Oxidačná kontrola štruktúry pórov v uhlíkových katalyzátoroch na báze PGM - GM
1. Spôsob výroby uhlíkového katalyzátora, vyznačujúci sa tým, že zahrnuje:
Poskytnutie prvého uhlíkatého katalyzátora, ktorý má kov nesený platinovou skupinou, nesený na prvom uhlíkovom nosiči, pričom prvý uhlíkový nosič má prvý stredný priemer pórov a prvú priemernú plochu povrchu; a
Uvedenie prvého uhlíkatého katalyzátora do styku s plynom obsahujúcim kyslík pri teplote nižšej ako asi 250 ° C počas vopred stanoveného časového obdobia, aby sa vytvoril druhý uhlíkový katalyzátor, pričom druhým uhlíkovým katalyzátorom je zmenený uhlíkový nosič s druhým stredným priemerom pórov a druhý priemerný povrchový povrch, pričom druhý stredný priemer pórov je väčší ako prvý priemerný priemer pórov a kde druhý priemerný povrchový povrch je menší ako prvý priemerný povrchový povrch.
2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že prvý stredný priemer pórov je menší ako 70 angstromov a druhý stredný priemer pórov je väčší ako 70 angstromov.
3. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že druhá priemerná povrchová plocha je menšia ako 500 m2/g.
4. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že prvý uhlíkový nosič má prvý priemerný objem pórov a zmenený uhlíkový nosič má druhý priemerný objem pórov, pričom druhý priemerný objem pórov je menší ako prvý priemerný objem pórov.
5. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že kov platinovej skupiny je vybraný zo skupiny pozostávajúcej z Pt, Pd, Au, Ru, Ir, Rh a Os.
6. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že prvým uhlíkovým nosičom je uhlíkový prášok.
7. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že prvým uhlíkovým nosičom je uhlíkový prášok.
8. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že prvý uhlíkový nosič obsahuje častice vybrané zo skupiny pozostávajúcej z nanoródov, nanorúrok, nanorúrok, elektricky nevodivých častíc, sférických častíc a ich kombinácií.
9. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že prvým uhlíkovým nosičom je prášok z uhlíka s vysokou povrchovou plochou (HSC).
10. Katalyzátor na uhlíkovom uhlí pripravený spôsobom podľa nároku 1.
Aspoň v jednom aspekte sa tento vynález týka katalyzátorových materiálov pre palivové články so zlepšeným výkonom.
Palivové články sa používajú ako zdroj elektrickej energie v mnohých aplikáciách. Navrhuje sa predovšetkým použitie palivových článkov v automobiloch ako náhrady za spaľovacie motory. Pre transport iónov medzi anódou a katódou často používaný dizajn palivových článkov pracuje s pevnou polymérnou elektrolytickou membránou („Solid Polymer Electrolyte, SPE“) alebo s protónovou výmennou membránou („Proton Exchange Membrane, PEM“).
Sadze s veľkou plochou sa široko používajú ako nosič pre katalyzátory palivových článkov. V časticiach, ktoré ho tvoria, majú sadze s veľkým povrchom často veľké množstvo vnútorných mikropórov (15 nm).
Životnosť katalyzátora, najmä pokiaľ ide o udržanie vysokého výkonu, je jednou z hlavných výziev, s ktorými sa stretáva vývoj technológie palivových článkov pre automobilový priemysel. Častice platiny alebo zliatin platiny strácajú elektrochemický povrch v dôsledku rozpúšťania a následného Ostwaldovho dozrievania a v dôsledku migrácie a koalescencie častíc počas prevádzky. Elektrochemická oxidácia uhlíkového nosiča zvyšuje túto migráciu častíc a následnú stratu výkonu pri vysokom výkone. Oxidácia uhlíkového nosiča tiež spôsobuje rozpad hrúbky elektródy a pórovitosti elektródy, čím sa zabráni transportu reaktantov a následnej strate výkonu. Pre odborníkov v odbore je preto bežnou praxou vyhnúť sa oxidácii uhlíkového nosiča.
Preto je tu potreba odolnejších katalyzátorových systémov pre vrstvy katalyzátora palivových článkov.
Predkladaný vynález rieši jeden alebo viac problémov doterajšieho stavu techniky poskytnutím, v najmenej jednom uskutočnení, katalyzátor na uhlíkom nanesený pre aplikáciu palivových článkov. Uhlíkatý katalyzátor zahrnuje kov zo skupiny platiny a uhlíkový nosič, ktorý má množstvo pórov. Množstvo pórov má stredný priemer pórov väčší ako asi 50 angstromov. Kov platinovej skupiny je usporiadaný nad uhlíkovým nosičom alebo nesený na uhlíkovom nosiči.
STRUČNÝ POPIS VÝKRESOV
1 je schematický prierez palivovým článkom obsahujúcim katalyzátory na uhlíkatom podklade vo vrstvách anódy a/alebo katódy katalyzátora;
Obrázok 2 je schematické znázornenie oxidácie uhlíkatého PGM katalyzátora;
Obrázok 3A zobrazuje graf úbytku hmotnosti pre hodinové tepelné ošetrenie katalyzátorov na uhlíkom podloženom vzduchu;
3B zobrazuje graf straty hmotnosti pri tepelnom spracovaní pri 230 ° C ako funkcia času pre uhlíkové katalyzátory vo vzduchu;
4A je TEM mikrofotografia katalyzátora na podložke platina/kobalt pred tepelným spracovaním na vzduchu pri 250 ° C;
4B je TEM mikrofotografia katalyzátora na podložke platina/kobalt pred tepelným spracovaním na vzduchu pri 250 ° C;
4C ukazuje mikroskopické TEM obrazy katalyzátora na podložke platina/kobalt po tepelnom spracovaní na vzduchu pri 250 ° C;
4D ukazuje mikroskopické TEM obrazy katalyzátora na podložke platina/kobalt po tepelnom spracovaní na vzduchu pri 250 ° C;
Obrázok 5A je graf absorbovaného objemu vynesený proti relatívnemu tlaku pre uhlíkové katalyzátory;
Obrázok 5B je graf derivátu katalyzátora na uhlíkovom deriváte derivátu priemeru pórov absorbovaného objemu vzhľadom na logaritmus objemu pórov;
Obrázok 5C zobrazuje tabuľku sumarizujúcu BET výsledky pre 5A a 5B; a
Obrázok 6 zobrazuje graf napätia palivových článkov verzus prúdová hustota pre tepelne spracované a tepelne nespracované katalyzátory na báze platiny/kobaltu.
Teraz bude urobený podrobný odkaz na v súčasnosti výhodné kompozície, uskutočnenia a spôsoby podľa predloženého vynálezu, ktoré ilustrujú najlepšie spôsoby uskutočnenia vynálezu, ktoré sú vynálezcom v súčasnosti známe. Údaje nemusia byť v mierke. Malo by sa však chápať, že zverejnené uskutočnenia sú iba príkladmi vynálezu, ktorý môže byť uskutočnený v rôznych a alternatívnych formách. Konkrétne podrobnosti tu uvedené sa preto nemajú vykladať ako obmedzenia, ale iba ako reprezentatívny základ pre rôzne aspekty vynálezu alebo ako reprezentatívny základ pre poučenie odborníkov v odbore o jeho rôznych použitiach.
Malo by sa tiež chápať, že tento vynález nie je obmedzený na konkrétne uskutočnenia a spôsoby opísané nižšie, pretože jednotlivé zložky alebo podmienky sa samozrejme môžu líšiť. Ďalej tu použitá terminológia slúži iba na účely popisu rôznych uskutočnení predloženého vynálezu a v žiadnom prípade ju nemožno považovať za obmedzujúcu.
Je tiež potrebné poznamenať, že jednotné tvary „a“ a „der/die/das“, ako sú použité v opise a priložených nárokoch, zahŕňajú aj odkaz na množné číslo, pokiaľ z kontextu jasne nevyplýva niečo iné . Napríklad odkaz na komponent v jednotnom čísle má zahrňovať množstvo komponentov.
V ďalšom uskutočnení sa vyššie uvedené uhlíkaté katalyzátory používajú v atramentovej zmesi na vytváranie vrstiev katalyzátora palivových článkov metódami známymi odborníkom v odbore technológie palivových článkov. V jednom uskutočnení atramentová kompozícia obsahuje uhlíkové katalyzátory v množstve od 1 do 10 percent hmotnostných z celkovej hmotnosti atramentovej kompozície. V jednom uskutočnení atramentová kompozícia obsahuje ionoméry (napr. Polymér kyseliny perfluórsulfónovej ako je NAFION®) v množstve od asi 5 percent do asi 40 percent hmotnostných z katalytickej kompozície. Zvyčajne je zvyškom atramentovej zmesi rozpúšťadlo. Použiteľné rozpúšťadlá zahŕňajú, ale nie sú obmedzené na alkoholy (napr. Propanol, etanol a metanol), vodu alebo zmes vody a alkoholov. Typicky sa rozpúšťadlá odparia pri teplote miestnosti.
Nasledujúce príklady ilustrujú rôzne uskutočnenia predloženého vynálezu. Odborníkom v odbore bude zrejmé veľa variácií v rámci predloženého vynálezu a rozsahu nárokov.
Obrázok 3A zobrazuje graf úbytku hmotnosti pre hodinové tepelné spracovanie pre uhlíkové katalyzátory vo vzduchu. Graf ukazuje menej ako 6 percentný úbytok hmotnosti pre katalyzátory na báze platiny a katalyzátory na báze platiny/kobaltu pri teplotách od asi 100 ° C do asi 250 ° C. Je potrebné poznamenať, že tento úbytok hmotnosti spočíva v odstránení adsorbovanej vody a prchavých zlúčenín, ako sú povrchovo aktívne látky, a nie všetky úbytky hmotnosti sú spôsobené oxidáciou uhlíka. 3B zobrazuje graf straty hmotnosti pri tepelnom spracovaní pri 230 ° C ako funkcia času pre uhlíkové katalyzátory vo vzduchu. U katalyzátorov na platine a na katalyzátoroch na platine/kobalte je po 5 hodinách pozorovaná značná strata hmotnosti.
4A-B ukazujú mikroskopické TEM obrazy katalyzátora na platine/kobalte pred tepelným spracovaním na vzduchu pri 250 ° C. 4C-D ukazujú mikroskopické TEM obrazy katalyzátora na platine/kobalte po tepelnom spracovaní na vzduchu pri 250 ° C. Mikroskopické TEM obrazy nevykazujú po tepelnom spracovaní žiadne významné zmeny.
5A-C ukazujú výsledky absorpčných testov BET pre tepelne upravené a tepelne nespracované uhlíkové katalyzátory. 5A je graf absorbovaného objemu vynesený proti relatívnemu tlaku. 5B je graf derivácie absorbovaného objemu vzhľadom na logaritmus objemu pórov, vynesený proti priemeru pórov. 5C zobrazuje tabuľku sumarizujúcu výsledky BET. Je možné pozorovať, že s malou zmenou hmotnosti katalyzátora (strata niekoľkých percent) sa stredný priemer pórov zvyšuje s oxidačným spracovaním, zatiaľ čo povrchová plocha sa zmenšuje.
6 zobrazuje grafy napätia palivových článkov verzus prúdová hustota pre tepelne upravené a tepelne nespracované katalyzátory na báze platiny/kobaltu. Je možné pozorovať, že oxidačne modifikované katalyzátory zlepšili vysoký výkon. Ak je však oxidačné ošetrenie príliš rozsiahle, môže to nepriaznivo ovplyvniť výkon.
Zatiaľ čo vyššie sú opísané exemplárne uskutočnenia, tieto uskutočnenia nie sú určené na opis všetkých možných konfigurácií vynálezu. Slová použité v špecifikácii sa používajú skôr na opis a nie ako obmedzenie. Malo by byť zrejmé, že je možné vykonať rôzne zmeny bez odchýlenia sa od ducha a rozsahu vynálezu. Okrem toho je možné kombinovať znaky rôznych uskutočnení a vytvoriť tak ďalšie uskutočnenia vynálezu.