觸媒技術及相關應用專利組合

 

領域別:化學/化工日期:2019/12/5
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■ 燃料電池觸媒合成技術
一般燃料電池以甲醇或氫氣為陽極燃料,氧氣為陰極燃料,經由觸媒催化反應進行,將燃料分解並且釋出電能,其產物為水及少量之二氧化碳。在甲醇與氧氣共存環境下,此兩物種會同時競爭與觸媒反應分解,因此氧氣於觸媒上之吸附將因甲醇之出現而受壓抑,進而無法將氧氣分解完全,且因甲醇之氧化亦會消耗部分電子,導致觸媒催化效率大幅降低,且在無法得到足量的還原電流之情況下,電池之效率亦將因而大幅下降。本專利組合以新的觸媒製造方法來提高燃料電池的發電效率。

專利組合技術特色
① 傳統的陽極電極觸媒如Pt、Ru,由於Ru的催化性不足,除了會有一氧化碳毒化的問題外,其觸媒穩定性不佳,反應經過一段時間後常會失去活性。為提升燃料電池發電效率,本專利選擇自鉑或鈀之一四元觸媒,提供一種燃料電池的電催化觸媒方式,相較於市售Pt觸媒,其製程成本僅為市售的1/4至1/3,而且催化活性佳、穩定性高,即使經過一段時間反應後仍可保有較佳的活性。
② 將含碳及鈀元素的材料及一含鐵的化合物混合成一混合物,其中該混合物中的鈀:鐵:碳的原子莫耳比為60~ 90:5 ~ 40:2 ~ 15,再利用300˚C~700˚C還原溫度燒結該混合物以形成一觸媒。此製備觸媒的方法簡單、迅速,而且可大量生產,具有高氧化還原效率及抗甲醇毒化之優點,並可用於質子交換膜燃料電池(PEMFC)觸媒。

應用領域
綠色能源、燃料電池

■ DMFC電極觸媒技術
直接甲醇燃料電池(DMFC)藉由甲醇中的化學能轉換成電能來發電,是屬於氣體、液體、固體三相的反應,除了提升觸媒活性中心之表面積外,甲醇的質傳速度及反應產生的二氧化碳排出能力也會影響觸媒活性,因此碳載體的孔洞大小、立體結構及表面特性(表面官能基、親疏水性等)對電池的效能影響甚鉅。因此碳材的研發是提升燃料電池效能的關鍵之一。再者,DMFC的電極觸媒是以一種適合製備鉑或鉑合金觸媒的方法,是一膠態穩定化方法,但由於穩定劑的存在或在>200˚C的高溫將有礙鉑或鉑合金觸媒應用在DMFC電極觸媒的表現。本專利組合開發具高表面積、洞徑分佈均勻及導電性更高之新碳材,以及製備鉑奈米觸媒的方法來克服現有技術的困難。

專利組合技術特色
① 利用分子篩模板技術合成新型中孔洞碳材,提升碳載體比表面積800~1000 m2/g,增加孔洞直徑(4.8 nm)、殼型(Shell-type)立體結構,將觸媒金屬含浸於此碳材上,得到一新型直接甲醇燃料電池電極觸媒,可提升觸媒金屬的使用效率,降低電極觸媒的製造成本並提升觸媒活性(285%)。
② 在穩定劑的存在下,使鉑前驅物及選擇性的副金屬前驅物與一還原劑進行還原反應,形成一鉑或鉑/副金屬膠態粒子懸浮液,此製備鉑基礎奈米觸媒的活性,可獲得電流密度約6.3~10.6 mA/mg Pt,可作為DMFC的電極觸媒。

應用領域
燃料電池

■ PEMFC觸媒技術
質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)為目前技術最成熟及最接近商業化階段的一種燃料電池,以氣相氫氣或液相甲醇為燃料(其他液相燃料包括乙醇、甲酸及乙二醇等)低溫操作,對材料的要求簡單,未來具發展潛力的領域包括汽車及定置型發電或較大型的移動式應用。供應PEMFC系統所需之燃料是CO濃度低於20 ppm的富氫氣體(H2濃度>35%),然而,一般碳氫化合物經由重組反應產生之富氫重組氣,其CO濃度約為4~15%,為了使CO濃度降至100 ppm以下以及增加氫含量,本專利組合利用水轉移反應、甲烷化觸媒、選擇性氧化等方法,提供燃料重組器系統較好的設計選擇。

專利組合技術特色
① 利用一氧化碳和水轉化成氫和二氧化碳的觸媒,其特徵包含一金屬氧化物載體,依其該金屬氧化物載體的重量負載0.1~10%鉑及0~5%錸,可將富氫重組氣的一氧化碳含量降低,具有高轉化率及製造成本低的優點。
② 將鉑及釕附著於金屬氧化物載體上,經乾燥、煅燒後,可以獲得Pt-Ru/金屬氧化物觸媒。此一觸媒可選擇性催化CO的甲烷化反應,可將富氫重組氣或合成氣中之氫氣與一氧化碳反應轉化成甲烷及水,降低富氫重組氣的CO濃度。
③ 以初濕含浸法,將含有Pt離子或Ru離子的水溶液含浸一沸石,流過該載有Pt或Ru的沸石觸媒所獲得的一CO濃度被降低的富氫重組氣,可被導入一燃料電池的陽極。

應用領域
運輸工具、可攜式電力、住家電源

■ 金屬觸媒技術及回收應用
燃料電池中最關鍵的技術在於將化學能轉換成電能的觸媒,一般觸媒的主成份為鉑金屬。為了達到所需的電流密度,一般需要使用高含量的鉑,這將增加生產成本。除此之外,燃料電池的陽極觸媒還常使用釕(Ru)與鉑形成合金來改變金屬能帶,進而降低可能的毒化作用。若使用焚化法回收貴金屬,除了釕金屬在焚化時,具有高毒性且易氣爆外,因有高揮發性過渡金屬羰基化合物的產生而造成貴金屬回收率下降。為使鉑金屬能達到最大使用效率,本專利組合提供一種高分散性金屬觸媒以及新的貴金屬回收方式。

專利組合技術特色
① 為更有效的利用金屬觸媒,降低生產成本,將碳載體及分散劑置於水中,其中分散劑使碳載體均勻分散,且碳載體之粒徑介於10 nm至2,000 nm及比表面積介於約50至1,500 m2/g之間;形成金屬鹽類於碳載體之表面,為一種高分散性金屬觸媒,其金屬承載量(Loading)為76%,電流密度為20.14 mA/mg Pt,在製成漿料後仍保持良好的分散性,適合作為薄膜電極組(MEA)以應用於燃料電池,如質子交換膜燃料電池(PEFC)或直接甲醇燃料電池(DMFC)。
② 透過以不同的氧化性溶液分多次將觸媒碳粉中之貴金屬溶出,使與碳質材料分離。在實施例中以連續三段的回收方法,先於第一段用酸性氧化性溶液,第二段再用鹼性氧化性溶液,第三段又再使用酸性氧化性溶液溶出貴金屬,可使鉑的回收量大於約99.3%,而釕之回收量大於約95.3%。

應用領域
燃料電池、貴金屬回收

■ 奈米金觸媒技術應用
一般空氣污染物包括揮發性有機物(VOC)、氡氣(Radon)、生物性氣膠(Bioaerosols)、粒狀物(Respirable Particulates)及其他物質(CO2、CO及氮氧化物),最常用來降低室內空氣污染物濃度的方式,係以物理吸附如空氣清淨設備,但是物理吸附方式無法有效去除VOC、CO等污染物,須借助化學反應,如利用高活性觸媒技術去除環境中的高污染活性物質,其中奈米金觸媒具備三項特點:反應速率快、選擇率高及反應溫度低,於室溫下具優異的CO氧化活性及觸媒壽命,且不受水氣及高濃度CO2的影響。本專利組合利用製備奈米金觸媒,以移除混合氣體中的一氧化碳,此觸媒可應用傳統之觸媒合成裝置大量生產,且成本相對低廉,具有高經濟競爭優勢。

專利組合技術特色
① 提供一種新的奈米金觸媒的製備方法,包含一固態載體及沉積於該載體的金,其中該金具有小於10奈米的粒徑,及該載體包含M(OH)qOy之混合金屬氫氧化物及氧化物,已通過觸媒壽命、耐水氣性,及高濃度CO2測試。觸媒連續反應100小時後,CO出口濃度仍為0 ppm。
② 將含有一氧化碳(CO)混合氣體與一奈米金觸媒接觸,藉由CO的選擇性吸附/氧化、水氣移轉反應,或CO選擇性氧化反應的機制,而從該混合氣體移除CO。本發明的奈米金觸媒在無氧狀態進行吸附後,可在有氧的狀態下再補充回本身的含氧量,亦適用於催化富氫重組氣的水氣移轉反應及CO選擇性氧化反應。

應用領域
口罩、空氣過濾、燃料電池電極材料

■ 銠金屬觸媒回收與應用
化學產業中所使用的觸媒可概略分為異相觸媒與均相觸媒兩種。相對於異相觸媒,均相觸媒有著高反應性、高選擇性與較溫和的反應條件等優點。但仍有許多均相觸媒反應系統無法商業化,其最重要的因素就在於均相觸媒不易分離回收及重覆使用。將烯類化合物與一氧化碳及氫氣進行氫甲醯化反應(Hydroformylation)製成醛類化合物,是一個重要的均相催化反應。烯烴類化合物的氫甲醯化反應通常以銠或鈷金屬為觸媒,因為銠觸媒具有較高的反應活性及選擇,且其價格遠高於鈷觸媒,本專利組合發展有效、低成本的分離製程,有效地回收並再利用銠金屬觸媒。

專利組合技術特色
利用環烯烴之氫甲醯化製程,將銠化合物及磷基化合物與溶劑混合,在醛類化合物存在下,加入氫氣及一氧化碳,使一環烯烴化合物進行氫甲醯化反應,將該環烯烴轉化成一環烷醛。完成氫甲醯化反應後,靜置使銠觸媒溶液、環烷醛產物及醛類化合物之混合物分為兩層,一層主要含銠觸媒及其溶劑,另一層主要為環烷醛與醛類化合物。分離後之銠觸媒溶液層可再加入新的環烯烴進行氫甲醯化製程。此方法解決銠觸媒回收再利用問題,並有效分離高沸點醛類產物與銠觸媒溶液。高碳數的醛類產物及其衍生的醇類、羧酸類與胺類等化合物,在紫外線硬化樹脂及其他光學材料的用途具有潛力,若能以高效率的製程方式重複使用觸媒,更能增加產品的競爭力。

應用領域
化學產業、金屬回收

 專利洽詢:材料與化工研究所智權加值推廣室
趙弘儒 電話:03-5913737 、E-mail: kevin_chao@itri.org.tw
康靜怡 電話:03-5916928 、E-mail: kang@itri.org.tw


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