铂碳的主要特点和应用领域

概述

铂碳，又名铂炭，铂炭催化剂，Pt/C。属于贵金属催化剂，外观是黑色粉末，分子量为195.08，分子式为Pt/C。铂炭催化剂是将铂负载到活性炭上的一种载体催化剂，属于贵金属催化剂中最常用的一种。可用于制药、电子等领域，应用较为广泛。铂含量：0.5%~20%产地：美国、俄罗斯、中国。

高担载量碳载铂催化剂是目前质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 简称PEMFC) 的关键材料之一, 实际应用的燃料电池碳载铂电催化剂, 铂担载量一般高达20% 以上, 较通常的化工用担载型催化剂( 铂担载量低于5%) 的制备难度要大很多, 国内目前尚处于研发阶段, 未形成生产能力, 产品主要依赖进口。燃料电池碳载铂催化剂中铂纳米颗粒粒度、粒度分布及杂质含量对催化剂的电催化性能和运行稳定性有很大的影响。当催化剂中金属Pt 粒子的粒度在2 ～5nm、粒子粒度分布窄、在炭上分散均匀,催化剂中有害杂质( 如Cl) 含量少时, 催化剂具有较好的活性和稳定性[1]。碳载铂催化剂中Pt 金属粒子的粒度、粒度分布及杂质含量的控制是催化剂制备研究的难点和重点。

技术指标

主要特点

铂碳选择性和活性高、寿命长，同体系可循环几十次以上；用量小，是雷尼镍的10%以下；可在低温、低压甚至常温常压下使反应进行。可回收提纯再加工。

应用范围

烯烃、炔烃、肟、腈、酚、萘、吡啶、苯、醇、芳香族和脂肪族醛、硝基芳香族化合物，芳香腈、腙、胺、酮，芳香族杂环化合物、环戊烷等加氢；烃类、CO和NH3等氧化；环已烷、环已烯、环已醇、环已酮、烷烃、醇类等脱氢；氮氧化合物的还原等吡咯及其衍生物。

制备方法

目前铂碳催化剂的制备方法有以下几种：沉淀转化工艺[2]，化学还原法[2]，交替微波加热法[3]。

一、沉淀转化工艺制备碳载铂催化剂方法：用自主开发的H₂Pt(OH)₆ 沉淀转化工艺制备了铂担载量为20% 的碳载铂催化剂, 通过TEM、XRD、EDX、XPS 等技术和手段对催化剂的物理化学特征进行了分析和表征, 并组装PEMFC 单电池评价了催化剂的电化学性能。制备过程：制备所用的碳载体为美国Cabot 公司生产的Vulcan XC-72 型 碳 黑, H₂Pt(OH)₆ 沉 淀转化制备碳载铂催化剂的一般过程是: 将载体碳黑均匀分散在溶剂中, 加入计量的羟基铂酸钠(Pt 与C 的投料质量比为1 ∶4) , 超声分散均匀后, 滴入沉淀剂HAC，使铂以羟基铂酸的形式沉积出来, 而后加入过量的甲酸钠作为还原剂, 加热升温还原2h 后降至室温, 过滤洗涤, 将制得的催化剂放入真空烘箱中80℃烘干备用。以该方法制得的铂担载量为20%( 质量分数, 下同) 的碳载铂催化剂记为Pt/C(Grinm) 。

二、化学还原法制备碳载铂催化剂方法：化学还原法是一种最经典的制备催化剂的方法, 其制备方法非常简单。缺点是制得的催化剂中分散性较差, 对多组分的复合催化剂, 各组分常会发生分布不均匀的问题。同时, 制得的催化剂的粒子的平均粒径比较大, 催化活性较低。尽管如此, 由于制备过程成本较低, 工艺简单, 易于在实际的生产中得到应用。因而, 对其制备工艺进行进一步的优化, 以制备高分散性、具有较小的粒径的催化剂仍旧具有实际意义。制备过程：将60mg Vulcan XC-活性碳、20mL三次蒸馏水、2mL 0.039mol/L的H₂PtCl₆ 溶液混 合,超声震荡30min 后, 置于700℃水浴中, 搅拌、通高纯氮气30min 以除去溶解的氧气。然后缓缓滴加10mL 0.1mol/L 多 聚 甲 醛 和0.05mol/L Na₂CO₃ 的混合溶液, 通高纯N₂ 保护、冷凝回流、搅拌215h 以保证H₂PtCl₆ 完全还原。趁热抽滤, 用三次水洗涤到无Cl- 为止。85℃真空干燥20h, 即制得Pt/C 催化剂。以10mL 0.1mol/L 甲 醇 和0.05mol/L Na₂CO₃的混合溶液为还原剂用相同的步骤制得Pt/C 催化剂。用多聚甲醛还原得的催化剂标记为Pt /C-P 催化剂, 用甲醇还原得的催化剂标记为Pt/C-M 催化剂。ETEK 公司的Pt/C 催化剂标记为Pt/C-E 催化剂，它们的理论含Pt 量都为20% ( 质量分数)。

三、微波介电加热技术制备过程简单、方便、快捷，可以利用微波介电加热技术，间歇式加热程序控制来制备Pt/C催化剂。使用该方法制备会发现该法制备的催化剂具有无氯、高比表面积、高分散性的特征，即使在负载量高达50%时，这一特征也没有发生改变，解决了其他方法制备过程冗长，颗粒度不易控制等问题。制备方法是：将Vulcan XC-72碳黑在丙酮溶液中充分分散15min，在机械搅拌下。根据所需的负载量 ，缓慢滴加氯铂酸的丙酮溶液，随后继续在超声波作用下挥发溶剂，直至干燥。在微波炉中，对上述样品进行短时5s加热 ，反复进行几次，以除去样品中残留的丙酮 ，而后将其放于盛有100g碳黑的 500ml烧杯中（起到保温作用），进行加热10s，停90s的间歇式加热程序，反复进行 6次，随后，加入过量的0.5mol/L甲酸，在氩气气氛下，进行加热30s，停40s的加热程序 ，进行还原直至干燥，会得到40%Pt/C催化剂。

应用领域

1.有机合成：去氢反应，芳环加氢反应，过氧化氢分解，气体纯化；

2. 铂碳用于氢气与氧气的化合反应，从氧气、氩气、氮气、二氧化碳、空气、氦气中提纯氢气；

3. 铂碳用于氧气与四氯化碳的化合反应，从氮气中提纯氧气；

4. 铂碳用于烃类化合物与氧气的化合反应，从氧气、氮气、二氧化碳、空气、氦气、氩气中提纯烃类化合物；

5. 铂碳用于一氧化碳与氧气的化合反应，从二氧化碳、氮气、空气中提纯一氧化碳。

参考资料

[1]Frelink T,Visscher W,Van Veen J A R Particle size effect of carbon-supported platinum catalysts for the electrooxidation of methanol[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,1995,382(1):65-72

[2] 万丽艳, 宋志远. 碳载铂催化剂的两种制备方法[J]. 化工管理, 2015(1):97-98.

[3] 田植群, 沈培康, 古国榜. 交替微波加热法制备Pt/C催化剂的研究[J]. 电池, 2004, 34(3):204-206.