[发明专利]一致性催化剂的批量制备方法

说明书

本发明公开了一种一致性催化剂的批量制备方法，其包括以下步骤：1)将氯铂酸、乙二醇、去离子水以及pH调节剂搅拌混合；2)将步骤1)所得混合物泵入超重力反应器中，加入碳载体，均匀分散，加热反应；3)反应结束后对所得溶液进行洗涤干燥，得到一致性催化剂。本发明以数量级的规模降低了大体积溶液体系的传质、传热不均问题，使催化剂的批量化制备成为可能，提高了最终Pt颗粒大小的均一性及Pt在载体上分布的均匀性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一致性催化剂的批量制备方法。

背景技术

燃料电池是氢能产业链的节点，连接上游氢气的制、储、运和下游交通、电站等终端应用，是氢能产业的突破点。作为其中的关键材料之一，催化剂的量产化工艺直接关系到整个燃料电池产业的商业化。目前国内关于燃料电池催化剂的量产化，很多仍然停留在实验室规模阶段，较少处于中试调试阶段。其中，用乙二醇还原氯铂酸的液相还原法是较为常见的燃料电池Pt催化剂的制备方法。采用这个工艺来放大批量制备Pt催化剂，则需要解决一系列因体系放大而造成一致性较差的问题。催化剂批量化生产，不是简单地将实验室工艺直接放大，需要解决催化剂宏量制备中的动力学、传质和传热问题。实验室规模的催化剂制备，一般在克级别，所用的原材料量相对较少，反应中的传质、传热和动力学参数的均一性相对较好，因而制备出来的催化剂均一性有所保证。然而针对批量化的催化剂制备，势必要采用大规格的反应器，那么其中的传质、传热和动力学参数的一致性必然相对较差，从而导致最终催化剂的一致性较差，这是催化剂量产过程中必须要解决的一个工程技术难点。

液相还原法是最常见的Pt催化剂制备方法之一，在合成工艺中，反应溶液的pH值是其中一个关键的调节参数。pH值的大小直接关系大zeta电位的大小。一般情况下，pH为酸性时，Zeta电位值为正，且越靠近0，Zeta电位值越大；pH为碱性时，Zeta电位值为负，且越靠近14，Zeta电位的绝对值越大。Zeta电位是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta电位的绝对值(正或负)越高，体系越稳定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，Zeta电位的绝对值越低，越倾向于凝结或凝聚，即吸引力超过了排斥力，分散被破坏而发生凝结或凝聚。按照上述原理，反应溶液应置于强酸状态或强碱状态，以便悬浮于反应溶液中的用于催化剂的碳载体或其他不溶解的载体更加容易分散。然而，一般合成中，所采用的Pt前躯体为氯铂酸，且其溶液呈强酸性，pH值较低。另外，据若干文献报道，针对液相还原Pt催化剂这一工艺，反应溶液pH值宜调节至9-11左右，以便合成出来的Pt颗粒大小及其均一性在相对最好的范围。所以，常规的液相还原法制备Pt催化剂中，通常往氯铂酸溶液及载体的混合液中加入碱性物质如NaOH等强碱物质，来调节pH值至9-11。在这较短的时间内，溶液的pH值经历了相当大的变化，其Zeta电位也经历了从正到负的巨幅变化，这样就造成了悬浮的反应液体系的大幅波动，其中的悬浮物不可避免地呈团聚状态，严重的甚至会发生沉降，极大地影响了最终合成后Pt在载体上分布的均匀性，及Pt的质量分数一致性。

此外，乙二醇也多被用来做还原氯铂酸的还原剂，在还原过程中，可能会产生羧酸等酸性物质，因而，在反应进行的过程中，反应体系的pH值及所对应的Zeta电位还在不断变化，这也一定程度上影响了最终Pt在载体上分布的均一性。这是催化剂量产过程中，必须要解决的另一个工程技术难点。

发明内容

针对反应溶液体系放大而带来的传质、传热及动力学参数分布不均的问题，本发明涉及开发了一套超重力反应器。

所述超重力反应器是利用高速旋转产生强大的超重力场，大幅提高流体反应物在超重力场中的传质及传热效率。举一个简单的例子，把反应器中的反应物从环境温度加热到150℃。在实验室规模中，这可能需要15分钟，但在大规模的生产反应器中，这可能需要2小时，但如果采用超重力反应器，则会缩短至几分钟。因而，超重力反应器可应用于超细粉体的分散、规模化反应合成等方面。