DE102009054287A1

DE102009054287A1 - Synthese von Seltenerdelement enthaltenden Aluminiumoxid-Nanodrähten

Info

Publication number: DE102009054287A1
Application number: DE102009054287A
Authority: DE
Inventors: Mei Bloomfield Hills Cai; Xueliang London Sun; Yong London Zhang; Ruying London Li
Original assignee: University of Western Ontario; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Western Ontario Ca, University of; Western Ontario London Ca, University of; Western Ontario London Ont Ca, University of; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2010-07-22
Also published as: CN101798055A; US8043598B2; US20100130351A1; CN101798055B

Abstract

Es werden mit Seltenerdelement(en) dotierte Aluminiumoxid-Nanodrähte hergestellt durch ein thermisches Verdampfungsverfahren, bei dem Dampf aus Aluminiumpulver und Dampf aus einer Seltenerdelementverbindung (wie beispielsweise einem Halogenid) in einem Sauerstoff enthaltenden Inertgasstrom reagiert werden, um Aluminiumoxid, welches sich als Aluminiumoxid-Nanodrähte abscheidet, und als ein Seltenerdelement ein Sauerstoff enthaltendes Material, welches sich mit den und/oder auf den Aluminiumoxid-Nanodrähten abscheidet, zu bilden. Wenn die mit RE dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähte als Katalysatorträger einzusetzen sind, kann ein Katalysatormaterial, wie beispielsweise Platin, als keine Partikeln auf den Nanodrähten abgeschieden werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Aluminiumoxid-Drähte mit Nanometergröße. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Aluminiumoxid-Nanodrähten, insbesondere von Nanodrähten, in denen das Aluminiumoxid ein oder mehrere Seltenerdelemente, wie beispielsweise Cer oder Lanthan, enthält oder trägt. Der Seltenerdbestandteil liegt oftmals als ein Oxid vor. Und die Nanodrähte können als Katalysatorträger, wie beispielsweise in Dreiwegekatalysator-Kontrollsystemen für automobile Kraftfahrzeuge, eingesetzt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aluminiumoxid (Al₂O₃) sowie Aluminiumoxid enthaltende Zusammensetzungen werden in vielen Herstellungsgegenständen eingesetzt. In vielen dieser Anwendungen wird Aluminiumoxid in der Form von kleinen, etwas kugelförmigen Partikeln mit einer hohen spezifischen Oberfläche (m²/g) als ein Trägermedium für noch kleinere Partikel aus einem Katalysatormetall oder -material eingesetzt. Die Aluminiumoxid-Trägerpartikel liefern eine dauerhafte Basis für die Funktion des Katalysatormetalls.
Kraftfahrzeugabgassysteme nutzen katalytische Umwandler, und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), um verschiedene Stickstoffoxide (NOx), welche aus der Verbrennung von Kohlenwasserstofftreibstoffen in dem Motor hergestellt worden sind, zu behandeln. Ein typi scher Katalysator enthält ein oder mehrere Edelmetalle, welche auf Aluminiumoxid-Trägerpartikeln mit einer hohen spezifischen Oberfläche dispergiert sind. Oftmals werden die Aluminiumoxid-Partikel für die Sauerstoffspeicherung während der Abgasbehandlung mit Partikeln aus einem anderen Oxid, wie beispielsweise Ceroxid oder Lanthanoxid, vermischt.
Kürzlich haben eindimensionale (1D) Nanostrukturen beträchtliches Interesse auf den Katalysegebieten erhalten, und zwar aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche, ihrer hohen Sensitivität und Aktivität, welche eine verbesserte katalytische Wirksamkeit versprechen.
Vorausgesetzt, dass als eine eindimensionale Nanostruktur ein Hybrid aus Aluminiumoxid und Cer (oder einem anderen Seltenerdelement) hergestellt werden kann, kann die Wirksamkeit und die Lebensdauer des Dreiwegekatalysators auf Basis von Aluminiumoxid/Ceroxid beträchtlich verbessert werden. Bis jetzt sind bei der Herstellung von Dreiwegekatalysatoren weithin nasschemische Verfahren eingesetzt worden, einschließlich Sol-Gel, hydrothermische Verfahren, Mikroemulsionsverfahren und so weiter. Allerdings ist es immer noch eine Herausforderung geblieben, unter Verwendung der herkömmlichen nasschemischen Verfahren gut kristallisierte, eindimensionale, mit Ce dotierte Aluminiumoxid-Nanostrukturen zu erzeugen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von kristallinen Aluminiumoxid-Nanodrähten bereitzustellen, in dem die Aluminiumoxid-Strukturen ein oder mehrere Seltenerdelemente enthalten oder tragen können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Mischung aus Aluminium-Pulver und Partikeln einer Seltenerdverbindung vermischt und in einem flachen, oben offenen Schiffchen oder einem anderen geeigneten Gefäß platziert, um eine Dampfentwicklung aus der Feststoffmischung zuzulassen. Manchmal ist es sinnvoll, über ein Teilstück des Kopfteils des Gefäßes ein oder mehrere Aluminiumoxid-Platten zu platzieren. Die Aluminiumoxid-Platten) beendet nicht, dass Dampf aus dem Kessel aufsteigt, dient aber als ein Substrat für die Abscheidung der Nanodrahtprodukte.
Das Aluminium-Pulver kann von einer geeigneten kommerziellen Qualität sein und beispielsweise eine Größe von ungefähr 20 Mesh aufweisen. Cer und Lanthan sind Beispiele für Seltenerdelemente, welche zum Dotieren der herzustellenden Aluminiumoxid-Drähte mit Nanometergröße eingesetzt werden können. Das Seltenerdelement wird anfänglich als eine geeignete flüchtige Verbindung, wie beispielsweise eine Halogenidverbindung, bereitgestellt. Beispielsweise liefern Cerchlorid oder Ceriodid eine für diese Synthese geeignete Flüchtigkeit in Mischung mit Aluminiumpulver.
Das die Mischung aus Aluminiumpulver und Seltenerdverbindung haltende Gefäß ist in einer Reaktionskammer enthalten, welche geeigneterweise ein horizontales Aluminiumoxid-Rohr ist, welches durch einen dieses einschließenden rohrförmigen elektrischen Ofens erhitzt wird. Das Gefäß wird unter einem Inertgas, wie beispielsweise Argon, auf eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 1300°C erhitzt. Der Temperaturbereich wird so ausgewählt, dass geeignete Dämpfe erzeugt werden, um die gewünschten Dampfphasenreaktionen durchzuführen. Es wird ein Argongrad eingesetzt, welcher eine kleine Menge Sauerstoff enthält, und das Sauerstoff enthaltende Argon wird vorzugsweise bei im Wesentlichen atmosphärischem Druck durch das Rohr und über das Gefäß geströmt. Aluminium-Dampf wird durch den Sauerstoff zu alpha-Aluminiumoxid umgesetzt und oxidiert. Das Aluminiumoxid bildet Drähte mit einem Durchmesser mit Nanometergröße. Die Nanodrahtdrähte können eine Länge von mehreren Mikrometern bis zu Hunderten von Mikrometern aufweisen, und zwar abhängig von der Dauer der Reaktion. Die Seltenerdverbindung verdampft, zersetzt sich und das Seltenerdelement wird ebenfalls oxidiert. Das Seltenerdoxid lagert sich auf oder in den Aluminiumoxid-Nanodrähten ab. Das Seltenerdoxid (beispielsweise REO_x) ist nicht notwendigerweise eine stöchiometrische Oxidverbindung, wie CeO₂.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Inertgases wird so kontrolliert, dass diese Sauerstoff in Kontakt mit aus dem offenen Gefäß in die Reaktorkammer aufsteigenden Dämpfen bringt. Argon mit einem kommerziellen Grad kann Sauerstoff bei einem Partialdruck von ungefähr 10^–5 atm enthalten. Falls erwünscht, kann in den Inertgasstrom zusätzlicher Sauerstoff eingeführt werden. Weil das α-Aluminiumoxid und die Seltenerdmetalloxide, welche gebildet werden, bei der Temperatur in dem Reaktor Feststoffe sind, präzipitieren diese aus dem Inertgasstrom auf dem Aluminiumoxid-Substrat oder auf unverdampftem Pulver in dem Gefäß. Die so mit Ceroxid, Lanthanoxid oder dergleichen dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähte werden aus dem Durchstromreaktor entnommen, wenn der Argonstrom beendet wird.
Die Seltenerdoxid tragenden Aluminiumoxid-Nanodrähte können Durchmesser in der Größenordnung von ungefähr 10 nm bis ungefähr 100 nm mit Längen von bis zu zwei zu dreihundert Mikrometern aufweisen. Aufgrund ihrer sehr kleinen Durchmesser werden solche Nanodrahtdrähte oftmals als eindimensional bezeichnet. Diese Strukturen sind als Kataly satorträger für viele Katalysereaktionen und -anwendungen geeignet. Feine Partikel aus einem Katalysatormetall, einer Katalysatorlegierung oder einer anderen Zusammensetzung können auf den Oberflächen der Nanodrähte beispielsweise durch chemische Reduktion, andere Abscheidereaktionen, Elektrolyseabscheidung oder andere geeignete Abscheideverfahren abgeschieden werden. Wenn auf diesen mit RE dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähten mit hoher Oberfläche geeigneterweise Platin und/oder andere Platingruppenmetalle abgeschieden werden, können die resultierenden Materialien verbesserte Eigenschaften als Dreiwegekatalysatoren für die Behandlung von automobilen Kraftfahrzeugabgasströmen aufweisen. Oder die dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähte können als Träger für andere Katalysatoren in anderen katalytischen Reaktionen eingesetzt werden.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, welche in dieser Beschreibung folgt, offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 ist eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung zur Herstellung von Seltenerdelementoxid enthaltenden Aluminiumoxid-Nanodrähten.
Die 2A ist ein SEM-Bild von Aluminiumoxid-Nanodrähten ohne Seltenerdelement-Dotierung. Der Teil ”a” der Fotografie ist eine relativ kleine Vergrößerung. Der Teil ”b” der SEM-Fotografie ist eine größere Vergrößerung.
Die 2B ist ein SEM-Bild von Aluminiumoxid-Nanodrähten nach der Dotierung mit Cer. Das Teil ”a” der Fotografie ist eine relativ kleine Vergrößerung. Der Teil ”b” der SEM-Fotografie ist eine größere Vergrößerung.
Die 3A ist ein TEM-Bild eines freistehenden Aluminiumoxid-Nanodrahtes ohne Seltenerdelement-Dotierungsmittel.
Die 3B ist ein TEM-Bild eines freistehenden Aluminiumoxid-Nanodrahtes mit Cer-Dotierung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nanostrukturierte Materialien (das heißt Strukturen mit wenigstens einer Dimension in einem Bereich zwischen ungefähr 1 und 100 nm) weisen ein stetig wachsendes, anziehendes Interesse auf, und zwar aufgrund ihren einzigartigen, faszinierenden Eigenschaften und ihren möglichen, zu dreidimensionalen Massenmaterialien komplementären Anwendungen. Die Dimensionalität spielt aufgrund beispielsweise den unterschiedlichen Wegen, auf denen Elektronen in dreidimensionalen (3D), zweidimensionalen (2D), eindimensionalen (1D) und nulldimensionalen (0D) Strukturen Wechselwirken, eine kritische Rolle bei der Bestimmung der Eigenschaften dieser Materialien. Eine hauptsächliche Herausforderung bei der Synthese von Nanodrähten ist es, ihre Größe, Morphologie, Phasenreinheit, Kristallinität und chemische Zusammensetzung zu steuern. Es werden Verfahren für die Synthese von Aluminiumoxid-Nanodrähten, welche mit dem/den Oxid(en) von einem oder mehreren Seltenerdmetallen dotiert sind, bereitgestellt.
Durch ein thermisches Verdampfungsverfahren wurden mit einem Ceroxid oder Lanthanoxid dotierte alpha-Aluminiumoxid-Nanodrähte oder α-Aluminiumoxid-Nanodrähte hergestellt. In der 1 ist ein schemati sches Diagramm eines runden, zylindrischen rohrförmigen Durchstromreaktors und einer darauf bezogenen Vorrichtung dargestellt. Für die Synthese von mit RE dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähten wurde ein oben offenes Aluminiumoxid-Schiffchen, welches mit einer Mischung aus reinen kommerziellen Aluminium-Pulvern und entweder Ceriodid (CeI₃) oder Lanthaniodid (LaI₃) beladen war, in der Mitte eines Aluminiumoxid-Rohres platziert, welches in einen horizontalen, rohrförmigen, elektrischen erhitzten Widerstandsofen eingesetzt war. Der Reaktor und das Aluminiumoxid-Schiffchen sind für ein spezifisches Volumen von Nanodrahtproduktion bemessen. Als ein Substrat zur Abscheidung der mit Seltenerdelement dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähte wurde über der Oberseite des Schiffchens eine Aluminiumoxid-Platte (ohne diese vollständig zu bedecken) platziert. Es wurde eine Temperatursteuerung eingesetzt, um die Temperatur dieses zylindrischen röhrenförmigen Reaktors zu steuern. Selbstverständlich wurde für die Synthese von nicht dotierten α-Al₂O₃-Vergleichsnanodrähten keine Seltenerdverbindung zu dem Gefäß zugegeben.
Das Reaktionsgefäß mit einer Mischung aus Aluminium-Pulver und CeI₃-Pulver wurde in dem Aluminiumoxid-Rohr schnell auf eine Temperatur von ungefähr 1300°C erhitzt, während Argon bei ungefähr atmosphärischem Druck mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 500 Standardkubikzentimetern pro Minute in ein Ende des röhrenförmigen Reaktors geströmt wurde. Das Argon wurde aus einem kommerziell erhältlichen Zylinder unter Verwendung eines Druckmanometers und eines Strömungsmessgeräts geliefert, um die Argonströmungsgeschwindigkeit zu steuern und zu überwachen. Der Argonstrom, welcher das andere Ende des Reaktorrohres verließ, wurde durch eine Haube entlüftet.
Das Argongas enthielt Sauerstoff bei einem Partialdruck von ungefähr 10^–5 Atmosphären. Der Ofen hielt die Temperatur des Rohrreaktors und dessen Inhalte für ungefähr 2 Stunden bei 1300°C. Der Ofen wurde dann ausgeschaltet und das Reaktionsgefäß wurde dann unter einem kontinuierlichen Argongasstrom auf Raumtemperatur abgekühlt. Als das abgekühlte Reaktionsgefäß aus dem rohrförmigen Reaktor entfernt wurde, enthielt dieses einen Cluster von miteinander verwundenen, einzelnen Drähten mit nanometergroßen Durchmessern, welche als alpha-Aluminiumoxid bestätigt wurden. Der Cluster von Nanodrähten wurde auf der Aluminiumoxid-Platte, welche auf der Oberseite des Gefäßes platziert war, gebildet. Wie es nachfolgend dargestellt wird, wurde es herausgefunden, dass die Aluminiumoxid-Nanodrähte Partikel aus oxidiertem Cer trugen.
Im Wesentlichen dieselbe Reaktionsprozedur wurde unter Verwendung eines Aluminiumoxidschiffchens, welches lediglich Aluminiumpulver enthielt, durchgeführt. Es wurde wiederum auf einer Aluminiumoxidplatte ein Cluster von miteinander verwundenen Aluminiumoxid-Nanodrähten gebildet.
Es wurden Proben der beiden synthetisierten Gruppen aus Aluminiumoxid-Pulver durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die 2(A) zeigt zwei SEM-Mikrofotografien von alpha-Aluminiumoxid-Nanodrähten. Die Mikrofotografie ”a” ist eine relativ kleine Vergrößerung (2 Mikrometer Skala) und die eingesetzte Mikrofotografie ”b” (mit der 200 nm-Skala) ist eine relativ große Vergrößerung. Die 3A ist ein TEM von in der Synthese hergestellten freistehenden Aluminiumoxid-Nanodrähten. Es ist zu sehen, dass der freistehende Nanodraht einen Durchmesser von ungefähr sechzig Nanometern aufweist. Die 2A zeigt, dass die α-Al₂O₃-Nanodrähte eine Länge von mehreren Mikrometern aufweisen.
Die 2(B) zeigt zwei SEM-Mikrofotografien von mit Ceroxidpartikeln beschichteten alpha-Aluminiumoxid-Nanodrähten. Die Mikrofotografie ”a” ist eine relativ kleine Vergrößerung (2 Mikrometer Skala) und die eingesetzte Mikrofotografie ”b” (mit der 200 nm-Skala) ist eine relativ große Vergrößerung. Die eingefügte Fotografie mit größerer Vergrößerung der 2(B) zeigt viele Ceroxidpartikel, welche die Aluminiumoxid-Nanodrähte beschichten. Die 3B ist ein TEM eines freistehenden mit Ceroxidpartikeln beschichteten Aluminiumoxid-Nanodrahtes. Es ist zu sehen, dass der freistehende Nanodraht einen Durchmesser von ungefähr achtzig Nanometern aufweist. Die 2B zeigt, dass die mit Ceroxidpartikel beschichteten α-Al₂O₃-Nanodrähte eine Länge von mehreren Mikrometern aufweisen.
Die Daten der energiedispersiven Röntgenspektroskopie und das Verhältnis der Elemente in den Nanodrähten bestätigte die Anwesenheit von Aluminiumoxid und Ceroxid.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung machen Verwendung von der Bildung von Aluminiumdampf und dem Dampf wenigstens eines Seltenerdelements (oder einer RE enthaltenden Verbindung). Des Weiteren wird ein Inertgasstrom mit einer relativ kleinen Menge von Sauerstoff eingesetzt, um in einer kontrollierten Weise mit dem Dampf von den Aluminium-Partikeln und dem von der Seltenerdverbindung zu reagieren. Zum Herstellen geeigneter Mengen solcher Dämpfe kann für jede Mischung von Aluminium und Seltenerdverbindung eine geeignete Temperatur bestimmt werden. Oftmals wird eine Reaktorumgebungstemperatur von ungefähr 1300°C eine geeignete Menge von Aluminiumsuboxid-Dampf herstellen.
In dem vorgenannten Beispiel enthielt der Argonstrom eine geeignete Menge Sauerstoff für die Oxidation des Aluminiumdampfes zu Aluminiumoxid und für die Abscheidung des Oxids als alpha-Aluminiumoxid-Nanodrähte. Es gab ebenfalls ausreichend Sauerstoff für die Oxidation des Cer enthaltenden Dampfes und für die Abscheidung von Ceroxidpartikeln auf den Aluminiumoxid-Nanodrähten. In dem Fall, dass ein Inertgasstrom nicht ausreichend Sauerstoff für die Ausbildung von Seltenerdelement tragenden Aluminiumoxid-Nanodrähten aufweist, kann zu dem Gasstrom mehr Sauerstoff zugegeben werden. In den vorstehenden Beispielen wurde die Strömungsgeschwindigkeit des Argonstroms (500 sccm) so gesteuert, dass die Oxidation von verdampftem Aluminium und Seltenerdelement gewährleistet wird. Solch eine Strömungsgeschwindigkeit kann für die Herstellung von mit anderem Seltenerdelement dotierten Aluminiumoxid und für andere Reaktorgrößen und -konfigurationen eingestellt werden. Die Aluminiumoxid-Nanodrähte können auf einem geeigneten Substrat, auf restlichen Pulvervorläufern, auf den Oberflächen des das Pulver enthaltenden Gefäßes oder auf einem Substrat in dem Reaktor stromabwärts des Gefäßes abgeschieden werden. Die Verwendung eines Aluminiumoxid-Substrats kann die Entfernung der Nanodrähte aus dem Reaktor erleichtern.
Die Seltenerdverbindung wird so ausgewählt, dass diese eine geeignete Menge von Seltenerdelementdampf zur Abscheidung einer gewünschten Menge von Seltenerdelement (typischerweise als ein Oxid) auf den sich bildenden Aluminiumoxid-Nanodrähten liefert. In dem vorgenannten Beispiel wurde das Ceriodid offensichtlich oxidiert und wurde das Iodmaterial in dem Argonstrom weggetragen. Das Cer wurde (zu CeO_x, aber nicht notwendigerweise zu einem stöchiometrischen Oxid, wie CeO₂) oxidiert und wurde als sehr kleine Partikel auf den Aluminiumoxid-Nanodrähten abge schieden. Die Inertgasströmungsgeschwindigkeit wird wiederum so gesteuert, dass die Koabscheidung von Aluminiumoxid und Seltenerdmetalloxid miteinander gewährleistet wird.
Es ist herausgefunden worden, dass Cer- und Lanthaniodide für die Verwendung mit Aluminium-Pulver in diesem thermischen Verdampfungs- und Koabscheideverfahren geeignet sind. Cerchlorid ist ebenfalls eingesetzt worden. Selbstverständlich können andere Seltenerdhalogenide und andere Seltenerdverbindungen eine geeignete Verdampfung aufweisen und geeignete chemische Eigenschaften für die Ausführung dieser thermischen Verdampfungs- und Koabscheideverfahren aufweisen.
Wenn die Seltenerdelement tragenden Aluminiumoxid-Nanodrähte als Katalysatorträgermaterialien eingesetzt werden, kann es wünschenswert sein, die Anteile von dem/den Seltenerdelement(en) und von dem Aluminiumoxid sorgfältig zu steuern. Für viele Katalysatorträgeranwendungen kann das Gewichtsverhältnis von Aluminiumoxid zu Seltenerdelement in einem Bereich zwischen ungefähr 30 und 450 Teilen Aluminium pro Teil Seltenerdelement liegen. Weil dieses Dotierungsverfahren das Verdampfen von Aluminium und einer oder mehreren Seltenerdelementverbindungen nutzt, kann eine experimentelle Einstellung der Mengen von Aluminium und Seltenerdelementvorläufer erforderlich sein, um die gewünschten Anteile von Seltenerdmaterial in die oder auf die Aluminiumoxid-Nanodrähte zu erreichen.
Es kann wünschenswert sein, die Oberflächen der mit RE dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähte zu oxidieren, bevor auf diesen ein Katalysatormetall abgeschieden wird. Beispielsweise können die Nanodrähte durch Suspendieren derselben in 5,0 M Salpetersäure für zehn Stunden bei einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 20°C bis 30°C oxidiert werden.
Die oxidierten Nanodrähte können dann sorgfältig mit deionisiertem Wasser gewaschen werden, um die Säure zu entfernen, und dann unter Vakuum und Hitze getrocknet werden.
Wie dargestellt, können die mit RE dotierten alpha-Aluminiumoxid-Nanodrähte als Trägerflächen für viele verschiedene Katalysatormaterialien eingesetzt werden. Solche Materialien können durch jedes geeignete physikalische oder chemische Abscheideverfahren abgeschieden werden. Beispielsweise wird es in Erwägung gezogen, dass Platin und Platingruppenmetalle auf den dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähten für katalytische Anwendungen, wie beispielsweise die Dreiwegebehandlung von HC-, CO- und NO_x-Bestandteilen in Abgasen mit Kohlenwasserstoff betriebenen Motoren, abgeschieden werden können. Beispiele für solche Dreiwege-Abgaskatalysatoren schließen Platin, Palladium und Rhodium ein. Selbstverständlich können auf den mit RE dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähten für andere Katalysatoranwendungen andere Metalle oder andere Katalysatormaterialien abgeschieden werden.
Elektrochemie ist eine leistungsstarke Technik für die Abscheidung von vielen Metallen, welche sowohl schnell als auch einfach ist, um die Nukleierung und das Wachstum von Metallnanopartikeln auf mit RE dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähten einfach zu steuern. In dem Beispiel von Platinabscheidungen können elektrochemische Messungen durchgeführt werden und Metallabscheidungen können unter Verwendung eines Potentiostaten/Galvanostaten in einem Dreielektroden-, Zweikammer-Aufbaus umfassend eine Arbeitselektrode, eine Platinspiralhilfselektrode und eine Ag/AgCl (3M KCl) Referenzelektrode erreicht werden. Die elektrochemische Abscheidung von Pt-Nanopartikeln auf Oberflächen von mit RE dotierten Al₂O₃-Nanodrähten kann als ein Dreischrittverfahren durchgeführt werden.
In einem ersten Schritt können die mit RE dotierten Al₂O₃-Nanodrähte, wie zuvor beschrieben, in 5,0 M wässriger Salpetersäure bei zwanzig Grad Celsius für 10 Stunden oxidiert werden. Um die elektrochemische Aktivität der Oberfläche der Nanodrähte in Wasserlösung zu erhöhen, kann dann die Al₂O₃-Nanodrahtelektrode (in einer Elektrolysezelle als eine Anode aneordnet) in einem Potentialbereich von –0,15 V bis +1,3 V gegen Ag/AgCl mit einer Sweep-Geschwindigkeit von 50 mVs^–1 in 0,1 M H₂SO₄ wässriger Eletrolytlösung durch zyklische Voltametrie gecycelt werden, bis beständige Kurven erhalten werden. Dieser Oberflächenaktivierungsschritt erzeugt an den Defektstellen, welche an den Enden und/oder den Seitenwänden der Nanodrähte lokalisiert sind, funktionelle Oxidgruppen, wie beispielsweise Hydroxyl (-OH), Carboxyl (-COOH) und Carbonyl (-C=O).
In einem zweiten Schritt können auf den funktionalisierten, mit RE dotierten Aluminiumoxid-Nanodrähten oktaedrische Komplexe von Pt (IV) gebildet werden. Die Nanodrähte können in einer Elektrolysezelle als die Kathode angeordnet werden und die Platinkomplexe können aus 3 mM K₂PtCl₄ in 0,1 M wässrigen K₂SO₄-Lösungen auf den Nanodrähten durch zyklische Voltametrie unter den Bedingungen eines Potentialbereichs von +0,34 bis +1,34 V bei einer Scangeschwindigkeit von 5 m Vs^–1 abgeschieden werden.
In einem dritten Schritt können die Oberflächenkomplexe auf den Nanodrähten durch Zyklisieren zwischen +1,64 und –0,21 V in 0,1 M H₂SO₄-Lösung zu Pt-Nanopartikeln umgewandelt werden
In einem chemischen Abscheideverfahren können Platin-Nanopartikel auf den Aluminiumoxid-Nanodrähten unter Verwendung von einem gut be kannten Imprägnierungsverfahren gefolgt von einer Reduktion mit Borhydrid abgeschieden werden. Mit RE dotierte Aluminiumoxid-Nanodrähte können in eine wässrige Lösung von 10 mM H₂PtCl₆ eingetaucht werden. Nach einem Magnetrühren für ungefähr 12 Stunden kann das Platinsalz durch langsame Zugabe einer Lösung, welche eine Mischung aus 0,1 M NaBH₄ und 1 M NaOH war, langsam reduziert werden. Wenn die Reaktion beendet war, kann die resultierende Suspension von Platin-Nanopartikeln, welche auf mit RE dotierten Aluminiumoxid-Nanodraht-Katalysatoren getragen werden, filtriert werden, gewaschen werden und bei 90°C für 4 Stunden getrocknet werden.
Die Ausführung der vorliegenden Erfindung ist durch bestimmte Beispiele illustriert worden. Allerdings sind diese Beispiel nicht dazu gedacht, die Ausführungen der Koabscheideverfahren zu beschränken.

Claims

Aluminiumoxid-Nanodrähte, welche ein oder mehrere Seltenerdelemente enthalten.
Aluminiumoxid-Nanodrähte nach Anspruch 1, welche ein oder mehrere Oxide eines oder mehrerer Seltenerdelemente enthalten.
Aluminiumoxid-Nanodrähte nach Anspruch 1, welche wenigstens eines von Cer und Lanthan enthalten.
Aluminiumoxid-Nanodrähte nach Anspruch 1, welche ein Oxid von wenigstens einem von Cer und Lanthan enthalten.
Aluminiumoxid-Nanodrähte nach Anspruch 1, bei denen das Verhältnis, pro Gewicht, von Aluminium zu Seltenerdelement in einem Bereich zwischen ungefähr 30:1 und ungefähr 450:1 liegt.
Verfahren zum Herstellen von Seltenerdelement enthaltenden Aluminiumoxid-Drähten mit Durchmessern in einem Bereich zwischen ungefähr zehn und ungefähr 300 Nanometern, wobei das Verfahren umfasst: Erhitzen einer Mischung aus Aluminium-Pulver und Partikeln aus wenigstens einer Verbindung wenigstens eines Seltenerdelements in einem Strom aus Sauerstoff enthaltendem Inertgas, um Aluminiumdampf und das Seltenerdelement enthaltenden Dampf herzustellen, so dass der Sauerstoff mit dem Dampf reagiert, um Aluminiumoxid-Nanodrähte, wel che das Seltenerdelement oder ein Oxid des Seltenerdelements enthalten, zu bilden.
Verfahren zum Herstellen von Seltenerdelement enthaltenden Aluminiumoxid-Drähten nach Anspruch 6, bei dem ein Strom des Sauerstoff enthaltenden Inertgases über die Mischung geströmt wird und Seltenerd enthaltene Aluminiumoxid-Drähte auf einem Substrat an der Stelle der Mischung oder stromabwärts davon abgeschieden werden.
Verfahren zum Herstellen von Seltenerdelement enthaltenden Aluminiumoxid-Drähten nach Anspruch 6, bei dem das Seltenerdelement wenigstens eines von Cer und Lanthan ist, und/oder, bei dem die Mischung Aluminiumoxid und ein Seltenerdhalogenid enthält, und/oder, bei dem die Mischung Aluminiumoxid und und ein Seltenerdiodid enthält.
Verfahren zum Herstellen von Seltenerdelement enthaltenden Aluminiumoxid-Drähten nach Anspruch 6, bei dem die Aluminium und Seltenerd enthaltende Mischung auf ungefähr 1300°C erhitzt wird.
Verfahren zum Herstellen von Seltenerdelement enthaltenden Aluminiumoxid-Drähten nach Anspruch 6, bei dem Sauerstoff in Sauerstoff enthaltendem Argon mit dem Aluminiumdampf und dem Dampf aus der Seltenerdverbindung reagiert wird.