3 M HCOOH of 0.5 ml min -1 . The stability test of the catalyst was carried out by a DC method at a current of 10 mA cm -2 . The exam results are in 4a - 4d represented where the spontaneous oscillations of the fuel cell voltage can be seen. The average power of the fuel cell, which was determined for the 30-minute periods shown in these diagrams, is also plotted on these diagrams. The mean power of the fuel cell decreased only insignificantly within 6 hours of measurement and aspired asymptotically to the value of 4.1 mW / cm 2 , indicating that the catalyst regenerated spontaneously.

Beispiel 3 Example 3

Auf einen Magnetrührer wurde ein Becherglas mit 1 g kommerziell erhältlichen Katalysators 20% Pd/Vulcan (Premetek) mit einer Pd-Krystalliten-Größe von ca. 3 nm, 0,114 g RuCl3·2H2O (ABCR Co.), und 200 ml Wasser gestellt. Nach 30 Minuten Mischen wurde das Gemisch auf 60 ± 1°C erwärmt, und anschließend mit 5,64 ml einer 0,5 M HCOOH Lösung allmählich versetzt. Nach 2 Stunden Mischen wurde der Katalysator mit deionisiertem Wasser (Milipore®) fünfmal gewaschen, und anschließend 12 Stunden bei 80°C unter reduziertem Druck getrocknet. Nach der dargestellten Präparation lag das Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium in diesem Katalysator bei 0,25 vor. Der hergestellte Katalysator wurde mit dem Symbol 0.25 RuPd (HCOOH) gekennzeichnet. To a magnetic stirrer was added a beaker containing 1 g of commercially available 20% Pd / Vulcan catalyst (Premetek) with a Pd crystallite size of about 3 nm, 0.114 g RuCl 3 .2H 2 O (ABCR Co.), and 200 ml Water provided. After 30 minutes of mixing, the mixture was warmed to 60 ± 1 ° C and then gradually added with 5.64 ml of a 0.5 M HCOOH solution. After mixing for 2 hours, the catalyst (Millipore ®) was washed five times with deionized water, and then 12 Hours dried at 80 ° C under reduced pressure. After the preparation shown, the atomic ratio of ruthenium to palladium in this catalyst was 0.25. The prepared catalyst was characterized by the symbol 0.25 RuPd (HCOOH).

In diesem Fall wurde die standardmäßige, oben dargestellte Stabilitätsprüfung des Katalysators an der Anode einer Ameisensäure-Brennstoffzelle bei 30°C bei einer Durchflussrate von 3 M HCOOH von 0,7 ml min–1 durchgeführt. Die Stabilitätsprüfung des Katalysators wurde mit einem Gleichstromverfahren bei einem Strom von 10 mA cm–2 durchgeführt. Die Prüfungsergebnisse sind in 5a5d dargestellt, wo die spontanen Oszillationen der Brennstoffzellenspannung erkennbar sind. Aufgetragen auf diese Diagramme ist auch die mittlere Leistung der Brennstoffzelle, die für die in diesen Diagrammen dargestellten 30-Minuten-Perioden bestimmt wurde. Die mittlere Leistung der Brennstoffzelle nahm innerhalb von 6 Messungsstunden nur unbedeutend ab und strebte asymptotisch gegen den Wert 4,3 mW/cm2, was darauf hinweist, dass der Katalysator sich spontan regenerierte. In this case, the standard catalyst stability test shown above was conducted at the anode of a formic acid fuel cell at 30 ° C at a flow rate of 3 M HCOOH of 0.7 ml min -1 . The stability test of the catalyst was carried out by a DC method at a current of 10 mA cm -2 . The exam results are in 5a - 5d represented where the spontaneous oscillations of the fuel cell voltage can be seen. The average power of the fuel cell, which was determined for the 30-minute periods shown in these diagrams, is also plotted on these diagrams. The mean power of the fuel cell decreased insignificantly within 6 hours of measurement and was asymptotically approaching 4.3 mW / cm 2 , indicating that the catalyst regenerated spontaneously.

Beispiel 4 Example 4

Ein Katalysator 20% Pd/Vulcan von Premetek (1 g) wurde mit Wasser (100 ml) vermischt und auf einem Magnetrührer 30 Minuten lang bei einer Umdrehungszahl von 400 Umdrehungen/Minute gehalten. Das hergestellte Gemisch wurde anschließend mit einer Lösung von 0,114 g RuCl3 × 2H2O in 100 ml Wasser allmählich versetzt und auf dem Magnetrührer weitere 30 Minuten bei einer Umdrehungszahl von 400 Umdrehungen/Minute gehalten. Das Gemisch war mit 0,1 M NaOH in kleinen Portionen allmählich versetzt, bis auf pH des Gemisches einen Wert von 8 erreichte. Das Gemisch wurde auf 50ºC erwärmt und auf dem Magnetrührer 60 Minuten bei einer Umdrehungszahl von 400 Umdrehungen/Minute gehalten. Der hergestellte Niederschlag wurde abgefiltert und mehrmals mit deionisiertem Wasser gewaschen. Nach der Trocknung bei 80ºC für 2 Stunden unter reduziertem Druck wurde der Katalysator mit 5% H2 in N2 bei 200ºC für 30 Minuten reduziert. Das Ru:Pd-Verhältnis im hergestellten Katalysator lag bei 0,25 vor. A 20% Pd / Vulcan catalyst from Premetek (1 g) was mixed with water (100 ml) and maintained on a magnetic stirrer for 30 minutes at a speed of 400 revolutions / minute. The prepared mixture was then gradually added with a solution of 0.114 g RuCl 3 × 2H 2 O in 100 ml of water and kept on the magnetic stirrer for a further 30 minutes at a speed of 400 revolutions / minute. The mixture was gradually added with 0.1 M NaOH in small portions until the pH of the mixture reached 8. The mixture was heated to 50 ° C and held on the magnetic stirrer for 60 minutes at a speed of 400 revolutions / minute. The produced precipitate was filtered off and washed several times with deionized water. After drying at 80 ° C for 2 hours under reduced pressure, the catalyst was reduced with 5% H 2 in N 2 at 200 ° C for 30 minutes. The Ru: Pd ratio in the prepared catalyst was 0.25.

Vergleichsbeispiel 1 Comparative Example 1

Auf einen Magnetrührer wurde ein Becherglas mit 1 g kommerziell erhältlichen Katalysators 20% Pd/Vulcan (BASF Fuel Cells) mit einer Pd-Krystalliten-Größe von ca. 3 nm, 0,091 g RuCl3·2H2O (ABCR Co.), und 200 ml Wasser gestellt. Nach 30 Minuten Mischen wurde das Gemisch auf 60 ± 1°C erwärmt, und anschließend mit 4,51 ml einer 0,5 M HCOOH Lösung allmählich versetzt. Nach 2 Stunden Mischen wurde der Katalysator mit deionisiertem Wasser (Milipore®) fünfmal gewaschen. Der hergestellte Katalysator wurde 12 Stunden bei 80°C unter reduziertem Druck getrocknet. Nach der dargestellten Präparation lag das Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium in diesem Katalysator bei 0,2 vor. Der hergestellte Katalysator wurde mit dem Symbol 0.2 RuPd (HCOOH) gekennzeichnet. On a magnetic stirrer was a beaker with 1 g of commercially available catalyst 20% Pd / Vulcan (BASF Fuel Cells) having a Pd-crystallite size of about 3 nm, 0.091 g RuCl 3 · 2H 2 O (ABCR Co.), and 200 ml of water. After mixing for 30 minutes, the mixture was heated to 60 ± 1 ° C, followed by gradual addition of 4.51 ml of a 0.5 M HCOOH solution. After mixing for 2 hours, the catalyst (Millipore ®) was washed five times with deionized water. The prepared catalyst was dried at 80 ° C under reduced pressure for 12 hours. After the preparation shown, the atomic ratio of ruthenium to palladium in this catalyst was 0.2. The prepared catalyst was identified by the symbol 0.2 RuPd (HCOOH).

Die standardmäßige Stabilitätsprüfung des Katalysators an der Anode einer Ameisensäure-Brennstoffzelle wurde bei 30°C bei einer Durchflussrate von 3 M HCOOH von 0,7 ml min–1 durchgeführt. Die Stabilitätsprüfung des Katalysators wurde mit einem Gleichstromverfahren bei einem Strom von 10 mA cm–2 durchgeführt. Die Prüfungsergebnisse sind in 6a6d dargestellt. Aufgetragen auf diese Diagramme ist auch die mittlere Leistung der Brennstoffzelle, die für die in diesen Diagrammen dargestellten 30-Minuten-Perioden bestimmt wurde. Es treten keine spontanen Oszillationen der Brennstoffzellenspannung und die Leistungsdichte der Brennstoffzelle nimmt unbedeutend ab. Nach 6 Stunden Messung erreichte die Leistungsdichte den Wert 3,33 mW/cm2, also bedeutend weniger als die Leistungsdichte der Brennstoffzellen, die bei Verwendung von Katalysatoren mit einem höheren Ru:Pd-Verhältnis an der Anode hergestellt wurden (wie beschrieben in Beispielen 1–3). The standard stability test of the catalyst at the anode of a formic acid fuel cell was carried out at 30 ° C at a flow rate of 3 M HCOOH of 0.7 ml min -1 . The stability test of the catalyst was carried out by a DC method at a current of 10 mA cm -2 . The exam results are in 6a - 6d shown. The average power of the fuel cell, which was determined for the 30-minute periods shown in these diagrams, is also plotted on these diagrams. There are no spontaneous oscillations of the fuel cell voltage and the power density of the fuel cell decreases insignificantly. After 6 hours of measurement, the power density reached 3.33 mW / cm 2 , significantly less than the power density of the fuel cells produced using catalysts with a higher Ru: Pd ratio at the anode (as described in Examples 1) -3).

Vergleichsbeispiel 2 Comparative Example 2

Die standardmäßige Stabilitätsprüfung eines kommerziell erhältlichen Katalysators 20%Pd/Vulcan von Premetek mit einer Pd-Krystalliten-Größe von ca. 3 nm an der Anode einer eigengebauten Ameisensäure-Brennstoffzelle (wie oben beschrieben) wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Durchflussrate von 3 M Ameisensäure 0,7 ml min–1 und Sauerstoff-Durchflussrate 1000 ml/min. Die Prüfungsergebnisse sind in 7 dargestellt. Es wurden keine spontanen Oszillationen der Brennstoffzellenspannung beobachtet und der Katalysator war nach 6 Stunden Betrieb bedeutend desaktviert. The standard stability test of a commercially available 20% Pd / Vulcan catalyst from Premetek having a Pd crystallite size of about 3 nm at the anode of a self-made formic acid fuel cell (as described above) was performed under the following conditions: flow rate of 3 M formic acid 0.7 ml min -1 and oxygen flow rate 1000 ml / min. The exam results are in 7 shown. No spontaneous oscillations of the fuel cell voltage were observed and the catalyst was significantly de-activated after 6 hours of operation.

Die an den Anodenkatalysatoren der Ameisensäure-Brennstoffzellen erzielten und in der vorliegenden Patentanmeldung offenbarten Ergebnisse sind in 8 zusammengefasst. Es ist ersichtlich, dass die in den Beispielen 1–3 beschriebenen Katalysatoren, bei den die Brennstoffzellenspannung Oszillationen zeigte, nach 6 Stunden Betrieb eine höhere Leistungsdichte (4,2 ± 0,1 mW cm–2) zeigten als die Katalysatoren in Vergleichsbeispielen 1 und 2, bei den die Brennstoffzellenspannung keine Oszillationen zeigte (entsprechend 3,3 ± 0,1 und 1,8 ± 0,1 mW cm–2). The results achieved on the anode catalysts of the formic acid fuel cells and disclosed in the present patent application are in 8th summarized. It can be seen that the catalysts described in Examples 1-3, in which the fuel cell voltage showed oscillations, showed a higher power density (4.2 ± 0.1 mW cm -2 ) after 6 hours of operation than the catalysts in Comparative Examples 1 and 2, in which the fuel cell voltage showed no oscillations (corresponding to 3.3 ± 0.1 and 1.8 ± 0.1 mW cm -2 ).

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Claims (11)

Ein Ru/Pd/C-Katalysator, insbesondere für Elektrooxidation der Ameisensäure, beinhaltend auf einem Kohlenstoffträger abgeschiedenes Palladium und Ruthenium, gekennzeichnet dadurch, dass das nominale Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium bei diesem Ru/Pd/C-Katalysator im Bereich von 0,2 bis 1,5 enthalten ist. A Ru / Pd / C catalyst, in particular for the electro-oxidation of formic acid, comprising carbon-supported palladium and ruthenium, characterized in that the nominal atomic ratio of ruthenium to palladium in this Ru / Pd / C catalyst is in the range of 0.2 to 1.5 is included. Katalysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Ruthenium in metallischer Form vorliegt, ohne eine Legierung mit Palladium zu bilden. A catalyst according to claim 1, characterized in that ruthenium is in metallic form without forming an alloy with palladium. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass er bei Verwendung in einer Ameisensäure-Brennstoffzelle, durch spontane Oszillationen der Brennstoffzellenspannung, die keine Energiezufuhr von außen benötigen, sich selbst aktiviert. Catalyst according to claim 1 or 2, characterized in that it activates itself when used in a formic acid fuel cell, by spontaneous oscillations of the fuel cell voltage, which do not require external energy supply. Verfahren zum Herstellen des Ru/Pd/C-Katalysators, gekennzeichnet dadurch, dass es folgende Schritte umfasst: a) ein Pd/C-Katalysator, vorzugsweise mit einer Pd-Kristalliten-Größe unter 5 nm, wird bereitgestellt, und anschließend b) auf dem hergestellten Pd/C-Katalysator wird Ruthenium (Ru) mit der Bildung eines Ru/Pd/C-Katalysators abgeschieden. Process for producing the Ru / Pd / C catalyst, characterized in that it comprises the following steps: a) a Pd / C catalyst, preferably having a Pd crystallite size below 5 nm, is provided, and subsequently b) Ruthenium (Ru) is deposited on the produced Pd / C catalyst with the formation of a Ru / Pd / C catalyst. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass in Schritt a) das auf einem Kohlenstoffträger abgeschiedenes Palladium als Pd/C-Katalysator verwendet wird, wobei der Kohlenstoffträger aus der Gruppe umfassend Vulcan XC-72, Carbo Medicinalis Ligni, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanofaser und Graphen, ausgewählt ist. Process according to claim 4, characterized in that in step a) the palladium deposited on a carbon support is used as Pd / C catalyst, the carbon support being selected from the group comprising Vulcan XC-72, Carbo Medicinalis Ligni, carbon nanotubes, carbon nanofibers and graphene, is selected. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, dass in Schritt b) Ruthenium entweder durch die Reduktion von Rutheniumsalzen in wässriger Lösung unter Benutzung eines Reduktionsmittels oder durch die Imprägnierung (Beschichtung) des Pd/C-Katalysators mit Rutheniumhydroxid, und anschließend die Reduktion dieses Rutheniumhydroxids unter Benutzung eines Reduktionsmittels, auf dem Pd/C-Katalysator abgeschieden wird. A method according to claim 4 or 5, characterized in that in step b) ruthenium either by the reduction of ruthenium salts in aqueous solution using a reducing agent or by the impregnation (coating) of the Pd / C catalyst with ruthenium hydroxide, and then the reduction of this Rutheniumhydroxids using a reducing agent, is deposited on the Pd / C catalyst. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass in Schritt b) Rutheniumchlorid (RuCl3) als Rutheniumsalz verwendet wird. A method according to claim 6, characterized in that in step b) ruthenium chloride (RuCl 3 ) is used as the ruthenium salt. Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche von 4 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass in Schritt b) Natriumborhydrid (NaBH4), Ameisensäure (HCOOH) oder Hydrazin (N2H4) als ein Rutheniumionen reduzierendes Reduktionsmittel verwendet wird. Process according to any one of the preceding claims from 4 to 7, characterized in that in step b) sodium borohydride (NaBH 4 ), formic acid (HCOOH) or hydrazine (N 2 H 4 ) is used as a reducing agent reducing the ruthenium ions. Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche von 4 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass das nominale Atomverhältnis von Ruthenium zu Palladium im hergestellten Ru/Pd/C-Katalysator im Bereich von 0,2 bis 1,5 vorliegt. A process according to any of the preceding claims from 4 to 8, characterized in that the nominal atomic ratio of ruthenium to palladium in the prepared Ru / Pd / C catalyst is in the range of 0.2 to 1.5. Anwendung des mit dem oben in Ansprüchen von 4 bis 9 definierten Verfahren hergestellten Ru/Pd/C-Katalysators zur Elektrooxidation der Ameisensäure in den Ameisensäure-Brennstoffzellen. Application of the Ru / Pd / C catalyst prepared by the process defined above in claims 4 to 9 for the electro-oxidation of formic acid in the formic acid fuel cells. Ameisensäure-Brennstoffzelle, im Wesentlichen bestehend aus einer Kathode, die vorzugsweise einen Pt/C-Katalysator darstellt, einer ionenleitenden Membran, sowie einer Anode, die einen mit Ruthenium veredelter Palladium-Katalysator darstellt, gekennzeichnet dadurch, dass der mit Ruthenium veredelte Palladium-Katalysator ein Ru/Pd/C-Katalysator nach Ansprüchen von 1 bis 3 ist. Formic acid fuel cell, consisting essentially of a cathode, which is preferably a Pt / C catalyst, an ion-conducting membrane, and an anode, which is a ruthenium-refined palladium catalyst, characterized in that the ruthenium-refined palladium catalyst A Ru / Pd / C catalyst according to claims 1 to 3.
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US11192091B2 (en) * 2019-03-22 2021-12-07 The Hong Kong University Of Science And Technology Palladium-ruthenium alloys for electrolyzers

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