金属负载的催化剂、电池电极和电池的制作方法

本发明涉及金属负载的催化剂、电池电极和电池。

背景技术：

1、在专利文献1中，描述了一种用于燃料电池的催化剂，包括负载在载体上的催化剂，其中用于燃料电池的催化剂具有0.5或更大且1.8或更小的催化剂载体的平均孔径/催化剂金属粒径(pgm)的值。

2、在专利文献2中，描述了由催化剂载体和负载在催化剂载体上的催化剂金属形成的催化剂，其中所述催化剂的每单位载体重量的比表面积为715m2/g-载体或更大，并且所述催化剂中的每单位载体重量的酸性基团的量为0.75mmol/g-载体或更小。

3、在专利文献3中，描述了具有以下构造(1)和(2)的聚合物电解质燃料电池电极催化剂。(1)聚合物电解质燃料电池电极催化剂包括由导电材料形成的载体和负载在载体表面上的催化剂颗粒。(2)载体具有互连的中孔，并满足以下表达式的关系：1.0≤δvdes/δvads≤1.14(其中δvdes＝vdes(0.49)–vdes(0.01)，δvads＝vads(0.49)–vads(0.01)，vdes(0.49)表示在相对压力p/p0＝0.49下的中孔区域中氮气吸附等温线的在解吸过程中的吸附量，vdes(0.01)表示在相对压力p/p0＝0.01下的微孔区域中的氮气吸附等温线的在解吸过程中的吸附量，vads(0.49)表示在相对压力p/p0＝0.49下的中孔区域中氮气吸附等温线的在吸附过程中的吸附量，并且vads(0.01)表示在相对压力p/p0＝0.01下的微孔区域中氮气吸附等温线的在吸附过程中的吸附量)。

4、在专利文献4中，描述了一种用于聚合物电解质燃料电池的催化剂，包括负载在碳粉末载体上的催化剂颗粒(其中的每一个由铂、钴、锰形成)，其中所述催化剂颗粒各自具有以摩尔比计为pt:co:mn＝1:0.25至0.28:0.07至0.10的铂、钴、锰的构成比，所述催化剂颗粒具有3.4至5.0nm的平均粒径，并且进一步地，在催化剂颗粒的粒径分布中，各自具有3.0nm或更小的粒径的催化剂颗粒在所有催化剂颗粒中的比例以颗粒数基准计为37％或更小，其中催化剂颗粒中的每一个的至少表面负载具有c-f键的氟化合物。

5、引文列表

6、专利文献

7、[ptl 1]wo 2007/055411 a1

8、[ptl 2]wo2014/175105a1

9、[ptl 3]jp 2017-091812 a

10、[ptl 4]wo 2019/065443 a1

技术实现思路

1、技术问题

2、然而，迄今难以获得具有优异催化活性和耐久性的金属负载的催化剂。

3、鉴于上述问题而做出了本发明，并且本发明的目的之一是提供各自具有优异的催化活性和耐久性的金属负载的催化剂、电池电极和电池。

4、问题的解决方案

5、为了实现上述目的，根据本发明的一个实施方案，提供一种金属负载的催化剂，包括：碳载体；和负载在碳载体上的催化剂金属颗粒，其中所述金属负载的催化剂包括碳结构，该碳结构在通过拉曼光谱法获得的拉曼光谱中表现出53.0cm-1或更小的d带的半峰半宽，所述d带在1,340cm-1附近具有峰顶，并且其中金属负载的催化剂包括部分埋在碳载体的孔内表面中的催化剂金属颗粒。根据本发明的一个实施方案，提供一种同时具有优异催化活性和耐久性的金属负载的催化剂。

6、在金属负载的催化剂中，催化剂金属颗粒的数均粒径与金属负载的催化剂的平均孔径的比率可以为0.70或更大且1.30或更小。在金属负载的催化剂的氮气吸附等温线的相对压力在0.4或更大且0.6或更小范围内时，解吸侧等温线的氮气吸附量与吸附侧等温线的氮气吸附量的比率的最大值可以为1.05或更小。在金属负载的催化剂中，负载在碳载体的外表面上的催化剂金属颗粒的数量与负载在碳载体上的催化剂金属颗粒的总数的比例可以为33％或更小。

7、在金属负载的催化剂中，催化剂金属颗粒的数均粒径可以为1.50nm或更大且4.00nm或更小。在金属负载的催化剂中，催化剂金属颗粒的体积平均粒径可以为2.00nm或更大且6.50nm或更小。

8、金属负载的催化剂可以具有200(m2/g-碳载体)或更大的通过氮气吸附法得到的bet比表面积。金属负载的催化剂可以具有0.080或更小的通过水蒸气吸附法得到的bet比表面积(m2/g-碳载体)与通过氮气吸附法得到的bet比表面积(m2/g-碳载体)的比率。

9、在金属负载的催化剂中，碳载体可具有1.00μm或更小的中值直径。在金属负载的催化剂中，金属负载的催化剂可以具有0.50(cm3/g-碳载体)或更大的各自具有小于5nm的孔径的孔的体积。在金属负载的催化剂中，金属负载的催化剂可以具有1.80或更大的各自具有小于5nm的孔径的孔的体积与各自具有5nm或更大的孔径的孔的体积的比率。

10、在金属负载的催化剂中，在距碳载体的外表面具有20nm或更大深度的位置处负载的催化剂金属颗粒的数量与负载在碳载体上的催化剂金属颗粒的总数的比例可以为11％或更大。在金属负载的催化剂中，催化剂金属颗粒可以是铂颗粒。

11、为了实现上述目的，根据本发明的一个实施方案，提供一种包括金属负载的催化剂的电池电极。根据本发明的一个实施方案，提供具有优异催化活性和耐久性的电池电极。

12、为了实现上述目的，根据本发明的一个实施方案，提供一种包括电池电极的电池。根据本发明的一个实施方案，提供具有优异催化活性和耐久性的电池。

13、发明的有益效果

14、根据本发明，提供各自均具有优异催化活性和耐久性的金属负载的催化剂、电池电极和电池。

技术特征：

1.金属负载催化剂，其包含：

2.根据权利要求1所述的金属负载催化剂，其中所述催化剂金属颗粒的数均粒径与所述金属负载催化剂的平均孔径的比率为0.70以上且1.30以下。

3.根据权利要求1或2所述的金属负载催化剂，其中所述金属负载催化剂的氮吸附等温线的相对压力在0.4以上且0.6以下的范围内时，解吸侧等温线的氮吸附量与吸附侧等温线的氮吸附量的比率的最大值为1.05以下。

4.根据权利要求1至3之一所述的金属负载催化剂，其中在所述碳载体的外表面上负载的所述催化剂金属颗粒的数量与在所述碳载体上负载的所述催化剂金属颗粒的总数的比例为33％以下。

5.根据权利要求1至4之一所述的金属负载催化剂，其中所述催化剂金属颗粒的数均粒径为1.50nm以上且4.00nm以下。

6.根据权利要求1至5之一所述的金属负载催化剂，其中所述催化剂金属颗粒的体积平均粒径为2.00nm以上且6.50nm以下。

7.根据权利要求1至6之一所述的金属负载催化剂，其中所述金属负载催化剂通过氮吸附法得到的bet比表面积为200(m2/g-碳载体)以上。

8.根据权利要求1至7之一所述的金属负载催化剂，其中所述金属负载催化剂通过水蒸汽吸附法得到的bet比表面积(m2/g-碳载体)与通过氮吸附法得到的bet比表面积(m2/g-碳载体)的比率为0.080以下。

9.根据权利要求1至8之一所述的金属负载催化剂，其中所述碳载体的中值直径为1.00μm以下。

10.根据权利要求1至9之一所述的金属负载催化剂，其中所述金属负载催化剂的孔径均小于5nm的孔的容积为0.50(cm3/g-碳载体)以上。

11.根据权利要求1至10之一所述的金属负载催化剂，其中所述金属负载催化剂的孔径均小于5nm的孔的容积与孔径均为5nm以上的孔的容积的比率为1.80以上。

12.根据权利要求1至11之一所述的金属负载催化剂，其中在由所述碳载体的外表面计深度为20nm以上的位置处负载的所述催化剂金属颗粒的数量与在所述碳载体上负载的所述催化剂金属颗粒的总数的比例为11％以上。

13.根据权利要求1至12之一所述的金属负载催化剂，其中所述催化剂金属颗粒为铂颗粒。

14.电池电极，其包含根据权利要求1至13之一所述的金属负载催化剂。

15.电池，其包含根据权利要求14所述的电池电极。

技术总结
提供各自均具有优异催化活性和耐久性的金属负载的催化剂、电池电极和电池。金属负载的催化剂是包括以下的金属负载的催化剂：碳载体；和负载在碳载体上的催化剂金属颗粒，其中所述金属负载的催化剂具有碳结构，该碳结构在通过拉曼光谱法获得的拉曼光谱中表现出53.0cm<supgt;‑1</supgt;或更小的D带的半峰半宽，所述D带在1,340cm<supgt;‑1</supgt;附近具有峰顶，并且其中金属负载的催化剂包括部分埋在碳载体的孔内表面中的催化剂金属颗粒。

技术研发人员：石塚卓也,小林义和,佐藤铁太郎,岸本武亮
受保护的技术使用者：日清纺控股株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12