Способ получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях



Способ получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях
Способ получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях
Способ получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях

 


Владельцы патента RU 2538959:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области водородной энергетики, а именно к разработке катализаторов для воздушно-водородных топливных элементов (ВВТЭ), в которых в качестве катализаторов можно использовать платинированные углеродные материалы. Способ получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях включает обработку наноуглеродного компонента с помощью платинохлористоводородной кислоты с последующим восстановлением последней этиленгликолем в щелочной среде, при этом углеродные наночастицы предварительно подвергают функциализации кипячением в концентрированной азотной кислоте, промывают после этого дистиллированной водой до нейтрального pH, высушивают в вакууме при температуре 40°C, после чего углеродные наночастицы помещают в колбу, содержащую дистиллированную воду и платинохлористоводородную кислоту, добавляют этиленгликоль и двухнормальный раствор NaOH до pH ≈ 12-14, смесь перемешивают в ультразвуковой бане, затем нагревают до 140-150°C при непрерывном перемешивании этой смеси в токе аргона, затем добавляют полиэтиленгликоль с молекулярной массой MM ~ 40000, после этого смесь охдаждают до комнатной температуры, помещают в центрифугу и промывают дистиллированной водой до нейтрального рН с последующей сушкой в вакууме при 40°C до постоянного веса. Технический результат заключается в получении катализатора с более монодисперсным и регулируемым распределением наночастиц платины по размеру, что приводит к экономии электроэнергии, трудовых затрат и к удешевлению получаемых катализаторов. 3 ил., 1 пр.

 

Предложение относится к области водородной энергетики, а именно к разработке катализаторов для воздушно-водородных топливных элементов (ВВТЭ), в которых в качестве катализаторов используют платинусодержащие углеродные материалы.

Известен способ нанесения платины на углеродный материал методом пропитки, который включает в себя осаждение на углеродную поверхность и восстановление прекурсора - гидрата платинохлористоводородной кислоты (H2PtCl6 H2O) - с помощью сильных восстановителей (H2N4, формальдегида - CH2O+H2O, NaBH4) или одновременное добавление щелочного и восстанавливающего агента (NaOH+HOCH2CH2OH) [Герасимова Е.В., Тарасова Б.П. Платина на углеродных носителях - катализатор процессовы в низкотемпературных топливных элементах. Альтернативная энергетика и экология. 2009. №8. С.78].

Существенным недостатком этого способа является полидисперсность получаемых частиц платины по размерам, что неизбежно сказывается на каталитических свойствах данных материалов. Кроме того, присущая этому способу трудоемкость обработки соответствующего углеродного носителя - Vulkan XC-72 (сначала 4 часовое кипячение в 70% азотной кислоте при температуре 160°C, затем 4-часовое кипячение в смеси азотной и серной кислот).

Наиболее близким по сущности и достигаемому результату является способ получения Pt на угле (Pt/C), в котором используются восстановительные свойства этиленгликоля в щелочной среде [Wanzhen Li, Changhai Liang, Weijiang Zhou, Jieshan Qiu, Zhenhua Zhou, Gonghuan Sun and Qin Hi. Preparation and Characterization of Multiwalled Carbon nanotube supported for cathode catalyze of direct methanol fuel cells, 20% Pt. // J. Phys. Chem. B.V. 26 P.6292-6299].

Сущность прототипа состоит в следующем: для восстановления прекурсора используется этиленгликоль в щелочной среде (рН ≈ 10-12) при нагревании до 160°C в течение 3-5 часов в атмосфере аргона.

Существенными недостатками прототипа являются неоднородность поверхности катализатора, связанная с агрегацией образующихся платинусодержащих наночастиц, что снижает каталитическую активность данных материалов, и длительная трудоемкая процедура обработки углеродного носителя - Vulkan XC-72 (сначала 4-часовое кипячение в 70% азотной кислоте при температуре 160°C, затем 4-часовое кипячение в смеси азотной и серной кислот).

Технической задачей и положительным результатом разработанного заявителями способа является то, что за счет добавления полиэтиленгликоля (препятствующего агрегации образующихся наночастиц Pt/C) способ позволяет получить катализатор с более монодисперсным и регулируемым распределением наночастиц платины по размеру, который во многом определяет каталитическую активность наночастиц платины и эффективность катализатора в целом. Кроме того, способ приводит к экономии электроэнергии и трудовых затрат, а также к удешевлению получаемых катализаторов.

Указанная задача и технический результат достигаются в способе получения Pt-содержащих катализаторов, включающем обработку наноуглеродного компонента с помощью платинохлористовододродной кислоты с последующим восстановлением последней этиленгликолем в щелочной среде, при этом углеродные наночастицы предварительно подвергают функциализации кипячением в концентрированной азотной кислоте, промывают после этого дистиллированной водой до нейтрального pH, высушивают в вакууме при температуре 40°C, после чего углеродные наночастицы помещают в колбу, содержащую дистиллированную воду и платинохлористоводородную кислоту, добавляют этиленгликоль и двухнормальный раствор NaOH до pH ≈ 12-14, смесь перемешивают в ультразвуковой бане, затем нагревают до 140-150°C при непрерывном перемешивании этой смеси в токе аргона, затем добавляют полиэтиленгликоль с молекулярной массой ММ ≈ 40000, после этого смесь охлаждают до комнатной температуры, помещают в центрифугу и промывают дистиллированной водой до нейтрального pH с последующей сушкой в вакууме при 40°C до постоянного веса. Способ характеризуется тем, что на 100 мг углеродного продукта с размером частиц 8-10 нм берут 5 мл дистиллированной воды, 160 мг платинохлористоводородной кислоты, 10 мл двухнормальной щелочи NaOH. Способ характеризуется также тем, что полиэтиленгликоль вводят в состав смеси в количестке 20 мг. Способ раскрывается на примере его осуществления.

Пример. 100 мг наноуглеродного компонента типа «Таунит М» (размер частиц ~ 8-10 нм), предварительно функциализированного кипячением в течение 5 минут в коцентрированной азотной кислоте, промытого до нейтрального pH дистиллированной водой и тщательно высушенного в вакууме при 40°C, поместили в 3-горлую колбу на 100 мл, залили 5 мл дист. воды, добавили 160 мг H2PtCl6, 10 мл этиленгликоля и 7.5 мл двухнормального NaOH (pH ≈ 12-14). Смесь перемешивали в ультразвуковой бане 15 минут, после чего нагревали при перемешивании механической мешалкой в токе аргона в течение 1.5 часов до 140-150°C. После этого в колбу добавляют 20 мг полиэтиленгликоля с молекулярной массой ММ ≈ 40000. После охлаждения до комнатной температуры смесь помещали в центрифугу для отделения осадка и промывали дистиллированной водой до нейтрального pH. Осадок сушили в вакууме при 40°C до постоянного веса. Содержание Pt в полученном наноуглеродном продукте составляло 20% вес.

По данным электронного микроскопа марки SUPRA 55VP 32-49 размер наночастиц платины составил 2-4 нм.

Эффективность полученного катализатора была проверена с помощью мембранно-электродного блока (МЭБ), схема которого представлена на фиг.1. Средняя загрузка платины на электродах составляла 1.30±0.05 мг/см2 для всех образцов. Активная площадь электродов составляла 1.00±0.05 см2.

На фиг.2 представлены поляризационные (вольтамперные) характеристики соответствующих МЭБ в составе ВВТЭ (E-Tek - известный катализатор [Philippe S., Jose Luis Figueiredo. Carbon Materials for Catalysis. John Wiley and Sons. P.324, 444, 579]; TaunitM - катализатор, разработанный заявителями на носителе «Таунит М» с предварительной обработкой в азотной кислоте). Измерения проводились при комнатной температуре, при подаче на анод сухого водорода и на катод сухого воздуха.

На фиг.3 представлены мощностные характеристики МЭБ. Максимальная мощность МЭБ с использованием разработанного катализатора составила 122 мВт, в то время как катализатор E-Tek показал максимальную мощность 109 мВт.

Таким образом, созданный по заявленному способу платинусодержащий катализатор на наноуглеродном носителе по свойствам и эффективности превосходит известный базовый катализатор; при этом достигается сокращение энерго- и трудозатрат на процессе получения платинусодержащего катализатора на наноуглеродном носителе.

1. Способ получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях, включающий обработку наноуглеродного компонента с помощью платинохлористоводородной кислоты с последующим восстановлением последней этиленгликолем в щелочной среде, отличающийся тем, что углеродные наночастицы предварительно подвергают функциализации кипячением в концентрированной азотной кислоте, промывают после этого дистиллированной водой до нейтрального pH, высушивают в вакууме при температуре 40°C, после чего углеродные наночастицы помещают в колбу, содержащую дистиллированную воду и платинохлористоводородную кислоту, добавляют этиленгликоль и двухнормальный раствор NaOH до pH ≈ 12-14, смесь перемешивают в ультразвуковой бане, затем нагревают до 140-150°C при непрерывном перемешивании этой смеси в токе аргона, затем добавляют полиэтиленгликоль с молекулярной массой MM ~ 40000, после этого смесь охлаждают до комнатной температуры, помещают в центрифугу и промывают дистиллированной водой до нейтрального рН с последующей сушкой в вакууме при 40°C до постоянного веса.

2. Способ по п.1 отличающийся тем, что на 100 мг углеродного продукта с размером частиц 8-10 нм берут 5 мл дистиллированной воды, 160 мг платинохлористоводородной кислоты, 10 мл этиленгликоля и 7,5 мл двухнормальной щелочи NaOH.

3. Способ по п.2 отличающийся тем, что полиэтиленгликоль вводят в состав смеси в количестве 20 мг.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к наноматериалам, а именно к композитам, содержащим высокореакционные наноразмерные частицы металла, стабилизированные полимерной матрицей.
Изобретение может использоваться для получения биологических радиоактивных меток. Способ получения меченных тритием наноалмазов методом термической активации трития включает приготовление водной суспензии наноалмазов со средним размером частиц не более 125 нм и содержанием дисперсной фазы от 0,15 до 0,6 мг, равномерное нанесение полученной суспензии на стенки сосуда, содержащего установленную с возможностью подключения электрического тока вольфрамовую нить для активации трития, с последующей лиофилизацией и удалением воздуха.

Изобретение относится к способу получения углеродных нановолокон и/или углеродных нанотрубок. Способ включает пиролиз дисперсного целлюлозного и/или углеводного субстрата, импрегнированного соединением элемента или элементов, металл или сплав которых, соответственно, способен образовывать карбиды, в по существу свободной от кислорода атмосфере, содержащей летучее соединение кремния, необязательно в присутствии соединения углерода.

Изобретение относится в технологии производства пленок карбида кремния на кремнии, которые могут быть использованы в качестве подложек или функциональных слоев при изготовлении приборов полупроводниковой электроники, работающих в экстремальных условиях - повышенных уровнях радиации и температур.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления приборных структур. В подложку из кремния проводят имплантацию ионов с формированием слоя, предназначенного для переноса.

Изобретение относится к коллоидной химии и может быть использовано в люминесцентных метках, а также при изготовлении материалов для лазеров, светодиодов, солнечных батарей, фотокатализаторов.
Изобретение относится к получению материала для электронной промышленности, в частности, для литий-ионных аккумуляторов. Способ получения нанопорошков композита на основе титаната лития Li4Ti5O12/C включает смешивание диоксида титана, карбоната лития и крахмала и термическую обработку полученной смеси до получения материала с 100% структурой шпинели.

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, нанотехнологий и фотохимии и касается разработки фотоотверждаемой композиции для получения полимерного материала, обладающего трехмерной нанопористой структурой с гидрофобной поверхностью пор, одностадийного способа его получения и пористого полимерного материала с селективными сорбирующими свойствами и одностадийного формирования на его основе водоотделяющих фильтрующих элементов с заданной геометрией и требуемой механической прочностью, применяемых в устройствах для очистки органических жидкостей, преимущественно углеводородных топлив, масел, нефтепродуктов, от эмульгированной воды и механических примесей.

Композиция для получения покрытия для снижения механических потерь высокоскоростного ротора электрической машины относится к гибридным органо-неорганическим нанокомпозиционным покрытиям, способным снижать механические потери высокоскоростного ротора электрической машины в охлаждающей газообразной среде.

Изобретение относится к нефтехимической промышленности и может быть использовано в нефтепереработке, газохимии и нефтехимии для производства синтетических моторных топлив и смазочных масел.

Изобретение относится к способу получения палладиевого катализатора на носителе - оксиде алюминия - для низкотемпературного окисления оксида углерода. Предлагаемый способ включает приготовление пропиточного раствора путем растворения хлористого палладия в воде, пропитку носителя этим раствором, восстановление палладия формиатом натрия, отмывку водой пропитанного носителя до отрицательной реакции на хлор-ион и последующую сушку.
Изобретение относится к катализатору для получения синтетических базовых масел в процессе олигомеризации гексена-1, содержащему каталитически активный компонент, в качестве которого используют хром, нанесенный на носитель, при этом в качестве носителя используется силикагель с размером частиц 2,2-4,0 мм, размером пор не менее 100 и площадью удельной поверхности не менее 300 м2/г, при этом содержание хрома находится в пределах 1-3% масс.
Изобретение относится к катализатору, пригодному для применения в реакциях конверсии оксидов углерода, в форме гранул, сформованных прессованием порошка восстановленного и пассивированного катализатора, причем указанный порошок содержит медь в интервале 10-80 мас.%, оксид цинка в интервале 20-90 мас.%, оксид алюминия в интервале 5-60 мас.% и, необязательно, одно или несколько оксидных промотирующих соединений, выбранных из соединений Mg, Cr, Mn, V, Ti, Zr, Ta, Mo, W, Si и редкоземельных элементов, в количестве в интервале 0,01-10 мас.%.

Изобретение относится к производству металл-углерод содержащих тел. Описан способ производства металл-углерод содержащих тел, включающих ферромагнитные металлические частицы, капсулированные слоями графитового углерода, который включает пропитывание целлюлозных, целлюлозоподобных или углеводных тел или тел, полученных из них путем гидротермальной обработки, водным раствором по меньшей мере одного соединения металла, где металл или металлы выбраны из ферромагнитных металлов или сплавов, и последующую термическую карбонизацию пропитанных тел путем нагревания в инертной и практически лишенной кислорода атмосфере при температуре выше примерно 700°С с восстановлением по меньшей мере части по меньшей мере одного соединения металла до соответствующего металла или металлического сплава.

Изобретение относится к области катализа. Описаны способы приготовления предшественника катализатора, включающие на первой стадии приготовления пропитку частиц носителя для катализатора органическим соединением кобальта в пропиточной жидкости с образованием пропитанного промежуточного продукта, прокаливание пропитанного промежуточного продукта при температуре прокаливания не выше 400°C с получением прокаленного промежуточного продукта; и затем на второй стадии приготовления пропитку прокаленного промежуточного продукта первой стадии неорганической солью кобальта в пропиточной жидкости с образованием пропитанного носителя и прокаливание пропитанного носителя с получением предшественника катализатора, причем ни одну из неорганических солей кобальта, использованных на второй стадии приготовления, не используют на первой стадии приготовления.

Изобретение относится к области катализа. Описан способ получения оксида металла на подложке и восстановленного оксида металла на подложке, пригодного для использования в качестве предшественника для катализатора или сорбента, включающий стадии: (i) импрегнирования материала подложки раствором нитрата металла в растворителе, (ii) выдерживания импрегнированного материала в газовой смеси, содержащей оксид азота, при температуре в пределах 0-150°C для удаления растворителя из импрегнированного материала с одновременным высушиванием и стабилизацией нитрата металла на подложке, с получением диспергированного на подложке нитрата металла и (iii) кальцинирования диспергированного на подложке нитрата металла для осуществления его разложения и образования оксида металла на подложке, где кальцинирование осуществляют в газовой смеси, которая состоит из одного или нескольких инертных газов и оксида азота и концентрация оксида азота в газовой смеси находится в пределах 0,001-15% об.
Изобретение относится к области катализа. Описан катализатор избирательного окисления монооксида углерода в смеси с аммиаком, содержащий золото - 0,7-1,2 мас.%, Fe3+ - 0,8-5,0 мас.% и кристаллическую тэта-модификацию оксида алюминия (θ-Al2O3) - остальное.
Изобретение относится к области катализа. Описан катализатор избирательного окисления монооксида углерода в смеси с аммиаком, содержащий золото - 0,5-1,0 мас.%, рутений - 1,0-5,0 мас.% и оксид алюминия остальное.

Настоящее изобретение относится к способу получения SCR-активного цеолитного катализатора и к катализатору, полученному этим способом. Описан способ получения указанного катализатора, характеризующийся тем, что на Fe-ионообменный цеолит сначала воздействуют восстановительной углеводородной атмосферой для первой термической обработки (3) в диапазоне от 300 до 600°С, которая снижает степень окисления ионов Fe и/или повышает дисперсность ионов Fe в цеолите, затем на восстановленный цеолит воздействуют окислительной атмосферой для второй термической обработки (4) в диапазоне от 300 до 600°С, которая окислительно удаляет углеводородные остатки и/или остатки углерода, и цеолит обжигают (2) в ходе первой и второй термических обработок (3 и 4) с получением катализатора.

Изобретение относится к способам получения блочных катализаторов, катализаторам очистки отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Описан способ приготовления катализатора для очистки ОГ ДВС, в котором для нанесения промежуточного покрытия и активной фазы используют водную суспензию, включающую гидроксид алюминия - бемит (АlOOН), восстанавливающий дисахарид и растворимые соли Се, Zr, Y, La в виде солей азотной кислоты в пропорции, необходимой для образования в покрытии тетрагоналыюй фазы Zr0,5Ce0,5O2, стабильной в области температур 500-1000°C и соотношения в покрытии (Ме2O3+ZrO2+СеO2):γ-Аl2O3-1:1, где Me - Y, La, а также одну или несколько неорганических солей металлов платиновой группы, причем термообработку покрытия проводят одновременно с восстановлением при температуре 550-1000°C.

Изобретение относится к области каталитической химии и может быть использовано при очистке промышленных газовых выбросов и выбросов автотранспорта от углеводородов.
Наверх