JP2019534146A - 触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年10月26日に出願された米国特許仮出願第62/413192号の優先権を主張するものであり、その開示の全容が参照により本明細書に組み込まれる。
燃料電池により、燃料の電気化学的酸化及び酸化剤の還元を介して電気が生成する。燃料電池は、概して、電解質の種類並びに燃料及び酸化反応物質の種類によって分類される。燃料電池の1種は、ポリマー電解質膜燃料電池(PEMFC)であり、電解質はポリマーイオン伝導体であり、反応物質は、水素燃料及び酸化剤としての酸素である。酸素は、周囲空気から得られることが多い。
一態様では、本開示は、PtNiAuを含む、ナノ多孔質酸素還元触媒材料を提供する。いくつかの実施形態では、ナノ多孔質酸素還元触媒材料は、式PtxNiyAuz[式中、xは27.3〜29.9の範囲、yは63.0〜70.0の範囲、zは0.1〜9.6の範囲である(いくつかの実施形態では、xは29.4〜29.9の範囲、yは68.9〜70.0の範囲、zは0.1〜2.0の範囲であり、又は更には、xは29.7〜29.9の範囲、yは69.4〜70.0の範囲、zは0.1〜0.9の範囲である)。]を有する。いくつかの実施形態では、触媒材料は、酸素還元触媒材料として機能する。いくつかの実施形態では、ナノ多孔質酸素還元触媒材料は、1nm〜10nmの範囲(いくつかの実施形態では、2nm〜8nm、又は更には3nm〜7nmの範囲)の直径の細孔を有する。
図1を参照すると、基材108上の例示的な触媒100は、ナノ構造化要素102を有し、マイクロ構造化ウィスカー104が、PtNiAuを含むナノ多孔質酸素還元触媒材料106によって少なくとも部分的に被覆された外表面105を有する。
白金及びニッケルを含む層が存在する、PtNiAuを含む酸素還元触媒材料を準備することと、
白金及びニッケルを含む少なくともいくつかの層を脱合金化して、少なくとも1つの層からニッケルを除去し、本明細書に記載されるナノ多孔質酸素還元触媒材料を提供することと、を含む。
白金及びニッケルを含むターゲットから白金及びニッケルを堆積させて、白金及びニッケルを含む第1層を準備することと、
金を含むターゲットから金を含む層を堆積させることと、
上記2つの工程を順番に、少なくとも1回繰り返す(いくつかの実施形態では、2、3、4、5、10、15、20、25、50、75、100、150、200、250回、又は更には少なくとも275回繰り返す)ことと、
白金及びニッケルを含む少なくとも1つの層を脱合金化して、層からニッケルを除去し、本明細書に記載されるナノ多孔質酸素還元触媒材料を提供することと、を含む。
第1主表面及び対向する第2主表面を有する、第1のガス分配層と、
第1主表面及び対向する第2主表面を有する、アノード触媒が第1の触媒を含む、アノード触媒層と、
電解質膜と、
第1主表面及び対向する第2主表面を有する、カソード触媒が第2の触媒を含む、カソード触媒層と、
第1主表面及び対向する第2主表面を有する、第2のガス分配層と、
を備える。
例示的実施形態
白金及びニッケルを含む少なくともいくつかの層を脱合金化して、少なくとも1つの層からニッケルを除去し、例示的実施形態1A〜9Aのいずれか1つに記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料を提供することと、を含む、方法。いくつかの実施形態では、ニッケルが除去された、1nm〜10nmの範囲(いくつかの実施形態では、2nm〜8nm、又は更には3nm〜7nmの範囲)の直径の細孔が存在する。
金を含むターゲットから金を含む層を堆積させることと、
上記2つの工程を順番に、少なくとも1回繰り返す(いくつかの実施形態では、2、3、4、5、10、15、20、25、50、75、100、150、200、250回、又は更には少なくとも275回繰り返す)ことと、
白金及びニッケルを含む少なくとも1つの層を脱合金化して、層からニッケルを除去することと、を含む、例示的実施形態1A〜9Aのいずれか1つに記載の触媒の製造方法。いくつかの実施形態では、ニッケルが除去された、1nm〜10nmの範囲(いくつかの実施形態では、2nm〜8nm、又は更には3nm〜7nmの範囲)の直径の細孔が存在する。
触媒サポートとして使用するナノ構造化ウィスカーを、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5,338,430号(Parsonageら)、同第4,812,352号(Debe)、及び同第5,039,561号(Debe)に記載されているプロセスに従い、米国特許第6,136,412号(これもまた、参照により本明細書に組み込まれる)に記載されているマイクロ構造化触媒移動基材(すなわち、MCTS)を基材として使用して、作製した。ペリレンレッド顔料(すなわち、N,N’−ジ(3,5−キシリル)ペリレン−3,4:9,10−ビス(ジカルボキシイミド))(C.I.ピグメントレッド149、「PR149」としても知られており、Clariant(Charlotte,NC)から入手)を、200nmの見掛け上の厚さを有するMCTS上に真空コーティングし、その後アニーリングした。堆積及びアニーリングの後、大きいアスペクト比、制御可能な約0.5〜2マイクロメートルの長さ、約0.03〜0.05マイクロメートルの幅、及び1平方マイクロメートルあたり約30のウィスカーの面積数密度を有して、高度に配向した結晶構造が形成され、下にある基材に対して実質的に垂直に配向していた。
Pt3Ni7の堆積中にAu金属が合金に組み込まれたことを除いては、実施例1〜4について記載したように、実施例5を調製して評価した。
Auが触媒に組み込まれていないことを除いては、実施例1について記載したように、比較例Aを調製し、評価した。
電極触媒堆積中、Pt3Ni7担持量及び層の平面等価厚を異なるものにしたことを除いては、比較例Aについて記載したように、比較例Bを調製して評価し、AST耐久性試験下では評価しなかった。3層のPt3Ni7を、各々約52nmの平面等価厚で堆積させ、約0.125mgPt/cm2のPt面積担持量を得た。
Pt3Ni7の堆積後にAuを表面上に堆積させ、Auを電子ビームコーターで堆積させ、Au担持量を電子ビームコーター内で決定したことを除いては、比較例Bに記載したように実施例6〜10を調製し、評価した。
Claims (16)
- PtNiAuを含む、ナノ多孔質酸素還元触媒材料。
- 1nm〜10nmの範囲の直径の細孔を有する、請求項1に記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料。
- 前記PtNiAu材料が、式PtxNiyAuz[式中、xは27.3〜29.9の範囲、yは63.0〜70.0の範囲、zは0.1〜9.6の範囲である。]を有する、請求項1又は2に記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料。
- xが29.4〜29.9の範囲、yが68.6〜70.0の範囲、zが0.1〜2.0の範囲である、請求項3に記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料。
- 白金及びニッケルを含む少なくとも1つのナノ多孔質層の形態である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料であって、前記白金及びニッケルを含むナノ多孔質層のうちの少なくとも1つの上に金を含む層が存在する、ナノ多孔質酸素還元触媒材料。
- 前記金を含む層が、最大50nmの平面等価厚を有する、請求項5に記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料。
- 露出した金表面層を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料。
- 白金の金に対する重量比が、3:1〜250:1の範囲である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料。
- 請求項1〜8のいずれか一項の記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料によって少なくとも部分的に被覆された外表面を有するマイクロ構造化サポートウィスカーを含む、ナノ構造化要素を含む触媒。
- 請求項9に記載の触媒を含む、燃料電池膜電極接合体。
- 白金及びニッケルを含む層が存在する、PtNiAuを含む酸素還元触媒材料を準備することと、
白金及びニッケルを含む少なくともいくつかの層を脱合金化して、少なくとも1つの層からニッケルを除去し、請求項1〜9のいずれか一項に記載のナノ多孔質酸素還元触媒材料を提供することと、
を含む、方法。 - 脱合金化前に前記触媒をアニーリングすること、を更に含む、請求項11に記載の方法。
- 白金及びニッケルを含むターゲットから白金及びニッケルを堆積させることと、金を含むターゲットから金を堆積させることと、を更に含む、請求項11又は12のいずれかに記載の方法。
- 白金を含むターゲットから白金を堆積させることと、ニッケルを含むターゲットからニッケルを堆積させることと、金を含むターゲットから金を堆積させることと、を更に含む、請求項11又は12のいずれかに記載の触媒の製造方法。
- 白金及びニッケルを含むターゲットから白金及びニッケルを堆積させて、白金及びニッケルを含む第1層を準備することと、
金を含むターゲットから金を含む層を堆積させることと、
順番に、少なくとも1回、前記2つの工程を繰り返すことと、
白金及びニッケルを含む少なくとも1つの層を脱合金化して、前記層からニッケルを除去することと、
を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の触媒の製造方法。いくつかの実施形態では、前記ニッケルが除去された、1nm〜10nmの範囲(いくつかの実施形態では、2nm〜8nm、又は更には3nm〜7nmの範囲)の直径の細孔が存在する。 - 脱合金化前に前記層をアニーリングすること、を更に含む、請求項15に記載の製造方法。
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