RU2421850C1 - Method of producing nano-sized platinum-nickel catalyst - Google Patents
Method of producing nano-sized platinum-nickel catalyst Download PDFInfo
- Publication number
- RU2421850C1 RU2421850C1 RU2010117599/07A RU2010117599A RU2421850C1 RU 2421850 C1 RU2421850 C1 RU 2421850C1 RU 2010117599/07 A RU2010117599/07 A RU 2010117599/07A RU 2010117599 A RU2010117599 A RU 2010117599A RU 2421850 C1 RU2421850 C1 RU 2421850C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- solution
- catalyst
- ethylene glycol
- ethyl alcohol
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Catalysts (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к каталитической химии, а именно к способам получения катодных катализаторов на основе Pt, предназначенных для использования в электролизерах и топливных элементах с твердым полимерным электролитом (ТПЭ).The invention relates to catalytic chemistry, and in particular to methods for producing Pt-based cathodic catalysts intended for use in electrolytic cells and solid polymer electrolyte (TPE) fuel cells.
В электролизерах с ТПЭ замена традиционно используемого катодного катализатора Pt на Pt-Ni наряду со значительным уменьшением стоимости электрохимических устройств приводит также к уменьшению перенапряжения на электроде при высоких плотностях тока в связи с тем, что Ni обладает меньшей адсорбционной связью с атомами водорода на поверхности электрода и не позволяет адсорбированным атомам водорода блокировать поверхность электрода, что является особенно актуальным в электролизерах воды при сверхвысоких давлениях.In electrolyzers with TPE, the replacement of the traditionally used Pt cathode catalyst with Pt-Ni along with a significant reduction in the cost of electrochemical devices also leads to a decrease in the overvoltage at the electrode at high current densities due to the fact that Ni has a lower adsorption bond with hydrogen atoms on the electrode surface and does not allow adsorbed hydrogen atoms to block the electrode surface, which is especially relevant in water electrolyzers at ultrahigh pressures.
В работе «Supported platinum quaternary alloy elektrocatalyst» (EP 0469514, опубл. 8.12.1992 г.) показано, что сплав Pt с Ni увеличивает стабильность работы электрода топливного элемента по сравнению с чистой Pt в 1,7 раза, каталитическая активность при этом увеличивается в 2,2 раза.The work "Supported platinum quaternary alloy elektrocatalyst" (EP 0469514, published December 8, 1992) showed that the alloy of Pt with Ni increases the stability of the fuel cell electrode compared to pure Pt by 1.7 times, while the catalytic activity increases 2.2 times.
В работе «Chemical and effects of Ni in Pt/Ni and Pt/Ru/Ni alloy nanoparticles in methanol electrooxidation» (J. Phys. Chem. B, 106(2002) 1869) показано, что добавка Ni в Pt катализатор повышает его химическую стойкость к окиси углерода.In the work “Chemical and effects of Ni in Pt / Ni and Pt / Ru / Ni alloy nanoparticles in methanol electrooxidation” (J. Phys. Chem. B, 106 (2002) 1869) it was shown that the addition of Ni to the Pt catalyst increases its chemical resistance to carbon monoxide.
Известны различные способы получения Pt-Ni катализаторов, предполагающие осаждение и химическое восстановление частиц Pt и Ni на углерод как с последующей высокотемпературной обработкой, так и без нее.Various methods for producing Pt-Ni catalysts are known, involving the deposition and chemical reduction of Pt and Ni particles onto carbon, both with and without high temperature treatment.
В работе «Electrocatalyst material comprising a platinum alloy on a conductive support» (патент ЕР 0698299, опубл. 5.21.1997 г.) описан способ синтеза Pt-Ni катализатора на углероде. Хлориды Pt и Ni осаждали на углерод и восстанавливали формальдегидом при 90°С, после чего отжигали при 930°С в течение 1 часа в инертной атмосфере.The work "Electrocatalyst material comprising a platinum alloy on a conductive support" (patent EP 0698299, publ. 5.21.1997) describes a method for the synthesis of Pt-Ni catalyst on carbon. Chlorides of Pt and Ni were deposited on carbon and reduced with formaldehyde at 90 ° С, after which they were annealed at 930 ° С for 1 hour in an inert atmosphere.
В работе «Platinum alloy skeleton supported electrocatalyst, electrode using the electrocatalyst, and process for producing the electrocatalyst» (патент ЕР 0827225, опубл. 3.04.1998 г.) предложено восстановление Pt на углероде из гексахлорплатиновой кислоты 5%-ным раствором муравьиной кислоты с последующим осаждением Ni из нитрата Ni (II) в водном растворе 0,5 н. HNO3, после чего катализатор отжигали при 900°С в течение 1,2 часа в инертной атмосфере.In the work "Platinum alloy skeleton supported electrocatalyst, electrode using the electrocatalyst, and process for producing the electrocatalyst" (patent EP 0827225, published April 3, 1998), Pt is reduced on carbon from hexachloroplatinic acid with a 5% formic acid solution with subsequent precipitation of Ni from Ni (II) nitrate in an aqueous solution of 0.5 N. HNO 3 , after which the catalyst was annealed at 900 ° C for 1.2 hours in an inert atmosphere.
В работе «Platinum alloy carbon-supported catalysts» (заявка WO/2006/056470, опубл. 6.01.2006 г.) предложено последовательное осаждение сначала гексахлорплатиновой кислоты на углерод при нагревании из водного раствора 4М HNO3 путем повышения pH добавлением NaOH сначала до 3,5, а затем, продолжая увеличивать pH до 8,5, осаждали нитрат никеля (II). По окончании осаждения, катализатор отжигали сначала при 500°С в течение 30 минут, а затем при 850°С в течение 1 часа в потоке аргона.Platinum alloy carbon-supported catalysts (application WO / 2006/056470, publ. 6.01.2006) proposed the first sequential precipitation of hexachloroplatinic acid on carbon when heated from an aqueous solution of 4M HNO 3 by increasing the pH by adding NaOH first to 3 , 5, and then, continuing to increase the pH to 8.5, precipitated nickel (II) nitrate. At the end of the deposition, the catalyst was first annealed at 500 ° C for 30 minutes, and then at 850 ° C for 1 hour in an argon stream.
Во всех приведенных работах заключительной стадией является высокотемпературная обработка катализатора при температуре 800°С и выше в потоке инертного газа. Это является главным недостатком полученных электрокатализаторов - при высоких температурах происходит спекание металлических частиц, увеличивается их размер и, как следствие, уменьшается поверхность катализатора.In all the cited works, the final stage is the high-temperature treatment of the catalyst at a temperature of 800 ° C and higher in an inert gas stream. This is the main disadvantage of the obtained electrocatalysts - sintering of metal particles occurs at high temperatures, their size increases and, as a result, the surface of the catalyst decreases.
В работе «Core/shell-type catalyst particles and methods for their preparation» (заявка WO/2008/025750, опубл. 3.06.2008 г.) описан способ получения Pt-Ni катализатора на углероде путем восстановления Pt и Ni из растворов гексахлорплатиновой кислоты и ацетата никеля (II) диэтиленгликолем в присутствии стабилизатора с последующим осаждением на углерод путем изменения pH раствора.The work "Core / shell-type catalyst particles and methods for their preparation" (application WO / 2008/025750, published on June 3, 2008) describes a method for producing Pt-Ni catalyst on carbon by reducing Pt and Ni from hexachloroplatinic acid solutions and nickel (II) acetate by diethylene glycol in the presence of a stabilizer, followed by precipitation on carbon by changing the pH of the solution.
Недостатком этого способа является: большой размер полученных частиц катализатора от 20 до 26 нм; необходимость присутствия стабилизатора, что затрудняет процесс отмывки и увеличивает потери катализатора.The disadvantage of this method is: a large size of the obtained catalyst particles from 20 to 26 nm; the need for the presence of a stabilizer, which complicates the washing process and increases the loss of catalyst.
Известен способ получения Pt-Ni катализатора - прототип («PtNi based supported electrocatalyst for proton exchange membrane fuel cell having CO tolerance», заявка US 2006280997, опубл. 14.12.2006 г.), включающий:A known method of producing a Pt-Ni catalyst is a prototype ("PtNi based supported electrocatalyst for proton exchange membrane fuel cell having CO tolerance", application US 2006280997, publ. 12/14/2006), including:
- изготовление смеси исходных соединений - сажи Vulcan ХС-72, гексахлорплатиновой кислоты, соли никеля (нитрата никеля II) в растворе этиленгликоля;- manufacture of a mixture of the starting compounds - carbon black Vulcan XC-72, hexachloroplatinic acid, nickel salts (nickel nitrate II) in ethylene glycol solution;
- добавление к смеси исходных соединений раствора щелочи NaOH до pH=10-14;- adding to the mixture of the starting compounds a solution of alkali NaOH to pH = 10-14;
- нагревание смеси исходных соединений в СВЧ печи с частотой 1-50 кГц и мощностью 400-1000 Вт в течение 1-30 минут;- heating the mixture of starting compounds in a microwave oven with a frequency of 1-50 kHz and a power of 400-1000 W for 1-30 minutes;
- охлаждение смеси до комнатной температуры с последующим добавлением 3М HCl до pH=1;- cooling the mixture to room temperature followed by the addition of 3M HCl to pH = 1;
- отмывку твердой фазы охлажденной смеси до pH=7;- washing the solid phase of the cooled mixture to pH = 7;
- сушку твердой фазы;- drying the solid phase;
- термическую обработку твердой фазы при температуре 300°С-800°С в течение 1-8 часов в атмосфере смеси инертных и восстанавливающих газов до полного восстановления металлов катализатора. В качестве восстанавливающих газов используют водород и метан. Полученный катализатор состоит из Pt-Ni от 30 до 80% масс. в соотношении 1:1 на углероде. Размер частиц составил 2-6 нм.- heat treatment of the solid phase at a temperature of 300 ° C-800 ° C for 1-8 hours in an atmosphere of a mixture of inert and reducing gases until the catalyst metals are completely reduced. Hydrogen and methane are used as reducing gases. The resulting catalyst consists of Pt-Ni from 30 to 80% of the mass. in a ratio of 1: 1 on carbon. The particle size was 2-6 nm.
Недостаток прототипа заключается в длительном времени термообработки и, как следствие, в высокой энергозатратности процесса получения катализатора. Это связано с тем, что используемый в работе этиленгликоль не является достаточно сильным восстановителем, поэтому для восстановления катализатора требуется дополнительная термическая обработка катализатора при достаточно высоких температурах.The disadvantage of the prototype is the long heat treatment time and, as a consequence, the high energy consumption of the process of obtaining the catalyst. This is due to the fact that ethylene glycol used in the work is not a sufficiently strong reducing agent; therefore, additional thermal treatment of the catalyst at sufficiently high temperatures is required to restore the catalyst.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является снижение времени и энергозатратности процесса получения катализатора.The technical result, which the invention is directed to, is to reduce the time and energy consumption of the process for producing a catalyst.
Для этого предложен способ получения наноразмерного Pt-Ni катализатора, заключающийся в изготовлении смеси исходных соединений - углеродного материала, гексахлорплатиновой кислоты, соли никеля в водном растворе, содержащем этиленгликоль, добавлении к смеси исходных соединений раствора щелочи, восстановлении металлов Pt и Ni, охлаждении смеси до комнатной температуры, отмывки и сушки катализатора, при этом раствор этиленгликоля дополнительно содержит этиловый спирт в соотношении на 2-3 части этиленгликоля 1-2 части этилового спирта, восстановление металлов Pt и Ni ведут при добавлении к раствору 1М раствора борогидрида натрия в 1М растворе гидроокиси натрия в течение 1-1,5 часа и обрабатывают смесь ультразвуком при барботировании ее инертным газом.For this, a method for producing a nanosized Pt-Ni catalyst is proposed, which consists in manufacturing a mixture of the starting compounds — carbon material, hexachloroplatinic acid, a nickel salt in an aqueous solution containing ethylene glycol, adding an alkali solution to the mixture of starting compounds, reducing Pt and Ni metals, cooling the mixture to room temperature, washing and drying the catalyst, while the ethylene glycol solution additionally contains ethanol in a ratio of 2-3 parts of ethylene glycol 1-2 parts of ethanol, restores Adding metals are Pt and Ni, when added to a solution of 1 M solution of sodium borohydride in 1 M sodium hydroxide solution for 1-1.5 hours the mixture was sonicated and treated by bubbling it with an inert gas.
При этом в качестве углеродного материала используют сажу Vulcan ХС-72, или нанотрубки, или нановолокна.In this case, Vulcan XC-72 soot, or nanotubes, or nanofibers are used as carbon material.
В качестве инертного газа используют аргон, или гелий, или неон.Argon or helium or neon are used as an inert gas.
Параметры ультразвука составляют: частота 37-40 кГц, мощность 150-200 Вт.The ultrasound parameters are: frequency 37-40 kHz, power 150-200 watts.
В качестве щелочи используют 1-2 мл водного раствора аммиака.As alkali use 1-2 ml of an aqueous solution of ammonia.
В качестве соли никеля при изготовлении смеси исходных соединений используют хлорид никеля (II) или нитрат никеля (II).Nickel (II) chloride or nickel (II) nitrate is used as a nickel salt in the preparation of a mixture of the starting compounds.
Кроме того, углеродный материал предварительно перемешивают с этиловым спиртом.In addition, the carbon material is pre-mixed with ethyl alcohol.
Перемешивание проводят дисперсионным гомогенизатором со скоростью 20000-22000 об/мин в течение 30 мин.Stirring is carried out with a dispersion homogenizer at a speed of 20,000-22,000 rpm for 30 minutes.
При этом содержание металлов Pt-Ni в катализаторе составляет 20-80% масс. в соотношении Pt от 0,9 до 3,1% ат., Ni от 3,1 до 0,9% ат.The content of Pt-Ni metals in the catalyst is 20-80% of the mass. in the ratio of Pt from 0.9 to 3.1% at., Ni from 3.1 to 0.9% at.
Соотношение смеси этиленгликоль:этиловый спирт к общему количеству воды составляет (3-3,5):1-1,2.The ratio of the mixture of ethylene glycol: ethyl alcohol to the total amount of water is (3-3.5): 1-1.2.
В заявляемом способе получения платино-никелевого катализатора в соотношении Pt от 0,9 до 3,1% ат., Ni от 3,1 до 0,9% ат. на углеродном носителе, например саже Vulcan ХС-72 с содержанием металлов 20-80%, процесс восстановления борогидридом натрия исходных соединений (растворов гексахлорплатиновой кислоты и хлорида никеля) проходит в среде этиленгликоль - этиловый спирт при заявленных соотношениях при обработке реакционной смеси ультразвуком с частотой 37-40 кГц и мощностью 150-200 Вт на литр с одновременной адсорбцией-восстановлением исходных соединений на углеродном носителе, который предварительно обрабатывался этиловым спиртом.In the inventive method for producing a platinum-nickel catalyst in a ratio of Pt from 0.9 to 3.1% at., Ni from 3.1 to 0.9% at. on a carbon carrier, for example, Vulcan XC-72 soot with a metal content of 20-80%, the reduction process of sodium starting compounds (solutions of hexachloroplatinic acid and nickel chloride) takes place in ethylene glycol - ethyl alcohol medium at the stated proportions when the reaction mixture is treated with ultrasound at a frequency of 37 -40 kHz and a power of 150-200 W per liter with simultaneous adsorption-reduction of the starting compounds on a carbon carrier, which was pre-treated with ethanol.
В качестве соли никеля наряду с хлоридом никеля (II) возможно использование также нитрата никеля (II), параметры синтеза и характеристики получаемого катализатора при этом не изменяются.Along with nickel (II) chloride, nickel (II) nitrate can also be used as a nickel salt; the synthesis parameters and characteristics of the resulting catalyst do not change.
Время синтеза составляет не более 1,5 часа, т.к. смесь борогидрида натрия с этиленгликолем является очень сильным восстановителем. При этом происходит полное восстановление металлов в катализаторе, что исключает необходимость дополнительной температурной обработки. При использовании ультразвука достигается большая равномерность адсорбции, увеличивается эффективность процесса восстановления, образование наноразмерных частиц катализатора, исключается агломерация образующихся частиц.The synthesis time is not more than 1.5 hours, because a mixture of sodium borohydride with ethylene glycol is a very powerful reducing agent. In this case, a complete reduction of the metals in the catalyst occurs, which eliminates the need for additional heat treatment. When using ultrasound, a greater uniformity of adsorption is achieved, the efficiency of the recovery process increases, the formation of nanosized catalyst particles, and agglomeration of the formed particles is excluded.
При обработке ультразвуком смесь барботируют инертным газом. В качестве инертного газа используют аргон, гелий, неон. Выбор газа не влияет на качество катализатора. В результате получают бинарный наноразмерный катализатор Pt-Ni на углеродном носителе с заданной массовой долей металлов (20-80% масс.). В качестве углеродного материала используют сажу Vulcan ХС-72, или нанотрубки, или нановолокна, характеристики получаемого катализатора при этом практически не изменяются.During sonication, the mixture is bubbled with an inert gas. Argon, helium, and neon are used as an inert gas. The choice of gas does not affect the quality of the catalyst. The result is a binary nanosized catalyst Pt-Ni on a carbon carrier with a given mass fraction of metals (20-80% wt.). Vulcan XC-72 soot, or nanotubes, or nanofibers, is used as the carbon material; the characteristics of the resulting catalyst remain virtually unchanged.
По данным рентгенофазового анализа полученные частицы являются твердым раствором, имеют основной размер 2-6 нм, сферическую форму и равномерное распределение на носителе. Данный катализатор при атомарном соотношении Pt:Ni=1:1 позволяет в 1,5 раза снизить расход платины.According to x-ray phase analysis, the obtained particles are a solid solution, have a basic size of 2-6 nm, a spherical shape and a uniform distribution on the carrier. This catalyst with an atomic ratio of Pt: Ni = 1: 1 allows 1.5 times to reduce the consumption of platinum.
Пример 1 (прототип).Example 1 (prototype).
В стакан объемом 500 мл помещают 100 мл этиленгликоля и 1 г сажи Vulcan ХС-72, при постоянном перемешивании добавляют 12,8 мл гексахлорплатиновой кислоты (с содержанием 4,9 мг Pt/мл) в растворе этиленгликоля и 99,2 мг нитрата никеля (II). В смесь добавляют 2,5 М раствор NaOH до pH=13. Смесь помещают в СВЧ печь с частотой 2,45 кГц мощностью 700 Вт на 1,5 мин. Затем смесь охлаждают до комнатной температуры и добавляют 3М HCl до pH=1. Осадок отмывают методом декантации 3-кратной сменой воды, сушат при 60°С. Высушенный осадок отжигают при 300°С в атмосфере азота в течение 8 часов.In a 500 ml glass, 100 ml of ethylene glycol and 1 g of Vulcan XC-72 carbon black are placed, with constant stirring, 12.8 ml of hexachloroplatinic acid (containing 4.9 mg Pt / ml) in a solution of ethylene glycol and 99.2 mg of nickel nitrate ( II). A 2.5 M NaOH solution was added to the mixture to pH = 13. The mixture is placed in a microwave oven with a frequency of 2.45 kHz with a power of 700 watts for 1.5 minutes. The mixture was then cooled to room temperature and 3M HCl was added to pH = 1. The precipitate is washed by decantation with a 3-fold change of water, dried at 60 ° C. The dried precipitate is annealed at 300 ° C. under nitrogen for 8 hours.
В результате получают катализатор PtNi/C в атомном соотношении Pt:Ni=1:1 с содержанием металлов 30%. Время непосредственного синтеза составляет не менее 8 часов.The result is a PtNi / C catalyst in an atomic ratio of Pt: Ni = 1: 1 with a metal content of 30%. Direct synthesis time is at least 8 hours.
Примеры 2-8 осуществления заявленного изобретения.Examples 2-8 of the implementation of the claimed invention.
Пример 2.Example 2
Синтез PtNi (1:1 ат.) на углероде с содержанием PtNi 30% масс.Synthesis of PtNi (1: 1 at.) On carbon with a PtNi content of 30% by mass.
В реакционный сосуд объемом 500 мл помещают 220 мг сажи Vulcan ХС-72, добавляют 100 мл смеси этиленгликоль-этиловый спирт (А) в соотношении 2,5:1, что соответствует заявленному. Количество смеси (А) принимают из расчета 40-50 мл на каждые 100 мг сажи. Полученную смесь перемешивают дисперсионным гомогенизатором со скоростью 20000-22000 об/мин в течение 20 мин. Затем сосуд со смесью помещают в ультразвуковую ванну, при комнатной температуре, добавляют 31,3 мл водного раствора хлорида никеля (с содержанием Ni 21,29 мг) и 2,0 мл водного раствора гексахлорплатиновой кислоты (с содержанием Pt 72,36 мг). Соотношение смеси (А) к общему количеству воды составляет 3:1, что соответствует заявленному, добавляют 1 мл водного раствора аммиака и включают обработку ультразвуком при барботировании инертным газом, например аргоном. Через 15 мин по каплям добавляют 50 мл 1М раствора борогидрида натрия в 1М растворе NaOH. Синтез проводят в течение одного часа. Допускается самопроизвольный разогрев реакционной смеси до 40°С. Через 1 час происходит расслоение реакционной массы. Верхняя прозрачная часть сливается, а нижняя отмывается бидистиллированной водой с помощью центрифуги до нейтральной реакции сливного раствора. Полученный катализатор сушат. Время непосредственного синтеза составляет 1 час.220 mg of Vulcan XC-72 carbon black is placed in a 500 ml reaction vessel, and 2.5 ml of ethylene glycol-ethanol (A) mixture is added in a ratio of 2.5: 1, which is what is claimed. The amount of mixture (A) is taken at the rate of 40-50 ml for every 100 mg of carbon black. The resulting mixture was stirred with a dispersion homogenizer at a speed of 20,000-22,000 rpm for 20 minutes. Then the vessel with the mixture is placed in an ultrasonic bath, at room temperature, 31.3 ml of an aqueous solution of nickel chloride (with a Ni content of 21.29 mg) and 2.0 ml of an aqueous solution of hexachloroplatinic acid (with a Pt content of 72.36 mg) are added. The ratio of the mixture (A) to the total amount of water is 3: 1, which corresponds to the claimed, add 1 ml of an aqueous solution of ammonia and include sonication when sparging with an inert gas, such as argon. After 15 minutes, 50 ml of a 1M sodium borohydride solution in a 1M NaOH solution are added dropwise. The synthesis is carried out for one hour. Spontaneous heating of the reaction mixture to 40 ° C is allowed. After 1 hour, the reaction mass is stratified. The upper transparent part is drained, and the lower is washed with double-distilled water using a centrifuge until the drain solution is neutral. The resulting catalyst was dried. Direct synthesis time is 1 hour.
Полученный катализатор был использован при изготовлении каталитической композиции катода мембрано-электродного блока (МЭБ) электролизера воды. Катодная каталитическая композиция представляет собой дисперсию частиц катализатора ((PtNi)30/V) (1:1) и раствор иономера (МФ-4СК) в пропаноле-2 (20-25 масс.%). После обработки в ультразвуковом диспергаторе полученная эмульсия наносится на пористый титан методом воздушного распыления. На аноде используется каталитическая смесь, состоящая из иридиевой черни и раствора иономера (МФ-4СК) в пропаноле-2 (5-7 масс.%). Далее катод, анод и газоразделительная мембрана объединяются в интегрированный МЭБ электролизера методом термопрессования. Затем сборку устанавливают в ячейку для электролиза деионизированной воды и подают электрический ток плотностью 0,5 А/см2 при 90°С в течение 1 часа. Через час плотность тока увеличивают. Напряжение на ячейке составляет 1,61 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 90°С. Ячейка стабильно работает в течение 3500 часов без изменения показателей.The resulting catalyst was used in the manufacture of the catalytic composition of the cathode of the membrane-electrode unit (OIE) of the water electrolyzer. The cathodic catalyst composition is a dispersion of catalyst particles ((PtNi) 30 / V) (1: 1) and a solution of an ionomer (MF-4SK) in propanol-2 (20-25 wt.%). After processing in an ultrasonic disperser, the emulsion obtained is applied to porous titanium by air spraying. A catalytic mixture consisting of iridium black and a solution of an ionomer (MF-4SK) in propanol-2 (5-7 wt.%) Is used at the anode. Next, the cathode, anode and gas separation membrane are combined into an integrated OIE electrolyzer by thermal compression. Then the assembly is installed in the cell for electrolysis of deionized water and serves an electric current density of 0.5 A / cm 2 at 90 ° C for 1 hour. After an hour, the current density is increased. The voltage on the cell is 1.61 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 90 ° C. The cell stably works for 3500 hours without changing the indicators.
Пример 3.Example 3
Синтез PtNi (1:1 ат.) на углероде с содержанием PtNi 60% масс. Как пример 2, но после помещения в ультразвуковую ванну добавляют 26,3 мл раствора хлорида никеля (с содержанием Ni 76,7 мг) и 7,0 мл раствора гексахлорплатиновой кислоты (с содержанием Pt 253,3 мг).Synthesis of PtNi (1: 1 at.) On carbon with a PtNi content of 60% by mass. As an example 2, but after being placed in an ultrasonic bath, 26.3 ml of a solution of nickel chloride (with a Ni content of 76.7 mg) and 7.0 ml of a solution of hexachloroplatinic acid (with a Pt content of 253.3 mg) are added.
Полученный катализатор наносили на пористый титан и испытывали в составе МЭБ электролизера, как в примере 2. Напряжение на ячейке составляет 1,61 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 90°С. Ячейка стабильно работает в течение 3500 часов без изменения показателей.The resulting catalyst was deposited on porous titanium and tested in the OIE of the electrolyzer, as in example 2. The voltage on the cell is 1.61 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 90 ° C. The cell stably works for 3500 hours without changing the indicators.
Пример 4.Example 4
Синтез PtNi (1:1 ат.) на углероде с содержанием PtNi 40% масс.Synthesis of PtNi (1: 1 at.) On carbon with a PtNi content of 40% by weight.
Как пример 2, но после помещения в ультразвуковую ванну добавляют 30,2 мл раствора хлорида никеля (с содержанием Ni 34,1 мг) и 3,1 мл раствора гексахлорплатиновой кислоты (с содержанием Pt 112,6 мг).As example 2, but after being placed in an ultrasonic bath, 30.2 ml of a solution of nickel chloride (with a Ni content of 34.1 mg) and 3.1 ml of a solution of hexachloroplatinic acid (with a Pt content of 112.6 mg) are added.
Полученный катализатор наносили на пористый титан и испытывали в составе МЭБ электролизера, как в примере 2. Напряжение на ячейке составляет 1,61 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 90°С. Ячейка стабильно работает в течение 3500 часов без изменения показателей.The resulting catalyst was deposited on porous titanium and tested in the OIE of the electrolyzer, as in example 2. The voltage on the cell is 1.61 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 90 ° C. The cell stably works for 3500 hours without changing the indicators.
Пример 5.Example 5
Синтез PtNi (1:3 ат.) на углероде с содержанием PtNi 40% масс.Synthesis of PtNi (1: 3 at.) On carbon with a PtNi content of 40% by weight.
Как пример 2, но после помещения в ультразвуковую ванну добавляют 31,2 мл раствора хлорида никеля (с содержанием Ni 69,86 мг) и 2,12 мл раствора гексахлорплатиновой кислоты (с содержанием Pt 76,84 мг).As an example 2, but after being placed in an ultrasonic bath, 31.2 ml of a solution of nickel chloride (with a Ni content of 69.86 mg) and 2.12 ml of a solution of hexachloroplatinic acid (with a Pt content of 76.84 mg) are added.
Полученный катализатор наносили на пористый титан и испытывали в составе МЭБ электролизера, как в примере 2. Напряжение на ячейке составляет 1,75 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 90°С. Ячейка стабильно работает в течение 3500 часов без изменения показателей.The resulting catalyst was deposited on porous titanium and tested in the OIE of the electrolyzer, as in example 2. The voltage on the cell is 1.75 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 90 ° C. The cell stably works for 3500 hours without changing the indicators.
Пример 6.Example 6
Синтез PtNi (3:1 ат.) на углероде с содержанием PtNi 40% масс.Synthesis of PtNi (3: 1 at.) On carbon with a PtNi content of 40% by weight.
Как пример 2, но после помещения в ультразвуковую ванну добавляют 29,65 мл раствора хлорида никеля (с содержанием Ni 13,46 мг) и 3,68 мл раствора гексахлорплатиновой кислоты (с содержанием Pt 133,24 мг).As example 2, but after being placed in an ultrasonic bath, 29.65 ml of a solution of nickel chloride (with a Ni content of 13.46 mg) and 3.68 ml of a solution of hexachloroplatinic acid (with a Pt content of 133.24 mg) are added.
Полученный катализатор наносили на пористый титан и испытывали в составе МЭБ электролизера, как в примере 2. Напряжение на ячейке составляет 1,61 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 90°С. Ячейка стабильно работает в течение 3500 часов без изменения показателей.The resulting catalyst was deposited on porous titanium and tested in the OIE of the electrolyzer, as in example 2. The voltage on the cell is 1.61 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 90 ° C. The cell stably works for 3500 hours without changing the indicators.
Пример 7.Example 7
Синтез PtNi (1:1 ат.) на углероде с содержанием PtNi 40% масс.Synthesis of PtNi (1: 1 at.) On carbon with a PtNi content of 40% by weight.
Как пример 2, но в реакционный сосуд объемом 500 мл с 220 мг сажи Vulcan ХС-72 добавляют 110 мл смеси этиленгликоль-этиловый спирт (А) в соотношении 3:2, что соответствует заявленному.As an example 2, but in a 500 ml reaction vessel with 220 mg of Vulcan XC-72 carbon black, 110 ml of ethylene glycol-ethanol (A) mixture are added in a ratio of 3: 2, which corresponds to the claimed one.
Полученный катализатор наносили на пористый титан и испытывали в составе МЭБ электролизера, как в примере 2. Напряжение на ячейке составляет 1,61 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 90°С. Ячейка стабильно работает в течение 3500 часов без изменения показателей.The resulting catalyst was deposited on porous titanium and tested in the OIE of the electrolyzer, as in example 2. The voltage on the cell is 1.61 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 90 ° C. The cell stably works for 3500 hours without changing the indicators.
Пример 8.Example 8
Синтез PtNi (1:1 ат.) на углероде с содержанием PtNi 40% масс.Synthesis of PtNi (1: 1 at.) On carbon with a PtNi content of 40% by weight.
Как пример 2, но в реакционный сосуд объемом 500 мл с 220 мг сажи Vulcan ХС-72 добавляют 110 мл смеси этиленгликоль-этиловый спирт (А), а после помещения в ультразвуковую ванну добавляют 20 мл раствора хлорида никеля (с содержанием Ni 34,1 мг) и 17,5 мл раствора гексахлорплатиновой кислоты (с содержанием Pt 112,6 мг). Соотношение смеси (А) к общему количеству воды составляет 3,2:1,2, что соответствует заявленному,As example 2, but 110 ml of ethylene glycol-ethanol mixture (A) is added to a 500 ml reaction vessel with 220 mg of Vulcan XC-72 carbon black, and 20 ml of nickel chloride solution (containing Ni 34.1 is added to the ultrasonic bath) mg) and 17.5 ml of a solution of hexachloroplatinic acid (with a Pt content of 112.6 mg). The ratio of the mixture (A) to the total amount of water is 3.2: 1.2, which corresponds to the declared
Полученный катализатор наносили на пористый титан и испытывали в составе МЭБ электролизера, как в примере 2. Напряжение на ячейке составляет 1,61 В при плотности тока 1 А/см2 и температуре 90°С. Ячейка стабильно работает в течение 3500 часов без изменения показателей.The resulting catalyst was deposited on porous titanium and tested in the OIE of the electrolyzer, as in example 2. The voltage on the cell is 1.61 V at a current density of 1 A / cm 2 and a temperature of 90 ° C. The cell stably works for 3500 hours without changing the indicators.
Пример 9.Example 9
Катализатор, полученный в примере 4 с содержанием PtNi 40 масс % (1:1 ат) на углеродном носителе, был использован при изготовлении каталитической композиции катода мембрано-электродного блока (МЭБ) топливного элемента (ТЭ). Катодная каталитическая композиция представляет собой дисперсию частиц катализатора ((PtNi)40/V) (1:1) и раствор иономера (МФ-4СК) в пропаноле-2 (35 масс.%). После обработки в ультразвуковом диспергаторе полученная эмульсия наносится на материал типа "Пантекс" с сажевым гидрофобным подслоем методом воздушного распыления. На аноде используется каталитическая смесь, состоящая из монокатализатора Pt на углеродном носителе и раствора иономера (МФ-4СК) в пропаноле-2 (35 масс.%). Далее катод, анод и газоразделительная мембрана объединяются в МЭБ топливного элемента. МЭБ помещался в нержавеющую термостатируемую ячейку. Температура ячейки - 85°С. Испытание блоков проводили с использованием водорода и кислорода из электролизера и воздуха из компрессора. Водород и воздух дополнительно увлажнялись (температура увлажнения - 85°С). Давление газов поддерживалось постоянным с помощью редукторов, установленных на выходе газовых трактов, контролировалось манометрами (для кислорода - 3 ати, для водорода и воздуха - 2 ати). Вольтамперные характеристики снимались после выхода тока и напряжения на стационарные значения. Получены следующие характеристики: напряжение на ячейке - 0,7 В; плотность тока - 700 мА/см2 для водородовоздушного ТЭ; плотность тока - 1 А/см2 для водородкислородного ТЭ. ТЭ стабильно работал в течение 3500 часов при напряжении на ячейке 0,87 В.The catalyst obtained in example 4 with a PtNi content of 40 mass% (1: 1 at) on a carbon support was used in the preparation of the catalytic composition of the cathode of the membrane-electrode block (OIE) of a fuel cell (TE). The cathode catalyst composition is a dispersion of catalyst particles ((PtNi) 40 / V) (1: 1) and a solution of an ionomer (MF-4SK) in propanol-2 (35 wt.%). After processing in an ultrasonic disperser, the emulsion obtained is applied to a Pantex-type material with a carbon black hydrophobic sublayer by air spraying. A catalytic mixture consisting of a Pt monocatalyst on a carbon support and a solution of an ionomer (MF-4SK) in propanol-2 (35 wt.%) Is used at the anode. Next, the cathode, anode and gas separation membrane are combined in the OIE of the fuel cell. The OIE was placed in a stainless thermostatic cell. The cell temperature is 85 ° C. The test blocks were carried out using hydrogen and oxygen from the electrolyzer and air from the compressor. Hydrogen and air were additionally humidified (humidification temperature - 85 ° С). The gas pressure was maintained constant with the help of reducers installed at the outlet of the gas paths, controlled by manometers (for oxygen - 3 ati, for hydrogen and air - 2 ati). The current-voltage characteristics were measured after the current and voltage reached steady-state values. The following characteristics were obtained: voltage on the cell - 0.7 V; current density - 700 mA / cm 2 for hydrogen-air fuel cell; current density - 1 A / cm 2 for hydrogen-oxygen fuel cell. The fuel cell worked stably for 3500 hours at a cell voltage of 0.87 V.
Пример 10.Example 10
Катализатор, полученный в примере 5 с содержанием PtNi 40 масс.% (1:3 ат) на углеродном носителе, испытывали в составе МЭБ топливного элемента, как в примере 7. Получены следующие характеристики: напряжение на ячейке - 0,7 В; плотность тока - 600 мА/см2 для водородовоздушного ТЭ; плотность тока - 800 мА/см2 для водородкислородного ТЭ. Ячейка стабильно работает в течение 3500 часов без изменения показателей.The catalyst obtained in example 5 with a PtNi content of 40 wt.% (1: 3 at) on a carbon carrier was tested in the OIE of the fuel cell, as in example 7. The following characteristics were obtained: voltage on the cell - 0.7 V; current density - 600 mA / cm 2 for hydrogen-air fuel cell; current density - 800 mA / cm 2 for hydrogen-oxygen fuel cells. The cell stably works for 3500 hours without changing the indicators.
Таким образом, предложенный способ позволит получить катодный катализатор с высокими характеристиками на основе Pt, предназначенных для использования в электролизерах и топливных элементах с твердым полимерным электролитом (ТПЭ), при этом снизить время и энергозатраты в процессе его получения.Thus, the proposed method will allow to obtain a cathode catalyst with high characteristics based on Pt, intended for use in electrolyzers and fuel cells with solid polymer electrolyte (TPE), while reducing time and energy consumption in the process of its production.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010117599/07A RU2421850C1 (en) | 2010-05-05 | 2010-05-05 | Method of producing nano-sized platinum-nickel catalyst |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010117599/07A RU2421850C1 (en) | 2010-05-05 | 2010-05-05 | Method of producing nano-sized platinum-nickel catalyst |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2421850C1 true RU2421850C1 (en) | 2011-06-20 |
Family
ID=44738165
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010117599/07A RU2421850C1 (en) | 2010-05-05 | 2010-05-05 | Method of producing nano-sized platinum-nickel catalyst |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2421850C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2467798C1 (en) * | 2011-11-02 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of producing catalyst on carbon support |
CN111530455A (en) * | 2020-05-18 | 2020-08-14 | 中国工程物理研究院材料研究所 | Method for thermally synthesizing Pt/C catalyst by reducing chloroplatinic acid solvent with ethylene glycol |
CN114388827A (en) * | 2021-12-16 | 2022-04-22 | 同济大学 | Batch preparation method of catalyst for fuel cell |
CN114713230A (en) * | 2022-05-30 | 2022-07-08 | 桂林电子科技大学 | A Co/Ni ratio of 3:1 carboxylated CNTs loaded CoNiB composite material as well as preparation method and application thereof |
-
2010
- 2010-05-05 RU RU2010117599/07A patent/RU2421850C1/en active
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2467798C1 (en) * | 2011-11-02 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of producing catalyst on carbon support |
CN111530455A (en) * | 2020-05-18 | 2020-08-14 | 中国工程物理研究院材料研究所 | Method for thermally synthesizing Pt/C catalyst by reducing chloroplatinic acid solvent with ethylene glycol |
CN111530455B (en) * | 2020-05-18 | 2023-09-12 | 中国工程物理研究院材料研究所 | Method for thermally synthesizing Pt/C catalyst by adopting ethylene glycol to reduce chloroplatinic acid solvent |
CN114388827A (en) * | 2021-12-16 | 2022-04-22 | 同济大学 | Batch preparation method of catalyst for fuel cell |
CN114713230A (en) * | 2022-05-30 | 2022-07-08 | 桂林电子科技大学 | A Co/Ni ratio of 3:1 carboxylated CNTs loaded CoNiB composite material as well as preparation method and application thereof |
CN114713230B (en) * | 2022-05-30 | 2024-04-12 | 桂林电子科技大学 | A Co/Ni ratio of 3:1 carboxylated CNTs loaded CoNiB composite material, and preparation method and application thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10439228B2 (en) | Method for forming noble metal nanoparticles on a support | |
JP5456797B2 (en) | Fuel cell electrode catalyst | |
CN111111690B (en) | Carbon-supported platinum-cobalt-rhodium nanorod catalyst for acidic hydrogen evolution reaction and preparation method and application thereof | |
Fu et al. | Synthesis of Pd/TiO2 nanotubes/Ti for oxygen reduction reaction in acidic solution | |
CN113136597B (en) | Copper-tin composite material and preparation method and application thereof | |
Wang et al. | Tensile strained PdNi bimetallene for energy-efficient hydrogen production integrated with formate oxidation | |
CN108043437B (en) | Preparation method of hollow SiC carrier type Ir-Ru catalyst | |
RU2421850C1 (en) | Method of producing nano-sized platinum-nickel catalyst | |
Meng et al. | An electrochemically reconstructed WC/WO 2–WO 3 heterostructure as a highly efficient hydrogen oxidation electrocatalyst | |
Beydaghi et al. | Preparation and characterization of electrocatalyst nanoparticles for direct methanol fuel cell applications using β-D-glucose as a protection agent | |
TWI398402B (en) | Electroplating solution for manufacturing nanometer platinum and platinum based alloy particles and method thereof | |
JP2008041498A (en) | Method of manufacturing catalyst support body for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP2018006107A (en) | Electrode catalyst for fuel cell and method of manufacturing the same, and fuel cell | |
Yin et al. | PdCu nanoparticles modified free-standing reduced graphene oxide framework as a highly efficient catalyst for direct borohydride-hydrogen peroxide fuel cell | |
RU2467798C1 (en) | Method of producing catalyst on carbon support | |
CN113275582A (en) | Preparation method of metal aerogel electrocatalytic material | |
KR20230062374A (en) | Synthesis method of high-efficiency IrRuOx/ATO catalyst for water electrolysis | |
CN110923737A (en) | Nano porous hydrogen production catalyst and preparation method thereof | |
JP5565135B2 (en) | Method for producing catalyst-supported carrier and method for producing electrode catalyst | |
KR102180882B1 (en) | Synthesis method of water electrolysis catalyst using ultrasonic spray pyrolysis | |
CN114481204A (en) | Preparation of cobalt phosphide-supported noble metal nano material | |
JP2006346571A (en) | Method for manufacturing platinum catalyst for fuel cell | |
WO2010146475A1 (en) | Supported catalysts | |
KR20050108434A (en) | Catalyst for fuel cell and fuel cell comprising same | |
KR101253812B1 (en) | Alloy metallic nanostructure and method of it for fuel cell |