DE102016013185B4 - Process for the production of catalytic layers for electrochemical systems - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von katalytischer Schicht (3) mit Fäden im Nanometer-Maßstab als Elektrokatalysatoren für elektrochemische Prozesse, gekennzeichnet durch wechselweises Aufbringen von nanoskalierten Fäden (7) und von teilweise herauslösbaren metallischen oder organischen oder anorganischen Clustern (6) durch physikalische Gasphasenabscheidung auf einen Träger mit oder ohne nachfolgende thermische Behandlung zum Erzeugen einer hoch dispersen katalytischen Schicht.Process for the production of catalytic layer (3) with threads on a nanometer scale as electrocatalysts for electrochemical processes, characterized by the alternating application of nanoscale threads (7) and of partially detachable metallic or organic or inorganic clusters (6) by physical vapor deposition on a carrier with or without subsequent thermal treatment to produce a highly dispersed catalytic layer.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von katalytischen Schichten für elektrochemische Energieumwandler die dadurch gekennzeichnet ist, dass durch geeignete Prozessführung hoch dispergierte Metallfäden mit verschiedenen Kristallisationsstufen hergestellt werden können.The invention relates to a method for the production of catalytic layers for electrochemical energy converters, which is characterized in that highly dispersed metal threads with different crystallization stages can be produced by suitable process management.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine solche katalytische Schicht für elektrochemische Systeme die auf einem Träger oder selbststabilisierend durch die hohe Dispersion einen besseren Medientransport gewährleisten. Medien können hierbei die zu oxidierenden oder reduzierenden oder Produkte oder Edukte sein. Die Erfindung betrifft auch elektrochemische Systeme mit einer Anzahl solcher katalytischen Schichten die als Elektroden fungieren.The invention further relates to such a catalytic layer for electrochemical systems which ensure better media transport on a support or self-stabilizing due to the high dispersion. Media can be the products or starting materials to be oxidized or reduced. The invention also relates to electrochemical systems with a number of such catalytic layers which function as electrodes.
Elektrochemische Systeme oder elektrochemische Energieumwandler werden eingesetzt elektrische Energie in Strom oder Strom in chemische Energie umzuwandeln. Die katalytische Schicht hat die Aufgabe die gewünschte Reaktion zu katalysieren. Für verschiedene Reaktionen sind verschiedene Katalysatoren notwendig. Die Aktivität eines Katalysators hängt von Oberfläche, Kristallisationszustand, Porösität und Art des Metalles ab.Electrochemical systems or electrochemical energy converters are used to convert electrical energy into electricity or electricity into chemical energy. The task of the catalytic layer is to catalyze the desired reaction. Different catalysts are necessary for different reactions. The activity of a catalyst depends on the surface, crystallization state, porosity and type of metal.
Elektrochemische Energieumwandler können Brennstoffzellen, Elektrolyseure, Flussbatterien, Batterien oder andere elektrochemische Synthesen sein.Electrochemical energy converters can be fuel cells, electrolysers, flow batteries, batteries or other electrochemical syntheses.
Katalytische Schichten können zum Beispiel für Brennstoffzellen fein dispergierte Pt Katalysatoren sein, die die Umwandlung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser katalysieren. Es kann auch die Synthese von Kohlenwasserstoffen durch Kohlenstoffdioxid durch fein dispergiertes Kupfer sein. Eine weitere Reaktion ist die elektrochemische Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff durch geeignete fein dispergierte Oxide wie Iridiumoxid oder Rutheniumoxid oder andere Metalloxide.Catalytic layers can be finely dispersed Pt catalysts for fuel cells, for example, which catalyze the conversion of oxygen and hydrogen to water. It can also be the synthesis of hydrocarbons by carbon dioxide by finely dispersed copper. Another reaction is the electrochemical splitting of water into oxygen and hydrogen by means of suitable finely dispersed oxides such as iridium oxide or ruthenium oxide or other metal oxides.
Die oft edelmetallhaltige katalytische Schicht führt zu relativ hohen Kosten und einer begrenzten Lebensdauer der elektrochemischen Systeme.The catalytic layer, which often contains precious metals, leads to relatively high costs and a limited service life for the electrochemical systems.
Normale nass-chemische Herstellungsmethoden für die Katalysatorschicht sind komplex. Die Schichten werden durch diese Verfahren relativ dick und die Massenaktivität bleibt gering.Normal wet chemical manufacturing methods for the catalyst layer are complex. These processes make the layers relatively thick and the mass activity remains low.
Literaturliterature
US 2009 / 0 068 461 A1 beschreibt eine Methode zur Herstellung von nanoskalierten Fäden durch Elektrospinnen. Die Fäden können metallisch, keramisch kohlenstoffhaltig oder borhaltige Verbindungen aufweisen. Sie können in Brennstoffzellen, Photodioden, Batterien oder Filtrationssystemen angewandt werden.US 2009/0 068 461 A1 describes a method for producing nanoscale threads by electrospinning. The threads can have metallic, ceramic, carbon-containing or boron-containing compounds. They can be used in fuel cells, photodiodes, batteries or filtration systems.
J. Kibsgaard, Y. Gorlin, Z. Chen, Th. Jaramillo: Meso-Structured Platinum Thin Films: Active and Stable Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction, in: Journal of the American Chemical Society, 13. April 2012, 7758-7765 schlägt zur Erhöhung der Aktivität und der Stabilität der katalytischen Schicht einer Gasdiffusionselektrode vor, mesostrukturierte Platin-Dünnschichten durch Nutzung eines Template zu verwenden.J. Kibsgaard, Y. Gorlin, Z. Chen, Th. Jaramillo: Meso-Structured Platinum Thin Films: Active and Stable Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction, in: Journal of the American Chemical Society, April 13, 2012, 7758-7765 proposes to increase the activity and the stability of the catalytic layer of a gas diffusion electrode to use mesostructured platinum thin layers by using a template.
G. Sievers, S. Mueller, A. Quade, F. Steffen, S. Jakubith, A. Kruth, V. Brueser: Mesoporous Pt-Co oxygen reduction reaction (ORR) catalysts for low temperature proton exchange membrane fuel cell synthesized by alternating sputtering, in:
- Journal of Power Sources, 5 December 2014, 255-260 schlagen einen mesoporösen Pt-Co Katalysator für Brennstoffzellen vor. Hierbei warden deutlich geringere Co Anteile verwendet.
- Journal of Power Sources, 5 December 2014, 255-260 propose a mesoporous Pt-Co catalyst for fuel cells. Significantly lower Co proportions are used here.
Aus
Z. Yan, M. Wang, B. Huang, R. Liu, J. Zhao: Graphene Supported Pt-Co Alloy Nanoparticles as Cathode Catalyst for Microbial Fuel Cells, in: Int. J. Electrochem. Sci., 8 (2013) 149-158 schlägt zur Bildung der edelmetallhaltigen katalytischen Schicht von Gasdiffusionselektroden vor, Nanopartikel aus einer graphen-geträgerten Pt-Co Legierung zu verwenden.Z. Yan, M. Wang, B. Huang, R. Liu, J. Zhao: Graphene Supported Pt-Co Alloy Nanoparticles as Cathode Catalyst for Microbial Fuel Cells, in: Int. J. Electrochem. Sci., 8 (2013) 149-158 suggests using nanoparticles made of a graphene-supported Pt-Co alloy to form the noble metal-containing catalytic layer of gas diffusion electrodes.
In A. Papandrew, R. Atkinson, G. Goenaga, S. Kocha, J. Zack, B. Pivovar, Th. Zawodzinski: Oxygen Reduction Activity of Vapor-Grown Platinum Nanotubes, in: Journal of The Electrochemical Society, 160 (8) F848-F852 (2013) wird vorgeschlagen, ein aus Platin-Nanoröhren gebildeten Katalysator in eine Komposit-Elektrode durch Mischung mit korrosionsbeständigen Carbonmaterialien einzubetten, um möglichst dicke Katalytschichten zu erhalten, die bei hohen Stromdichten ausreichend erhaltbar sind.In A. Papandrew, R. Atkinson, G. Goenaga, S. Kocha, J. Zack, B. Pivovar, Th. Zawodzinski: Oxygen Reduction Activity of Vapor-Grown Platinum Nanotubes, in: Journal of The Electrochemical Society, 160 (8 ) F848-F852 (2013) it is proposed to embed a catalyst formed from platinum nanotubes in a composite electrode by mixing it with corrosion-resistant carbon materials in order to obtain the thickest possible catalytic layers that can be sufficiently obtained at high current densities.
In Ch-H. Wan, M-T. Lin, Q-H. Zhuang, Ch-H. Lin: Preparation and performance of novel MEA with multi catalyst layer structure for PEFC by magnetron sputter deposition technique, in: Surface & Coatings Technology 201 (2006) 214-222 ist die Bildung einer katalytischen Schicht für eine Gasdiffusionselektrode aus mehreren zweidimensionalen aktiven Schichten beschrieben. Hierbei wird auf einen elektrisch leitfähigen und gasdurchlässigen Träger GDL alternierend eine Nafion-Graphit-Schicht und im Sputter-Prozess eine platinhaltige Schicht aufgebracht, um eine dreidimensionale Reaktionszone zu schaffen. Die Nafion-Graphit-Schicht wird in Form einer Tinte aufgedruckt. Die alternierenden Pt-Carbon-Nafion-Schichten bilden eine auf der gasdurchlässigen Schicht GDL liegende mikroporöse Schicht MPL.In Ch-H. Wan, M-T. Lin, Q-H. Zhuang, Ch-H. Lin: Preparation and performance of novel MEA with multi catalyst layer structure for PEFC by magnetron sputter deposition technique, in: Surface & Coatings Technology 201 (2006) 214-222 describes the formation of a catalytic layer for a gas diffusion electrode from several two-dimensional active layers. Here, a Nafion graphite layer is alternately applied to an electrically conductive and gas-permeable carrier GDL and a layer containing platinum is applied in the sputtering process in order to create a three-dimensional reaction zone. The Nafion graphite layer is printed on in the form of an ink. The alternating Pt-Carbon-Nafion layers form a microporous layer MPL lying on the gas-permeable layer GDL.
H. Rabat, P. Brault: Plasma Sputtering Deposition of PEMFC Porous Carbon Platinum Electrodes, in: Fuel Cells 08, 2008, No. 2, 81-86 beschreibt die Herstellung von Gasdiffusionselektroden durch Plasma-sputtern zur Dünnschichtbeschichtung eines porösen säulenförmigen Graphitfilms gefolgt durch Beschichtung des platinhaltigen Katalysators direkt auf die protonenleitende Membran. Graphit und Platin wird alternierend auf beide Seiten der Membran aufgebracht. Hierdurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden.H. Rabat, P. Brault: Plasma Sputtering Deposition of PEMFC Porous Carbon Platinum Electrodes, in: Fuel Cells 08, 2008, No. 2, 81-86 describes the production of gas diffusion electrodes by plasma sputtering for thin-layer coating of a porous columnar graphite film followed by coating the platinum-containing catalyst directly onto the proton-conducting membrane. Graphite and platinum are alternately applied to both sides of the membrane. This can increase the efficiency.
B. Schwanitz: Reduzierung der Platinbeladung und Imaging von Alterungsphänomenen in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, Diss. ETH Zürich Nr. 20142, 2012 beschreibt das abwechselnde Sputtern von Pt und Cofür Anode und Kathode. Zur Erhöhung der Platin-Oberfläche wird ein alternierendes-Sputtern von Co in Pt vorgeschlagen. Dies erfordert die nachfolgende Säurebehandlung der Elektroden, um verunreinigungsbedingte Spannungsverluste durch gelöstes Co2+zu verhindern.B. Schwanitz: Reduction of the platinum loading and imaging of aging phenomena in the polymer electrolyte fuel cell, Diss. ETH Zurich No. 20142, 2012 describes the alternating sputtering of Pt and Co for anode and cathode. Alternating sputtering of Co in Pt is proposed to increase the platinum surface. This requires the subsequent acid treatment of the electrodes in order to prevent contamination-related voltage losses through dissolved Co 2+ .
Ausgehend hiervon ist es Anliegen dieser Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von besseren katalytischen Schichten sowie entsprechende katalytischen Schichten auf porösen Trägern wie Gasdiffusionschichten oder Aktivkohle aber auch nicht porösen Trägern wie Feststoffplatten oder sich selbst stabilisierenden katalytischen Schichten für elektrochemische Energieumwandler wie zum Beispiel Batterien, Brennstoffzellen und Flusszellen zu schaffen. Feststoffplatten können metallische Platten, oxidische Platten, oder auch kohlenstoffhaltige Platten sein.Based on this, the aim of this invention is a process for the production of better catalytic layers and corresponding catalytic layers on porous supports such as gas diffusion layers or activated carbon but also non-porous supports such as solid plates or self-stabilizing catalytic layers for electrochemical energy converters such as batteries, fuel cells and flow cells to accomplish. Solid plates can be metallic plates, oxidic plates, or carbon-containing plates.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Katalytische Schichte mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved with the method with the features of
Eine bessere Methode zur Herstellung ist die Abscheidung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung. Hierdurch ist es möglich geeignete Strukturen herzustellen die mittels nasschemischer Methoden nicht herstellbar sind. Es wird vorgeschlagen durch alternierende Abscheidung von den gewünschten nanoskalierten Metallfäden und von geeigneten löslichen Clustern eine hoch dispergierte Katalytische Schicht zu erzeugen.A better method of production is deposition by means of physical vapor deposition. This makes it possible to produce suitable structures that cannot be produced using wet-chemical methods. It is proposed to produce a highly dispersed catalytic layer by alternating deposition of the desired nanoscale metal threads and of suitable soluble clusters.
Unter einem „nanoskalierten Faden“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine ortsfeste katalytisch aktive Substanz verstanden. Die Struktur der nanoskalierten Fäden ist definiert durch die Verbindung gleicher Substanzen untereinander zu der Bildung einer selbst stabilisierenden hoch dispergierten Schicht.A “nanoscale thread” in the sense of the present invention is understood to mean a stationary catalytically active substance. The structure of the nanoscale threads is defined by the combination of the same substances with one another to form a self-stabilizing, highly dispersed layer.
Unter normalen Umständen geht bei den hohen Anteilen an herauslösbarem Material nicht stabilisierter Nanofaden mit in die Lösung. Dies kann zum großen Teil verhindert werden durch die Erhitzung mit einem Metall das einen höheren Schmelzpunkt als das zu nutzende Metall hat und das keine Legierung bei diesen Temperaturen eingeht. Im Falle von Platin kann dies beispielsweise durch Molybdän oder Wolfram erreicht werden.Under normal circumstances, with the high proportions of leachable material, non-stabilized nano-thread goes into the solution. This can be largely prevented by heating with a metal that has a higher melting point than the metal to be used and that does not form an alloy at these temperatures. In the case of platinum, this can be achieved using molybdenum or tungsten, for example.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert:
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1 - Schnittansicht durch eine Membran-Elektrodenanordnung für Brennstoffzellen und Elektrolyseuremit katalytischer Schicht 3 aufgebracht auf MPL 2 und GDL 3 getrennt durch Membran 4 durch physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess -
2 - Schnittansicht durch eine Elektrodenanordnung für elektrochemische Synthesen und Elektrolyseuremit katalytischer Schicht 3 auf Träger 5 aufgebracht durch physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess -
3 - Schichtansicht durch eine katalytische Schicht3 mit löslichen Clustern 6 und nanoskalierten Fäden 7 -
4 - Elektronenmikroskopische Aufnahme einer hoch dispergierten katalytischen Schicht3 .
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1 - Sectional view through a membrane electrode arrangement for fuel cells and electrolyzers with acatalytic layer 3 applied toMPL 2 andGDL 3 separated by a membrane4th through physical vapor deposition process -
2 - Sectional view through an electrode arrangement for electrochemical syntheses and electrolysers with acatalytic layer 3 oncarrier 5 applied by physical vapor deposition process -
3 - Layer view through acatalytic layer 3 with soluble clusters6th andnanoscale threads 7 -
4th - Electron microscope image of a highly dispersedcatalytic layer 3 .
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