液相还原制备碳载贵金属催化剂高批量一致性制备方法技术

本发明专利技术公开了一种液相还原制备碳载贵金属催化剂高批量一致性制备方法，解决批量制备一致性差的技术问题。该方法包括：1)碳载体预处理，将炭黑加入去离子水中，搅拌混合均匀，得到分散的体系A；2)原位吸附，将分散剂加入贵金属前驱体的水溶液中得到体系B，然后将炭黑载体水溶液体系A以反滴加模式添加至贵金属前驱体体系B中，得到体系C；3)还原，将体系C的pH值调节至10‑11，得到体系D，分步还原，得到体系E；4)洗涤干燥，将体系E抽滤去除水，用去离子水洗涤，干燥，制得碳载贵金属催化剂。本发明专利技术通过制备过程原料性能、吸附方式、还原温度和烘干过程等因素精细化控制，达到催化剂性能高批量一致性的保障。

【技术实现步骤摘要】
液相还原制备碳载贵金属催化剂高批量一致性制备方法
本专利技术涉及一种液相还原制备碳载贵金属催化剂高批量一致性制备方法，该催化剂适用于包括质子交换膜燃料电池Pt/C和Pt基合金催化剂等的开发与制备。
技术介绍
燃料电池是一种具有高能量密度、高效率、环境友好的新型能源体系，目前商业上常使用贵金属如Pt基催化剂。液相还原制备碳载贵金属催化剂是通过将均质化的载体炭黑添加到铂前驱体化合物，采用液相还原技术，得到分散均匀，铂粒径小，活性高的铂炭催化剂。由于燃料电池电催化剂活性组分含量高达50％及以上，因此在制备及放大过程中存在不同批次制备的催化剂性能不稳定、一致性偏差大的问题，导致其利用率、使用寿命等因素对燃料电池膜电极的整体性能产生较大影响。例如，碳载铂合金催化剂从实验室制备放大到中试存在很大差距，实验室条件下，碳载体和前驱体浓度比较低；放大到百克级时，分散和浓度有较大差异。主要存在问题有：①由于碳载体团簇形貌不同，在较高浓度下高度分散困难；②前驱体到碳载体传质扩散层厚度会不同；③局域温度场和局域浓度场变化，会导致核生长产生差异，造成成核和核生长不均匀性以及核竞争生长，从而难以控制纳米粒子尺寸、形貌、分布，导致催化剂负载失效。通过反应工艺设计及保障调控催化剂成核和生长过程，阐释：①成核生长过程中前驱体、成核基体浓度和传质控制；②催化剂制备过程中化学热力学和动力学的规律理解；③宏观-微观的传热和传质相互关系，流体动力学与边界层对控制多物理、多化学、多尺度、多相体系的保障措施，从而获得批量一致性关键工艺方案。上述现有技术存在的不足可以概括为：由于在制备过程中对活性粒子在差异化的浓度场和温度场中成核热力学和动力学等科学问题的影响，导致其成核速率和生长过程存在较大的变化，从而引起催化性能上的变差较大。因此，通过识别过程控制核心参数进行精确控制，是实现批量制备的高一致性的重要思路。
技术实现思路
本专利技术涉及一种液相还原制备碳载贵金属催化剂高批量一致性制备方法，主要解决批量制备一致性差的技术问题。本专利技术采用的技术方案的基本思路为：1)本专利技术提到的反应前对载体进行分散与均质化处理，应用粒度分析仪监测碳载体均质化后的颗粒粒径分布情况，保证碳颗粒的粒度单分散性分布，主要目的是达到碳载体在溶剂中分散均匀浆料状态，该步骤为下一步贵金属前驱体的高浓度吸附奠定基础。2)本专利技术提到的将均质化的碳以“反滴加模式”添加至高浓度、分散均匀的贵金属前驱体溶液中，应用ICP测试方法监控溶液中前驱体贵金属离子浓度的变化，主要目的是保障前驱体在碳载体上高浓度吸附，保证碳表面微区环境中前驱体的浓度一致，有利于前驱体离子在载体上高浓度吸附的原位均匀吸附。3)本专利技术提到的通过还原温度控制成核和生长过程，结合紫外可见分光监控金属纳米粒子金属纳米粒子的变化趋势指导成核模式及抑制生长，保障生成单分散性好和粒径均匀的纳米粒子，调控活性组分的粒径和单分散的一致性。4)本专利技术提到的建立催化剂烘干过程中的温度梯度分布控制，动态监测催化剂湿料水份变化，建立温度差异化的控制机制，主要目的是保障碳载催化剂烘干过程颗粒粒径不团聚和聚集，保障性能的一致性。本专利技术的制备方法的具体步骤如下：步骤1，碳载体预处理过程将炭黑加入去离子水中，搅拌使其混合均匀，得到分散的炭黑载体水溶液体系A；步骤2，原位吸附过程按一定比例将分散剂加入贵金属前驱体的水溶液中得到体系B，然后将所述炭黑载体水溶液体系A以“反滴加模式”添加至所述贵金属前驱体体系B中，得到体系C；步骤3，还原过程将所述体系C的pH值调节至10-11，得到体系D；采用还原剂分步控制还原，得到体系E；步骤4，洗涤干燥过程将所述体系E抽滤去除水，并用去离子水洗涤，干燥，制得碳载贵金属催化剂。进一步地，所述步骤1中搅拌使其混合均匀具体为：采用高频超声设备并辅助变频控制搅拌，采用粒度分析仪测试其碳颗粒粒度分布控制在20-30μm范围内停止搅拌。进一步地，所述步骤2还包括：首先将所述体系A的三分之一按1.0mL/s滴加到体系B，搅拌浸渍24h后，再将A剩余的二分之一按0.8mL/s滴加到体系B，搅拌浸渍24h，最后将A剩余部分按0.5mL/s滴加到体系B中，搅拌浸渍24h，采用ICP测试方法实时监控溶液中前驱体贵金属离子浓度的变化，当贵金属的浓度降到0.5g/L时进行下一步骤。优选的，所述步骤2还包括：所述分散剂为草酸钠溶液或者二水合柠檬酸钠；所述分散剂与贵金属前驱体的质量比例为0.15～0.20:1。优选的，所述步骤3中的调节所述体系C的pH值具体为：在体系C中缓慢加入浓度为0.5mol/L的氢氧化钠，pH调节至10-12。优选的，所述步骤3中的还原剂为硼氢化钠、水合肼、乙二醇中的一种或多种。优选的，所述步骤3中的分步还原具体为：先在150℃加入还原剂反应1h，然后在150～180℃保温继续还原处理3h，然后室温冷却继续搅拌2h，得到体系E。优选的，所述步骤4具体为：将所述体系E抽滤去除水，并用去离子水洗涤8-10次，然后于真空干燥箱中程序烘干并排湿，先在40～80℃烘干3h，然后在60℃继续保温5h，最后在40℃继续烘干8h，水份含量控制在2wt％以内，制得碳载贵金属催化剂。优选的，所述贵重金属为铂、钯、铑中的任一种。与现有技术相比较，本专利技术的有益效果包括：1)通过保障前驱体在碳载体上高浓度吸附，将均质化的碳以“反滴加模式”添加至高浓度、分散均匀的贵金属前驱体溶液中，保证碳表面微区环境中前驱体的浓度一致。应用ICP测试方法监控溶液中前驱体贵金属离子浓度的变化降低至0.5g/L后，保障前驱体离子在载体上高浓度吸附的原位均匀吸附。2)通过还原温度稳定化控制(150℃～180℃)，有利于生成单分散性好和粒径小的纳米粒子的成核和生长过程。结合紫外可见分光监控金属纳米粒子金属纳米粒子的变化趋势指导成核模式及抑制生长，保障活性组分的粒径和单分散的一致性。3)通过建立催化剂烘干过程中的温度梯度分布控制，动态监测催化剂湿料水份变化，建立温度差异化的控制机制(40℃～80℃)，保障碳载催化剂烘干过程中粒径的一致性。附图说明图1为实施例催化剂的循环伏安图，表征电化学活性面积；图2为实施例催化剂的半电池线性扫描图，表征氧还原质量比活性；图3为实施例催化剂的TEM图；图中：a-200nm、b-20nm；图4为实施例催化剂的粒径统计分布图。具体实施方式主要物料包括：氯铂酸(贵研铂业股份有限公司)；市售的硼氢化钠、水合肼、乙二醇，为分析纯；市售的氢氧化钠、草酸钠为分析纯；分散剂采用市售草酸钠、二水合柠檬酸钠溶液。实施例1：中试制备100克铂含量为60％的铂炭催化剂。1)准确称取40克炭黑加入去本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液相还原制备碳载贵金属催化剂高批量一致性制备方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1，碳载体预处理过程/n将炭黑加入去离子水中，搅拌使其混合均匀，得到分散的炭黑载体水溶液体系A；/n步骤2，原位吸附过程/n按一定比例将分散剂加入贵金属前驱体的水溶液中得到体系B，然后将所述炭黑载体水溶液体系A以“反滴加模式”添加至所述贵金属前驱体体系B中，得到体系C；/n步骤3，还原过程/n将所述体系C的pH值调节至10-11，得到体系D；采用还原剂分步控制还原，得到体系E；/n步骤4，洗涤干燥过程/n将所述体系E抽滤去除水，并用去离子水洗涤，干燥，制得碳载贵金属催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种液相还原制备碳载贵金属催化剂高批量一致性制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，碳载体预处理过程
将炭黑加入去离子水中，搅拌使其混合均匀，得到分散的炭黑载体水溶液体系A；
步骤2，原位吸附过程
按一定比例将分散剂加入贵金属前驱体的水溶液中得到体系B，然后将所述炭黑载体水溶液体系A以“反滴加模式”添加至所述贵金属前驱体体系B中，得到体系C；
步骤3，还原过程
将所述体系C的pH值调节至10-11，得到体系D；采用还原剂分步控制还原，得到体系E；
步骤4，洗涤干燥过程
将所述体系E抽滤去除水，并用去离子水洗涤，干燥，制得碳载贵金属催化剂。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中搅拌使其混合均匀具体为：
采用高频超声设备并辅助变频控制搅拌，采用粒度分析仪测试其碳颗粒粒度分布控制在20-30μm范围内停止搅拌。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2还包括：
首先将所述体系A的三分之一按1.0mL/s滴加到体系B，搅拌浸渍24h后，再将A剩余的二分之一按0.8mL/s滴加到体系B，搅拌浸渍24h，最后将A剩余部分按0.5mL/s滴加到体系B中，搅拌浸渍24h，采用ICP测试方法实时监控溶液中前驱体贵金属离子浓度的变化，当贵金属的浓度降到0.5g/L时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋，栗云彦，唐玲，刘沁曦，刘健，周皓，高勇，李世明，陈力，卢军，周世平，
申请(专利权)人：昆明贵研新材料科技有限公司，昆明贵研催化剂有限责任公司，
类型：发明
国别省市：云南;53