DE102013112838A1

DE102013112838A1 - Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen und Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials

Info

Publication number: DE102013112838A1
Application number: DE102013112838.6A
Authority: DE
Inventors: Chi Chung Kei; Bo Heng Liu; Chien Pao Lin; Chien Nan Hsiao; Yang Chih Hsueh; Tsong Pyng Perng
Original assignee: National Applied Research Laboratories
Current assignee: National Applied Research Laboratories
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-05-22
Also published as: US20160256863A1; US20140140904A1; US9901917B2; TWI498450B; JP2014121700A; US9381509B2; TW201420806A

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen, das einen Grundkörper des Reaktionsbehälters sowie eine vordere und eine hintere Verschlusskappe umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung eines derartigen Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen, das folgende Schritte umfasst: Zunächst wird ein Katalysatorvorläufer oder Trägermaterialvorläufer über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eingebracht. Anschließend wird ein Inertgas über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden Vorläufer zu verdünnen oder entfernen. Schließlich findet in den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eine Abscheidung zur Erzeugung des Katalysator- oder Trägermaterials statt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gehört zum Bereich der chemischen Gasphasenreaktion. Insbesondere betrifft sie ein Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen und ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials mittels Atomlagenabscheidung (Atomic layer deposition, ALD).
Technischer Hintergrund
Im Bereich der Petrochemie, Brennstoffzellentechnik und hydrolytischen Wasserstofferzeugung stellt die fertigungsbegleitende Zugabe eines Katalysatormaterials eine Möglichkeit zur Erhöhung der chemischen Reaktionsrate dar. In einem Reaktionsprozess ist die Kontaktfläche zwischen Katalysator und Reaktant direkt proportional zur chemischen Reaktionsrate, ohne dass der Katalysator an der Reaktion teilnimmt. Da jedoch manche Katalysatoren Seltenerdmetalle oder Edelmetalle sind, welche schwer zu erschließen oder kostspielig sind, werden momentan meistens Katalysatoren in Form von nanoskaligen Partikeln eingesetzt, um die Verbrauchsmenge und damit die Kosten zu reduzieren. Damit sich die Reaktionsfläche nicht wegen einer möglichen Zusammenballung (Cluster) des verwendeten Katalysators verkleinert, wird der Katalysator auf einem nano- oder mikroskaligen Trägermaterial abgeschieden, was auch zur Erhöhung der Dispergierbarkeit und Stabilität des Katalysators beiträgt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, durch chemische synthetische Verfahren eine Lösung enthaltend einen Katalysator- und Trägermaterial-Vorläufer herzustellen. Anschließend wird die Lösung im Inneren eines Reaktions-Strömungskanals oder eines Reaktionsbehälters aufgetragen und in einer voreingestellten Atmosphäre erwärmt und geglüht, um somit nanoskalige Katalysatorpartikel auf einem nano- oder mikroskaligen Trägermaterial zu erzeugen. Es ist auch denkbar, dass die Lösung mit dem Katalysator- und Trägermaterial-Vorläufer mittels Druckluft oder einer Pumpe in einen geschlossenen Strömungskanal gedrängt und so erwärmt wird, dass sich aus dem Vorläufer ein Katalysator und ein Trägermaterial ergeben. Jedoch ist es wegen der Form und Größe des Strömungskanals und der unzureichenden Fließbarkeit des Vorläufers ist es nur schwer möglich, den Katalysator oder das Trägermaterial oder die beiden auf der Oberfläche des Strömungskanals abzuscheiden. Zugleich kann es auch leicht zur Zusammenballung und damit verbundenen Verkleinerung der Reaktionsfläche des Katalysators führen. Mit der pulvermetallurgischen Technik lassen sich durch Kosintern Materialgemische wie beispielsweise Reaktions-Strömungskanäle oder Reaktionsbehälter herstellen, welche einen Katalysator und ein Trägermaterial enthalten. Bei derart hergestellten Materialien steht jedoch lediglich der sich auf der Oberfläche befindende Katalysator bei der jeweiligen Reaktion zur Verfügung, was zur Reduzierung der Benutzungsquote des Katalysators und zur Erhöhung der Reaktorkosten führt.
Die Gasphasenabscheidung stellt eine Möglichkeit zur gleichmäßigen Abscheidung und zur Reduzierung der Gebrauchsmenge eines edelmetallischen Katalysators dar, kann aber wegen der Kanäle und der Form des jeweils verwendeten Trägermaterials keine abgeschiedene Verteilung des Katalysators ermöglichen. Wie in gezeigt ist, neigt ein in eine Abscheidungskammer 1 eingebrachter Gasphasenvorläufer dazu, an einem Reaktionsbehälter mit geschlossenen Strömungskanälen 12 vorbei stromabwärts Q1 zu fließen, wobei nur ein geringer Teil des Vorläufergases durch den Reaktionsbehälter hindurch stromabwärts Q2 fließt. Dabei kann zwar durch Verlängern der Zeit für die Einbringung des Vorläufergases erreicht werden, dass das Gas in die Reaktions-Strömungskanäle diffundiert und somit eine gleichmäßige Abscheidung vorliegt. Dies führt jedoch zur Erhöhung der Gebrauchsmenge des Vorläufers, was wiederum eine Zunahme der Herstellungskosten bedeutet und eine breite Anwendung der entsprechenden Vorrichtung in der Katalysatorindustrie verhindert.
Offenbarung der Erfindung
Zur Beseitigung der oben erwähnten Probleme wird bei der vorliegenden Erfindung unter Anwendung der Atomlagenabscheidungstechnik (Atomic layer deposition, ALD) durch Druckbeaufschlagung auf einer Einlaufseite oder durch Gasabsaugung auf einer Auslaufseite oder durch eine Kombination davon ein Zwangsstrom erzeugt, der durch die Reaktions-Strömungskanäle innerhalb eines Reaktionsbehälters mit geschlossenen Strömungskanälen strömt, um eine gleichmäßige Abscheidung bei der Katalysatorherstellung zu realisieren, die Gebrauchsmenge edelmetallischer Werkstoffe zu reduzieren und die Kontaktfläche der jeweiligen chemischen Reaktionen zu vergrößern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in einem Reaktionsbehälter mit geschlossenen Strömungskanälen durch chemische Gasphasenabscheidung ein Katalysator- oder Trägermaterial oder ein Materialgemisch davon herzustellen. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung wird ein Vorläufergas enthaltend das abzuscheidende Katalysator- oder Trägermaterial in einen Reaktionsbehälter eingebracht und unter vorgegebenen Temperatur-, Druck- und Atmosphärenbedingungen einer chemischen Reaktion unterzogen, um durch synthetische Verfahren ein film- oder partikelartiges Katalysator- oder Trägermaterial oder ein Materialgemisch davon herzustellen. Dazu werden erfindungsgemäß zwei Systeme, die nachstehend beschrieben werden, herangezogen.
Zunächst wird ein Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen bereitgestellt, das einen Grundkörper des Reaktionsbehälters sowie eine vordere und eine hintere Verschlusskappe umfasst, wobei der Grundkörper des Reaktionsbehälters die äußere Form eines Kreis- oder Polygonzylinders aufweist und im Innern über mehrere geschlossene Strömungskanäle verfügt. Die vordere Verschlusskappe befindet sich an einem Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters und ist mit einer Einlaufseite versehen, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters verbunden ist. Die hintere Verschlusskappe befindet sich am anderen Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters und ist mit einer Auslaufseite versehen, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters verbunden ist.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung des oben beschriebenen Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst: Zunächst wird ein Katalysatorvorläufer oder Trägermaterialvorläufer über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eingebracht. Anschließend wird ein Inertgas über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden Vorläufer zu verdünnen oder entfernen. Schließlich findet in den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eine Abscheidung zur Erzeugung des Katalysator- oder Trägermaterials statt. Dabei werden als Inertgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon eingesetzt.
Erfindungsgemäß wird ferner ein weiteres Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen bereitgestellt, das einen Grundkörper des Reaktionsbehälters, eine Umhüllung des Reaktionsbehälters und eine Verschlusskappe des Reaktionsbehälters umfasst, wobei der Grundkörper des Reaktionsbehälters die äußere Form eines Kreis- oder Polygonzylinders aufweist und im Innern über mehrere geschlossene Strömungskanäle verfügt. Hierbei ist die Umhüllung des Reaktionsbehälters auf dem Grundkörper des Reaktionsbehälters aufgesetzt, an einem Ende benachbart zu einem Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters angeordnet und teilt mit den geschlossenen Strömungskanälen eine Auslaufseite. Darüber hinaus ist die Verschlusskappe des Reaktionsbehälters an einem Ende zum Verschluss mit dem anderen Ende der Umhüllung des Reaktionsbehälters verbunden und am anderen Ende mit einer Einlaufseite versehen, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters verbunden ist.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung des oben beschriebenen Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst: Zunächst wird ein Katalysatorvorläufer oder Trägermaterialvorläufer über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eingebracht. Anschließend wird ein Inertgas über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden Vorläufer zu verdünnen oder entfernen. Schließlich findet in den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eine Abscheidung zur Erzeugung des Katalysator- oder Trägermaterials statt. Dabei werden als Inertgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon eingesetzt.
Mit den beiden erfindungsgemäß vorgeschlagenen Reaktionsbehältersystemen mit geschlossenen Strömungskanälen können sowohl ein Edelmetall- oder Übergangsmetallkatalysator enthaltend Eisen, Silber, Cobalt, Nickel, Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium und Zinn als auch ein Trägermaterial enthaltend ein hochwarmfestes Oxid, wie z.B. Siliziumdioxid, Schwefeldioxid, Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Germaniumoxid und Magnesiumoxid, oder ein feuerfestes Metall, wie etwa Chrom, Molybdän, Wolfram und Tantal, hergestellt werden.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung der oben beschriebenen beiden Reaktionsbehältersysteme mit geschlossenen Strömungskanälen bereitgestellt, das durch einen Atomlagenabscheidungszyklus erfolgt und folgende Schritte umfasst: Zunächst wird ein erster Katalysatorvorläufer oder ein erstes Trägermaterial über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eingebracht.
Anschließend wird ein Inertgas (Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon) über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden ersten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende erste Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen und um danach eine erste Abscheidung durchzuführen. Als nächster Schritt wird ein zweiter Katalysatorvorläufer oder ein zweites Trägermaterial über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eingebracht. Daraufhin wird ein Inertgas über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen und um danach eine zweite Abscheidung durchzuführen. Hierbei ist die Anzahl, mit der der Atomlagenabscheidungszyklus durchgeführt wird, linear direkt proportional zur Dicke oder Partikelgröße des Katalysator- oder Trägermaterials. Das heißt, mit jeder Wiederholung des Atomlagenabscheidungszyklus nimmt die Dicke des Katalysator- oder Trägermaterials um 0,5–1,5 Å zu.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung der oben beschriebenen beiden Reaktionsbehältersysteme mit geschlossenen Strömungskanälen bereitgestellt, das durch Super-Atomlagenabscheidungszyklen erfolgt und folgende Schritte umfasst:

– einen ersten Zyklus, bei dem zunächst ein erster Katalysatorvorläufer oder ein erstes Trägermaterial über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eingebracht wird. Anschließend wird ein Inertgas (Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon) über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden ersten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende erste Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen und um danach eine Abscheidung durchzuführen. Als nächster Schritt wird ein zweiter Katalysatorvorläufer oder ein zweites Trägermaterial über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eingebracht. Daraufhin wird ein Inertgas über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen und um danach eine Abscheidung durchzuführen.
– einen zweiten Zyklus, bei dem zunächst ein dritter Katalysatorvorläufer oder ein drittes Trägermaterial über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters eingebracht wird. Anschließend wird ein Inertgas über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden ersten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende erste Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen und um danach eine Abscheidung durchzuführen. Als nächster Schritt wird ein zweiter Katalysatorvorläufer oder ein zweites Trägermaterial über die Einlaufseite in den Grundkörper des Reaktionsbehälters eingebracht. Daraufhin wird ein Inertgas über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle eingebracht und strömt über die Auslaufseite wiederum aus, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen und um danach eine Abscheidung durchzuführen.

Dabei wird der erste Zyklus N Male und der zweite Zyklus M Male durchgeführt, um ein Katalysator- oder Trägermaterial zu erzeugen. Bei diesem Verfahren mittels Super-Atomlagenabscheidungszyklen wird durch abwechselndes oder wiederholtes Durchführen des ersten und des zweiten Zyklus jeweils für N Male bzw. M Male die Zusammensetzung des Katalysators oder der Herstellung gesteuert.
Darstellung der Abbildungen
Es zeigen
in schematischer Darstellung ein konventioneller geschlossener Reaktionsbehälter innerhalb einer Abscheidungskammer,
in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen,
in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen,
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Atomlagenabscheidungszyklen und
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Super-Atomlagenabscheidungszyklen.
Beschreibung der Ausführungsformen
Es wird auf die verwiesen, die in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen 2 zeigt. Wie dargestellt, weist ein Grundkörper des Reaktionsbehälters 21 die äußere Form eines Kreis- oder Polygonzylinders auf und verfügt im Innern über mehrere geschlossene Strömungskanäle. An einem Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters 21 befindet sich eine vordere Verschlusskappe 22, wobei an der Fügestelle zwischen vorderer Verschlusskappe 22 und Grundkörper des Reaktionsbehälters 21 ein O-Ring 24 zur Erhöhung der Dichtigkeit angebracht ist. Zudem ist der vorderen Verschlusskappe 22 eine Einlaufseite 25 zugeordnet, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters 21 verbunden ist. Am anderen Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters 21 befindet sich eine hintere Verschlusskappe 23, die an ihrer Fügestelle zum Grundkörper des Reaktionsbehälters 21 einen O-Ring 24 zur Erhöhung der Dichtigkeit aufweist. Entsprechend ist der hinteren Verschlusskappe 23 eine Auslaufseite 26 zugeordnet, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters verbunden ist.
Es wird auf die verwiesen, die in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen 3 zeigt. Wie dargestellt, weist ein Grundkörper des Reaktionsbehälters 31 die äußere Form eines Kreis- oder Polygonzylinders auf und verfügt im Innern über mehrere geschlossene Strömungskanäle. Des Weiteren ist auf dem Grundkörper des Reaktionsbehälters 31 eine Umhüllung des Reaktionsbehälters 32 aufgesetzt, die an einem Ende benachbart zu einem Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters 32 angeordnet ist und mit den geschlossenen Strömungskanälen eine Auslaufseite 26 teilt. Darüber hinaus ist eine Verschlusskappe des Reaktionsbehälters 33 vorgesehen, die an einem Ende mit dem anderen Ende der Umhüllung des Reaktionsbehälters 32 verbunden ist, wobei sich zwischen Verschlusskappe des Reaktionsbehälters 33 und Umhüllung des Reaktionsbehälters 32 ein zum Verschluss vorgesehener O-Ring 24 befindet. Ferner ist dem anderen Ende der Verschlusskappe des Reaktionsbehälters eine Einlaufseite 25 zugeordnet, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters 31 verbunden ist.
Aus geht eine schematische Darstellung von Atomlagenabscheidungszyklen (ALD cycle) hervor, in der die Durchflussmenge eines ersten Katalysatorvorläufers bzw. ersten Trägermaterials (A), eines zweiten Katalysatorvorläufers bzw. zweiten Trägermaterials (B) und eines Inertgases (P) auf der Zeit aufgetragen ist. Durch die Anzahl der Wiederholung des Zyklus A-P-B-P wird die Partikelgröße des abgeschiedenen Katalysators oder die Dicke des Trägermaterials gesteuert, um die beste Reaktionseffizienz in Anwesenheit des Katalysators zu erreichen.
Entsprechend wird mit 100 Atomlagenabscheidungszyklen unter 200°C Aluminiumoxid auf den geschlossenen Strömungskanälen innerhalb des Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen 21 abgeschieden. Dabei werden als Vorläufer Aluminiumchlorid, Aluminiumbromid oder Trimethylaluminium (TMA) und als Inertgas Wasserstoff, Wasserdampf, Sauerstoff, gasförmiges Ammoniak oder Stickstoffdioxid eingesetzt. Der abgeschiedene Aluminiumoxidfilm weist eine Dicke von 100 Å auf.
Entsprechend wird mit 100 Atomlagenabscheidungszyklen unter 200°C Titandioxid auf den geschlossenen Strömungskanälen innerhalb des Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen 21 abgeschieden. Hierbei werden als Vorläufer Titantetrachlorid und Wasser eingesetzt. Der abgeschiedene Titandioxidfilm weist eine Dicke von 60 Å auf. Anschließend werden unter Verwendung von Organoplatin-Vorläufer (MeCpPtMe₃) und Sauerstoff als Vorläufer mit 100 Atomlagenabscheidungszyklen auf der Titandioxidfilm Platinkatalysatorpartikel mit einem Durchmesser von 40 Å erzeugt.
Aus geht eine schematische Darstellung von Super-Atomlagenabscheidungszyklen (Super ALD-cycle) hervor, in der die Durchflussmenge eines ersten Katalysatorvorläufers bzw. ersten Trägermaterials (A), eines zweiten Katalysatorvorläufers bzw. zweiten Trägermaterials (B), eines dritten Katalysatorvorläufers bzw. dritten Trägermaterials (A') und eines Inertgases (P) auf der Zeit aufgetragen ist. Es wird der Zyklus A-P-B-P-A'-P-B-P wiederholt. Durch Ändern des Verhältnisses der Zyklenzahl der Zyklen A-P-B-P und A'-P-B-P kann das Verhältnis der jeweiligen Ablagerungen gesteuert und damit ein Mischphasenkatalysator oder -trägermaterial aus einer Legierung hergestellt werden.
Entsprechend wird mit 100 Atomlagenabscheidungszyklen unter 200°C Aluminiumoxid auf den geschlossenen Strömungskanälen innerhalb des Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen 21 abgeschieden. Hierbei werden als Vorläufer Trimethylaluminium und Wasser verwendet und der abgeschiedene Titandioxidfilm weist eine Dicke von 60 Å auf. Anschließend werden unter Verwendung von Organoplatin-Vorläufer (MeCpPtMe₃) als Vorläufer (A), von Rutheniummetallkomplex (Ru(Cp)₂) als Vorläufer (A') und von Sauerstoff als Vorläufer (B) mit Super-Atomlagenabscheidungszyklen und zwar 5 A-P-B-P-Zyklen und 20 A'-P-B-P-Zyklen auf dem Aluminiumoxidfilm Katalysatorpartikel aus einer Platin-Ruthenium-Legierung mit einem Durchmesser von 40 Å erzeugt, wobei der Platingehalt 25% beträgt.
Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials mittels Atomlagenabscheidung in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen durch Folgendes aus:

– Es wird zusätzlich ein erzwungener Gasstrom bereitgestellt, der durch die geschlossenen Strömungskanäle strömt, um sicherzustellen, dass das abzuscheidende Katalysator- oder Trägermaterial auf der Oberfläche der Strömungskanäle abgeschieden wird.
– Durch verschiedene Zyklenzahlen und Kombinationsverhältnisse für die Einbringung der Vorläufer werden die Partikelgröße und Verteilung des Katalysators, die Filmdicke des Trägermaterials und dessen Anteil im Materialgemisch gesteuert.

Zusammenfassend werden erfindungsgemäß ein Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen und ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials angeboten, um die Wirkung des jeweils verwendeten Katalysators zu erhöhen, die Gebrauchsmenge edelmetallischer Katalysatoren zu reduzieren und die Herstellungskosten herabzusetzen.
Bezugszeichenliste

1: Abscheidungskammer
12: Geschlossener Reaktionsbehälter
13: Gaseintrittsöffnung
14: Gasaustrittsöffnung
2: Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen
21: Grundkörper des Reaktionsbehälters
22: Vordere Verschlusskappe
23: Hintere Verschlusskappe
24: O-Ring
25: Einlaufseite
26: Auslaufseite
3: Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen
31: Grundkörper des Reaktionsbehälters
32: Umhüllung des Reaktionsbehälters
33: Verschlusskappe des Reaktionsbehälters

Claims

Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen, umfassend: – einen Grundkörper des Reaktionsbehälters, der im Innern über mehrere geschlossene Strömungskanäle verfügt, – eine vordere Verschlusskappe, die sich an einem Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters befindet und mit einer Einlaufseite versehen ist, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters verbunden ist, und – eine hintere Verschlusskappe, die sich am anderen Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters befindet und mit einer Auslaufseite versehen ist, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters verbunden ist.
Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 1, bei dem der Grundkörper des Reaktionsbehälters die äußere Form eines Kreis- oder Polygonzylinders aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung eines Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 1, umfassend folgende Schritte: – Einbringen eines Katalysator- oder Trägermaterialvorläufers über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, – Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden Vorläufer zu verdünnen oder entfernen, und – Durchführen einer Abscheidung in den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, um das Katalysator- oder Trägermaterial zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 3, bei dem als Katalysatorvorläufer ein Edel- oder Übergangsmetall eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 4, bei dem der Edelmetall Eisen, Silber, Cobalt, Nickel, Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium und Zinn ist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 3, bei dem als Trägermaterialvorläufer ein hochwarmfestes Oxid eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 6, bei dem das hochwarmfeste Oxid Siliziumdioxid, Schwefeldioxid, Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Germaniumoxid und Magnesiumoxid ist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 3, bei dem als Trägermaterialvorläufer ein feuerfestes Metall eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 8, bei dem das feuerfeste Metall Chrom, Molybdän, Wolfram und Tantal ist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 3, bei dem als Inertgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon eingesetzt werden.
Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen, umfassend: – einen Grundkörper des Reaktionsbehälters, der im Innern über mehrere geschlossene Strömungskanäle verfügt, – eine Umhüllung des Reaktionsbehälters, die auf dem Grundkörper des Reaktionsbehälters aufgesetzt, an einem Ende benachbart zu einem Ende des Grundkörpers des Reaktionsbehälters angeordnet ist und mit den geschlossenen Strömungskanälen eine Auslaufseite teil, und – eine Verschlusskappe des Reaktionsbehälters, die an einem Ende zum Verschluss mit dem anderen Ende der Umhüllung des Reaktionsbehälters verbunden und am anderen Ende mit einer Einlaufseite versehen ist, die mit den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters verbunden ist.
Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 11, bei dem der Grundkörper des Reaktionsbehälters die äußere Form eines Kreis- oder Polygonzylinders aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung eines Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 1, umfassend folgende Schritte: – Einbringen eines Katalysator- oder Trägermaterialvorläufers über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, – Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden Vorläufer zu verdünnen oder entfernen, und – Durchführen einer Abscheidung in den geschlossenen Strömungskanälen des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, um das Katalysator- oder Trägermaterial zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 13, bei dem als Katalysatorvorläufer ein Edel- oder Übergangsmetall eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 14, bei dem der Edelmetall Eisen, Silber, Cobalt, Nickel, Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium und Zinn ist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 13, bei dem als Trägermaterialvorläufer ein hochwarmfestes Oxid eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 16, bei dem das hochwarmfeste Oxid Siliziumdioxid, Schwefeldioxid, Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Germaniumoxid und Magnesiumoxid ist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 13, bei dem als Trägermaterialvorläufer ein feuerfestes Metall eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 18, bei dem das feuerfeste Metall Chrom, Molybdän, Wolfram und Tantal ist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 13, bei dem als Inertgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung eines Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 1, das durch einen Atomlagenabscheidungszyklus erfolgt und folgende Schritte umfasst: – Einbringen eines ersten Katalysatorvorläufers oder eines ersten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, – Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden ersten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende erste Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, – Durchführen einer Abscheidung, – Einbringen eines zweiten Katalysatorvorläufers oder eines zweiten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, – Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, und – Durchführen einer Abscheidung.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 21, bei dem als Inertgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 21, bei dem die Anzahl, mit der der Atomlagenabscheidungszyklus durchgeführt wird, linear direkt proportional zur Dicke oder Partikelgröße des Katalysator- oder Trägermaterials ist, d.h. mit jeder Wiederholung des Atomlagenabscheidungszyklus nimmt die Dicke des Katalysator- oder Trägermaterials um 0,5–1,5 Å zu.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung eines Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 1, das durch Super-Atomlagenabscheidungszyklen erfolgt und folgende Schritte umfasst: – einen ersten Zyklus: a. Einbringen eines ersten Katalysatorvorläufers oder eines ersten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, b. Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden ersten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende erste Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, c. Durchführen einer Abscheidung, d. Einbringen eines zweiten Katalysatorvorläufers oder eines zweiten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, e. Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, und f. Durchführen einer Abscheidung, – einen zweiten Zyklus: g. Einbringen eines dritten Katalysatorvorläufers oder eines dritten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, h. Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden dritten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende dritte Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, i. Durchführen einer Abscheidung, j. Einbringen eines zweiten Katalysatorvorläufers oder eines zweiten Trägermaterials über die Einlaufseite in den Reaktionsbehälter, k. Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, und l. Durchführen einer Abscheidung, wobei der erste Zyklus N Male und der zweite Zyklus M Male durchgeführt wird, um ein Katalysator- oder Trägermaterial zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 24, bei dem als Inertgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 24, bei dem der erste und der zweite Zyklus abwechselnd oder wiederholt jeweils für N Male bzw. M Male durchgeführt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 24, bei dem durch abwechselndes oder wiederholtes Durchführen des ersten und des zweiten Zyklus jeweils für N Male bzw. M Male die Zusammensetzung des Katalysators oder der Herstellung gesteuert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung eines Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 11, das durch einen Atomlagenabscheidungszyklus erfolgt und folgende Schritte umfasst: – Einbringen eines ersten Katalysatorvorläufers oder eines ersten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, – Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden ersten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende erste Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, – Durchführen einer Abscheidung, – Einbringen eines zweiten Katalysatorvorläufers oder eines zweiten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, – Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, und – Durchführen einer Abscheidung.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 28, bei dem als Inertgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 28, bei dem die Anzahl, mit der der Atomlagenabscheidungszyklus durchgeführt wird, linear direkt proportional zur Dicke oder Partikelgröße des Katalysator- oder Trägermaterials ist, d.h. mit jeder Wiederholung des Atomlagenabscheidungszyklus nimmt die Dicke des Katalysator- oder Trägermaterials um 0,5–1,5 Å zu.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials unter Verwendung eines Reaktionsbehältersystems mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 11, das durch Super-Atomlagenabscheidungszyklen erfolgt und folgende Schritte umfasst: – einen ersten Zyklus: m. Einbringen eines ersten Katalysatorvorläufers oder eines ersten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, n. Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden ersten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende erste Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, o. Durchführen einer Abscheidung, p. Einbringen eines zweiten Katalysatorvorläufers oder eines zweiten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, q. Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, und r. Durchführen einer Abscheidung, – einen zweiten Zyklus: s. Einbringen eines dritten Katalysatorvorläufers oder eines dritten Trägermaterials über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle des Grundkörpers des Reaktionsbehälters, t. Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden dritten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende dritte Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, u. Durchführen einer Abscheidung, v. Einbringen eines zweiten Katalysatorvorläufers oder eines zweiten Trägermaterials über die Einlaufseite in den Reaktionsbehälter, w. Einbringen eines Inertgases über die Einlaufseite in die geschlossenen Strömungskanäle und Ausströmen des Inertgases über die Auslaufseite, um dabei den übrigbleibenden zweiten Katalysatorvorläufer oder das übrigbleibende zweite Trägermaterial zu verdünnen oder entfernen, und x. Durchführen einer Abscheidung, wobei der erste Zyklus N Male und der zweite Zyklus M Male durchgeführt wird, um ein Katalysator- oder Trägermaterial zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 31, bei dem als Inertgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Neon und Argon eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 31, bei dem der erste und der zweite Zyklus abwechselnd oder wiederholt jeweils für N Male bzw. M Male durchgeführt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- oder Trägermaterials in einem Reaktionsbehältersystem mit geschlossenen Strömungskanälen gemäß Anspruch 30, bei dem durch abwechselndes oder wiederholtes Durchführen des ersten und des zweiten Zyklus jeweils für N Male bzw. M Male die Zusammensetzung des Katalysators oder der Herstellung gesteuert wird.