一种低载量铂催化气体扩散电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种低载量铂催化剂气体扩散电极及其制备方法和应用，用简单的热还原方法制备了低载量Pt/C

【技术实现步骤摘要】
一种低载量铂催化气体扩散电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于湿法冶金领域，具体涉及一种低载量铂催化气体扩散电极及其制备方法和应用，尤其是在电沉积锌中的应用。

技术介绍

[0002]锌的冶炼主要分为火法冶炼和湿法冶炼，相对于火法炼锌来说，湿法炼锌由于能耗较低、对环境友好，是目前锌冶金技术发展的方向。目前，湿法炼锌产量占世界锌总产量的比例超过80%。
[0003]现有的湿法冶锌技术是以铅银合金电极为阳极，外接直流电源，电解液为H2SO4+ZnSO4溶液。用铅银合金作为阳极电沉积锌时有明显的缺陷，包括易形成酸雾腐蚀设备、易形成短路降低电流效率、能耗较大、与硫酸锌中的杂质反应生成阳极泥等。而用气体扩散电极作为阳极电沉积锌时槽电压可大幅度降低，具有显著的节电效果，并且无酸雾和阳极泥产生，因而有利于生产环境的改善和生产工艺的简化。由于不存在阳极铅溶解的污染，因此可以有效提高锌产品质量。
[0004]气体扩散电极是一种多孔电极，气体和电解质在电极催化层形成气
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液
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固三相界面，在三相界面发生反应。一般气体扩散电极的结构主要由三部分组成：(1) 集流体，作为电极的支撑材料，给电极提供一定的机械强度；(2) 扩散层，具有一定的疏水性，为参加反应的气体提供通道进入反应三相界面；(3) 催化层，具有一定的亲水性，电解液在催化层中形成大量电解质薄液膜和透过扩散层的气体形成三相反应界面，作为反应场所。
[0005]采用气体扩散电极代替铅银合金电沉积锌时，阳极以氢气氧化反应替代原有的氧析出反应，降低了槽电压，可大幅度降低电耗。
[0006]使用现有的铅银合金阳极电沉积锌时反应如下：气体扩散电极电沉积锌时反应如下：由于阴极反应不变，与传统的铅银合金阳极相比，用气体扩散电极电沉积锌理论槽电压由1.99 V降低到0.76 V，在同样的电解条件下理论上可降低电耗1.23/1.99=61.8%。虽然这一理论效果很是诱人，但现有的用气体扩散电极沉积锌均达不到这一理论效果，且槽电压明显高于理论值，节电效果明显低于理论值。
[0007]现有的气体扩散电极大多具有三层结构，电极制备工艺复杂。在气体扩散电极中催化剂的作用至关重要，在酸性条件下一般使用贵金属作为催化剂，而铂的催化性能是首选。但由于铂的价格昂贵，而且资源极为有限，极大地限制了该类催化剂的工业应用。已经报道的氢气扩散电极用于沉积锌，其催化剂多用Pt/C催化剂，其中Pt含量多在20wt%以上。由于成本高且性能不理想，用气体扩散电极电沉积锌的技术至今没有商业化。用在气体扩散电极的制备过程中简化电极结构和制备工艺、降低催化剂中的Pt含量，是气体扩散电极电沉积锌技术能够商业化的关键和前提。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种低载量铂催化剂气体扩散电极及其制备方法和应用，用简单的热还原方法制备了低载量Pt/C
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N催化剂，该低载量Pt/C
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N催化剂具有优异的氢氧化活性，使用该低载量Pt/C
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N催化剂制备气体扩散电极可大幅度降低电极成本。将低载量Pt/C
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N催化剂、异丙醇、曲拉通和聚四氟乙烯等原料混合机械搅拌后均匀涂覆在碳布上，经过冷压、烘干、热压过程得到气体扩散电极。该气体扩散电极不包含独立的扩散层，结构和制备工艺均简单，有利于该电极的商业化。以该气体扩散电极为阳极，装于电解槽，以H2SO4+ZnSO4溶液为电解液来电沉积锌时，槽电压低至1.1V，与现有的铅银合金电沉积技术的平均槽电压相比降低可达2.5 V，实际运行降低了61.3%的电能单耗。与现有的气体扩散电极电沉积锌的最低槽电压1.4V、最低电能单耗1344.74kW.h/t相比，本专利技术在低铂载量下，不仅槽电压降低到1.1V，而且电能单耗也降低到1235kW.h/t。可见，本专利技术具有显著的节能效果。此外，与现有工艺相比本专利技术的锌电积技术还减少的电沉积过程中酸雾的产生，且无阳极泥，还能提高锌产品的质量。
[0009]为了实现专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种低载量铂催化剂气体扩散电极，由催化层和基底两层结构组成，其中，以碳布作为基底，低载量Pt/C
‑
N催化剂作为催化层，不再单独制备扩散层。
[0010]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的低载量Pt/C
‑
N催化剂中，Pt含量为0.1
‑
18 wt%。更优选，Pt含量为0.1
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4.9%。
[0011]本专利技术还保护所述低载量铂催化剂气体扩散电极的制备方法，将低载量Pt/C
‑
N催化剂超声分散于包含曲拉通和异丙醇的溶剂中，混合均匀，再加入聚四氟乙烯乳液，混合均匀，然后涂覆在碳布上，依次经过冷压、热处理、热压得到低载量铂催化剂气体扩散电极。
[0012]更为具体的，所述的制备方法包括以下步骤：步骤一，通过热还原方法制备低载量Pt/C
‑
N催化剂；步骤二，以碳布作为气体扩散电极的基底；步骤三，将10
‑
50 mL异丙醇与0.1
‑
3 mL曲拉通混合加5
‑
20 mL水，然后再加入0.1
‑
3 g步骤一所制备的低载量Pt/C
‑
N催化剂，先超声分散，再机械搅拌0.5
‑
2 h，然后向浆料中加入0.1
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5 mL聚四氟乙烯乳液，机械搅拌10
‑
60 min，得到催化层浆料；静置10
‑
24 h后，将催化层浆料涂在碳布上，在1
‑
10 MPa的压力下冷压；步骤四，将冷压后的电极在马弗炉中加热到100
‑
230℃保温10
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60 min，然后升温至231
‑
260℃保温10
‑
60 min，最后在261
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330℃下保温0.5
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2 h，将电极烘干；将电极在23
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43 MPa，340
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400℃下热压0.1
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10 min，得到低载量铂催化气体扩散电极。
[0013]在本专利技术的优选的实施方式中，所述的热还原方法制备低载量Pt/C
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N催化剂包括如下步骤：（1）将1
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20 g柠檬酸钠和0.1
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2 g尿素混合后充分研磨，然后在惰性气氛下100
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800℃加热0.5
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2 h，冷却至室温后取出，洗涤、抽滤、干燥得到含氮碳载体；（2）在氯铂酸水溶液中加入水和含氮碳载体，混合搅拌10
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24 h，旋蒸、干燥，得到催化剂前驱体；（3）将催化剂前驱体在惰性气氛下100
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800℃加热0.5
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2 h，冷却至室温后研本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低载量铂催化剂气体扩散电极，其特征在于，由催化层和基底两层结构组成，其中，以碳布作为基底，低载量Pt/C
‑
N催化剂作为催化层，不再单独制备扩散层。2.根据权利要求1所述的低载量铂催化剂气体扩散电极，其特征在于，所述的低载量Pt/C
‑
N催化剂中，Pt含量为0.1
‑
18 wt%。3.根据权利要求1所述的低载量铂催化剂气体扩散电极，其特征在于，所述的低载量Pt/C
‑
N催化剂中，Pt含量为0.1
‑
4.9 wt%。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的低载量铂催化剂气体扩散电极的制备方法，其特征在于，将低载量Pt/C
‑
N催化剂超声分散于包含曲拉通和异丙醇的溶剂中，混合均匀，再加入聚四氟乙烯乳液，混合均匀，然后涂覆在碳布上，依次经过冷压、热处理、热压得到低载量铂催化剂气体扩散电极。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，通过热还原方法制备低载量Pt/C
‑
N催化剂；步骤二，以碳布作为气体扩散电极的基底；步骤三，将10
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50 mL异丙醇与0.1
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3 mL曲拉通混合加5
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20 mL水，然后再加入0.1
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3 g步骤一所制备的低载量Pt/C
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N催化剂，先超声分散，再机械搅拌0.5
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2 h，然后向浆料中加入0.1
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5 mL聚四氟乙烯乳液，机械搅拌10
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60 min，得到催化层浆料；静置10
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24 h后，将催化层浆料涂在碳布上，在1
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10 MPa的压力下冷压；步骤四，将冷压后的电极在马弗炉中加热到100
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230℃C保温10
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60 min，然后升温至231
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：李志林，罗超伟，王峰，张正平，窦美玲，刘景军，吉静，牛津，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：