DE112010005263T5

DE112010005263T5 - Platin-Monoschicht auf hohlen, porösen Nanopartikeln mit großen Oberflächen-Flächen und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112010005263T5
Application number: DE112010005263T
Authority: DE
Inventors: Minhua Shao; Lesia V. Protsailo; Belabbes Merzougui
Original assignee: UTC Power Corp
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2030-02-13
Also published as: DE112010005263B4; US8921260B2; US20120316060A1; WO2011099957A1

Abstract

Ein katalytisches Nanopartikel umfasst einen porösen, hohlen Kern und eine atomar dünne Schicht aus Platinatomen auf dem Kern. Der Kern ist ein poröser Palladium-, Palladium-M- oder Platin-M-Kern, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Gold, Iridium, Osmium, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium besteht.

Description

HINTERGRUND
Nanopartikel aus Platin oder Platinlegierung sind wohlbekannt zur Verwendung als ein Elektrokatalysator, insbesondere in Brennstoffzellen, die zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Beispielsweise wird in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ein Platinkatalysator verwendet, um an der Anode der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zu Protonen und Elektronen zu oxidieren. An der Kathode der Brennstoffzelle leitet der Platinkatalysator die Sauerstoff-Reduktionsreaktion (ORR (oxygen reduction reaction)) ein, die zur Bildung von Wasser führt.
Platin ist zwar ein bevorzugtes Material zur Verwendung als ein Katalysator in einer Brennstoffzelle, aber Platin ist teuer. Darüber hinaus hängt die Brennstoffzellen-Leistungsfähigkeit von der verfügbaren Oberflächen-Fläche der Platin-Nanopartikel ab. Die Brennstoffzellen-Leistungsfähigkeit steigt, wenn die Oberflächen-Fläche der Platin-Nanopartikel durch Erhöhen der Platin-Beladung erhöht wird. Eine Erhöhung der Platin-Beladung erhöht jedoch typischerweise auch die Materialkosten.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein katalytisches Nanopartikel umfasst einen porösen, hohlen Kern und eine Monoschicht von Platinatomen auf dem Kern. Der Kern ist ein poröser, hohler Kern aus Palladium, Palladium-M oder Platin-M, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Gold, Iridium, Osmium, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium besteht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle, die die hierin beschriebenen katalytischen Nanopartikel verwendet.
2 ist eine schematische Zeichnung eines katalytischen Nanopartikels mit einem porösen und hohlen Kern.
3 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des katalytischen Nanopartikels von 2 mit einem Kupfer-Nanopartikel.
GENAUE BESCHREIBUNG
Hierin werden katalytische Nanopartikel mit porösen, hohlen Kernen und einer Monoschicht aus Platinatomen beschrieben. Diese Nanopartikel können in Brennstoffzellen und anderen elektrochemischen Vorrichtungen verwendet werden.
1 ist eine Beispiel-Brennstoffzelle 10, konstruiert zur Erzeugung von elektrischer Energie, die eine Anoden-Gasdiffusionsschicht (GDL (gas diffusion layer)) 12, eine Anodenkatalysatorschicht 14, einen Elektrolyten 16, eine Kathoden-Gasdiffusionsschicht (GDL) 18 und eine Kathodenkatalysatorschicht 20 umfasst. Die Anoden-GDL 12 liegt dem Anodenströmungsfeld 22 gegenüber, und die Kathoden-GDL 18 liegt dem Kathodenströmungsfeld 24 gegenüber. In einem Beispiel ist die Brennstoffzelle 10 eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Es wird festgestellt, dass andere Arten von Brennstoffen und Oxidationsmitteln in der Brennstoffzelle 10 verwendet werden können.
Die Anoden-GDL 12 erhält Wasserstoffgas (H₂) auf dem Weg über das Anodenströmungsfeld 22. Die Katalysatorschicht 14, die ein Platinkatalysator sein kann, veranlasst die Wasserstoffmoleküle zur Aufteilung in Protonen (H⁺) und Elektronen (e^–). Während es der Elektrolyt 16 den Protonen erlaubt, zu der Kathode 18 hindurchzugehen, wandern die Elektronen durch einen äußeren Kreis 26, was zu einer Erzeugung von elektrischer Energie führt. Luft oder reiner Sauerstoff (O₂) wird der Kathode 18 durch das Kathodenströmungsfeld 24 zugeführt. An der Kathodenkatalysatorschicht 20 reagieren Sauerstoffmoleküle mit den Protonen von der Anodenkatalysatorschicht 14 unter Bildung von Wasser (H₂O), das dann die Brennstoffzelle 10 zusammen mit überschüssiger Wärme verlässt.
Der Elektrolyt 16 variiert in Abhängigkeit von dem jeweiligen Brennstoffzellen-Typ. In einem Beispiel ist die Brennstoffzelle 10 eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle, in welchem Fall der Elektrolyt 16 eine Protonenaustauschermembran, die aus einem Festpolymer besteht, ist. In einem anderen Beispiel ist die Brennstoffzelle 10 eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle und der Elektrolyt 16 ist flüssige Phosphorsäure, die typischerweise in einer keramischen (elektrisch isolierenden) Matrix enthalten ist.
Platinpartikel können die Basis der Anodenkatalysatorschicht 14 und der Kathodenkatalysatorschicht 20 bilden. Die Platinpartikel sind typischerweise auf Katalysatorträgerstrukturen und/oder auf Kohlenstoff verteilt und stabilisiert. Das Platin wird verwendet, um die Geschwindigkeit der Sauerstoff-Reduktionsreaktion (ORR) in der Brennstoffzelle zu erhöhen.
2 stellt schematisch ein katalytisches Nanopartikel 30 mit porösem, hohlem Kern 32 und Platinatomen 34 dar. Das katalytische Nanopartikel 30 hat eine Kern-Hülle-Struktur. Platin 34 bildet eine atomar dünne Schicht auf dem Kern 32. Die Platinatome können, beispielsweise, eine Monoschicht, eine Doppelschicht oder eine Dreifachschicht auf dem Kern 32 bilden. In einem Beispiel hat der Kern 32 einen Durchmesser von zwischen etwa 2 Nanometern (nm) und etwa 20 nm.
Der Kern 32 ist porös oder ist voller Poren. In einem Beispiel hat der Kern 32 Porengrößen zwischen etwa 0,5 Nanometern (nm) und etwa 5,0 nm. In einem anderen Beispiel hat der Kern 32 Poren zwischen etwa 1,0 nm und etwa 5,0 nm.
Der Kern 32 ist auch hohl. Das heißt, der Kern 32 beinhaltet einen Hohlraum. Beispielsweise kann der Kern 32 in seinem Zentrum einen Hohlraum haben, während die äußeren Oberflächen des Kerns 32 aus einer porösen Metallstruktur ausgebildet sind. Die poröse, hohle Struktur des Kerns 32 sorgt für eine erhöhte Oberflächen-Fläche des Platins 34, was die Platin-Massenaktivität verbessert. Die poröse, hohle Struktur des Kerns 32 erlaubt auch, dass Sauerstoffmoleküle leichter durch den porösen Kern 32 hindurchdiffundieren. Diese poröse, hohle Kernstruktur verbessert die Kinetik der Sauerstoff-Reduktionsreaktion wenn katalytische Nanopartikel 30 in, beispielsweise, einer Brennstoffzelle verwendet werden.
Der Kern 32 kann Palladium, eine Palladium-Edelmetall-Legierung oder eine Platin-Edelmetall-Legierung, wobei das Edelmetall ausgewählt ist aus Gold, Palladium, Iridium, Rhenium, Rhodium, Ruthenium und Osmium, aufweisen. Der Kern 32 braucht nicht dieselbe Gitterstruktur wie das massive Metall, aus dem er hergestellt ist, zu haben. Wenn beispielsweise der Kern 32 aus Palladium ausgebildet ist, ist die Gitterstruktur des Kerns 32 kleiner als die von massivem Palladium. Die ursprüngliche Gitterstruktur des Materials des Kerns 32 wird während der Herstellung des Kerns 32 verändert.
Die Kern-Hülle-Struktur des Nanopartikels 30 verbessert die Lebensdauer des katalytischen Nanopartikels. Ein Palladiumkern alleine ist in einer Brennstoffzellenumgebung nicht stabil. Palladium ist reaktiver als Platin und löst sich bei einem weniger positiven Potential auf. Ein Abscheiden einer Hülle aus Platin 34 auf dem Kern 32 verbessert die Lebensdauer des Kerns 32.
Die katalytischen Nanopartikel 30 können die Gesamt-Katalysatorkosten verringern. Katalytische Nanopartikel sind wegen der hohen Kosten von Edelmetallen, insbesondere der hohen Kosten von Platin, teuer in der Herstellung. Die Kern-Hülle-Struktur der katalytischen Nanopartikel 30 verringert die Kosten, weil das kostspielige Platin auf die Oberfläche der katalytischen Nanopartikel 30 beschränkt ist, während der Kern 32 aus weniger kostspieligem Palladium oder Palladium-M hergestellt ist. So ist Platin nur dort vorhanden, wo es für die Reaktionen der Brennstoffzelle benutzt wird. Zusätzlich verringert die poröse Struktur des Kerns 32 die Edelmetall-Beladung der katalytischen Nanopartikel 30.
Wie weiter unten beschrieben wird, wird der poröse, hohle Kern 32 hergestellt durch Ersetzen von Übergangsmetallatomen eines Nanopartikels aus unedlem Übergangsmetall durch Palladium-, Palladium-Edelmetall-Legierung- oder Platin-Edelmetall-Legierung-Atome. Der hohle Kern 32 hat eine verringerte Edelmetall-Beladung, was die Materialkosten im Vergleich zu Kernen, die aus massivem Edelmetall ausgebildet sind, verringert.
3 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren 40 zur Herstellung katalytischer Nanopartikel 30 von 2 aus Nanopartikeln aus unedlem Übergangsmetall veranschaulicht. Das Verfahren 40 umfasst die Schritte des Synthetisierens von Kupfer-Nanopartikeln (Schritt 42), des Mischens der Kupfer-Nanopartikel mit Palladium, einer Palladium-M-Legierung oder einer Platin-M-Legierung, wobei M ein Edelmetall ist (Schritt 44), und des Abscheidens einer Platin-Monoschicht (Schritt 46).
Zuerst werden in Schritt 42 Kupfer-Nanopartikel mit einer kleinen Partikelgröße (d. h. etwa 1 nm bis 20 nm) synthetisiert. Die Kupfer-Nanopartikel mit kleiner Partikelgröße werden unter Verwendung von grenzflächenaktiven Mitteln synthetisiert, wie beschrieben in J. Phys. Chem. B 2001, 105, 8816–882 von Chen et al. Beispielsweise wird ein Kupfervorläufer, wie Cu(NO₃)₂, in Anwesenheit eines Reduktionsmittels (Superhydrid) und von Deck- bzw. Schutzmaterialien (Tetra-n-octylammonium-bromid) in Tetrahydrofuran-Lösungsmittel reduziert. Die Kupfer-Nanopartikel wurden dann auf Träger wie Carbon-Black geladen und wärmebehandelt, um das Schutzmaterial zu entfernen.
Als nächstes werden die Kupfer-Nanopartikel, in Schritt 44, mit einer Lösung gemischt, die entweder ein Palladiumsalz, ein Salz einer Palladium-M-Legierung oder ein Salz einer Platin-M-Legierung enthält, wobei M ein Edelmetall ist, das ausgewählt ist aus Gold, Palladium, Iridium, Rhodium, Rhenium, Ruthenium und Osmium. In einem Beispiel wird ein Palladiumsalz verwendet. Die Palladiumionen in Lösung werden von den Kupferatomen des Nanopartikels in der Oxidations-Reduktions-Reaktion von Beispiel (1) spontan reduziert, und Palladiumatome ersetzen die Kupferatome. Cu + Pd²⁺ → Pd + Cu²⁺ (1)
Mit fortschreitender Reaktion scheidet sich Palladium auf der Oberfläche des Nanopartikels ab, und jedes Kupferatom löst sich auf. Wenn die Reaktion ihre Vollendung erreicht, ist der Kern 32 ein hohler, poröser Palladiumkern. In einem Beispiel haben hohle, poröse Kerne 32 einen Durchmesser zwischen etwa 2 nm und etwa 20 nm. In einem anderen Beispiel haben hohle, poröse Kerne 32 eine Porengröße zwischen etwa 1 nm und etwa 5 nm. Das aufgelöste Kupfer kann zurückgewonnen und wiederverwendet werden, um die Materialkosten zu verringern.
Die Palladium-M-Legierung und die Platin-M-Legierung verhalten sich ähnlich, um hohle, poröse Kerne aus Palladium-M-Legierung bzw. hohle, poröse Kerne aus Platin-M-Legierung zu bilden. Das Molverhältnis von Platin zu Edelmetall der Platin-M-Legierung kann so eingestellt werden, dass eine kleine Platinbeladung eingehalten wird. In einem Beispiel ist das Molverhältnis von Platin zu Edelmetall M etwa 1:2 bis etwa 1:12. In einem anderen Beispiel ist das Molverhältnis von Platin zu Edelmetall M etwa 1:3 bis etwa 1:6. Das Einhalten eines kleinen Molverhältnisses von Platin zu Edelmetall verringert die Materialkosten.
Die Ausgangskonzentration der Salzlösung wird so berechnet, dass man ein Molverhältnis von Palladium zu Kupfer, von Palladium-M-Legierung zu Kupfer oder von Platin-M-Legierung zu Kupfer von etwa 1:1 hat, wenn die Kupfer-Nanopartikel mit der Salzlösung gemischt werden. Das heißt, die Mole an Palladium, Palladium-M-Legierung oder Platin-M-Legierung in der Salzlösung sind gleich den Molen an Kupfer der Kupfer-Nanopartikel. Dies erlaubt, dass das gesamte oder nahezu das gesamte Kupfer der Kupfer-Nanopartikel während der Oxidations-Reduktions-Reaktion reagiert. Ein höheres Molverhältnis (d. h. 5:1) führt dazu, dass die Reaktion auf das verfügbare Kupfer beschränkt ist, während ein niedrigeres Molverhältnis (d. h. 1:5) dazu führt, dass Spuren von Kupfer nach der Reaktion in dem Kern verbleiben.
Während der Oxidations-Reduktion-Reaktion von Schritt 44 kann das Gemisch mit Stickstoff gesättigt sein. Eine Stickstoff-Sättigung vermeidet eine Oxidbildung auf Kupfer.
In Schritt 46 wird eine Platin-Monoschicht auf den porösen, hohlen Kernen abgeschieden. Dieser Schritt umfasst ein Abscheiden von Kupfer auf den porösen, hohlen Kernen durch Unterpotential-Abscheidung, und ein Ersetzen oder Verdrängen des Kupfers durch Platin, um katalytische Nanopartikel 30 von 2 zu bilden.
Eine Unterpotential-Abscheidung ist ein elektrochemischer Prozess, der zur Abscheidung von einer oder von zwei Monoschichten eines Metalls (Kupfer) auf der Oberfläche eines anderen Metalls (Palladium) bei einem gegenüber dem thermodynamischen Potential für die Reaktion positiven Potential führt. In thermodynamischer Hinsicht tritt die Unterpotential-Abscheidung auf, weil die Austrittsarbeit bzw. freie Energie von Kupfer niedriger ist als die der Palladium-Nanopartikel.
Das Kupfer wird auf den porösen, hohlen Kernen als eine kontinuierliche oder semi-kontinuierliche Monoschicht aus Kupferatomen abgeschieden. Die Kupfer-Monoschicht kann Nadellöcher (pinholes) enthalten, wo in der Schicht Lücken oder Zwischenräume vorliegen. In einem Beispiel wurden auf einem elektrisch leitfähigen Substrat abgeschiedene poröse, hohle Palladiumkerne in eine mit Argon gesättigte Lösung, die aus 0,05 M CuSO₄ + 0,05 M H₂SO₄ bestand, gebracht, und das Potential wurde 5 Minuten lang kontrolliert bei 0,1 V (gegenüber Ag/AgCl, 3 M) gehalten, was zu der Unterpotential-Abscheidung von Kupfer auf den porösen, hohlen Kernen führte.
Als nächstes wird Platin auf den porösen, hohlen Kernen durch Verdrängen der Kupferatome abgeschieden, um katalytische Nanopartikel 30 von 2 zu bilden. Durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion verdrängen Platinatome die Kupferatome auf den porösen, hohlen Kernen. Beispielsweise können die porösen, hohlen Kerne mit einer wässrigen Lösung, die ein Platinsalz enthält, gemischt werden. In einem speziellen Beispiel ist die Platinlösung 2 mM PtK₂Cl₄ + 0,05 M H₂SO₄, gesättigt mit Argon. Platinionen der Lösung werden durch Kupfer spontan reduziert, wie in Gleichung (2) gezeigt, und Platin ersetzt Kupfer auf den porösen, hohlen Kernen. Cu + Pt²⁺ → Pt + Cu²⁺ (2)
Die Platinatome werden als eine atomar dünne Schicht auf den porösen, hohlen Kernen abgeschieden. In einem Beispiel ist die atomar dünne Schicht eine Platin-Monoschicht. Die Platin-Monoschicht bedeckt den porösen, hohlen Kern im Wesentlichen. Es kann jedoch sein, dass manche Bereiche des porösen, hohlen Kerns nicht bedeckt sind. Ein Wiederholen des Schritts 46, einschließlich der Unterpotential-Abscheidung von Kupferatomen und der Verdrängung des Kupfers durch Platin, führt zur Abscheidung zusätzlicher Platinschichten auf dem Kern 32. Beispielsweise kann auf dem Kern 32 eine Doppelschicht oder eine Dreifachschicht aus Platinatomen ausgebildet werden.
Die durch das Verfahren 40 gebildeten katalytischen Nanopartikel haben eine verbesserte Platin-Massenaktivität. In dem Verfahren 40 wird die Gitterkonstante des Kerns 32 von den Kupfer-Nanopartikeln beeinflusst. Beispielsweise muss die Gitterkonstante von Palladium, wenn es auf den Kupfer-Nanopartikeln abgeschieden ist, wegen der Auswirkung von Kupfer kleiner sein als diejenige von massivem Palladium. Diese Veränderung in der Gitterkonstante des Kerns 32 beeinflusst die strukturelle Auswirkung des Kerns 32 auf das Platin 34 und erhöht die Platin-Massenaktivität katalytischer Nanopartikel 30. Palladium-M-Legierungen und Platin-M-Legierungen erfahren durch die Kupfer-Nanopartikel ähnliche Auswirkungen.
Die Palladium-M-Legierung und die Platin-M-Legierung ermöglichen ein zusätzliches Maßschneidern der strukturellen Auswirkung des Kerns 32. Beispielsweise kann das Molverhältnis der Palladium-M-Legierung eingestellt werden, um die strukturelle Auswirkung des Kerns 32 durch Veränderung abzustimmen.
Zusätzlich haben durch das Verfahren 40 hergestellte katalytische Nanopartikel eine verringerte Edelmetall-Beladung. Wie oben diskutiert, macht die große Edelmetall-Beladung katalytischer Nanopartikel diese teuer in der Herstellung. Die Nanopartikel des Verfahrens 40 haben eine verringerte Edelmetall-Beladung, weil der sich ergebende Kern 32 hohl und porös ist. Daher sind die Materialkosten für diese Nanopartikel verringert. Zusätzlich kann das Kupfer aus den Kupfer-Nanopartikeln zurückgewonnen und wiederverwendet werden, um die Materialkosten weiter zu verringern.
Die in dem Verfahren 40 hergestellten, porösen, hohlen Kerne können mit Palladium, einer Palladium-Edelmetall-Legierung oder einer Platin-Edelmetall-Legierung ausgebildet werden. Die Platin-Edelmetall-Legierung kann die Stabilität des Kerns 32 verbessern. Es kann sein, dass die Platin-Monoschicht den Kern 32 nicht vollständig bedeckt, und das Edelmetall, wie Palladium, des Kerns 32 kann durch die Nadellöcher von Platin 34 hindurch aufgelöst werden, wenn das Edelmetall reaktiver als Platin ist. Das Platin des Platin-Edelmetall-Kerns schützt Bereiche des Kerns 32, die exponiert sind, und verringert eine Auflösung des Kerns.
Die Konzentration der Salzlösung wird so berechnet, dass das Palladium, die Palladium-M-Legierung oder die Platin-M-Legierung alle Kupferatome der Nanopartikel verdrängt. Ein Vorliegen eines Molverhältnisses von Palladium:Kupfer, Palladium-M-Legierung:Kupfer oder Platin-M-Legierung:Kupfer von 1:1 führt zum Verdrängen aller oder fast aller Kupferatome des Kupfer-Nanopartikels und verringert die Spurenmenge an Kupfer, die in der Kernstruktur verbleibt. Dies verringert das Risiko einer Vergiftung von Membran, Ionomer und/oder Anode, wenn katalytische Nanopartikel 30 in einer Brennstoffzelle verwendet werden.
In dem oben beschriebenen Verfahren 40 wurden kleine Kupfer-Nanopartikel zu einer Lösung, die ein Palladium-Salz, ein Salz einer Palladium-M-Legierung oder ein Salz einer Platin-M-Legierung enthielt, zugegeben. Ein Fachmann wird anerkennen, dass das Verfahren nicht auf die Verwendung von Kupfer-Nanopartikeln beschränkt ist. Andere unedle Übergangsmetalle, die Palladium und Platin reduzieren, können anstelle von Kupfer verwendet werden. Das unedle Übergangsmetall sollte eine kleinere Gitterkonstante als diejenige von massivem Platin haben, um die Vorteile der oben beschriebenen strukturellen Wirkung zu erzielen. Darüber hinaus ermöglicht die Einstellung der Zusammensetzung der Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall ein zusätzliches Maßschneidern der strukturellen Wirkung des Kerns 32.
Die vorliegende Erfindung wird genauer beschrieben in dem folgenden prophetischen Beispiel, das nur als Veranschaulichung gedacht ist, da für Fachleute zahlreiche Abwandlungen und Variationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung offenkundig sein werden.
BEISPIEL
Zuerst werden Kupfer-Nanopartikel durch Reduzieren von Cu(NO₃)₂ in Anwesenheit von Superhydrid und Tetra-n-octylammonium-bromid in Tetrahydrofuran-Lösungsmittel gebildet. Die Kupfer-Nanopartikel werden dann auf Träger, wie Carbon-Black, geladen und wärmebehandelt, um das Deck- bzw. Schutzmaterial zu entfernen.
Als nächstes werden die Kupfer-Nanopartikel mit einer mit Stickstoff gesättigten Palladiumsalz-Lösung, die aus 2 mM Pd(NO₃)₂ + 0,05 M H₂SO₄ besteht, gemischt. Die Konzentration der Salzlösung ist so berechnet, dass das Pd:Cu-Molverhältnis nach dem Mischen mit den Kupfer-Nano-Partikeln etwa 1:1 ist.
Die sich ergebenden porösen, hohlen Palladiumkerne werden in eine elektrochemische Zelle mit einer mit Argon gesättigten Lösung, die aus 0,05 M CuSO₄ + 0,05 M H₂SO₄ + 1 M K₂SO₄ besteht, gebracht. Das Potential wird 5 Minuten lang kontrolliert bei 0,1 V (gegen Ag/AgCl, 3 M) gehalten, und es scheiden sich Kupferatome auf der Oberfläche der porösen Palladiumkerne ab. Dann werden ohne Potentialkontrolle schnell 200 ml mit Argon gesättigte 2 mM PtK₂Cl₄ + 0,05 M H₂SO₄ in die Zelle gegeben. Die Reaktion wird 30 Minuten lang durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle Kupferatome durch Platinatome verdrängt sind. Die Endprodukte werden gesammelt durch Waschen mit Wasser und Trocknen in einem Ofen.
Die Erfindung wurde zwar mit Bezug auf (eine) beispielhafte Ausführungsform(en) beschrieben, aber es versteht sich für Fachleute, dass verschiedene Veränderungen durchgeführt werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Abwandlungen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die bestimmte(n) offenbarte(n) Ausführungsform(en) beschränkt sein, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Phys. Chem. B 2001, 105, 8816–882 von Chen et al. [0020]

Claims

Katalytisches Nanopartikel aufweisend: einen porösen, hohlen Palladium-, Palladium-M- oder Platin-M-Kern, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Gold, Iridium, Osmium, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium besteht; und eine atomar dünne Schicht aus Platinatomen auf dem Kern.
Katalytisches Nanopartikel nach Anspruch 1, bei dem die Gitterkonstante des porösen, hohlen Palladiumkerns kleiner ist als diejenige von massivem Palladium.
Katalytisches Nanopartikel nach Anspruch 1, bei dem die Gitterkonstante des porösen, hohlen Platin-M-Kerns kleiner ist als diejenige von massivem Platin-M.
Katalytisches Nanopartikel nach Anspruch 1, bei dem der Kern Poren zwischen etwa 1 Nanometer und etwa 5 Nanometern hat.
Katalytisches Nanopartikel nach Anspruch 1, bei dem der Kern einen Durchmesser zwischen etwa 2 Nanometern und etwa 20 Nanometern hat.
Katalytisches Nanopartikel nach Anspruch 1, bei dem die atomar dünne Schicht aus Platinatomen ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus einer Monoschicht, einer Doppelschicht und einer Dreifachschicht aus Platinmetallatomen besteht.
Katalytisches Nanopartikel nach Anspruch 1, bei dem der poröse, hohle Platin-M-Kern ein Platin:M-Molverhältnis zwischen etwa 1:2 und etwa 1:12 hat.
Katalytisches Nanopartikel nach Anspruch 1, bei dem der poröse, hohle Platin-M-Kern ein Platin:M-Molverhältnis zwischen etwa 1:3 und etwa 1:6 hat.
Verfahren zur Herstellung einer katalytischen Struktur, wobei das Verfahren aufweist: Herstellen von Nanopartikeln aus unedlem Übergangsmetall; Ersetzen von unedlen Übergangsmetall-Atomen der Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall durch Palladium-, Palladium-M-Legierung- oder Platin-M-Legierung-Atome, wobei M ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Gold, Iridium, Osmium, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium besteht, um einen porösen, hohlen Kern zu bilden; und Abscheiden einer Monoschicht aus Platinatomen auf dem porösen, hohlen Kern.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall Kupfer-Nanopartikel sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall eine Gitterkonstante haben, die kleiner ist als die Gitterkonstante von Platin.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall einen Durchmesser zwischen etwa 1 Nanometer und etwa 20 Nanometern haben.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Abscheidens einer Monoschicht aus Platinatomen aufweist: Abscheiden einer Kupfer-Monoschicht auf dem porösen, hohlen Kern; und Ersetzen der Kupfer-Monoschicht durch die Monoschicht aus Platinatomen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Abscheidens einer Monoschicht aus Platinatomen wiederholt wird, um eine Doppelschicht oder eine Dreifachschicht aus Platinatomen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Ersetzens der unedlen Übergangsmetallatome aufweist: Mischen der Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall mit einer Lösung, die ein Palladiumsalz oder ein Salz einer Palladium-M-Legierung enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Ersetzens der unedlen Übergangsmetallatome aufweist: Mischen der Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall mit einer Lösung, die ein Salz einer Platin-M-Legierung enthält.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Mischens der Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall mit einer Lösung, die ein Salz einer Platin-M-Legierung enthält, aufweist: Herstellen einer Lösung mit einer solchen Konzentration der Platin-M-Legierung, dass beim Zugeben der Nanopartikel aus unedlem Übergangsmetall zu der Lösung Platin-M:unedles Übergangsmetall etwa 1:1 ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der poröse, hohle Kern Poren mit einer Porengröße zwischen etwa 1 Nanometer und etwa 5 Nanometern hat.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der poröse, hohle Kern einen Durchmesser zwischen etwa 2 Nanometern und etwa 20 Nanometern hat.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Kern aus Platin-M-Legierung mit einem Molverhältnis von Platin:M zwischen etwa 1:2 bis etwa 1:12 hergestellt wird.