CN103949244A - 用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，以多孔泡沫铝作为阳极，置于含有铝酸盐、硅酸盐、氟锆酸盐、次亚磷酸钠中的一种或两种的电解液中，施加直流或交流电压进行微弧氧化处理，处理时间为10-120分钟，在泡沫铝的表面形成一层多孔的氧化陶瓷膜，以此陶瓷膜作为基底，在其表面进行Pt基催化剂的担载，得到用于甲醇重整器燃烧室的Pt基催化剂。本发明可有效解决现有甲醇重整器燃烧室中氢气与铂接触不充分、催化剂利用率低以及催化剂骨架对催化剂有负面影响等问题。

Description

用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法

技术领域

本发明属于质子交换陶瓷膜燃料电池燃料领域，涉及一种用于甲醇重整器燃烧室的铂基催化剂的制备方法。

背景技术

目前正在研究的新型能源主要包括核能、风能、太阳能、地热能、生物质能和燃料电池等，其中燃料电池具有效率高、结构简单和污染小甚至无污染等特点，由于最近机械加工技术的日益进步，使其在价格和性能上可以与传统能源相竞争，燃料电池技术越来越受到人们的重视。与其他类型的燃料电池相比，直接甲醇燃料电池（DMFC）更合适可作为便携能源，其具有高效、高能量密度、体积较小、燃料价格低廉、环境污染小、便于持久供能等优点，可广泛应用于微机电系统、微电子设备、微型机器人、微型医疗器械、个人移动通讯设备等，是一种具有广阔市场应用前景的高新技术。但是仍然有一些技术问题制约着直接甲醇燃料电池的发展，其中的重要一项便是甲醇由于渗透在阴极产生混合电位，降低了开路电压和电流密度。为解决此问题，研究人员开发了一种甲醇重整燃料电池，特点是将高浓度甲醇重整为氢气后供给阳极作为燃料，其主要设备有重整反应室、燃烧室、气体净化处理器和储氢罐等。燃烧室为重整反应室提供热量；气体净化处理器用于降低富氢产物中的CO含量；储氢罐用于存储氢气，可以使供电设备过度负载时燃料电池对氢燃料的过度需求。

燃烧室肩负着给重整反应室提供能量的重任，其能量产生方式通常为氧化反应释放的热量，即在催化剂作用下，通入的氢气和氧气发生反应产生焦耳热。燃烧室中通常采用铂基催化剂，但是目前燃烧室内存在催化剂分布不均匀，催化效率不高的问题，以至于不能持续高效使得氢气和氧气燃烧供热，无法达到重整反应室的热量需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种以微弧氧化技术改性的多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，可有效解决现有甲醇重整器燃烧室中氢气与铂接触不充分、催化剂利用率低以及催化剂骨架对催化剂有负面影响等问题。 

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种用于甲醇重整器燃烧室以微弧氧化改性的多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，首先对多孔泡沫铝进行表面改性处理，然后在其表面制备用于甲醇重整器燃烧室的催化剂，具体制备步骤如下：

 一、以多孔泡沫铝作为阳极，置于含有铝酸盐、硅酸盐、氟锆酸盐、次亚磷酸钠中的一种或两种的电解液中，所述电解液中各成分的含量为5-20g/L，施加直流或交流电压进行微弧氧化处理，处理时间为10-120分钟，在泡沫铝的表面形成一层多孔的氧化陶瓷膜，该陶瓷膜是由致密的内层和粗糙多孔的外层组成的双层结构。

二、微弧氧化处理后，在陶瓷膜的表面采用浸渍法进行Pt基催化剂的担载：使用氯铂酸为前驱体，在氯铂酸中依次加入甲醛和氢氧化钠溶液，超声搅拌后置入多孔泡沫铝，升温至80~95℃后停止加热，冷却、过滤。本发明相对于现有技术的创新点在于，采取了多孔泡沫金属铝，并进行表面改性，提高了催化剂载体的比表面积，采用此种结构的催化剂载体仍然使用氢气作为反应物，与空气发生氧化反应，释放热量供给重整反应室。对于催化剂载体的改进之处在于，采取了多孔泡沫金属铝作为催化剂载体的骨架，对其表面进行改性，即氧化，生成一层多孔的氧化铝陶瓷膜，相对于在其他多孔泡沫金属上，通过浸泡氧化铝胶体再干燥形成氧化铝陶瓷层的方法，能够做到孔致密度、厚度可调节，氧化铝陶瓷膜覆盖完整且不易脱落。将改性完成的多孔泡沫金属铝浸渍在Pt基催化剂盐溶液中，通过浸渍法担载Pt基催化剂，浸渍过程中，盐溶液通过毛细作用进入氧化铝薄陶瓷膜的多孔结构。在泡沫金属孔隙度不变的情况下，通过表面的多孔层增加了反应物与催化剂的接触面积，提高了催化剂利用率。

本发明所述Pt基催化剂载体，即多孔泡沫金属铝表面改性，其骨架形状与孔隙度均可进行改变，氧化陶瓷膜厚度、组成及孔隙度可控。

本发明具有以下优点：

（1）泡沫铝呈三维多孔结构，比表面积比同等体积的载体要大，当表面覆盖了催化剂时，会使得氢气与催化剂的接触更加充分，有利于提升热量产出效率，供给甲醇重整反应室；

（2）当在泡沫铝表面增加一层多孔氧化物陶瓷膜之后，陶瓷膜疏松多孔的表面结构，增强了催化剂与泡沫铝的结合力，进一步提高氢气与催化剂的接触面积，提高催化剂利用率；

（3）氧化物陶瓷膜包覆泡沫金属铝骨架后，可提高金属铝表面的稳定性；

（4）催化剂的担载过程简化，只需浸渍或者沉积，然后分解、还原催化剂即可，也可以直接担载成品催化剂；

（5）工艺简单，成本低廉，稳定性好，利于推广应用。

附图说明：

图1是甲醇重整器燃烧室壁微弧氧化后示意图；

图2是甲醇重整器反应室与燃烧室关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

将多孔泡沫铝置于5-15g/L的铝酸钠与0.5-2g/L的次亚磷酸钠所组成的工作液中，以泡沫铝作为正极，工作槽作为负极，采用直流电源在300-600V电压、10-30A/dm²恒定电流密度的条件下处理30-180分钟。

将15mL氯铂酸加入烧瓶中，依次加入1mL、37%（质量分数）的甲醛和1mL、20%（质量分数）的氢氧化钠溶液，最后将多孔泡沫铝置于烧瓶中，升温至80~95℃后停止加热，冷却、过滤，并最终得到载量为5-50mg/cm²的铂催化剂。

将上述催化剂载体，在担载了催化剂之后，放在燃烧室里（如图1），燃烧室为与载体体积相符合的凹槽，前后分别连通输入氢气、空气的进气孔和排出产物的出气孔。如图2所示，燃烧室工作时，氢气在多孔泡沫金属铝骨架表面的催化剂作用下，与氧气发生氧化反应，生成水，并释放大量热量。

实施例2：

    本实施例与实施例1的区别在于，所述工作液中含有10g/L的铝酸钠与1g/L的次亚磷酸钠直流电源输出电压为600V、电流密度为15A/dm²、处理时间为60分钟。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，微弧氧化电源时采用交流电源，正向脉冲的峰值电流密度为10-30A/dm²、负向脉冲的峰值电流密度为0-20 A/dm²、工作频率为10-3000Hz、处理时间为20-120min。

实施例4：

本实施例与实施例3的区别在于，正向脉冲的峰值电流密度为20A/dm²、负向脉冲的峰值电流密度为10 A/dm²、工作频率为500Hz、处理时间为60min。

实施例5：

    本实施例与前述实施例的区别在于，微弧氧化过程中采用的电解液为5-15g/L的硅酸钠与0.5-2g/L的次亚磷酸钠的混合溶液。

实施例6：

    本实施例与实施例5的区别在于，硅酸钠的浓度为10g/L，次亚磷酸钠的浓度为1.5g/L。

实施例7：

本实施例与前述实施例的区别在于，微弧氧化过程中采用的电解液为5-15g/L的氟锆酸钾与0-2g/L的次亚磷酸钠的混合溶液。

实施例8：

本实施例与实施例7的区别在于，氟锆酸钾的浓度为8g/L，次亚磷酸钠的浓度为0.5g/L。

实施例9：

本实施例与实施例7的区别在于，氟锆酸钾的浓度为10g/L。

Claims (7)

1.用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：

 一、以多孔泡沫铝作为阳极，置于含有铝酸盐、硅酸盐、氟锆酸盐、次亚磷酸钠中的一种或两种的电解液中，施加直流或交流电压进行微弧氧化处理，处理时间为10-120分钟，在泡沫铝的表面形成一层多孔的氧化陶瓷膜；

二、微弧氧化处理之后，以此陶瓷膜作为基底，在其表面进行Pt基催化剂的担载，得到用于甲醇重整器燃烧室的Pt基催化剂。

2.根据权利要求1所述的用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，其特征在于在陶瓷膜的表面采用浸渍法进行Pt基催化剂的担载。

3.根据权利要求2所述的用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，其特征在于所述浸渍法步骤如下：使用氯铂酸为前驱体，在氯铂酸中依次加入甲醛和氢氧化钠溶液，超声搅拌后置入微弧氧化处理之后的多孔泡沫铝，升温至80~95℃后停止加热，冷却、过滤。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，其特征在于所述Pt基催化剂的载量为5-50mg/cm²。

5.根据权利要求1所述的用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，其特征在于施加直流电压进行微弧氧化处理时，控制电压为300-600V、电流密度为10-30A/dm²、处理时间为30-180分钟。

6.根据权利要求1所述的用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，其特征在于施加交流电压进行微弧氧化处理，正向脉冲的峰值电流密度为10-30A/dm²、负向脉冲的峰值电流密度为0-20 A/dm²、工作频率为10-3000Hz、处理时间为20-120min。

7.根据权利要求1所述的用于甲醇重整器燃烧室以多孔泡沫铝为载体的铂催化剂的制备方法，其特征在于所述电解液中各成分的含量为5-20g/L。