Устройство для получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях

Предложение относится к области водородной энергетики на основе катализаторов для воздушно-водородных топливных элементов с использованием платинированных углеродных материалов. Устройство для получения таких катализаторов включает реактор с гидротерморубашкой, контейнер с наноуглеродным материалом, емкость с концентрированной азотной кислотой и емкость с дистиллированной водой; термостатную камеру, соединенную с вакуум-установкой. Рабочая камера реактора сообщена магистралями с контейнерами, содержащими отдельно: этиленгликоль, платинусодержащий компонент, дополнительные компоненты, вводимые в реакционную камеру. Обработку композиции в реакторе ведут с помощью ультразвука и сменной механической мешалки с подачей инертного газа из баллона. После термообработки в сочетании с указанными воздействиями, от смеси отделяют осадок методом центрифугирования, проливают дистиллированной водой до нейтрального рН, сушат. В результате получают платинусодержащий катализатор с содержанием не менее 20% Pt. Ил. - 2; 1 з.п.ф.

Предложение относится к области водородной энергетики на основе катализаторов для воздушно-водородных топливных элементов с использованием платинированных углеродных материалов.

В отмеченной области научно-технологических решений известны устройства для получения платинусодержащих катализаторов. Установка этого класса технических средств содержит корпус с камерой для смешивания исходных компонентов, емкости с компонентами, соединенные магистралями с камерой, контейнер для накопления получаемой композиции [RU 78483, С08G 83/00, Н01М 8/00, 27.11.2008; RU 89424, 10.12.2009; Герасимова Е.В., Платина на углеродных носителях - катализатор процессов, Альтернативная энергетика и экология, 2009, 8; с.76].

Существенными и очевидными недостатками указанных технических решений является недостаточное техническое оснащение устройства ввиду отсутствия в его функциональной технологической схеме устройств для окончательной обработки смеси, сушки материала при соблюдении инертности среды, не допускающей окислительных процессов. Эти технические недостатки приводят к получению катализатора с низкими количественными и качественными показателями.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство (аппарат) для получения катализатора, содержащий реакционную камеру, дополнительную реакционную камеру, смеситель, сушильную вакуум-камеру, емкости с исходными компонентами [Ru 86116, В01J 23/00, 27.08.2009].

Обладая, по сравнению с аналогами, эффективной функциональной технической схемой, это устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в отсутствии необходимого технического оснащения для производства концентрированной смеси компонентов катализатора; а привлечение дополнительного оборудования для работы в комплексе с этим устройством приводит к накоплению отрицательных показателей ввиду разнородности стыкуемого оборудования. Эти недостатки отражаются на свойствах и качестве получаемого катализатора.

Технической задачей и положительным результатом заявляемого устройства является совершенствование конструкции и функциональной технической схемы устройства для получения более концентрированного материала конденсатора из нанокомпозитных углеродных и платиновых элементов, обладающего улучшенными свойствами генерирования мощности мембранно-электродных блоков.

Указанная задача и технический результат достигается за счет того, что устройство для получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях, содержит реактор, оснащенный гидротерморубашкой, ультразвуковым излучателем и механической мешалкой, термостатной камерой с вакуум-установкой, рабочая камера реактора сообщена посредством коммуникаций с контейнерами, заполненными исходными компонентами, и с емкостями, содержащими текучие компоненты, при этом устройство также оснащено центрифугой и соединено с источником инертного газа.

Устройство характеризуется тем, что контейнеры заполнены отдельно каждый следующими компонентами: наноуглеродным материалом, платинусодержащим материалом, а емкости оснащены отдельно каждая текучими компонентами: концентрированной азотной кислотой, дистиллированной водой, двухнормальным едким натрием, этиленгликолем, полиэтиленгликолем.

На чертеже изображена принципиальная технологическая схема устройства для получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях.

Устройство для получения катализаторов включает реактор 1 с гидротерморубашкой 2, емкость 3 с концетрированной азотной кислотой, контейнер 4 с наноуглеродным материалом и емкость 5 с дистиллированной водой; термостатную камеру 6, соединенную с вакуум-установкой 7. Рабочая камера реактора 1 сообщена магистралями с контейнерами 8, 9, 10, содержащими отдельно, соответственно: этиленгликоль, платинусодержащий компонент, дополнительные компоненты, вводимые в реакционную камеру. Обработку композиции в реакторе ведут с помощью ультразвука от излучателя 11 и сменной механической мешалки 12 с подачей инертного газа из баллона 13. После термообработки регулируемой температурой в гидротерморубашке 2 в сочетании с указанными воздействиями, от смеси отделяют осадок методом центрифугирования в центрифуге 14, проливают дистиллированной водой в камере 15 до нейтрального рН, сушат в термостате 16 и накапливают в контейнере 17. В результате этого процесса получают платинусодержащий катализатор с содержанием не менее 20% Pt.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Емкости 3, 4, 5 и контейнеры 8, 9, 10 заполняют указанными исходными компонентами. Полость реакционной камеры реактора 1 оснащены механической мешалкой 12 и излучателем 11 ультразвуковых волн. Наноуглеродный материал (8-10 нм) из термостатной камеры 6, где он обработан азотной кислотой, поданной из емкости 3, и промыт дистиллированной водой из емкости 5, подают в контейнер 4. Затем в полость реактора 1 подают воду из емкости 5, добавляют в нее: платинусодержащий компонент - 9, этиленгликоль - 8 и дополнительно - NaOH из контейнера 10. Полость реактора заполняют аргоном из баллона 13. Смесь перемешивают мешалкой 12, обрабатывают ультразвуковым излучателем 11 при комнатной температуре в течение 0,5 часов. После этого смесь с помощью гидротерморубашки 2 нагревают до 145°С и перемешивают с помощью мешалки 12 в течение 1,5 часов, при этом добавляют полиэтиленгликоль с ММ = 4000; охлаждают смесь и реактор до комнатной температуры. Смесь подают в центрифугу 14, осадок из нее промывают дистиллированной водой в камере 15, подают на сушку в термостат 16 и накапливают готовый материал катализатора в контейнере 17.

Полученный катализатор на наноуглеродном носителе включает в своем составе 20% платины, что является высоким показателем, при этом размер частиц платины составляет 2-4 нм, а наноуглеродного материала - 8-10 нм. При использовании этого катализатора в мембранно-электродных блоках мощность такого блока составляет 120 мВт, что на 10-12% превосходит показатель эталонного МЭБ (-Е-Tek).

1. Устройство для получения платинусодержащих катализаторов на наноуглеродных носителях, содержащее реактор, оснащенный гидротерморубашкой, ультразвуковым излучателем и механической мешалкой, термостатной камерой с вакуум-установкой, рабочая камера реактора сообщена посредством коммуникаций с контейнерами, заполненными исходными компонентами, и с емкостями, содержащими текучие компоненты, при этом устройство также оснащено центрифугой и соединено с источником инертного газа.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что контейнеры заполнены отдельно каждый следующими компонентами: наноуглеродным материалом, платинусодержащим материалом, а емкости оснащены отдельно каждая текучими компонентами: концентрированной азотной кислотой, дистиллированной водой, двухнормальным едким натрием, этиленгликолем, полиэтиленгликолем.