在现代工业生产与绿色科技发展中,Pt(铂)/Pd(钯)贵金属催化剂凭借优异的催化活性、化学稳定性和选择性,被誉为“工业维生素”,成为诸多关键工艺不可或缺的核心材料。这类催化剂以铂、钯为核心活性组分,负载于氧化铝、炭黑、二氧化钛等载体上,通过调节活性组分粒径、分散度及载体特性,实现对特定反应的高效催化,降低反应能耗与副产物生成。对于不熟悉催化材料与制备技术的读者而言,理解其核心价值的关键,在于明确其本质是通过贵金属表面特殊的电子结构与吸附性能,定向激活反应分子,推动化学反应在温和条件下高效进行。
从应用场景来看,Pt/Pd贵金属催化剂的身影遍布多个核心工业领域。汽车工业是其最大的需求市场,其中钯主要用于汽油车尾气净化的三元催化器,催化一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)氧化为无毒的二氧化碳和水;铂则更多应用于柴油车及混动汽车的尾气处理,协同铑等贵金属实现氮氧化物(NOₓ)的还原净化,当前国六标准车辆的三元催化器中,单台贵金属总载量可达2-5g。在能源领域,Pt基催化剂是质子交换膜燃料电池的核心材料,用于阴极氧还原反应(ORR),直接影响电池的能量密度与使用寿命,每辆燃料电池汽车目前需使用30-80克铂金;同时在绿氢生产的电解水制氢工艺中,铂也是关键催化组分。化工领域中,这类催化剂广泛用于精细化工合成(如药物中间体的不对称加氢反应)、大宗化工产品制备(如乙苯脱氢制苯乙烯),以及石油化工的加氢脱硫等过程,保障产品纯度与生产效率。环保领域则多用于工业尾气治理,如挥发性有机物(VOCs)降解、钢铁烧结烟气中CO的催化燃烧等,其中Pt/Pd协同过渡金属制备的催化剂,还能提升抗硫中毒能力,延长使用寿命。此外,在医疗(牙科材料、抗癌药物合成)、玻璃制造(玻纤生产漏板)等领域,Pt/Pd贵金属催化剂也发挥着不可替代的作用。
在Pt/Pd贵金属催化剂的制备技术中,喷雾干燥法因具有高效、连续、可规模化生产的优势,被广泛用于制备球形、高分散性的催化剂粉体。其核心原理是将含活性组分前驱体与载体的浆料雾化成微小液滴,在热气流中快速干燥,直接获得粉末状催化剂前体,再经焙烧、还原等后续处理得到成品,能有效控制催化剂的粒径分布、比表面积和孔隙结构,提升催化性能。以下三个来自不同应用领域的详细案例,可清晰展现那艾仪器喷雾干燥技术的应用逻辑与优势。
第一个案例是新能源领域的质子交换膜燃料电池Pt/C催化剂制备,这类催化剂是燃料电池电堆的核心组件,直接决定电池的动力性能与耐久性。制备时首先进行溶液配制,将氯铂酸(H₂PtCl₆)溶于乙醇-水混合液,加入Vulcan XC-72炭黑载体,通过超声分散30分钟确保炭黑均匀分散,避免后续活性组分团聚。随后采用气流式喷雾干燥工艺,选用二流体喷嘴,通过0.3-0.5MPa的压缩空气将浆料雾化成1-5μm的微小液滴,该粒径范围能保证干燥后粉体的高比表面积。干燥过程中,热气流进口温度控制在180-200℃,出口温度80-90℃,通过精准控温实现瞬间干燥,既避免了铂前驱体的分解失活,又能防止炭黑载体高温氧化。干燥后的粉体需经过氢气还原处理,在300℃下还原1小时,最终形成铂纳米颗粒(粒径2-3nm)均匀负载于炭黑表面的Pt/C催化剂。该工艺制备的催化剂铂利用率高达85%,远高于传统浸渍法的60%,起始还原电位达到0.95V(vs RHE),质量活性1.2A/mg Pt,抗碳腐蚀能力显著增强,可满足氢燃料电池汽车电堆及固定式储能电源的长期使用需求。
第二个案例聚焦环保领域,用于钢铁烧结烟气CO催化燃烧的PtPd/VWMoTi蜂窝型催化剂制备,这类催化剂需解决烧结烟气中低浓度SO₂导致的中毒失活问题,同时适配现有脱硝装置的工艺耦合需求。制备过程分为载体预处理与催化剂成型两步,第一步先制备V、W、Mo掺杂的TiO₂载体:将偏钒酸铵的草酸溶液、偏钨酸铵、钼酸铵与TiO₂粉末、去离子水混合,制成固液比20-30%的浆料,搅拌浸渍后进行喷雾干燥,再在400-550℃窑炉中焙烧、研磨,得到VWMoTi粉末载体。第二步负载Pt/Pd活性组分:将VWMoTi粉末载体浸渍于含铂、钯前驱体的溶液中(铂前驱体选用氯铂酸或四氨合硝酸铂溶液,钯前驱体为氯化钯或硝酸钯溶液),控制浆液固液比仍为20-30%,搅拌均匀后再次进行喷雾干燥,同样经400-550℃焙烧,得到PtPd/VWMoTi催化剂粉体。后续加入羧甲基纤维素或聚氧化乙烯作为粘结剂混炼,经12-48小时陈化、过滤后,在3-5MPa压力下通过9-70孔模具挤出成型,制成蜂窝型催化剂坯体,坯体在60-80℃下干燥120-240小时(水分含量降至5%以下),最后经400-550℃焙烧定型。该工艺通过两次喷雾干燥,显著提升了贵金属与过渡金属的分散性,催化剂中Pt含量控制在TiO₂质量的0.01-0.5%,Pd含量0.01-0.2%,V₂O₅、WO₃、MoO₃等过渡金属含量各为1-8%,过渡金属的掺杂增强了催化剂表面酸性,减少SO₂吸附,提升抗硫中毒能力。实际应用中,该催化剂在含低浓度SO₂(≤30mg·m⁻³)的烧结烟气中稳定性优异,能长期高效去除CO,实现减污与能源回收的双重目标。
第三个案例面向化工领域,用于甲苯完全氧化的Pt/Al₂O₃多孔催化剂制备,这类催化剂需具备高孔隙率与优异的热稳定性,以提升甲苯降解效率。制备采用覆盆子胶体模板(RCT)结合喷雾干燥的方法,先配制含铂前驱体、Al₂O₃前驱体及覆盆子胶体模板的混合浆料,胶体模板的引入能在干燥后形成100-400nm的全连通大孔结构,提升反应物与活性位点的接触效率。喷雾干燥过程中,采用压力式喷嘴,通过5-10MPa压力将浆料雾化成10-50μm的液滴,热气流进口温度300-350℃,出口温度120-150℃,停留时间5-10秒,确保浆料充分干燥并形成球形颗粒。干燥后的粉体经焙烧处理,去除胶体模板的同时,使铂活性组分转化为纳米颗粒并牢固负载于Al₂O₃载体表面,最终形成高多孔性的Pt/Al₂O₃微球催化剂。该催化剂凭借独特的大孔结构与高分散的铂活性位点,对甲苯完全氧化反应表现出优异的催化活性,且热稳定性突出,可用于化工园区VOCs治理的固定床反应器中。
综上,Pt/Pd贵金属催化剂凭借其不可替代的催化性能,支撑着汽车、能源、化工、环保等多个关键行业的发展,而喷雾干燥法通过精准控制粉体形貌与结构,为这类催化剂的规模化、高性能制备提供了可靠技术路径。从燃料电池的高效Pt/C催化剂到抗硫中毒的环保催化剂,再到高孔隙率的化工催化材料,喷雾干燥技术的灵活适配性,使其成为Pt/Pd贵金属催化剂工业化生产的核心手段之一,随着技术的不断优化,未来还将进一步提升催化剂的性能稳定性与成本经济性。