[发明专利]一种催化剂及其制备和在硼氢化物水解制氢中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及硼氢化物水解制氢，具体地说是一种催化剂及其制备和在硼氢化物水解制氢中的应用。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、启动快、能量转化效率高等特点，在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等领域有广阔的应用前景。但要实现燃料电池的大规模商业化应用仍有许多问题亟待解决，其中安全、高效的储氢和供氢系统对整个电池系统的比功率和实用化起着决定性作用。

通常选择燃料电池的燃料氢系统主要从体积、重量、贮氢密度、吸放氢难易程度和安全性等几个方面考虑。从现有的储氢方法来看，高压储氢使用方便，但储氢能力较差，且存在安全性问题；液态储氢能力较强，适合于大功率质子交换膜燃料电池，但该方法的缺点是在储氢过程中能量损耗大，且低温绝热装置比较复杂，不适合小功率燃料电池使用；低温吸附储氢对吸附材料的要求较高，设备也较复杂，同时还存在诸如毒化、再充时放热等问题，故不适合质子交换膜燃料电池系统；金属氢化物储氢体积密度优于气态储氢和液态储氢，但质量储氢密度略低。

近年来，硼氢化物作为一种新型储氢材料受到广泛关注。与上面介绍的各种储氢方法相比，硼氢化物储氢不但具有金属氢化物储氢的优点，而且质量储氢密度大，因而更适合于便携式小功率质子交换膜燃料电池。此外，硼氢化物溶液无可燃性，储运和使用都十分安全。与烃类及醇类的高温重整制氢反应相比，放热的硼氢化物水解反应不需要额外提供能量来引发和维持反应，在常温下就可以产生氢气，而且所制备的氢气中不含CO及其它杂质，氢气中所含的水分还可以起到给燃料电池质子交换膜增湿的作用，非常适合于燃料电池使用。适宜于水解制氢反应的硼氢化物主要包括：硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化锂、硼氢化铝以及硼氢化铵等。

通常情况下，硼氢化物溶液需要在强碱性条件下才能稳定保存。在实际应用中，必须使用特定的催化剂来加速水解反应的进行。在催化剂作用下，不但可以实现硼氢化物水解反应的快速启动，而且可以控制氢气的产生速度。因此，开发具有良好性能的催化剂不但可以提高制氢效率，而且有利于提高燃料电池的比功率。

Kojima等人(J.Power Soures，125(2004)22)报道了一种用于硼氢化钠水解制氢的蜂窝整体型催化剂，该方法需要先采用浸渍法制备Pt/LiCoO₂催化剂，然后再将其涂覆到蜂窝整体型载体上，制备过程比较烦琐。此外，由于在制备的催化剂浆液中加入的PTFE具有疏水性，这也直接影响反应物向催化剂活性中心的渗透。Suda等人(US 6358488)以金属氟化物和金属合金氟化物为催化剂来催化金属氢化物水解制氢反应。该催化剂制备涉及用含强腐蚀性氢氟酸的碱金属氟化物的溶液来处理金属或金属合金，存在腐蚀问题。Lee等人(J.Hydrogen Energy.29(2004)263)采用刮涂技术将含有丝状镍粉和钴粉的催化剂浆液涂覆到泡沫镍担体上，再经过干燥和滚压过程制成薄片式催化剂。采用该催化剂可以通过催化硼氢化钠水解反应制备纯度为99.99％的氢气，但不足之处是催化剂重复使用后性能下降较快。此外还有许多国内外研究者报道了金属硼化物催化剂(如中国专利CN1616147A、J.Power Soures.144(2005)129、J.Hydrogen Energy.28(2003)1095)与纳米钌粒子(J.Alloys Compounds.404-406(2005)728)也具有很高催化活性，但由于这类催化剂粒度较小，不利于分离和重新使用。

发明内容

本发明针对硼氢化物水解制氢的反应特点，提供一种新型铂/树脂催化剂的制备方法，该催化剂的特点在于制备过程简单，对催化硼氢化物水解制氢反应具有良好的活性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种催化剂，采用阴离子交换树脂为载体，以铂为活性组分，催化剂中金属铂(Pt)所占的质量百分比为0.01～20％；催化剂中金属铂所占的质量百分比较优为0.1～10％。

所述阴离子交换树脂可以是各种适宜的市售阴离子交换树脂，为强碱性阴离子交换树脂或大孔碱性阴离子交换树脂；优选强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂、大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂以及大孔弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。上述阴离子交换树脂均为氯型，由于氯离子很容易被交换，可以认为所有的树脂可交换位都可以与铂络合阴离子结合。实际交换量可以通过所加入的金属离子与离子交换树脂的比例来控制。