[发明专利]纳米线结构元件

说明书

本申请是申请日为2009年3月12日、申请号为200980114548.6、发明名称为“纳米线结构元件”的发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及一种纳米线结构元件，其制备方法和微反应器系统，

尤其是微催化剂系统。

背景技术

K.等人在"Chemistry in Microstructured Reactors",Ang.Chem.Int.Ed.2004,43,406-446中展示了用于化学反应和分析目的的微结构化构件的优点。这导致用于化学合成和分析的这类系统的具有重要意义。与常规的反应器相比，该微结构反应器具有非常大的表面积－体积比，这对热交换功率以及物质传送过程产生正面影响(参见O.等人"Microreactors-a New Efficient Tool for Reactor Development",Chem.Eng.Technol.2001,24,第138-142)。

在微结构反应器中已经进行了许多已知的反应，尤其是还有许多催化反应。在这里，无论是液相反应、气相反应还是气液相反应都是无关紧要的。为了能够利用催化剂的潜在活性，将催化剂材料与各种几何形状一起整合到微结构化系统中。从最简单的情况出发，则用于构件微反应器的反应器材料自身由催化活性物质构成(参见M.Fichtner,“Microstructured Rhodium Catalysts for the Partial Oxidation of Methane to Syngas under Pressure”,Ind.Eng.Chem.Res.2001,40,第3475-3483页)。但这导致催化剂表面积被局限于反应器壁上。这一缺点部分地借助于优化的催化剂/载体系统避免。如今的微结构反应器主要包含加载到通道中的小的颗粒或粉末。

但也可以使用催化剂－纤维、线和膜(参见G.Veser,“Experimental and Theoretical Investigation of H2Oxidation in a High-Temperature Catalytic Microreactor”,Chem.Eng.Sci.2001,56,第1265-1273第)。金属纳米结构，尤其是由贵金属构成的那些，由于它们的表面积与质量的比例大，这与较小的制备成本相关，在非均相催化中是公知的(参见R.Narayanan等人，“Catalysis with Transition Metal Nanoparticles in Colloidal Solution:Nanoparticle Shape Dependence and Stability”J.Chem.Phys.B,2005,109,第12663-12676页)。

纳米科学中的研究最初集中在均质金属颗粒的检测上，因此其催化特性已得到充分研究。但至今鉴于一维纳米结构在非均相催化上的应用还分析许多一维纳米结构。但一个大问题是它们的固定。由Z.Chen等人“Supportless Pt and PtPd Nanotubes as Electrocatalysts for Oxygen-Reduction Reactions”,Angew.Chem.2007,119,S.4138-4141已知的是将纳米结构施加到载体上或嵌入多孔材料中例如Nafion上，但这必然导致可用的催化剂表面积减少。此外，必需注意，由于扩散过程，催化活性取决于催化剂材料的分布。因此，虽然纳米颗粒显著提高表面积－体积比，但是由于以下原因造成这类反应器的长期稳定性相对较小：

1.由于载体的腐蚀造成纳米颗粒的接触损失

2.溶解和重新沉积或奥斯特瓦尔德成熟（Ostwald-Reifung）,

3.纳米颗粒的聚集，以便降低表面能，和

4.纳米颗粒的溶解和可溶离子的迁移。