×
09.05.2019
219.017.4d2a

Результат интеллектуальной деятельности: ПОЛУЧЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛАТИНО-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002378088
Дата охранного документа
10.01.2010
Аннотация: Изобретение относится к получению частиц платино-титановых сплавов нанометрового размера. Соединения данных металлов растворяют или суспендируют в жидкой инертной углеводородной среде с низким давлением пара, предпочтительно при температуре ниже температуры окружающей среды. Через жидкость барботируют восстанавливающий газ и воздействуют на нее ультразвуковыми колебаниями при температуре жидкости ниже окружающей среды для восстановления соединений до металлических частиц сплава платина-титан. Обеспечивается возможность осуществлять процесс как непрерывно, так и периодически, варьирование морфологией получаемых частиц. 8 з.п. ф-лы.

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.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 31-40 из 79.
20.08.2014
№216.012.ec5c

Транспортное средство, имеющее переключаемый привод на четыре колеса

Изобретение относится к транспортному средству, в котором крутящий момент от двигателя выборочно передается на передние или задние колеса. Транспортное средство содержит контроллер для определения в реальном времени режима движения транспортного средства и управления распределением крутящего...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002526316
Дата охранного документа: 20.08.2014
20.08.2014
№216.012.ec63

Задний мост автомобиля с подвеской колес на продольных рычагах, соединенных поперечной балкой

Группа изобретений относится к области транспортного машиностроения. Задний мост содержит подвеску колес на продольных рычагах, соединенных поперечной балкой. Два жестких продольных рычага для крепления поворотных кулаков посредством подшипниковой втулки шарнирно связаны с кузовом автомобиля....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002526323
Дата охранного документа: 20.08.2014
10.09.2014
№216.012.f167

Система подушки безопасности, а также способ изготовления такой системы надувной подушки безопасности

(57) Группа изобретений относится к надувной подушке безопасности и способу ее изготовления. Система надувной подушки безопасности имеет наполняемую газом (19) первую камеру (5). Первая камера (5) имеет первую область (8) и, по меньшей мере, одну дополнительную область (9) в первом направлении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002527621
Дата охранного документа: 10.09.2014
10.09.2014
№216.012.f26b

Автомобиль с подушкой безопасности лобового стекла

Группа изобретений относится к области транспортного машиностроения. Автомобиль, по первому варианту, снабжен капотом, лобовым стеклом и смонтированной на капоте частично перекрывающей в развернутом состоянии лобовое стекло подушкой безопасности. Между закрепленным на нижней стороне капота...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002527881
Дата охранного документа: 10.09.2014
20.09.2014
№216.012.f67b

Способ восстановления дизельного сажевого фильтра

Изобретение относится к восстановлению дизельного сажевого фильтра в системе дизельного двигателя. Сущность изобретения: способ восстановления дизельного сажевого фильтра в системе (1) дизельного двигателя, которая содержит камеру сгорания, образованную посредством возвратно-поступательного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002528932
Дата охранного документа: 20.09.2014
27.09.2014
№216.012.f716

Передняя часть автомобильного кузова

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Передняя часть автомобильного кузова снабжена бампером и несущей балкой бампера, которые при столкновении отходят назад, поглощая энергию и импульс, вентиляционным проходом и расположенным позади бампера запорным элементом для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529091
Дата охранного документа: 27.09.2014
27.09.2014
№216.012.f7e4

Способ оценки концентрации кислорода на выходе дизельного катализатора окисления

Изобретение относится к оценке концентрации кислорода на выходе дизельного катализатора окисления внутри системы дизельного двигателя. Сущность изобретения: способ оценки концентрации кислорода на выходе дизельного катализатора (6) окисления внутри системы дизельного двигателя (1), включающей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529297
Дата охранного документа: 27.09.2014
27.09.2014
№216.012.f8fe

Передняя часть автомобильного кузова

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Передняя часть автомобильного кузова снабжена бампером и поддерживающей бампер нижней несущей балкой бампера. В нижней несущей балке бампера образовано открытое вниз углубление, из которого может выдвигаться вниз спойлер. Спойлер...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529579
Дата охранного документа: 27.09.2014
20.10.2014
№216.012.fe2d

Устройство для направления охлаждающего воздуха для безрельсового транспортного средства

Изобретение относится к устройству для направления охлаждающего воздуха для безрельсового транспортного средства. Устройство выполнено с возможностью расположения, если смотреть в направлении движения транспортного средства, по меньшей мере перед одним охлаждающим компонентом (36, 37, 38)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530925
Дата охранного документа: 20.10.2014
27.12.2014
№216.013.13bc

Способ управления переключаемым водяным насосом для контура водяного охлаждения в двигателе внутреннего сгорания, двигатель внутреннего сгорания и устройство управления

Изобретение относится к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Предложен способ управления переключаемым водяным насосом для контура водяного охлаждения в двигателе внутреннего сгорания, при котором осуществляют мониторинг параметра, характеризующего температуру головки блока...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002536476
Дата охранного документа: 27.12.2014
+ добавить свой РИД