Способ обработки проволоки для катализатора, выполненной из металла платиновой группы

Изобретение относится к области электрохимической обработки металлов и может быть использовано при изготовлении катализаторов химических реакций. Способ обработки проволоки для катализатора, выполненной из металла платиновой группы, осуществляют переменным током в водном растворе минеральной кислоты при комнатной температуре в диапазоне плотностей тока 0,4-5,0 А/см2 и частоте переменного тока 2-50 Гц. Технический результат: повышение удельной поверхности проволоки из металлов платиновой группы за счет проведения на ее поверхности реакций окисления и восстановления.

 

Изобретение относится к области электрохимии и может быть использовано для получения проволоки из материалов платиновой группы, применяемой в изготовлении катализаторов.

Применение катализаторов обеспечивает значительную долю эффективности современных технологических схем и энергоустановок. Известно, что платиновые металлы могут выступать в качестве катализаторов различных химических реакций. Брикеты катализатора из металлической проволоки способны выдерживать значительные импульсные воздействия изобарного, изохорного, вибрационного, температурного характера. По надежности они опережают катализаторы на керамических носителях. Эффективность катализатора прямо пропорциональна удельной поверхности. Каталитическая активность будет возрастать с увеличением эффективной поверхности катализатора (гетерогенный характер процесса). Таким образом, материал с высокоразвитой поверхностью должен обеспечить высокую эффективность процесса и эксплуатацию в жестких условиях в течение длительного времени.

Известным способом повышения эффективности проволочных катализаторов из металлов платиновой группы и устройств на их основе до сих пор остаются изменение их химического состава, уменьшение диаметра проволоки, изменение структуры брикета, включая структуру ячеек для сеток и т.д. Например, платинойодный катализатор в форме проволочной сетки, сотканной из проволок диаметром 0,06-0,10 мм и содержащей сплавы платины с родием, палладием, рутением и другими металлами платиновой группы. Тканая ячейка катализатора имеет прямоугольную форму с соотношением сторон 1,1-5,0. Оптимальное значение плотности проволок в сетке на одном сантиметре составляет по одному направлению тканой структуры - по утку или по основе 10-30 нитей, а по другому направлению тканой структуры - по основе или по утку 50-34 нити. Тканая структура сетки по направлению с меньшим числом нитей может быть образована проволоками из неплатиноидных сплавов, например из термостойких сталей. Для достижения наибольшего уровня эффективности предлагаемого платиноидного катализатора при сборке сеток в каталитический пакет реактора направление основы каждого следующего слоя сетки следует ориентировать перпендикулярно к направлению основы каждого предыдущего слоя сетки RU 2212272, опубл. 20.09.2003 [1].

Созданию объемно-пористой структуры электродного материала посвящен RU 2336370, опубл. 20.10.2008 [2]. Данная структура представляет собой одну или несколько сеток сквозных отверстий с контролируемым размером их поперечного сечения, расстояния между отверстиями и толщиной электродного материала, благодаря которому удается достичь значительного увеличения площади поверхности электрода и его проницаемости для газа и жидкости. Для достижения этого эффекта рекомендовано использовать, в том числе, известное локальное размерное электрохимическое травление. Описанная структура, выполненная из таких металлов, как титан, никель, а также из сплавов алюминия, меди и магния, является проводящей основой для нанесения на нее проводящего покрытия, в том числе покрытия с каталитическими свойствами.

Известен способ приготовления металлического носителя из нержавеющей стали для катализатора RU 2320785, опубл. 27.03.2006 [3]. Для создания развитой пористой структуры поверхности нержавеющей стали, служащей для закрепления катализатора, используют электрохимическое травление в растворе хлорида железа с концентрацией выше 200 г/л при плотности тока 21-50 А/дм2. В частном случае исполнения данного способа травление ведут при плотности тока 11-25 А/дм2 в растворе хлорида натрия, в который добавляют серную кислоту.

Известен также катализатор, содержащий платину, или палладий, или их смесь, нанесенную на носитель из сплава металла SU 488380, публ. 15.10.1975 [4]. Для увеличения поверхности и активности данного катализатора носитель изготовлен в виде маленьких проволочных спиралей со средним диаметром и длиной не более 6,35 мм и диаметром проволоки 0,13-0,38 мм.

Для формирования активного слоя на поверхности проволоки данного катализатора требуется подготовка электролита, содержащего водорастворимое соединение металла платиновой группы, что удорожает и усложняет процесс. Кроме того, подход, предложенный в SU 488380, предполагает наличие слоя металла платиновой группы и подложки из неплатинового компонента, что ограничивает диапазон температур эксплуатации данных катализаторов. Верхний предел температур будет ограничиваться температурной плавления предложенных подложек, что не позволит успешно применять катализатор при температурах выше 1400-1500°С. Помимо этого, слои платинового металла и подложки в SU 488380 (сплавы типа нихром) будут иметь разные коэффициенты линейного температурного расширения (к примеру, для нихрома 18⋅10-6°С-1, для иридия 7⋅10-6°C-1), что приведет к растрескиванию поверхности металла платиновой группы, а следовательно, к ограниченному времени применения в условиях импульсного изменения температуры и давления в окислительной среде. В итоге катализатор будет терять в массе, что со временем приведет к его разрушению.

Из анализа уровня техники следует вывод, что эффективность проволочных катализаторов из металлов платиновой группы повышают изменением структуры проволочного брикета, включая структуру ячеек для сеток и т.д., а электрохимическое травление применяют для создания проводящей основы из некаталитических материалов, или создания развитой пористой структуры поверхности металлов, не относящихся к платиновой группе, то есть не каталитических, служащей для закрепления катализатора.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении эффективности проволочных катализаторов более простым способом. Для этого предложен способ обработки проволоки для катализатора, выполненной из металла платиновой группы, в котором обработку проволоки осуществляют переменным током в водном растворе минеральной кислоты при комнатной температуре в диапазоне плотностей тока 0,4-5,0 А/см2 и частоте переменного тока 2-50 Гц.

Сущность изобретения заключается в электрохимическом травлении готовой проволоки из металлов платиновой группы переменным током в водном растворе минеральной кислоты в заданном диапазоне плотностей и частоты переменного тока. Металлы, перекристаллизованные в неравновесных условиях и/или подвергнутые обработке давлением, представляют собой агрегаты мелких кристаллов и называются поликристаллическими материалами. Дефекты кристаллической решетки в таких материалах распределены в основном по границам зерен. Скорость растворения поликристаллических материалов за счет дефектов выше по границам зерен. Кратковременная реализация окислительной реакции приведет к растворению материала по границам зерен, следовательно, к увеличению шероховатости. При этом если в растворе не содержится сколь-либо значимой концентрации ионов обрабатываемого материала, проведение последующей реакции восстановления обеспечит кристаллизацию растворенного материала на центрах зерен. Таким образом, шероховатость еще более возрастет. Длительное по времени циклическое воздействие на поверхность при помощи реакции окисления - восстановления приведет к значительному увеличению удельной поверхности изделия. Именно это происходит при электрохимическом травлении готовой проволоки из металлов платиновой группы переменным током в водном растворе минеральной кислоты в заявленном диапазоне плотностей и частоты переменного тока. При этом имеется возможность контролировать время и частоту воздействия.

Таким образом, предлагаемый способ основан на протекании реакции окисления металла и реакции восстановления, проходящей на поверхности проволоки в растворе минеральной кислоты. Наличие микродефектов готовой проволоки обуславливает неравномерное распределение тока на поверхности, что приводит к развитию шероховатости (увеличению удельной поверхности проволоки). Заявленный электрохимический способ обработки металлической проволоки позволяет получать проволочные материалы с высокой удельной поверхностью. Так как процесс проводится на воздухе в водном растворе и при комнатной температуре, он не требует значительных затрат на подготовку сырья и материалов. Благородный металл при этом практически не расходуется. В отличие от электрохимического травления, применяемого в источнике [2], где его используют для создания проводящей основы из некаталитических материалов, а также от электрохимического травления, применяемого в источнике [3], где его используют для создания развитой пористой структуры поверхности нержавеющей стали, служащей для закрепления катализатора, в заявленном способе используют электрохимическое травление готовой проволоки из металлов платиновой группы, которое приводит к увеличению удельной поверхности проволоки.

В отличие от катализатора, описанного в источнике [4], который можно применять при температурах выше 1400-1500°С, катализатор, полученный заявленным способом, состоит только из компонентов платиновой группы, обладающей активированной поверхностью, сможет выдерживать температуры вплоть до 2200°С, импульсные колебания температуры и давления, длительное воздействие окислительной среды. Эти преимущества позволяют применять катализатор для проведения контролируемых термокаталитических процессов в окислительной среде при высоких температурах с импульсным изменением параметров. При этом заявленный способ не требует задавать в раствор кислот концентрации металла платиновой группы.

Заявленный электрохимический способ обработки металлической проволоки позволяет получать цельнометаллические проволочные материалы с высокой удельной поверхностью, повышающей эффективность катализатора. Информации о подобном подходе к повышению эффективности материала катализатора не обнаружено.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении удельной поверхности проволоки из металлов платиновой группы за счет проведения на ее поверхности реакций окисления и восстановления.

Способ принципиально опробован на проволоках из иридиевого (Ir) и иридий-родиевого материала (Ir-Rh 40 мас. %). Удельную поверхность обработанной проволоки контролировали методом БЭТ.

Пример 1. Электрохимическую обработку Ir проволоки диаметром 300 мкм проводили в водном растворе HNO3 при плотности тока 0,4 А/см2 с частотой 2 Гц при комнатной температуре. Измеренное значение удельной поверхности проволоки составило 0,23 м2/г. Увеличение удельной поверхности приблизительно в 387 раз.

Пример 2. Электрохимическую обработку 1 г проволоки диаметром 300 мкм проводили в водном растворе HCl при плотности тока 0,5 А/см2 с частотой 50 Гц при комнатной температуре. Измеренное значение удельной поверхности проволоки составило 0,23 м2/г. Увеличение удельной поверхности приблизительно в 388 раз.

Пример 3. Электрохимическую обработку Ir-Rh (40 мас. %) проволоки диаметром 300 мкм проводили в водном растворе HCl при плотности тока 0,5 А/см2 с частотой 50 Гц при комнатной температуре. Измеренное значение удельной поверхности проволоки составило 0,17 м2/г. Увеличение удельной поверхности приблизительно в 238 раз.

Пример 4. Электрохимическую обработку Ir-Rh (40 мас. %) проволоки диаметром 300 мкм проводили в водном растворе H2SO4-HCl при плотности тока 2,0 А/см2 с частотой 50 Гц при комнатной температуре. Измеренное значение удельной поверхности проволоки составило 0,16 м2/г. Увеличение удельной поверхности приблизительно в 224 раза.

Пример 5. Электрохимическую обработку 1 г проволоки диаметром 300 мкм проводили в водном растворе HCl при плотности тока 5,0 А/см2 с частотой 50 Гц при комнатной температуре. Измеренное значение удельной поверхности проволоки составило 0,21 м2/г. Увеличение удельной поверхности приблизительно в 294 раза.

Несмотря на то что в данной заявке приведены примеры получения проволоки из иридиевого и иридий-родиевого материала, способ применим для электрохимической обработки других металлов платиновой группы ввиду схожести их физических и химических свойств. Более того, согласно актуальным фундаментальным естественно-научным представлениям, применяемое в настоящем способе воздействие при индивидуально подобранных режимах вызовет схожие изменения структуры поверхности у всех материалов, обладающих электронной проводимостью и из которых можно изготовить проволоку.

Таким образом, заявленный способ электрохимической обработки проволоки позволяет значительно увеличить удельную поверхность металлической проволоки. Процесс характеризуется простотой и технологичностью и протекает в одну стадию. Преимущества способа позволяют эффективно использовать его для промышленного применения.

6

Способ обработки проволоки для катализатора, выполненной из металла платиновой группы, отличающийся тем, что обработку проволоки осуществляют переменным током в водном растворе минеральной кислоты при комнатной температуре в диапазоне плотностей тока 0,4-5,0 А/см2 и частоте переменного тока 2-50 Гц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электрохимических методов декоративной обработки поверхностей и может быть использовано для придания декоративной фактуры поверхности серебра.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам контроля степени удаления покрытий с деталей из жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при ремонте лопаток турбин.
Изобретение относится к медицинской технике, в частности к подготовке поверхности титановых имплантатов перед нанесением биоактивных покрытий на поверхность имплантата, и может быть использовано для выявления микроструктуры металла.

Изобретение относится к проявлению структуры монокристаллических суперсплавов. .

Изобретение относится к способу избирательного удаления составов для пайки твердым или среднеплавким припоем из базовых узлов (узлов основания), и в частности, к способу избирательного удаления никелевого сплава для твердой пайки с деталей из сплавов на основе никеля.

Изобретение относится к электролитическому травлению металлических лент, в частности лент из специальной стали, титана, алюминия или никеля, причем электрический ток пропускают через ленту косвенно без электропроводящего контакта между лентой и электродами.

Изобретение относится к электрохимической обработке поверхности стали н может найти применение в атомной технике, судоремонтной, химической и машиностроительной промыт ленностях.Цель изобретения - повышение эффективности процесса и уменьшение шероховатости поверхности.

Изобретение относится к локальному травлению материалов преимущественно при их микрои макроскопическом исследовании. .

Изобретение относится к аккумулирующему NOx компоненту, содержащему его поглощающему NOx катализатору для использования в очистке отработавших газов от автомобилей, системе выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и способу очистки отработавших газов, содержащих NOx.

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслям промышленности, в частности к способам переработки тяжелых нефтей и битумов.

Изобретение относится к способу получения носителя катализатора для превращений углеводородного сырья на основе мезопористого материала. Способ заключается в том, что готовят мезопористый материал из гидроксида циркония путем осаждения гидроксидной фазы из композиции, состоящей из гидратированного оксида циркония, водного раствора минеральной кислоты и темплата, в качестве которого используют тетраалкиламмония бромид или хлорид, в котором один из алкилов представлен в виде CnH2n+1, где n=10-20, а три других алкила представлены в виде метила, этила, пропила или бутила.

Изобретение относится к катализатору окисления выхлопных газов, предназначенному для газопоглощения выхлопных газов, испускаемых из двигателей внутреннего сгорания.

Предложен улучшенный катализатор по настоящему изобретению. Улучшенный катализатор включает сотовую структуру с по меньшей мере одной наночастицей на сотовой структуре.

Изобретение относится к способу получения катализатора, пригодного для применения в способе парового риформинга. Способ включает стадии: (i) распыление взвеси, содержащей измельченное соединение-катализатор, содержащее один или большее количество каталитических металлов, выбранных из группы, включающей Ni, Cu, Pt, Pd, Rh, Ru и Au, на поверхность сформованной подложки, содержащей оксид подложки, выбранный из группы, включающей оксид алюминия, диоксид церия, оксид магния, диоксид титана или диоксид циркония, алюминат кальция или алюминат магния и их смеси, в баковом устройстве для нанесения покрытий с получением формованного материала подложки с покрытием, содержащего каталитический металл в поверхностном слое, в котором содержание твердых веществ во взвеси находится в диапазоне 10-60 масс.

Изобретение относится к области катализа и нефтепереработки, в частности к бифункциональному катализатору на основе алюмофосфатного цеолита, имеющего структуру AFO, обеспечивающего совместное получение низкозастывающих дизельных или реактивных топлив и изопарафиновых масел из высокопарафинистого сырья.
Изобретение относится к способу получения трифторэтилена из хлортрифторэтилена, включающему взаимодействие хлортрифторэтилена с водородом в присутствии катализатора, включающего палладий или платину на подложке из формованного активированного угля.
Изобретение относится к способу конверсии смеси углеводородного сырья, содержащей большую концентрацию неравновесных ароматических C8 соединений и незначительную концентрацию неароматических соединений.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления каталитического электрода мембрано-электродного блока, преимущественно для водородных и метанольных топливных элементов.
Изобретение относится к катализатору для холодного пуска и его применению в выхлопной системе для двигателя внутреннего сгорания. Катализатор для холодного пуска содержит цеолитовый катализатор и катализатор с нанесенным металлом платиновой группы. Цеолитовый катализатор содержит железо, палладий и цеолит. Катализатор с нанесенным металлом платиновой группы содержит один или несколько металлов платиновой группы и один или несколько носителей из неорганических оксидов. Данное изобретение также включает выхлопную систему для двигателей внутреннего сгорания, содержащую катализатор для холодного пуска. Технический результат - улучшенное сохранение NOx и конверсии NOx, улучшенное сохранение конверсии углеводородов и окисление CO во время периода холодного пуска. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области электрохимической обработки металлов и может быть использовано при изготовлении катализаторов химических реакций. Способ обработки проволоки для катализатора, выполненной из металла платиновой группы, осуществляют переменным током в водном растворе минеральной кислоты при комнатной температуре в диапазоне плотностей тока 0,4-5,0 Асм2 и частоте переменного тока 2-50 Гц. Технический результат: повышение удельной поверхности проволоки из металлов платиновой группы за счет проведения на ее поверхности реакций окисления и восстановления.

Наверх