用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉑催化劑的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉑催化劑的制備方法，以多孔泡沫鋁作為陽極，置于含有鋁酸鹽、硅酸鹽、氟鋯酸鹽、次亞磷酸鈉中的一種或兩種的電解液中，施加直流或交流電壓進行微弧氧化處理，處理時間為10-120分鐘，在泡沫鋁的表面形成一層多孔的氧化陶瓷膜，以此陶瓷膜作為基底，在其表面進行Pt基催化劑的擔載，得到用于甲醇重整器燃燒室的Pt基催化劑。本發(fā)明可有效解決現(xiàn)有甲醇重整器燃燒室中氫氣與鉑接觸不充分、催化劑利用率低以及催化劑骨架對催化劑有負面影響等問題。
【專利說明】用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沬鋁為載體的鉑催化劑的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于質(zhì)子交換陶瓷膜燃料電池燃料領(lǐng)域，涉及一種用于甲醇重整器燃燒室的鉬基催化劑的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前正在研究的新型能源主要包括核能、風能、太陽能、地熱能、生物質(zhì)能和燃料電池等，其中燃料電池具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單和污染小甚至無污染等特點，由于最近機械加工技術(shù)的日益進步，使其在價格和性能上可以與傳統(tǒng)能源相競爭，燃料電池技術(shù)越來越受到人們的重視。與其他類型的燃料電池相比，直接甲醇燃料電池(DMFC )更合適可作為便攜能源，其具有高效、高能量密度、體積較小、燃料價格低廉、環(huán)境污染小、便于持久供能等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于微機電系統(tǒng)、微電子設(shè)備、微型機器人、微型醫(yī)療器械、個人移動通訊設(shè)備等，是一種具有廣闊市場應(yīng)用前景的高新技術(shù)。但是仍然有一些技術(shù)問題制約著直接甲醇燃料電池的發(fā)展，其中的重要一項便是甲醇由于滲透在陰極產(chǎn)生混合電位，降低了開路電壓和電流密度。為解決此問題，研究人員開發(fā)了一種甲醇重整燃料電池，特點是將高濃度甲醇重整為氫氣后供給陽極作為燃料，其主要設(shè)備有重整反應(yīng)室、燃燒室、氣體凈化處理器和儲氫罐等。燃燒室為重整反應(yīng)室提供熱量；氣體凈化處理器用于降低富氫產(chǎn)物中的CO含量；儲氫罐用于存儲氫氣，可以使供電設(shè)備過度負載時燃料電池對氫燃料的過度需求。
[0003]燃燒室肩負著給重整反應(yīng)室提供能量的重任，其能量產(chǎn)生方式通常為氧化反應(yīng)釋放的熱量，即在催化劑作用下，通入的氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生焦耳熱。燃燒室中通常采用鉬基催化劑，但是目前燃燒室內(nèi)存在催化劑分布不均勻，催化效率不高的問題，以至于不能持續(xù)高效使得氫氣和氧氣燃燒供熱，無法達到重整反應(yīng)室的熱量需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種以微弧氧化技術(shù)改性的多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，可有效解決現(xiàn)有甲醇重整器燃燒室中氫氣與鉬接觸不充分、催化劑利用率低以及催化劑骨架對催化劑有負面影響等問題。
[0005]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種用于甲醇重整器燃燒室以微弧氧化改性的多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，首先對多孔泡沫鋁進行表面改性處理，然后在其表面制備用于甲醇重整器燃燒室的催化劑，具體制備步驟如下:
一、以多孔泡沫鋁作為陽極，置于含有鋁酸鹽、硅酸鹽、氟鋯酸鹽、次亞磷酸鈉中的一種或兩種的電解液中，所述電解液中各成分的含量為5-20g/L，施加直流或交流電壓進行微弧氧化處理，處理時間為10-120分鐘，在泡沫鋁的表面形成一層多孔的氧化陶瓷膜，該陶瓷膜是由致密的內(nèi)層和粗糙多孔的外層組成的雙層結(jié)構(gòu)。
[0006]二、微弧氧化處理后，在陶瓷膜的表面采用浸潰法進行Pt基催化劑的擔載:使用氯鉬酸為前驅(qū)體，在氯鉬酸中依次加入甲醛和氫氧化鈉溶液，超聲攪拌后置入多孔泡沫鋁，升溫至8(T95°C后停止加熱，冷卻、過濾。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點在于，采取了多孔泡沫金屬鋁，并進行表面改性，提高了催化劑載體的比表面積，采用此種結(jié)構(gòu)的催化劑載體仍然使用氫氣作為反應(yīng)物，與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放熱量供給重整反應(yīng)室。對于催化劑載體的改進之處在于，采取了多孔泡沫金屬鋁作為催化劑載體的骨架，對其表面進行改性，即氧化，生成一層多孔的氧化鋁陶瓷膜，相對于在其他多孔泡沫金屬上，通過浸泡氧化鋁膠體再干燥形成氧化鋁陶瓷層的方法，能夠做到孔致密度、厚度可調(diào)節(jié)，氧化鋁陶瓷膜覆蓋完整且不易脫落。將改性完成的多孔泡沫金屬鋁浸潰在Pt基催化劑鹽溶液中，通過浸潰法擔載Pt基催化劑，浸潰過程中，鹽溶液通過毛細作用進入氧化鋁薄陶瓷膜的多孔結(jié)構(gòu)。在泡沫金屬孔隙度不變的情況下，通過表面的多孔層增加了反應(yīng)物與催化劑的接觸面積，提高了催化劑利用率。
[0007]本發(fā)明所述Pt基催化劑載體，即多孔泡沫金屬鋁表面改性，其骨架形狀與孔隙度均可進行改變，氧化陶瓷膜厚度、組成及孔隙度可控。
[0008]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(1)泡沫鋁呈三維多孔結(jié)構(gòu)，比表面積比同等體積的載體要大，當表面覆蓋了催化劑時，會使得氫氣與催化劑的接觸更加充分，有利于提升熱量產(chǎn)出效率，供給甲醇重整反應(yīng)室;
(2)當在泡沫鋁表面增加一層多孔氧化物陶瓷膜之后，陶瓷膜疏松多孔的表面結(jié)構(gòu)，增強了催化劑與泡沫鋁的結(jié)合力，進一步提高氫氣與催化劑的接觸面積，提高催化劑利用率；
(3)氧化物陶瓷膜包覆泡沫金屬鋁骨架后，可提高金屬鋁表面的穩(wěn)定性；
(4)催化劑的擔載過程簡化，只需浸潰或者沉積，然后分解、還原催化劑即可，也可以直接擔載成品催化劑；
(5)工藝簡單,成本低廉,穩(wěn)定性好，利于推廣應(yīng)用。
[0009]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1是甲醇重整器燃燒室壁微弧氧化后示意圖；
圖2是甲醇重整器反應(yīng)室與燃燒室關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0011]實施例1:
將多孔泡沫鋁置于5-15g/L的鋁酸鈉與0.5-2g/L的次亞磷酸鈉所組成的工作液中，以泡沫鋁作為正極，工作槽作為負極，采用直流電源在300-600V電壓、10-30A/dm2恒定電流密度的條件下處理30-180分鐘。
[0012]將15mL氯鉬酸加入燒瓶中，依次加入lmL、37% (質(zhì)量分數(shù))的甲醛和lmL、20% (質(zhì)量分數(shù))的氫氧化鈉溶液，最后將多孔泡沫鋁置于燒瓶中，升溫至8(T95°C后停止加熱，冷卻、過濾，并最終得到載量為5-50mg/cm2的鉬催化劑。[0013]將上述催化劑載體，在擔載了催化劑之后，放在燃燒室里(如圖1 )，燃燒室為與載體體積相符合的凹槽，前后分別連通輸入氫氣、空氣的進氣孔和排出產(chǎn)物的出氣孔。如圖2所示，燃燒室工作時，氫氣在多孔泡沫金屬鋁骨架表面的催化劑作用下，與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成水，并釋放大量熱量。
[0014]實施例2:
本實施例與實施例1的區(qū)別在于，所述工作液中含有10g/L的鋁酸鈉與lg/L的次亞磷酸鈉直流電源輸出電壓為600V、電流密度為15A/dm2、處理時間為60分鐘。
[0015]實施例3:
本實施例與實施例1的區(qū)別在于，微弧氧化電源時采用交流電源，正向脈沖的峰值電流密度為10-30A/dm2、負向脈沖的峰值電流密度為0-20 A/dm2、工作頻率為10_3000Ηζ、處理時間為20-120min。
[0016]實施例4:
本實施例與實施例3的區(qū)別在于，正向脈沖的峰值電流密度為20A/dm2、負向脈沖的峰值電流密度為10 A/dm2、工作頻率為500Hz、處理時間為60min。
[0017]實施例5:
本實施例與前述實施例的區(qū)別在于，微弧氧化過程中采用的電解液為5-15g/L的硅酸鈉與0.5-2g/L的次亞磷酸鈉的混合溶液。
[0018]實施例6:
本實施例與實施例5的區(qū)別在于，硅酸鈉的濃度為10g/L，次亞磷酸鈉的濃度為1.5g/
L0
[0019]實施例7:
本實施例與前述實施例的區(qū)別在于，微弧氧化過程中采用的電解液為5-15g/L的氟鋯酸鉀與0-2g/L的次亞磷酸鈉的混合溶液。
[0020]實施例8:
本實施例與實施例7的區(qū)別在于，氟鋯酸鉀的濃度為8g/L，次亞磷酸鈉的濃度為0.5g/
L0
[0021]實施例9:
本實施例與實施例7的區(qū)別在于，氟鋯酸鉀的濃度為10g/L。
【權(quán)利要求】
1.用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，其特征在于所述方法步驟如下: 一、以多孔泡沫鋁作為陽極，置于含有鋁酸鹽、硅酸鹽、氟鋯酸鹽、次亞磷酸鈉中的一種或兩種的電解液中，施加直流或交流電壓進行微弧氧化處理，處理時間為10-120分鐘，在泡沫鋁的表面形成一層多孔的氧化陶瓷膜； 二、微弧氧化處理之后，以此陶瓷膜作為基底，在其表面進行Pt基催化劑的擔載，得到用于甲醇重整器燃燒室的Pt基催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，其特征在于在陶瓷膜的表面采用浸潰法進行Pt基催化劑的擔載。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，其特征在于所述浸潰法步驟如下:使用氯鉬酸為前驅(qū)體，在氯鉬酸中依次加入甲醛和氫氧化鈉溶液，超聲攪拌后置入微弧氧化處理之后的多孔泡沫鋁，升溫至8(T95°C后停止加熱，冷卻、過濾。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，其特征在于所述Pt基催化劑的載量為5-50mg/cm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，其特征在于施加直流電壓進行微弧氧化處理時，控制電壓為300-600V、電流密度為10-30A/dm2、處理時間為30-180分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，其特征在于施加交流電壓進行微弧氧化處理，正向脈沖的峰值電流密度為10-30A/dm2、負向脈沖的峰值電流密度為0-20 A/dm2、工作頻率為10_3000Hz、處理時間為20_120min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于甲醇重整器燃燒室以多孔泡沫鋁為載體的鉬催化劑的制備方法，其特征在于所述電解液中各成分的含量為5-20g/L。
【文檔編號】H01M4/92GK103949244SQ201410210544
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】張雪林, 陳海龍, 張宇峰, 劉曉為 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)