СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КАТАЛИЗАТОРА С ИНГИБИРОВАННОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ НАНОАКТИВНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF FORMING CATALYST WITH INHIBITED MOBILITY OF NANO-ACTIVE MATERIAL

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Эта заявка притязает на приоритет заявки US N61/284329, поданной 15 декабря 2009 под названием "ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ", которая полностью включена в настоящее описание ссылкой, как если бы была изложена в заявке.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области катализаторов. В частности, настоящее изобретение относится к способу формирования катализаторов, в которых ингибирована подвижность активных каталитических частиц.
Известный уровень техники
Катализаторы используют для облегчения протекания реакции и ее ускорения. В некоторых применениях желательно использовать мелкоразмерный материал катализатора, например, каталитические наноразмерные частицы. Кроме того, также часто желательно использовать структуры подложки для создания субструктуры, на которой остаются каталитические частицы.
На фиг.1А, катализатор 100 содержит большое количество частиц 110a-d подложки, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одну соответствующую каталитическую частицу 120a-d. Хотя фиг.1А-С представляют только четыре частицы 110 подложки, предполагается, что катализатор 100 может содержать любое число частиц ПО подложки. Каталитические частицы 120a-d могут быть химически адсорбированы или связаны на поверхности частиц 110a-d подложки. Тем не менее, каталитические частицы 120a-d не являются постоянно фиксированными связывающими их частицами ПО a-d подложки. Наоборот, они могут перемещаться от одной частицы ПО подложки к другой. Например, на фиг.1А-В представлены каталитические частицы 120b и 120с, перемещающиеся от своих частиц 110b и 110с подложки к соседним частицам 110а и 110d подложки соответственно, так что каталитические частицы 120а и 120b расположены на частицах подложки 110а и каталитические частицы 120с и 120d расположены на частицах подложки 110d. В высокотемпературных применениях перемещение этих каталитических частиц усиливается. Как видно на фиг.1С, при перемещении каталитических частиц 120b и 120с на соседние частицы 110а и 110d подложки они начинают объединяться с другими каталитическими частицами 120а и 120d на этих соседних частицах подложки, что приводит к более крупным каталитическим частицам и 120ab 120cd. Понятно, что эффективность и активность катализатора прямо пропорциональна размеру каталитических частиц на поверхности частиц подложки. При объединении каталитических частиц в более крупные агрегаты, размер каталитических частиц увеличивается, площадь поверхности каталитических частиц уменьшается, и эффективность катализатора ухудшается.
Сущность изобретения
Изобретение ингибирует это перемещение каталитических частиц и снижает их объединение, минимизируя тем самым их индивидуальные размеры и делая максимальной общую площадь поверхности. Изобретение позволяет достичь этих результатов путем создания одной или нескольких частиц, ингибирующих мобильность между частицами подложки в целях предотвращения перемещения каталитических частиц от одной частицы подложки к другой.
В одном аспекте настоящее изобретение предлагает способ формирования катализатора. Способ включает создание большого числа частиц подложки и большого числа частиц, ингибирующих мобильность. Каждая частица из большого числа частиц подложки связана со своей каталитической частицей. Большое число частиц, ингибирующих мобильность, в свою очередь связаны с большим числом частиц подложки. Каждая частица подложки отделена от всех других частиц из большого числа частиц подложки, по меньшей мере, одной из частиц подложки. Частицы, ингибирующие мобильность, созданы для предотвращения перемещения каталитических частиц от одной частицы подложки к другой частице частиц подложки.
В другом аспекте изобретения предложен способ формирования катализатора. Способ включает создание большого числа частиц подложки и большого числа частиц, ингибирующих мобильность. Каждая частица из большого числа частиц подложки связана со своей каталитической частицей. Большое число частиц подложки диспергировано в жидкости, образуя тем самым дисперсию частиц подложки. Большое число частиц, ингибирующих мобильность, диспергировано в жидкости, образуя тем самым дисперсию частиц, ингибирующих мобильность. Дисперсию частиц подложки смешивают с дисперсией частиц, ингибирующих мобильность, образуя тем самым влажную смесь. Влажную смесь высушивают сублимационной сушкой, образуя таким образом сухую смесь. Затем сухую смесь прокаливают, формируя таким образом кластер из большого числа частиц подложки и большого числа частиц, ингибирующих мобильность. Каждая частица подложки отделена от всех других частиц из большого числа частиц подложки, по меньшей мере, одной из частиц, ингибирующих мобильность. Частицы, ингибирующие мобильность, созданы для предотвращения перемещения каталитических частиц от одной частицы подложки к другой частице подложки.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предложен катализатор. Катализатор включает большое число частиц подложки. Каждая частица из большого числа частиц подложки связана со своей каталитической частицей. Катализатор также включает большое число частиц, ингибирующих мобильность, связанных с большим числом частиц подложки. Каждая частица подложки отделена от всех других частиц из большого числа частиц подложки, по меньшей мере, одной из частиц, ингибирующих мобильность. Частицы, ингибирующих мобильность, созданы для предотвращения перемещения каталитических частиц от одной частицы подложки к другой частице подложки.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А-С иллюстрируют одно осуществление катализатора чувствительного к перемещению и объединению его каталитических частиц.
Фиг.2 представляет блок-схему, иллюстрирующую одно осуществление способа формирования катализатора в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг.3 представлено одно осуществление системы приготовления частиц в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг.4 представлено другое осуществление системы приготовления частиц в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг.5А иллюстрирует одно осуществление большого числа частиц подложки со связанными с ними каталитическими частицами в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг.5В иллюстрирует одно осуществление из большого числа частиц, ингибирующих мобильность, в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг.6А иллюстрирует одно осуществление дисперсии частиц подложки со связанными с ними каталитическими частицами в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг.6В иллюстрирует одно осуществление дисперсии частиц, ингибирующих мобильность, в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг.7 иллюстрирует одно осуществление смеси дисперсии частиц подложки/каталитических частиц на фиг.6А и дисперсии частиц, ингибирующих мобильность, фиг.6В в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг.8 иллюстрирует одно осуществление кластера частиц, ингибирующих мобильность, связанных с частицами подложки/каталитическими частицами в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Последующее описание представлено для обеспечения возможности специалистам в данной области техники осуществить и использовать изобретение и создано в соответствии с требованиями к изобретению. Различные модификации описанных осуществлений будут очевидны специалистам в данной области техники, и основные принципы могут быть применены в других осуществлениях. Таким образом, настоящее изобретение не направлено на ограничение его представленными осуществлениями, а должно соответствовать наиболее широкому объему притязаний на основе принципов и признаков, описанных в изобретении.
Изобретение относится и к частицам, и к порошкам. Эти два термина являются эквивалентными за исключением оговорки, что единственное число "порошок" относится к большому числу частиц. Настоящее изобретение может использовать широкий круг порошков и частиц. Порошки, которые соответствуют объему притязаний настоящего изобретения, могут включать, но не ограничены следующими: (а) наноструктурированные порошки (нанопорошки) со средним размером зерна менее 250 нанометров и аспектным соотношением между единицей и одним миллионом; (b) субмикронные порошки со средним размером зерна менее 1 микрона и аспектным соотношением между единицей и одним миллионом; (с) ультратонкие порошки со средним размером зерна менее 100 микрона и аспектным соотношением между единицей и одним миллионом; и (d) тонкие порошки со средним размером зерна менее 500 микрон и аспектным соотношением между единицей и одним миллионом.
Фиг.2 является блок-схемой, иллюстрирующей одно осуществление способа 200 формирования катализатора в соответствии с принципами настоящего изобретения.
На стадии 210 получают большое число частиц подложки и частиц, ингибирующих мобильность. Предпочтительно каждая частица подложки связана со своей каталитической частицей (например, отношение частиц подложки и каталитических частиц один к одному). Тем не менее, предполагают, что некоторая часть частиц подложки может быть свободна от любых каталитических частиц. Термин "частицы подложки/каталитические частицы" используется в данном описании для обозначения частиц подложки и каталитических частиц, связанных с ней. Частицы, ингибирующие мобильность, созданы для предотвращения перемещения каталитических частиц от одной частицы подложки к другой частице подложки. В предпочтительном осуществлении, частицы, ингибирующие мобильность, содержат один или несколько материалов с низкой склонностью каталитических частиц перемещаться на них или с ними, снижая тем самым подвижность каталитических частиц.
В предпочтительном осуществлении состав частиц подложки является некаталитическим в отличие от каталитических частиц. В связи с этим, частицы подложки в идеале имеют химический состав отличный от каталитических частиц. Аналогично, частицы, ингибирующие мобильность, предпочтительно имеют некаталитический химический состав, который отличается от состава частиц подложки и каталитических частиц. Однако предполагают, что химический состав частиц может варьироваться от осуществления к осуществлению. В примерном осуществлении, частицы подложки содержат или состоят из оксида алюминия и каталитические частицы содержат или состоят из металла платиновой группы, такого как платина, рутений, родий, палладий, осмий или иридий. В некоторых осуществлениях частицы, ингибирующие мобильность, содержат или состоят из оксидов металлов (желательно, оксида переходного металла), включающих, но не ограниченных оксидом церия, оксидом лантана и оксидом титана. В других осуществлениях частицы, ингибирующие мобильность, содержат или состоят из стекла или керамики, включающих, но не ограниченных нитридом бора, карбидом титана и диборидом титана. Предпочтительно частицы, ингибирующие мобильность, не содержат драгоценных металлов.
В предпочтительном осуществлении частицы подложки, частицы катализатора, и частицы, ингибирующие мобильность, являются наночастицами. Предпочтительно, частицы подложки и частицы, ингибирующие мобильность, имеют максимальный диаметр 500 нанометров и минимальный диаметр 1-5 нанометров, в то время как диаметр частиц катализатора составляет 0,5-5 нанометров. В некоторых осуществлениях, диаметр частиц подложки и частиц, ингибирующих мобильность, составляет 10-15 нанометров и диаметр частиц катализатора составляет 2-5 нанометров. Однако предполагают, что могут быть использованы частицы других размеров.
Предусматривается, что наноразмерная структура частиц может быть достигнута различными способами. В предпочтительном осуществлении, частицы подложки и каталитические частицы испаряются в самой горячей области плазменной пушки. Испаренные частицы затем подвергаются быстрому охлаждению, вызывающему их конденсацию. В результате этого испарения и конденсации формируются наноразмерные частицы подложки со связанными с ними наноразмерными каталитическими частицами.
Примеры систем получения частиц, использующих плазменные реакторы для приготовления наноразмерных частиц, описаны в US 12/151935, поданной 8 мая 2008 года под названием "ВЫСОКО ТУРБУЛЕНТНАЯ КАМЕРА БЫСТРОГО ОХЛАЖДЕНИЯ", которая полностью включена в описание ссылкой, как если бы она была изложена в настоящем документе. Одна из таких систем 300 получения частиц представлена на фиг.3. Система 300 содержит устройство 310 подачи предшественника и устройство 320 подачи рабочего газа и соединена по текучей среде с камерой 330 плазматрона с зоной 335 подвода энергии, сформированной в ней. Камера 330 плазматрона соединена жидкостной связью с вводом 340 сужающейся камеры 345 быстрого охлаждения, обеспечивая тем самым жидкостную связь зоны 335 подвода энергии с камерой 345 быстрого охлаждения. Одно или несколько отверстий 390 обеспечивают жидкостную связь камеры 345 быстрого охлаждения с системой 370 контролируемой атмосферы (обозначены пунктирными линиями). Камера 345 быстрого охлаждения также связана жидкостной связью с отверстием 365 вывода.
Как правило, камера 330 плазматрона работает как реактор, дающий на выходе газовый поток, содержащий частицы. Получение частиц включает стадии объединения, реакции и кондиционирования. Рабочий газ подается из источника газа в плазменный реактор. В плазменном реакторе энергию подводят к рабочему газу, создавая тем самым плазму. Различные средства могут быть использованы для подвода этой энергии, в том числе, но без ограничения связью по постоянному току, емкостной, индуктивной и резонансной связью. Одно или несколько устройств подачи материала вводят, по меньшей мере, один материал, предпочтительно в виде порошка, в плазменный реактор. Объединение в плазменном реакторе плазмы и материалов, введенных устройством(вами) подачи материала образует высокореакционноспособную и активную смесь, в которой порошок может быть испарен. Эта смесь испаренного порошка движется через плазменный реактор в направлении потока рабочего газа. При движении смесь охлаждается и в ней образуются частицы. Все еще активная выходящая смесь, включающая горячий газ и активные частицы, выводится из плазменного реактора.
В примере осуществления камера 330 плазматрона объединяет предшественник материала (предпочтительно в виде порошка), подаваемый устройством 310 подачи предшественника и рабочий газ, подаваемый устройством 320 подачи рабочего газа в зоне 335 подвода энергии, где рабочий газ возбуждается для формирования плазмы. Плазма воздействует на материал предшественника в зоне 335 подвода энергии для формирования активной, реакционноспособной смеси. Эта смесь состоит из одного или нескольких материалов, по меньшей мере, в одной из нескольких фазах, которые могут включать пар, газ и плазму.
Реакционноспособная смесь поступает из зоны 335 подвода энергии в сужающуюся камеру 345 быстрого охлаждения через ввод 340. При движении из зоны 335 подвода энергии горячая смесь быстро расширяется в камере 345 быстрого охлаждения и охлаждается. Пока смесь поступает в камеру 345 быстрого охлаждения, вводы 390 подают кондиционирующую жидкость по внутренней поверхности камеры 345 быстрого охлаждения. Кондиционирующая жидкость объединяется, по меньшей мере, до некоторой степени со смесью и поступает из камеры 345 быстрого охлаждения через выходное отверстие 365.
За период, проходящий сразу после входа в камеру быстрого охлаждения 345, происходит формирование частиц. Кроме того, подача кондиционирующей жидкости по внутренней поверхности камеры 345 быстрого охлаждения служит для подготовки реакционной смеси, для обеспечения захвата ею частиц и для предотвращения осаждения материала на внутренней поверхности камеры 345 быстрого охлаждения.
Как видно из фиг.3, структура камеры 345 быстрого охлаждения может быть сформирована сравнительно тонкостенными компонентами, способными существенно рассеивать тепло. Например, тонкостенные компоненты могут проводить тепло внутри камеры и излучать тепло в окружающую среду. Камера 345 быстрого охлаждения включает по существу цилиндрическую поверхность 350, коническую (в виде усеченного конуса) поверхность 355 и кольцевую поверхность 360, соединение ввода 340 с цилиндрической поверхностью 350. Цилиндрическая поверхность 350 с большим диаметром по сравнению с размером ввода 340 обеспечивает расширение реакционной смеси, которое происходит после того, как смесь поступает в камеру 345 быстрого охлаждения. Конусообразная поверхность 355 проходит от цилиндрической поверхности 350, от ввода 340 и к выводу 365. Конусообразная поверхность 355 достаточно плавно меняется таким образом, чтобы не слишком сжимать флюид, проходящий через камеру 345 быстрого охлаждения до вывода 365.
Из смеси после ее поступления в камеру 345 быстрого охлаждения выделяется существенное количество тепла, в основном в виде излучения. Камера 345 быстрого охлаждения предназначена предпочтительно для эффективного отвода этого тепла. Например, на поверхность камеры 345 быстрого охлаждения предпочтительно действует охлаждающее устройство (не показано).
Как видно из фиг.3, система 370 обеспечения контролируемой атмосферы предпочтительно включает камеру 385, в которую вводят кондиционирующую жидкость из резервуара 375 по трубопроводу 380. Кондиционирующая жидкость предпочтительно содержит аргон. Однако другие инертные, относительно тяжелые газы также предпочтительны. Кроме того, предпочтительным механизмом введения кондиционирующей жидкости в камеру 345 быстрого охлаждения является формирование перепада давления между камерой 345 быстрого охлаждения и выводом 365. Такой перепад давления будет всасывать кондиционирующую жидкость в камеру 345 быстрого охлаждения через ввод 390. Другие, менее предпочтительные способы создания кондиционирующей жидкости включают, но не ограничены формированием положительного давления в камере 385.
Усеченно-коническая форма камеры 345 быстрого охлаждения может обеспечить умеренную турбулентность в области быстрого охлаждения, что способствует перемешиванию кондиционирующей жидкости с реакционной смесью и увеличению скорости быстрого охлаждения по сравнению с системами известного уровня техники. Однако в некоторых ситуациях может быть желательным даже большее увеличение скорости быстрого охлаждения. Такое увеличение скорости быстрого охлаждения может быть достигнуто путем создания высоко-турбулентного потока в области камеры быстрого охлаждения, где кондиционирующая жидкость смешивается с реакционной смесью.
Фиг.4 представляет систему 400 получения частиц в высоко-турбулентной камере 445 быстрого охлаждения. Система 400 включает устройство 410 подачи предшественника, устройство 420 подачи рабочего газа соединено жидкостной связью с камерой плазматрона и реакционной камерой 430, подобно плазменной камере 330, обсужденной выше со ссылкой на фиг.3. Система 425 подвода энергии также связана с камерой плазматрона и реакционной камерой 430. Камера плазматрона и реакционная камера 430 включает ввод 440, который соединен жидкостной связью с сужающейся камерой 445 быстрого охлаждения. Один или несколько вводов 490 также могут обеспечить жидкостную связь между камерой 445 быстрого охлаждения и системой 470 контролируемой атмосферы, подобной системе 370 контролируемой атмосферы на фиг.3. Камера 445 быстрого охлаждения также соединена жидкостной связью с выводом 465.
В целом, камера 430 работает как реактор, аналогично камере 330 фиг.3, дающий на выходе газовый поток, содержащий частицы. Получение включает основные стадии объединения, реакции и кондиционирования, как описано ниже в настоящем документе. Система объединяет материал предшественника, подаваемый устройством 410 подачи предшественника и рабочего газа, подаваемого устройством 420 подачи рабочего газа в зоне подвода энергии в камере 430. Система возбуждает рабочий газ в камере 430 с использованием энергии системы 490 подвода энергии, формируя таким образом плазму. Плазма воздействует на материал предшественника в камере 430 для формирования активной реакционноспособной смеси. Эта смесь включает один или несколько материалов, по меньшей мере, в форме одной из нескольких фаз, которые могут включать пар, газ и плазму. Реакционноспособная смесь поступает из камеры плазматрона и реакционной камеры 430 в камеру 445 быстрого охлаждения по вводу 440.
1
2
Камера 445 быстрого охлаждения предпочтительно включает по существу цилиндрическую поверхность 450, усеченно-коническую поверхность 455 и кольцевую поверхность 460, соединяющую ввод 440 с цилиндрической поверхностью 450. Усеченно-коническая поверхность 460 сужается до вывода 465. Камера плазматрона и реакционная камера 430 включает расширенную часть на конце которой расположен ввод 440. Эта расширенная часть сокращает расстояние между вводом 440 и выводом 465, сокращая объем области, в которой реакционноспособная смесь и кондиционирующая жидкость будут смешиваться, называемый областью быстрого охлаждения. В предпочтительном осуществлении ввод 440 расположен соосно с выводом 465. Центр ввода расположен на первом расстоянии d от вывода 465. Периметр ввода расположен на втором расстоянии d от части усечено-конической поверхности 455. Заливное отверстие 440 и усеченно-коническая поверхность 455 образуют между собой вышеуказанную область быстрого охлаждения. Пространство между периметром ввода 440 и усеченно-конической поверхностью 455 образует промежуток, который действует в качестве канала для подачи кондиционирующей жидкости в область быстрого охлаждения. Усеченно-коническая поверхности 455 действует как поверхность воронки, направляя жидкость через промежуток и в область охлаждения.
В то время как реактивная смесь поступает в камеру 445 быстрого охлаждения, вводы 490 подают кондиционирующую жидкость в камеру 445 быстрого охлаждения. Кондиционирующая жидкость затем движется по усеченно-конической поверхности 455, через промежуток между вводом 440 и усеченно-конической поверхностью 455 и в область охлаждения. В некоторых осуществлениях система 470 контролируемой атмосферы создана для регулирования объемного расхода или массового расхода кондиционирующей жидкости, подаваемой в область охлаждения.
При выходе из ввода 440 реакционная смесь расширяется и смешивается с кондиционирования жидкостью. Предпочтительно угол, под которым подают кондиционирующую жидкость, обеспечивает высокую степень турбулентности и способствует смешиванию с реакционной смесью. Эта турбулентность может зависеть от многих параметров. В предпочтительном осуществлении, один или несколько из этих параметров можно регулировать, чтобы контролировать уровень турбулентности. Эти факторы включают расход кондиционирующей жидкости, температуру усеченно конической поверхности 455, угол усеченно-конической поверхности 455 (который влияет на угол, под которым кондиционирующую жидкость подают в область охлаждения) и размер области охлаждения. Например, взаимное расположение усечено-конической поверхности 455 и ввода 440 является регулируемым, что может быть использовано для регулировки объема области охлаждения. Эта регулировка может быть сделана различными способами с помощью различных механизмов, включая, но без ограничения автоматизированные средства и ручные средства.
Во время короткого периода времени сразу после входа в камеру 445 быстрого охлаждения происходит образование частиц. Степень агломерации частиц зависит от скорости охлаждения. Скорость охлаждения зависит от турбулентности потока в области охлаждения. Предпочтительно систему регулируют для формирования высокотурбулентного потока и образования высокодисперсных частиц. Например, в предпочтительном осуществлении плотность потока в области охлаждения такова, что число Рейнольдса потока составляет, по меньшей мере, 1000.
Как видно из фиг.4, структура камера 445 быстрого охлаждения предпочтительно сформирована сравнительно тонкостенными компонентами, способными существенно рассеивать тепло. Например, тонкостенные компоненты могут проводить тепло внутри камеры и излучать тепло в окружающую среду.
Из реакционноспособной смеси после ее поступления в камеру быстрого охлаждения 445 выделяется существенное количество тепла, в основном в виде излучения. Камера 445 быстрого охлаждения предназначена предпочтительно для эффективного отвода этого тепла. На поверхности камеры 445 быстрого охлаждения предпочтительно действует охлаждающее устройство (не показано). В предпочтительном осуществлении система охлаждения создана для контроля температуры усеченно-конической поверхности 455.
После ввода в область охлаждения, кондиционирования и формирования частиц, смесь выходит из камеры 445 охлаждения через вывод 465. Всасывание, создаваемое генератором 495, перемещает смесь и кондиционирующую жидкость из области охлаждения в трубопровод 492. Из вывода 465 смесь поступает по трубопроводу 492 к генератору 495 всасывания. Частицы предпочтительно удаляют из смеси системой сбора и отбора проб (не показана) до столкновения с генератором 495 всасывания.
Как видно на фиг.4, система 470 создания контролируемой атмосферы включает камеру 485, соединенную жидкостной связью с областью охлаждения через вывод(ы) 490, по которому кондиционирующую жидкость вводят из резервуара, например, резервуара 375 фиг.3 по трубопроводу 480. Как описано выше, кондиционирующая жидкость предпочтительно содержит аргон. Однако другие инертные, относительно тяжелые газы также предпочтительны. Также, как обсуждено выше, предпочтительным механизмом введения кондиционирующей жидкости в камеру 445 быстрого охлаждения является формирование перепада давления между камерой 445 быстрого охлаждения и выводом 465. Такой перепад давления будет всасывать кондиционирующую жидкость в камеру 445 быстрого охлаждения через ввод 490. Другие способы создания кондиционирующей жидкости включают, но не ограничены формированием положительного давления в камере 485.
Угол усеченно-конической поверхности влияет на угол, под которым кондиционированную жидкость подают в область охлаждения, что может повлиять на уровень турбулентности в области охлаждения. Кондиционирующая жидкость предпочтительно попадает в область охлаждения по различным векторам импульсов. Чем больше угол между векторами импульсов, тем выше уровень получаемой турбулентности. В предпочтительном осуществлении, высокотурбулентная камера быстрого охлаждения включает усеченно-коническую поверхность, созданную для направления, по меньшей мере, двух векторов кондиционирующей жидкости в область быстрого охлаждения так, что угол между двумя векторами импульса составляет, по меньшей мере, 90 градусов. Предусматривается также, что может быть использован другой заданный угол. Например, можно обратить внимание на угол, образуемый, по меньшей мере, между одним из векторов импульса кондиционирующей жидкости и вектором импульса реактивной смеси. В одном осуществлении высоко турбулентной камеры быстрого охлаждения, ввод реакционной смеси создан для подачи реакционной смеси в область охлаждения по первому вектору импульса, усеченно-коническая поверхность создана для подачи кондиционирующей жидкости в область охлаждения по второму вектору импульса и угол наклона второго вектора импульса составляет более 20 градусов по отношению к первому вектору импульса.
Размер области охлаждения также влияет на уровень турбулентности в области охлаждения. Чем меньше область охлаждения, тем выше уровень получаемой турбулентности. Размер области охлаждения может быть уменьшен за счет сокращения расстояния между центром ввода 440 и выводом 465.
Высокая турбулентность, получаемая осуществлением изобретения, уменьшает период, в течение которого образующиеся частицы могут агломерироваться друг с другом, формируя тем самым частицы более одинакового размера, а в некоторых случаях, образуя частицы меньшего размера. Оба эти признака приводят к частицам с повышенной дисперсностью и отношением площади поверхности к объему.
Вновь обращаясь к способу 200 на фиг.2, можно видеть, что системы 200 или 300 получения частиц (или их вариации) могут быть использованы для создания одной или нескольких частиц подложки, каталитических частиц и частиц, ингибирующих мобильность, в наноразмерной форме. Например, эти частицы могут быть введены в качестве материала предшественника микронных размеров в систему получения частиц, где они испаряются и затем конденсируются для формирования наноразмерных частиц. В предпочтительном осуществлении частицы подложки/каталитические частицы формируются и получаются отдельно от частиц, ингибирующих мобильность, что позволяет избежать преждевременного взаимодействия (например, связи) между частицами, ингибирующими мобильность, и частицами подложки/каталитическими частицами. Такое разделение может быть достигнуто различными способами, включая, но без ограничения использованием различных систем получения частиц обеих групп, или с помощью той же системы получения частиц обеих групп в различное время.
Фиг.5 иллюстрирует одно осуществление получения большого числа частиц 510 подложки на стадии 210 способа 200. Каждая частица подложки 510 имеет каталитическую частицу 520 связанную с ней (предпочтительно с ее внешней поверхностью). Хотя в некоторых осуществлениях на некоторых частицах 510 подложки, могут отсутствовать каталитические частицы 520. Предполагается, что размер каталитических частиц 520 на частицах 510 подложки может зависеть от изменения количества каталитических материалов, загруженных в систему получения частиц или иного отношения в смеси каталитических частиц к частицам подложки, загруженных в систему получения частиц. Чем больше концентрация каталитических частиц, загруженных в систему получения частиц, тем больше размер каталитических частиц 520, связанных с частицами 510 подложки.
Фиг.5В иллюстрирует одно осуществление большого числа частиц 530, ингибирующих мобильность, полученных на стадии 210 способа 200. Полосы на частицах 530, ингибирующих мобильность, приведены исключительно для того, чтобы помочь отличить частицы 530, ингибирующие мобильность, от частиц 510 подложки.
На стадии 220 способа 200, частицы подложки/каталитические частицы и частицы, ингибирующие мобильность, диспергированы в жидкости. Фиг.6А иллюстрирует одно осуществление дисперсии 625 частиц подложки/каталитических частиц. Крупный план дисперсии 625 представляет частицы подложки/каталитические частицы, разделенные жидкостью 615А и состоящие из частиц 610 подложки со связанными с ними каталитическими частицами 620. Фиг.6В иллюстрирует одно осуществление дисперсии 635 частиц 630, ингибирующих мобильность. Крупный план дисперсии 635 представляет частицы 630, ингибирующие мобильность, разделенные жидкостью 615В. Хотя фиг.6А-В представляют частицы подложки/каталитические частицы и частицы, ингибирующие мобильность, в отдельных дисперсиях 625 и 635, предполагается, что они также могут быть диспергированы в том же контейнере, в то же время, чтобы сформировать одну дисперсию.
Жидкостью дисперсий 615А и 615В может быть любая жидкость, предназначенная для диспергирования частиц подложки/каталитических частиц и частиц, ингибирующих мобильность, соответственно. В предпочтительном осуществлении, жидкости дисперсии включают или состоят из воды и любой органической жидкости, например, эфиров гликоля. В некоторых осуществлениях дисперсии 625 и 635 используют один и тот же тип жидкости дисперсии. В других осуществлениях, дисперсии 625 и 635 используют различные типы жидкостей дисперсии (например, жидкость дисперсии 615А является водой и жидкость дисперсии 615В является этиленгликолем).
В некоторых осуществлениях одно или несколько поверхностно-активных веществ и других диспергирующих средств, таких как катионные, анионные, цвиттерионные и/или неионогенные олигомеры на основе углерода и/или полимеры, могут быть добавлены к жидкости дисперсии. Некоторые поверхностно-активные вещества могут быть добавлены к дисперсии для регулировки ее кислотности и стабилизации. Кислоты могут быть добавлены к дисперсии для подкисления поверхности частиц N-оксида. Поверхностно-активные вещества тщательно подбирают, так чтобы они не были вредными для материала катализатора. В предпочтительных осуществлениях к дисперсии не добавляют сульфаты или фосфаты. Примерами поверхностно-активных веществ, которые могут быть добавлены к жидкости дисперсии, являются карбоновые кислоты, полиамины и простые полиэфиры. Предполагается, что также могут быть использованы другие поверхностно-активные вещества или диспергирующие средства.
Предполагается, что могут быть использованы различные варианты частиц, жидкости дисперсии и концентрации поверхностно-активных веществ. В предпочтительном осуществлении дисперсия включает 5-25 мас.%, концентрацию порошка, это означает, что каждые из частиц подложки/каталитических частиц и частиц, ингибирующих мобильность, составляют около 5-25 мас.% соответствующих дисперсий. В предпочтительном осуществлении дисперсия включает 1-10 мас.% концентрацию поверхностно-активных веществ и других диспергирующих средств. Предпочтительно, поверхностно-активные вещества и другие диспергирующие средства составляют около 5% или менее дисперсии.
На стадии 230 способа 200 диспергированные частицы подложки/каталитические частицы и частицы, ингибирующие мобильность, смешивают для формирования смеси. Если частицы подложки/каталитические частицы и частицы, ингибирующие мобильность, изначально не диспергированы вместе или затем не помещены в один контейнер для формирования единой дисперсии, то их помещают в этот момент в тот же контейнер, где они могут быть смешаны друг с другом. В предпочтительном осуществлении смешивание выполняют с помощью ультразвука, механического перемешивания и/или смешивания с усилием сдвига. Однако предполагается, что могут быть использованы различные другие способы перемешивания для выполнения этого смешивания.
Фиг.7 иллюстрирует одно осуществление смеси 745 дисперсий в одном контейнере. Смесь 745 содержит большое число частиц 710 подложки, каждая из которых имеет каталитическую частицу 720, связанную с ней, и частицы 730, ингибирующие мобильность. Частицы разделены жидкостью 715, которая может содержать любые дисперсионные жидкости и поверхностно-активные вещества (или другие диспергирующие средства), используемые на предыдущих стадиях.
На стадии 240, жидкость дисперсии удаляют из смеси для формирования сухой смеси. Предполагается, что жидкость может быть удалена различными способами. В одном из осуществлений дисперсию частиц сушат сублимационной сушкой. Смесь выливают в соответствующий сосуд для сублимационной сушки. Затем ее замораживают с помощью жидкого азота или иной среды, достаточно холодной, чтобы заморозить дисперсию частиц. В одном из осуществлений, жидкий азот, или другая охлаждающая среда, находится при около -60 градусов по Цельсию. Однако предполагается, что жидкий азот или другая охлаждающая среда, также может быть использована при других температурах. Затем смесь помещают в вакуумную систему, где дисперсия частиц остается замороженной, пока вода или другие диспергирующие жидкости не будут удалены с помощью вакуума. В одном осуществлении используют вакуум около 10 микрон. В других осуществлениях применяют разрежение около 2-5 микрон.
Вакуум удаляет воду и другие жидкости в смеси с более высоким давлением насыщенного пара, чем у воды. Однако в некоторых осуществлениях поверхностно-активное вещество остается с замороженной дисперсией частиц. Удаление воды оставляет пористую структуру порошка частиц подложки/каталитических частиц и частиц, ингибирующих мобильность, с поверхностно-активным веществом, расположенным в порах. Полученный порошок находится в промежуточном состоянии, слабо связанный, но сухой на ощупь, обеспечивая возможность механической обработки.
На стадии 250 сухие смеси прокаливают, выжигая тем самым все поверхностно-активные вещества и формируя кластеры частиц, ингибирующих мобильность, связанные частицами подложки/каталитическими частицами. В некоторых осуществлениях порошок помещают в тигель. Предполагается, что тигель может быть керамическим или из различных других материалов. Тигель помещают в печь обжига, где его нагревают при заданной температуре в течение заданного времени. В некоторых осуществлениях тигель нагревают в печи обжига при около 550 градусов Цельсия в течение около 2 часов. Однако предполагается, что также могут быть использованы другие температура и время нагрева. В некоторых осуществлениях тигель помещают в печь, которая уже была предварительно нагрета до необходимой температуры прокаливания. Результаты испытаний показали, что предварительный подогрев печи до помещения внутрь ее тигля вместо повышения температуры до заданной температуры с тиглем в печи, может сделать максимальной дисперсию частиц металла. Однако предполагается, что в некоторых осуществлениях температура печи может повышаться с тиглем в печи. В некоторых осуществлениях используют скорость нагрева 1-50 градусов для повышения температуры в печи с тиглем в печи. В предпочтительном осуществлении порошок может быть нагрет в печи с воздухом окружающей среды с тиглем внутри. Предполагается, что среда в печи не должна содержать воздух. Однако предпочтительно содержит некоторое количество кислорода.
Прокаливание сухой смеси заменяет Ван-дер-Ваальсовы силы или силы близкого взаимодействия между частицами на фактически ковалентную связь между частицами, что приводит к агломератам, не содержащим поверхностно-активных веществ, частиц подложки/каталитических частиц и частиц, ингибирующих мобильность. Фиг.8 иллюстрирует одно осуществление кластера частиц 830, ингибирующих мобильность, связанных частицами 810 подложки с каталитическими частицами 820, связанными с ними. В некоторых осуществлениях настоящее изобретение дает кластеры в диапазоне 0,5-50 микрон. В некоторых осуществлениях изобретения получают кластеры в диапазоне 5-10 микрон. Однако предполагается, что также могут быть получены кластеры других размеров.
В некоторых осуществлениях процент загрузки порошков (подложка, катализатор и ингибирующие мобильность) регулируют для достижения требуемой концентрации порошка для каждого конкретного типа порошка в получаемом кластере. В некоторых осуществлениях используют 0,01-15% загрузку порошка катализатора. В предпочтительном осуществлении используют 0,5-3% загрузку порошка катализатора. Однако предполагается, что также могут быть использованы другие проценты загрузки.
В предпочтительном осуществлении, частицы подложки, частицы катализатора и частицы, ингибирующие мобильность, в получающихся кластерах являются нано частицами. Предпочтительно максимальный диаметр частиц подложки и частиц, ингибирующих мобильность, составляет 500 нанометров и диаметр не менее 1-5 нанометров, тогда как диаметр частиц катализатора составляют 0,5-5 нанометров. В некоторых осуществлениях диаметр частиц подложки и частиц, ингибирующих мобильность, составляет 5-20 нанометров. В некоторых осуществлениях диаметр частиц подложки и частиц, ингибирующих мобильность, составляет 10-15 нанометров и диаметр частиц катализатора составляет 2-5 нанометров. Однако предполагается, что могут быть использованы другие размеры частиц.
Включение и связывание частиц, ингибирующих мобильность, с частицами и между частиц подложки/каталитическими частицами предотвращает перемещение каталитических частиц от одной частицы подложки к другой, предотвращая тем самым слияние каталитических частиц. В результате размер отдельных каталитических частиц может быть сведен к минимуму и может быть получена максимальной общая площадь поверхности каталитического кластера.
Настоящее изобретение было описано на основе конкретных осуществлений, включающих детали, для облегчения понимания принципов построения и функционирования изобретения. Такие ссылки в заявке на конкретные осуществления и их детали не предназначены для ограничения прилагаемой формулы изобретения. Для специалистов в данной области техники очевидно, что и другие различные модификации могут быть выполнены при осуществлении, не выходя из объема притязаний изобретения, определенных формулой изобретения.