CN101342495B - 一种催化剂的制备方法及其性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种催化剂的制备方法及其性能测试装置，目的是克服现有技术中碳载铂或钯催化剂不耐高温、不抗氧化和催化反应装置结构复杂的缺点或不足。采用的方法是：以无机氧化物为载体，浸渍于含铂或含钯溶液中，再取出后在氢还原气氛炉中高温焙烧，经憎水处理后制备成负载型氢氧气体复合催化剂。所制成的负载型铂或钯催化剂分散性好、催化效率高、高温不易烧结，所需催化反应装置结构简单、制作容易，克服了现有技术中碳载铂或钯催化剂不耐高温、不抗氧化和催化反应装置结构复杂的缺点或不足。同时为检验所制备的用于密闭二次电池的氢氧气体复合催化剂的性能，提供一种催化剂性能测试装置。

Description

一种催化剂的制备方法及其性能测试装置

技术领域

本发明涉及二次电池制造领域中的一种催化剂的制备方法及其性能测试装置，具体地涉及一种密闭二次电池中氢氧气体复合催化剂的制备方法及其催化性能测试装置。

背景技术

在充放电过程中析出气体是二次电池中普遍存在的问题。在以水溶液为电解液的二次电池中，如铅酸蓄电池和各种碱性蓄电池，包括金属氢化物—镍电池、镉—镍电池、锌—镍电池、铁—镍电池等，析出的通常是氢气和氧气，它们来自于电解液中的水。气体的析出增加了电池的内压，为了电池的安全运行，必须在电池上安装安全阀，当电池内压达到某一阈值时，安全阀打开，让气体释放出去。但安全阀的频繁启动将使电解液中的水流失，极大地影响电池的充电效率、放电性能和循环寿命，为此需要经常向电池电解液中补充水，即电池需要经常“维护”，这给使用者带来很大不便。

为了实现电池的免维护，必须对电池实现真正的密封，即使安全阀不动作或极少动作。解决的根本方法是采用正负极不对称设计、优化充放充放电制度、在电池内部安装气体复合催化剂。在通常的铅酸蓄电池和各种碱性蓄电池体系中，一般采用负极大于正极的容量配置方法，这样在充放电后期，电池析出的气体将以氧气为主要组分。这部分氧气透过电池隔膜扩散到负极，与负极活性物质反应重新生成水而被消耗，使电池内压维持在一个相对稳定的水平而不会增加。为了便于氧气透过，要求电池贫电解液，并选用透气性好的隔膜。但这样的容量配置不能吸收氢气。对于许多碱性二次电池体系，负极因自放电而析出大量氢气，更重要的是在过充较多的情况下，电池将发生较为剧烈的电解水副反应，在正极析出氧气的同时负极也析出氢气，这时电池气室内的气体组分是氢氧混合气，必须依靠催化剂才能使它们重新复合成水。

在密闭二次电池中，一般使用活性碳担载的贵金属铂(Pt)或钯(Pd)作氢氧气体复合催化剂。这种催化剂在使用过程中会出现两个问题：(1)氢氧复合释放出的大量的反应热会使活性碳和催化剂氧化，从而降低催化剂的效能，甚至使催化剂烧毁，完全失效；(2)生成的水凝结后会覆盖在催化剂的表面上，阻隔了氢气和氧气与催化剂的接触。为了解决这两个问题，一份美国专利(U.S.Patent 4810595)为催化剂设计了一种组件：将催化剂用憎水膜包裹起来，捆扎在一瓦楞状的金属镍条上以方便散热。这种组件结构简单，但装配起来并不方便，同时散热速率不快，在氢氧气体分压高，复合速率快时，催化剂和憎水膜常因氢氧复合产生的火花而被烧毁，有时生成的水会部分汇集在瓦楞的沟槽中，阻隔气体与催化剂的接触，降低了催化剂的利用率。在另外的几份美国专利(U.S.Patent 4378413；4497880；6254841；6660425)中，以避免催化剂因过热而遭受破坏，设计了更为复杂的催化反应装置，通过控制催化剂表面气体的流量或压力来控制氢氧复合反应的速率。这些装置虽然工作可靠，但结构复杂，对体积小的电池而言难以小型化。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中碳载铂或钯催化剂不耐高温、不抗氧化和催化反应装置结构复杂的缺点或不足，提供一种用于密闭二次电池的氢氧气体复合催化剂的制备方法。

一种用于密闭二次电池的氢氧气体复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：

a将含铂或含钯化合物溶解配制成铂含量或钯含量为0.01~1克每升的溶液；

b将无机氧化物载体颗粒在80~120℃的温度下真空干燥0.2~10小时后，在步骤a所述的溶液中浸渍1~10小时，取出后沥干，置于氧化铝坩埚中，在氢还原气氛炉中升温至550～700℃焙烧1～5小时，获得负载型催化剂，升温时升温速率控制在每分钟2～15℃。

c将步骤b所制备的催化剂进行憎水处理，方法是：在5～30％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中浸泡10～60分钟，置于330～370℃的惰性气氛炉中热处理0.5~1小时。

在所述的步骤a中，所述溶液的溶剂为水、丙酮、乙醇、异丙醇、丁醇、N，N-二甲基甲酰铵中的一种或一种以上的混合物；

在所述的步骤b中，所述的无机氧化物载体包括活性三氧化二铝、3A分子筛(化学式：0.4K₂O·0.6Na₂O·Al₂O₃·2.0SiO₂·4.5H₂O)、5A分子筛(化学式：0.75CaO·0.25Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·4.5H₂O)、13X分子筛(化学式：Na₂O·Al₂O₃·(2.8±0.2)SiO₂.(6-7)H₂O)，它们的比表面积至少要大于1平方米每克。其中所述活性三氧化二铝可按如下步骤制备：将硝酸铝[Al(NO₃)₃]溶于二次去离子水，制成溶液，滴加氢氧化钠溶液，得氢氧化铝[Al(OH)₃]白色沉淀物，过滤并洗涤至中性，造粒，制成直径为1～5毫米的球形颗粒，置于800～900℃的马弗炉中焙烧1～5小时。

在所述步骤b中，所述浸渍可以是常压浸渍也可以是真空浸渍，所述真空浸渍是指下列步骤：将待浸渍无机氧化物载体颗粒置于密闭的耐压容器中抽真空1～0.01托(torr)，然后将步骤a所述溶液输入其中，待5～20分钟后，再通入1～2大气压的气体使溶液渗入无机氧化物载体颗粒的介孔或缺陷中。

在所述步骤b中，所述无机氧化物载体颗粒可以是球形、短棒状或粉末状，优选直径为1～5毫米的球形。

在所述步骤b中，所述负载型催化剂中催化剂活性组分铂或钯的含量(质量百分比)优选1～7％。可以通过改变铂或钯在步骤a中所述溶液中的浓度、在步骤b中所述的浸渍的时间，和选用不同的浸渍方式(常压浸渍或真空浸渍)来实现。

在所述步骤b中，所述氢还原气氛炉中气氛的组成是体积百分比90-99％的纯度大于99％的氮气、氩气或氦气、体积百分比1～10％的纯度大于99％的氢气。

该制备方法的有益效果是，所制成的负载型铂或钯催化剂分散性好、催化效率高、高温不易烧结，所需催化反应装置结构简单、制作容易，克服了现有技术中碳载铂或钯催化剂不耐高温、不抗氧化和催化反应装置结构复杂的缺点或不足。

本发明的另一目的是为检验所制备的用于密闭二次电池的氢氧气体复合催化剂的性能，提供一种催化剂性能测试装置。

一种催化剂性能测试装置，由密闭耐压电绝缘容器、铂阳极、铂阴极、电解液、催化剂装载组件、压力表、安全阀、温度传感器、压力传感器、电池测试仪、连接电缆、温度计组成，在密闭耐压电绝缘容器内装有电解液，催化剂装载组件设置在密闭耐压电绝缘容器内电解液液面上方，铂阳极和铂阴极插入电解液中并通过连接电缆与密闭耐压电绝缘容器外的电池测试仪电连接，压力表和安全阀设置在密闭耐压电绝缘容器上，温度传感器探头设置在催化剂装载组件内并通过连接电缆与密闭耐压电绝缘容器外的电池测试仪电连接，压力传感器设置在密闭耐压电绝缘容器上，并通过连接电缆与密闭耐压电绝缘容器外的电池测试仪电连接，温度计固定在密闭耐压电绝缘容器上，温度计的探头设置在密闭耐压电绝缘容器内电解液液面上方。

所述催化剂装载组件为金属镍网笼结构，网孔直径在0.5-5毫米之间，所述金属镍网优选拉网和冲孔网，所述催化剂组件在使用时需安装二次电池的气室中，安装方式可固定在电池的上盖上或正负的极耳上。

所述电解液优选摩尔浓度为0.1~6M的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。

该催化剂性能测试装置的测试方法是：

1取制备好的负载型催化剂装入催化剂装载组件金属镍网笼中，关闭密闭耐压电绝缘容器，开启电池测试仪并接通铂阳极、铂阴极、温度传感器和压力传感器；

2将电池测试仪置于恒电流充电状态，调节电流至设定值，并使电池测试仪自动记录压力、催化剂温度和电解电流；

3设定安全阀开阀压力至指定值，测试时如安全阀动作(开阀)，本次测试失败，催化剂视为不合格。

为保证气室内的氢气与氧气的摩尔比例恒为2∶1，电解前先向气室内通入惰性气体，赶走剩留的氧气或氢气，为保证气室内的气体温度为25℃，对容器1进行水浴恒温。

该方法的测试原理是，在一密闭的电解池中电解水，析出摩尔比为2∶1的氢氧混合气体：

根据法拉第定律，析气速率正比于电解电流i，即存在关系式：

$i=2F{\mathrm{kp}}_{H_2}{p}_{O_2}^{1/2},$

式中F为法拉第常数，等于96485.3415库仑每摩尔；p_H2为氢气分压；p_O2为氧气分压；k为反应速度常数，该常数可表征电极析气速率的快慢；系数2表示生成每个氢分子要得到2个电子。该混合气体在氢氧气体复合催化剂性颗粒表面发生化学反应，重新复合成水：

根据化学反应动力学，氢氧气体复合速率正比于氢气和氧气分压的乘积(p_H2p_O2 ^1/2)。当电解开始时，电极析气速率大于催化剂复合速率时，电解池内的气体压力(以下简称内压)p将上升，导致复合反应速度加快，经一段时间以后，析气速率与复合速率相等，反应达到平衡，内压p保持恒定不变。此时复合速率可用上式中的k表示。由于 $p_{H_2}=2P_{O_2},$ 在室温(25℃)时，如忽略水的蒸汽压(0.0313大气压)，又有 $p=p_{H_2}+p_{O_2},$ 则 $p_{H_2}{p}_{O_2}^{1/2}\≈\frac{2\sqrt{3}}{9}{p}^{3/2}.$ 上式改写为：

$i\≈\frac{4\sqrt{3}}{9}{\mathrm{Fkp}}^{3/2},$ 或 $k\≈1.346\×{10}^{-5}\frac{i}{p^{3/2}}$

根据此式，测试每一电流i(单位安培，即A)下的平衡内压p(单位为大气压，即atm)，即可求得一个k值，单位为大气压^-3/2·秒^-1，即atm^-3/2·s^-1。k值只与催化剂温度T有关，与气体分压无关。温度越高，k值越大。在同一温度下比较催化剂的k值，即可给催化剂的活性排序，k值越大，催化剂活性越高，因此可用k来表征催化剂的性能。

然而，考虑到氢氧复合反应是剧烈的放热反应，放出的热量会升高催化剂的温度，提高催化剂的活性，加快氢氧复合反应速率，而复合反应速率加快又会放出更多的反应热，因此催化剂的实际工作温度T取决于催化剂的热平衡状况，事先难以控制。不同的催化剂在同一电解电流下，达到热平衡时的温度T可能不尽相同，因此要比较催化剂的活性，需同时测定T值和k值，只有T值低同时k值又大的催化剂才能确定为是性能好的催化剂。一般，氢氧复合催化剂还存在一个活化期。这是因为，在电解反应初期，催化剂处于室温，k值较小，活性较低，致使气室5内氢氧气体迅速积累，内压p迅速升高。当p足够大时，由于反应物浓度高，复合反应加快，放出的热量使催化剂温度升高，提高了k值，使复合反应速率呈加速增长，催化剂温度迅速提高，很快氢氧复合反应速率大于电解速率，内压p下降，反应热减小，催化剂温度逐渐回落到某一温度，达到热平衡。在此温度下电解速率与复合速率相等，催化剂的吸热与散热相等，温度基本保持不变。这样内压p和催化剂温度在达到平衡前会出现一个峰值(最大值)。峰值越大，说明催化剂室温催化活性越低，越难活化。高的峰值还威胁到电池的安全，影响催化剂的使用寿命。因此，要合理地评价一个氢氧复合催化剂的性能，需测定不同电解电流下催化剂的k值和与之对应的平衡内压p及催化剂的平衡温度T，还要测定达到平衡过程中出现的内压和催化剂温度的峰值。显然，k值越大，内压p的峰值和平衡值以及催化剂温度T的峰值和平衡值越小，催化剂的性能越好。对于低温活性好的催化剂，内压和催化剂温度的峰值可能都不会出现。

因此，根据催化剂活性与内压p、催化剂温度T的峰值和平衡值的关系，可对催化剂性能的优劣进行评价，筛选出活性好的催化剂。

该性能测试装置的有益效果是结构简单，操作方便，能准确的表征催化剂的活性性能，并且能根据设定的标准对催化剂进行筛选。

附图说明

图1，催化剂性能测试装置。

图中，1密闭耐压电绝缘容器，2铂阴极，3铂阳极，4电解液，5气室，6压力表，7安全阀，8催化剂装载组件，9温度传感器，10压力传感器，11电池测试仪，12连接电缆，13温度计。

图2实施例1制备的催化剂的测试曲线。

图3实施例2制备的催化剂的测试曲线。

图4实施例3制备的催化剂的测试曲线。

图5实施例4制备的催化剂的测试曲线。

具体实施方式

实施例1

称取100.2毫克二氯化钯(PdCl₂·2H₂O)，置于250毫升的称量瓶中，加二次去离子水，配制成含钯0.2克每升的水溶液。称粒径为2毫米的球形3A分子筛颗粒5克，置于烧杯中，到入配制的二氯化钯水溶液浸泡24小时，将分子筛颗粒捞出沥干，置于120℃的真空干燥箱内真空干燥10小时后，在600℃由10％氢气+90％氩气(体积百分比)组成的流动的氢还原气氛炉中焙烧3小时，升温速率每分钟10℃，随炉冷却。将所得样品再按相同的步骤和工艺条件重复浸泡焙烧二次，以提高钯含量。用ICP-AES法(刘丽华，赵荣林，张喜文，ICP-AES法测定Pd/γ-Al₂O₃-SiO₂催化剂中微量钯，当代化工，2005，34(4)：281-283)测得最终所得负载型钯催化剂的钯含量为4.8％。将所得负载型钯催化剂在10％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中浸泡20分钟，置于330～370℃的氮气氛炉中热处理1小时，随炉冷却，得到制备好的负载型催化剂。

将制得的负载型催化剂放入催化剂性能测试装置，所述测试装置由密闭耐压电绝缘容器1、铂阴极2、铂阳极3、电解液4、催化剂装载组件8、压力表6、安全阀7、温度传感器9、压力传感器10、电池测试仪11、连接电缆12、温度计13组成，在密闭耐压电绝缘容器1内装有电解液4，催化剂装载组件8设置在密闭耐压电绝缘容器1内电解液4液面上方，铂阳极2和铂阴极3插入电解液4中并通过连接电缆12与密闭耐压电绝缘容器1外的电池测试仪11电连接，压力表6和安全阀7设置在密闭耐压电绝缘容器1上，温度传感器9探头设置在催化剂装载组件8内并通过连接电缆12与密闭耐压电绝缘容器1外的电池测试仪11电连接，压力传感器10设置在密闭耐压电绝缘容器1上，并通过连接电缆12与密闭耐压电绝缘容器1外的电池测试仪11电连接，温度计13固定在密闭耐压电绝缘容器1上，温度计13的探头设置在密闭耐压电绝缘容器1内电解液4液面上方。所述催化剂装载组件8为金属镍网笼结构，网孔直径在0.5-5毫米之间。

在所述的催化剂性能测试装置上按照以下方法进行测试：

d将制备好的5克负载型催化剂装入催化剂装载组件8金属镍网笼中，关闭密闭耐压电绝缘容器1，开启电池测试仪11并接通铂阳极2、铂阴极3、温度传感器9和压力传感器10；

e将电池测试仪11置于恒电流充电状态，调节电流至设定值，并使电池测试仪11自动记录压力、催化剂温度和电解电流；

f设定安全阀7的开阀阈值为3个标准大气压，测试时如安全阀7动作(开阀)，本次测试失败，催化剂视为不合格。

测试结果示于图2，评测结果列于表1。

            表1实施例1制备的催化剂的性能

实施例2

称取125.2毫克硝酸钯[Pd(NO₃)₂·2H₂O]，置于250毫升的称量瓶中，加二次去离子水，配制成含钯0.2克每升的水溶液。称粒径为2毫米的球形5A分子筛颗粒5克，置于烧杯中，放入真空罩内，抽真空至0.01托，注入配制置的硝酸钯水溶液真空浸渍20分钟，将分子筛颗粒捞出沥干，置于120℃的真空干燥箱内真空干燥10小时后，在650℃由10％氢气+90％氩气(体积百分比)组成的流动的氢还原气氛炉中焙烧3小时，升温速率每分钟10℃，随炉冷却。将所得样品再按相同的步骤和工艺条件再重复浸渍焙烧一次。所得负载型钯催化剂用同实例1相同的ICP-AES法测得钯含量为5.1％。将所得负载型钯催化剂10％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中浸泡20分钟，置于330～370℃的氮气氛炉中热处理1小时，随炉冷却，得到制备好的负载型催化剂。

测试装置和测试方法同实施例1，测试结果示于图3，评测结果列于表2。

            表2实施例2制备的催化剂的性能

电解电流i

复合速率(k值)

内压(atm)

催化剂温度(℃)

(A)	(×10<sup>-6</sup>atm<sup>-3/2</sup>s<sup>-1</sup>)	峰值	平衡值	峰值	平衡值
						0.20	2.43	1.08	1.07+0.1	43	43
0.60	6.14	1.21	1.20±0.1	81	78±3
						1.00	9.52	1.26	1.26	123	121±2

实施例3

称取76.7毫克羟铂酸[H₂Pt(OH)₆]，置于250毫升的称量瓶中，加二次去离子水，配制成含钯0.2克每升的水溶液。称粒径为2毫米的13X分子筛球形颗粒5克，到入配制的羟铂酸水溶液浸泡24小时，将分子筛颗粒捞出沥干，置于120℃的真空干燥箱内真空干燥10小时后，在650℃由10％氢气+90％氩气(体积百分比)组成的流动的氢还原气氛炉中焙烧3小时，升温速率每分钟10℃，随炉冷却。将所得样品再按相同的步骤和工艺条件再重复浸泡焙烧一次。所得负载型铂催化剂用ICP-AES法(王金质，电感耦合等离子发射光谱法测定Pt/Al₂O₃催化剂中的Pt，化学工业与工程技术，2005，26(4)：45-47)测得铂含量为5.4％。将所得负载型铂催化剂10％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中浸泡20分钟，置于330～370℃的氮气氛炉中热处理1小时，随炉冷却，得到制备好的负载型催化剂。

测试装置和测试方法同实施例1，测试结果示于图4，评测结果列于表3。

                表3实施例3制备的催化剂的性能

实施例4

称取107.5克硝酸铝[Al(NO₃)₃]溶于1升二次去离子水中，配成0.5M溶液，滴加氢氧化钠溶液并搅拌，得氢氧化铝[Al(OH)₃]白色沉淀物，过滤并洗涤至中性，造粒，制成直径为2毫米的球形颗粒，置于850℃的马弗炉中焙烧4小时，得活性三氧化二铝44克，BET法测得比表面为61平方米每克。

称取132.7毫克氯铂酸(H₂PtCl₆·6H₂O)，置于250毫升的称量瓶中，加二次去离子水，配制成含钯0.2克每升的水溶液。称取所制备的活性三氧化二铝球形颗粒5克，置于烧杯中，放入真空罩内，抽真空至0.01托，注入配制的氯铂酸水溶液，真空浸渍20分钟，将分子筛颗粒捞出沥干，置于120℃的真空干燥箱内真空干燥10小时后，在650℃由10％氢气+90％氩气(体积百分比)组成的流动的氢还原气氛炉中焙烧3小时，升温速率每分钟10℃，随炉冷却。所得负载型铂催化剂用实施例3相同的ICP-AES法测得铂含量为6.3％。将所得负载型铂催化剂10％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中浸泡20分钟，置于330～370℃的氮气氛炉中热处理1小时，随炉冷却，得到制备好的负载型催化剂。

测试装置和测试方法同实施例1，测试结果示于图5，评测结果列于表4。

            表4实施例4制备的催化剂的性能

Claims (5)

1.一种催化剂的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a 将含铂或含钯化合物溶解配制成铂含量或钯含量为0.01~1克每升的溶液；

b 将无机氧化物载体颗粒在80~120℃的温度下真空干燥0.2~10小时后，在步骤a所述的溶液中浸渍1~10小时，取出后沥干，置于氧化铝坩埚中，在氢还原气氛炉中升温至550～700℃焙烧1～5小时，获得负载型催化剂，升温时升温速率控制在每分钟2～15℃；

c 将步骤b所制备的催化剂进行憎水处理，方法是：在5～30％的聚四氟乙烯乳液中浸泡10～60分钟，置于330～370℃的惰性气氛炉中热处理0.5~1小时。

2.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法，其特征在于：在所述的步骤a中，所述溶液的溶剂为水、丙酮、乙醇、异丙醇、丁醇、N，N-二甲基甲酰铵中的一种溶液或两种以上的液体混合物。

3.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述浸渍为常压浸渍或真空浸渍，所述真空浸渍是指下列步骤：将待浸渍无机氧化物载体颗粒置于密闭的耐压容器中抽真空至1～0.01托(torr)，然后将步骤a所述溶液输入其中，待5～20分钟后，再通入1～2个大气压的气体使溶液渗入无机氧化物载体颗粒的介孔或缺陷中。

4.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述无机氧化物载体颗粒为球形、短棒状或粉末状。

5.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述氢还原气氛炉中气氛的组成是体积百分比90-99％的纯度大于99％的氮气、氩气或氦气，体积百分比1～10％的纯度大于99％的氢气。

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