анодный катализатор для спиртового топливного элемента и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Анодный катализатор для спиртового топливного элемента, содержащий рутений и никель на углеродном носителе, отличающийся тем, что атомное соотношение рутения и никеля в катализаторе составляет от 60:40 до 80:20, а суммарное содержание рутения и никеля в катализаторе составляет от 10 до 60 мас.%.

2. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что катализатор содержит металлический рутений, рутений никелевый сплав, оксид рутения и оксид никеля и характеризуется общей формулой Ru_a (RuNi)_bRuO_cNiO_d, где а составляет от 0,40 до 0,70; b от 0,02 до 0,05; с от 0,10 до 0,15; d от 0,20 до 0,40; a+b+c+d=1.

3. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродного носителя используется ацетиленовая сажа АД100.

4. Катализатор по п.3, отличающийся тем, что используется ацетиленовая сажа АД100 с удельной поверхностью от 80 до 150 м²/г.

5. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродного носителя используется сажа ХС-72.

6. Катализатор по п.5, отличающийся тем, что используется сажа ХС-72 с удельной поверхностью от 200 до 300 м² /г.

7. Способ изготовления катализатора по любому из пп.1-6, включающий пропитку носителя соединениями никеля и рутения, сушку и термообработку в атмосфере водорода, отличающийся тем, что в качестве соединения никеля используют сульфат никеля, а в качестве соединения рутения используют гидроксихлорид рутения.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что соединения никеля и рутения используют в виде раствора в водно-спиртовой смеси.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют раствор водно-спиртовой смеси при соотношении спирта и воды 1:1.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что соединения никеля и рутения в виде раствора в водно-спиртовой смеси в смеси с углеродным носителем подвергают ультразвуковой обработке в течение от 20 до 40 мин, выдерживают при комнатной температуре при периодическом перемешивании в течение от 1,5 до 2,5 ч, высушивают, полученный порошок механически измельчают и подвергают термообработке в атмосфере водорода при температуре от 400 до 450°С в течение от 1 до 4 ч.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к области спиртово-воздушных топливных элементов (ТЭ), в частности к анодным катализаторам электроокисления спиртов.

Предшествующий уровень техники

Известен рутений-никелевый катализатор на носителе из пористого оксида алюминия (патент США №4482753, кл. С 07 С 41/05, 1984).

Недостатком указанного катализатора является использование непроводящего носителя и невозможность его применения в ТЭ для электроокисления спиртов.

Известен анодный рутений-никелевый катализатор для электроокисления спиртов в ТЭ (патент РФ №2230400, кл. Н 01 M 8/04, 10.06.2004).

Недостатком указанного катализатора является недостаточная каталитическая активность из-за отсутствия в катализаторе высокодисперсного носителя.

Из известных анодных рутений-никелевых катализаторов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является рутений-никелевый катализатор на высокодисперсном углеродном носителе, предназначенный для электроокисления спиртов в ТЭ (патент РФ №2234766, кл. Н 01 М 8/04, 20.08.2004).

Недостатком этого известного катализатора является недостаточная электрокаталитическая активность и высокая стоимость из-за большого содержания рутения в катализаторе.

Известен способ изготовления катализатора путем термохимического синтеза на саже (патент РФ №2234766, кл. Н 01 M 8/04, 20.08.2004). Указанный способ не обеспечивает получение оптимальной структуры катализатора.

Из известных способов изготовления рутений-никелевых катализаторов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ изготовления катализатора, включающий пропитку носителя соединениями никеля и рутения, сушку и термообработку в атмосфере водорода (патент США №4482753, кл. С 07 С 41/05, 1984).

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание и изготовление анодного рутений-никелевого катализатора, пригодного для электроокисления спиртов в ТЭ и обладающего высокой электрокаталитической активностью и оптимальной структурой.

Указанный технический результат достигается тем, что анодный катализатор для спиртового топливного элемента содержит рутений и никель на углеродном носителе, при этом атомное соотношение рутения и никеля в катализаторе составляет от 60:40 до 80:20, а суммарное содержание рутения и никеля в катализаторе составляет от 10 до 60 мас.%. Указанные диапазоны содержания рутения и никеля в катализаторе являются оптимальными с точки зрения достижения требуемой стабильности и электрокаталитической активности катализатора.

Целесообразно, чтобы катализатор содержал металлический рутений, рутенийникелевый сплав, оксид рутения и оксид никеля (катализатор характеризуется общей формулой Ru_a(RuNi) _bRuO_cNiO_d, где а составляет от 0,40 до 0,70; b от 0,02 до 0,05; с от 0,10 до 0,15; d от 0,20 до 0,40; а a+b+c+d=1. Указанная структура катализатора является оптимальной с точки зрения стабильности катализатора и его электрокаталитической активности.

Целесообразно, чтобы катализатор в качестве углеродного носителя использовал ацетиленовую сажу АД100 с удельной поверхностью от 80 до 150 м²/г или сажу vulcan XC-72 с удельной поверхностью от 200 до 300 м²/г. Указанные носители являются доступным материалом и обладают достаточной дисперсностью и удельной поверхностью.

Что касается способа изготовления, то указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления катализатора включает пропитку носителя соединениями никеля и рутения, сушку и термообработку в атмосфере водорода, при этом в качестве соединения никеля используют сульфат никеля, а в качестве соединения рутения используют гидроксихлорид рутения.

Целесообразно соединения никеля и рутения использовать в виде раствора в водно-спиртовой смеси при соотношении спирта и воды 1:1. Использование указанного растворителя позволяет упростить технологию изготовления и обеспечить получение заданной структуры катализатора.

Целесообразно соединения никеля и рутения в виде раствора в водно-спиртовой смеси в смеси с углеродным носителем подвергать ультразвуковой обработке в течение от 20 до 40 минут, выдерживать при комнатной температуре при периодическом перемешивании в течение от 1,5 до 2,5 часов, смесь выпаривают на водяной бане досуха, полученный порошок механически измельчают и подвергают термообработке в атмосфере водорода при температуре от 400 до 450°С в течение от 1 до 4 часов. Указанная технология приготовления катализатора обеспечивает равномерную пропитку носителя соединениями никеля и рутения и получение катализатора на носителе с заданной структурой и активностью.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется примером практической реализации катализатора и его использованием на аноде спиртового ТЭ.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Пример реализации. Согласно изобретению изготовлен рутенийникелевый катализатор. Катализатор готовили с использованием солей гидроксихлорида рутения, сульфата никеля и ацетиленовой сажи АД100 с удельной поверхностью 140 м²/г. Навеску солей в количествах, необходимых для приготовления катализатора нужного состава, 15 мас.% по отношению к носителю, растворяли в водно-спиртовой смеси (1:1), затем вводили в раствор требуемое количество сажи и подвергали смесь ультразвуковой обработке в течение 30 мин. Полученную смесь выдерживали при комнатной температуре при периодическом перемешивании в течение около 2-х часов, после чего выпаривали досуха на водяной бане. Порошок механически измельчали и затем подвергали термообработке в атмосфере водорода при температуре 400°С в течение 2-х часов. Исследование структуры катализаторов методами рентгеновской спектроскопии и рентгеновского фазового анализа показали, что катализатор содержит металлический рутений, рутенийникелевый сплав, оксид рутения и оксид никеля. Активность указанного катализатора исследовалась в лабораторном образце спиртово-воздушного ТЭ, на катоде в качестве катализатора использовалась сажа АД100, промотированная 15 мас.% серебра. ТЭ с указанными анодом и катодом при использовании в качестве топлива смеси 4 М КОН+4 М спирта и рабочей температуре 60°С развивает плотность тока 80 мА/см ² при напряжении 0,5 В. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный катализатор может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию "промышленная применимость".