Окислювальний контроль порової структури в вуглецевих каталізаторах на основі PGM - GM
Спосіб формування каталізатора на вуглецевій основі, при цьому спосіб включає:
Забезпечення першого каталізатора на вуглецевій основі, що має метал, підтримуваний платиновою групою, нанесений на перший вуглецевий носій, перший вуглецевий носій має перший середній діаметр пор і першу середню площу поверхні; і
Введення першого вуглецевого каталізатора в контакт з кисневмісним газом при температурі менше приблизно 250 ° C протягом заданого періоду для утворення другого каталізатора на вуглецевій основі, причому другий каталізатор на вуглецевій основі є зміненою вуглецевою опорою, що має другий середній діаметр пор і друга середня площа поверхні, де другий середній діаметр пір більший, ніж перший середній діаметр пор, і де друга середня площа поверхні менше першої середньої площі поверхні.
2. Спосіб за п. 1, в якому перший середній діаметр пір менше 70 ангстрем, а другий середній діаметр пор більше 70 ангстрем.
3. Спосіб за п. 1, в якому друга середня площа поверхні становить менше 500 м 2/г.
4. Спосіб за п. 1, в якому перша вуглецева підставка має перший середній об'єм пор, а змінена вуглецева підставка має другий середній об'єм пор, причому другий середній об'єм пор менше першого середнього об'єму пор.
5. Спосіб за п. 1, в якому метал платинової групи обраний із групи, що складається з Pt, Pd, Au, Ru, Ir, Rh та Os.
6. Спосіб за п. 1, в якому першим вуглецевим носієм є вуглецевий порошок.
7. Спосіб за п. 1, в якому першим вуглецевим носієм є вуглецевий порошок.
8. Спосіб за п. 1, в якому перший вуглецевий носій включає частинки, вибрані з групи, що складається з нанотрубків, нанотрубок, наноплотів, електропровідних частинок, сферичних частинок та їх комбінацій.
9. Спосіб за п. 1, в якому першим вуглецевим носієм є вуглецевий порошок з високою площею поверхні (HSC).
10. Вуглецевий каталізатор, приготований за способом п. 1.
Щонайменше в одному аспекті даний винахід відноситься до каталізаторних матеріалів для паливних елементів з поліпшеними характеристиками.
Паливні елементи використовуються як джерело електричної енергії в багатьох додатках. Зокрема, пропонується використовувати паливні елементи в автомобілях як заміну двигунів внутрішнього згоряння. Для транспортування іонів між анодом і катодом часто використовується конструкція паливних елементів з твердою полімерною електролітною мембраною ("Твердий полімерний електроліт, SPE") або протонообмінною мембраною ("Протонообмінна мембрана, PEM").
Сажа великої поверхні широко використовується як носій для каталізаторів паливних елементів. У частинках, що його утворюють, сажа з великою поверхнею часто має велику кількість внутрішніх мікропор (15 нм).
Довговічність каталітичного нейтралізатора, особливо щодо підтримки високих характеристик, є однією з головних проблем, з якою стикається розвиток технології паливних елементів для автомобільного сектору. Частинки платини або сплаву платини втрачають свою електрохімічну поверхню внаслідок розчинення та подальшого дозрівання Оствальда та внаслідок міграції та коалесценції частинок під час роботи. Електрохімічне окислення вуглецевого носія збільшує міграцію частинок та подальшу втрату характеристик при великій потужності. Окислення вуглецевої основи також спричиняє руйнування товщини електрода та пористості електродів, таким чином запобігаючи транспортуванню реагенту та подальшій втраті потужності. Тому загальноприйнятою практикою для фахівців є уникнення окислення вуглецевого носія.
Відповідно, тут необхідні більш міцні каталітичні системи для шарів каталізатора паливних елементів.
Даний винахід вирішує одну або більше проблем рівня техніки, забезпечуючи, щонайменше, в одному варіанті здійснення вуглецевий каталізатор для нанесення паливних елементів. Вуглецевий каталізатор включає метал платинової групи та вуглецевий носій, що має безліч пор. Безліч пор мають середній діаметр пор, який перевищує приблизно 50 ангстрем. Метал платинової групи розміщений над вуглецевим носієм або несеться на вуглецевому носії.
КОРОТКИЙ ОПИС КРЕСЛЕНЬ
Фіг.1 - схематичний переріз паливного елемента, що містить вуглецеві каталізатори в шарах анодного та/або катодного каталізаторів;
Фіг.2 - схематичне зображення окислення вуглецевого каталізатора ПГМ;
Фігура 3А показує графік втрати ваги за одну годину термічної обробки вуглецевих каталізаторів на повітрі;
3В показаний графік втрати ваги при термічній обробці при 230 ° С як функція часу для вуглецевих каталізаторів у повітрі;
4А - ТЕМ мікрофотографія каталізатора на основі платини/кобальту перед термічною обробкою на повітрі при 250 ° C;
4B - ТЕМ мікрофотографія каталізатора на основі платини/кобальту перед термічною обробкою на повітрі при 250 ° C;
4С показані мікроскопічні ТЕМ-зображення каталізатора на основі платини/кобальту після термічної обробки на повітрі при 250 ° C;
4D показує мікроскопічні ТЕМ-зображення каталізатора на основі платини/кобальту після термічної обробки на повітрі при 250 ° C;
Фігура 5А - графік поглиненого об'єму, нанесений на відносний тиск для вуглецевих каталізаторів;
Фігура 5B являє собою графік похідної каталізаторів на вуглецевій основі від похідної діаметра пор від поглиненого об'єму відносно логарифму об'єму пор;
На фігурі 5C показана таблиця, що узагальнює результати BET для 5A та 5B; і
На рисунку 6 представлений графік напруги паливних елементів проти щільності струму для термооброблених та необроблених платиною/кобальтом каталізаторів.
Тепер буде докладно посилатися на кращі композиції, варіанти здійснення та способи цього винаходу, які ілюструють найкращі способи здійснення винаходу, відомі в даний час винахідникам. Цифри не обов’язково масштабуються. Слід розуміти, однак, що розкриті варіанти здійснення є лише прикладом винаходу, який може бути втілений у різних та альтернативних формах. Отже, конкретні деталі, розкриті в цьому документі, не слід тлумачити як обмеження, а лише як репрезентативну основу для різних аспектів винаходу або як репрезентативну основу для навчання фахівців у цій галузі його різного використання.
Слід також розуміти, що даний винахід не обмежується конкретними варіантами здійснення та способами, описаними нижче, оскільки певні компоненти або умови можуть, звичайно, відрізнятися. Крім того, використана тут термінологія призначена лише для опису різних варіантів здійснення цього винаходу, і жодним чином не повинна сприйматися як обмежуюча.
Слід також зазначити, що форми однини "a" та "der/die/das", як використовуються в описі та доданій формулі винаходу, також включають посилання на множину, якщо контекст чітко не вказує інше . Наприклад, посилання на компонент в однині призначене для охоплення безлічі компонентів.
В іншому варіанті здійснення вищезазначені каталізатори на вуглецевій основі використовуються у складі чорнила для формування шарів каталізатора паливних елементів за методами, відомими фахівцям в даній області техніки паливних елементів. В одному варіанті здійснення чорнильна композиція включає вуглецеві каталізатори в кількості від 1 відсотка до 10 відсотків по масі від загальної маси композиції чорнила. В одному варіанті здійснення чорнильна композиція включає іономери (наприклад, полімер перфторсульфонової кислоти, такий як NAFION®) у кількості приблизно від 5 відсотків до приблизно 40 відсотків від маси каталітичної композиції. Зазвичай залишок фарби складає розчинник. Придатні для використання розчинники включають, але не обмежуючись цим, спирти (наприклад, пропанол, етанол та метанол), воду або суміш води та спиртів. Зазвичай розчинники випаровуються при кімнатній температурі.
Наступні приклади ілюструють різні варіанти здійснення цього винаходу. Фахівці в даній області техніки розпізнають багато варіацій цього винаходу та обсягу формули винаходу.
На фігурі 3А показаний графік втрати ваги за одногодинну термічну обробку вуглецевих каталізаторів на повітрі. На графіку показано менше 6 відсотків втрати ваги для каталізаторів на основі платини та каталізаторів на основі платини/кобальту при температурах приблизно від 100 ° C до приблизно 250 ° C. Слід зазначити, що ця втрата ваги передбачає видалення адсорбованої води та летких сполук, таких як ПАР, і не вся втрата ваги пов’язана з окисленням вуглецю. 3В показаний графік втрати ваги при термічній обробці при 230 ° С як функція часу для вуглецевих каталізаторів у повітрі. Як для каталізаторів, що підтримують платину, так і для каталізаторів, що підтримують платину/кобальт, через 5 годин спостерігається значна втрата ваги.
4A-B показують мікроскопічні ТЕМ-зображення каталізатора на основі платини/кобальту перед термічною обробкою на повітрі при 250 ° C. 4C-D показують мікроскопічні ТЕМ-зображення каталізатора на основі платини/кобальту після термічної обробки на повітрі при 250 ° С. Мікроскопічні ТЕМ-зображення не демонструють суттєвих змін після термічної обробки.
5A-C показані результати випробувань поглинання BET для термооброблених та необроблених вуглецевих каталізаторів. 5А - графік поглиненого об'єму, нанесений на відносний тиск. 5В - графік похідної об'єму, поглиненого відносно логарифму об'єму пор, нанесений на діаметр пор. 5C показує таблицю, що підсумовує результати BET. Можна помітити, що при невеликій зміні ваги каталізатора (втрата на кілька відсотків) середній діаметр пір збільшується з обробкою окисленням, тоді як площа поверхні зменшується.
Фіг.6 показує графіки напруги паливних елементів проти щільності струму для термооброблених та необроблених платиною/кобальтом каталізаторів. Можна помітити, що окисно модифіковані каталізатори покращили високі характеристики. Однак, якщо обробка окисленням занадто обширна, це може негативно вплинути на показники.
Хоча зразкові варіанти здійснення описані вище, ці варіанти здійснення не призначені для опису всіх можливих конфігурацій винаходу. Швидше, слова, використані в специфікації, використовуються для опису, а не для обмеження. Слід розуміти, що різні зміни можуть бути внесені, не відступаючи від духу та обсягу винаходу. Крім того, ознаки різних варіантів здійснення можуть бути об'єднані для формування подальших варіантів здійснення винаходу.