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制備經(jīng)設(shè)計(jì)的催化劑材料的方法和裝置的制作方法

文檔序號(hào):5021621閱讀:181來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:制備經(jīng)設(shè)計(jì)的催化劑材料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及制備經(jīng)設(shè)計(jì)的(engineered)納米尺度催化劑金屬顆粒如非貴金屬納米尺度顆粒的方法和裝置,尤其以連續(xù)方式?!胺琴F金屬”指不同于貴金屬(通常被認(rèn)為是金、銀、鉑、鈀、銥、錸、汞、釕和鋨)之一的金屬。通過(guò)實(shí)施本發(fā)明,能以比利用常規(guī)處理所完成的更大精度、更快速度和更大靈活性制備納米尺度催化劑顆粒,并且制備的顆粒能以精確和成本節(jié)約的方式被直接附著到載體材料上。

背景技術(shù)
催化劑在現(xiàn)代化學(xué)處理中正變得普遍存在。催化劑用于材料如燃料、潤(rùn)滑劑、制冷劑、聚合物、藥物等的生產(chǎn),以及在水和空氣污染緩解過(guò)程中起重要作用。事實(shí)上,催化劑被認(rèn)為在美國(guó)物質(zhì)國(guó)民生產(chǎn)總值的足足三分之一中起作用,如Alexis T.Bell在“The Impact ofNanoscience on Heterogeneous Catalysis”(Science,299卷,1688頁(yè),2003年3月14日)中所述。
一般而言,催化劑可被描述為沉積在高表面積固體上的小顆粒。傳統(tǒng)上,催化劑顆??蔀閬單⒚字钡綌?shù)十微米。Bell描述的一個(gè)例子是汽車的催化轉(zhuǎn)化器,其由壁涂有多孔氧化鋁(氧化鋁)薄涂層的蜂窩組成。在催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部部件的生產(chǎn)中,用鉑族金屬催化劑材料的納米顆粒浸漬氧化鋁基面涂層(wash coat)。事實(shí)上,目前使用的大多數(shù)工業(yè)催化劑都包括鉑族金屬尤其是鉑、銠和銥或堿金屬如銫,有時(shí)結(jié)合其它金屬如鐵或鎳。
這些催化劑金屬域的大小被認(rèn)為在它們的催化功能方面極其重要。事實(shí)上,Bell也注意到,催化劑的性能可能受催化劑顆粒的粒度影響很大,因?yàn)轭w粒的性質(zhì)如表面結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)會(huì)隨著催化劑顆粒的尺寸變化而變化。
在Eric M.Stuve于2003年5月13日在Frontiers in NanotechnologyConference,Department of Chemical Engineering of the University ofWashington提供的關(guān)于催化納米技術(shù)的研究中,描述了總的看法在于,在催化中使用納米尺寸顆粒的優(yōu)點(diǎn)歸因于這樣一個(gè)事實(shí),即小顆粒的可用表面積大于較大顆粒的可用表面積,因而通過(guò)使用這種納米尺寸催化劑材料在表面處提供了更多的金屬原子使催化優(yōu)化。但是,Stuve指出,使用納米尺寸催化劑顆粒的優(yōu)點(diǎn)可能不只是簡(jiǎn)單地歸因于尺寸效應(yīng)。更確切地,納米顆粒的使用能表現(xiàn)出改進(jìn)的電子結(jié)構(gòu)和在納米顆粒中存在的具有真正小刻面的不同形狀,這提供了可能有利于催化的相互作用。實(shí)際上,Cynthia Friend在“Catalysis On Surfaces”(Scientific American,1993年4月,74頁(yè))中斷定了催化劑形狀,更具體而言指催化劑顆粒表面上原子取向,在催化中的重要作用。另外,不同的傳質(zhì)阻力也可能改善催化劑作用。因此,正尋求能在更靈活的商業(yè)上有效的平臺(tái)上用作催化劑的納米尺寸金屬顆粒的制備。此外,正尋求納米尺度顆粒的其它應(yīng)用,不管是對(duì)于傳統(tǒng)上用于催化的鉑族金屬還是對(duì)于其它金屬顆粒。
但是,通常按兩種方式制備催化劑。一種這樣的方法包括催化劑材料被結(jié)合到載體顆粒如碳黑或其它類似材料的表面上,然后所述負(fù)載有催化劑的顆粒自身被負(fù)載到需要催化的表面上。這種方法的一個(gè)例子是在燃料電池場(chǎng)所中,其中負(fù)載有鉑族金屬催化劑的碳黑或其它類似顆粒隨后自身被負(fù)載到膜/電極界面處以催化分子氫分解成原子氫來(lái)利用它的組成質(zhì)子和電子,得到的電子通過(guò)電路作為燃料電池產(chǎn)生的電流。通過(guò)負(fù)載到載體顆粒上制備催化劑材料的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于負(fù)載反應(yīng)需要的時(shí)間量,在一些情況下其可能以小時(shí)計(jì)。
Yadav和Pfaffenbach在美國(guó)專利6716525中描述了在較粗糙的載體粉末上分散納米尺度粉末以便提供催化劑材料。Yadav和Pfaffenbach的載體顆粒包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫?qū)僭鼗铩⒔饘俸秃辖?。按照Yadav和Pfaffenbach,分散在載體上的納米顆??蔀槎喾N不同材料中的任何,包括貴金屬如鉑族金屬、稀土金屬、通常所說(shuō)的半金屬以及非金屬材料,和甚至簇,如富勒烯、合金和納米管。
使用常規(guī)載體-顆粒負(fù)載的催化劑的另一缺陷在于這樣一個(gè)事實(shí),即施加這些材料到要使用的載體上的典型方法是通過(guò)形成顆粒在含氟彈性體中的懸浮體然后刷涂該混合流體到載體上,然后“焙燒”懸浮體以將內(nèi)含物結(jié)合到載體上,在載體表面上留下催化劑涂敷的載體顆粒的涂層。這種方法不允許有很大的精確度,導(dǎo)致在不需要或不希望的位置處施加催化劑材料??紤]催化劑材料的成本,尤其是通常被認(rèn)為最有效的貴金屬材料,施加催化劑的這種“刷涂”方法極其不利。
或者,制備催化劑材料的第二種常用方法包括在載體上直接負(fù)載催化劑金屬如鉑族金屬,不使用會(huì)干擾催化反應(yīng)的載體顆粒。例如,如上所述的許多汽車催化轉(zhuǎn)化器具有直接負(fù)載在形成轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)的氧化鋁蜂窩上的催化劑顆粒。但是,在載體結(jié)構(gòu)上直接沉積催化金屬所需要的過(guò)程通常在極端溫度和/或壓力下進(jìn)行。例如,一種這樣的過(guò)程為在超過(guò)1500℃的溫度和高真空條件下的化學(xué)濺射。因此,這些過(guò)程難以操作且昂貴。
在提供納米尺度催化劑顆粒的嘗試中,Bert和Bianchini在國(guó)際專利申請(qǐng)公布No.WO2004/036674中建議了使用模板樹脂制備用于燃料電池應(yīng)用的納米尺度顆粒的方法。但是,即使技術(shù)上可行,Bert和Bianchini方法也需要高溫(大約300℃-800℃),并需要幾個(gè)小時(shí)。因此,這些方法具有有限的價(jià)值。
傳統(tǒng)的基于“溶液”或樹脂的制備催化劑材料的方法的一個(gè)主要缺陷在于制備催化劑顆粒的精度(或,更具體地說(shuō),缺乏精度),尤其當(dāng)需要具有特定構(gòu)成(例如,顆粒中金屬物種的比例或取向)的雜(hereto)催化劑(即包含多于一種金屬物種的那種)時(shí)。換句話說(shuō),即使非常小心,基于溶液的方法也會(huì)產(chǎn)生一系列的顆粒,從包含所有各個(gè)不同物種的顆粒到不同物種的各種組合。因此,在基于溶液的方法中最希望產(chǎn)生平均而言具有所需構(gòu)成的催化劑顆粒的集合。雖然一些顆粒具有所需的精確構(gòu)成,但許多仍沒(méi)有。在化學(xué)濺射和其它直接沉積過(guò)程中情況稍好,但是,困難在于這些過(guò)程一般為瞄準(zhǔn)線(line of sight)方法并且這些方法的成本高得驚人。
由于這些缺陷,就難以(如果不是不可能的話)定制(或設(shè)計(jì))用于特定反應(yīng)的催化劑顆粒。隨著催化反應(yīng)中效率的提高變得越來(lái)越重要,非常需要設(shè)計(jì)在反應(yīng)中以最佳水平表現(xiàn)的催化劑顆粒的能力。此外,如所指出,盡管催化劑材料傳統(tǒng)上由貴金屬如鉑族金屬形成,但由于得到的表面積和表面效應(yīng)優(yōu)勢(shì),納米尺度顆粒的形成可能允許使用非貴金屬如鎳、鐵等作為催化劑材料。產(chǎn)生的成本節(jié)約可能是顯著的,能允許催化反應(yīng)在工業(yè)處理中的更普遍使用。
因此,需要制備用于收集或沉積在載體上的經(jīng)設(shè)計(jì)的(engineered)納米尺度催化劑顆粒的方法和裝置。更特別地,所需的方法和裝置可用于制備精度比迄今為止可能的精度更大的非貴金屬納米尺度催化劑顆粒,而不需要極端溫度和/或壓力。
發(fā)明公開 提供了制備經(jīng)設(shè)計(jì)的納米尺度催化劑顆粒的方法和裝置,尤其以連續(xù)方式。納米尺度顆粒指平均直徑不大于約1000納米(nm)例如不大于約1微米的顆粒。更優(yōu)選地,通過(guò)本發(fā)明系統(tǒng)制備的顆粒具有不大于約250nm的平均直徑,最優(yōu)選不大于約20nm。
通過(guò)本發(fā)明制備的顆??纱笾聻榍蛐位蚋飨蛲?,即它們具有約1.4或更小的縱橫比,但具有更高縱橫比的顆粒也可被制備并用作催化劑材料。顆粒的縱橫比指該顆粒的最大尺寸對(duì)該顆粒的最小尺寸的比(因此,完美的球具有1.0的縱橫比)。本發(fā)明的顆粒的直徑取為該顆粒所有直徑的平均值,即使在顆粒的縱橫比大于1.4的那些情況下。
在本發(fā)明的實(shí)施中,將可分解的含金屬部分(moiety),比如含非貴金屬的部分,供給到反應(yīng)器容器內(nèi)并施加分解該部分的足夠能量,使得該部分分解,納米尺度金屬顆粒被沉積在載體上或收集在收集器中。本發(fā)明中使用的可分解部分(decomposable moiety)可為任何可分解的含金屬材料,包括有機(jī)金屬化合物、金屬絡(luò)合物或金屬配位化合物,只要所述部分可分解提供游離金屬即可,從而游離金屬可被沉積在載體上或通過(guò)收集器收集。優(yōu)選地,用在本發(fā)明中的可分解部分包括一種或多種非貴金屬羰基化物,如羰基鎳或羰基鐵。
使用的具體可分解部分(一種或多種)取決于需要制備的催化劑顆粒。換句話說(shuō),如果所需的納米尺度催化劑顆粒包括鎳和鐵,使用的可分解部分可為羰基鎳Ni(CO)4和羰基鐵Fe(CO)5;類似地,如果尋求貴金屬納米尺度催化劑顆粒,則可使用羰基貴金屬作為原料。另外,可使用多核羰基金屬如九羰基二鐵Fe2(CO)9、十二羰基三鐵Fe3(CO)12、十羰基二錳Mn2(CO)10;事實(shí)上,多種羰基貴金屬可被提供作為多核羰基化物,如十二羰基三釕Ru3(CO)12和三-μ-羰基-九羰基四銥Ir4(CO)12。此外,雜核羰基化物如Ru2Os(CO)12、Fe2Ru(CO)12和Zn[Mn(CO)5]2是已知的,并可用在根據(jù)本發(fā)明的納米尺度催化劑顆粒的制備中。在需要的納米尺度催化劑顆粒為合金或多于一種金屬物種的組合時(shí),多核羰基金屬可能尤其有用。
一般而言,羰基化物為與一氧化碳結(jié)合的過(guò)渡金屬,并具有通式Mx(CO)y,其中M為零氧化態(tài)的金屬,x和y都為整數(shù)。盡管多數(shù)人認(rèn)為羰基金屬為配位化合物,但金屬-碳鍵的性質(zhì)使部分人將它們歸類為有機(jī)金屬化合物。
可通過(guò)各種方法制備用于制備根據(jù)本發(fā)明的納米尺度催化劑顆粒的羰基金屬,其中大部分描述在“Kirk-Othmer Encyclopedia of ChemicalTechnology”,第5卷,131-135頁(yè)(Wiley Interscience 1992)。例如,金屬鎳和鐵可容易地與一氧化碳反應(yīng)形成羰基鎳和羰基鐵,并且已報(bào)道了鈷、鉬和鎢也可與一氧化碳反應(yīng),雖然在較高溫度和壓力的條件下。形成羰基金屬的其它方法包括在合適還原劑(實(shí)際上,有時(shí)一氧化碳自身可用作還原劑)存在時(shí)由鹽和氧化物合成羰基化物以及在氨中合成羰基金屬。另外,較低分子量羰基金屬的縮合也用于制備較高分子量物種,也可利用通過(guò)一氧化碳交換的羰基化。
多核和雜核羰基金屬(包括上述那些)的合成通常通過(guò)復(fù)分解或加成來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常,可通過(guò)包括由配位不飽和物種引起的反應(yīng)或不同氧化態(tài)的配位不飽和物種之間的反應(yīng)的縮合過(guò)程來(lái)合成這些材料。盡管高壓通常被認(rèn)為對(duì)于多核和雜核羰基化物(事實(shí)上,對(duì)于除過(guò)渡金屬羰基化物外的任何羰基金屬)的制備是必需的,但在大氣壓條件下合成多核羰基化物包括羰基錳、羰基釕和羰基銥也被認(rèn)為是可行的。
必須記住,在用羰基金屬工作時(shí),必須始終小心處理,因?yàn)楸┞队隰驶饘倏赡転閲?yán)重的健康威脅。事實(shí)上,羰基鎳被認(rèn)為是較有毒的無(wú)機(jī)工業(yè)化合物之一。盡管其它羰基金屬不象羰基鎳一樣有毒,但在處理它們?nèi)孕枰⌒摹?br> 本發(fā)明有利地在裝置內(nèi)實(shí)施,該裝置包括反應(yīng)器容器、用于供給或供應(yīng)可分解部分到反應(yīng)器容器內(nèi)的至少一個(gè)進(jìn)料器、有效連接到反應(yīng)器容器用于在其上沉積或由此收集可分解部分分解時(shí)產(chǎn)生的納米尺度金屬顆粒的載體或收集器、和能分解可分解部分的能量源。能量源應(yīng)作用在可分解部分上使得該部分分解以提供納米尺度金屬顆粒,所述金屬顆粒被沉積在載體上或通過(guò)收集器收集。
反應(yīng)器容器可由能承受所述部分發(fā)生分解時(shí)的條件的任何材料形成。通常,在反應(yīng)器容器為封閉系統(tǒng)時(shí),即它不是允許反應(yīng)物流入和流出容器的開口容器時(shí),容器可處于低于大氣壓的壓力,這意味著壓力低至約250毫米(mm)。事實(shí)上,低于大氣壓,低至約1mm壓力,的使用可加速可分解部分的分解并提供更小的納米尺度顆粒。但是,本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于在通常大氣壓即約760mm下制備納米尺度顆粒的能力?;蛘?,可以在使壓力循環(huán),如從低于大氣壓循環(huán)到通常大氣壓或以上,以促進(jìn)在載體結(jié)構(gòu)內(nèi)的納米沉積方面有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,即使在所謂的“封閉系統(tǒng)”中,也需要用于釋放由例如羰基分解產(chǎn)生的一氧化碳(CO)或其它副產(chǎn)物引起的壓力積聚的閥或類似系統(tǒng)。因此,語(yǔ)句“封閉系統(tǒng)”的使用意在區(qū)分該系統(tǒng)與下文中討論的流通型系統(tǒng)。
當(dāng)反應(yīng)器容器為“流通型”反應(yīng)器容器,即反應(yīng)物在反應(yīng)的同時(shí)流過(guò)的管道時(shí),可通過(guò)在管道上抽吸部分真空促進(jìn)反應(yīng)物的流動(dòng),但需要不低于約250mm,以便抽吸反應(yīng)物通過(guò)管道朝向真空裝置,或可通過(guò)管道泵送惰性氣體如氮?dú)饣驓鍤獾牧饕匝囟栊詺怏w的流動(dòng)攜帶反應(yīng)物。
事實(shí)上,流通型反應(yīng)器容器可為流化床反應(yīng)器,其中反應(yīng)物被攜帶在流體物流上通過(guò)反應(yīng)器。在制備的納米尺度金屬顆粒要被負(fù)載到載體材料如碳黑等(和反應(yīng)物一起流動(dòng))上時(shí),這種反應(yīng)器容器可以是尤其有用的。
供應(yīng)可分解部分到反應(yīng)器容器內(nèi)的至少一個(gè)進(jìn)料器可為滿足此目的的任何進(jìn)料器,例如攜帶可分解部分以及氣體射流如惰性氣體象氬氣或氮?dú)獾膰娚淦鳎璐送ㄟ^(guò)噴射器噴嘴沿氣體射流攜帶可分解部分進(jìn)入反應(yīng)器容器內(nèi)。使用的氣體可為反應(yīng)物,如氧氣或臭氧,而不是惰性氣體?;蛘?,還原性氣體比如氫氣,可能在降低或者阻止金屬納米顆粒的氧化方面有利。不管反應(yīng)器容器是封閉系統(tǒng)還是流通型反應(yīng)器,都可使用這種進(jìn)料器。
用于本發(fā)明實(shí)施的載體或收集器可為其上可以沉積或者其中可以收集由可分解部分的分解產(chǎn)生的納米尺度金屬顆粒的任何材料;最有利地,所述載體是催化劑金屬最終要位于其上的材料,比如催化轉(zhuǎn)化器的氧化鋁蜂窩或者電化學(xué)燃料電池的部件,以便沉積納米尺度顆粒到所述部件上,而不需要濺射等技術(shù)所要求的極端溫度和壓力。或者,收集器可以是用于收集納米尺度顆粒供以后使用的設(shè)備,比如旋風(fēng)或離心收集器。
載體或收集器可被布置在反應(yīng)器容器內(nèi)(事實(shí)上,這是封閉系統(tǒng)中所要求的,并在流通型反應(yīng)器中實(shí)用)。但是,在流通型反應(yīng)器容器中,反應(yīng)物的流動(dòng)可被導(dǎo)向位于容器外部(在其末端處)的載體,尤其在通過(guò)流通型反應(yīng)器容器的流動(dòng)是由惰性氣體流動(dòng)形成的情況下。或者,在流通型反應(yīng)器中,由可分解部分的分解產(chǎn)生的納米尺度金屬顆粒的流可被導(dǎo)向到離心或旋風(fēng)收集器內(nèi),收集器將所述納米尺度顆粒收集在合適的容器中用于進(jìn)一步用途。
用于分解可分解部分的能量可為能完成該功能的任何形式能量。例如,可使用電磁能量如具有適宜波長(zhǎng)的紅外、可見(jiàn)或紫外光。另外,也可使用微波和/或無(wú)線電波能或其它形式的能量(例如,假定合適的部分和壓力時(shí)引發(fā)“爆炸式”分解的火花),只要可分解部分被使用的能量分解即可。因此,可使用頻率為約2.4千兆赫(GHz)的微波能或頻率范圍可從低約180赫茲(Hz)直到高約13兆赫的感應(yīng)能量。熟練技術(shù)人員能容易確定用于分解可使用的不同類型可分解部分的能量形式。
可用于分解可分解部分的一種優(yōu)選能量形式為由例如熱燈或輻射熱源等提供的熱能。熱可能對(duì)高揮發(fā)性部分如非貴金屬羰基化物尤其有用。在這種情況下,需要的溫度不大于約250℃。事實(shí)上,通常,需要不大于約200℃的溫度以分解可分解部分并由其產(chǎn)生納米尺度催化劑顆粒。
根據(jù)使用的能量源,應(yīng)設(shè)計(jì)反應(yīng)器容器以便不會(huì)因?yàn)槭┘铀瞿芰吭炊鸺{米尺度金屬顆粒在容器自身(而不是在收集器上)上的沉積。換句話說(shuō),如果使用的能量源為熱,并且反應(yīng)器容器自身在施加熱到可分解部分實(shí)現(xiàn)分解的過(guò)程中被加熱到可分解部分的分解溫度或稍高的溫度,則可分解部分將在反應(yīng)器容器的壁處分解,從而用納米尺度金屬顆粒涂敷反應(yīng)器容器壁而不是沉積納米尺度金屬顆粒在載體上或者在收集器中(如果容器壁熱到可分解部分在反應(yīng)器容器內(nèi)而不是在容器壁上分解,則出現(xiàn)這種一般規(guī)則的一個(gè)例外,下文中更詳細(xì)地討論)。
避免這種情況的一種方式是將能量直接導(dǎo)向載體或收集器。例如,如果熱是為分解可分解部分施加的能量,則載體或收集器可自身裝備有熱源,如在載體或收集器中或表面處的電阻加熱器,以便載體或收集器處于可分解部分分解所需的溫度下而反應(yīng)器容器自身不是。這樣,分解發(fā)生在載體或收集器處,并且納米尺度催化劑顆粒的沉積主要發(fā)生在載體或收集器處。當(dāng)使用的能量源不同于輻射熱時(shí),可選擇能量源使得能量與載體或收集器耦合,如在使用微波或感應(yīng)能時(shí)。在這種情況下,反應(yīng)器容器應(yīng)由對(duì)能量源相對(duì)透明的材料(尤其與形成載體或收集器的材料相比)形成。
類似地,尤其在載體或收集器布置在反應(yīng)器容器外部的情況下,比如當(dāng)使用流通型反應(yīng)器容器并且載體在其末端(terminus)(在該處,存在合適的氣體混合物、壓力和溫度條件,使得分解和沉積發(fā)生)時(shí),則當(dāng)所述可分解部分流過(guò)流通型反應(yīng)器容器并且反應(yīng)器容器應(yīng)該對(duì)用于分解可分解部分的能量透明時(shí),可分解部分發(fā)生分解?;蛘撸还茌d體或收集器是否在反應(yīng)器容器內(nèi)部,或其外部,在熱為使用的能量時(shí),可保持反應(yīng)器容器在低于可分解部分分解溫度的溫度。可以保持反應(yīng)器容器低于所述部分分解溫度的一種方式是通過(guò)使用冷卻介質(zhì)如冷卻盤管或冷卻夾套。冷卻介質(zhì)可保持反應(yīng)器容器的壁低于可分解部分的分解溫度,但允許熱在反應(yīng)器容器內(nèi)通過(guò)以加熱可分解部分并引起所述部分的分解和產(chǎn)生納米尺度金屬顆粒。
在尤其適用的替換性實(shí)施方案中(其中反應(yīng)器容器的壁和反應(yīng)器容器中的氣體通常都等同地對(duì)施加的熱能敏感(如兩者都是相對(duì)透明時(shí))),當(dāng)反應(yīng)器容器為流通型反應(yīng)器容器時(shí),加熱反應(yīng)器容器的壁到大大高于可分解部分的分解溫度的溫度可允許反應(yīng)器容器壁自身用作熱源。換句話說(shuō),反應(yīng)器壁輻射的熱將加熱反應(yīng)器容器的內(nèi)部空間到至少與可分解部分的分解溫度一樣高的溫度。因此,所述部分在沖擊容器壁之前分解,形成納米尺度顆粒,它們?nèi)缓笈c反應(yīng)器容器內(nèi)的氣流一起被帶走,尤其在氣體速度通過(guò)真空被提高時(shí)。在由可分解部分的分解形成的納米尺度顆粒被附著到也與反應(yīng)器容器內(nèi)的流一起被攜帶的載體材料(如碳黑)上時(shí),這種在反應(yīng)器容器內(nèi)部產(chǎn)生分解熱的方法也是有用的。為了加熱反應(yīng)器容器的壁到足以在反應(yīng)器容器內(nèi)產(chǎn)生供可分解部分分解的溫度的溫度,優(yōu)選加熱反應(yīng)器容器的壁到明顯高于正被輸送到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分(一種或多種)分解所需要的溫度,其可為具有正被輸送到反應(yīng)器容器內(nèi)的那些部分的最高分解溫度的可分解部分的分解溫度或?yàn)獒槍?duì)存在的部分選擇以獲得所需分解速度的溫度。例如,如果具有正被輸送到反應(yīng)器容器內(nèi)的那些部分的最高分解溫度的可分解部分為羰基鎳,其具有約50℃的分解溫度,則反應(yīng)器容器的壁應(yīng)優(yōu)選被加熱到這樣的溫度,即在離反應(yīng)器容器壁數(shù)(至少3)毫米處會(huì)加熱所述部分到其分解溫度。根據(jù)內(nèi)部壓力、所述部分的組成和類型選擇該具體溫度,但通常不大于約250℃,一般小于約200℃,以確保反應(yīng)器容器的內(nèi)部空間被加熱到至少50℃。
在任何情況下,反應(yīng)器容器以及進(jìn)料器可由滿足上述溫度和壓力要求的任何材料形成。所述材料包括金屬、石墨、或高密度塑料等。最優(yōu)選反應(yīng)器容器和相關(guān)部件由透明材料形成,如石英或其它形式的玻璃,包括可在商業(yè)上作為

材料得到的高溫堅(jiān)固玻璃。
通過(guò)控制經(jīng)每個(gè)進(jìn)料器引入到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分的性質(zhì)、每種可分解部分的供給速度和不同物種供給到反應(yīng)器容器(尤其當(dāng)反應(yīng)器容器為流通型反應(yīng)器容器時(shí))的順序,可比以前認(rèn)為可能的大很多的程度控制產(chǎn)生的催化劑顆粒。這意味著,與常規(guī)方法相比,能制備明顯高百分比的特定所需催化劑顆粒(稱為主要顆粒)。例如,如果需要鎳原子對(duì)鐵原子對(duì)錳原子比為3∶2∶2的催化劑顆粒,則與使用現(xiàn)有技術(shù)方法時(shí)認(rèn)為可能的相比,將制備更高百分比的3∶2∶2顆粒(與例如3∶3∶3或1∶1∶3等顆粒相比)。
如所述,這可通過(guò)控制供給這種可分解部分的進(jìn)料器來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用上面給出的例子,如果有5個(gè)供給到反應(yīng)器容器內(nèi)部的進(jìn)料器,則三個(gè)進(jìn)料器可供給羰基鎳Ni(CO)4,一個(gè)進(jìn)料器可供給九羰基二鐵Fe2(CO)9和一個(gè)進(jìn)料器可供給十羰基二錳Mn2(CO)10。當(dāng)以預(yù)定方式使各個(gè)羰基化物成比例并在本發(fā)明的反應(yīng)中分解時(shí),可制備金屬物種至所需的3∶2∶2比例,并結(jié)合起來(lái)以形成所需的催化劑顆粒。對(duì)于系統(tǒng)受控而處于的溫度,還利用每種單獨(dú)部分的分解速度使所述部分成比例。
此外,通過(guò)改變各個(gè)進(jìn)料器的進(jìn)料速度,甚至可得到更多變化。換句話說(shuō),盡管一些情況下簡(jiǎn)單地將更多進(jìn)料器投入使用或?qū)⑦M(jìn)料器停止使用或使用可分解部分的不同組合以提供具有經(jīng)設(shè)計(jì)的(或預(yù)定)構(gòu)成的各種催化劑顆粒是可行的,但也可以通過(guò)改變進(jìn)料速度(即每個(gè)進(jìn)料器供給的可分解部分的流速)提供金屬物種的不同比例來(lái)得到不同顆粒構(gòu)成。因此,如果三個(gè)進(jìn)料器供給羰基鎳Ni(CO)4,一個(gè)進(jìn)料器供給九羰基二鐵Fe2(CO)9和一個(gè)進(jìn)料器供給十羰基二錳Mn2(CO)10,則可通過(guò)控制操作時(shí)各個(gè)進(jìn)料器的流速產(chǎn)生鎳、鐵和錳的大多數(shù)任意組成。
在反應(yīng)器容器為如上所述的流通型反應(yīng)器容器時(shí),甚至更多的變化是可能的,尤其是如果沿反應(yīng)器容器長(zhǎng)度順序排列進(jìn)料器的話。按照這種方式,除了各種可分解部分的單獨(dú)部分的相對(duì)存在外,還可控制可分解部分的供給順序。因此,可控制催化劑顆粒中各個(gè)原子的取向。例如,通過(guò)經(jīng)開始的三個(gè)進(jìn)料器(沿通過(guò)反應(yīng)器容器的氣體流動(dòng)按順序取)供給羰基鎳Ni(CO)4,然后是供給九羰基二鐵Fe2(CO)5的一個(gè)進(jìn)料器和供給十羰基二錳Mn2(CO)10的一個(gè)進(jìn)料器,可按如上所述制備3∶2∶1比例的主要顆粒,但顆粒自身將具有鎳芯,鐵和錳原子排列在芯周圍(假定可分解部分在沿反應(yīng)器容器流動(dòng)時(shí)被分解)。因此,本發(fā)明的系統(tǒng)不僅可制備和常規(guī)方法相比百分比更高的主要顆粒,而且可產(chǎn)生顆粒中原子的特定取向。
因此,在本發(fā)明的方法中,可分解的含金屬部分被供給到反應(yīng)器容器內(nèi)并暴露于足以分解所述部分并產(chǎn)生納米尺度催化劑顆粒的能量源;通過(guò)控制經(jīng)每個(gè)進(jìn)料器引入到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分的性質(zhì)、每種可分解部分的供給速度和不同物種供給到反應(yīng)器容器的順序中的一種或全部,與以前認(rèn)為可能的相比,可得到更高百分比的主要顆粒(principal particle)。
將可分解部分供給到在真空下或存在惰性氣體的封閉系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi);類似地,將所述部分供給到在該處通過(guò)抽吸真空或使惰性氣體流過(guò)流通型反應(yīng)器形成流動(dòng)的流通型反應(yīng)器內(nèi)。施加的能量足以在反應(yīng)器中分解可分解部分或在它流過(guò)反應(yīng)器時(shí)分解它,并從所述部分中釋放金屬和因此形成沉積在載體上或收集器中的納米尺度催化劑顆粒。在熱為用于分解可分解部分的能量時(shí),需要不大于約250℃、更優(yōu)選不大于約200℃的溫度制備納米尺度催化劑顆粒,其隨后可被直接沉積在它們最終要到達(dá)的襯底上或收集起來(lái)用于隨后的用途,不必需使用載體顆粒,過(guò)程僅需要幾秒,并且不在極端溫度和壓力條件下。事實(shí)上,在一些實(shí)施方案中,對(duì)于納米尺度金屬顆粒的制備,本發(fā)明的方法可能需要少于約5秒。
在優(yōu)選實(shí)施方案中,多個(gè)進(jìn)料器各自供給可分解部分到反應(yīng)器容器內(nèi)。按照這種方式,所有進(jìn)料器可供給相同的可分解部分或不同的進(jìn)料器可供給不同的可分解部分,如另外的羰基金屬,以便按照需要提供包含不同金屬如鉑-鎳組合或鎳-鐵組合的納米尺度顆粒,比例由供給到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分的數(shù)量確定。例如,通過(guò)經(jīng)不同的進(jìn)料器供給不同的可分解部分,可制備具有第一金屬芯和芯上涂有第二或第三等金屬域的納米尺度顆粒。事實(shí)上,如上所述,改變每個(gè)進(jìn)料器供給到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分可改變產(chǎn)生的納米顆粒的性質(zhì)和/或構(gòu)成。換句話說(shuō),如果需要組成納米尺度顆粒的金屬不同比例或組成納米尺度顆粒的金屬不同取向,則改變每個(gè)進(jìn)料器供給到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分可如沿容器的溫度變化一樣產(chǎn)生所述不同比例或不同取向。
事實(shí)上,在流通型反應(yīng)器容器的情況下,可在大致相同的位置在形成反應(yīng)器容器的管道圓周周圍排列每個(gè)進(jìn)料器,或可沿管道長(zhǎng)度排列進(jìn)料器,以便在沿管道流路的不同位置處供給可分解部分到反應(yīng)器容器內(nèi)以對(duì)產(chǎn)生的納米尺度顆粒提供進(jìn)一步控制。
因此,本發(fā)明的目的是提供制備經(jīng)設(shè)計(jì)的納米尺度催化劑顆粒的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供能在不如常規(guī)方法極端的溫度和/或壓力條件下連續(xù)制備沉積在載體上的經(jīng)設(shè)計(jì)的非貴金屬納米尺度催化劑顆粒的方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供能制備經(jīng)設(shè)計(jì)的納米尺度催化劑顆粒的方法,其中制備的主要顆粒的百分比大于以前可能的情況。
本發(fā)明的還一個(gè)目的是提供允許制備經(jīng)設(shè)計(jì)的非貴金屬納米尺度催化劑顆粒的裝置。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供允許在連續(xù)過(guò)程中制備經(jīng)設(shè)計(jì)的納米尺度催化劑顆粒的裝置。
當(dāng)閱讀下面的說(shuō)明書時(shí),這些和其它目的對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的,并可通過(guò)以下來(lái)實(shí)現(xiàn)供給,優(yōu)選連續(xù)供給,選自有機(jī)金屬化合物、金屬絡(luò)合物、金屬配位化合物及其混合物中的至少一種可分解部分到反應(yīng)器容器內(nèi),其中金屬優(yōu)選為非貴金屬,進(jìn)一步地,其中控制經(jīng)每個(gè)進(jìn)料器引入到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分的性質(zhì)、每種可分解部分的供給速度和不同物種供給到反應(yīng)器容器的順序中的至少一種;暴露可分解部分到足以分解所述部分并產(chǎn)生納米尺度催化劑顆粒的能量源;和沉積納米尺度催化劑顆粒到載體上或在收集器中收集納米尺度催化劑顆粒。優(yōu)選地,可分解部分包括羰基金屬。
在本發(fā)明的有利實(shí)施方案中,反應(yīng)器容器內(nèi)的溫度不大于約250℃。反應(yīng)器容器內(nèi)的壓力優(yōu)選一般為大氣壓,但可使用在約1mm到約2000mm之間變化的壓力。與在其上沉積或在其中收集納米尺度催化劑顆粒的載體或收集器或可分解部分自身相比,反應(yīng)器容器優(yōu)選由對(duì)能量源提供的能量相對(duì)透明的材料形成,如在能量源為輻射熱時(shí)。事實(shí)上,載體或收集器可在其中結(jié)合電阻加熱器,或能量源可為熱燈。反應(yīng)器容器可被冷卻,例如通過(guò)冷卻介質(zhì)如布置在反應(yīng)器容器周圍的冷卻盤管或冷卻夾套。
收集器可為旋風(fēng)或離心式或其它合適的顆粒收集器;載體可為對(duì)于反應(yīng)器容器內(nèi)制備的納米尺度催化劑顆粒來(lái)說(shuō)是最終用途襯底的載體,如內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)尤其是汽車的部件、催化轉(zhuǎn)化器、或燃料電池或電解膜或電極。載體或收集器可位于反應(yīng)器容器內(nèi)。但是,反應(yīng)器容器可為包括管道的流通型反應(yīng)器容器,在這種情況下,載體或收集器可被布置在反應(yīng)器容器外部或反應(yīng)器容器內(nèi)。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到,前面的一般描述和下面的詳細(xì)描述都提供了本發(fā)明的實(shí)施方案,并意在提供用于理解要求的本發(fā)明的特性和特征的概觀或框架。附圖包括進(jìn)來(lái)以提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解,并結(jié)合在本說(shuō)明書中且構(gòu)成其一部分。附示了本發(fā)明的各種實(shí)施方案,并與說(shuō)明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的方法利用“封閉系統(tǒng)”反應(yīng)器容器制備納米尺度催化劑顆粒的裝置的平面?zhèn)纫晥D。
圖2為圖1裝置的可替換實(shí)施方案的平面?zhèn)纫晥D。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的方法利用“流通型”反應(yīng)器容器制備納米尺度催化劑顆粒的裝置的平面?zhèn)纫晥D。
圖4為圖3裝置的可替換實(shí)施方案。
圖5為使用位于流通型反應(yīng)器容器外部的收集器的圖3裝置的另一可替換實(shí)施方案。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式 現(xiàn)在參考圖,在其中可實(shí)施用于制備經(jīng)設(shè)計(jì)的納米尺度催化劑顆粒的本發(fā)明方法的裝置通常用附圖標(biāo)記10或100表示。在圖1和2中,裝置10為包括封閉反應(yīng)器容器20的封閉系統(tǒng),而在圖3-5中,裝置100為包括流通型反應(yīng)器容器120的流通型反應(yīng)裝置。
應(yīng)注意到,圖1-5以特定取向顯示了裝置10、100。但是,應(yīng)認(rèn)識(shí)到,其它取向同樣適用于裝置10、100。例如,當(dāng)在真空下時(shí),反應(yīng)器容器20為了有效性可處于任何取向。同樣,在流通型反應(yīng)器容器120中,圖3-5中惰性載體氣體和可分解部分的流動(dòng)或由真空抽吸的可分解部分的流動(dòng)可為任何具體方向或取向并仍然有效。另外,本文中使用的術(shù)語(yǔ)“上”、“下”、“右”和“左”指圖1-5中所示裝置10、100的取向。
現(xiàn)在參考圖1和2,如上面所述,裝置10包括封閉系統(tǒng)反應(yīng)器容器20,容器20由適合該目的并能承受內(nèi)部進(jìn)行的反應(yīng)的苛刻條件包括溫度和/或壓力條件的任何材料形成。反應(yīng)器容器20包括用于提供惰性氣體如氬氣以填充反應(yīng)器容器20內(nèi)部空間的入口22,惰性氣體由常規(guī)泵等(未示出)來(lái)提供。類似地,如圖2中所示,可通過(guò)使用真空泵或類似設(shè)備(未示出)利用口22在反應(yīng)器容器20內(nèi)部空間中提供真空。為了使反應(yīng)在反應(yīng)器容器20中在真空下成功進(jìn)行,并不必需形成極端真空條件。不小于約1mm、優(yōu)選不小于約250mm的稍微負(fù)壓正是所需要的。
反應(yīng)器容器20在其中布置了可直接附著到反應(yīng)器容器20上或可被定位在反應(yīng)器容器20內(nèi)支架32a和32b上的載體30。反應(yīng)器容器20還包括在24處顯示的可密封開口,以便允許反應(yīng)器容器20在反應(yīng)完成后被打開以取出載體30。蓋24可為螺紋蓋或壓力蓋或其它類型的閉合系統(tǒng),只要它們足夠氣密以在反應(yīng)器容器20內(nèi)保持惰性氣體或所需水平的真空即可。
裝置10還包括用于供給反應(yīng)物、更具體地說(shuō)是可分解部分到反應(yīng)器容器20內(nèi)的至少一個(gè)進(jìn)料器40,并優(yōu)選多個(gè)進(jìn)料器40a和40b。如圖1和2中所示,提供兩個(gè)進(jìn)料器40a和40b,但可預(yù)料到,可使用其它進(jìn)料器,這取決于引入到容器20內(nèi)的可分解部分(一種或多種)的特性和/或尤其是所需最終產(chǎn)物納米尺度催化劑顆粒。進(jìn)料器40a和40b可通過(guò)適合可分解部分的泵送裝置如文丘里泵等(未示出)來(lái)供料。
如圖1中所示,裝置10還包括能引起可分解部分分解的能量源。在圖1所示的實(shí)施方案中,能量源包括熱源,如熱燈50,但也可使用其它輻射熱源。另外,如上所述,能量源可為電磁能量如紅外、可見(jiàn)或紫外光、微波能、無(wú)線電波或其它形式能量的源,這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是熟悉的,只要使用的能量能引起可分解部分分解即可。
在一種實(shí)施方案中,能量源可提供可優(yōu)先耦合到載體30上以便有利于由可分解部分的分解產(chǎn)生的納米尺度催化劑顆粒沉積到載體30上的能量。但是,在使用能量源如熱時(shí),其還會(huì)加熱反應(yīng)器容器20,可能希望使用例如冷卻管52(局部剖開顯示)冷卻反應(yīng)器容器20以便保持反應(yīng)器容器20在低于可分解部分分解溫度的溫度。按照這種方式,可分解部分不在反應(yīng)器容器20的表面處分解而是在載體30上分解。
在圖2所示的可替換實(shí)施方案中,載體30自身包括用于分解可分解部分的能量源。例如,通過(guò)接線34供電的電阻加熱器可結(jié)合到載體30內(nèi),使得只有載體30處于可分解部分的分解溫度,從而可分解部分在載體30上分解并因此產(chǎn)生沉積在載體30上的納米尺度催化劑顆粒。同樣,可將用于可分解部分分解的其它形式能量結(jié)合到載體30內(nèi)。
載體30可由足以在其上具有由可分解部分分解產(chǎn)生的納米尺度金屬顆粒沉積物的任何材料形成,如氧化鋁或汽車(或其它內(nèi)燃機(jī))催化轉(zhuǎn)化器的其它部件、或燃料電池或電解電池的電極或膜。事實(shí)上,在能量源自身嵌入到載體30或與載體30關(guān)聯(lián)時(shí),可得到催化納米尺度金屬顆粒的選擇性沉積以提高催化反應(yīng)效率和減少無(wú)效率情況或減少替換被破壞的催化金屬。換句話說(shuō),能量源可以以沉積催化金屬所需的圖案嵌入在載體30內(nèi),從而可將催化劑納米尺度金屬的沉積放置在需要催化反應(yīng)的地方。在一種實(shí)施方案中,載體30可以涂有粘合劑涂層或者含氟彈性體,其可用于為載體30賦予可替換的屬性?;蛘?,載體30可以用收集設(shè)備比如旋風(fēng)收集器或者離心收集器(未示出)替換,用于收集制備的納米尺度金屬顆粒。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中,如圖3-5中所示,裝置100包括流通型反應(yīng)器容器120,容器120包括用122表示的口,用于提供惰性氣體或從反應(yīng)器容器120中抽吸真空以為要被反應(yīng)的可分解部分創(chuàng)建流動(dòng)來(lái)制備納米尺度金屬顆粒。另外,裝置100包括進(jìn)料器140a、140b、140c,它們可被布置在反應(yīng)器容器102圓周的周圍,如圖5中所示,或者,可替換地,沿反應(yīng)器容器120的長(zhǎng)度順序布置,如圖3和4中所示。
裝置100還包括在其上或者其中沉積納米尺度催化劑顆粒的載體130。載體130可位于支架132a和132b上,或在能量源被結(jié)合到載體130內(nèi)的情況下,作為電阻加熱器,可通過(guò)線134提供載體130中能量源的控制和接線,如圖4所示。載體130可以涂有粘合劑涂層或者含氟彈性體,其可用于為載體30賦予可替換的屬性?;蛘?,載體130可以用收集設(shè)備比如旋風(fēng)收集器或者離心收集器(未示出)替換,用于收集制備的納米尺度金屬顆粒。
如圖3和4中所示,當(dāng)載體130布置在流通型反應(yīng)器容器120內(nèi)時(shí),還提供口124用于取出載體130及其上沉積的納米尺度催化劑顆粒。另外,應(yīng)構(gòu)造口124使得它允許惰性氣體通過(guò)口122供給并流過(guò)反應(yīng)器容器120以做反應(yīng)器容器120的出口(如圖3中所示)??梢园磁c上面針對(duì)封閉系統(tǒng)裝置10所述的蓋24相同的方式密封口124。換句話說(shuō),可用螺紋蓋或壓力蓋或技術(shù)人員會(huì)熟悉的其它類型封閉結(jié)構(gòu)密封口124。
但是,如圖5中所示,載體130可被布置在流通型反應(yīng)器裝置100中反應(yīng)器容器120的外部。在這種實(shí)施方案中,流通型反應(yīng)器容器120包括口124,通過(guò)該口撞擊到載體130上,此時(shí)在載體130上沉積納米尺度催化劑顆粒。按照這種方式,不再需要進(jìn)入反應(yīng)器容器120以取出其上沉積有納米尺度催化劑顆粒的載體130。另外,在可分解部分碰撞以在載體130上產(chǎn)生納米尺度催化劑顆粒過(guò)程中,口126或載體130可調(diào)整,以便使所產(chǎn)生的納米尺度催化劑顆粒碰撞在載體130的一些特定區(qū)域上。如果載體130包括納米尺度催化劑顆粒的最終用途襯底,如催化轉(zhuǎn)化器部件或燃料電池電極,這尤其有用。因此,只在需要的地方沉積納米尺度催化劑顆粒,并有利于效率和減少被破壞的催化金屬。
如上所述,反應(yīng)器容器20、120可由用在反應(yīng)中的任何合適材料形成,只要它能承受可分解部分發(fā)生分解時(shí)的溫度和/或壓力即可。例如,在熱為用于分解可分解部分的能量時(shí),反應(yīng)器容器應(yīng)能承受直到約250℃的溫度。盡管許多材料被預(yù)期為合適的,包括金屬、塑料、陶瓷和材料如石墨,但優(yōu)選反應(yīng)器容器20、120由透明材料形成以在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)提供對(duì)反應(yīng)的觀察。因此,反應(yīng)器容器20、120優(yōu)選由石英或玻璃如可從Corning,Inc.of Corning,New York得到的

牌材料形成。
在本發(fā)明的實(shí)施中,在反應(yīng)器容器20、120上抽吸惰性氣體如氬氣或氮?dú)獾牧骰蛘婵?,并?jīng)由進(jìn)料器40a、40b、140a、140b、140c將可分解部分的物流供給到反應(yīng)器容器20、120內(nèi),其中經(jīng)每個(gè)進(jìn)料器引入到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分的性質(zhì)、每種可分解部分的供給速度和不同物種供給到反應(yīng)器容器的順序中的至少一種得到控制??煞纸獠糠挚蔀槿魏魏饘俚牟糠秩缬袡C(jī)金屬化合物、絡(luò)合物或配位化合物,比如羰基金屬,其可在所需的壓力和溫度分解條件下被能量分解。例如,如果熱為能量源,則可分解部分應(yīng)在不大于250℃、更優(yōu)選不大于200℃的溫度分解和產(chǎn)生納米尺度金屬顆粒。其它材料如氧氣也可被輸送到反應(yīng)器20、120內(nèi)以部分氧化由可分解部分分解產(chǎn)生的納米尺度金屬顆粒,來(lái)保護(hù)納米尺度顆粒免遭降解。反之,還原材料如氫氣可被供給到反應(yīng)器20、120內(nèi)以緩和或者降低納米尺度催化劑顆粒的氧化。
然后通過(guò)例如熱燈50、150將用于分解可分解部分的能量提供到反應(yīng)器容器20、120內(nèi)的可分解部分上。如果需要,還可通過(guò)冷卻盤管52、152冷卻反應(yīng)器容器120以避免納米尺度催化劑顆粒沉積在反應(yīng)器容器20、120的表面上而不是載體30、130上。然后將由可分解部分分解產(chǎn)生的納米尺度催化劑顆粒沉積在載體30、130上供使用。
因此,本發(fā)明提供了用于制備具有高百分比的主要顆粒的納米尺度催化劑顆粒的省力手段,事實(shí)上,所述主要顆粒具有預(yù)定取向,該手段不需要現(xiàn)有技術(shù)方法要求的極端溫度和壓力。另外,當(dāng)使用“流通型”裝置時(shí),該方法還是連續(xù)的,提供了理想的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
本文提到的所有引用專利、專利申請(qǐng)和出版物都被引入作為參考。
顯而易見(jiàn),這樣描述的發(fā)明可以以多種方式變化。這種變化不被認(rèn)為是脫離本發(fā)明的精神和范圍,并且對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的所有這種變化都旨在包括在下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.制備納米尺度催化劑顆粒的方法,包括
a)供給選自有機(jī)金屬化合物、金屬絡(luò)合物、金屬配位化合物及其混合物中的至少一種可分解部分到反應(yīng)器容器內(nèi),其中控制經(jīng)每個(gè)進(jìn)料器引入到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分的性質(zhì)、每種可分解部分的供給速度或不同物種供給到反應(yīng)器容器的順序;
b)暴露可分解部分到足以分解所述部分并產(chǎn)生納米尺度催化劑顆粒的能量源;和
c)沉積所述納米尺度催化劑顆粒到載體上或在收集器中收集所述納米尺度催化劑顆粒。
2.權(quán)利要求1的方法,包括連續(xù)供給選自有機(jī)金屬化合物、金屬絡(luò)合物、金屬配位化合物及其混合物中的至少一種可分解部分到反應(yīng)器容器內(nèi)。
3.權(quán)利要求1的方法,其中對(duì)經(jīng)每個(gè)進(jìn)料器引入到反應(yīng)器容器內(nèi)的可分解部分的性質(zhì)、每種可分解部分的供給速度或不同物種供給到反應(yīng)器容器的順序的控制允許預(yù)先確定產(chǎn)生的主要顆粒的構(gòu)成或取向。
4.權(quán)利要求1的方法,其中所述可分解部分包括非貴金屬。
5.權(quán)利要求1的方法,其中所述至少一種可分解部分包括羰基金屬。
6.權(quán)利要求5的方法,其中所述羰基金屬包括羰基非貴金屬。
7.權(quán)利要求1的方法,其中反應(yīng)器容器內(nèi)的溫度不大于約250℃。
8.權(quán)利要求7的方法,其中在反應(yīng)器容器內(nèi)保持不小于約1mm的真空。
9.權(quán)利要求7的方法,其中在所述反應(yīng)器容器內(nèi)保持不大于約2000mm的壓力。
10.權(quán)利要求1的方法,其中所述反應(yīng)器容器由與所述收集器或所述可分解部分相比對(duì)能量源提供的能量相對(duì)透明的材料形成。
11.權(quán)利要求1的方法,其中所述能量源包括熱源。
12.權(quán)利要求1的方法,其中所述載體或收集器在其中結(jié)合有電阻加熱器。
13.權(quán)利要求11的方法,其中所述能量源包括熱燈。
14.權(quán)利要求13的方法,其還包括冷卻所述反應(yīng)器容器。
15.權(quán)利要求1的方法,其中所述載體為用于產(chǎn)生的所述納米尺度金屬顆粒的最終用途襯底。
16.權(quán)利要求15的方法,其中所述載體包括內(nèi)燃機(jī)催化轉(zhuǎn)化器的部件。
17.權(quán)利要求1的方法,其中所述載體或收集器位于反應(yīng)器容器內(nèi)。
18.權(quán)利要求1的方法,其中供給氧氣到所述反應(yīng)器容器內(nèi)以部分氧化由所述可分解部分分解產(chǎn)生的所述納米尺度金屬顆粒。
19.權(quán)利要求1的方法,其中供給還原材料到所述反應(yīng)器容器內(nèi)以降低所述可分解部分的氧化可能性。
全文摘要
用于制備納米尺度催化劑顆粒的方法和裝置(10),包括供給選自有機(jī)金屬化合物、金屬絡(luò)合物、金屬配位化合物及其混合物中的至少一種可分解部分到反應(yīng)器容器(20)內(nèi),其中控制經(jīng)每個(gè)進(jìn)料器(40)引入到反應(yīng)器容器(20)內(nèi)的可分解部分的性質(zhì)、每種可分解部分的供給速度或不同物種供給到反應(yīng)器容器(20)的順序;暴露所述可分解部分到足以分解所述部分并產(chǎn)生納米尺度顆粒的能量源;和沉積所述納米尺度催化劑顆粒到載體(30)上或收集器中。
文檔編號(hào)B01J23/00GK101300070SQ200680034864
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2006年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月10日
發(fā)明者R·A·默庫(kù)里 申請(qǐng)人:戴雷克塔普拉斯專利及科技有限公司
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