[发明专利]纳米尺度金属颗粒的连续制备

说明书

技术领域

本发明涉及连续制备用于催化和其它应用的纳米尺度金属颗粒。通 过实施本发明，能以比利用常规处理所完成的更快速度、更大精度和更 大灵活性来制备和收集纳米尺度金属颗粒。因此，本发明提供了用于制 备这类纳米尺度金属颗粒的实用和节约成本的系统。

背景技术

催化剂在现代化学处理中正变得普遍存在。催化剂用于材料如燃 料、润滑剂、制冷剂、聚合物、药物等的生产，以及在水和空气污染缓 解过程中起重要作用。事实上，催化剂被认为在美国物质国民生产总值 的足足三分之一中起作用，如Alexis T.Bell在“The Impact of Nanoscience on Heterogeneous Catalysis”(Science，299卷，1688页， 2003年3月14日)中所述。

一般而言，催化剂可被描述为沉积在高表面积固体上的小颗粒。传 统上，催化剂颗粒可为亚微米直到数十微米。Bell描述的一个例子是汽 车的催化转化器，其由壁涂有多孔氧化铝(氧化铝)薄涂层的蜂窝组成。 在催化转化器内部部件的生产中，用铂族金属催化剂材料的纳米颗粒浸 渍氧化铝基面涂层(wash coat)。事实上，目前使用的大多数工业催化 剂都包括铂族金属尤其是铂、铑和铱或碱金属如铯，有时结合其它金属 如铁或镍。

这些颗粒的小尺寸被认为在它们的催化功能方面极其重要。事实 上，Bell也注意到，催化剂的性能可能受催化剂颗粒的粒度影响很大， 因为颗粒的性质如表面结构和电子性质会随着催化剂颗粒的尺寸变化 而变化。

在Eric M.Stuve于2003年5月13日在Frontiers in Nanotechnology Conference，Department of Chemical Engineering of the University of Washington提供的关于催化纳米技术的研究中，描述了总的看法在于， 在催化中使用纳米尺寸颗粒的优点归因于这样一个事实，即小颗粒的可 用表面积大于较大颗粒的可用表面积，因而通过使用这种纳米尺寸催化 剂材料在表面处提供了更多的金属原子使催化优化来提高效率。但是， Stuve指出，使用纳米尺寸催化剂颗粒的优点可能不只是简单地归因于 尺寸效应。更确切地，纳米颗粒的使用能表现出改进的电子结构和在纳 米颗粒中存在的具有真正小刻面的不同形状，这提供了可能有利于催化 的相互作用。实际上，Cynthia Friend在“Catalysis On Surfaces” (Scientific American，1993年4月，74页)中断定了催化剂形状，更 具体而言指催化剂颗粒表面上原子取向，在催化中的重要作用。另外， 不同的传质阻力也可能改善催化剂作用。因此，正寻求能在更灵活的商 业上有效的平台上用作催化剂的纳米尺寸金属颗粒的制备。此外，正寻 求纳米尺度颗粒的其它应用，不管是对于传统上用于催化的铂族金属还 是对于其它金属颗粒。

但是，通常按两种方式制备催化剂。一种这样的方法包括催化剂材 料被沉积到载体颗粒如碳黑或其它类似材料的表面上，然后所述负载有 催化剂的颗粒自身被负载到需要催化的表面上。这种方法的一个例子是 在燃料电池场所中，其中负载有铂族金属催化剂的碳黑或其它类似颗粒 随后自身被负载到膜/电极界面处以催化分子氢分解成它的组成质子和 电子，得到的电子通过电路作为燃料电池产生的电流。通过负载到载体 颗粒上制备催化剂材料的一个主要缺点在于负载反应需要的时间量，在 一些情况下其可能以小时计。

Yadav和Pfaffenbach在美国专利6716525中描述了在较粗糙的载体 粉末上分散纳米尺度粉末以便提供催化剂材料。Yadav和Pfaffenbach的 载体颗粒包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫属元素化物、金属 和合金。按照Yadav和Pfaffenbach，分散在载体上的纳米颗粒可为多种 不同材料中的任何，包括贵金属如铂族金属、稀土金属、通常所说的半 金属以及非金属材料，和甚至簇，如富勒烯、合金和纳米管。