双疏型含铂催化剂材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种双疏型含铂催化剂材料、其制备方法及应用，方法包括以下步骤：在表面构建多个硅羟基；在20

【技术实现步骤摘要】
双疏型含铂催化剂材料、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及材料制备
，尤其涉及一种双疏型含铂催化剂材料、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]全球能源短缺是人类社会发展面临的主要挑战之一。以目前的储量和开采量而言，各种化石能源将面临枯竭，根据预测，石油将在40余年后枯竭，天然气将在60余年后用尽，煤炭也仅够开采使用150余年。而且化石能源除了消耗量较大还面临着环境污染和气候影响等严重问题。核裂变能提供丰富的能量，而且不排放温室气体，是世界能源的重要组成部分之一。而核聚变作为一种很有前途的能源，因其能量密度高、清洁可靠而受到广泛关注。核聚变反应中，氘氚聚变反应放出的能量大，反应条件最为温和，被认为是现阶段最有希望实现的可控核聚变反应。
[0003]虽然核能具有清洁和经济等特点，但大规模长期使用仍然面临较多的问题需要解决，其中核电站中氢气泄漏引起的氢爆和核聚变放射性氚泄漏都是关系到核电站安全运行的威胁。无论在核裂变电站或未来核聚变电站中，氢同位素去除系统对于大大降低核裂变氢爆炸和核聚变放射性氚泄漏的风险至关重要。因此，有效的氢同位素去除系统对于核电站的安全运行和环境保护至关重要。
[0004]在处理大空速气体时催化氧化是氢同位素脱除系统中常用的方法，而催化剂的性质对氢同位素的富集和脱除有重要影响。除氚催化剂一般要求具有以下一些特点：很高的氚转化率、较高的稳定性、较低的催化反应温度以及较强的抗氚辐照能力。常用的除氚催化剂主要有以下三类：氧化剂类，包括CuO、MnO2、AgO及霍加拉特氧化剂等；贵金属(Pt、Pd)催化剂。氧化剂除氚的优点在于材料简单易得，可同时用于惰性气氛和空气气氛除氚。但其使用温度高，深度除氚能力有限，再活化温度较高。
[0005]目前，贵金属催化剂因其高催化效率和低能耗而引起了广泛的研究兴趣。贵金属负载型催化剂的主要优点在于反应温度低，室温即可工作；催化反应速率对温度变化灵敏，在处理大量含氚气体或应急处理时适当提高温度可大幅提高转化率和氧化速率；催化反应不受反应平衡的影响，可以实现深度除氚。然而，当温度低于100℃时，水容易粘附在贵金属表面，阻止催化剂与氢同位素接触。此外，由于三级包容系统是通过泵将气体泵入手套箱实现运行，会带有机油等物质一起进入手套箱，另外由于事故时污染气体被泵入催化床，一些石油和有机物会随污染气体进入催化床，从而占据活性中心，降低催化效率和使用寿命，并影响催化剂的重启性能。因此，开发一种既能疏水又能疏油的双疏除氚催化剂对于核能的发展应用至关重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中，贵金属催化剂疏水疏油性能差的问题，以纳米硅及氟化物功能化材料为载体设计合成了新型贵金属催化剂。由于其同时具有疏水和疏油性质，该
催化剂在室温下表现出优秀的氢同位素催化氧化性能，同时具有良好的重启性能及使用寿命。
[0007]本专利技术的目的是提供一种双疏型含铂催化剂材料、其制备方法及应用，解决现有技术中，贵金属催化剂疏水疏油性能差进而降低催化效率和使用寿命，并影响催化剂的重启性能的问题。
[0008]本专利技术的第一个目的是提供一种双疏型含铂催化剂材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0009](1)在含硅多孔基底材料表面构建多个硅羟基；
[0010](2)在20
‑
30℃条件下，利用含有硅酸酯类化合物、硅酸酯水解催化剂和水的混合溶液在构建多个硅羟基后的多孔基底材料表面生长纳米二氧化硅颗粒，反应完成后，得到粗糙化后的多孔基底材料；
[0011](3)在20
‑
30℃条件下，利用氨基硅烷偶联剂溶液对粗糙化后的多孔基底材料进行活化处理，反应完成后，得到活化后的多孔基底材料；
[0012](4)在20
‑
30℃条件下，利用含有芳香基硅烷化合物和氟烷基硅烷化合物的溶液对活化后的多孔基底材料进行功能化处理，反应完成后，得到双疏多孔基底材料；
[0013](5)在双疏多孔基底材料表面生长纳米铂颗粒，得到双疏型含铂催化剂材料。
[0014]该技术方案的有益效果至少包括：通过在含硅多孔基底材料表面构建多个硅羟基使其粗糙化，经活化处理、功能化处理以及生长纳米铂颗粒，实现疏水疏油效果，最终得到双疏型含铂催化剂材料，提高贵金属催化剂的催化性能及重启性能，所得双疏型含铂催化剂材料同时具有疏水性和疏油性，在催化进行氧化除氚时，具有较高的催化效率和使用寿命，同时具有良好的重启性能。
[0015]进一步地，在步骤(5)中，在双疏多孔基底材料表面生长纳米铂颗粒，所采用的方法包括：
[0016](S1)将含有氯铂酸的丙酮溶液吸附于双疏多孔基底材料中，将吸附有含有氯铂酸的丙酮溶液的双疏多孔基底材料干燥后，得到氯铂酸附着的双疏多孔基底材料；
[0017](S2)在180
‑
275℃条件下，利用还原性气体对氯铂酸附着的双疏多孔基底材料进行还原处理，反应完成后，得到双疏型含铂催化剂材料。上述方法采用气体还原法在双疏多孔基底材料表面生长纳米铂颗粒，气体还原法生长的纳米铂颗粒在双疏多孔基底材料表面分布均匀，还原度较高。
[0018]进一步地，在步骤(5)中，纳米铂颗粒的粒径小于6nm，主要集中于3nm左右。合适的纳米铂颗粒的粒径能够曝露更多的活性位点，极大地增加活性位点与氢气的接触几率，提高催化效率。
[0019]进一步地，在步骤(2)中，硅酸酯类化合物包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯和正硅酸丁酯中的一种或多种组合；硅酸酯水解催化剂包括氨水、氢氟酸、盐酸、氨水、硫酸和醋酸中的一种或多种组合。其中，在配置混合溶液时，硅酸酯水解催化剂的体积分数为4.6％
‑
15.4％，硅酸酯类化合物与硅酸酯水解催化剂的体积比为1：0.6至1：2.1。
[0020]进一步地，在步骤(2)中，纳米二氧化硅颗粒的粒径范围为50
‑
500nm。合适的纳米二氧化硅颗粒的粒径能够使材料粗糙化，极大地提高疏水效果。
[0021]进一步地，在步骤(3)中，氨基硅烷偶联剂包括KH
‑
550、KH
‑
540和(2
‑
氨基异丙基)
三乙氧基硅烷中的一种或多种组合，氨基硅烷偶联剂溶液中的溶剂包括醇类、酯类、醚类、芳香族溶剂中的一种或多种组合。
[0022]进一步地，在步骤(4)中，芳香基硅烷化合物包括如式(1)所示的化合物，氟烷基硅烷化合物包括如式(2)所示的化合物：
[0023][0024]其中，R1为苯基、苯氨甲基或苯乙基；R2选自氢、C1
‑
C3烷基中的一种；R3选自氢、C1
‑
C3烷基中的一种；m＝0
‑
11。合适的氟烷基链的链长有利于双疏效果，从而减轻水汽和油气对催化活性位点的失活效应，提高催化效率。C1
‑
C3烷基如甲基、乙基或异丙基。
[0025]本专利技术的第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双疏型含铂催化剂材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在表面构建多个硅羟基；在20
‑
30℃条件下，利用含有硅酸酯类化合物、硅酸酯水解催化剂和水的混合溶液在构建多个硅羟基后的所述多孔基底材料表面生长纳米二氧化硅颗粒，反应完成后，得到粗糙化后的所述多孔基底材料；在20
‑
30℃条件下，利用氨基硅烷偶联剂溶液对粗糙化后的所述多孔基底材料进行活化处理，反应完成后，得到活化后的所述多孔基底材料；在20
‑
30℃条件下，利用含有芳香基硅烷化合物和氟烷基硅烷化合物的溶液对活化后的所述多孔基底材料进行功能化处理，反应完成后，得到双疏多孔基底材料；在所述双疏多孔基底材料表面生长纳米铂颗粒，得到双疏型含铂催化剂材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述双疏多孔基底材料表面生长纳米铂颗粒，所采用的方法包括：将含有氯铂酸的丙酮溶液吸附于所述双疏多孔基底材料中，将吸附有所述含有氯铂酸的丙酮溶液的所述双疏多孔基底材料干燥后，得到氯铂酸附着的所述双疏多孔基底材料；在180
‑
275℃条件下，利用还原性气体对氯铂酸附着的所述双疏多孔基底材料进行还原处理，反应完成后，得到双疏型含铂催化剂材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米铂颗粒的粒径小于6nm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅酸酯类化合物包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯和正硅酸丁酯中的一种或多种组合；所述硅酸酯水解催化剂包括氨水、氢氟酸、盐酸、氨水、硫酸和醋酸中的一种或多种；其中，在配置所述混合溶液时，所述硅酸酯水解催化剂的体积分数...

【专利技术属性】
技术研发人员：华道本，周磊，徐美芸，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：