一种Pt基有序合金纳米催化剂的制备方法和制备装置

本发明涉及金属纳米催化剂制备，尤其涉及一种pt基有序合金纳米催化剂的制备方法和制备装置。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种将化学能高效转变成电能的发电装置，铂基催化剂是其关键材料之一。其中pt基有序合金催化剂在燃料电池工况运行条件下表现出优异的活性和稳定性，被认为是第二代燃料电池催化剂。

2、pt基有序合金催化剂的制备需要高温热处理来克服原子迁移有序化的能垒，然而现有技术提供的高温热处理多建立于固-气反应体系中，只能小批量合成pt基有序合金催化剂。当大批量合成pt基有序合金催化剂时，由于固体前驱体的堆积，严重地限制了反应物以及反应产物的扩散速率，导致pt基有序合金催化剂的组分、粒径分布均一度极差。因此，高温制备过程中如何保证在规模化生产的同时实现pt基有序合金催化剂结构均一是pt基有序合金催化剂合成的关键。

3、为此，本发明提供一种pt基有序合金纳米催化剂的制备方法和制备装置。

技术实现思路

1、针对上述现有高温热处理固-气反应体系种反应扩散受限的不足，本发明提供一种pt基有序合金纳米催化剂的制备方法和制备装置，通过将固体前驱体反应物用载气进行输运，采用气-气反应接触通路，严格控制各成分的反应接触速率，实现组分可控、合金化程度高、粒径均一且分散的pt基有序合金催化剂的精准合成。

2、本发明的一种pt基有序合金纳米催化剂的制备方法和制备装置是通过以下技术方案实现的：

3、本发明的第一个目的是提供一种pt基有序合金纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，分别将pt基有序合金纳米催化剂的各个制备原料在载气的作用下，载入反应混合区中；随后向所述反应混合区中载入气体c，以在所述气体c的气动作用下，将所述铂源、碳源、其他金属源和反应还原气体混匀，获得混合物料m1；

5、其中，所述pt基有序合金纳米催化剂的制备原料包括铂源、碳源、其他金属源和反应还原气体；

6、所述其他金属源为贵金属源和3d过渡金属源中的一种或两种；

7、步骤2，将所述混合物料m1输送至高温反应区，在惰性气体的氛围下，进行热处理，获得的混合物料即为所述pt基有序合金纳米催化剂。

8、进一步地，所述高温反应区包括依次串联的第一高温反应区和第二高温反应区；且所述高温反应区内的热处理包括以下步骤：

9、先将所述混合物料m1输送至所述第一高温反应区内，在惰性气体的氛围下进行第一次热处理，获得混合物料m2；然后将所述混合物料m2输送至第二反应区，在惰性气体的氛围下进行第二次热处理，获得的固相组分即为所述pt基有序合金纳米催化剂。

10、进一步地，所述第一次热处理的温度为300～1100℃，反应时间为5～20min；

11、所述第二次热处理的温度为500～1100℃，反应时间为20～40min；

12、所述惰性气体为氮气或氩气，且所述惰性气体的流速为0.5～5m/h。

13、进一步地，所述气体c为氮气或氩气；且所述气体c的流速为0.5～5m/h。

14、进一步地，所述贵金属源为钌源和钯源中的一种或两种；

15、所述3d过渡金属源为铁源、镍源和钴源中的任意一种。

16、进一步地，所述铂源与其他金属源的摩尔比为1:0.5～4:1；

17、所述碳源与金属离子源的用量比为60g:0.1～0.36mol；

18、所述反应还原气体与所述金属离子源的摩尔比为1～20:1。

19、进一步地，利用气体a1以一定速率将铂源载入反应混合区中；

20、利用气体a2以一定速率将碳源载入反应混合区中；

21、利用气体a3以一定速率将贵金属源载入反应混合区中；

22、利用气体a4以一定速率将3d过渡金属源载入反应混合区中；

23、利用气体b以一定速率将反应还原性气体载入反应混合区中；

24、其中，所述气体a1、气体a2、气体a3、气体a4和气体b均为氮气或氩气；且所述气体a1、气体a2、气体a3、气体a4的温度为50～300℃，流速为0.5～5m/h。

25、进一步地，所述铂源为甲基环戊二烯三甲基铂、四氨合硝酸铂、顺-二氯双(吡啶基)铂、顺-二(三苯基膦)二氯化铂、顺二氯化双(三乙基磷)铂和双(三苯基膦)氯化铂中的一种或多种；

26、所述还原性气体为氨气、一氧化碳、氢气、硫化氢气、甲烷气、甲醇气和乙醇气中的一种或多种；

27、所述碳源为炭黑、碳纳米管、金属掺杂碳、非金属掺杂碳材料、金属-非金属共掺杂碳材料中的任意一种。

28、本发明的第二个目的是提供一种基于上述制备方法的制备装置，其特征在于，包括依次串联的气力输送装置、气动搅拌混料罐、反应器以及催化剂收集装置；

29、所述气力输送装置包括若干个气力输送器，若干个所述气力输送器之间并联；每个所述气力输送器上端分别设置有保压接管i，所述保压接管i分别用于向对应的所述气力输送器内载入相应的气体；若干个所述气力输送器分别用于将所述pt基有序合金纳米催化剂的各个制备原料在气力作用下输送至所述气动搅拌混料罐内；

30、所述气动搅拌混料罐用于接收并混匀由若干个所述气力输送器输送的各个制备原料；且其上端及下端一侧均设置有保压接管ii，所述保压接管ii用于向所述气动搅拌混料罐内载入气体c；

31、所述反应器用于接收经所述气动搅拌混料罐混合后的混合物料m1；且所述反应器的上端及下端一侧均设置有保压接管iii，所述保压接管iii用于向所述反应器内载入惰性气体；

32、所述催化剂收集装置用于接收经所述反应器处理后的物料；

33、所述气力输送装置、气动搅拌混料罐、反应器以及催化剂收集装置的各个连接处均设置有控制阀门；

34、且若干个所述气力输送器、气动搅拌混料罐、反应器内均设置有加热模块。

35、进一步地，所述反应器设置有两个，且两个反应器依次串联；

36、且每个所述反应器下端与其下端的所述保压接管iii之间均设置有气体分布器，所述气体分布器用于将载入的所述反应器的气体进行均匀分散，以使该气体与所述反应器内的物料充分接触。

37、进一步地，若干个所述气力输送器的进料端均设置有加料机构，每个所述加料机构均包括加料漏斗和漏斗阀门；

38、所述加料漏斗的出料端与所述气力输送器的进料端连通，且所述漏斗阀门设置于所述加料漏斗的出料端与所述气力输送器的进料端之间，用于控制进料的程度。

39、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

40、本发明通过温度分区可控的基于气-气流动反应体系的制备装置对高温热处理过程中各成分的反应接触速率进行精确控制，实现组分可控、合金化程度高、粒径均一且分散的pt基有序合金催化剂的精准合成。

41、本发明的制备装置，操作简单，可控性强，易于实现催化剂的快速连续生产。本发明制取的pt基有序合金纳米催化剂，在燃料电池工况运行条件下表现出优异的催化活性以及稳定性，在燃料电池领域应用前景广阔。