CN101511730B - 制备纳米晶体混合金属氧化物的方法及由该方法获得的纳米晶体混合金属氧化物 - Google Patents

制备纳米晶体混合金属氧化物的方法及由该方法获得的纳米晶体混合金属氧化物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及由至少两种不同的起始化合物制备纳米晶体混合金属氧化物颗粒的方法,所述方法包括下列步骤:a)利用携带流体将所述起始化合物的化学计量混合物导入反应室中,b)在所述反应室中于脉冲条件下在处理区内对所述起始化合物进行脉冲热处理,c)形成纳米晶体混合金属氧化物颗粒,d)从所述反应器移出在步骤b)和c)中得到的所述纳米晶体混合金属氧化物颗粒,所述起始化合物的化学计量混合在大于50℃的温度进行。本发明还涉及可通过本发明的方法获得的、更具体而言是可用作催化剂的纳米晶体混合金属氧化物。

Description

制备纳米晶体混合金属氧化物的方法及由该方法获得的纳米晶体混合金属氧化物
技术领域
本发明涉及用于制备纳米晶体混合金属氧化物的方法、根据本发明的方法制备的纳米晶体混合金属氧化物以及它们作为催化剂的用途,特别是在由一氧化碳和氢制备甲醇的过程中以及氧化一氧化碳的过程中作为催化剂的用途。
背景技术
金属氧化物,尤其是混合金属氧化物比以往任何时候都具有更多的应用领域,尤其是用于陶瓷、聚合物添加剂、填料、颜料、反应性表面和催化剂等中。
另外,例如,具有钙钛矿结构的氧化铜在令人惊讶的高温下显示出相变而成为超导体,并由此成为众多研究的主题。这尤其适用于镧-锶铜酸盐类,如La2-xSrxCuO4或钇-钡铜酸盐,如YBa2Cu3O7-Δ
这些类别的化合物的典型代表例如是所谓的钛酸盐、锆酸盐和铪酸盐,将它们特别分成原钛酸盐M2 IITiO4和偏钛酸盐MIITiO3类。
然而,与磷酸盐或亚硫酸盐类似,这些化合物几乎从来不包含离散离子[TiO4]4-和[TiO3]2-。这些混合金属氧化物的结构由特别引人关注的三维离子排列构成。
如果MII具有与TiIV相当的尺寸,例如在M=Mg、Mn、Fe、Co、Ni的情况中,则存在钛铁矿FeTiO3的结构,其由六边形的极密堆积的氧原子构成,其中八面体空穴的三分之一被MII占据,另外三分之一由TiIV占据。这基本上相当于所谓的Al2O3的基本结构,不同之处在于后一种情况中仅存在一种类型的占八面体空间的三分之二的阳离子。
另一方面,如果MII实质上大于TiIV(例如M=Ca、Sr、Ba),则优选钙钛矿CaTiO3的结构。
钙钛矿可以被看作由立方形的极密堆积的钙和氧原子的球体构成,其中前者规则排列,而钛原子单独占据由氧原子形成的八面体空穴,由此它们可以保持尽可能远离钙原子。钙钛矿晶格因BaII离子的尺寸而变宽,以致钛原子过小而不能填充所有的八面体空穴。铁电特性和压电特性由此产生。钛酸钡由于其高介电常数而在例如制备紧凑型电容器时使用,也可在麦克风和接收器的情况中用于陶瓷换能器。
化合物M2 IITiO4(M=Ng、Zn、Mn、Fe、Co)采用了所谓的MgAl2O4的尖晶石结构。这是第三种重要的结构类型,数种混合金属氧化物优选该结构类型。此处,阳离子在立方形的极密堆积的氧化物离子的球体排列中同时具有八面体和四面体空穴。
这样的混合金属氧化物,尤其是例如钙钛矿,还被用作催化剂,例如在车用催化转化器领域、在制备光催化剂的过程中用作催化剂以及用于制备氧化性催化剂,尤其是用于制备甲醇和氧化一氧化碳。此处,制备过程中煅烧原料的步骤极大地影响最终的催化剂的品质,因此也影响它们可能的催化用途。(参见Zuhlke,Dissertation,TH Karlsruhe 1999)
对于结晶化过程的靶向控制可能受到离析物的组成的影响。此处,一个重要的因素是微晶尺寸,尤其是用于催化时(R.等,Angewandte Chemie 116,1628-1637,2004)。
纳米晶体“粉末”也日益引起关注,尽管制备问题在很大程度上仍然悬而未决。
迄今为止,这样的纳米晶体混合氧化物粉末通常已通过(湿式)化学合成、通过机械方法或者通过所谓的热物理方法而制备。
在钙钛矿的情况中,用迄今已知的常规方法得到的BET表面积约为2m2/g~10m2/g。
典型地,在化学合成纳米晶体粉末的过程中,由所谓的前体化合物开始,所述粉末通过例如利用氢氧化物沉淀的化学反应、通过利用有机金属化合物的水解的合成以及通过热液法来合成。正如已经提及的,纳米晶体的确定结构通常仅在煅烧之后或煅烧过程中得以自我确定。
机械制备方法的特征在于将不均匀的颗粒强力研磨成均匀的颗粒,这往往还会导致不理想的相变,达到颗粒由于施加至所述颗粒的压力而变得无定形的相变点。
典型地,在该方法中形成的颗粒不存在均匀的尺寸分布。此外,由于研磨工具所致还存在磨损的危险,并由此存在产物污染的危险,尤其在催化领域使用由此得到的纳米晶体混合氧化物时这是不利的。
例如在WO 2004/005184中描述了热物理法。这些方法是基于将热能引入固体、液体或气体的初始化合物中。上述国际专利申请特别涉及所谓的等离子体热解喷雾法(PSP),其中在该方法中原料在氢氧焰中雾化并分解。该技术的优选技术应用是制备细晶二氧化硅,其中易于挥发的有机硅化合物在氢氧焰中雾化。
此外,在合成纳米晶体颗粒时,已经使用了所谓的等离子体合成法,其中原料在6000K的热等离子体中蒸发。现有技术的另一惯用方法例如是气态离析物发生反应的CVD法,其中往往还形成具有不同相结构的非氧化粉末或混合氧化物化合物。
上述的现有技术的方法具有特别是与下列方面有关的不利之处:存在非常宽的纳米晶体的粒径分布、纳米晶体颗粒之间的不利凝聚、以及不完整的相变,即,在最终产物中常常仅得到40%~70%的所需的终产物,这就需要其他的纯化步骤或重结晶。
发明内容
因此,本发明的目的是提供用于制备尽可能单模态分布的纳米晶体混合氧化物粉末的其他方法,由此避免上述的现有技术的不利之处,尤其是避免了初始产物的相变和混合相或者不完全反应的发生,获得可调整的纳米晶体颗粒尺寸,而且还提供了具有特定尺寸的内表面和确定的晶体结构的颗粒。
该目的根据本发明由以至少两种不同的起始化合物制备纳米晶体混合金属氧化物的方法实现,所述方法包括下列步骤:
a)利用携带流体将所述起始化合物的化学计量混合物导入反应室中,
b)在所述反应室中于脉冲条件下在处理区内对所述起始化合物进行脉冲热处理,
c)形成纳米晶体混合金属氧化物颗粒,
d)从所述反应器移出在步骤b)和c)中得到的所述纳米晶体混合金属氧化物颗粒,
其中,所述起始化合物的化学计量混合物的混合物制备在大于50℃的温度进行。
令人惊讶的是,发现通过在混合化学计量的起始化合物时进行热处理,可以得到特别小的微晶,其粒径小于30μm,特别优选小于20μm,尤其特别优选小于10μm,最优选小于5μm。钙钛矿、钛铁矿和尖晶石常常以所谓的晶畴结构存在,所述晶畴结构能够以靶向方式通过相应的热处理而被选择性影响,结果是在具有小微晶尺寸的纯相中可以得到具有特别好的晶畴结构的钙钛矿、钛铁矿或尖晶石。
已经发现,本发明的方法中不应用热处理时,对于得到的混合氧化物晶畴结构通常在所得到的产物结果中不具有晶畴边界和不纯结构或混合相。
因此,通过本发明的方法,能够以靶向方式控制结晶化过程,此处尤其是通过更多的步骤来进行控制,还能够控制微晶的尺寸以及相应的混合金属氧化物的孔径分布。例如,这还能够被起始化合物的起始混合物在火焰中的滞留时间或反应器的温度而进一步有利地影响。通过脉冲热处理,防止了形成的纳米晶体颗粒的凝聚。典型地,纳米晶体颗粒被热气流立即传送至反应室或反应器的低温区,由此可以得到纳米微晶,一些所述微晶的直径小于20纳米。在根据本发明获得的混合氧化物纳米微晶的情况中,这会得到明显增大的BET表面积。
举例来说,已经发现在钙钛矿的结构群的情况中,以用于钙钛矿的迄今已知的合成方法得到的BET表面积约为2m2/g~10m2/g,然而,采用本发明的方法,得到的钙钛矿纳米微晶的BET表面积为100m2/g~200m2/g,优选为150m2/g~200m2/g。对于已经通过本发明的方法制备的钛铁矿或尖晶石也得到该范围的值。
在本发明的方法的优选实施方式中,将柠檬酸或柠檬酸盐额外引入起始化合物的混合物中。作为柠檬酸或其衍生物的替代物,例如还可以使用马来酸或其衍生物,也可以同时使用柠檬酸和马来酸以及它们各自的衍生物,通过金属和酸之间的螯合作用实现了金属络合物的特别好的沉淀。此外,尤其是在使用柠檬酸及其衍生物时,获得了所得金属络合物/微晶的非常精细的分布,由此使其能够在煅烧过程中转化成具有非常纯的相的络合钙钛矿结构。
本发明的方法的其他优点例如是,悬浮液通常可以在相对较低的温度(300℃~700℃)在极短的时间内(典型地在几毫秒内)被煅烧,无需另外的过滤和/或干燥步骤,也无需添加额外的溶剂。与通常在超过900℃的温度进行的惯用方法相比,较温和的煅烧也能够使得到的产物的相结构非常纯以至例如由本发明的方法得到的钇-钡铜酸盐也可用作光学分析法的框架中的光波导物质。迄今为止,这已经是至今已知的钇-钡铜酸盐的值得努力的目标,但目前该目标并未完全实现(J.Kircher,Dissertation TH Karlsruhe 1992,Ellipsometrische Untersuchungen zumelektronischen Normalzustand der Yttriumbariumcuprate)。
通过本发明的方法得到的纳米晶体混合氧化物具有明显增大的BET表面积,使用这样的混合氧化物作为活性材料时,得到反应性增强、转化率和选择性改善的催化剂。由于每个颗粒的滞留时间几乎相同,因此由该方法形成的均匀的温度场产生了极为均匀的最终产物,该产物具有所得混合氧化物纳米微晶的狭窄的单模态颗粒分布。
根据本发明获得的纳米微晶还可用作用于其他催化剂体系(例如Ni、Pd/Pt等)的载体,例如由本发明的方法制备的铝酸镁。
在制备这样的单模态纳米晶体混合金属氧化物粉末的过程中用于执行本发明的方法的装置例如主要在DE 1010982A1中进行了描述。然而,与该专利中描述的装置和其中披露的方法不同,本发明的方法不需要将挥发性原料加热至蒸发温度的预蒸发步骤。因此,DE 1010982A1中所必需的前期蒸发步骤或者用于蒸发原料的装置的相应组件也可省去。起始化合物的化学计量混合物以溶液、浆料、悬浮液或固体的形式导入反应室中。
典型地,将由其制备本发明的混合金属氧化物粉末的混合物导入所谓的反应室中,更准确地说是导入燃烧室中,优选的是,所述混合物以雾化的形式直接经由携带流体(特别是载气,优选是惰性载气,例如氮气等等)而导入。
选择原料时就已经可以极为精确地确定化学计量是本发明的方法的另一个优势,而这一优势通过其他方法并不能完全实现。
与反应室相连的排气侧是具有流动截面的共振空间,其与所述反应室相比明显减小。燃烧室的底面配有几个阀门,用于使燃烧空气进入燃烧室。气动阀以流动和声动的方式与燃烧室和共振管的几何形状相配,以使燃烧室中产生的均匀的无焰温度场的压力波在共振管内主要以脉冲方式传播。因此,形成了所谓的具有脉冲流的Helmholz共振器。脉冲可以是规则的也可以是不规则的。
材料通常通过注射器或适宜的两组分喷嘴和Schenk分配器导入反应室中。本发明使用的反应器通常具有50Kw~250Kw的额定功率。例如,使用天然气、丙烷或氢气等作为燃料以制造脉冲热场。为了得到本发明的混合氧化物纳米晶体粉末,温度例如甚至可以低至250℃。
引入根据本发明的方法的材料时,典型量在不超过150kg/小时的起始化合物的化学计量混合物的固体或悬浮液的范围内。
热处理步骤中的典型的滞留时间为200毫秒至大约2秒,得到的微晶尺寸大约为5nm~100μm,优选为5nm~30μm,特别优选为10nm~20μm。
本发明的方法由此还可以通过将相应的起始化合物的化学计量混合物直接导入反应器中来制备单模态纳米晶体混合氧化物粉末。令人惊讶的是,例如氧化起始化合物的干混氧化物粉末也可以直接导入燃烧室中作为固态的化学计量混合物,而无需将形成的晶体材料过滤。此外,本发明的方法还可以使制备本发明的混合金属氧化物时的温度低于迄今已知的惯用方法。
另外,例如在使用初始产物的溶液,尤其是水溶液的优选情况中,可以避免例如在氢氧化物方法中通常所必需的另外的沉淀步骤,结果,可以在反应器中直接对溶液进行热处理,即,煅烧。
携带流体优选是载气,例如空气、氮气或空气/氮气混合物。作为选择,当然也可以使用液体作为所述流体,甚至还可以使用已经存在于溶液中的原料作为溶液本身。携带流体的性质尤其是对于处理区中的滞留时间产生影响。因此,例如溶解性较差的起始化合物(如硫酸盐、氧化物、氮化物等)的直接悬浮液和浆液也可根据本发明直接使用。
优选的是,将起始化合物以雾化形式导入反应室中,由此确保在处理区的区域中的精细分布。
通过控制脉冲(规则的或不规则的或周期性的,以及脉冲热处理的幅度)和起始化合物在处理区中的滞留时间(通常在200毫秒~2秒的期间内)还可以明确地确定微晶的尺寸和孔隙率。
热处理之后,如果可能的话,通过携带流体立即将形成的纳米晶体混合金属氧化物转移至反应室的低温区,结果它们在低温区中沉积并可被除去。
基于起始物的化学计量混合物计算,本发明的方法的产率差不多是1%,几乎所有的生成的产物都可以作为固体从反应器中移出。
如上所述,还令人惊讶地发现已经以固体形式存在的氧化物也可以用作起始物。根据本发明,这些物质通过随后的脉冲温度处理立即转化为纳米晶体混合氧化物颗粒。在本发明的方法的特别有利的发展中,这开启了尤其广泛的应用领域,因为不必选择特定的起始化合物,例如不必对它们的溶解性、挥发性等等进行选择以确定它们是否可用于所述方法的框架中。
同样可能的是,在本发明的方法的进一步优选的发展中将可溶的金属化合物用作起始化合物的混合物。特别是,可以使用容易得到的起始化合物,如金属硝酸盐、金属或过渡金属的氯化物、乙酸盐等。
令人惊讶的是,发现热处理可以在较低的温度(200℃~700℃,优选为低于700℃,例如350℃~650℃)进行,这与以前公知的通常在高于1000℃的温度进行的热分解方法相比是有利的。
也可以通过施加15巴~40巴的压力而进一步防止导致产物污染或者出现不理想的混合相或不理想的相的分解和二次反应。
除了本发明的方法,本发明的目的还可以通过可根据本发明的方法得到的纳米晶体金属氧化物材料而实现。
已经发现本发明的纳米晶体混合氧化物材料优选具有的微晶尺寸为5nm~100μm,优选为10nm~10μm,正如以上所描述过的,该尺寸可以通过调整热处理的脉冲等进行调整。
在极为优选的实施方式中,本发明的晶体混合氧化物材料是选自尖晶石、钛铁矿和钙钛矿的结构类的材料,由此在催化活性材料或导电性材料的合成方面开启了本发明的方法的其他应用领域。
借助于附图,使用下列实施例更详细地描述本发明的方法,所述实施例并不是限制性的。
所用的装置在很大程度上与DE 1010982中描述的装置相一致,不同之处在于用于执行本发明的方法的改造装置不需要预蒸发步骤。
附图说明
图1显示了用纳米晶体LaSrMnO3材料进行的CO氧化测试的结果,该材料由本发明的方法制备。
图2显示了使用通过氢氧化物沉淀法制备的LaSrMnO3的氧化的结果。
具体实施方式
实施例1
LaMnO3的制备
将2.5112g Mn(NO3)2·4H2O与4.3302g La(NO3)2·6H2O和4.2028g柠檬酸一起于80℃的温度溶解在30ml水中,并缓慢再加热至150℃。
然后将得到的粘稠溶液以雾化形式通过Schenk分配器导入先前描述的反应器中。所述溶液在反应器中的滞留时间约为700毫秒。温度设定为270℃。
然后将6.1g LaMnO3(相当于95%的产率)从反应器中移出,其BET表面积为175m2/g。
实施例2
La0.5Sr0.5MnO3的制备
将1.07g Sr(NO3)2、2.60g Mn(NO3)·4H2O、2.22g La(NO3)2·6H2O和4.20g柠檬酸于80℃溶解在30ml水中。
如实施例1一样通过Schenk分配器将所述溶液导入反应器中。粉末在反应器中的滞留时间同样也为约700毫秒,反应器的温度为200℃。La0.5Sr0.5MnO3的产率为4.5g,BET表面积为185m2/g。
实施例3
氧化CO的过程中,实施例2中得到的La0.5Sr0.5MnO3与通过氢氧化物沉淀法和随后的煅烧制备的La0.5Sr0.5MnO3进行测试比较。
在各情况中在石英玻璃反应器中将100mg La0.5Sr0.5MnO3与500mg硅砂混合,反应允许的流量为每分钟35ml(合成气中的CO为802ppm)。粉末并未被活化。
图1显示,在150℃的温度CO的转化率已经达到约66%。在200℃的温度已经实现CO的完全转化。
相反,图2显示了使用通过氢氧化物法得到的La0.5Sr0.5MnO3的两个样品的CO转化。
如样品1的曲线所示,在150℃的温度观察到约为13%的CO转化率。在大约200℃的温度,90%的CO转化,仅在250℃的温度得到100%的转化率。
另一个样品(样品2)显示了更差的数值。比较也表明,采用传统的氢氧化物沉淀法,不能确保得到具有均一性质的产物,而采用本发明的方法可以确保这一点。
两种材料之间的比较显示利用本发明的方法获得的纳米晶体混合氧化物具有改善的催化活性。

Claims (15)

1.由至少两种不同的起始化合物制备纳米晶体混合金属氧化物颗粒的方法,所述方法包括下述步骤:
a)利用携带流体将所述起始化合物的化学计量混合物导入反应室中,
b)在所述反应室中于脉冲条件下在处理区内对所述起始化合物进行脉冲热处理,
c)形成纳米晶体混合金属氧化物颗粒,
d)从所述反应器移出在步骤b)和c)中得到的所述纳米晶体混合金属氧化物颗粒,
所述方法的特征在于,所述起始化合物的化学计量混合物的混合物制备在大于50℃的温度进行。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述混合金属氧化物选自钙钛矿、钛铁矿和尖晶石的结构类。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述起始化合物的化学计量混合物以溶液、浆料、悬浮液或固体的形式导入所述反应室中。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于所述携带流体是气体。
5.如权利要求3或4所述的方法,其特征在于,所述起始化合物的化学计量混合物以水溶液的形式导入所述反应室中。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,额外地将柠檬酸或柠檬酸盐引入所述起始化合物的混合物中。
7.如权利要求5或6所述的方法,其特征在于,所述起始化合物的混合物以雾化形式导入所述反应室中。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述脉冲热处理的脉冲是规则的或不规则的。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在所述处理区进行所述热处理之后,将已经形成的所述纳米晶体混合金属氧化物颗粒转移至所述反应室的低温区。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,所述热处理在300℃~700℃的温度范围内进行。
11.如权利要求10所述的方法,其特征在于,所述方法在15巴~40巴的压力进行。
12.纳米晶体混合金属氧化物,所述纳米晶体混合金属氧化物根据权利要求1~11中任一项所述的方法获得。
13.如权利要求12所述的纳米晶体金属氧化物,其特征在于,所述纳米晶体金属氧化物的晶体尺寸在10纳米~10微米的范围内。
14.如权利要求12或13所述的纳米晶体金属氧化物,所述纳米晶体金属氧化物是钙钛矿、钛铁矿或尖晶石结构类型。
15.如权利要求14所述的纳米晶体金属氧化物,所述纳米晶体金属氧化物的BET表面积在100m2/g~200m2/g的范围内。
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