Controlul oxidativ al structurii porilor în catalizatori susținuți cu carbon pe bază de PGM - GM
O metodă de formare a unui catalizator susținut de carbon, metoda cuprinzând:
Furnizarea unui prim catalizator susținut de carbon având un metal suportat de grupul de platină susținut pe un prim suport de carbon, primul suport de carbon având un prim diametru mediu al porilor și o primă suprafață medie; și
Aducerea primului catalizator susținut de carbon în contact cu un gaz care conține oxigen la o temperatură mai mică de aproximativ 250 ° C pentru o perioadă de timp prestabilită pentru a forma un al doilea catalizator susținut de carbon, al doilea catalizator susținut de carbon fiind un suport de carbon modificat având un al doilea diametru mediu al porilor și o a doua suprafață medie, în care al doilea diametru mediu al porilor este mai mare decât primul diametru mediu al porilor și în care a doua suprafață medie este mai mică decât prima suprafață medie.
2. Metodă conform revendicării 1, în care primul diametru mediu al porilor este mai mic de 70 angstromi și al doilea diametru mediu al porilor este mai mare de 70 angstromi.
3. Metodă conform revendicării 1, în care a doua suprafață medie este mai mică de 500 m 2/g.
4. Metodă conform revendicării 1, în care primul suport de carbon are un prim volum mediu de pori și suportul de carbon modificat are un al doilea volum mediu de pori, al doilea volum mediu de pori fiind mai mic decât primul volum mediu de pori.
5. Metodă conform revendicării 1, în care metalul grupului de platină este selectat din grupul format din Pt, Pd, Au, Ru, Ir, Rh și Os.
6. Metodă conform revendicării 1, în care primul suport de carbon este o pulbere de carbon.
7. Metodă conform revendicării 1, în care primul suport de carbon este o pulbere de carbon.
8. Metodă conform revendicării 1, în care primul suport de carbon include particule selectate din grupul constând din nanorods, nanotuburi, nanorafts, particule neconductoare electric, particule sferice și combinații ale acestora.
9. Metodă conform revendicării 1, în care primul suport de carbon este o pulbere de carbon cu suprafață ridicată (HSC).
10. Catalizator susținut de carbon, preparat conform procedeului din revendicarea 1.
În cel puțin un aspect, prezenta invenție se referă la materiale catalizatoare pentru celule de combustibil cu performanțe îmbunătățite.
Pilele de combustie sunt utilizate ca sursă de energie electrică în multe aplicații. În special, se propune utilizarea pilelor de combustibil în automobile ca înlocuitor pentru motoarele cu ardere internă. Pentru transportul de ioni între anod și catod, un design de celule de combustibil utilizat frecvent funcționează cu o membrană electrolitică de polimer solid („Electrolit solid de polimer, SPE”) sau o membrană de schimb de protoni („Proton Exchange Membrane, PEM”).
Negrul de fum cu suprafață mare este utilizat pe scară largă ca purtător pentru catalizatorii cu pile de combustie. În particulele care o formează, funinginea cu o suprafață mare are adesea cantități mari de micropori interni (15 nm).
Longevitatea convertorului catalitic, în special în ceea ce privește menținerea performanțelor ridicate, este una dintre marile provocări cu care se confruntă dezvoltarea tehnologiei pilelor de combustibil pentru sectorul auto. Particulele de platină sau aliaj de platină își pierd suprafața electrochimică datorită dizolvării și maturării ulterioare Ostwald și datorită migrației particulelor și coalescenței în timpul funcționării. Oxidarea electrochimică a suportului de carbon crește această migrare a particulelor și pierderea ulterioară a performanței la o putere mare. Oxidarea suportului de carbon determină, de asemenea, descompunerea grosimii electrodului și a porozității electrodului, prevenind astfel transportul reactantului și pierderea ulterioară a performanței. Prin urmare, este o practică obișnuită pentru specialiștii în domeniu să evite oxidarea suportului de carbon.
În consecință, este nevoie aici de sisteme de catalizator mai durabile pentru straturile de catalizator cu pilă de combustibil.
Prezenta invenție rezolvă una sau mai multe dintre problemele din stadiul tehnicii prin furnizarea, în cel puțin o variantă, a unui catalizator susținut de carbon pentru aplicarea celulei de combustibil. Catalizatorul susținut de carbon include un metal din grupul de platină și un suport de carbon având o multitudine de pori. Multitudinea de pori are un diametru mediu al porilor mai mare de aproximativ 50 angstromi. Metalul grupului de platină este dispus peste suportul de carbon sau transportat pe suportul de carbon.
SCURTĂ DESCRIERE A DESENELOR
1 este o secțiune transversală schematică a unei celule de combustibil care conține catalizatori susținuți cu carbon în straturile de catalizator anod și/sau catodic;
Figura 2 este o reprezentare schematică a oxidării unui catalizator PGM susținut de carbon;
Figura 3A prezintă un grafic al pierderii în greutate pentru o tratare termică de o oră a catalizatorilor susținuți cu carbon în aer;
3B prezintă un grafic al pierderii în greutate pentru un tratament termic la 230 ° C în funcție de timp pentru catalizatorii susținuți cu carbon în aer;
4A este o micrografie TEM a unui catalizator suportat de platină/cobalt înainte de tratamentul termic în aer la 250 ° C;
4B este o micrografie TEM a unui catalizator suportat de platină/cobalt înainte de tratamentul termic în aer la 250 ° C;
4C prezintă imagini microscopice TEM ale unui catalizator susținut de platină/cobalt după tratamentul termic în aer la 250 ° C;
4D prezintă imagini TEM microscopice ale unui catalizator susținut de platină/cobalt după tratamentul termic în aer la 250 ° C;
Figura 5A este un grafic al volumului absorbit reprezentat în funcție de presiunea relativă pentru catalizatorii susținuți cu carbon;
5B este un grafic al catalizatorilor susținuți de carbon ai derivatului volumului absorbit în raport cu logaritmul volumului porilor reprezentat în raport cu diametrul porilor;
Figura 5C prezintă un tabel care rezumă rezultatele BET pentru 5A și 5B; și
Figura 6 prezintă un grafic al tensiunii celulei de combustibil în funcție de densitatea curentului pentru catalizatorii tratați termic și netratat termic cu platină/cobalt.
Se va face acum referire în detaliu la compozițiile, realizările și metodele preferate în prezent ale prezentei invenții, care ilustrează cele mai bune moduri pentru practicarea invenției cunoscute în prezent de inventatori. Cifrele nu sunt neapărat la scară. Cu toate acestea, trebuie înțeles că exemplele de realizare dezvăluite sunt doar exemplare ale invenției, care pot fi întruchipate în diferite forme și alternative. Prin urmare, detaliile specifice dezvăluite aici nu trebuie interpretate ca limitări, ci doar ca o bază reprezentativă pentru diferitele aspecte ale invenției sau ca o bază reprezentativă pentru predarea specialiștilor în domeniu a diferitelor sale utilizări.
De asemenea, trebuie înțeles că această invenție nu se limitează la concretizările și metodele particulare descrise mai jos, deoarece anumite componente sau condiții pot varia desigur. Mai mult, terminologia utilizată aici este doar în scopul descrierii diferitelor variante de realizare a prezentei invenții și nu poate fi luată în niciun caz ca limitativă.
De asemenea, trebuie remarcat faptul că formele de singular „a” și „der/die/das”, așa cum sunt utilizate în caietul de sarcini și în revendicările anexate, includ și referința la plural, cu excepția cazului în care contextul indică în mod clar altfel. . De exemplu, referirea la o componentă la singular este destinată să cuprindă o multitudine de componente.
Într-o altă realizare, catalizatorii susținuți cu carbon enumerați mai sus sunt utilizați într-o compoziție de cerneală pentru a forma straturi de catalizator de celule de combustibil prin metode cunoscute specialiștilor în domeniul tehnologiei de celule de combustie. Într-un exemplu de realizare, compoziția de cerneală include catalizatorii susținuți cu carbon într-o cantitate de la 1 la sută până la 10 la sută în greutate din greutatea totală a compoziției de cerneală. Într-o variantă de realizare, compoziția de cerneală include ionomeri (de exemplu, un polimer de acid perfluorosulfonic, cum ar fi NAFION®) într-o cantitate de la aproximativ 5 procente la aproximativ 40 procente în greutate din compoziția catalizatorului. De obicei, restul compoziției de cerneală este un solvent. Solvenții utilizabili includ, dar nu se limitează la, alcooli (de exemplu, propanol, etanol și metanol), apă sau un amestec de apă și alcooli. De obicei, solvenții se evaporă la temperatura camerei.
Următoarele exemple ilustrează diferitele variante ale prezentei invenții. Specialiștii în domeniu vor recunoaște multe variații în cadrul prezentei invenții și sfera revendicărilor.
Figura 3A prezintă un grafic al pierderii în greutate pentru un tratament termic de o oră pentru catalizatori susținuți cu carbon în aer. Graficul prezintă o pierdere în greutate mai mică de 6% pentru catalizatorii suportați de platină și catalizatorii suportați de platină/cobalt la temperaturi de la aproximativ 100 ° C până la aproximativ 250 ° C. Trebuie remarcat faptul că această scădere în greutate implică îndepărtarea apei adsorbite și a compușilor volatili, cum ar fi agenții tensioactivi, și nu toată scăderea în greutate se datorează oxidării carbonului. 3B prezintă un grafic al pierderii în greutate pentru tratamentul termic la 230 ° C în funcție de timp pentru catalizatorii susținuți cu carbon în aer. Atât pentru catalizatorii cu platină, cât și pentru catalizatorii cu platină/cobalt, se observă o pierdere în greutate considerabilă după 5 ore.
4A-B prezintă imagini microscopice TEM ale unui catalizator susținut de platină/cobalt înainte de tratamentul termic în aer la 250 ° C. 4C-D prezintă imagini microscopice TEM ale unui catalizator susținut de platină/cobalt după tratamentul termic în aer la 250 ° C. Imaginile microscopice TEM nu prezintă nicio modificare semnificativă după tratamentul termic.
5A-C arată rezultatele testelor de absorbție BET pentru catalizatori susținuți cu carbon, tratați termic și netratat termic. 5A este un grafic al volumului absorbit reprezentat în funcție de presiunea relativă. 5B este un grafic al derivatei volumului absorbit în raport cu logaritmul volumului porilor, reprezentat în funcție de diametrul porilor. 5C arată un tabel care rezumă rezultatele BET. Se poate observa că, cu o mică modificare a greutății catalizatorului (pierderi de câteva procente), diametrul mediu al porilor crește odată cu tratamentul de oxidare, în timp ce suprafața scade.
6 prezintă graficele tensiunii celulei de combustibil în funcție de densitatea curentului pentru catalizatorii tratați termic și netratat termic cu platină/cobalt. Se poate observa că catalizatorii modificați oxidativ au îmbunătățit performanța ridicată. Cu toate acestea, dacă tratamentul de oxidare este prea extins, acesta poate afecta negativ performanța.
În timp ce exemplele de realizare exemplare sunt descrise mai sus, aceste variante de realizare nu sunt destinate să descrie toate configurațiile posibile ale invenției. Mai degrabă, cuvintele utilizate în caietul de sarcini sunt utilizate pentru descriere și nu pentru limitare. Ar trebui să se înțeleagă că pot fi făcute diverse modificări fără a se îndepărta de spiritul și scopul invenției. În plus, caracteristicile diferitelor variante pot fi combinate pentru a forma alte variante ale invenției.