DE102017128058A1 - Electrochemical electrode with multinary metal alloy as reduction catalyst - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Katalysator mit katalytisch aktiver Legierung zur Katalyse der Reduktion einer reduzierbaren Verbindung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend eine Anode, eine erfindungsgemäße Elektrode als Kathode und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten, ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung sowie die Verwendung einer multinären Legierung als Reduktionskatalysator.Die katalytisch aktive Legierung umfasst wenigstens vier Metalle und eines dieser wenigstens vier Metalle ist Mangan. Keines dieser wenigstens vier Metalle liegt in einem Anteil von ≤ 5 Atom-% und ≥ 70 Atom-% in der Legierung vor und der Anteil von Palladium oder Platin in der Legierung beträgt ≤ 10 Atom-%.The present invention relates to an electrode for an electrochemical device comprising a catalytically active alloy catalyst for catalyzing the reduction of a reducible compound. The invention further relates to an electrochemical device comprising an anode, an electrode according to the invention as a cathode and an electrolyte arranged between the anode and cathode, a method for operating an electrochemical device according to the invention and the use of a multinary alloy as a reduction catalyst. The catalytically active alloy comprises at least four Metals and one of these at least four metals is manganese. None of these at least four metals is present in an amount of ≤5 atomic% and ≥70 atomic% in the alloy, and the content of palladium or platinum in the alloy is ≤10 atomic%.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Katalysator zur Katalyse der Reduktion einer reduzierbaren Verbindung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend eine Anode, eine erfindungsgemäße Elektrode als Kathode und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten, ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung sowie die Verwendung einer multinären Legierung als Reduktionskatalysator.The present invention relates to an electrode for an electrochemical device comprising a catalyst for catalyzing the reduction of a reducible compound. The invention further relates to an electrochemical device comprising an anode, an electrode according to the invention as a cathode and an electrolyte arranged between the anode and cathode, a method for operating an electrochemical device according to the invention and the use of a multinary alloy as a reduction catalyst.
Brennstoffzellen können elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff gewinnen. Wenn die Energie zur vorgelagerten Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aus regenerativen Quellen stammt, lässt sich so ein klimafreundliches Energiekonzept aufbauen.Fuel cells can generate electrical energy from hydrogen and oxygen. If the energy for the upstream electrolysis of water in hydrogen and oxygen comes from renewable sources, so can build a climate-friendly energy concept.
Mit den in der Sauerstoffbildungsreaktion (oxygen evolution reaction, OER) und der Sauerstoffreduktionsreaktion (oxygen reduction reaction, ORR) auftretenden komplexen vier-Elektronen-Reaktionen sind jedoch Energieverluste verbunden. Zur Minimierung dieser Verluste können Katalysatoren eingesetzt werden. Hierbei sind Platin und Platinlegierungen als katalytisch aktive Metalle bislang am weitesten erforscht worden. Platin- und Palladium-Legierungen stellen momentan den aktivsten und somit wirkungsvollsten Katalysator dar und werden daher in der Industrie als Stand der Technik für die ORR genutzt. Nachteilig an deren Verwendung sind die hohen Kosten, die mit solchen Edelmetallen verbunden sind.However, energy losses are associated with the complex four-electron reactions occurring in the oxygen evolution reaction (OER) and the oxygen reduction reaction (ORR). To minimize these losses catalysts can be used. Here platinum and platinum alloys have been the most widely explored as catalytically active metals. Platinum and palladium alloys are currently the most active and thus most effective catalyst and are therefore used in the industry as state of the art for the ORR. A disadvantage of their use are the high costs associated with such precious metals.
Multinäre Metalllegierungen können als eines ihrer Merkmale eine einphasige Struktur gegenüber mehreren intermetallischen Phasen aufweisen. Bekannt sind Untersuchungen zur Katalyse von multinären, edelmetallhaltigen Legierungen wie FeCoNiCuAgPt oder CuRuOsIrPt in der Oxidation von Methanol. In Bezug auf die ORR beschreibt die Publikation von
Die Veröffentlichung von
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile im Stand der Technik zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere hat sie sich die Aufgabe gestellt, eine Elektrode für eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Katalysator zur Katalyse der Reduktion einer reduzierbaren Verbindung bereitzustellen, welche mit vergleichbarer Aktivität einen verringerten Gehalt an Palladium und Platin aufweist.The object of the present invention has been to at least partially overcome the disadvantages of the prior art. In particular, it has the object to provide an electrode for an electrochemical device comprising a catalyst for catalyzing the reduction of a reducible compound which has a reduced content of palladium and platinum with comparable activity.
Diese Aufgabe wird durch eine Elektrode gemäß Anspruch 1, eine elektrochemische Vorrichtung gemäß Anspruch 9, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß Anspruch 11 und eine Verwendung gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Sie können beliebig kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.This object is achieved by an electrode according to
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird eine Elektrode für eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Katalysator zur Katalyse der Reduktion einer reduzierbaren Verbindung, wobei der Katalysator eine Legierung von wenigstens vier Metallen umfasst, eines dieser wenigstens vier Metalle Mangan ist, keines dieser wenigstens vier Metalle in einem Anteil von ≤ 5 Atom-% und ≥ 70 Atom-% in der Legierung vorliegt und der Anteil von Palladium oder Platin in der Legierung ≤ 10 Atom-% beträgt. According to the invention, an electrode for an electrochemical device comprising a catalyst for catalyzing the reduction of a reducible compound, wherein the catalyst comprises an alloy of at least four metals, one of these at least four metals is manganese, none of these at least four metals in a proportion of ≤ 5 atomic% and ≥70 atomic% in the alloy, and the content of palladium or platinum in the alloy is ≤10 atomic%.
Es wurde gefunden, dass erfindungsgemäße Elektroden mit solchen Katalysatoren mit verringerten Gehalten von Palladium oder Platin anstelle von reinen oder überwiegend Palladium- oder Platinbasierten Elektroden mit vergleichbarer Aktivität eingesetzt werden können.It has been found that electrodes according to the invention can be used with such catalysts with reduced contents of palladium or platinum instead of pure or predominantly palladium- or platinum-based electrodes with comparable activity.
Die reduzierbare Verbindung ist vorzugsweise ein Gas und kann insbesondere Sauerstoff sein. Dann katalysiert der Katalysator die Sauerstoffreduktionsreaktion (oxygen reduction reaction, ORR), wie sie in elektrochemischen Vorrichtungen vorkommen kann.The reducible compound is preferably a gas and may be oxygen in particular. Then, the catalyst catalyzes the oxygen reduction reaction (ORR) that may occur in electrochemical devices.
Ohne auf eine Theorie festgelegt zu sein wird angenommen, dass die mindestens quaternäre Legierung im Katalysator wenigstens teilweise als sogenannte Hochentropielegierung (high entropy alloy, HEA) vorliegt. Dann liegt eine feste Lösung der einzelnen Legierungsbestandteile miteinander vor.Without being bound by theory, it is believed that the at least quaternary alloy in the catalyst is at least partially present as a so-called high entropy alloy (HEA). Then there is a solid solution of the individual alloy components together.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann aus dem Katalysator mit der Legierung aufgebaut sein. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Elektrode in Form eines mit dem Katalysator beschichteten Substrats vorliegt. Ein geeignetes Substrat ist beispielsweise Graphit. Die Oberfläche des Substrats ist vorzugsweise zu ≥ 90%, mehr bevorzugt ≥ 95% und besonders bevorzugt ≥ 99% mit dem Katalysator bedeckt.The electrode according to the invention can be constructed from the catalyst with the alloy. However, it is preferred that the electrode is in the form of a catalyst-coated substrate. A suitable substrate is graphite, for example. The surface of the substrate is preferably covered with the catalyst to ≥90%, more preferably ≥95%, and particularly preferably ≥99%.
Der Katalysator kann neben der Legierung noch weitere Bestandteile enthalten. Es ist aber bevorzugt, dass neben der Legierung keine weiteren Bestandteile im Katalysator, insbesondere kein separates Edelmetall wie beispielsweise Palladium oder Platin, vorliegen. Hiervon ausgenommen sind nicht miteinander legierte Phasen der Metalle, welche die Legierung bilden.The catalyst may contain other constituents in addition to the alloy. However, it is preferred that apart from the alloy there are no further constituents in the catalyst, in particular no separate noble metal such as, for example, palladium or platinum. Exceptions to this are non-alloyed phases of the metals which form the alloy.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Legierung eine Legierung von mindestens vier Metallen ist. Es können auch fünf, sechs, sieben oder noch mehr Metalle in der Legierung vorliegen. Es ist weiterhin vorgesehen, dass eines der Legierungsmetalle Mangan ist. Vorzugsweise sind Chrom, Cobalt, Mangan und Nickel sowie optional Eisen in der Legierung vorhanden.According to the invention, it is provided that the alloy is an alloy of at least four metals. There may also be five, six, seven or even more metals in the alloy. It is further contemplated that one of the alloying metals is manganese. Preferably, chromium, cobalt, manganese and nickel and optionally iron are present in the alloy.
In der Legierung liegt keines der wenigstens vier Metalle in einem Anteil von ≤ 5 Atom-% und ≥ 70 Atom-% in der Legierung vor. Bevorzugt ist, dass keines dieser wenigstens vier Metalle in einem Anteil von ≤ 10 Atom-% und ≥ 60 Atom-% in der Legierung vorliegt, mehr bevorzugt, dass keines dieser wenigstens vier Metalle in einem Anteil von ≤ 15 Atom-% und ≥ 35 Atom-% in der Legierung vorliegt. Die Summe der Atom-%-Angabe beträgt hierbei stets ≤ 100 Atom-%.In the alloy, none of the at least four metals is present in an amount of ≤5 at% and ≥70 at% in the alloy. It is preferable that none of these at least four metals be present in an amount of ≤10 at% and ≥60 at% in the alloy, more preferably none of these at least four metals in a proportion of ≤15 at% and ≥35 Atomic% in the alloy. The sum of the atomic% statement always amounts to ≤ 100 atomic%.
Beispielsweise kann die Legierung Chrom, Eisen, Cobalt und Nickel als Legierungsbestandteile enthalten. Ein weiteres Beispiel ist eine Legierung mit Chrom, Mangan, Cobalt und Nickel. Bevorzugt ist eine Legierung mit Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt und Nickel.For example, the alloy may contain chromium, iron, cobalt and nickel as alloying ingredients. Another example is an alloy with chromium, manganese, cobalt and nickel. Preferred is an alloy with chromium, manganese, iron, cobalt and nickel.
Schließlich beträgt in der Legierung der Anteil von Palladium oder Platin ≤ 10 Atom-%. Hierunter ist die Summe der Atom-%-Anteile von Palladium, Platin oder deren Mischungen zu verstehen. Auf diese Weise werden die Kosten für den Edelmetallgehalt verringert. Vorzugsweise beträgt der Anteil von Palladium oder Platin ≤ 5 Atom-%, mehr bevorzugt ≤ 1 Atom-%. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Legierung (abgesehen von technisch unvermeidlichen Verunreinigungen) kein Palladium und kein Platin enthält. Wenn die Legierung Palladium und Platin enthält, gelten die genannten Obergrenzen entsprechend für die Summe der Atom-Prozente von Palladium und Platin.Finally, in the alloy, the proportion of palladium or platinum is ≦ 10 atom%. This is to be understood as meaning the sum of the atomic percentages of palladium, platinum or mixtures thereof. In this way, the cost of precious metal content is reduced. The proportion of palladium or platinum is preferably ≦ 5 atom%, more preferably ≦ 1 atom%. It is very particularly preferred if the alloy (apart from technically unavoidable impurities) contains no palladium and no platinum. If the alloy contains palladium and platinum, the above upper limits apply mutatis mutandis to the sum of the atomic percentages of palladium and platinum.
In einer Ausführungsform der Elektrode weist der Katalysator bei einem Strom von -0.5 auf der normierten Skala eine Überspannung für die Sauerstoffreduktionsreaktion von ≤ 800 mV (bevorzugt ≤ 700 mV, mehr bevorzugt ≤ 600 mV) auf. Dieser Strom auf der normierten Skala wird bei den folgenden Bedingungen gemessen:
- 1) Der Katalysator liegt in Form von Nanopartikeln vor, von denen über 50 % einen Durchmesser von ≤ 25 nm aufweisen;
- 2) Elektrolyt: 0.1 M KOH (unter Luft/keine Sauerstoffsättigung);
- 3) Spannungsvorschubgeschwindigkeit: 10 mV/s;
- 4) Subtraktion des an blanker Elektrode gemessenen Stroms vom Strom mit immobilisierten Katalysatornanopartikeln auf entsprechender Elektrode;
- 5) Es werden im zeitlichen Verlauf stabile Stromkurven betrachtet;
- 6) Normierung des Differenzstroms durch einen der Sauerstoffreduktion zuzuordnenden Plateaustromwert (Diffusionsgrenzstrom iss) mit iss = 1.
- 1) The catalyst is in the form of nanoparticles, of which more than 50% have a diameter of ≤ 25 nm;
- 2) Electrolyte: 0.1 M KOH (under air / no oxygen saturation);
- 3) voltage feed rate: 10 mV / s;
- 4) subtracting the current measured on the bare electrode from the current with immobilized catalyst nanoparticles on a corresponding electrode;
- 5) stable current curves are considered over time;
- 6) Normalization of the differential current by a plateau flux value to be assigned to the oxygen reduction (diffusion limiting current i ss ) with i ss = 1.
Eine Überspannung von 800 mV für die Sauerstoffreduktionsreaktion entspricht 429 mV gegen RHE (reversible Wasserstoffelektrode, reversible hydrogen electrode). Daher kann auch ausgedrückt werden, dass der Katalysator unter den obigen Messbedingungen bei einem Strom von -0.5 auf der normierten Skala ein Potential gegen RHE von ≥ 429 mV, vorzugsweise ≥ 430 mV bis ≤ 700 mV und mehr bevorzugt ≥ 550 mV bis ≤ 750 mV aufweist.An overvoltage of 800 mV for the oxygen reduction reaction corresponds to 429 mV against RHE (reversible hydrogen electrode). Therefore, it can also be expressed that the catalyst under the above measurement conditions at a current of -0.5 on the normalized scale, a potential against RHE of ≥ 429 mV, preferably ≥ 430 mV to ≤ 700 mV and more preferably ≥ 550 mV to ≤ 750 mV having.
In einer weiteren Ausführungsform der Elektrode liegt der Katalysator wenigstens teilweise in Form von Nanopartikeln vor. Insbesondere kann die Legierung wenigstens teilweise in Form von Nanopartikeln vorliegen. Unter Nanopartikeln werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Partikel verstanden, die in wenigstens einer Raumrichtung eine Dimension von ≤ 1000 nm, vorzugsweise ≤ 500 nm, mehr bevorzugt ≤ 100 nm und besonders bevorzugt ≤ 10 nm aufweisen.In a further embodiment of the electrode, the catalyst is present at least partially in the form of nanoparticles. In particular, the alloy may be present at least partially in the form of nanoparticles. For the purposes of the present invention, nanoparticles are understood as meaning particles having a dimension of at least one spatial direction of ≦ 1000 nm, preferably ≦ 500 nm, more preferably ≦ 100 nm and particularly preferably ≦ 10 nm.
In einer weiteren Ausführungsform der Elektrode werden die Nanopartikel durch Co-Sputtern in eine ionische Flüssigkeit, durch chemische Synthese, chemische Gasphasenabscheidung oder durch Laserablation erhalten. Geeignete Kationen in der ionischen Flüssigkeit sind beispielsweise:
In einer weiteren Ausführungsform der Elektrode liegt der Katalysator als Vollmaterial oder nanostrukturiertes Vollmaterial vor. Insbesondere kann die Legierung wenigstens teilweise in Form eines nanostrukturierten Vollmaterials vorliegen. Unter Nanostrukturen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Strukturen verstanden, die in wenigstens einer Raumrichtung eine Dimension von ≤ 1000 nm, vorzugsweise ≤ 500 nm, mehr bevorzugt ≤ 100 nm und besonders bevorzugt ≤ 10 nm aufweisen.In a further embodiment of the electrode, the catalyst is present as solid material or nanostructured solid material. In particular, the alloy may be present at least partially in the form of a nanostructured solid material. In the context of the present invention, nanostructures are understood to mean structures which have a dimension of at least one spatial direction of ≦ 1000 nm, preferably ≦ 500 nm, more preferably ≦ 100 nm and particularly preferably ≦ 10 nm.
In einer weiteren Ausführungsform dieser Elektrode wird der Katalysator schichtweise durch Co-Sputtern, durch chemische Synthese oder durch Laserablation erhalten.In a further embodiment of this electrode, the catalyst is obtained in layers by co-sputtering, by chemical synthesis or by laser ablation.
In einer weiteren Ausführungsform der Elektrode ist die elektrochemische Vorrichtung eine Brennstoffzelle oder ein Metall-Luft-Akkumulator. Geeignete Brennstoffzellen bzw. Akkumulatoren sind beispielsweise die alkalische Brennstoffzelle (AFC), die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), die Ameisensäure-Brennstoffzelle, die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), die Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), die Direktkohlenstoff-Brennstoffzelle (SOFC, MCFC), der Magnesium-Luft-Akkumulator, Zink-Luft-Akkumulator und der Lithium-Luft-Akkumulator. Bevorzugte Brennstoffzellen setzen an der Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff um.In a further embodiment of the electrode, the electrochemical device is a fuel cell or a metal-air accumulator. Suitable fuel cells or accumulators are, for example, the alkaline fuel cell (AFC), the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the direct methanol fuel cell (DMFC), the formic acid fuel cell, the phosphoric acid fuel cell (PAFC), the molten carbonate fuel cell (MCFC). , the Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), the Direct Carbon Fuel Cell (SOFC, MCFC), the Magnesium Air Accumulator, the Zinc-Air Accumulator, and the Lithium-Air Accumulator. Preferred fuel cells convert hydrogen at the anode and oxygen at the cathode.
In einer weiteren Ausführungsform der Elektrode katalysiert der Katalysator die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, Wasserstoffperoxid, Metalloxid oder Metallperoxid. Beim genannten Metall handelt es sich vorzugsweise um Magnesium, Zink oder Lithium.In a further embodiment of the electrode, the catalyst catalyzes the reduction of oxygen to water, hydrogen peroxide, metal oxide or metal peroxide. The metal mentioned is preferably magnesium, zinc or lithium.
In einer weiteren Ausführungsform der Elektrode enthält die Legierung die folgenden Metalle in den angegebenen Anteilen:
Bevorzugt ist die folgende Zusammensetzung:
Besonders bevorzugt ist die folgende Zusammensetzung:
Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten, wobei die Kathode eine erfindungsgemäße Elektrode ist. Geeignete Vorrichtungen sind beispielsweise die alkalische Brennstoffzelle (AFC), die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), die Ameisensäure-Brennstoffzelle, die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), die Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), die Direktkohlenstoff-Brennstoffzelle (SOFC, MCFC), der Magnesium-Luft-Akkumulator, Zink-Luft-Akkumulator und der Lithium-Luft-Akkumulator. Bevorzugte Brennstoffzellen setzen an der Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff um. Der Elektrolyt zwischen Anode und Kathode kann beispielsweise KOH, eine Polymermembran, Phosphorsäure, eine Alkali-Carbonat-Schmelze oder eine oxidleitende Keramik sein.The invention further relates to an electrochemical device comprising an anode, a cathode and an electrolyte arranged between anode and cathode, wherein the cathode is an electrode according to the invention. Suitable devices include, for example, the alkaline fuel cell (AFC), the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the direct methanol fuel cell (DMFC), the formic acid fuel cell, the phosphoric acid fuel cell (PAFC), the molten carbonate fuel cell (MCFC), the solid oxide Fuel Cell (SOFC), the Direct Carbon Fuel Cell (SOFC, MCFC), the Magnesium Air Accumulator, Zinc Air Accumulator and the Lithium Air Accumulator. Preferred fuel cells convert hydrogen at the anode and oxygen at the cathode. The electrolyte between anode and cathode may be, for example, KOH, a polymer membrane, phosphoric acid, an alkali-carbonate melt or an oxide-conducting ceramic.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Anode zur Oxidation von Wasserstoff oder eines Metalls (vorzugsweise Magnesium, Zink oder Lithium) und die Kathode zur Reduktion von Sauerstoff eingerichtet.In one embodiment of the device, the anode is arranged to oxidize hydrogen or a metal (preferably magnesium, zinc or lithium) and the cathode to reduce oxygen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung
- und
- gleichzeitiges Kontaktieren der Anode mit einer oxidierbaren Verbindung und der Kathode mit einer reduzierbaren Verbindung.
- Provision of an electrochemical device according to the invention
- and
- simultaneously contacting the anode with an oxidizable compound and the cathode with a reducible compound.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die oxidierbare Verbindung Wasserstoff oder ein Metall (vorzugsweise Magnesium, Zink oder Lithium) und die reduzierbare Verbindung ist Sauerstoff.In one embodiment of the process, the oxidizable compound is hydrogen or a metal (preferably magnesium, zinc or lithium) and the reducible compound is oxygen.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls die Verwendung einer Legierung als Reduktionskatalysator, wobei die Legierung wenigstens vier Metalle umfasst, eines dieser wenigstens vier Metalle Mangan ist, keines dieser wenigstens vier Metalle in einem Anteil von ≤ 5 Atom-% und ≥ 70 Atom-% in der Legierung vorliegt und der Anteil von Palladium oder Platin in der Legierung ≤ 10 Atom-% beträgt. Bezüglich Details zu dieser Legierung sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. The invention likewise relates to the use of an alloy as a reduction catalyst, wherein the alloy comprises at least four metals, one of which is at least four metals manganese, none of these at least four metals in a proportion of ≤ 5 atom% and ≥ 70 atom% in the Alloy is present and the proportion of palladium or platinum in the alloy ≤ 10 atom%. For details on this alloy, reference is made to the above statements to avoid repetition.
In einer Ausführungsform der Verwendung wird die Legierung als Katalysator für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, Wasserstoffperoxid, Metalloxid oder Metallperoxid. Beim genannten Metall handelt es sich vorzugsweise um Magnesium, Zink oder Lithium.In one embodiment of the use, the alloy becomes a catalyst for the reduction of oxygen to water, hydrogen peroxide, metal oxide or metal peroxide. The metal mentioned is preferably magnesium, zinc or lithium.
In einer weiteren Ausführungsform der Verwendung weist die Legierung bei einem Strom von -0.5 auf der normierten Skala eine Überspannung für die Sauerstoffreduktionsreaktion von ≤ 800 mV (bevorzugt ≤ 700 mV, mehr bevorzugt ≤ 600 mV) auf. Dieser Strom auf der normierten Skala wird bei den folgenden Bedingungen gemessen:
- 1) Die Legierung liegt in Form von Nanopartikeln vor, von denen über 50 % einen Durchmesser von ≤ 25 nm aufweisen;
- 2) Elektrolyt: 0.1 M KOH (unter Luft/keine Sauerstoffsättigung);
- 3) Spannungsvorschubgeschwindigkeit: 10 mV/s;
- 4) Subtraktion des an blanker Elektrode gemessenen Stroms vom Strom mit immobilisierten Legierungsnanopartikeln auf entsprechender Elektrode;
- 5) Es werden im zeitlichen Verlauf stabile Stromkurven betrachtet;
- 6) Normierung des Differenzstroms durch einen der Sauerstoffreduktion zuzuordnenden Plateaustromwert (Diffusionsgrenzstrom iss) mit iss = 1.
- 1) The alloy is in the form of nanoparticles, of which more than 50% have a diameter of ≤ 25 nm;
- 2) Electrolyte: 0.1 M KOH (under air / no oxygen saturation);
- 3) voltage feed rate: 10 mV / s;
- 4) subtracting the current measured on the bare electrode from the current with immobilized alloy nanoparticles on a corresponding electrode;
- 5) stable current curves are considered over time;
- 6) Normalization of the differential current by a plateau flux value to be assigned to the oxygen reduction (diffusion limiting current i ss ) with i ss = 1.
Eine Überspannung von 800 mV für die Sauerstoffreduktionsreaktion entspricht 429 mV gegen RHE (reversible Wasserstoffelektrode, reversible hydrogen electrode). Daher kann auch ausgedrückt werden, dass die Legierung unter den obigen Messbedingungen bei einem Strom von -0.5 auf der normierten Skala ein Potential gegen RHE von ≥ 429 mV, vorzugsweise ≥ 430 mV bis ≤ 700 mV und mehr bevorzugt ≥ 550 mV bis ≤ 650 mV aufweist.An overvoltage of 800 mV for the oxygen reduction reaction corresponds to 429 mV against RHE (reversible hydrogen electrode). Therefore, it can also be expressed that the alloy under the above measuring conditions at a current of -0.5 on the normalized scale has a potential against RHE of ≥ 429 mV, preferably ≥ 430 mV to ≤ 700 mV and more preferably ≥ 550 mV to ≤ 650 mV having.
In einer weiteren Ausführungsform der Verwendung enthält die Legierung die folgenden Metalle in den angegebenen Anteilen:
Bevorzugt ist die folgende Zusammensetzung:
Besonders bevorzugt ist die folgende Zusammensetzung:
Die Erfindung wird mit Bezug der nachfolgenden Beispiele und Figuren näher erläutert werden, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.The invention will be explained in more detail with reference to the following examples and figures, but without being limited thereto.
Beispiel 1: Evaluierung des Katalysators durch Normierung auf den (massentransportlimitierten) Diffusionsgrenzstrom iss (steady state current)Example 1 Evaluation of the Catalyst by Normalization to the (Mass Transport Limited) Diffusion Limit Current i ss (steady state current)
Die erfolgreiche Immobilisierung von in der ionischen Flüssigkeit [BMim][N(Tf)2] suspendierten CrMnFeCoNi-Nanopartikeln auf einer Kohlenstoffelektrode konnte durch signifikant erhöhte Stromstärken für die ORR gegenüber einer blanken Elektrode nachgewiesen werden.
Bei Anwendung dieser Methode auf die erfindungsgemäßen Nanopartikel-Proben wurde eine elektrochemische Antwort des Kohlenstoffs der Kohlenstoffelektrode subtrahiert und der dadurch auf die Sauerstoffreduktion an den Nanopartikeln erhaltene Strom durch den Diffusionsgrenzstrom dividiert. Man erhielt das Voltammogramm bei linearem Sweep für den normalisierten iSS. Auf einen exponentiellen Anstieg des Stroms im kinetisch begrenzten Potentialbereich folgt ein massendiffusionsbegrenztes Plateau.By applying this method to the nanoparticle samples of the present invention, an electrochemical response of the carbon of the carbon electrode was subtracted and the current obtained thereby on the oxygen reduction on the nanoparticles was divided by the diffusion limiting current. The voltammogram was obtained on a linear sweep for the normalized i SS . An exponential increase of the current in the kinetically limited potential range is followed by a mass diffusion limited plateau.
Die hier erhaltenen Aktivitäten können mit der Überspannung zum Erreichen einer spezifischen Stromstärke auf der gegen iSS normalisierten Stromstärkenskala verglichen werden - analog zu der in der Literatur häufig benutzten Angabe -1 mA/cm2, jedoch mit dem Vorteil, dass eine Skala zur Verfügung steht, die mit der intrinsischen Aktivität und nicht mit der geometrischen Oberfläche der Elektrode in Beziehung steht. Um stabile Bedingungen zu erhalten, wurde weder leicht fluktuierende Sauerstoffsättigung durchgeführt noch zusätzliche Konvektion induziert. Zwar mag dieses die Aktivität aller Proben geringer erscheinen lassen, es resultiert aber in einem genaueren Vergleich der mit dieser Methode evaluierten Katalysatoren.The activities obtained here can be compared with the overvoltage to reach a specific current on the current scale normalized against i SS - analogous to what is often used in the literature - -1 mA / cm 2 , but with the advantage that a scale is available which is related to the intrinsic activity and not the geometric surface of the electrode. In order to obtain stable conditions, neither easily fluctuating oxygen saturation was carried out nor induced additional convection. Although this may make the activity of all samples appear smaller, it results in a more accurate comparison of evaluated with this method catalysts.
Beispiel 2: Vergleich erfindungsgemäßer Katalysatoren mit Pt und MnNi, CoNi und MnCoExample 2: Comparison of inventive catalysts with Pt and MnNi, CoNi and MnCo
Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind in
Die bimetallischen Legierungen MnNi, CoNi und MnCo zeigten eine vergleichsweise niedrige katalytische Aktivität für die ORR. Dieses war aufgrund der bekannten niedrigen Aktivität von elementaren Übergangsmetallen zu erwarten.The bimetallic alloys MnNi, CoNi and MnCo showed a comparatively low catalytic activity for the ORR. This was to be expected due to the known low activity of elemental transition metals.
Ferner wurden durch kombinatorisches Co-Sputtern in [BMim][N(Tf)2] hergestellte CrMnFeCoNi-Legierungen mit, soweit technisch möglich, äquiatomarer Zusammensetzung, untersucht. Diese Nanopartikel zeigten eine hohe katalytische Aktivität für die ORR. Diese Proben sind mit CrMnFeCoNi (I) und CrMnFeCoNi (II) in
Weiterhin wurden Pt-Nanopartikel durch Sputtern in [BMim][N(Tf)2] präpariert. Diese Proben sind mit Pt (I) und Pt (II) in
Zur Überprüfung der Resultate, insbesondere der Reproduzierbarkeit, wurden erneut CrMnFeCoNi-Nanopartikel in einer ionischen Flüssigkeit präpariert. Diese Probe ist mit CrMnFeCoNi (neu) in
Beispiel 3: Evaluierung von Katalysatoren mittels Rastertropfenzelle (scanning droplet cell, sdc)Example 3 Evaluation of Catalysts by Scanning Droplet Cell (Scatter Droplet Cell, SDC)
Es wurden Dünnschichtbibliotheken von multinären Legierungen mit CrMnFeCoNi, CrMnCoNi, CrFeCoNi, ZrHfCuNiTi in wechselnden Anteilen mittels einem auf dem Substrat abgeschiedenen Konzentrationsgradienten der Legierungsmetalle präpariert. Insgesamt wurden 358 einzelne Legierungen pro Bibliothek angefertigt. Als Referenz wurde weiterhin eine Pt-Dünnschicht präpariert. Als Deskriptor für die katalytische Aktivität in der ORR wurde, sowohl vor als auch nach Konditionierung, jeweils ein Potential ausgewählt, das im kinetisch limitierten Bereich der jeweiligen Bibliothek lag. Häufig war dieses -175 mV gegen Ag/AgCl (3 M KCl), bei ZrHfNiTiCu aber auch -1000 mV gegen Ag/AgCl (3 M KCl).Thin film libraries of multinear alloys with CrMnFeCoNi, CrMnCoNi, CrFeCoNi, ZrHfCuNiTi were prepared in varying proportions by means of a concentration gradient of the alloying metals deposited on the substrate. A total of 358 individual alloys per library were made. As a reference, a Pt thin film was further prepared. As a descriptor for the catalytic activity in the ORR, both before and after conditioning, a potential was selected that was located in the kinetically limited region of the respective library. Often this was -175 mV against Ag / AgCl (3 M KCl), but also -1000 mV for ZrHfNiTiCu against Ag / AgCl (3 M KCl).
Die einzelnen Mitglieder der ZrHfCuNiTi-Bibliothek und der CrFeCoNi-Bibliothek zeigten generell eine niedrige Aktivität. Als Trend konnte weiterhin festgehalten werden, dass für die übrigen Legierungsproben mit zunehmendem Gehalt an Mn und Cr die Aktivität ebenfalls höher war.The individual members of the ZrHfCuNiTi library and the CrFeCoNi library generally showed low activity. As a trend it could be further stated that the activity was also higher for the other alloy samples with increasing content of Mn and Cr.
Zum Vergleich mit einer gesputterten Pt-Oberfläche sind die linearen Sweep-Voltammogramme von Legierungsproben mit weitestgehend äquiatomarer Zusammensetzung in
Beispiel 4: Chronoamperometrische MessungenExample 4: Chronoamperometric Measurements
Zum Beleg dafür, dass der beobachtete Stromanstieg tatsächlich auf der ORR basiert und nicht lediglich auf der Reduktion der zuvor oxidierten Probe, wurden als Kontrollexperiment chronoamperometrische Messungen an einer CrMnCoNi-Probe über 10 Minuten bei vier Potentialen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in
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