CN101745390B - 一种用于食盐电解的负载型银碳催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于食盐电解的负载型银碳催化剂,其特征在于,所述负载型银碳催化剂为固体粉末,粒径为3~10nm银颗粒均匀分散的负载在酸化的炭黑颗粒的表面,银的负载率范围为40%~400%,银与酸化的炭黑的质量比为0.4~4∶1;其制备方法,采用化学还原的方法,将银氨水溶液与氢氧化钠溶液依次倒入到由乙二醇和酸化的炭黑组成的反应体系中均匀的搅拌,在一定的反应温度下,冷凝回流,反应产物为黑色的溶液,最后通过离心分离或过滤水洗、干燥、得到黑色的固体粉末。

Description

一种用于食盐电解的负载型银碳催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及适用于氯碱工业中的一种用于食盐电解的高效催化剂,尤其涉及一种负载型银碳催化剂及其制备方法。
背景技术
世界烧碱生产工艺主要有离子膜法、隔膜法及水银法,另有少量苛化法。目前,离子膜法相继取代水银法、隔膜法、苛化法,成为烧碱生产的首选方法.离子膜法所用的仍然是氢析出阴极(镍网+活性涂层),其电解化学反应式为:2NaCl+2H2O-→Cl2+2NaOH+H2,它的理论电解电压为2.24V,需要耗费大量能源.将气体扩散电极运用在离子膜电解槽中,取代目前使用的活性阴极,发生在阴极是气液固三相电极反应,其电解化学反应式为:2NaCl+H2O+1/2O2→Cl2+2NaOH,它的理论电解电压为0.96V,气体扩散电极比现行的普通阴极(镍网+活性涂层)的电极电位降低了1.2V左右,从而可以在理论上达到节能40%的效果。气体扩散电极是由催化层、集流体、扩散层三部分组成,而催化层的催化活性的好坏直接决定气体扩散电极的性能。传统的催化层的制备方法是将银的胶体、炭黑、粘结剂、溶剂先混合然后热压成型制得,这里银的胶体作为催化层上的催化剂。银的胶体作为催化层上的催化剂存在着以下的问题:1)银的胶体必须存放在以氨基酸、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇等稳定剂的溶液中;在催化层的制备过程中必然会引入由于稳定剂产生的杂质,影响催化剂的活性;2)在催化层的制备过程中,热压成型后,大部分的稳定剂高温分解,没有稳定剂保护的银胶体必然会发生团聚,粒径变大,催化活性降低;3)在电解食盐水的过程中,由于银的胶体与炭黑之间没有结合力,随着电解时间的增加,银的胶体必然会损失,脱落到电解液中,气体扩散电极的寿命受到影响;4)由于银的胶体与炭黑之间没有结合力,所以银颗粒与碳颗粒之间的电子传输会受到一定的影响。基于以上四个存在的问题,必须对传统的催化剂进行改变,一方面必须制备出负载型的银碳催化剂;另一方面银颗粒必须粒径小且均匀的负载在炭黑的表面。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的问题,而提供一种简易的适用于氯碱工业中的一种用于食盐电解的高效催化剂及其制备方法,该方法制备出来的银颗粒粒径小且均匀的分散在炭黑颗粒的表面。
本发明的一种用于食盐电解的负载型银碳催化剂,其特征在于,所述负载型银碳催化剂为固体粉末,粒径为3~10nm银颗粒均匀分散的负载在酸化的炭黑颗粒的表面,银的负载率范围为40%~400%,银与酸化的炭黑的质量比为0.4~4∶1。
本发明的上述炭黑为Vulcan-72x炭黑。
一种负载型的银碳催化剂的制备方法,采用化学还原的方法,将银氨水溶液与氢氧化钠溶液依次倒入到由乙二醇和酸化的炭黑组成的反应体系中均匀的搅拌,在一定的反应温度下,冷凝回流,反应产物为黑色的溶液,最后通过离心分离或过滤水洗、干燥、得到黑色的固体粉末。其中所述的银氨水溶液为银的前驱体;其中所述的氢氧化钠是用来调节反应溶液pH值的;其中所述的乙二醇是还原剂;其中所述的酸化的炭黑是银催化剂的载体;其中所述的黑色的固体粉末是负载型的银碳催化剂。通过TG-DTA热失重仪器得到负载率,银的负载率范围为40%~400%;银与酸化的炭黑的质量比为0.4~4∶1。
本发明所提供的一种负载型的银碳催化剂的制备方法,包括以下步骤:
1)将Vulcan-72x炭黑加入到质量分数为68%的硝酸中,炭黑与质量分数为68%的硝酸的质量比为0.01~0.04∶1;温度控制在120℃~160℃,冷凝回流5~24h,过滤水洗至中性、干燥得到酸化的炭黑;
2)将酸化的炭黑与乙二醇放入三颈烧瓶中超声分散10~30min;酸化的炭黑与乙二醇的质量比为0.0001~0.01∶1;
3)将硝酸银溶解在水中,配成硝酸银溶液,硝酸银的摩尔浓度为0.01mol/L~1mol/L;将浓氨水稀释成氨水溶液,氨水的摩尔浓度为0.01mol/L~1mol/L;将硝酸银溶液与氨水溶液混合,形成无色透明的银氨溶液,硝酸银溶液与氨水溶液的体积比0.1~0.4∶1;将氢氧化钠溶解在水中,配成氢氧化钠溶液,氢氧化钠的摩尔浓度为0.01mol/L~5mol/L,硝酸银溶液与氢氧化钠溶液的体积比1~10∶1;将配置好的银氨溶液和氢氧化钠溶液依次倒入到超声好的溶有酸化的炭黑与乙二醇的三颈烧瓶中,硝酸银与酸化的炭黑的质量比为0.629~6.29∶1,搅拌,温度控制在110℃~140℃,冷凝回流,反应时间控制在0.5h~3h;
4)将上述反应产物离心分离或过滤水洗至中性,干燥、得到负载型银碳催化剂固体粉末。
本发明具有以下有益效果:
本发明通过化学还原法,制备出粒径小且均匀分散的银颗粒负载在炭黑颗粒的表面,粒径控制在3~10nm。该方法操作简单高效,反应条件温和,能够工业化推广。相比于传统的银的胶体催化剂,负载型的银碳催化剂具有以下的优点:1)负载型的银碳催化剂以固体粉末的形式存在,存放更方便,相比于银的胶体必须有稳定剂才可以存在;2)负载型的银碳催化剂无杂质,催化活性更高。负载型的银碳催化剂中的乙二醇、氨水、氢氧化钠都是易溶于水的,通过过滤水洗至中性或离心的方法可以将其全部杂质去除;而银的胶体中的稳定剂的分解产物是伴随在催化层的制备过程中的,不能去除;3)负载型的银碳催化剂稳定性高,不易发生团聚。负载型的银碳催化剂中的银颗粒与炭黑颗粒存在结合力,这种结合力可以抑制银颗粒的团聚。4)负载型的银碳催化剂寿命更长,源于银颗粒与炭黑颗粒之间的结合力,抑制了银颗粒的团聚和脱落;5)由于银颗粒与炭黑颗粒之间的这种结合力,便于电子的传输,负载型的银碳催化剂更有利于O2+4H2O+4e→4OH-反应的进行。
附图说明
图1、实施例1制备的负载型的银碳催化剂的X射线衍射图
图2、实施例1制备的负载型的银碳催化剂的扫描电子显微镜照片
图3、实施例1制备的负载型的银碳催化剂的高分辨透射电镜照片
图4、实施例1制备的负载型的银碳催化剂的循环伏安图
具体实施方式
实施例1
1)将1g Vulcan-72x炭黑加入到质量分数为68%体积为50ml的硝酸中,温度控制在120℃,冷凝回流5h,过滤水洗至中性、干燥得到酸化的炭黑。
2)称取0.1g酸化的炭黑与1000g乙二醇放入三颈烧瓶中超声分散10min.
3)将硝酸银溶解在水中,配成硝酸银溶液,硝酸银的摩尔浓度为0.01mol/L;将浓氨水稀释成氨水溶液,氨水的摩尔浓度为0.01mol/L;将上述370ml硝酸银溶液与1110ml氨水溶液混合,形成无色透明的银氨溶液,将氢氧化钠溶解在水中,配成氢氧化钠溶液,氢氧化钠的摩尔浓度为0.01mol/L,氢氧化钠溶液的体积为370ml;将配置好的银氨溶液和氢氧化钠溶液依次倒入到超声好的溶有酸化的炭黑与乙二醇的三颈烧瓶中,硝酸银与酸化的炭黑的质量比为6.29∶1,搅拌,温度控制在110℃,冷凝回流,反应时间控制在0.5h。
4)将上述反应产物离心分离或过滤水洗至中性,干燥、得到银碳催化剂固体粉末。通过TG-DTA热失重仪器得到负载率为400%。
负载型的银碳催化剂的X射线衍射图见图1,催化剂中的银是以银单质的形式存在的。扫描电子显微镜照片见图2,单质银均匀的负载在炭黑的表面的,粒径在10nm左右。高分辨透射电镜照片见图3,说明了催化剂中存在着3nm左右粒径的银颗粒。循环伏安图见图4,说明了银催化剂发生了4电子的氧气还原反应。
实施例2
1)将10g Vulcan-72x炭黑加入到质量分数为68%体积为700ml的硝酸中,温度控制在140℃,冷凝回流12h,过滤水洗至中性、干燥得到酸化的炭黑。
2)称取1g酸化的炭黑与555g乙二醇放入三颈烧瓶中超声分散20min。
3)将硝酸银溶解在水中,配成硝酸银溶液,硝酸银的摩尔浓度为0.5mol/L;将浓氨水稀释成氨水溶液,氨水的摩尔浓度为0.5mol/L;将上述37ml硝酸银溶液与370ml氨水溶液混合,形成无色透明的银氨溶液,将氢氧化钠溶解在水中,配成氢氧化钠溶液,氢氧化钠的摩尔浓度为1mol/L,氢氧化钠溶液的体积为20ml;将配置好的银氨溶液和氢氧化钠溶液依次倒入到超声好的溶有酸化的炭黑与乙二醇的三颈烧瓶中,硝酸银与酸化的炭黑的质量比为3.145∶1,搅拌,温度控制在130℃,冷凝回流,反应时间控制在1h。
4)将上述反应产物离心分离或过滤水洗至中性,干燥、得到银碳催化剂固体粉末。通过TG-DTA热失重仪器得到负载率200%。
所得X射线衍射图、扫描电子显微镜照片、高分辨透射电镜照片和循环伏安图与实施例1结果一致。
实施例3
1)将25g Vulcan-72x炭黑加入到质量分数为68%体积为500ml的硝酸中,温度控制在160℃,冷凝回流24h,过滤水洗至中性、干燥得到酸化的炭黑。
2)称取10g酸化的炭黑与1000g乙二醇放入三颈烧瓶中超声分散30min.
3)将硝酸银溶解在水中,配成硝酸银溶液,硝酸银的摩尔浓度为1mol/L;将浓氨水稀释成氨水溶液,氨水的摩尔浓度为1mol/L;将上述37ml硝酸银溶液与185ml氨水溶液混合,形成无色透明的银氨溶液,将氢氧化钠溶解在水中,配成氢氧化钠溶液,氢氧化钠的摩尔浓度为5mol/L,氢氧化钠溶液的体积为3.7ml;将配置好的银氨溶液和氢氧化钠溶液依次倒入到超声好的溶有酸化的炭黑与乙二醇的三颈烧瓶中,硝酸银与酸化的炭黑的质量比为0.629∶1,搅拌,温度控制在140℃,冷凝回流,反应时间控制在3h。
4)将上述反应产物离心分离或过滤水洗至中性,干燥、得到银碳催化剂固体粉末。通过TG-DTA热失重仪器得到负载率40%。所得X射线衍射图、扫描电子显微镜照片、高分辨透射电镜照片和循环伏安图与实施例1结果一致。

Claims (1)

1.一种用于食盐电解的负载型银碳催化剂的制备方法,所述负载型银碳催化剂为固体粉末,粒径为3~10nm银颗粒均匀分散的负载在酸化的炭黑颗粒的表面,银的负载率范围为40%~400%,银与酸化的炭黑的质量比为0.4~4∶1,上述炭黑为Vulcan-72x炭黑;其特征在于,包括以下步骤:
1)将Vulcan-72x炭黑加入到质量分数为68%的硝酸中,炭黑与质量分数为68%的硝酸的质量比为0.01~0.04∶1;温度控制在120℃~160℃,冷凝回流5~24h,过滤水洗至中性、干燥得到酸化的炭黑;
2)将酸化的炭黑与乙二醇放入三颈烧瓶中超声分散10~30min;酸化的炭黑与乙二醇的质量比为0.0001~0.01∶1;
3)将硝酸银溶解在水中,配成硝酸银溶液,硝酸银的摩尔浓度为0.01mol/L~1mol/L;将浓氨水稀释成氨水溶液,氨水的摩尔浓度为0.01mol/L~1mol/L;将硝酸银溶液与氨水溶液混合,形成无色透明的银氨溶液,硝酸银溶液与氨水溶液的体积比0.1~0.4∶1;将氢氧化钠溶解在水中,配成氢氧化钠溶液,氢氧化钠的摩尔浓度为0.01mol/L~5mol/L,硝酸银溶液与氢氧化钠溶液的体积比1~10∶1;将配置好的银氨溶液和氢氧化钠溶液依次倒入到超声好的溶有酸化的炭黑与乙二醇的三颈烧瓶中,硝酸银与酸化的炭黑的质量比为0.629~6.29∶1,搅拌,温度控制在110℃~140℃,冷凝回流,反应时间控制在0.5h~3h;
4)将上述反应产物离心分离或过滤水洗至中性,干燥、得到负载型银碳催化剂固体粉末。
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