Получение наноразмерных платино-титановых сплавов

Получение наноразмерных платино-титановых сплавов

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к приготовлению частиц платино-титановых сплавов нанометрового размера. Более конкретно, настоящее изобретение относится к использованию ультразвуковой энергии для воздействия на дисперсию или раствор платинового и титанового соединения(й)-предшественника(-ов) с целью получения маленьких частиц платино-титановых сплавов. Данные частицы могут быть использованы, например, в качестве катализатора.

Уровень техники настоящего изобретения

Стимулом к развитию экономически жизнеспособных топливных элементов, содержащих полимерную электролитную мембрану (ПЭМ), предназначенных для использования в автомобилях, является высокая стоимость платины, в настоящее время требующейся в катоде для каталитического восстановления кислорода. Различные катализаторы из платиновых сплавов демонстрировали улучшенные значения активности на единицу массы в отношении восстановления кислорода, и катализаторы из платино-титановых сплавов показали некоторые более обещающие значения активности. Кроме того, ожидается, что титановый компонент катализатора будет достаточно стабильным в кислотных условиях, встречающихся в топливном ПЭМ-элементе.

Чтобы быть эффективным в топливном элементе, катализаторы из платиновых сплавов должны быть приготовлены в виде наноразмерных частиц. Современные методы синтеза платино-титанового катализатора требуют нескольких жидких химических стадий с завершающим высокотемпературным восстановлением. Данная последняя стадия не является идеальной для получения наночастиц, поскольку имеет место спекание обоих металлов при температурах, требующихся для восстановления титана. Необходим лучший метод получения частиц платино-титанового сплава нанометрового размера.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение использует высокочастотные звуковые волны, приложенные к подходящей инертной жидкости, для индуцирования восстановления (разложения) суспендированного или растворенного соединения(й)-предшественника(-ов) платины и титана. Использование высокочастотного звука для индуцирования химических реакций иногда называют сонохимией. При осуществлении на практике настоящего изобретения подходящими являются металлоорганические соединения, соединения с органическими веществами и/или галоидные соединения платины и титана. Можно использовать одно исходное соединение-предшественник, содержащее в подходящей пропорции как платину, так и титан, или могут применяться отдельные соединения платины и титана. Большинство данных материалов являются твердыми веществами, которые могут быть суспендированы в виде частиц или растворены в жидкостях с низким давлением паров, однако некоторые соединения титана являются жидкостями. Как правило, особенно подходящими являются инертные углеводородные жидкости с низким давлением паров, такие как декалин, тетралин или тридекан. Жидкость удобно сохранять при температуре ниже окружающей среды, чтобы дополнительно уменьшить давление ее паров и минимизировать потерю реагента в процессе применения высокочастотного звука (ультразвука).

Высокочастотные звуковые волны, например около 20 кГц, генерируются в жидкости для получения кавитации. Непрерывно получаются небольшие пузырьки, которые расширяются и схлопываются. Условия предельной температуры и давления, созданные внутри и в непосредственной близости от схлопывающихся пузырьков, ведут к разложению соединений-предшественников платины и титана, в то время как высокие скорости охлаждения в окружающей массе жидкости дают очень маленькие частицы с метастабильной (возможно аморфной) структурой. Частицы имеют нанометровый размер и содержат смесь платины и титана. Для того чтобы избежать окисления маленьких металлических частиц, через жидкость барботируют восстанавливающий газ, такой как водород. Кроме того, жидкость может быть отдельно покрыта (находиться под слоем) инертным газом, таким как аргон. Исходные пропорции платины и титана влияют на их пропорции в образовавшихся в результате осажденных частицах.

Звуковую энергию применяют в течение времени, определенного для разложения металлических исходных соединений, содержащихся в жидкости. После остановки звуковых колебаний твердые фазы отделяют от жидкости и любые неорганические и органические соединения вымывают или удаляют растворением из металлических частиц. В зависимости от условий реакции восстановления металлические частицы могут быть аморфными или частично кристаллическими. Однако обычно их диаметр или наибольший размер частицы составляет менее примерно десяти нанометров. Такие частицы часто имеют подходящие каталитические свойства.

Данный сонохимический метод может быть использован на практике в виде периодического процесса или непрерывного процесса. Непрерывный процесс является особенно поддающимся масштабированию для производства значимых количеств маленьких частиц платины, или платинового и титанового сплава, или интерметаллического соединения. Морфология данных частиц может варьироваться путем изменения составов металлических исходных соединений и/или жидкой среды, а также физических условий сонохимической реакции. Более того, данный метод может позволить синтез наночастиц, которые меньше чем частицы, которые могут быть получены с использованием традиционных методов, благодаря низким температурам (<0°С) реакционной среды в процессе синтеза.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения будут понятны из подробного описания конкретных вариантов осуществления, которые следуют далее.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Настоящее изобретение является удобным низкотемпературным способом получения Pt-Ti катализаторов, имеющих частицы нанометрового размера. Использование Pt-Ti катализаторов позволит уменьшить содержание платины на катоде топливного элемента и таким образом сократит их стоимость. Двумя причинами постепенного отказа катода в топливном элементе являются углеродная коррозия и агломерация частиц Pt катализатора. Присутствие титана может предотвратить агломерацию частиц катализатора и таким образом улучшить срок службы катода.

В соответствии с настоящим изобретением платино-титановые сплавы синтезируют в кавитационном режиме, получая наноразмерные частицы сплавов совместным восстановлением титановых и платиновых молекулярных соединений. Титан и платина могут быть включены в одно и то же исходное соединение, разлагаемое с помощью звука, или могут быть использованы отдельные соединения данных металлов. Способ продемонстрирован на соединениях платины (II) и титана (IV). Однако считается возможным использовать соединения металлов в других окислительных состояниях, таких как платина (IV) и титан (III).

Примеры подходящих отдельных соединений титана и платины включают тетрахлорид титана (IV) - TiCl₄, (дициклопентадиенил)титан дикарбонил - (C₅H₅)₂Ti(CO)₂, инденилтитан трихлорид - C₉H₇TiCl₃ или этилат титана (IV) - Ti(OC₂H₅)₄ и бис(этилендиамин)платина (II) дихлорид - [(NH₂CH₂CH₂NH₂)₂Pt]Cl₂, диметил(1,5-циклооктадиен)платина (II) - (CH₃)₂Pt(C₈H₁₂) или платина (II) ацетилацетонат - Pt(CH₃COCHCOCH₃)₂. Восстанавливающим агентом является газообразный водород как в чистом виде, так и в комбинации или в смеси с инертным газом, таким как гелий или аргон.

Углеводородный растворитель с низким давлением пара подходит в качестве реакционной среды и он может быть охлажден до температур ниже температуры окружающей среды. Примерами подходящих углеводородных жидкостей являются тридекан, декалин или тетралин. Внутри реакционного сосуда поддерживают анаэробные условия потоком высокочистого газообразного аргона над поверхностью жидкости и в течение реакции восстановления через жидкую реакционную среду барботируют восстанавливающий газ (водород). Среднее давление внутри реакционного сосуда близко к атмосферному давлению на всем протяжении реакции. Реакционный сосуд охлаждают до температур ниже температуры окружающей среды для того, чтобы понизить давление пара реакционной среды и летучих исходных соединений, и для того, чтобы воздействовать на селективный захват реагентов в пузырьки, образованные в результате кавитации.

При синтезе платина- и титансодержащих частиц используется ультразвуковая энергия подходящей частоты и амплитуды. Частота обычно будет составлять выше примерно 16 кГц и будет зависеть от используемого конкретного звукогенерирующего устройства. Подходящим является генератор, производящий звуковую энергию с частотой примерно 20 кГц.

Высокоинтенсивный ультразвуковой источник или мешалка с большим сдвиговым усилием создает микроскопические пузырьки внутри реакционной среды с диаметрами, лежащими в диапазоне от 10 до 200 мкм со временем жизни примерно одна микросекунда. Температуры и давления в пузырьках могут достигать соответственно 5000 К и 2 кбар. Каждый пузырек окружен оболочкой предельно горячей жидкости с толщиной от 2 до 10 мкм, в которой температура может достигать 2000 К. В данных условиях в жидкой среде платиновые и титановые молекулярные соединения восстанавливаются до соответствующих металлов и образуются наноразмерные частицы сплава из-за очень высоких скоростей охлаждения, достигаемых в данном процессе. Размер и морфологию частиц можно варьировать селективным регулированием, например, состава жидкой среды, состава или концентрации исходных соединений в реакционной среде, температуры среды в реакционном сосуде или продолжительности и интенсивности (амплитуды) ультразвуковых импульсов.

Экспериментальные данные

Pt-Ti сплавы синтезировали сонохимически из TiCl₄ и Pt(CH₃COCHCOCH₃)₂ исходных соединений в токе чистого газообразного водорода в декалине. Рентгенограммы (РСА) и данные химического анализа показывают разупорядоченный сплав Pt₃Ti с размером кристаллитов примерно семь нанометров. Электрохимические испытания показали, что активность сплава в отношении восстановления кислорода была очень близка к активности чистой платины и что не происходит окисления платины для потенциалов до 1,2 В.

Реакционную смесь, содержащую примерно эквимолярные количества титана и платины, готовили в инертной атмосфере непосредственно перед использованием. Пятьдесят миллилитров смеси получали добавлением 0,5 мл 1М TiCl₄ в толуоле к 40 мл декалина, содержащего 0,1967 г ацетилацетоната Pt(II), растворенного в 0,5 мл толуола. Добавляли еще декалин так, чтобы довести объем до 50 мл. Образовавшаяся в результате желто-оранжевая смесь содержала значительное количество тонкодиспергированных твердых частиц или коллоидный материал, который не осаждался с легкостью.

30 мл данной смеси помещали в ячейку для обработки ультразвуком, т.е. стеклянный сосуд с водяной рубашкой, имеющий отверстие для ультразвукового рупора и несколько других отверстий для подачи газа, добавления раствора и измерения температуры. Через смесь барботировали водород и над жидкостью поддерживали аргоновую подушку.

Ячейка обеспечивалась охлаждением с помощью охлаждающей циркуляционной бани. Температура реакционной смеси составляла в начале -8°С, однако быстро поднялась до примерно 5°С в процессе обработки ультразвуком. Смесь подвергали воздействию колебательной энергии мощностью 225 Вт при 20 кГц (ультразвуковая) с рабочим циклом 0,1 сек ″вкл.″ до 0,4 сек ″выкл.″. Обработку ультразвуком продолжали по данной схеме до тех пор, пока не набиралось время в состоянии ″вкл.″ 5,3 часа. Данную смесь центрифугировали и твердые вещества собирали и промывали толуолом.

Предпочтительные технические характеристики синтеза конкретного сплава или интерметаллического соединения титана и платины в подходящих случаях разрабатывают путем варьирования условий и составов на основе реактора периодического действия малого масштаба. Предпочтительная периодическая реакция с ее конкретным исходным соединением(-ями)-предшественником(-ами), составом жидкой среды, температурой жидкой среды, составом и потоком восстанавливающего газа и ультразвуковой частотой и интенсивностью может быть масштабирована до подходящей производственной мощности. Данный способ может также проводиться на непрерывной основе при протекании потока жидкой среды и исходных соединений вокруг или мимо ультразвукового генератора.

Несмотря на то что настоящее изобретение описано в терминах конкретных примеров, следует понимать, что другие варианты осуществления могут быть легко применены специалистами в данной области. Объем настоящего изобретения должен ограничиваться только следующими ниже пунктами формулы изобретения.

1. Способ получения металлических частиц нанометрового размера сплава платина-титан, включающий суспендирование или растворение соединения-предшественника титана и платины или соединений-предшественников титана и платины в жидкой среде, которая представляет собой инертную углеводородную жидкость с низким давлением паров, барботирование восстанавливающего газа через жидкую среду и воздействие на жидкую среду ультразвуковыми колебаниями при температуре жидкости ниже окружающей среды для восстановления соединения-предшественника титана и платины или соединений-предшественников титана и платины до металлических частиц сплава платина-титан.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частицы твердого соединения-предшественника платины суспендируют в жидкой среде, содержащей жидкое соединение-предшественника титана.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстанавливающего газа используют водород.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстанавливающего газа используют смесь газообразного водорода в сочетании с по меньшей мере одним инертным газом, выбранным из группы, состоящей из аргона, гелия и неона.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертной углеводородной жидкости используют жидкость, выбранную из группы, состоящей из тридекана, декалина и тетралина.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединения-предшественника титана используют галогенид титана или титанорганическое соединение.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединения-предшественника титана используют по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, состоящей из тетрахлорида титана (IV), (дициклопентадиенил)титан дикарбонила, трихлорида инденилтитана и этилата титана (IV).

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединения-предшественника платины используют галогенид платины или платинаорганическое соединение.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединения-предшественника платины используют по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, состоящей из бис(этилендиамин)платина (II) дихлорида, диметил(1,5-циклооктадиен)платины (II) и ацетилацетоната платины (II).