水滞留量减少的碳载催化剂的制作方法

专利名称：水滞留量减少的碳载催化剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及碳载催化剂(carbon supported catalyst)。在一个方面，该催化剂用于燃料电池。
背景技术：
燃料电池是一种将化学反应的能量转化为电能的设备。聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)含有置于电催化剂(一个阴极和一个阳极)之间的一种质子传导性的聚合物膜电解质。电催化剂用来引发电极上所需的电化学反应。电催化剂通常为一种载于一种碳质基材上的贵金属，例如，载于碳上的铂黑或铂催化剂。电催化剂通常通过在电解质表面涂布一种电催化剂颗粒浆液而结合到电极/电解质的界面处。
当诸如氢燃料等的燃料进料通过阳极电催化剂/电解质界面时，发生一种电化学反应，产生质子和电子。导电的阳极与一个外部电路相连，外部电路输送电子产生电流。
聚合物电解质通常为一种质子导体，阳极产生的质子通过该电解质迁移到阴极。在阴极，质子与电子及氧结合生成水。
由于燃料电池的催化剂金属——通常为铂——非常昂贵，因而希望在形成催化剂时对于所用的每克金属获得最高的金属表面积。现有的将金属沉积在碳载体上的熟知的工艺方法有几种。例如，可将载体分散于氯铂酸的水溶液中、干燥并暴露于氢气中。
惯常地，传导性的炭黑(例如，Columbian Conductex975或CDX-975，可由Columbian Chemicals，Marietta，GA获得)已用作燃料电池的催化剂载体。在燃料电池的应用中，要求催化剂的载体材料为导电性的。在其它应用领域，导电性倒未必是必需的。另外，将贵金属沉积于炭黑颗粒表面的过程通常要求所用的炭黑具有合理高的表面积(大于200m2/g)。但该要求不是绝对的，因为所需的表面积是与所需的金属负载量成比例的。例如，在炭黑上负载20％(重量比)铂的催化剂较之按类似方式制得的、在炭黑上负载50％铂的催化剂，所需的可利用碳表面积更低。要获得高的金属负载量(例如50％)，通常的做法是使用一种高表面积的碳材料，例如Ketjen炭黑(KetjenEC-300或EC-600，可由日本Ketjen Black International获得)。使用具有较高金属负载量的催化剂使得可使用较少的催化剂材料在电极层获得需要量的金属，从而获得较薄的电极层。
高表面积的炭黑可通过生产具有小的初始颗粒粒度的高细度炭黑或通过生产具有不同孔隙率的多孔炭黑而获得。孔隙率的表述方法之一为电子显微镜表面积与氮表面积之比(EMSA/NSA)，越是多孔的炭黑该比例越低。但不幸的是，高孔隙率炭黑，如Ketjen炭黑，与较低孔隙率的炭黑相比，也更易于吸水，且吸水程度更高。水的吸收和滞留在燃料电池中可能产生问题，引起电池水淹(flood)而使其中气态反应物的输送减少或受到限制。
因而，在本领域中有必要生产这样的燃料电池催化剂既可负载高的金属负载量，又可提供高的如下文定义的电化学活性表面积值，同时还可避免可能引起水淹的水滞留问题。

发明内容
一方面，本发明涉及一种包括一种碳质基材和一种分散的金属的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.5且氮表面积至少为100m2/g。
另一方面，本发明涉及包括本发明的碳载催化剂的催化燃料电池。
其它优点一部分将在后面的描述中提出，一部分由描述中显而易见，或者可通过实施下述各方面而知晓。下述优点可通过所附权利要求中具体指出的各要素及其组合而实现和获得。应当理解的是，无论是前面的概述还是后面的详述，都只是示例性和解释性的，而非限制性的。


附图并入本说明书中，而且构成本说明书的一部分，它们示例说明下述几个方面。在所有附图中，相同的号码代表同一个部件。
图1为一个比较图，比较在用2nm的球形铂颗粒覆盖时，在不同的Pt负载量下，Conductex975，Raven3600 Ultra和Ketjen EC-600中碳表面的覆盖百分比。假定CB密度＝1.8，2nm Pt颗粒，单分散Pt球密度21.45g/cc。单层密堆积Pt球可“覆盖”的表面积不高于约pi/(2*sqrt(3))、或表面积的90.7％(以Pt球相对于炭黑颗粒而言非常小的极限情况计算)。
具体实施例方式
在公开和描述本发明的化合物、组合物、制品、设备和/或方法之前，应当理解下述各方面并不限于具体的合成方法，或具体的催化剂，因为这些当然是可变的。而且也应当理解，本说明书所用到的术语只是为了描述具体的方面，并非旨在限制。
本发明公开了可用于、可结合用于、可用于制备、或得自所公开的方法和组合物的材料、化合物、组合物及组分。本发明公开这些材料以及其它材料，并且应当理解的是在公开这些材料或方法的组合、子集、相互作用及成组等时，尽管不可能明确地公开这些化合物或方法的每一个不同的个体、集体组合及改变，但每一个都是本发明所具体预期和打算的。
本发明书及随后的权利要求中，将提到一些术语，其应限定为具有以下含义应当指出的是，如本发明书及所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文中另有明确指出。因而，例如提到“一种金属”包括金属的混合物，提到“一种碱”包括两种或更多种碱的混合物，等等。
“任选的”或“任选地”意思是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，而且该描述包括了该事件或情况发生的情形及没有发生的情形。
文中的范围可表达为从“约”一个特定值，和/或到“约”另一个特定值。当表述为这样一种范围时，另一方面也包括从该一个特定值和/或到该另一个特定值。类似地，当在数值前使用修饰词“约”将数值表示为近似值时，应当理解为该特定值构成另一个方面。还应当理解的是，每一个范围的端值，不管是与另一端值相联系，还是与另一端值不相联系，其都是有意义的。
一种组分的重量百分比，除非特别相反指明外，均基于包含该组分的制剂或组合物的总重量。
文中用到的“金属”可能是，例如，一种或多种贵金属、贵金属、铂族金属、铂、前述任一种的合金或氧化物，或包含一种过渡金属或前述任一种的氧化物的组合物。在本说明书中，“金属”用作燃料电池中所发生反应、或其它催化反应的催化剂。该金属可耐受含CO的杂质，并且可用于直接甲醇燃料电池。
“碳质的”指一种基本由元素碳组成的固体材料。“碳质材料”意指包括、但是不限于，i)具有单一的可定义的结构的碳质化合物；或ii)碳质颗粒的聚集物，其中该聚集物不必具有单元的、重复的、和/或可定义的结构或聚集度。
“炭黑”是一种可用作例如催化剂载体的传导性的无定形(acinoform)碳。
“载体”或“碳载体”指一种碳质材料，一种金属或催化材料分散于其上。
“微粒”指一种分散的颗粒材料。
“X射线衍射”(XRD)为一种测定材料结晶性能的分析方法，尤其如此处用到的、用于测定分散的金属颗粒的粒径。
“NSA”或“氮表面积”指根据ASTM D6556、通过氮气吸附所获得的平均表面积测量值。因此，此处报导的NSA是指碳质材料的平均值。
“EMSA”或“电子显微镜表面积”是指根据ASTM D3849、通过透射电子显微镜所获得的平均表面积测量值，其与表面孔隙率无关。因此，此处报导的EMSA指的是碳质材料的平均值。EMSA与粒度成反比，与孔隙率无关。
“ECSA”或“电化学活性表面积”指一种催化剂的可接触到的(accessible)金属表面积的电化学测量结果。
本发明述及基于可供金属沉积的表面积、将非常规的炭黑及其他碳质材料用作催化剂载体。如前所述，常规的做法是使用高表面积的碳载体以在催化剂上获得高金属负载量。但不幸的是，当所寻求的更高的表面积是通过使用高孔隙率载体——如Ketjen炭黑——获得时，这种方法也会引起燃料电池中的水处理问题。也可以在一种常规的炭黑载体(如Conductex975)上沉积相似量(如50％)的金属例如铂，然而由于可利用的炭黑表面积有限，所以并无铂金属的电化学活性表面积(ECSA)的相应增加。因此，业界面临要么使用载于常规载体上的、负载量较低——通常为40％或更低——的催化剂，要么使用多孔的高表面积载体、忍受复杂的水处理问题。本发明使用的碳载体可获得前所未有的高金属负载量，同时具有很好的金属分散性、高的ECSA值、及优良的水处理性能。
表面积测量方法碳质材料的常规的表面积测量通过氮表面积(NSA)方法(ASTMD6556)进行。
而电子显微镜表面积(EMSA)(ASTM D3849)为另一种方法，通过该方法可测量碳质材料——尤其是炭黑——的表面积。采用一种软件算法分析炭黑的透射电子显微照片。
NSA既考虑碳质材料的粒度，也考虑其孔隙率，而EMSA只说明粒度，与孔隙率无关。
表面覆盖率/可利用的表面积对于给定的用作催化剂载体的炭黑而言，沉积给定量的金属的能力取决于可利用的碳表面积(如EMSA所确定的)。对于给定的金属颗粒粒度，随着金属负载量的增加，碳表面被金属覆盖的百分比也增加。当覆盖率超过约30％时，小的金属颗粒的沉积就会因其固有性质之故而变得困难。在一种常规的碳载体(Conductex975)上负载50％的2nm铂颗粒时，约35％的Conductex975表面被覆盖。比较而言，负载类似量的2nm颗粒只覆盖Raven3600 Ultra炭黑(可由ColumbianChemicals Company，Marietta，GA获得)表面的约18％，覆盖KetjenEC-600碳表面的约12％。图1对这三种碳用于2nm的铂颗粒时金属负载量/表面覆盖率之间的关系进行了比较。
EMSA、NSA及EMSA/NSA比值已经描述了碳表面积测量方法及表面覆盖率值后，分析EMSA与NSA之间的关系是很重要的。EMSA与NSA的差别通常是给定的炭黑表面所固有的孔隙量的指标。这也可用EMSA/NSA的值表示，比值越高，表示孔隙越少，可被金属覆盖的NSA表面积的百分比越大。
在发明的多个方面，本发明的碳质基材的EMSA/NSA比值为至少0.5、至少0.6、至少0.7、0.5～0.95、或0.7～0.85。在发明的其它方面，碳质基材的EMSA/NSA比值为0.5～1.0，例如可使用0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、0.99或1.0。
在发明的多个方面，本发明的碳质载体的氮表面积为至少100m2/g、至少200m2/g或200～1400m2/g。在发明的其它方面，碳质载体的氮表面积为100～1400m2/g，例如可使用100、150、200、220、240、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、950、1000、1100、1200、1300或1400m2/g。
在发明的一个方面，本发明的碳质基材的EMSA为至少80m2/g。在发明的其它方面，碳质基材的EMSA值为80～500m2/g，例如可使用80、90、100、120、150、180、200、250、300、250、400或500m2/g。对于所需的EMSA不存在理论上限。由于EMSA的值在理论上不可能高于NSA的值，因此，EMSA/NSA的值最大为1.0。
在发明的另一方面，碳质基材的EMSA/NSA的比值为0.7～0.85，NSA为200～400m2/g，EMSA为140～340m2/g。
在发明的再一方面，碳质基材的EMSA/NSA的比值为0.73～0.83，NSA为205～301m2/g，EMSA为150～250m2/g。
实施例1详细给出了在多种碳载体上获得的表面积测量结果。尽管Columbian的Raven3600Ultra的NSA值与常规载体(Conductex975)相近，但它具有较小的孔隙率，因而可获得较大数量的可利用的外表面积。另一方面，它具有比两种常规碳载体中任一种更高的EMSA/NSA比值。这一更高的比值在保持高的电化学表面积值的同时，提供了一种在载体表面分散高金属负载量的更大的能力。
实施例2描述了在不同的催化剂上获得的ECSA值。铂颗粒沉积于载体表面后，该值代表可获得的具有催化活性的金属表面的量。在常规载体如ConductexR975上，ECSA随金属负载量的增加而显著下降，尤其是金属负载量高于40％时。Ketjen炭黑催化剂可在50％金属负载量时维持高的ECSA值，但会带来严重的可能干扰燃料电池性能的水处理问题。通过使用一种具有高的EMSA/NSA比值的载体，可获得高的负载量，并维持高的ECSA值(大约相当于在高表面积的多孔碳，如Ketjen炭黑上所获得的值)，而不会引起水处理问题。
孔隙率与水吸收如上所述，水处理问题在许多催化剂环境中都可能是有害的，尤其是在燃料电池中。在本发明的多个方面，在70℃和水分压为0.9时，碳质基材的最大水吸收量低于约10％，低于8％，低于7％，或6％～7％。
碳质材料碳质载体材料通常具有传统的对于燃料电池催化剂特征的要求具有低杂质、低元素硫含量及适宜的导电性能。
碳质材料可为一种导电的碳并具有“适当高”的表面积的、任何微粒状的、基本上为碳质的材料。例如，可使用炭黑、石墨、纳米碳(nanocarbon)、球壳状碳分子(fullerene)、球壳状材料(fullerenicmaterial)、细碎的碳、或其混合物。该碳质基材可被取代，例如由磺化的基团取代。这种具有磺化取代基的炭黑见于WO 2003/100889中，其全部内容通过引证的方式纳入本说明书，用于教导具有磺化取代基的炭黑。
炭黑碳质材料可为炭黑。本发明中炭黑的选择对于获得此处所述的需要的结果是很重要的。可使用的炭黑具有的氮表面积(NSA，ASTMD6556)为约100至约1400m2/g，例如约100、150、200、220、240、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、950、1000、1100、1200、1300或1400m2/g。在一个方面，可使用一种表面积为250m2/g的炭黑。优选其细度(小粒度)可有效使金属分散的炭黑。优选其结构可有效使气体扩散的炭黑。
可使用的炭黑具有的EMSA值(ASTM D3849)为约80m2/g至约500m2/g，例如约80、90、100、120、150、180、200、250、300、250、400或500m2/g。在一个方面，可使用一种EMSA为80m2/g的炭黑。
可使用的炭黑具有的EMSA与NSA的比例(EMSA/NSA)至少为0.5，优选0.6或以上，最优选0.7或以上；例如，可使用EMSA/NSA比值为约0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、0.99或1.0的炭黑。
炭黑可大于本发明组合物重量的约0％、至约100％，例如，约2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、96或97％。炭黑可为组合物重量的约1％至约90％，例如，约2、5、10、12、15、17、20、22、25、27、30、32、35、37、40、42、45、47、50、52、55、57、60、62、65、67、70、72、75、77、80、82、85、87或88％。炭黑可为组合物重量的约40％至约90％，例如，约41、44、46、50、51、54、56、60、61、64、66、70、71、74、76、80、81、84、86或89％。炭黑可为本发明组合物重量的约50％至约80％，例如，约53、54、55、57、58、60、63、65、67、68、70、73、75、77、78或79％。
本领域普通技术人员可以理解的是，炭黑颗粒具有的物理和导电性能主要取决于颗粒和聚集物的大小、聚集物形状、石墨有序度及颗粒的表面化学。
而且，高度结晶或高度石墨化的颗粒较更加无定形的颗粒具有更高的传导性。通常，任何形式的炭黑颗粒都适用于实施本发明，其大小、结构及石墨有序度的具体选择取决于期望炭黑所具有的物理和传导性要求。
本领域普通技术人员能够很容易地选择出用于某一特定用途的合适的炭黑。
有多种炭黑都是市售的(例如，Columbian Chemical Company，Atlanta，GA)。在本发明的一个方面，炭黑为Raven3600 Ultra。Raven3600 Ultra的平均油吸收数为130(ASTM D2414)；平均初始颗粒粒度(average primary particle size)为11nm(ASTM D3849)；平均元素硫含量为0.3％(通过燃烧方法)；平均挥发物含量为1.5％(通过在950℃，15分钟时炭黑的损失测得)；NSA为257m2/g±10m2/g；EMSA为200m2/g±10m2/g。
在本发明的另一个方面，炭黑的平均初始颗粒粒度为9到13nm；氮表面积为247到267m2/g；电子显微镜表面积为190到210m2/g。
其它碳质材料微粒碳质材料可为一种不同于炭黑的物质。本发明中其它碳质材料的选择并不关键。任何为电导性的碳并具有“适当高”的表面积的基本为碳质的材料都可用于本发明。例如，可使用石墨、纳米碳、球壳状碳分子、球壳状材料、细碎的碳、或其混合物。
优选其细度可有效使金属分散的碳质材料。优选其结构可有效使气体扩散的碳质材料。
本领域普通技术人员能够很容易地选择出用于某一特定用途的碳质材料。多种碳质材料均为市售的。
碳质材料可大于本发明组合物重量的约0％、到约100％，例如，约2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、96或97％。碳质材料可为组合物重量的约1％至约90％，例如，约2、5、10、12、15、17、20、22、25、27、30、32、35、37、40、42、45、47、50、52、55、57、60、62、65、67、70、72、75、77、80、82、85、87或88％。碳质材料可为组合物重量的约40％至约90％，例如，约41、44、46、50、51、54、56、60、61、64、66、70、71、74、76、80、81、84、86或89％。碳质材料可为本发明组合物重量的约50％至约80％，例如，约53、54、55、57、58、60、63、65、67、68、70、73、75、77、78或79％。
金属/金属离子源本发明的组合物或催化剂还包括一种金属。金属的定义同前。该金属可为，例如铂、铱、锇、铼、钌、铑、钯、钒、铬、或其混合物或合金。在一个方面，该金属为铂。
如前面所定义的，该金属也可为可有效用作催化剂的金属的合金或氧化物。
希望的是，金属的形状和/或大小能使单位质量的金属提供尽可能高的表面积。希望的是，金属颗粒的粒径保持尽可能小以达到这一目的。通常，在本领域中，在燃料电池中使用时，由于烧结之故，平均金属粒径最后为约2到约6nm。小于约2nm的粒径可提供更好的性能。
金属的量可为任意量。金属的量可为有效进行催化的量。本领域的普通技术人员能够确定对于要求性能的有效量。
金属可为组合物的约2％到约80％，例如，约3、5、7、8、10、12、13、15、17、20、22、25、27、30、32、35、37、40、42、45、47、50、52、55、57、60、62、65、67、70、72、75或78％。金属可为组合物的约2％到约60％，例如，约5、7、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55或57％。金属可为组合物的约20％到约40％，例如，约22、25、30、35或38％。金属可均匀分布于组合物上，例如，均匀分布于组合物的表面。
本领域普通技术人员能够很容易地选择出一种金属用于某一特定用途的组合物中。多种金属均为市售的。
金属可均匀分布或分散于碳质基材上和/或到碳质基材中。
在一个方面，金属颗粒为纳米结晶(nanocrystalline)形式。在另一个方面，分散在碳质基材上的金属颗粒具有窄的粒度分布。
添加金属/镀金属将金属添加到碳质材料中制成本发明的碳载催化剂。金属可通过镀金属(metallizing)添加，该技术对本领域普通技术人员是熟知的。例如，如果金属为铂，一种镀铂方法如下所述。金属源可为任何可有效地分散到基材上并随后还原为有效金属状态的形式。
碳领域的普通技术人员懂得如何制备本发明的碳载催化剂。在一个方面，制备本发明的碳载催化剂的方法可为对碳质材料镀金属的任何现有技术方法。该类方法公开于，例如美国专利US 4,081,409、US5,316,990、US 5,759,944及US 5,767,036中，其全部内容在此通过引证的方式纳入本说明书。
在本发明的另一个方面，制备本发明的碳载催化剂的方法可为一种包括下述过程的方法a.将一种碳质基材、一种金属离子源、一种碱及一种金属离子的还原剂混合形成一种混合物，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为约0.5且氮表面积至少为100m2/g；b.加热步骤(a)的混合物至少到一个足够高的温度以使该碳质基材上的金属离子基本还原为金属；及c.洗涤并干燥步骤(b)的产品。
在该方法的一个方面，先将该碳质基材和该金属离子源混合，再添加该碱及该还原剂。
镀铂可使用一种镀铂剂将铂加到碳质材料上。在本领域中已知有多种镀铂剂。这些镀铂剂很容易购得或很容易通过本领域普通技术人员已知的方法合成。对于所需的用途，本领域普通技术人员很容易选择出合适的镀铂剂。通常含所需金属的任何物质都可使用，例如含此金属的盐或有机化合物。可使用的镀铂剂的实例包括铂盐，例如——但并不限于——氯铂酸、硝酸铂、卤化铂、氰化铂、硫化铂、有机铂盐、或其混合物。对于所需用途，本领域的普通技术人员也很容易确定镀铂剂的量。将金属沉积或沉淀到碳载体上的标准方法在本领域也是熟知的。
实施例提出以下实施例以便就此处描述和要求保护的化合物、组合物、制品、设备和/或方法如何制备和评价向本领域普通技术人员提供完全公开和描述，这些实施例纯粹旨在示例，并不打算限制发明人视为其发明的范围。尽管已努力地确保有关数据(例如负载量、表面积等)的准确度，但一些误差和偏差还是应当考虑的。除非另有指出，百分比均为重量百分比。
实施例1测量得到多种碳载体的氮表面积(NSA，ASTM D6556)和电子显微镜表面积(EMSA，ASTM D3849)。结果列于下表I。Raven3600 Ultra的其它分析数据有平均油吸收数130(ASTM D2414)；平均初始颗粒粒度11nm(ASTM D3849)；平均元素硫含量0.3％(通过燃烧方法)；平均挥发物含量1.5％(950℃，15分钟时测得的炭黑损失)。
表I

实施例2根据常规的金属沉淀技术使用多种碳载体制备了如表II所示的多种金属负载量的燃料电池催化剂，而后根据下述过程测量电化学过程可利用的表面积。
秤取约200mg的干燥催化剂，放入一个小玻璃瓶，制备表II中所列的每种催化剂的油墨状物。加入相当于催化剂重量约8.6倍的去离子化蒸馏水。接下来再加入相同重量的Nafion(1100当量，5％的溶液，可由Sigma Aldrich，Milwaukee，Wisconsin获得)溶液。生成的混合物搅拌约20分钟，紧接着进行超声处理10分钟，再接着搅拌20分钟。
将前述制备的油墨状物喷到一张预先在110℃下干燥至少10分钟的已知重量的碳纸(约5×1.5cm2)的两面而制成电极。该涂布的纸在空气中干燥，接着在110℃干燥约10到20分钟，之后再次对纸进行秤重。
将该电极(涂布的纸)置于容器中，用2M的CH3OH(可从SigmaAldrich，Milwaukee，Wisconsin获得)覆盖。含溶液和电极的容器置于一个真空室中(也可使用环境温度下的真空炉)，施加真空直到电极表面观察不到气泡，而后将电极移出并用去离子化的蒸馏水洗涤。
洗涤后的电极然后放置于含一种Ag/AgCl/Cl-参比电极及一种金电极支持物的电化学电池中。该电极作为该电化学电池的工作电极。循环伏安法在下述条件下进行电位扫描速率为15mV/秒，电位扫描范围从相对于参比-0.25V至+1.0V，每次扫描5个循环。重复伏安法，如果可重现，则使用最后一个循环计算电化学活性表面积。
计算电化学活性表面时，对于电位扫描范围中阴极扫描过程从双层区域到最后的峰值的所通过的总电荷进行积分。然后通过下式计算得到表面积ECSA(m2/g)＝通过的电荷(c)*100/210/铂重量(g)。
采用同样的方法积分并计算出阳极扫描(从第一个峰到双层区域)的电荷及表面积。而后将阳极表面积和阴极表面积数值进行平均。对于所制备的催化剂由该方法得到的结果示于表II。
表II

实施例3测量了上述提到的三种碳载体(除了用Ketjen EC-300代替KetjenEC-600)70℃时水的吸附等温线。获得了在水分压为0.9(P/P0)时所有非催化的(未镀金属的)载体的最大值，水分压为0.9大致为燃料电池的情形。最大吸收量对于常规载体(Conductex975)为7.51％，而Ketjen炭黑(EC-300)由于其高度多孔的表面，最大吸收量达38.8％。具有高EMSA/NSA比值的Raven3600 Ultra载体的表现与常规载体非常相似，最大水吸收量为6.37％。应当指出的是，Ketjen EC-300炭黑与Ketjen EC-600相比，被认为具有略少的孔隙，因而具有较低的水吸收。
实施例48克Raven3600 Ultra含50％铂的催化剂样品可根据下述方法制备(a)将4g Raven3600 Ultra炭黑(可从Columbian ChemicalsCompany，Marietta，GA获得)加入含500ml蒸馏水的容器中；(b)接着通过搅拌使炭黑足够润湿及分散；(c)在制成的混合物中加入相当于4g铂的氯铂酸(可由VWR，WestChester，PA获得)，紧接着进行搅拌；(d)在制成的混合物中加入300ml 2.0N的氢氧化钠溶液(可由VWR，West Chester，PA获得)，接着进行搅拌；(e)从反应容器中倾析出上清液；及(f)用氢气流吹扫使混合物干燥，并加热到250至500℃。
本申请通篇之中提到了多篇出版物。其全部内容在此通过引证的方式纳入本申请，以更全面地描述此处述及的化合物、组合物及方法。
此处提到的化合物、组合物及方法也可进行多种改进及变化。在考虑本说明书以及此处所公开的化合物、组合物及方法的实施的情况下，此处述及的这些化合物、组合物及方法的其它方面也是显而易见的。应当领会的是，说明书及实施例应当看作是示例性的。
权利要求
1.一种碳载催化剂，含有一种碳质基材及一种分散的金属，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.5且氮表面积至少为100m2/g。
2.权利要求1的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比为0.5到0.95。
3.权利要求1或2的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.6。
4.权利要求1或2的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.7。
5.权利要求1的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比为0.7到0.85。
6.权利要求1-5之一的碳载催化剂，其中该碳质基材的氮表面积至少为200m2/g。
7.权利要求1-5之一的碳载催化剂，其中该碳质基材的氮表面积为200到1400m2/g。
8.权利要求1-7之一的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积至少为80m2/g。
9.权利要求1-7之一的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积为80到500m2/g。
10.权利要求1的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比为0.7到0.85，氮表面积为200到400m2/g且电子显微镜表面积为140到340m2/g。
11.权利要求1的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比为0.73到0.83，氮表面积为205到301m2/g且电子显微镜表面积为150到250m2/g。
12.权利要求1-11之一的碳载催化剂，其中该碳质基材包括炭黑。
13.权利要求1-11之一的碳载催化剂，其中该碳质基材包括取代的炭黑。
14.权利要求1-11之一的碳载催化剂，其中该碳质基材包括磺化的炭黑。
15.权利要求1-14之一的碳载催化剂，其中该碳质基材在70℃及水分压为0.9时最大水吸收量低于10％。
16.权利要求1-14之一的碳载催化剂，其中该碳质基材在70℃及水分压为0.9时最大水吸收量低于8％。
17.权利要求1-14之一的碳载催化剂，其中该碳质基材在70℃及水分压为0.9时最大水吸收量低于7％。
18.权利要求1-14之一的碳载催化剂，其中该碳质基材在70℃及水分压为0.9时最大水吸收量为6％到约7％。
19.权利要求1-18之一的碳载催化剂，其中该碳质基材为Raven3600Ultra炭黑。
20.权利要求1和13-19之一的碳载催化剂，其中该碳质基材包括一种炭黑，该炭黑平均初始颗粒粒度为9到13nm、氮表面积为247到267m2/g、电子显微镜表面积为190到210m2/g。
21.权利要求1-20之一的碳载催化剂，其中该金属包括铂。
22.权利要求1-21之一的碳载催化剂，其中该催化剂为一种燃料电池催化剂。
23.一种催化燃料电池，包括权利要求1-22之一的碳载催化剂。
全文摘要
公开了用于具有高金属负载量、高电化学活性表面积及优良水处理性能的碳载催化剂的组合物。在一个方面，本发明涉及一种含一种碳质基材及一种分散的金属的碳载催化剂，其中该碳质基材的电子显微镜表面积与氮表面积之比至少为0.5且氮表面积至少为100m
文档编号H01M4/86GK101060930SQ200580039459
公开日2007年10月24日 申请日期2005年9月15日 优先权日2004年9月24日
发明者S·博利帕里, A·O·多森, S·德赛, G·A·乔伊斯, K·W·海斯考克, R·L·泰勒 申请人:哥伦比亚化学公司