(57)【要約】ナノ粒子がナノ活性材料とナノ支持部とを含む。いくつかの実施形態において、ナノ活性材料は白金であり、ナノ支持部はアルミナである。ナノ活性材料をナノ支持部にピンニングし、付着させることは、高温凝縮技術を用いることによって達成される。いくつかの実施形態において、ある量の白金およびある量のアルミナがプラズマ銃の中に装填される。ナノ活性材料がナノ支持部と結合すると、ナノ活性材料とナノ支持部との間にインターフェースが形成される。インターフェースは、白金アルミナ金属化合物であり、白金アルミナ金属化合物は、支持部の表面上をあちこち動くナノ活性材料の能力を劇的に変化させ、湿式触媒の結合よりも良い結合を提供する。あるいは、ある量の炭素もまた、プラズマ銃の中に装填される。ナノ活性材料がナノ支持部と結合すると、形成されるインターフェースは、白金銅金属間化合物を含み、白金銅金属間化合物は、より強い結合を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ活性材料をナノ支持部にピンニングするためのインターフェースであって、該ナノ支持部の表面上を該ナノ活性材料が動くことを制限するように構成される化合物を含み、該化合物は、該ナノ活性材料と該ナノ支持部の該表面との反応によって形成される、インターフェース。
【請求項２】
前記ナノ活性材料が白金である、請求項１に記載のインターフェース。
【請求項３】
前記ナノ支持部がアルミナである、請求項１に記載のインターフェース。
【請求項４】
前記ナノ支持部が部分的に還元されたアルミナ表面である、請求項１に記載のインターフェース。
【請求項５】
前記化合物は、白金アルミナ金属化合物または白金銅金属間化合物である、請求項１に記載のインターフェース。
【請求項６】
高温凝縮技術を用いることによってナノ活性材料をナノ支持部に付着させるピンニング方法であって、該方法は、
ａ．該ナノ活性材料と該ナノ支持部とを集めることと、
ｂ．該ナノ支持部の表面上の金属特性を増加させることと、
ｃ．各ナノ活性材料とナノ支持部との間にインターフェースを形成することと
を包含し、該インターフェースは、該ナノ支持部の該表面上の該ナノ活性材料の動きを制限するように構成されている、ピンニング方法。
【請求項７】
前記高温凝縮技術は、ｅＢｅａｍ、マイクロ波、ＲＦまたはＤＣプラズマである、請求項６に記載のピンニング方法。
【請求項８】
前記集めることは、
ａ．ある量の触媒材料とある量のキャリア材料とをチャンバの中に装填することと、
ｂ．該量の触媒材料と該量のキャリア材料とを蒸発させることによって、前記ナノ活性材料と前記ナノ支持部とを生成することと
を含む、請求項６に記載のピンニング方法。
【請求項９】
前記蒸発させることは、
ａ．作動気体を前記チャンバの中に供給することと、
ｂ．該作動気体にエネルギーを送達することと
を含む、請求項８に記載のピンニング方法。
【請求項１０】
前記集めることは、ある量の銅を前記チャンバの中に装填することをさらに含む、請求項８に記載のピンニング方法。
【請求項１１】
前記複数のナノ活性材料の各々が白金である、請求項６に記載のピンニング方法。
【請求項１２】
前記複数のナノ支持部の各々がアルミナである、請求項６に記載のピンニング方法。
【請求項１３】
前記複数のナノ支持部の各々が部分的に還元されたアルミナ表面を含む、請求項６に記載のピンニング方法。
【請求項１４】
前記インターフェースは、白金アルミナ金属化合物または白金銅金属間化合物を含む、請求項１３に記載のピンニング方法。
【請求項１５】
ナノ活性材料をナノ支持部に付着させる方法であって、該方法は、該ナノ活性材料とナノ支持部材料との間に層を形成するために高温凝縮技術を用いることを包含する、方法。
【請求項１６】
前記高温凝縮技術は、ｅＢｅａｍ、マイクロ波、ＲＦまたはＤＣプラズマである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記用いることは、
ａ．触媒材料とキャリア材料とをチャンバの中に装填することと、
ｂ．該触媒材料と該キャリア材料とを蒸発させて、前記ナノ活性材料と前記ナノ支持部とを生成することと
を包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記用いることは、前記チャンバの中に銅を装填することをさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記層は、前記ナノ支持部の表面上の前記ナノ活性材料の動きを制限するように構成されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記層は、白金アルミナ金属化合物を含むか、または白金銅金属間化合物を含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下で、２００９年１２月１５日に出願された、表題が「ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ」である同時係属中の米国仮特許出願第６１／２８４，３２９号の優先権を主張し、この仮特許出願は、参考として本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、触媒の分野に関する。より詳細には、本発明は、ナノ活性材料をナノ支持部にピンニングし、付着（ａｆｆｉｘｉｎｇ）させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
触媒は、反応を促進し、加速するために用いられる。例えば、触媒を形成する周知の湿式化学法を用いて、押出し物は、ヘキサクロロ白金酸（Ｈ２ＰｔＣｌ６）に配置される。いくつかの実施形態において、押出し物は、押出し成形プロセスによって生成された円筒状ペレットである。押出し物１００の例が図１Ａに示される。押出し物１００は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から生成されるか、またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）でコーティングされ、結果として、押出し物１００の表面上に利用可能な酸素（Ｏ）原子１０５を有する。図１Ｂに例示されるように、ヘキサクロロ白金酸１１０の白金（Ｐｔ）原子１１５は、アルミナの表面上に化学的に吸収される。特に、オーブン内などでの乾燥およびか焼は、白金原子１１５が酸素原子１０５と結合することを可能にし、副産物としてＨＣｌ分子が生じる。しかしながら、白金原子１１５は、白金原子１１５が結合された酸素原子１０５に固定されず、図１Ｃ〜図１Ｄに例示されるように、他の利用可能な酸素原子１０５へ向かって動き回ることが可能である。白金原子１１５が動くと、白金原子１１５は、図１Ｅに示されるように、他の白金原子と合体し始め、結果として、より大きい粒子１２０をもたらし、よりエネルギー的に有利な状態となる。白金粒子が大きくなると、そのことが触媒としてふるまう材料の能力に不利に影響することは理解される。古い触媒の変換試験の場合などの高温用途において、白金原子の動きは強められる。必要とされるものは、白金原子の合体を防ぐためのインターフェースおよび方法である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（発明の概要）
一局面において、ナノ活性材料をナノ支持部にピンニングするインターフェースは、ナノ支持部の表面上をナノ活性材料が動くことを制限するように構成される化合物を含む。化合物は、ナノ活性材料とナノ支持部の表面との反応によって形成される。いくつかの実施形態において、ナノ活性材料は白金であり、ナノ支持部はアルミナである。いくつかの実施形態において、ナノ支持部は、部分的に還元されたアルミナ表面を含む。他の実施形態において、化合物は、白金アルミナ金属化合物である。あるいは、化合物は、白金銅金属間化合物である。
【０００５】
別の局面において、ナノ活性材料をナノ支持部に付着させるピンニング方法は、高温凝縮技術を用いる。高温凝縮技術は、ｅＢｅａｍ、マイクロ波、ＲＦまたはＤＣプラズマである。ナノ活性材料およびナノ支持部は、集められる。いくつかの実施形態において、ある量の触媒材料と、ある量のキャリア材料とを含む出発材料は、チャンバに装填される。この量の触媒材料およびこの量のキャリア材料は蒸発させられて、ナノ活性材料と、ナノ支持部とを生成する。いくつかの実施形態において、作動気体はチャンバの中に供給され、エネルギーは作動気体に送達されて、高度な反応性およびエネルギー値の高い混合物を形成し、その結果、この量の触媒材料およびこの量のキャリア材料は蒸発させられる。いくつかの実施形態において、ある量の銅もまた、チャンバの中に装填され、蒸発させられる。
【０００６】
ナノ支持部上の表面上の金属特性は、次いで増加させられる。各ナノ活性材料とナノ支持部との間のインターフェースが形成される。インターフェースは、ナノ支持部の表面上をナノ活性材料が動くことを制限するように構成される。いくつかの実施形態において、複数のナノ活性材料の各々は、白金である。いくつかの実施形態において、複数のナノ支持部の各々は、アルミナである。いくつかの実施形態において、複数のナノ支持部の各々は、部分的に還元のアルミナ表面を含む。他の実施形態において、インターフェースは、白金アルミナ金属化合物または白金銅金属間化合物を含む。
【０００７】
さらに別の局面において、ナノ活性材料をナノ支持部に付着させる方法は、ナノ活性材料とナノ支持部材料との間に層を形成するために高温凝縮技術を用いる。高温凝縮技術は、ｅＢｅａｍ、マイクロ波、ＲＦまたはＤＣプラズマである。いくつかの実施形態において、触媒材料とキャリア材料とを含む出発材料は、チャンバの中に装填され、蒸発させられて、ナノ活性材料とナノ支持部とを生成する。他の実施形態において、銅もまた、チャンバの中に装填され、蒸発させられる。典型的には、ナノ活性材料とナノ支持部材料との間の層は、ナノ支持部の表面上をナノ活性材料が動くことを制限するように構成される。いくつかの実施形態において、層は、白金アルミナ金属化合物を含む。あるいは、層は、白金銅金属間化合物を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａ〜図１Ｅは、先行技術における湿式触媒およびその特性を例示する。
【図１Ｂ】図１Ａ〜図１Ｅは、先行技術における湿式触媒およびその特性を例示する。
【図１Ｃ】図１Ａ〜図１Ｅは、先行技術における湿式触媒およびその特性を例示する。
【図１Ｄ】図１Ａ〜図１Ｅは、先行技術における湿式触媒およびその特性を例示する。
【図１Ｅ】図１Ａ〜図１Ｅは、先行技術における湿式触媒およびその特性を例示する。
【図２】図２は、本発明にしたがって、ナノ活性材料をナノ支持部にピンニングし、付着させるプロセス２００を例示する。
【図３Ａ】図３Ａ〜図３Ｂは、本発明にしたがうナノ粒子を例示する。
【図３Ｂ】図３Ａ〜図３Ｂは、本発明にしたがうナノ粒子を例示する。
【図４】図４は、プラズマ触媒内の銅と白金との比率に対する、新しいプラズマ触媒の活性と古いプラズマ触媒の活性との差のグラフを例示する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（発明の詳細の説明）
ここで、添付の図面に例示されるような本発明の実装に対する参照が詳細になされる。図面は、同一縮尺ではない場合がある。同じ参照指示子は、同一または類似の要素を参照するために図面および以下の詳細な説明の全体を通して用いられる。明快さのために、本明細書において説明される実装のありふれた特徴のすべてが示され、説明されるわけではない。任意のそのような実際の実装の開発において、用途、安全規則および事業関連制約への準拠など開発者の特有の目標を達成するために多くの実装特有の決定がなされなければならないこと、ならびにこれらの特有の目標が実装および開発者によりさまざまに変化することは、もちろん理解される。さらに、そのような開発努力は、本開示の利益を有する当業者にとって工学的な日常の仕事であることが理解される。
【００１０】
本発明の以下の説明は、さまざまな実施形態を含む可能にする教示として提供される。化学および物理を含むがこれらの分野に限定されない当業者は、本発明の利益ある結果をなおも得ながら、説明される実施形態に対して多くの変更がなされ得ることを認識する。本発明の所望の利益のいくつかは本発明の特徴のいくつかを選択することによって他の特徴を利用することなく得られ得ることも明らかである。したがって、当業者は、実施形態に対して多くの修正および改変が、可能であり、特定の状況において望ましくさえあり得、本発明の一部であることを認識する。したがって、以下の説明は、本発明の原理を例示するものとして提供され、本発明を限定するものではない。なぜなら、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義されるからである。
【００１１】
本発明の実施形態は、高温凝縮技術を用いてナノ活性材料をナノ支持部にピンニングし、付着させることに関する。いくつかの実施形態において、高温凝縮技術はプラズマである。高温凝縮技術は、ｅＢｅａｍ、マイクロ波、ＲＦもしくはＤＣプラズマであり得るか、または任意の他の高温凝縮技術が可能である。下記に説明される方法を用いることによって形成されるプラズマ触媒は、ナノ活性材料と支持部との間のインターフェースを有利に有する。より詳細に下記に説明されるように、インターフェースは、支持部の表面上をあちこち動くナノ活性材料の能力を劇的に減少させ、それによって、ナノ活性材料の集塊を防ぐか、または少なくともナノ活性材料の集塊を最小限にする。
【００１２】
図２は、本発明の一実施形態にしたがって、ナノ活性材料をナノ支持部にピンニングし、付着させるプロセス２００を例示する。ステップ２１０において、出発材料は、プラズマ銃の中に導入される。典型的には、ある量の触媒材料２１２が、プラズマ銃２１５の中に装填される。好ましくは、触媒材料２１２は、白金（Ｐｔ）を含み、白金（Ｐｔ）は、優れた触媒特性を有する。ある量のキャリア材料２１４もまた、プラズマ銃２１５の中に装填される。いくつかの実施形態において、キャリア材料２１４は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの酸化物である。他の有用な酸化物は、当業者に明らかである。いくつかの実施形態において、触媒材料２１２およびキャリア材料２１４は、ホッパー（図示されていない）の中に手で装填され、ホッパーは、材料をプラズマ銃２１５の中に自動的に装填する。あるいは、自動化システムは、触媒材料２１２およびキャリア材料２１４をプラズマ銃２１５の中に装填することが可能である。いくつかの実施形態において、出発材料は、それらがプラズマ銃２１５の中に装填される場合、粉末の形態である。あるいは、出発材料が他の形態（例えば、ワイヤ、液体および気体）でプラズマ銃２１５の中に装填されることが企図される。触媒材料２１２のキャリア材料２１４との比率が所与の用途の特定の要求を満たすために調整され得ることは当業者に理解されるべきである。典型的にはキャリア材料２１４の量は、触媒材料２１２の量よりはるかに多い。
【００１３】
次にステップ２２０において、プラズマ銃２１５は、キャリア物資２１４と共に触媒材料２１２を蒸発させて、蒸気雲２２５を形成する。いくつかの実施形態において、作動気体が、プラズマ銃の中に導入され、一方、エネルギーが、作動気体に供給されて、プラズマを生成する。ＤＣ結合、容量結合、誘導結合、および共振結合を含むがこれらに限定されないさまざまな異なる手段が、このエネルギーを送達するために用いられ得る。プラズマ銃２１５内におけるプラズマと材料との組み合わせは、高度な反応性およびエネルギー値の高い混合物を形成し、材料は蒸発させられ得る。蒸気雲２２５は、ステップ２１０においてプラズマ銃２１５の中に装填された比率で、蒸発触媒物資と蒸発キャリア材料との両方を含む。
【００１４】
なおも図２を参照すると、結果として生じる蒸気雲２２５は、次いで急冷ステップ２３０に通される。好ましくは、急冷ステップは、非常に擾乱している急冷チャンバにおいて行われ、蒸気２２５の沈殿ナノ粒子３００への急速で均一で安定した急冷を容易にする。触媒材料２１２およびキャリア材料２１４が冷えると、触媒材料およびキャリア材料は、ナノ粒子３００に凝固する。結果として生じるナノ粒子３００の一例が図３Ａに示される。示されるように、ナノ粒子３００は、ナノ活性材料３２０と、ナノ支持部３１０とを含む。いくつかの実施形態において、ナノ活性材料３２０は、気体の白金原子であり、ナノ支持部３１０は、アルミニウム（Ａｌ）＋酸素（Ｏ）などのある形態のアルミナである。
【００１５】
具体的には、蒸発および急冷は、アルゴンＨ２からのプラズマを用いた還元状態において行われる。蒸気２２５が急冷すると、急冷中、触媒材料２１２は、冷え始め、ナノ活性材料３２０を形成する。一方では、キャリア材料２１４は、部分的に還元されたアルミナ表面を有するナノ支持部３１０に形成し、結果として、より金属的で酸素の割合が少ない表面をもたらす。表面において、部分的に還元したアルミナはＡｌ２Ｏ３−ｘのアルミナあり、ｘは０〜３の範囲の整数である。
【００１６】
概してナノ活性材料３２０とナノ支持部３１０の比率は、図２のステップ２１０における触媒材料２１２の出発量とキャリア材料２１４の比率によって決定される。そのようなものとして、ナノ活性材料３２０より多くナノ支持部３１０がある。ナノ活性材料３２０は、他のナノ活性材料３２０と衝突することが可能であるが、ナノ支持部３１０が他のナノ支持部３１０と衝突する機会がより多い。次に最も起りそうな発生は、ナノ支持部３１０と衝突するナノ活性材料３２０であり、結果として、ナノ粒子３００をもたらす。
【００１７】
図３Ｂは、ナノ粒子３００の断面図を例示する。ナノ支持部３１０の表面は部分的に還元されたアルミナであるので、ナノ活性材料３２０は、アルミニウム金属と反応する（アルミニウム酸化物との反応よりも多く反応する）。そのようなものとして、ナノ活性材料３２０がナノ支持部３１０の表面３１５に付着した場合、インターフェース３２５は、ナノ活性材料３２０と部分的に還元されたアルミナとの反応によって形成される。いくつかの実施形態において、インターフェース３２５は、それによって、白金アルミナ金属化合物（ＰｌａＡｌｂ）を含む。白金アルミナ金属化合物は、ナノ支持部３１０の表面３１５上をナノ活性材料３２０があちこち動く能力を劇的に変化させる。その結果、ナノ活性材料３２０は、ナノ支持部３１０に強く付着し、ナノ支持部３１０の表面におけるナノ活性材料３２０の動きおよび合体／集塊を防ぐ。本発明のプラズマ触媒と対照的に、湿式化学を用いて形成される湿式触媒のナノ活性材料は、自由に動き、集塊状になる。上記に考察されたように、動きおよび合体／集塊を防ぐことは、古い触媒の変換試験の場合などの高温用途において大きな利益がある。
【００１８】
湿式触媒を形成するために湿式化学を用いる場合、温度が８００℃に上昇させられる古い触媒の変換試験の場合などの高温用途において問題が発生する。湿式触媒における白金集塊の程度は、新しい触媒の変換試験の白金集塊の程度と比較して強められ、経年触媒変換試験における集塊と新しい触媒の変換試験における集塊との差は、プラズマ触媒においてはるかに低い。このことは、試験が還元状態および酸化状態の両方において行われた場合、事実である。８００°に上昇させられた古いプラズマ触媒の集塊の量の増加は、わずか２０°〜５０℃に上昇させられた湿式触媒の量と同等である。
【００１９】
いくつかの実施形態において、プラズマ触媒の有効性および活性は、他の出発材料２１２、２１４と共にプラズマ銃２１５に、ある量の銅（Ｃｕ）を追加することによってさらに改善される。図４は、プラズマ触媒内の銅と白金との比率に対する、新しいプラズマ触媒の活性と古いプラズマ触媒の活性との差のグラフを例示する。プラズマ触媒において典型的には０．４である特定の銅と白金との比率において、集塊の増加はさらに低く、典型的には湿式触媒におけるわずか１℃〜５℃の上昇と同等である。銅が追加された場合、ナノ活性材料３２０とナノ支持部３１０の表面３１５との間のインターフェースは、白金銅金属間化合物（ＩＭＣ）を含み、白金銅金属間化合物（ＩＭＣ）は、その結果、アルミナ金属化合物を含むインターフェースより良い結合を提供する。なぜなら、利用可能な酸素原子に移動する白金原子の傾向は、さらに減少させられるからである。
【００２０】
本発明は、本発明の構造および動作の原理の理解を容易にするために詳細を組み込む特定の実施形態の点から説明された。本明細書における特定の実施形態およびその詳細をそのように参照することは、本明細書に添付された特許請求の範囲を限定することを意図しない。当業者は、ナノ活性材料をピンニングし、付着させる様々な改変および修正を理解する。その結果、特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲と矛盾しないように広く解釈されるべきであり、特許請求の範囲の厳密な文字通りの意味に限定されるべきではない。
【図１Ａ】
2013513484.tif 000003
【図１Ｂ】
2013513484.tif 000004
【図１Ｃ】
2013513484.tif 000005
【図１Ｄ】
2013513484.tif 000006
【図１Ｅ】
2013513484.tif 000007
【図２】
2013513484.tif 000008
【図３Ａ】
2013513484.tif 000009
【図３Ｂ】
2013513484.tif 000010
【図４】
2013513484.tif 000011
【国際調査報告】
2013513484.tif 000012