[发明专利]用于制备涂有催化剂的载体材料的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及制备纳米尺度催化剂金属颗粒尤其是非贵金属纳米尺 度颗粒并将所述颗粒直接附着到载体材料上的方法和装置，尤其是以 连续方式。“非贵金属”指不同于贵金属(通常被认为是金、银、铂、 钯、铱、铼、汞、钌和锇)之一的金属。通过实施本发明，能以比利 用常规处理所完成的更大精度、更快速度和更大灵活性制备纳米尺度 催化剂颗粒，并且制备的颗粒能以精确和成本节约的方式被直接附着 到载体材料上。

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。

这些催化剂金属域的大小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。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 材料被结合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。