DE102010042932A1 - New electrocatalyst (comprising a carrier that is organic compound with polycyclic aromatic structure functionalized with e.g. dicarboxylic anhydride group and active material) useful as catalyst for cathodic oxygen reduction in fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrokatalysator umfassend einen Träger und mindestens ein katalytisch aktives Material, wobei als Träger graphitähnliche polyzyklische aromatische Verbindungen eingesetzt werden, auf denen das katalytisch aktive Material aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Katalysators sowie dessen Verwendung.The present invention relates to an electrocatalyst comprising a carrier and at least one catalytically active material, wherein the carrier used are graphite-like polycyclic aromatic compounds on which the catalytically active material is applied. The invention further relates to a process for the preparation of such a catalyst and its use.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, die sowohl für die mobile als auch für die stationäre Erzeugung von elektrischem Strom entwickelt wurden. In einer Brennstoffzelle wird dabei das Prinzip der Elektrolyse umgekehrt. Man kennt heute verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich im Allgemeinen in der Betriebstemperatur voneinander unterscheiden. Der Aufbau der Zellen ist prinzipiell bei allen Typen gleich. Sie sind allgemein aus zwei Elektrodenschichten, einer Anode und einer Kathode, an denen die Reaktionen ablaufen, und einem Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden in Form einer Membran aufgebaut. Diese Membran hat drei Funktionen: Sie stellt den ionischen Kontakt her, verhindert den elektrochemischen Kontakt, und sorgt für das Getrennthalten der den Elektrodenschichten zugeführten Medien. Die Elektrodenschichten werden in der Regel mit Gasen oder Flüssigkeit versorgt, die im Rahmen einer Redoxreaktion umgesetzt werden. Beispielsweise werden die Anode mit Wasserstoff oder Methanol und die Kathode mit Sauerstoff versorgt. Um dies zu gewährleisten, sind die Elektrodenschichten üblicherweise mit elektrisch leitenden Gasverteilerschichten kontaktiert. Dies sind beispielsweise Platten mit einer gitterartigen Oberflächenstruktur aus einem System feiner Kanäle.Fuel cells are electrochemical cells designed for both mobile and stationary electric power generation. In a fuel cell, the principle of electrolysis is reversed. Today, various types of fuel cells are known, which generally differ in operating temperature from each other. The structure of the cells is basically the same for all types. They are generally composed of two electrode layers, an anode and a cathode, where the reactions take place, and an electrolyte between the two electrodes in the form of a membrane. This membrane has three functions: it establishes the ionic contact, prevents the electrochemical contact, and ensures the separation of the media fed to the electrode layers. The electrode layers are usually supplied with gases or liquid, which are reacted in the context of a redox reaction. For example, the anode is supplied with hydrogen or methanol and the cathode with oxygen. To ensure this, the electrode layers are usually contacted with electrically conductive gas distribution layers. These are, for example, plates with a grid-like surface structure from a system of fine channels.
Zum Betrieb der Brennstoffzelle werden gasförmige und flüssige Brennstoffe verwendet, die in der Lage sind, Protonen bereitzustellen. Beispiele sind Wasserstoff und Methanol, wobei Wasserstoff bevorzugt ist. Der Wasserstoff wird an die Anode der Brennstoffzelle geliefert. Sauerstoff (in Form von Luftsauerstoff) ist das Zellenoxidationsmittel und wird der Kathode der Zelle zugeführt. Üblicherweise sind die Elektroden aus porösen, leitenden Materialien ausgebildet, wie Graphitgewebe, graphitisierten Lagen oder Kohlenpapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff über die Oberfläche der zu der Brennstoffversorgungselektrode weisenden Membran verteilt wird. Jede Elektrode umfasst dabei fein verteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel auf einem Träger), die üblicherweise auf Kohlenstoffpartikeln aufgebracht sind, um eine Ionisierung von Wasserstoff an der Anode und eine Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch eine ionenleitende Polymermembran an die Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff verbinden, um Wasser zu bilden, das von der Zelle ausgetragen wird. Leiterplatten führen die an der Anode gebildeten Elektronen weg.To operate the fuel cell, gaseous and liquid fuels capable of providing protons are used. Examples are hydrogen and methanol, with hydrogen being preferred. The hydrogen is delivered to the anode of the fuel cell. Oxygen (in the form of atmospheric oxygen) is the cell oxidant and is supplied to the cathode of the cell. Typically, the electrodes are formed of porous conductive materials, such as graphite cloth, graphitized sheets, or carbon paper, to allow the fuel to be distributed over the surface of the membrane facing the fuel supply electrode. Each electrode comprises finely divided catalyst particles (for example platinum particles on a support), which are usually applied to carbon particles in order to promote ionization of hydrogen at the anode and reduction of oxygen at the cathode. Protons flow from the anode through an ion-conducting polymer membrane to the cathode, where they combine with oxygen to form water that is discharged from the cell. Printed circuit boards lead away the electrons formed at the anode.
Ein Problem bei den Brennstoffzellen des Stands der Technik ist beispielsweise der Verlust an Leistungsfähigkeit während des dauerhaften Betriebs der Brennstoffzellen bzw. der zyklischen Belastung beim normalen Kraftfahrzeugbetrieb. Ein erheblicher Anteil dieses Leistungsverlustes der Brennstoffzellen steht dabei mit der Schädigung des Sauerstoffreduktionselektrodenkatalysators in Verbindung. Diese Schädigung wird wahrscheinlich durch eine Kombination von Mechanismen bewirkt, die die Eigenschaften des ursprünglich hergestellten Katalysators und dessen Trägers ändern.A problem with the fuel cells of the prior art, for example, the loss of performance during the continuous operation of the fuel cell or the cyclic load in normal motor vehicle operation. A significant proportion of this power loss of the fuel cells is associated with the damage to the oxygen reduction electrode catalyst. This damage is likely to be caused by a combination of mechanisms that alter the properties of the originally prepared catalyst and its carrier.
Ein Dokument, das sich mit der Haltbarkeit bzw. Stabilität von Katalysatoren für Brennstoffzellen beschäftigt, ist die
In der
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Katalysator bereitzustellen, der insbesondere für die kathodische Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen geeignet ist und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Korrosionsstabilität aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das ein derartiger Katalysator hergestellt werden kann.An object of the present invention is to provide a catalyst which is particularly suitable for the cathodic reduction of oxygen in fuel cells and has an improved corrosion stability compared with the prior art. In particular, it is an object of the present invention to provide a method by which such a catalyst can be prepared.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Katalysator umfassend einen Träger (A) und mindestens ein katalytisch aktives Material (B), wobei als Träger gegebenenfalls substituierte organische Verbindungen mit polyzyklischer aromatischer Struktur, die mit mindestens einer Dicarbonsäure-Imid-Gruppe, Dicarbonsäure-Anhydrid-Gruppe und/oder Carbonyl-Gruppe funktionalisiert sind, eingesetzt werden, auf denen das katalytisch aktive Material aufgebracht ist und der Katalysator als Pulver mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 5 nm bis 100 μm vorliegt.The object is achieved by a catalyst comprising a support (A) and at least one catalytically active material (B), wherein as support optionally substituted organic compounds having a polycyclic aromatic structure, with at least one dicarboxylic acid imide group, dicarboxylic acid anhydride group and / or carbonyl group are functionalized, are used, on which the catalytically active material is applied and the catalyst is present as a powder having an average particle size in the range of 5 nm to 100 microns.
Um eine hinreichend gute katalytische Aktivität zu erzielen, ist es dabei vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Katalysator eine möglichst große Oberfläche aufweist. Dies wird dadurch erzielt, dass der Katalysator einen wie vorstehend definierten Träger enthält, auf dem das mindestens eine katalytisch aktive Metall bzw. die entsprechende Legierung abgeschieden ist. Ein Vorteil der Verwendung eines gegebenenfalls substituierten organischen Materials mit polyzyklischer aromatischer Struktur als Träger, der wie vorstehend beschrieben funktionalisiert ist es, ist, dass die Korrosionsstabilität des erfindungsgemäßen Katalysators gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Katalysatoren deutlich verbessert ist.In order to achieve a sufficiently good catalytic activity, it is advantageous if the catalyst according to the invention has the largest possible surface area. This is achieved by: the catalyst contains a carrier as defined above, on which the at least one catalytically active metal or the corresponding alloy is deposited. An advantage of using an optionally substituted organic material having a polycyclic aromatic structure as a carrier, which is functionalized as described above, is that the corrosion stability of the catalyst according to the invention is markedly improved over the catalysts known from the prior art.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Elektrokatalysators liegt darin, dass dieser im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Katalysatoren nicht schwarz ist, sondern üblicherweise eine gelbe, orange oder rote Farbe hat. Dies ermöglicht eine Farbkodierung des Katalysators alleine durch Verwendung unterschiedlicher Träger. So kann zum Beispiel als Anodenkatalysator ein Katalysator verwendet werden, der mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Kohlenstoffträger geträgert ist, da dieser weniger korrosionsstabil sein kann als ein Kathodenkatalysator. Als Katodenkatalysator wird dann der erfindungsgemäße Katalysator eingesetzt, der keine schwarze Farbe aufweist. Durch die unterschiedliche Farbe ist eine klare Zuordnung von Anodenkatalysator und Katodenkatalysator möglich, wodurch eine Verwechslungsgefahr der Katalysatoren reduziert oder sogar ausgeschlossen werden kann.A further advantage of the electrocatalyst according to the invention is that, in contrast to the catalysts known from the prior art, it is not black, but usually has a yellow, orange or red color. This enables color coding of the catalyst alone by using different carriers. For example, as the anode catalyst, a catalyst supported by a carbon carrier known in the art may be used, as it may be less corrosion resistant than a cathode catalyst. As Katodenkatalysator then the catalyst according to the invention is used, which has no black color. Due to the different color, a clear assignment of anode catalyst and cathode catalyst is possible, whereby a likelihood of confusion of the catalysts can be reduced or even ruled out.
Bei der organischen, bevorzugt halbleitenden organischen Verbindung mit polyzyklischer aromatischer Struktur, die als Träger für die erfindungsgemäßen Elektrokatalysatoren dient, handelt es sich insbesondere um Verbindungen, die als Grundgerüst ein Perylen-, Naphtalen-, Coronen- und/oder Quarterrylen-Grundgerüst, bevorzugt ein Perylenimid- oder Naphthalimid-Grundgerüst, aufweisen.In the organic, preferably semiconducting organic compound having a polycyclic aromatic structure, which serves as a carrier for the electrocatalysts according to the invention, are in particular compounds having as a backbone a perylene, naphthalene, coronene and / or Quaternary skeleton, preferably one Perylenimide or naphthalimide backbone.
Gemäß einer allgemeinen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Träger zumindest eine Verbindung gemäß der nachfolgend dargestellten allgemeinen Formel I: allgemeine Formel (I) in der
– X unabhängig voneinander die Bedeutung O oder NR1 mit R1 gleich H, Aryl, Aralkyl, Heteroaryl, Cycloalkyl, C1-C22-Alkyl haben, wobei die Gruppen Aryl, Aralkyl, Heteroaryl, Cycloalkyl und C1-C22-Alkyl, gegebenenfalls mit einem oder mehreren Substituenten substituiert, sind, bevorzugt R1 gleich Alkyl, Aryl, Alkyl-aryl oder Aralkyl ist,
– n gleich 0,1 oder 2 ist und
– R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 unabhängig voneinander gleiche oder verschiedene der folgenden Reste sind:
H, Alkyl, Cycloalkyl, Aralkyl, Aryl, Alkoxyaryl und Heterocyclyl, wobei die Gruppen Alkyl, Cycloalkyl, Aralkyl, Aryl, Alkoxyaryl und Heterocyclyl gegebenenfalls mit einem oder mehreren Substituenten substituiert, und die Gruppen Alkyl, Cycloalkyl, Aralkyl, Aryl und Alkoxyaryl gegebenenfalls durch 1 bis 3 Heteroatome oder funktionelle Gruppen unterbrochen sind.According to a general embodiment of the invention, the carrier comprises at least one compound according to general formula I shown below: general formula (I) in the
X independently of one another have the meaning O or NR 1 where R 1 is H, aryl, aralkyl, heteroaryl, cycloalkyl, C 1 -C 22 -alkyl, the groups being aryl, aralkyl, heteroaryl, cycloalkyl and C 1 -C 22 - Alkyl, optionally substituted by one or more substituents, preferably R 1 is alkyl, aryl, alkylaryl or aralkyl,
- n is equal to 0.1 or 2 and
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are independently the same or different of the following radicals:
H, alkyl, cycloalkyl, aralkyl, aryl, alkoxyaryl and heterocyclyl, wherein the groups alkyl, cycloalkyl, aralkyl, aryl, alkoxyaryl and heterocyclyl optionally substituted with one or more substituents, and the groups alkyl, cycloalkyl, aralkyl, aryl and alkoxyaryl optionally by 1 to 3 heteroatoms or functional groups are interrupted.
„Alkyl” bedeutet eine gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffgruppe, die geradkettig oder verzweigt sein kann und von 1 bis 20 Kohlenstoffatome in der Kette haben kann. Bevorzugte Alkylgruppen können geradkettig oder verzweigt sein und von 1 bis zu 12 Kohlenstoffatome in der Kette aufweisen. Verzweigt bedeutet, dass eine Nieder-Alkylgruppe, wie Methyl, Ethyl oder Propyl, an eine lineare Alkylkette angebracht ist. Bei Alkyl handelt es sich beispielsweise um Methyl, Ethyl, 1-Propyl, 2-Propyl, 1-Butyl,"Alkyl" means a saturated aliphatic hydrocarbon group which may be straight chain or branched and may have from 1 to 20 carbon atoms in the chain. Preferred alkyl groups may be straight-chain or branched and have from 1 to 12 carbon atoms in the chain. Branched means that a lower alkyl group, such as methyl, ethyl or propyl, is attached to a linear alkyl chain. Alkyl is, for example, methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl,
2-Butyl, 2-Methyl-1-propyl (Isobutyl), 2-Methyl-2-propyl (tert.-Butyl), 1-Pentyl, 2-Pentyl, 3-Pentyl, 2-Methyl-1-butyl, 3-Methyl-1-butyl, 2-Methyl-2-butyl, 3-Methyl-2-butyl, 2,2-Dimethyl-1-propyl, 1-Hexyl, 2-Hexyl, 3-Hexyl, 2-Methyl-1-Pentyl, 3-Methyl-1-Pentyl, 4-Methyl-1-Pentyl, 2-Methyl-2-Pentyl, 3-Methyl-2-Pentyl, 4-Methyl-2-Pentyl, 2-Methyl-3-pentyl, 3-Methyl-3-Pentyl, 2,2-Dimethyl-1-butyl, 2,3-Dimethyl-1-butyl, 3,3-Dimethyl-1-butyl, 2-Ethyl-1-butyl, 2,3-Dimethyl-2-butyl, 3,3-Dimethyl-2-butyl, 1-Heptyl, 1-Octyl, 1-Nonyl, 1-Decyl, 1-Undecyl, 1-Dodecyl, 1-Tetradecyl, 1-Hexadecyl und 1-Octadecyl.2-butyl, 2-methyl-1-propyl (isobutyl), 2-methyl-2-propyl (tert-butyl), 1-pentyl, 2-pentyl, 3-pentyl, 2-methyl-1-butyl, 3 Methyl 1-butyl, 2-methyl-2-butyl, 3-methyl-2-butyl, 2,2-dimethyl-1-propyl, 1-hexyl, 2-hexyl, 3-hexyl, 2-methyl-1 -Pentyl, 3-methyl-1-pentyl, 4-methyl-1-pentyl, 2-methyl-2-pentyl, 3-methyl-2-pentyl, 4-methyl-2-pentyl, 2-methyl-3-pentyl , 3-methyl-3-pentyl, 2,2-dimethyl-1-butyl, 2,3-dimethyl-1-butyl, 3,3-dimethyl-1-butyl, 2-ethyl-1-butyl, 2,3 Dimethyl 2-butyl, 3,3-dimethyl-2-butyl, 1-heptyl, 1-octyl, 1-nonyl, 1-decyl, 1-undecyl, 1-dodecyl, 1-tetradecyl, 1-hexadecyl and 1 octadecyl.
„Substituiertes Alkyl” bedeutet, dass die Alkylgruppe mit einem oder mehreren Substituenten ausgewählt aus Alkyl, gegebenenfalls substituiertem Aryl, gegebenenfalls substituiertem Aralkyl, Alkoxy, Nitro, Carboalkoxy, Cyano, Halo, Alkylmercaptyl, Trihaloalkyl oder Carboxyalkyl substituiert ist. "Substituted alkyl" means that the alkyl group is substituted with one or more substituents selected from alkyl, optionally substituted aryl, optionally substituted aralkyl, alkoxy, nitro, carboalkoxy, cyano, halo, alkylmercaptyl, trihaloalkyl or carboxyalkyl.
„Cycloalkyl” bedeutet einen aliphatischen Ring, der von 3 bis ungefähr 10 Kohlenstoffatome in dem Ring hat. Bevorzugte Cycloalkylgruppen haben von 4 bis ungefähr 7 Kohlenstoffatome in dem Ring."Cycloalkyl" means an aliphatic ring having from 3 to about 10 carbon atoms in the ring. Preferred cycloalkyl groups have from 4 to about 7 carbon atoms in the ring.
„Aryl” bedeutet Phenyl oder Naphthyl. „Aralkyl” bedeutet eine Alkylgruppe, die mit einem Arylrest substituiert ist. „Substituiertes Aralkyl” und „substituiertes Aryl” bedeutet, dass die Arylgruppe oder die Arylgruppe der Aralkylgruppe mit einem oder mehreren Substituenten ausgewählt aus Alkyl, Alkoxy, Nitro, Carboalkoxy, Cyano, Halo, Alkylmercaptyl, Trihaloalkyl oder Carboxyalkyl substituiert ist."Aryl" means phenyl or naphthyl. "Aralkyl" means an alkyl group substituted with an aryl group. "Substituted aralkyl" and "substituted aryl" mean that the aryl group or aryl group of the aralkyl group is substituted with one or more substituents selected from alkyl, alkoxy, nitro, carboalkoxy, cyano, halo, alkylmercaptyl, trihaloalkyl or carboxyalkyl.
„Alkoxy” bedeutet eine Alkyl-O-Gruppe, in der „Alkyl” die vorstehend beschriebene Bedeutung hat. Nieder-Alkoxy-Gruppen sind bevorzugt. Als beispielhafte Gruppen sind Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, i-Propoxy und n-Butoxy einbezogen."Alkoxy" means an alkyl-O-group in which "alkyl" has the meaning described above. Lower alkoxy groups are preferred. Exemplary groups include methoxy, ethoxy, n-propoxy, i -propoxy and n-butoxy.
„Nieder-Alkyl” bedeutet eine Alkylgruppe, die 1 bis ungefähr 7 Kohlenstoffatome aufweist."Lower alkyl" means an alkyl group having from 1 to about 7 carbon atoms.
„Alkoxyalkyl” bedeutet eine Alkylgruppe, wie vorstehend beschrieben, die mit einer Alkoxygruppe, wie vorstehend beschrieben, substituiert ist."Alkoxyalkyl" means an alkyl group as described above which is substituted with an alkoxy group as described above.
„Halogen” (oder „halo”) bedeutet Chlor (chloro), Fluor (fluoro), Brom (bromo) oder Iod (iodo)."Halogen" (or "halo") means chloro, fluoro, bromo or iodo.
„Heterocyclyl” bedeutet eine ungefähr 4 bis ungefähr 10-gliedrige Ringstruktur, in der eines oder mehrere der Ringatome ein anderes Element als Kohlenstoff ist, beispielsweise N, O oder S. Heterocyclyl kann aromatisch oder nicht-aromatisch sein, d. h. es kann gesättigt, teilweise oder ganz ungesättigt sein."Heterocyclyl" means an approximately 4 to about 10 membered ring structure in which one or more of the ring atoms is other than carbon, for example N, O or S. Heterocyclyl may be aromatic or non-aromatic, i. H. it can be saturated, partially or completely unsaturated.
„Substituiertes Heterocyclyl” bedeutet, dass die Heterocyclyl-Gruppe mit einem oder mehreren Substituenten substituiert ist, wobei als Substituenten einbezogen sind: Alkoxy, Aryl, Carbalkoxy, Cyano, Halo, Heterocyclyl, Trihalomethyl, Alkylmercaptyl oder Nitro."Substituted heterocyclyl" means that the heterocyclyl group is substituted with one or more substituents, which include as substituents: alkoxy, aryl, carbalkoxy, cyano, halo, heterocyclyl, trihalomethyl, alkylmercaptyl or nitro.
„Alkoxycarbonyl” bedeutet eine Alkoxy-C=O-Gruppe."Alkoxycarbonyl" means an alkoxy C = O group.
„Aralkoxycarbonyl” bedeutet eine Aralkyl-O-C=O-Gruppe."Aralkoxycarbonyl" means an aralkyl-O-C = O group.
„Aryloxycarbonyl” bedeutet eine Aryl-O-C=O-Gruppe."Aryloxycarbonyl" means an aryl-O-C = O group.
„Carbalkoxy” bedeutet einen Carboxyl-Substituenten, der mit einem Alkohol der Formel CnH2n+1OH verestert ist, wobei n von 1 bis ungefähr 6 ist."Carbalkoxy" means a carboxyl substituent esterified with an alcohol of the formula C n H 2n + 1 OH, where n is from 1 to about 6.
„Alkoxyalkyl” bedeutet eine Alkylgruppe wie vorstehend beschrieben, die mit einer Alkoxygruppe, wie vorstehend beschrieben, substituiert ist."Alkoxyalkyl" means an alkyl group as described above which is substituted with an alkoxy group as described above.
Als Heteroatome kommen bei der Definition der Reste R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 und R10 prinzipiell alle Heteroatome in Frage, welche in der Lage sind, formell eine -CH2-, eine -CH=, eine -C≡ oder eine =C= -Gruppe zu ersetzen. Enthält der Rest Heteroatome, so sind Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor bevorzugt. Als bevorzugte Gruppen seien insbesondere -O-, -S-, -SO-, -SO2-, -NR'-, -N=, -PR'- und -PR'2 genannt, wobei es sich bei den Resten R' um den verbleibenden Teil des Restes handelt.As hetero atoms In the definition of R 1, R 2, R 3, R 4, R 5, R 6, R 7, R 8, R 9 and R 10 are in principle all heteroatoms in question, which are able to formally to replace a -CH 2 -, a -CH =, a -C≡ or a = C = -group. If the rest contains heteroatoms, oxygen, nitrogen, sulfur and phosphorus are preferred. Particularly preferred groups which may be mentioned are -O-, -S-, -SO-, -SO 2 -, -NR'-, -N =, -PR'- and -PR ' 2 , where the radicals R' is about the remaining part of the rest.
Als funktionelle Gruppen kommen prinzipiell alle funktionellen Gruppen in Frage, welche an ein Kohlenstoffatom oder ein Heteroatom gebunden sein können. Als geeignete Beispiele seien =O (insbesondere als Carbonylgruppe), -OH (Hydroxy) und -CN(Cyano) genannt. Funktionelle Gruppen und Heteroatome können auch direkt benachbart sein, so dass auch Kombinationen aus mehreren benachbarten Atomen, wie etwa -O-(ether), -S-(thioether), -COO-(ester) oder -CONR'-(tertiäres Amid), mit umfasst sind, beispielsweise Di-(C1-C4-alkyl)-amino, C1-C4-Alkyloxycarbonyl oder C1-C4-Alkoxy.Suitable functional groups are in principle all functional groups which may be bonded to a carbon atom or a heteroatom. As suitable examples may be mentioned = O (in particular as carbonyl group), -OH (hydroxy) and -CN (cyano). Functional groups and heteroatoms may also be directly adjacent, so that combinations of several adjacent atoms, such as -O- (ether), -S- (thioether), -COO- (ester) or -CONR '- (tertiary amide) , are included, for example di (C 1 -C 4 alkyl) amino, C 1 -C 4 alkyloxycarbonyl or C 1 -C 4 alkoxy.
Die organischen, bevorzugt organischen halbleitenden Verbindungen mit polyzyklischer aromatischer Struktur enthalten in ihrem unsubstituierten Grundgerüst allgemein mindestens 12 und maximal 75 Kohlenstoffatome, bevorzugt maximal 50 Kohlenstoffatome, besonders bevorzugt 24 Kohlenstoffatome.The organic, preferably organic semiconducting compounds having a polycyclic aromatic structure generally contain in their unsubstituted skeleton at least 12 and at most 75 carbon atoms, preferably at most 50 carbon atoms, more preferably 24 carbon atoms.
Der Anteil des mindestens einen Trägers, Komponente (A), kann über weite Bereiche variiert werden und liegt allgemein im Bereich von 50 bis 90 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 70 bis 85 Gew.-%, bezogen auf die Summe der Gew.-% der Komponenten (A) und (B).The proportion of the at least one carrier, component (A), can be varied over wide ranges and is generally in the range of 50 to 90 wt .-%, preferably in the range of 70 to 85 wt .-%, based on the sum of the wt .-% of components (A) and (B).
Das mindestens eine katalytisch aktive Material, Komponente (B), das erfindungsgemäß eingesetzt wird, ist zum Beispiel ein Metall der Platin-Gruppe, ein Übergangsmetall, ein ternäres System oder eine Legierung enthaltend ein oder mehrere der Metalle der Platingruppe. Als Metall der Platingruppe werden erfindungsgemäß Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Kobalt, Silber und Gold bezeichnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Metall der Platingruppe Platin oder Palladium.The at least one catalytically active material, component (B), which is used according to the invention is, for example, a metal of the platinum group, a transition metal, a ternary system or an alloy containing one or more of the platinum group metals. According to the invention, the platinum group metal is rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, cobalt, silver and gold. According to a preferred embodiment of the invention, the platinum group metal is platinum or palladium.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Katalysator eine katalytisch aktive Legierung, die mindestens ein Metall der Platingruppe sowie gegebenenfalls ein Übergangsmetall enthält. Das Übergangsmetall ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgewählt aus der Gruppe Nickel, Vanadium, Chrom und Kobalt. According to a further embodiment of the invention, the catalyst according to the invention comprises a catalytically active alloy which contains at least one platinum group metal and optionally a transition metal. The transition metal is selected according to a preferred embodiment of the invention from the group nickel, vanadium, chromium and cobalt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Legierung, die der Katalysator als Komponente (B) enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PtNi, PtFe, PtV, PtCr, PtTi, PtCu, PtPd, PtRu, PdNi, PdFe, PdCr, PdTi, PdCu, PtCo und PdRu.According to a preferred embodiment of the invention, the alloy containing the catalyst as component (B) is selected from the group consisting of PtNi, PtFe, PtV, PtCr, PtTi, PtCu, PtPd, PtRu, PdNi, PdFe, PdCr, PdTi, PdCu, PtCo and PdRu.
Eine Legierung im Sinne der Erfindung ist eine homogene, feste Lösung aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallen, wobei ein Element als Grundelement und das bzw. die anderen als Legierungselement(e) bezeichnet werden. Das Grundelement ist das Element, das innerhalb der Legierung den größten Massenanteil aufweist. Bei Legierungen, die das gleiche Grundelemente und die gleichen Legierungselemente enthalten, ergeben sich unterschiedliche Phasen durch eine unterschiedliche Zusammensetzung. So unterscheiden sich in den einzelnen Phasen die Anteile der Legierungselemente im Grundelement. Gegebenenfalls ist es sogar möglich, dass in einer Phase der Anteil des Grundelementes kleiner ist als der Anteil mindestens eines Legierungselementes.An alloy in the sense of the invention is a homogeneous, solid solution of at least two different metals, one element being referred to as base element and the other as alloying element (s). The basic element is the element that has the largest mass fraction within the alloy. For alloys containing the same basic elements and the same alloying elements, different phases result due to a different composition. Thus, in the individual phases, the proportions of the alloying elements in the basic element differ. Optionally, it is even possible that in one phase the proportion of the base element is smaller than the proportion of at least one alloying element.
Der Anteil des katalytisch aktiven Materials, Komponente (A), bezogen auf das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Elektrokatalysators kann über weite Bereiche variiert werden und beträgt allgemein 10 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 30 Gew.-%.The proportion of the catalytically active material, component (A), based on the total weight of the electrocatalyst according to the invention can be varied over wide ranges and is generally 10 to 50 wt .-%, preferably 15 to 30 wt .-%.
Die Angaben der Gewichtsprozente der Komponenten (A) und (B) beziehen sich auf die Summe der Gew.-% der Komponenten (A) und (B) ohne Berücksichtigung von Restfeuchte, falls der Katalysator nicht vollständig, insbesondere unter Vakuum, getrocknet wird, bzw. Verunreinigungen.The details of the percentages by weight of components (A) and (B) relate to the sum of the wt .-% of components (A) and (B) without consideration of residual moisture, if the catalyst is not completely, especially under vacuum, dried, or impurities.
Gemäß der Erfindung liegt der Elektrokatalysator als Pulver vor und weist eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 nm bis 100 μm, bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 5 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 200 nm bis 2 μm auf.According to the invention, the electrocatalyst is present as a powder and has an average particle size in the range from 5 nm to 100 μm, preferably in the range from 50 nm to 5 μm, particularly preferably in the range from 200 nm to 2 μm.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators wird das mindestens eine katalytisch aktive Metall (B) oder die mindestens eine katalytisch aktive Legierung auf den Träger (A) abgeschieden. Dies erfolgt bevorzugt in Lösungen. Hierzu können zum Beispiel Metallverbindungen in einem Lösungsmittel gelöst sein. Das entsprechende Metall oder die Metalle der Legierung können dabei kovalent, ionisch oder komplexiert gebunden sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass das Metall reduktiv als Precursor oder alkalisch durch Ausfällen des entsprechenden Hydroxids abgeschieden wird. Weitere Möglichkeiten zur Abscheidung des katalytisch aktiven Metalls sind auch Imprägnierungen mit einer das Metall enthaltenden Lösung, chemical vapor deposition (CVD)- oder physical vapor deposition (PVD)-Verfahren sowie alle weiteren, dem Fachmann bekannten Verfahren, mit denen ein Metall abgeschieden werden kann. Bevorzugt wird zunächst ein Salz des mindestens einen katalytisch aktiven Metalls gefällt. Daran anschließend erfolgen eine Trocknung und gegebenenfalls eine Temperaturbehandlung zur Herstellung des Katalysators, der das mindestens eine katalytisch aktive Metall bzw. die mindestens eine katalytisch aktive Legierung enthält.In the preparation of the catalyst according to the invention, the at least one catalytically active metal (B) or the at least one catalytically active alloy is deposited on the support (A). This is preferably done in solutions. For this purpose, for example, metal compounds may be dissolved in a solvent. The corresponding metal or the metals of the alloy can be bound covalently, ionically or complexed. Furthermore, it is also possible that the metal is deposited reductively as a precursor or alkaline by precipitation of the corresponding hydroxide. Further possibilities for the deposition of the catalytically active metal are also impregnations with a solution containing the metal, chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) processes as well as all other processes known to a person skilled in the art with which a metal can be deposited , Preferably, a salt of the at least one catalytically active metal is first precipitated. This is followed by drying and optionally a temperature treatment for the preparation of the catalyst, which contains the at least one catalytically active metal or the at least one catalytically active alloy.
Somit wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators, wie vorstehend definiert, zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte
- (a) Abscheidung des mindestens einen katalytisch aktiven Materials (B) auf dem wie vorstehend definierten Träger (A), und
- (b) Gegebenenfalls Durchführung einer Temperaturbehandlung.
- (A) deposition of the at least one catalytically active material (B) on the support (A) as defined above, and
- (b) If necessary, carrying out a temperature treatment.
Das Abscheiden des mindestens einen katalytisch aktiven Materials, Komponente (B), das, wie vorstehend definiert, mindestens ein Metall der Platin-Gruppe, ein Übergangsmetall oder eine Legierung enthaltend ein oder mehrere der Metalle der Platingruppe ist, in Verfahrensschritt (a) kann dabei beispielsweise mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Verfahren erfolgen. Bei dem Träger handelt es sich dabei um einen oder mehrere Träger, Komponente (A), wie vorstehend definiert.The deposition of the at least one catalytically active material, component (B), which, as defined above, is at least one metal of the platinum group, a transition metal or an alloy containing one or more of the platinum group metals, in process step (a) can thereby for example, by means of the methods described above. The carrier is one or more carriers, component (A), as defined above.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Träger vor dem Aufbringen des katalytisch aktiven Materials thermisch vorbehandelt. Die thermische Vorbehandlung wird allgemein bei einer Temperatur im Bereich von 150°C bis 250°C, bevorzugt im Bereich von 170°C bis 220°C, in der Regel über einen Zeitraum von 1 bis 4 Stunden, bevorzugt über einen Zeitraum von etwa 2 Stunden, bei einem Druck von unter 1000 mbar durchgeführt.According to an advantageous embodiment of the invention, the support is thermally pretreated prior to the application of the catalytically active material. The thermal pretreatment is generally carried out at a temperature in the range of 150 ° C to 250 ° C, preferably in the range of 170 ° C to 220 ° C, usually over a period of 1 to 4 hours, preferably over a period of about 2 Hours, carried out at a pressure of less than 1000 mbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nach der Durchführung von Verfahrensschritt (a) der Träger, auf dem das mindestens eine katalytisch aktive Metall abgeschieden ist, mit mindestens einem Übergangsmetall und/oder einem weiteren katalytisch aktiven Metall vermengt und in einem anschließenden Verfahrensschritt einer Temperaturbehandlung in Schritt (b) zur Bildung einer Legierung unterzogen.According to a further embodiment of the invention, after carrying out process step (a), the carrier on which the at least one catalytically active metal is deposited is mixed with at least one transition metal and / or another catalytically active metal and, in a subsequent process step, a temperature treatment in Step (b) subjected to the formation of an alloy.
Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in Verfahrensschritt (a) eine hydrolysierbare Vorläuferverbindung und/oder eine Verbindung des katalytisch aktiven Materials nach intensivem Vermengen des Materials und des Trägers auf den Träger abgeschieden und anschließend in Verfahrensschritt (b) eine Temperaturbehandlung durchgeführt. According to another preferred embodiment of the invention, in process step (a), a hydrolyzable precursor compound and / or a compound of the catalytically active material are deposited on the carrier after intensive mixing of the material and the carrier and then a temperature treatment is carried out in process step (b).
Bei den Verbindungen, die das mindestens eine katalytisch aktive Metall bzw. das Übergangsmetall enthalten, handelt es sich vorzugsweise um Komplexverbindungen, insbesondere um metallorganische Komplexverbindungen, in denen das Metall der Platin-Gruppe bzw. der Übergangsmetalle komplexiert ist. Das Metall ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin, Titan, Eisen, Chrom, Ruthenium, Kobalt, Nickel und Palladium.The compounds containing the at least one catalytically active metal or the transition metal are preferably complex compounds, in particular organometallic complex compounds in which the metal of the platinum group or of the transition metals is complexed. The metal is preferably selected from the group consisting of platinum, titanium, iron, chromium, ruthenium, cobalt, nickel and palladium.
Bevorzugte Liganden zur Bildung der metallorganischen Komplexverbindung sind Olefine, vorzugsweise Dimethyloctadien, Aromaten, vorzugsweise Pyridin, oder 2,4-Pentandion. Weiterhin ist es auch bevorzugt, dass das mindestens eine Metall in Form eines gemischten Cyclopentadienyl-Carbonyl-Komplexes oder als reiner oder gemischter Carbonyl-, Phosphan-, Cyano- oder Isocyano-Komplex vorliegt.Preferred ligands for forming the organometallic complex compound are olefins, preferably dimethyloctadiene, aromatics, preferably pyridine, or 2,4-pentanedione. Furthermore, it is also preferred that the at least one metal is in the form of a mixed cyclopentadienyl-carbonyl complex or as a pure or mixed carbonyl, phosphine, cyano or isocyano complex.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Übergangsmetall als metallorganische Komplexverbindung mit Acetylacetonat oder 2,4-Pentandion als Ligand vorliegt. Das Übergangsmetall liegt dabei vorzugsweise ionisch vor.It is particularly preferred if the transition metal is present as organometallic complex compound with acetylacetonate or 2,4-pentanedione as ligand. The transition metal is preferably ionic.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt die mindestens eine Verbindung, die das mindestens eine katalytisch aktive Metall der Platingruppe enthält, und/oder die mindestens eine Verbindung, die das mindestens eine Übergangsmetall enthält, als thermisch zersetzbare Verbindung in trockenem Zustand vor. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die thermisch zersetzbare(n) Verbindung(en) in einem Lösungsmittel gelöst ist bzw. sind. Das Lösungsmittel ist hierbei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Ethanol, Hexan, Cyclohexan, Toluol und Etherverbindungen. Bevorzugte Etherverbindungen sind offenkettige Ether, zum Beispiel Diethylether, Di-n-propylether oder 2-Methoxypropan sowie cyclische Ether wie Tetrahydrofuran oder 1,4-Dioxan.According to a further embodiment of the invention, the at least one compound which contains the at least one catalytically active metal of the platinum group and / or the at least one compound which contains the at least one transition metal is present as a thermally decomposable compound in the dry state. Alternatively, however, it is also possible for the thermally decomposable compound (s) to be dissolved in a solvent. The solvent here is preferably selected from the group consisting of water, ethanol, hexane, cyclohexane, toluene and ether compounds. Preferred ether compounds are open-chain ethers, for example diethyl ether, di-n-propyl ether or 2-methoxypropane, and also cyclic ethers, such as tetrahydrofuran or 1,4-dioxane.
Das Vermengen des Trägers mit der mindestens einen Verbindung, die das mindestens eine katalytisch aktive Metall aus der Platingruppe enthält, und gegebenenfalls mit der mindestens einen Verbindung, die das mindestens eine Übergangsmetall enthält, im Rahmen der Abscheidung in Verfahrensschritt (a) erfolgt durch ein beliebiges, dem Fachmann bekanntes Verfahren zum Mischen von Feststoffen. Geeignete Feststoffmischer umfassen üblicherweise einen Behälter, in dem das zu mischende Material bewegt wird. Geeignete Feststoffmischer sind z. B. Schaufelmischer, Schraubenmischer, Silomischer und pneumatische Mischer.Mixing of the carrier with the at least one compound containing the at least one platinum group catalytically active metal, and optionally with the at least one compound containing the at least one transition metal, as part of the deposition in step (a) is effected by any one A method of mixing solids known to those skilled in the art. Suitable solids mixers usually include a container in which the material to be mixed is agitated. Suitable solids mixers are z. B. paddle mixer, screw mixer, Silomischer and pneumatic mixer.
Wenn die Verbindung(en) in einem Lösungsmittel vorliegen, wird das Vermengen mit Hilfe eines üblichen Dispergierverfahrens vorgenommen. Hierzu wird z. B. ein Behälter eingesetzt, in dem schnell rotierende Messer bzw. Klingen enthalten sind. Ein derartiges Gerät ist z. B. ein Ultra-Turrax®. Der bzw. die Träger, insbesondere die Perylenverbindungen, können auch als Dispersion vorliegen oder in Gegenwart der Salze dispergiert werden. Mechanisches Zerkleinern kann beispielsweise auch durch eine Rührwerkskugelmühle oder eine Knetung durch einen RedDevil® oder Scandex® erzielt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Herstellung in Anwesenheit eines oder mehrerer Tenside durchgeführt.When the compound (s) are in a solvent, blending is done by a conventional dispersing method. For this purpose, z. B. a container used in the fast rotating blades or blades are included. Such a device is z. As an Ultra-Turrax ® . The carrier or carriers, in particular the perylene compounds, can also be in the form of a dispersion or dispersed in the presence of the salts. Mechanical crushing can be achieved for example, by an agitator bead mill or a kneading by a RedDevil ® or Scandex ®. According to a further embodiment of the invention, the preparation is carried out in the presence of one or more surfactants.
Um eine Legierung aus dem Metall der Platin-Gruppe und gegebenenfalls dem zweiten Metall, ausgewählt aus den Metallen der Platin-Gruppe oder den Übergangsmetallen, herzustellen, wird die durch das Vermengen in Verfahrensschritt (a) erhaltene Mischung erhitzt. Hierzu wird die in den Verfahrensschritten (a) und (b) erhaltene Mischung in einem Ofen auf eine Temperatur im Bereich von 90 bis 500°C, bevorzugt im Bereich von 250 bis 500°C, mehr bevorzugt im Bereich von 350 bis 500°C, gebracht. Durch das Erhitzen wird die mindestens eine Komplexverbindung zersetzt und das darin gebundene Metall freigesetzt. Das Metall verbindet sich im Falle der Legierungsbildung mit dem weiteren Metall der Platin-Gruppe bzw. dem Übergangsmetall. Es entsteht eine Legierung, bei der jeweils Metall-Kristallite ungeordnet nebeneinanderliegen. Die einzelnen Metall-Kristallite haben dabei im Allgemeinen eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 2 bis 7 nm.In order to produce an alloy of the metal of the platinum group and optionally the second metal selected from the metals of the platinum group or the transition metals, the mixture obtained by the blending in process step (a) is heated. For this purpose, the mixture obtained in process steps (a) and (b) is heated in an oven to a temperature in the range of 90 to 500 ° C, preferably in the range of 250 to 500 ° C, more preferably in the range of 350 to 500 ° C. , brought. Upon heating, the at least one complex compound is decomposed and the metal bound in it is liberated. The metal combines in the case of alloy formation with the other metal of the platinum group or the transition metal. The result is an alloy in which each metal crystallites are juxtaposed. The individual metal crystallites generally have an average particle size in the range of 2 to 7 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Temperaturbehandlung in zwei Temperaturstufen, wobei die Temperatur der ersten Temperaturstufe niedriger ist als die Temperatur der zweiten Temperaturstufe. Auch ist es möglich, dass das Erhitzen in mehr als zwei Temperaturstufen erfolgt. Üblicherweise ist dabei ist jeweils die Temperatur der nachfolgenden Temperaturstufe höher als die Temperatur der vorhergehenden Temperaturstufe. Bevorzugt ist es jedoch, dass das Erhitzen in zwei Temperaturstufen erfolgt.In a preferred embodiment, the temperature treatment takes place in two temperature stages, wherein the temperature of the first temperature stage is lower than the temperature of the second temperature stage. It is also possible that the heating takes place in more than two temperature stages. Usually, in each case the temperature of the subsequent temperature stage is higher than the temperature of the preceding temperature stage. However, it is preferred that the heating takes place in two temperature stages.
Die Temperaturbehandlung im Schritt (b) kann sowohl diskontinuierlich, als auch kontinuierlich beispielsweise in einem Drehrohr erfolgen.The temperature treatment in step (b) can be carried out either batchwise or continuously, for example in a rotary tube.
In einer bevorzugten Ausführung erfolgt die Temperaturbehandlung in Schritt (b) diskontinuierlich, wobei das im Schritt (a) hergestellte Gemisch zunächst unter Inertgasatmosphäre, beispielsweise unter Stickstoff- bzw. Argonatmosphäre, auf eine Temperatur im Bereich von 100 bis 350°C, bevorzugt 200 bis 300°C über einen Zeitraum von 1 bis 10 h, bevorzugt 2 bis 5 h, üblicherweise 3 bis 4 h erwärmt wird. Danach wird das Gasgemisch auf eine reduzierende Atmosphäre umgestellt und die zweite Temperaturstufe eingestellt. Die Temperatur dieser zweiten Temperaturstufe beträgt allgemein 350 bis 500°C und bevorzugt 400 bis 500°C; die Verweilzeit liegt allgemein im Bereich von 1 bis 10 h, üblicherweise im Bereich von 2 bis 6 h, bevorzugt bei etwa 3 h. Danach wird der Ofen unter inerter Gasatmosphäre langsam auf Raumtemperatur abgekühlt, und der Katalysator passiviert.In a preferred embodiment, the temperature treatment in step (b) is discontinuous, wherein the mixture produced in step (a) initially under an inert gas atmosphere, for example under a nitrogen or argon atmosphere, to a temperature in the range from 100 to 350 ° C., preferably from 200 to 300 ° C. over a period of from 1 to 10 h, preferably from 2 to 5 h, usually from 3 to 4 h is heated. Thereafter, the gas mixture is switched to a reducing atmosphere and set the second temperature level. The temperature of this second temperature stage is generally 350 to 500 ° C, and preferably 400 to 500 ° C; the residence time is generally in the range of 1 to 10 hours, usually in the range of 2 to 6 hours, preferably about 3 hours. Thereafter, the furnace is slowly cooled to room temperature under an inert gas atmosphere, and the catalyst is passivated.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung erfolgt die Temperaturbehandlung im Schritt (b) kontinuierlich, wobei das in Schritt (a) hergestellte Gemisch zunächst in einen Vorratsbehälter vor dem Ofen eingebaut und unter Inertgas, beispielsweise unter Stickstoff bzw. Argon, gespült wird. Der kontinuierliche Ofen kann verschiedene Heizzonen besitzen, dabei ist bevorzugt, dass er mindestens zwei Heizzonen enthält.In a further preferred embodiment, the temperature treatment in step (b) is carried out continuously, wherein the mixture produced in step (a) is first installed in a storage container in front of the furnace and purged under inert gas, for example under nitrogen or argon. The continuous furnace may have different heating zones, it being preferred that it contains at least two heating zones.
Wenn das Erhitzen in Schritt (b) in zwei Temperaturstufen im kontinuierlichen Betrieb erfolgt, so ist es bevorzugt, wenn die Temperatur der ersten Temperaturstufe (Heizzone) im Bereich von 300 bis 500°C, bevorzugt im Bereich von 350 bis 450°C und insbesondere im Bereich von 400 bis 450°C liegt, und die Temperatur der zweiten Temperaturstufe (Heizzone) im Bereich von 400 bis 500°C, mehr bevorzugt im Bereich von 450 bis 500°C. Die Temperatur der zweiten Temperaturstufe ist dabei vorzugsweise mindestens 100°C, bevorzugt mindestens 150°C, höher als die Temperatur der ersten Temperaturstufe.If the heating in step (b) takes place in two temperature stages in continuous operation, it is preferred if the temperature of the first temperature stage (heating zone) in the range of 300 to 500 ° C, preferably in the range of 350 to 450 ° C and in particular in the range of 400 to 450 ° C, and the temperature of the second temperature stage (heating zone) in the range of 400 to 500 ° C, more preferably in the range of 450 to 500 ° C. The temperature of the second temperature stage is preferably at least 100 ° C., preferably at least 150 ° C., higher than the temperature of the first temperature stage.
Die Verweilzeit im kontinuierlichen Ofen in Schritt (b) liegt vorzugsweise im Bereich von 30 min bis 10 h, mehr bevorzugt im Bereich von 45 min bis 5 h und insbesondere im Bereich von 1 bis 2 h.The residence time in the continuous furnace in step (b) is preferably in the range of 30 minutes to 10 hours, more preferably in the range of 45 minutes to 5 hours and especially in the range of 1 to 2 hours.
Das Erhitzen der Legierungsvorstufe in Schritt (b) erfolgt vorzugsweise unter einer reduzierenden Atmosphäre. Die reduzierende Atmosphäre enthält vorzugsweise Wasserstoff. Der Anteil des Wasserstoffs ist dabei abhängig von der Zusammensetzung des herzustellenden Katalysators. Der Anteil an Wasserstoff in der reduzierenden Atmosphäre kann dabei 2 bis 100 Vol.-% betragen. Bevorzugt wird eine Formiergasatmosphäre eingesetzt, wobei die Konzentration an Wasserstoff üblicherweise kleiner als 30 Vol.-%, im Allgemeinen kleiner als 20 Vol.-% ist. Besonders bevorzugt liegt der Anteil an Wasserstoff in der reduzierenden Atmosphäre im Bereich von 2 bis 15 Vol.-% und insbesondere bei ungefähr 5 Vol.-%. Insbesondere bei der Herstellung eines Pt-Ni-Katalysators, oder eines ternären Katalysators, der PtNi oder PtCo enthält, liegt der Anteil an Wasserstoff in der reduzierenden Atmosphäre vorzugsweise im Bereich von 4 bis 10 Vol.-%, insbesondere bei ungefähr 5 Vol.-%.The heating of the alloy precursor in step (b) is preferably carried out under a reducing atmosphere. The reducing atmosphere preferably contains hydrogen. The proportion of hydrogen is dependent on the composition of the catalyst to be prepared. The proportion of hydrogen in the reducing atmosphere can be 2 to 100% by volume. Preferably, a Formiergasatmosphäre is used, wherein the concentration of hydrogen is usually less than 30 vol .-%, generally less than 20 vol .-%. More preferably, the amount of hydrogen in the reducing atmosphere is in the range of 2 to 15% by volume, more preferably about 5% by volume. In particular, in the production of a Pt-Ni catalyst, or a ternary catalyst containing PtNi or PtCo, the content of hydrogen in the reducing atmosphere is preferably in the range of 4 to 10% by volume, more preferably about 5% by volume. %.
Neben Wasserstoff enthält die reduzierende Atmosphäre vorzugsweise mindestens ein inertes Gas. Vorzugsweise enthält die reduzierende Atmosphäre Stickstoff. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass anstelle des Stickstoffs zum Beispiel Argon eingesetzt wird. Auch ist es möglich, eine Mischung aus Stickstoff und Argon zu verwenden. Bevorzugt ist jedoch Stickstoff.In addition to hydrogen, the reducing atmosphere preferably contains at least one inert gas. Preferably, the reducing atmosphere contains nitrogen. Alternatively, however, it is also possible that argon is used instead of the nitrogen, for example. It is also possible to use a mixture of nitrogen and argon. However, nitrogen is preferred.
Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die reduzierende Atmosphäre neben dem Wasserstoff und dem Inertgas keine weiteren Bestandteile enthält. Hierbei soll jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass zum Beispiel aufgrund der Gasherstellung noch Spuren weiterer Gase enthalten sind.In particular, it is preferred if the reducing atmosphere contains no further constituents in addition to the hydrogen and the inert gas. However, it should not be ruled out that, for example due to gas production, traces of other gases are still present.
Nach dem Erhitzen zur Bildung der Legierung in Schritt (b) wird vorzugsweise eine Passivierung durchgeführt. Hierzu wird die hergestellte Legierung zum Beispiel auf Umgebungstemperatur unter einer inerten Atmosphäre abkühlt. Die inerte Atmosphäre ist dabei vorzugsweise eine Stickstoffatmosphäre oder eine Argonatmosphäre. Auch ist es möglich, eine Mischung aus Stickstoff und Argon einzusetzen. Auch kann die in Schritt (b) hergestellte Legierung zur Passivierung zum Beispiel bei der kontinuierlichen Durchführung in eine Wasservorlage eingebracht werden.After heating to form the alloy in step (b), passivation is preferably performed. For this purpose, the produced alloy is cooled, for example, to ambient temperature under an inert atmosphere. The inert atmosphere is preferably a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere. It is also possible to use a mixture of nitrogen and argon. Also, the passivation alloy prepared in step (b) may be incorporated into a water blanket, for example, in continuous operation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Katalysator nach der Herstellung noch rieselfähig. Dafür ist es nicht zwingend, dass der Katalysator vollständig getrocknet ist. Ein Katalysator ist im Allgemeinen noch rieselfähig, wenn er eine Restfeuchte von bis zu 50 Gew.-% Wasser aufweist. Besonders bevorzugt liegt der Restfeuchtegehalt des erfindungsgemäßen Katalysators im Bereich von 10 bis 30 Gew.-% Wasser. Ein restfeuchter Katalysator wird zum Beispiel durch Lufttrocknen bei der Herstellung erhalten.According to a preferred embodiment, the catalyst according to the invention is still free-flowing after preparation. It is not essential that the catalyst is completely dried. A catalyst is generally still flowable if it has a residual moisture of up to 50 wt .-% water. The residual moisture content of the catalyst according to the invention is particularly preferably in the range from 10 to 30% by weight of water. A residual wet catalyst is obtained, for example, by air drying in the production.
Der erfindungsgemäß hergestellte Katalysator eignet sich zum Beispiel zur Verwendung als Elektrodenmaterial in einer Brennstoffzelle. Geeignete Anwendungsbereiche sind dabei die Elektrooxidation von Sauerstoff. Auch für andere elektrochemische Verfahren wie die Chloralkalielektrolyse ist der erfindungsgemäße Katalysator anwendbar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Katalysator für eine Elektrode in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle genannt, verwendet. Die Elektrode für die der Katalysator eingesetzt wird, ist insbesondere eine Kathode der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Bei der Verwendung als Kathode einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zeigt der erfindungsgemäße Katalysator eine überraschend hohe Aktivität bezüglich der Sauerstoffreduktionsreaktion.The catalyst prepared according to the invention is suitable, for example, for use as electrode material in a fuel cell. Suitable fields of application are the electrooxidation of oxygen. The catalyst according to the invention can also be used for other electrochemical processes, such as chloralkali electrolysis. In a particularly preferred embodiment, the catalyst according to the invention is used for an electrode in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), also called proton exchange membrane fuel cell. The electrode for which the catalyst is used is, in particular, a cathode of the polymer electrolyte fuel cell. at When used as a cathode of a polymer electrolyte fuel cell, the catalyst of the present invention exhibits a surprisingly high activity with respect to the oxygen reduction reaction.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Katalysator als Kathodenkatalysator in einer Hochtemperatur-Phosphorsäure-Brennstoffzelle verwendet.In a further preferred embodiment, the catalyst according to the invention is used as a cathode catalyst in a high-temperature phosphoric acid fuel cell.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgend dargestellten Beispiele näher charakterisiert.The invention will be further characterized by the following examples.
Beispiel 1: Herstellung eines Platinkatalysators (30 Gew.-% Platin) auf PR179Example 1: Preparation of a platinum catalyst (30 wt% platinum) on PR179
5 g Paliogen® Red L 4120, N,N'-Dimethylperylen-3,4,9,10-tetracarbonsäurediimid mit einer mittleren Teilchengröße von 100 bis 750 nm, bestimmt mittels TEM, erhältlich von der BASF SE, wurden thermisch bei 200°C im Vakuum über einen Zeitraum von 2 Stunden vorbehandelt und anschließend in 500 ml Wasser dispergiert. 1,25 g Pt(NO3)2 wurden in 100 ml Wasser gelöst und zur Trägerdispersion gegeben. Anschließend wurden 200 ml Wasser und 900 ml Ethanol hinzugefügt und die Mischung für 6 Stunden unter Rückfluss und Stickstoffatmosphäre erhitzt. Der Katalysator wurde abfiltriert und mit 2 l heißem Wasser Nitrat-frei gewaschen und im Vakuum bei 80°C über einen Zeitraum von 8 Stunden getrocknet. Die Platinbeladung des Katalysators betrug 30 Gew.-% und die mittlere Kristallitgröße der Platinkristallite, gemessen im XRD, betrug etwa 3,3 nm.5 g Paliogen ® Red L 4120, N, N'-3,4,9,10-tetracarboxylic dimethylperylene-having an average particle size of 100 to 750 nm as determined by TEM, available from BASF SE, were thermally treated at 200 ° C pretreated in vacuo over a period of 2 hours and then dispersed in 500 ml of water. 1.25 g of Pt (NO 3 ) 2 were dissolved in 100 ml of water and added to the carrier dispersion. Then, 200 ml of water and 900 ml of ethanol were added, and the mixture was refluxed for 6 hours under a nitrogen atmosphere. The catalyst was filtered off and washed with 2 liters of hot water nitrate-free and dried in vacuo at 80 ° C over a period of 8 hours. The platinum loading of the catalyst was 30% by weight and the average crystallite size of the platinum crystallites, measured in the XRD, was about 3.3 nm.
Beispiel 2: Bestimmung der katalytischen Aktivität bezüglich der SauerstoffreduktionsreaktionExample 2: Determination of the catalytic activity with respect to the oxygen reduction reaction
Die Sauerstoffreduktionsreaktion (engl. Oxygen reduction reaction, ORR) wird mittels Messung an einer rotierenden Scheibenelektrode (engl. rotating disk electrode, RDE) im sauerstoffgesättigten Elektrolyt (1 M HClO4) bestimmt (Potentialbereich: 50 bis 950 mV; Scangeschwindigkeit: 20 mV/s).The oxygen reduction reaction (ORR) is determined by measurement on a rotating disk electrode (RDE) in the oxygen-saturated electrolyte (1 M HClO 4 ) (potential range: 50 to 950 mV, scan speed: 20 mV / s).
Dabei wurde die rotierende Elektrode für die Sauerstoffreduktionsreaktionsmessung mit einer Katalysatormenge von etwa 40 μg/cm2 beschichtet. Entsprechend des Pt-Gehalts der jeweiligen Proben variiert die Pt-Beladung zwischen 8 und 20 μg Pt/cm2. Als direkter Vergleich der Leistung kann man beispielsweise das Potential bei einer konstanten Stromdichte (–1 mA/cm2) vergleichen, wobei gilt: je höher die Spannung, desto aktiver der Katalysator, da die Überspannung für die Sauerstoffreduktionsreaktion entsprechend geringer ist.In this case, the rotating electrode for the oxygen reduction reaction measurement was coated with a quantity of catalyst of about 40 μg / cm 2 . According to the Pt content of the respective samples, the Pt loading varies between 8 and 20 μg Pt / cm 2 . As a direct comparison of the power one can compare, for example, the potential at a constant current density (-1 mA / cm 2 ), wherein the higher the voltage, the more active the catalyst, since the overvoltage for the oxygen reduction reaction is correspondingly lower.
Alternativ kann man die Stromdichte bei einer bestimmten Spannung vergleichen. Da insbesondere der kinetische Strom im Potentialbereich zwischen etwa 800 und 1000 mV eine Aussage über die katalytische Aktivität zulässt (je steiler die Strom-Spannungskurve, desto geringer die kinetische Hemmung der Reaktion, umso besser der Katalysator), werden ORR-Aktivitäten üblicherweise bei 0,9 V, entsprechend der folgenden Formel ausgewertet, wobei id der Grenzdiffusionsstrom und i0,9V der Strom bei 0,9 V ist. Um unterschiedliche Beladungen auszugleichen erfolgt eine Normierung entweder auf die vorhandene Pt-Menge mm, oder auf die vorhandene Pt-Oberfläche.Alternatively, one can compare the current density at a given voltage. Since, in particular, the kinetic current in the potential range between about 800 and 1000 mV allows a statement about the catalytic activity (the steeper the current-voltage curve, the lower the kinetic inhibition of the reaction, the better the catalyst), ORR activities are usually at 0, 9V, evaluated according to the following formula, where i d is the limiting diffusion current and i 0.9V is the current at 0.9V . In order to compensate for different loads, normalization is carried out either on the existing Pt amount mm, or on the existing Pt surface.
Der gemäß Beispiel 1 hergestellte Katalysator erreichte im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten C-geträgerten Katalysatoren 60 bis 80% der ORR-Aktivität (bei 0,9 V). Dies ist aufgrund der geringeren Leitfähigkeit des Trägers sowie seiner deutlich geringeren BET-Oberfläche überraschend.The catalyst prepared according to Example 1 achieved 60 to 80% of the ORR activity (at 0.9V) compared to C-supported catalysts known in the art. This is surprising due to the lower conductivity of the carrier and its significantly lower BET surface area.
Es wurde festgestellt, dass eine thermische Vorbehandlung des Trägermaterials (Vakuum, 200°C, 2 h) vor Abscheidung des Katalysatormetalls (gemäß Beispiel 1) zu einer höheren katalytischen Aktivität des Katalysators, im Vergleich zu keiner thermischen Vorbehandlung, führt. Analog wurde festgestellt, dass auch eine thermische Nachbehandlung (Vakuum, 200°C, 2 h) des fertigen Katalysators zu einer Aktivitätssteigerung führt.It has been found that a thermal pretreatment of the support material (vacuum, 200 ° C, 2 h) before deposition of the catalyst metal (according to Example 1) leads to a higher catalytic activity of the catalyst, compared to no thermal pretreatment. Analogously, it was found that a thermal aftertreatment (vacuum, 200 ° C, 2 h) of the finished catalyst leads to an increase in activity.
Beispiel 3: Charakterisierung der Stabilitäten der KatalysatorenExample 3: Characterization of the stabilities of the catalysts
Die Stabilität der Katalysatorsysteme wurde durch Vergleich der ORR-Aktivitäten vor und nach Potentialzyklen (200 Mal zwischen 0,5 und 1,3 V) abgeschätzt. Durch schnelles Zyklisieren wird sowohl die Stabilität der Platinkristallite (niedriger Potentialbereich) als auch die des Trägers (Potentiale > 1 V) simuliert. Die ORR-Aktivität nimmt nach diesen Potentialzyklen etwa um die Hälfte ab (–53(±2)%). Im Vergleich zu einem auf korrosionsbeständigen Ruß, zum Beispiel DenkaBlackTM, hergestellten Katalysator (mit 30 Gew.-%iger Platinbeladung) ist das etwas schlechter (–46(±2)%), jedoch liegt die Korrosionsbeständigkeit von zum Beispiel Vulkan XC72-basierten Katalysatoren bei etwa 84-% Aktivitätsverlust und damit deutlich unterhalb der erfindungsgemäßen Katalysatoren.The stability of the catalyst systems was estimated by comparing the ORR activities before and after potential cycles (200 times between 0.5 and 1.3 V). Rapid cyclization simulates both the stability of the platinum crystallites (low potential range) and that of the carrier (potentials> 1 V). The ORR activity decreases by about half after these potential cycles (-53 (± 2)%). This is somewhat inferior (-46 (± 2)%) to a catalyst prepared on corrosion resistant carbon black, for example DenkaBlack ™ , but with the corrosion resistance of, for example, Vulcan XC72 based Catalysts at about 84% loss of activity and thus significantly below the catalysts of the invention.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2006/0257719 [0005] US 2006/0257719 [0005]
- DE 69327799 [0006] DE 69327799 [0006]
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2010
- 2010-10-26 DE DE102010042932A patent/DE102010042932A1/en not_active Withdrawn
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