燃料电池用催化剂及其制备方法 技术领域 本发明一般涉及一种燃料电池用催化剂及其制备方法。更特别地, 涉及一种通过 使用不同种类晶体碳材料制备用于燃料电池电极的催化剂的方法, 以及一种通过此方法制 备的用于燃料电池的催化剂。
背景技术 一般地, 燃料电池是一种将氢之类的燃料的化学能转化为电能的装置。由于燃料 电池的理论效率接近 100%并且一般达到 80 ~ 50%的高水平, 许多研究已经着眼于更有效 的使用燃料电池和氢形式的可再生能源, 尤其随着资源变得更加稀缺。
燃料电池的工作是基于包括电子迁移的电化学反应, 而且引发可以降低过电压的 反应以使平衡电位处的极化以与电化学反应相同的速率最小化是重要的。
为此, 应该改进催化剂颗粒的扩散而且也应该以能够参与反应的方式提供催化剂 颗粒。
一般地, 在燃料电池工作时, 其工作电位在 1.0 ~ 0.4V 的范围内。在碳的情况下, 气化时的热力学标准氧化电位为 0.207VRHE, 因此会在电位高于 0.207VRHE 时发生自然氧化。
因此, 发现燃料电池的工作电压条件相对于碳产生高的氧化过电压从而产生不 利的环境。另外, 在燃料电池的启动和停止时, 外部空气被加入到氧化电极 ( 例如, 燃 料电极 ) 并与作为燃料的氢混合, 因此在碳上基于其边界产生 1.2VRHE 或更高的高电位 [ElectrochemSolid-State Lett.9(2006)A183, J.Power Sources 158(2006)1306]。这样 的条件加速碳的腐蚀速率, 因此降低了燃料电池的耐久性。
因此, 已经发现电化学反应的延迟是潜在改善燃料电池耐久性的一种重要方法。
一种提出的改进发生在燃料电池的催化剂颗粒上的电化学反应速率的方法, 是通 过改善催化剂颗粒的表面反应速率。因此, 大量研究已经着眼于开发铂合金催化剂和核 / 壳型催化剂颗粒, 同时, 通过控制电极的孔隙率来优化电极的形状, 将催化剂颗粒微粉化, 和控制有效的反应面积 (J.Power Sources, 139, 73)。
此外, 为了通过延迟碳的腐蚀速率来改进催化剂和燃料电池电极的耐久性, 大量 研究已经着眼于开发具有优越抗腐蚀性的晶体碳载体。
已经报道典型的晶体碳纳米管或纳米纤维由于难于与外部水反应具有比诸如 Ketjen Black 和 Vulcan 的活性碳更高的抗氧化性 [ECS Trans.16(2008)2101]。
然而, 这些高晶体碳材料还没有被成功地用作燃料电池的碳载体。已经发现, 在 高晶体碳载体的表面上非常难以使碳颗粒微粉化, 而且在电极形成时不可能优化电极结构 ( 例如, 孔的形状 )。例如, 当碳纳米纤维具有小的纤维直径时, 碳纳米纤维的正直度降低, 却 它们变得互相缠绕。这使得在纳米纤维中难于形成中孔隙。而且, 尽管具有高的表面积, 很难细致均匀地分散催化剂颗粒, 因此很难增加颗粒有效的活性面积。 进一步, 当碳纳米纤 维具有大的纤维直径时, 达不到高的负载率, 或者碳纳米纤维必须磨成微小颗粒, 这降低了 孔隙率, 因此减少了有效的比反应面积。
线性晶体碳材料可被分成管状、 片状、 以及鱼骨状碳材料。
三者中, 管状碳材料由于其基面暴露于表面具有最高的抗氧化能力。然而, 管状 碳材料没有使催化剂颗粒, 诸如铂, 能够优选地定位的空间。因此, 难于达到细致均匀地分 散催化剂颗粒, 并且由于催化剂颗粒的表面迁移而发生奥斯特瓦尔德熟化 (Carbon Today, 90, 277)。
在片状和鱼骨状碳材料的情况下, 基面的边缘暴露于表面, 因此提供了可以稳定 支持碳颗粒的空间。可是, 由于基面的边缘暴露于表面, 抗氧化性降低。因此, 根据环境这 些材料表现的抗氧化性并没有优于活性碳材料。
所以, 需要提供一种具有诸如片状或鱼骨状碳颗粒所表现的负载性能, 同时, 具有 诸如管状碳纳米纤维所表现的抗氧化性的材料。
进一步, 为了改进燃料电池催化剂的性能, 有必要提供如下电极结构 : 其中负载催 化剂和电子的载体、 转移质子的离聚物、 和作为具有三维形状的反应位点的催化剂颗粒的 三相点适当地在物质反应顺利发生的区域形成, 即, 优化这种有效反应点的电极结构。而 且, 急需开发可以保证抗氧化性具有长期稳定性的材料。
上述在背景技术部分公开的信息仅为了加强对发明背景的理解, 因此可能含有不 构成在这个国家被本领域普通技术人员所公知的现有技术的信息。 发明内容 本发明提供一种高性能、 高耐久性的燃料电池催化剂及其制备方法。 特别地, 本发 明提供一种晶体碳载体, 其可被有效地用作燃料电池催化剂的载体。 根据本发明, 提供一种 能够制造最优电极结构并改进催化剂颗粒的负载和分散的晶体碳载体。更特别地, 根据本 发明, 通过碳载体的结晶和表面积的扩增提供一种具有改进性能的碳载体。
根据本发明的一个实施方式, 使用含有两种不同类型的导电碳材料的燃料电池催 化剂制备电极, 其中优选通过使用这种材料提供多孔结构。
根据示例性的实施方式, 第一种导电碳材料是片状或鱼骨状线形晶体碳纳米纤 维材料, 第二种导电碳材料为乙炔黑。优选地, 片状或鱼骨状线形晶体碳纳米纤维具有约 30 ~ 150nm 的峰值直径, 乙炔黑具有 20 ~ 80nm 的原生粒径。材料优选进行热处理以改进 表面积和长期稳定性。
在 本 发 明 的 一 个 实 施 方 式 中, 第 一 和 第 二 碳 材 料 以 适 当 的 比 例 ( 例 如, 约 20 ~ 80 % ) 混 合 以 使 用 任 何 适 合 的 工 序 来 合 成 铂 催 化 剂, 例 如, 在韩国专利公开第 10-2009-0056959 号公开的修饰多元醇的工序, 如本文图 5A 所示。得到的合成催化剂可应 用于燃料电池电极。
例如, 在一个实施方式中, 负载的催化剂由多元醇工序制备, 其中使用 NaOH 调控 pH 至 0.06M, 其包括混合载体, 预处理 CFN 前体, 添加铂前体, 以及加热和回流混合物以还原 铂前体。
本发明的特征在于对于电极形成使用不同类型 ( 例如, 线形和球形 ) 的晶体碳材 料来代替传统材料, 并且预处理晶体碳材料以改进结晶度并增加表面积, 因此改善长期稳 定性和负载性能, 同时, 优化电极结构。
在一个实施方式中, 本发明提供一种制备用于燃料电池电极的催化剂的方法, 此
方法包括 : 在适当温度 ( 例如, 约 2000 ~ 2800 ℃ ) 在惰性气体气氛下热处理线形晶体碳 纳米纤维, 以通过改善结晶度来改进抗氧化性 ; 在适当温度 ( 例如, 约 1000 ~ 1500℃ ) 热 处理球形晶体碳颗粒以增加表面积 ; 分别在醇, 例如乙二醇中, 单独分散不同类型的碳材 料; 以预定混合比混合不同类型的碳载体以形成淤浆 ; 通过将 NaOH、 铂前体或铂合金前体、 以及不同类型的碳材料添加到溶剂中进行催化剂合成, 然后在适当温度 ( 例如, 约 140 ~ 180℃ ) 回流该混合物以还原合金前体或铂合金前体, 制备负载铂的催化剂或负载铂合金 的催化剂。
在优选的实施方式中, 线形晶体碳纳米纤维可以选自鱼骨状碳载体、 片状碳载体、 以及管状碳载体。
在另一个优选的实施方式中, 球形晶体碳颗粒可为乙炔黑。
在又一个优选的实施方式中, 铂合金前体可选自铂 - 镍前体、 铂 - 钴前体、 以及 铂 - 钯前体。
在另一个优选的实施方式中, 催化剂载体可选自负载铂的催化剂、 固溶形式的负 载铂合金的催化剂、 以及核壳形式的负载铂合金的 (platinum allow-supported) 催化剂。
在另一个优选的实施方式中, 线形晶体碳纳米纤维和球形晶体碳颗粒以 20 ∶ 80 重量%到 80 ∶ 20 重量%的比例混合。
发明的其他方面和优选实施方式在以下进行讨论。
要理解的是本文使用的术语 “车辆” 或 “车辆的” 或其他类似术语通常包括机动车, 例如, 包括多功能运动车 (SUV)、 公共汽车、 卡车、 各种商务车的客车, 包括各种艇和船的水 运工具, 飞行器等等, 并且包括混合动力车、 电动车、 插入式混合电动车、 氢燃料车和其他代 用燃料车 ( 例如, 来源于石油以外的资源的燃料 )。如本文所提到的, 混合动力车是具有两 种或多种动力源的车辆, 例如, 具有汽油动力和电动力的车辆。
本发明的以上以及其他特征在以下讨论。 附图说明 现在将参考由附图所图示的某些示例性实施方式来详细说明本发明的上述和其 他特征, 下面这些实施方式仅用于举例说明, 并因此不是对本发明的限制, 并且其中 :
图 1 为显示线形晶体碳纳米纤维 (CNFs) 在高温热处理之前和之后的 X 射线衍射 (XRD) 分析的图谱, 其中显示了结晶度的变化。
图 2 为显示高温蒸汽气氛下热处理乙炔黑以提供高比表面积的示意图。
图 3 为显示在高温蒸汽气氛下乙炔黑的比表面积增加的示意图。
图 4 为显示按照本发明的实施方式将线形晶体碳纳米纤维和球形晶体碳颗粒作 为燃料电池载体混合在一起的结构的示意图。
图 5A 为显示按照本发明的实施方式使用不同类型的碳材料制备负载铂的催化剂 或负载铂合金的催化剂的过程图。
图 5B 为显示按照本发明的实施方式合成的负载铂的催化剂或负载铂合金的催化 剂的示意图。
图 6 显示按照本发明的实施方式的线形晶体碳纳米纤维、 球形晶体碳颗粒、 以及 其负载催化剂颗粒的催化剂的电子显微镜照片。
图 7 为显示按照本发明的实施方式, 用孔率计分析, 分别用线形晶体碳纳米纤维 和球形晶体碳颗粒作为催化剂载体、 和混合载体制备的电极的孔隙分布结果图。
图 8 为显示按照本发明的实施方式, 分别用线形晶体碳纳米纤维和球形晶体碳颗 粒作为催化剂载体、 及其混合载体制备的电极的电池性能结果图。
图 9 为显示按照本发明的实施方式, 通过改变不同类型的碳材料的混合比制备的 电极在 0.6V 时的电池性能变化图。
图 10 为显示使用典型的活性碳催化剂和本发明的混合催化剂所制备的膜电极组 件, 保持在碳载体相对于保留时间快速氧化的电压 1.4V 时的性能下降图。
在附图中所示的参考数字包括对以下进一步讨论的要素的参考 :
100 : 乙炔黑 200 : 线形碳纳米纤维 300 : 负载的催化剂
应当理解, 所附的附图并非必然是按比例的, 而只是在一定程度上代表用于说明 本发明的基本原理的各种优选特征的简化表示。本文所公开的本发明的具体设计特征包 括, 例如特定尺寸、 方向、 位置和形状, 将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
在附图中, 涉及相同或等效的本发明的部分的附图标记贯穿附图的各个图。 具体实施方式 以下将参照本发明的各个实施方式进行详细说明, 其实例在附图中显示且在以下 说明。尽管本发明将结合示例性的实施方式进行说明, 可以理解本说明书不意在将本发明 限制为那些示例性的实施方式。 相反, 本发明意在不仅涵盖示例性的实施方式, 还涵盖可以 包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的各种替换形式、 变更、 等价形式和 其他实施方式。
本发明提供一种制备用于燃料电池的催化剂载体的方法。特别地, 根据优选的实 施方式, 本发明包括实施预处理以保证长期稳定性和负载性能, 通过以预定比例混合不同 类型的碳材料制备负载金属的催化剂, 以及制备使用负载金属的催化剂的 MEA 电极。
依据本发明可以适当地使用各种不同类型的导电材料。作为第一导电碳载体, 优 选使用线形晶体碳纳米纤维, 并且在示例性的实施方式中, 使用峰值直径为 30 ~ 200nm 的 线形晶体碳纳米纤维。 根据优选的实施方式, 线形晶体碳纳米纤维形成电极的框架, 同时不 同类型的碳材料存在于框架中, 因此产生三维材料转移空间。
根据一个实施方式, 碳纳米纤维 (CNFs) 通过任何适合的工序, 例如通过化学气相 沉积 (CVD) 合成, 其中线形晶体碳纳米纤维的形状或纤维直径被控制。在优选的实施方式 中, 形状或纤维直径根据在反应器中过渡金属催化剂 ( 例如 Ni、 Fe、 Mn、 Al 等 ) 的类型或形 状来控制, 该反应器可为任何适合的反应器, 诸如竖炉。在优选的实施方式中, 反应器的内 部温度在适合的范围内, 例如 600 ~ 1000℃, 并将诸如烷烃 ( 甲烷、 乙烷等 ) 的 C 源或 CO 气 体供应到反应器中以合成碳纳米纤维 [Applied Catalysis A, 338(2008)p147]。
根据本发明的优选实施方法, 如上所述, 使用具有高催化剂颗粒负载性能的片状 或鱼骨状碳纳米纤维。
根据这些碳材料 ( 即, 片状和鱼骨状碳纳米纤维 ) 的合成的载体颗粒的结晶度高 于广泛用作常规燃料电池的载体的其他活性碳, 诸如 Vulcan XC-72、 Ketjen Black EC-300 等。因此, 本发明的碳载体提供相对较高的长期稳定性。另外, 由于在燃料电池严酷的条
件下工作时的氧化, 碳载体应当增加抗腐蚀性, 本发明的碳载体优选在适当温度 ( 例如 2200 ~ 2800℃ ) 下进一步热处理。本材料的结晶度的改进在图 1 的 XRD 图谱中显示。
因此, 根据本发明, 优选使用线形晶体碳纳米纤维, 实施热处理以进一步改进其长 期稳定性。进一步优选使用片状或鱼骨状碳材料来改进催化剂颗粒的负载性能。
根据本发明的实施方式, 在不同类型的导电材料中, 优选使用市售的乙炔黑作为 第二种导电碳载体材料。优选实施热处理以增加表面积并改进材料的长期稳定性。
一般地, 市售的乙炔黑具有 20 ~ 80nm 的原生粒径, 其基面暴露于其表面。由于市 售乙炔黑的比表面积小, 其负载催化剂颗粒 ( 例如当用作燃料电池催化剂载体时 ) 的能力 不是特别好。因此, 已知使用乙炔黑形成用于有效物质转移的三维孔是有缺陷的。
然而, 由于其基面暴露于表面, 乙炔黑是一种具有良好疏水性的碳材料, 且相比于 活性碳具有优良的抗氧化性。 为了在克服乙炔黑缺点的同时保持其优势, 根据本发明, 乙炔 黑在 1000 ~ 1500℃蒸汽气氛下热处理 1 ~ 3 小时, 如图 2 所示。结果, 乙炔黑被部分氧化 并具有高比表面积, 这在本发明中非常重要。图 3 是显示此现象的示意图。特别地, 如所述 的, 根据本发明通过增加比表面积和通过在蒸汽气氛中热处理而改进结晶度, 使得催化剂 颗粒的负载特性以及在恶化条件下的长期稳定性最大化。 由此处理的乙炔黑被赋予作为均 一致密的催化剂载体的优良特性, 这是本发明所提供的一个有利特征。 进一步, 根据本发明, 为了克服每个不同类型的碳材料的缺陷, 不同类型的碳材料 以合适的预定比例混合。 例如, 根据一个实施方式, 线形晶体碳纳米纤维和球形晶体碳颗粒 以 20 ∶ 80 重量%到 80 ∶ 20 重量%范围的比例混合以形成混合碳载体。
在这种情况下, 混合碳载体具有如图 4 所示的三维形状, 其中线形碳纳米纤维 200 形成电极的框架并增加电极方向上的连续性, 因此防止电极开裂的发生。 如进一步所示, 表 面处理的乙炔黑 100 充当线形碳纳米纤维 200 之间的填充物, 以作为金属催化剂的高密度 载体并优化材料路径。
此外, 根据本发明, 提高的结晶度使得本材料在其表面具有优异的疏水性, 因此作 为影响燃料电池性能的一个重要因素, 浓度极化被降低。
特别地, 在根据本发明提供的燃料电池用混合载体的情况下, 归因于优化的孔隙 结构和表面疏水性的性能改进效果以及归因于载体性能的改进的性能改进效果相互作用。
根据本发明的实施方式, 负载铂的催化剂或负载铂合金的催化剂由图 5A 所示的 方式合成 ( 在韩国专利公开第 10-2009-0056959 号中描述 )。 由此合成的负载的催化剂 300 显示于图 5B 中。
在本发明中适合使用的催化剂的类型包括已知的催化剂, 例如, 固溶形式的合金 催化剂和核壳形式的合金 (allow) 催化剂以及铂催化剂。
以上述方式合成的催化剂的电子显微镜图像如图 6 所示。特别地, 图 6A 和 6B 显 示在上述热处理之后的不同类型的碳材料的图像, 图 6C 显示负载催化剂颗粒的催化剂的 图像。
图 7 显示使用线形晶体碳纳米纤维、 球形晶体碳颗粒以及根据本发明的其混合载 体制备的电极中的孔隙分布。如所述的, 使用混合载体制备的电极比分别用每种催化剂载 体制备的电极的孔隙率更高。
图 8 显示用线形晶体碳纳米纤维、 球形晶体碳颗粒以及根据本发明的其混合载体
制备的电极的电池性能。 如所述的, 使用混合载体制备的电极的性能具有改进的性能, 尤其 由于高电势的活化和在低电势区的物质转移的改进。特别地, 球形乙炔黑安置在线形碳纳 米纤维之间以形成有效的物质转移路径, 同时, 有效形成了催化剂颗粒、 电极粘结剂、 和载 体的三相点。 在图 8 中, 样品 -1 显示使用不同类型的碳材料的混合载体制备的电极的性能, 样品 -2 显示使用线形晶体碳纳米纤维制备的电极的性能, 样品 -3 显示使用球形晶体碳颗 粒制备的电极的性能。
图 9 显示通过改变不同类型的碳材料的混合比制备的电极在 0.6V 时的电池性能 变化。如所述, 电池性能整体优良, 尤其在混合比为约 0.5 时。
图 10 显示使用典型的活性碳催化剂制备的膜电极组件 (MEAs) 相比于本发明的混 合载体制备的 MEA 性能的下降。 在 MEA 保持在电压 1.4V 的情况下, 此时碳载体被快速氧化, MEA 的性能随着时间降低。另一方面, 如所述, 本发明的碳载体随着时间具有优异的抗氧化 性。因此证明即使在高电压下, 晶体碳由于具有高抗氧化性而表现出优异的性能。
实施例
基于制备燃料电池催化剂和电极的方法, 线形晶体碳纳米纤维和球形晶体碳颗粒 以 20 ∶ 80 重量%到 80 ∶ 20 重量%的比例混合, 例如, 以 1 ∶ 1 的比例。
另外, 负载的催化剂使用 50 重量%的晶体碳载体和 50 重量%的催化剂金属载体 负载的催化剂含有铂催化剂和含过渡金属的铂合金催化剂两者。 负载的催化剂的制备将在下面详细说明。 作为第一碳载体, 使用纤维直径 30 ~ 200nm 的片状或鱼骨状线形晶体碳纳米纤制备。
维。 线形晶体碳纳米纤维在氩气气氛下于 2200 ~ 2800℃下热处理, 并且热处理的线 形晶体碳纳米纤维被研磨并分散在乙二醇中。
线形晶体碳纳米纤维使用旋转式粉碎机和超声发生器研磨并使用磁性搅拌子搅 拌。
作为第二碳载体, 市售的乙炔黑在蒸汽气氛下于 1000 ~ 1500℃经 1.5 小时部分氧 化, 在氮气下冷却, 以与第一碳载体同样的方式研磨和分散。
接着, 由此制备的载体溶液以预定的混合比混合并再搅拌 1 小时。
在 乙 二 醇 的 总 量 达 到 150ml 之 后, 通过本发明人在韩国专利公开第 10-2009-0056959 号中所描述的改进的多元醇工序制备负载铂的催化剂, 并且通过在韩国 专利公开第 10-2009-0114623 号中公开的方法制备负载铂合金的催化剂。
图 6 显示第一和第一碳载体以及负载催化剂颗粒的催化剂的形状, 图 7 证明用根 据本发明的负载型催化剂制备的 MEA 的孔隙结构相比于分别由每种载体制备的有所改进。
此外, 图 8 到 10 显示使用根据本发明的负载型催化剂制备的电极的电池性能的改 进。
如上所述, 根据本发明使用不同类型的晶体碳材料制备的催化剂具有均一分散的 铂或铂合金催化剂颗粒和优良的长期稳定性, 尤其是由于高的抗氧化性。
另外, 根据本发明的催化剂具有优化的电极结构, 其中线形晶体碳纳米纤维和球 形晶体碳颗粒混合在一起, 因此改进了燃料电池的性能。
根据本发明的催化剂可以有效地用于改进燃料电池的初始性能和耐久性。
已经参照其优选实施方式详细说明了本发明。 然而, 本领域技术人员可以理解, 在 不偏离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施方式做出改变, 其范围由所附权利要 求及其等价形式所限定。