DE102018100092A1

DE102018100092A1 - Ionenadsorption von oxidschichten zur verhinderung des sinterns von katalysatoren

Info

Publication number: DE102018100092A1
Application number: DE102018100092.8A
Authority: DE
Inventors: Ming Yang; Gongshin Qi; Ryan J. Day; Xingcheng Xiao; Wei Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2018-01-03
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2038-01-04
Also published as: DE102018100092B4; US10562017B2; CN108273568A; US20180185831A1

Abstract

Katalysatoren, die gegen Hochtemperatursintern resistent sind und Verfahren zum Herstellen dieser Katalysatoren, die hochtemperatursinterfest sind, werden bereitgestellt. Der Katalysator kann durch Kontaktieren einer Lösung, die eine ionische Spezies umfasst, mit einem oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen eines Katalysatorträgers hergestellt werden. Eine Oberfläche des Katalysatorträgers beinhaltet ferner ein oder mehrere Katalysatorteilchen, die benachbart zu den ein oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen angeordnet sind. Die ionische Spezies weist eine erste Ladung gegenüber einer zweiten Ladung der einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche auf. Anschließend wird die ionische Spezies den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen zugeordnet, um eine Schicht auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu bilden. Die Schicht wird kalziniert, um eine Beschichtung zu erzeugen, die Metalloxid auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen umfasst, wobei die Beschichtung angrenzend an die einen oder mehreren Katalysatorteilchen gebildet wird.

Description

EINLEITUNG
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Katalysatorsysteme, die gegen Sintern bei hohen Temperaturen resistent sind und kostengünstige Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren, die gegenüber Sintern bei hohen Temperaturen resistent sind.
Metallische Nanopartikel können die aktiven Stellen von Katalysatoren bilden, die in einer Vielzahl von Anwendungen, wie der Herstellung von Kraftstoffen, Chemikalien und Pharmazeutika und zum Steuern von Emissionen von Automobilen, Fabriken und Kraftwerken, verwendet werden. Da Metallnanopartikel zum Agglomerieren tendieren, vermindert dies deren Oberfläche und Zugänglichkeit der aktiven Stellen, sodass sie häufig auf Trägermaterialien gebunden sind. Die Trägermaterialien trennen die Metallnanopartikel physikalisch zum Verhindern von Agglomeration und zum Erhöhen ihrer Oberfläche und zum Steigern der Zugänglichkeit der aktiven Stellen. Somit beinhalteten Katalysatorsysteme normalerweise eine oder mehrere Katalysatorverbindungen; ein poröses Katalysatorträgermaterial; und einen oder mehrere optionale Aktivatoren.
Nach fortgesetzter Verwendung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, verlieren Katalysatorsysteme, die geträgerte Metallnanopartikel beinhalten, ihre katalytische Aktivität durch Sintern, z. B. thermische Deaktivierung, die bei hohen Temperaturen auftritt. Durch verschiedene Mechanismen verursacht Sintern Änderungen der Metall-Partikelgrößenverteilung über einen Träger und eine Erhöhung der mittleren Teilchengröße; folglich eine Abnahme der Oberfläche für die aktiven Katalysatorverbindungen. Teilchenwanderung und Verschmelzen ist beispielsweise eine Form des Sinterns, worin Teilchen aus Metallnanopartikeln sich über eine Trägeroberfläche bewegen oder diffundieren oder durch eine Dampfphase und mit einem anderen Nanopartikel verschmelzen, was zu Nanopartikelwachstum führt. Ostwald-Reifung ist eine andere Form von Sintern, wobei die Wanderung der mobilen Spezies durch Unterschiede der freien Energie und lokalen Atomkonzentrationen auf einer Trägeroberfläche angetrieben wird. Nach dem Auftreten von Sinter-Prozessen kann die Katalysatoraktivität abnehmen. Daher, sind Katalysatorsysteme häufig mit einer ausreichenden Menge geträgerter Metallnanopartikel beladen, etwa die Abnahme der katalytischen Aktivität über die Zeit zu berücksichtigen und weiterhin beispielsweise Emissionsstandards über eine lange Betriebsdauer bei hoher Temperatur zu erfüllen.
Verschiedene Techniken wurden zum Verringern des Sinterns von Metallkatalysatoren eingesetzt. Metalle wurden beispielsweise mit anderen Metallen legiert, Metallnanopartikel wurden mit amorphen Beschichtungen, wie beispielsweise der Atomlagenabscheidung, eingekapselt und es wurde eine starke Verankerung von Metallnanopartikeln auf Trägern versucht. Jedoch hatten diese Chemie-basierten Techniken nur begrenzten Erfolg. Dementsprechend besteht ein Bedarf an verbesserten Katalysatoren, die sinterfest sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems vorgesehen, das beständig gegen Sintern ist. Das Katalysatorsystem kann mindestens ein katalytisch aktives Material, einen Katalysatorträger und eine Beschichtung beinhalteten. In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines sinterbeständigen Katalysatorsystems bereit, wobei das Verfahren das Kontaktieren einer Lösung, die eine ionische Spezies enthält, mit einem oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen eines Katalysatorträgers beinhaltet. Eine Oberfläche des Katalysatorträgers beinhaltet ferner ein oder mehrere Katalysatorteilchen, die benachbart zu den ein oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen angeordnet sind. Weiterhin weist die ionische Spezies eine erste Ladung gegenüber einer zweiten Ladung der ein oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche auf. Das Verfahren beinhaltet daher die Zuordnung der ionischen Spezies zu den ein oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen, um eine Schicht auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu bilden. Die Schicht kann kalziniert werden, um eine Beschichtung mit Metalloxid auf einem oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu erzeugen. Die Beschichtung ist angrenzend an die einen oder mehreren Katalysatorteilchen gebildet.
In einer Variation ist die erste Ladung der ionischen Spezies negativ und die zweite Ladung der einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche positiv, sodass die negativ geladene ionische Spezies an die positiv geladenen Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers bindet.
In einer anderen Variation ist die erste Ladung der ionischen Spezies positiv und die zweite Ladung der einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche negativ, so dass die positiv geladene ionische Spezies an die negativ geladenen Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers bindet.
In einer Variation beinhaltet das Verfahren vor dem Kontaktieren ferner die Vorbehandlung eines oder mehrerer Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers mit einem Vorläufer, um einen Punkt der Nullladung (PZC) in den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen zu erhöhen. Der Vorläufer beinhaltet ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kalium (K), Natrium (Na), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Cer (Ce), Kobalt (Co), Yttrium (Y) und Kombinationen davon.
In einer Variation kann ein pH-Wert der Lösung kleiner sein als der PZC-Wert der einen oder mehrerer geladenen Bereiche.
In einer Variation beinhaltet das Verfahren vor dem Kontaktieren ferner die Vorbehandlung eines oder mehrerer Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers mit einem Vorläufer, um einen Punkt der Nullladung (PZC) in den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen zu verringern. Der Vorläufer beinhaltet ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Titan (Ti), Antimon (Sb), Wolfram (W) und Kombinationen davon.
In einer Variation kann ein pH-Wert der Lösung größer sein als der PZC-Wert der einen oder mehrerer geladenen Bereiche.
In einer anderen Variation beinhaltet die ionische Spezies ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si) und Kombinationen davon.
In einer Variation wird das Metalloxid ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O_O3₎, Ceriumoxid _(CeO2₎, Zirkoniumoxid _(ZrO2), Eisenoxid _(Fe2_O3₎, Titandioxid _(TiO2), Siliziumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon.
In einer Variation beinhaltet der Träger ein Metalloxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ceriumoxid (CeO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Magnesiumoxid (MgO) Zinkoxid (ZnO), Bariumoxid (BaO), Kaliumoxid (K₂O), Natriumoxid (Na₂O), Calziumoxid (CaO), Lanthanoxid (La₂O₃) und Kombinationen davon.
In einer Variation beinhaltet das Katalysatorteilchen ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir), Gold (Au), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Mangan (Mn) und Kombinationen davon. In Variationen, bei denen der Katalysator ein Platingruppenmetallkatalysator ist, kann ein Metall aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir), Gold (Au) und Kombinationen davon.
In einer Variation beinhaltet das Kalzinieren der Schicht das Erwärmen der Schicht bei mehr als oder gleich etwa 300 °C auf weniger als oder gleich etwa 600 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden.
In einer Variation ist der Katalysatorträger in Pulverform und die Kontaktierung beinhaltet ferner das Mischen des Katalysatorträgers in Pulverform und der Lösung einschließlich der ionischen Spezies, um ein Gemisch zu bilden. Nach dem Zuordnen der ionischen Spezies zu den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen, um eine Schicht auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu bilden, beinhaltet das Verfahren ferner das Filtern des Gemischs, um ein Filtrat einschließlich des Katalysatorträgers mit der Schicht zu sammeln; und das Trocknen des Filtrats vor dem Kalzinieren.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines sinterbeständigen Katalysatorsystems vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Kontaktieren einer Lösung, die eine anionische Spezies mit einem oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen eines Katalysatorträgers beinhaltet. Eine Oberfläche des Katalysatorträgers beinhaltet ferner ein oder mehrere Katalysatorteilchen, die benachbart zu den einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen angeordnet sind. Das Verfahren beinhaltet ferner die Zuordnung der ionischen Spezies zu den einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen, um eine Schicht auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen des Katalysatorträgers zu bilden. Das Verfahren beinhaltet auch das Kalzinieren der Schicht, um eine Beschichtung mit Metalloxid auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu erzeugen. Die Beschichtung wird angrenzend an die einen oder mehrere Katalysatorteilchen gebildet, und das Metalloxid wird aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceriumoxid (CeO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon.
In einer Variation beinhaltet das Verfahren vor dem Kontaktieren ferner die Vorbehandlung eines oder mehrerer Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers mit einem Vorläufer, um einen Punkt der Nullladung (PZC) in den einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen zu erhöhen. Der Vorläufer beinhaltet ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kalium (K), Natrium (Na), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Cer (Ce), Kobalt (Co), Yttrium (Y) und Kombinationen davon.
In einer Variation beinhaltet die anionische Spezies ein Anion, dargestellt durch die Formel[M(OH)_x] ^y-, wobei M ein Element ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Kobalt (Co), Yttrium (Y), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Vanadium (V) und Kombinationen davon, und x reicht von 1 bis 6 und y reicht von 1 bis 5.
In einer Variation ist ein pH-Wert der Lösung kleiner als ein Punkt der Nullladung (PZC) der einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereiche.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines sinterbeständigen Katalysatorsystems vorgesehen. Das Verfahren kann das Kontaktieren einer Lösung, die eine kationische Spezies beinhaltet, mit einem oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereichen eines Katalysatorträgers beinhalten. Eine Oberfläche des Katalysatorträgers beinhaltet ferner ein oder mehrere Katalysatorteilchen, die benachbart zu den einen oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereichen angeordnet sind. Die kationische Spezies kann einem oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereichen zugeordnet werden, um eine Schicht auf einem oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen des Trägers zu bilden. Die Schicht kann kalziniert werden, um eine Beschichtung mit Metalloxid auf einem oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu erzeugen. Die Beschichtung ist angrenzend an die einen oder mehreren Katalysatorteilchen gebildet. Das Metalloxid wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceriumoxid (CeO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon.
In einer Variation ist ein pH-Wert der Lösung größer als ein Punkt der Nullladung (PZC) der einen oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereiche.
In einer Variation kann das Verfahren vor dem Kontaktieren ferner die Vorbehandlung eines oder mehrerer Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers mit einem Vorläufer beinhalten, um einen Punkt der Nullladung (PZC) in den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen zu verringern. Der Vorläufer beinhaltet optional ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Titan (Ti), Antimon (Sb), Wolfram (W) und Kombinationen davon.
In einer Variation beinhaltet die kationische Spezies ein Anion, dargestellt durch die Formel [M(NH)₃)_m]ⁿ⁺, wobei M ein Element ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Kobalt (Co), Yttrium (Y), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Vanadium (V) und Kombinationen davon, und m reicht von 1 bis 6 und n reicht von 1 bis 5.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine Darstellung eines sinterbeständigen Katalysatorsystems, das gemäß bestimmter Aspekte der vorliegenden Technologie hergestellt wurde, die eine anionische Adsorption ionischer Spezies an einem oder mehreren positiv geladenen Bereichen eines Katalysatorträgers beinhaltet.
2 ist eine Darstellung eines sinterbeständigen Katalysatorsystems, das gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Technologie hergestellt wurde, die eine kationische Adsorption ionischer Spezies an einem oder mehreren negativ geladenen Bereichen eines Katalysatorträgers beinhaltet.

Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst,“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt an/auf, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. („zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkte und Unterbereiche. Wie hierin angegeben, werden Bereiche, sofern nicht anderweitig spezifiziert, einschließlich von Endpunkten angegeben und beinhalten die Offenbarung aller unterschiedlicher Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs. Demnach gilt beispielsweise eine Bereichsangabe von „von A zu B“ oder „von etwa A bis etwa B“ einschließlich A und B.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Chemie-basierte Ansätze zum Stabilisieren von Metallnanopartikeln wurden mit begrenztem Erfolg durchgeführt. Dementsprechend stellt die vorliegende Technologie einen lösungsbasierten Ansatz zum Minimieren oder Eliminieren des Sinterprozesses bereit, der ansonsten bei Katalysatorteilchen auftreten kann. Dieser Ansatz erzeugt Beschichtungen, die selektiv auf den Oberflächen von Katalysatorträgern verteilt und an die Metallteilchen gebunden sind, wodurch der Verlust der Katalysatoraktivität durch Unterdrücken der durch das Sintern verursachten Reifung verringert wird. Der aktuelle Lösungs-basierte Ansatz ist in Bezug zu anderen Chemie-basierten Ansätzen ein kostengünstiges nasschemisches Verfahren, was eine höhere thermische Haltbarkeit bedingt und Anforderungen an die Beladung mit Katalysatormetall vermindert, was zu erheblicher Kostenersparnis führt. Die vorliegende Technologie kann selbstbegrenzend sein und kann im Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren weniger aktive Stellen auf aktiven Katalysatorteilchen behindern, die die Oberfläche der Katalysatormetallteilchen vollständig beschichten und/oder zu mehreren Beschichtungslagen führen können, sodass ein potenzieller Verlust in der Anzahl der verfügbaren aktiven Stellen des Katalysators auftreten kann.
In bestimmten Aspekten kann die Beschichtung der vorliegenden Technologie selektiv abgeschieden werden und die Sinterung kann teilweise durch physikalische Trennung benachbarter Katalysatormetallteilchen unterbunden werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Katalysatorsystem, das den gleichen Katalysator und das gleiche Trägermaterial aufweist, aber nicht beschichtet ist, kann die vorliegende Technologie beispielsweise den Bedarf an einer Katalysatormetallbeladung durch größer oder gleich 30 %, größer oder gleich 40 %, größer oder gleich 50 %, größer oder gleich 60 %, größer oder gleich 70 %, größer oder gleich 80 % oder größer oder gleich 90 %, wie zum Beispiel von größer als oder gleich etwa 30 % bis kleiner als oder gleich etwa 90 %, von größer als oder gleich etwa 40 % bis kleiner als oder gleich etwa 80 %, von größer als oder gleich etwa 50 % bis kleiner als oder gleich etwa 80 %, von etwa größer als oder gleich 60 % bis kleiner als oder gleich etwa 80 % oder von größer als oder gleich etwa 70 % bis kleiner als oder gleich etwa 80 %. In weiteren Aspekten kann die vorliegende Technologie im Vergleich zu einem herkömmlichen Katalysatorsystem, das den gleichen Katalysator und das gleiche Trägermaterial aufweist, jedoch ohne die Beschichtung, eine Lightoff-Temperatur um mehr als oder gleich etwa 10 °C, optional größer oder gleich etwa 20 °C und in bestimmten Variationen optional eine Lightoff-Temperatur von mehr als oder gleich etwa 30 °C verringern.
Dementsprechend stellt die vorliegende Technik ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators durch einen Lösungs-basierten Ansatz bereit. Zunächst kann das Verfahren die Bindung von mindestens einem Katalysator an einen Katalysatorträger beinhalten. Der Katalysator kann ein Nanoteilchen sein. Das Katalysatorteilchen umfasst optional ein oder mehrere Platingruppenmetalle (PGM), ein oder mehrere Edelmetalle oder dergleichen. So kann der Katalysator beispielsweise ein oder mehrere Platingruppenmetalle, wie Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) oder Kombinationen davon; Edelmetalle, wie Ruthenium (Re), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au) oder Kombinationen davon; oder andere Metalle, wie Eisen (Fe), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Natrium (Na), Kalium (K), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca), Barium (Ba) oder Kombinationen davon, umfassen. In einer Variation beinhaltet das Katalysatorteilchen zum Beispiel optional ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir), Gold (Au), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Mangan (Mn) und Kombinationen davon. In einer Variation kann der Katalysator Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Mischungen davon umfassen.
Der Katalysator kann einen maximalen Durchmesser größer oder gleich etwa 0 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 nm, wie ein Durchmesser von etwa 1 nm, etwa 2 nm, etwa 3 nm, etwa 4 nm, etwa 5 nm, etwa 6 nm, etwa 7 nm, etwa 8 nm, etwa 9 nm oder etwa 10 nm, aufweisen. In bestimmten Situationen kann der Katalysator einen Durchmesser aufweisen, der dem einer atomaren Spezies entspricht.
Der Katalysatorträger kann ein Metalloxid umfassen. Der Katalysatorträger kann in Form einer Vielzahl von Teilchen (z. B. ein Pulver) oder einer monolithischen Struktur (z. B. eine Wabenstruktur) vorliegen, die mit einer Washcoatschicht beschichtet sein kann, die das Katalysatormaterial beinhaltet. In einer Variation umfasst der Träger ein Metalloxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ceriumoxid (CeO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Magnesiumoxid (MgO) Zinkoxid (ZnO), Bariumoxid (BaO), Kaliumoxid (K₂O), Natriumoxid (Na₂O), Calziumoxid (CaO), Lanthanoxid (La₂O₃) und Kombinationen davon. Der Katalysatorträger kann auch Dotierstoffe umfassen. Der Katalysatorträger kann Dotierstoffe umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Barium (Ba), Cer (Ce), Lanthan (La), Phosphor (P) und Kombinationen davon. Wie hierin dargelegt, können ein oder mehrere ausgewählte Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers ferner mit einem Vorläufer vorbehandelt werden, um eine Nullpunktladung (PZC) in diesen Bereichen zu modifizieren.
Wenn der Katalysatorträger eine monolithische Struktur mit einer Washcoatschicht ist, kann die monolithische Struktur aus allen vorstehend erwähnten Metalloxiden, Perowskiten, Zeolithen und Kombinationen davon gebildet werden. Die Washcoat-Schicht kann die gleichen oder verschiedene Metalloxide beinhalten, um eine poröse Keramikschicht einschließlich des Katalysatormaterials zu bilden. Der Washcoat-Vorläufer, der das oder die Katalysatormaterial(ien) beinhaltet, kann auf eine Oberfläche des Katalysatorträgers aufgetragen und anschließend wärmebehandelt, z. B. kalziniert werden, um eine poröse keramische Washcoatschicht zu bilden, die das darin dispergierte Katalysatormaterial beinhaltet.
In weiteren Aspekten kann der Träger aus einer Vielzahl von Partikeln (z. B., Pulver) bestehen. In diesen Variationen weist der Träger einen Durchmesser von größer oder gleich ungefähr 0,8 µm bis kleiner als oder gleich etwa 5 µm, größer oder gleich 1 µm bis kleiner als oder gleich etwa 4 µm, größer oder gleich 1,5 µm bis kleiner als oder gleich etwa 3,5 µm, oder größer oder gleich 2 µm bis kleiner als oder gleich etwa 3 µm, wie einem Durchmesser von ca. 0,8 µm, 1 µm, 1,5 µm, 2 µm, 2,5 µm, 3 µm, 3,5 µm, 4 µm, 4,5 µm oder 5 µm auf.
Nach dem Binden eines Katalysatorteilchens an einen Katalysatorträger, im Folgenden auch „Trägerteilchen“ genannt, kann das Verfahren optional eine Vorbehandlung des geträgerten Teilchensystems umfassen.
In bestimmten Fällen kann der Katalysatorträger der Trägerteilchen mit verschiedenen Wärmebehandlungen, Säure- oder Laugenwäschen behandelt oder mit Dotierstoffen oder Heteroatomen modifiziert werden. So können beispielsweise ein oder mehrere Oberflächenbereiche des geträgerten Teilchensystems mit einem Vorläufer behandelt werden, um einen Punkt der Nullladung (PZC) zu erhöhen und so eine Ladung in einem oder mehreren Oberflächenbereichen zu modifizieren. Insbesondere sind die einen oder mehrere Bereiche der Katalysatorträgeroberfläche diejenigen, die exponiert sind und angrenzend an oder in der Nähe des Katalysators angeordnet sind, der ebenfalls an der Oberfläche gebunden ist. Dadurch bleibt der Katalysator auf den geträgerten Teilchen unbeschichtet mit dem Vorläufer, während der Vorläufer an das Katalysatorträgermaterial bindet und/oder mit diesem reagiert. In bestimmten Variationen, bei denen ein Punkt der Nullladung (PZC) der Oberfläche des Katalysatorträgers vergrößert wird, beinhaltet der Vorläufer ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kalium (K), Natrium (Na), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Cer (Ce), Kobalt (Co), Yttrium (Y) und Kombinationen davon. In einer derartigen Variation führt der Vorläufer ein oder mehrere Heteroatome auf die Trägeroberfläche ein, die dazu dienen, den Punkt der Nullladung (PZC) zu erhöhen. Durch das Erhöhen des PZC der einen oder mehreren Oberflächenbereiche auf dem Träger werden diese Bereiche somit aufgeladen und weisen eine höhere Zuordnungsneigung zu (z. B. adsorbieren oder binden an) einer ionischen (z. B. anionischen) Spezies auf.
In einer alternativen Variation werden ein oder mehrere Oberflächenbereiche des Trägers mit einem Vorläufer vorbehandelt, um einen Punkt der Nullladung (PZC) in den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen zu verringern und so eine Ladung in den einen oder mehreren Oberflächenbereichen zu modifizieren. Der Vorläufer einer derartigen Variation kann ein Element beinhalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus: Titan (Ti), Antimon (Sb), Wolfram (W) und Kombinationen davon. Der Vorläufer führt ein oder mehrere Heteroatome auf die Trägeroberfläche ein, die dazu dienen, den Punkt der Nullladung (PZC) zu verringern. Durch das Verringern des PZC der einen oder mehreren Oberflächenbereiche auf dem Träger werden diese Bereiche somit aufgeladen und weisen eine höhere Zuordnungsneigung zu (z. B. adsorbieren oder binden an) einer ionischen (z. B. kationischen) Spezies auf.
In verschiedenen Fällen weist die Oberfläche des Katalysatorträgers ein PZC von mehr als oder gleich etwa 2 bis weniger als oder gleich etwa 8 auf. In bestimmten Fällen weist die Oberfläche des Katalysatorträgers ein PZC größer oder gleich etwa 7 auf. In anderen Fällen weist die Oberfläche des Katalysatorträgers eine PZC von weniger als etwa 7 auf.
Es sei darauf hingewiesen, dass bestimmte Katalysatorträger möglicherweise keine Vorbehandlung mit einem Vorläufer erfordern, um ein oder mehrere Heteroatome auf der Oberfläche einzuführen, da die Oberflächenbereiche der Träger ausreichend Ladung tragen können, um sie mit einer ionischen Spezies in Verbindung zu bringen, wie hierin weiter ausgeführt wird.
In verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems vorgesehen, das beständig gegen Sintern ist. In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines sinterbeständigen Katalysatorsystems bereit, welches das Kontaktieren einer Lösung, die eine ionische Spezies enthält, mit einem oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen eines Trägers beinhaltet. Eine Trägeroberfläche beinhaltet ferner ein oder mehrere Katalysatorteilchen, die angrenzend an die einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche angeordnet sind, sodass die einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche von den an die Katalysatorteilchen gebundenen Bereichen getrennt sind. Weiterhin weist die ionische Spezies eine erste Ladung gegenüber einer zweiten Ladung der ein oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche auf.
Das Verfahren beinhaltet daher die Zuordnung der ionischen Spezies zu den ein oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen, um eine Schicht auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu bilden. Ein derartiger Assoziierungsprozess ist selbsteinschränkend. Dadurch kann die Schicht dann kalziniert werden, um eine Beschichtung mit Metalloxid auf einem oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu erzeugen. Die Beschichtung kann porös sein. Die Beschichtung ist angrenzend an die einen oder mehreren Katalysatorteilchen gebildet.
Die Lösung, die mit der Katalysatorträgeroberfläche in Kontakt kommt, kann ein Lösungsmittel umfassen. Nicht einschränkende Beispiele für Lösungsmittel sind Wasser, Alkohol oder andere organische Lösungsmittel. In bestimmten Aspekten ist die Lösung wässrig. Obgleich hierin auf eine wässrige Lösung Bezug genommen wird, ist zu verstehen, dass in bestimmten Fällen andere Lösungsmittel verwendet werden können. So kann beispielsweise das Lösungsmittel nur Alkohol oder ein anderes organisches Lösungsmittel sein. Wie nachfolgend dargelegt, kann der pH-Wert der Lösung so eingestellt werden, dass er größer oder kleiner als ein PZC der einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers ist, abhängig von der Ladung der zu deponierenden ionischen Spezies. Der pH-Wert der Lösung kann durch Zugabe von Säuren, Basen, Puffern und ähnlichem verändert werden. So kann beispielsweise in bestimmten Fällen der pH-Wert des Lösungsmittels durch Zugabe von verdünntem HNO₃ aufrechterhalten werden.
Unter dem Begriff Lösung sind Suspensionen mit darin verteilten Teilchen zu verstehen. Daher kann der Katalysatorträger mit den Katalysatorteilchen in einem Gewichtsverhältnis von größer oder gleich 1:1 bis kleiner oder gleich 1:1000 in Bezug auf die Lösung vorliegen. In bestimmten Fällen kann die Lösung zusammen mit der geträgerten Teilchenmischung eine verdünnte Katalysator-Wasser-Suspension bilden. In anderen Fällen können die Lösung und die geträgerten Teilchen eine konzentriertere Aufschlämmung mit höherer Viskosität bilden.
Die Lösung umfasst auch die eine oder mehrere ionische Spezies, die sich mit den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen des Trägers verbinden und nach dem Kalzinieren die Beschichtung aus Metalloxid bilden. Somit kann die ionische Spezies ein Element beinhalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Kobalt (Co), Yttrium (Y), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Vanadium (V) und Kombinationen davon. In bestimmten Fällen beinhalten die ionischen Spezies derartige Metalle, die Salze mit löslichen Nitraten, Acetaten, Sulfaten, Oxalaten, schwach basischen Hydroxiden oder Kombinationen davon bilden können. Als nicht einschränkende Beispiele sind die Salze von Al unter anderem Al(NO₃)₃, Al₂(SO₄)₃, Al(CH₃CO₂)₃, and Al₂C₆O₁₂; Salze aus Ba einschließlich BaC₂O₄, Ba(NO₃)₂, C₄H₆BaO₄, und BaSO₄; Salze aus Sr einschließlich SrSO₄, Sr(NO₃)₂, Sr(CH₃CO₂)₂, und SrC₂O₄; Salze aus Zn einschließlich Zn(NO₃)₂, C₄H₆O₄Zn, ZnSO₄, ZnC₂O₄; Salze aus La einschließlich La₂(C₂O₄)₃, La(NO₃)₃, La(CH₃CO₂)₃, und La₂(SO₄)₃, Salze aus Ce einschließlich Ce(SO₄)₂, Ce(CH₃CO₂)₃, Ce(NO₃)₃, and Ce₂(C₂O₄)₃; Salze aus Co einschließlich CoC₂O₄, Co(NO₃)₂, CoSO₄, und C₄H₆CoO₄; Salze aus Y einschließlich (CH₃CO₂)₃Y, Y(NO₃)₃, Y₂(SO₄)₃, und Y₂(C₂O₄)₃; Salze aus Ti einschließlich Ti(NO₃)₄, Ti(C₂H₃O₂)₄, Ti(SO₄)₂, und Ti(C₂O₄)₂; und jede beliebige Kombination dieser Salze kann in Lösung eingesetzt werden. In einer Variation kann das Metallsalz Al umfassen und ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Al(NO₃)₃, Al₂(SO₄)₃, Al(CH₃CO₂)₃, and Al₂C₆O₁₂ und Kombinationen davon.
Die ionische Spezies kann somit eine kationische Spezies sein, die mit (z. B. adsorbieren oder binden an) einem oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereichen auf dem Träger verbunden ist. Alternativ kann die ionische Spezies eine anionische Spezies sein, die mit einem oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen auf dem Träger verbunden ist.
In einer Variation ist die ionische Spezies eine anionische Spezies, die ein Anion beinhaltet, das durch die Formel [M(OH)_x] ^y- dargestellt wird, die nach Hydrolyse innerhalb der wässrigen Lösung gebildet wurde, wobei x im Bereich von 1 bis 6 und y im Bereich von 1 bis 4 liegt. M kann ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Kobalt (Co), Yttrium (Y), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Vanadium (V) und Kombinationen davon. Nicht einschränkende Beispiele beinhalten Aluminiumhydroxid-Anion ([Al(OH)₄]^-), Ceriumhydroxid-Anion ([Ce(OH)₄]^-), Zirkoniumhydroxid-Ion ([Zr(OH)₄]^-) und dergleichen.
In einer weiteren Variation ist die ionische Spezies eine kationische Spezies, die ein Kation beinhaltet, das durch die Formel [M(NH₃)_m]ⁿ⁺ nach der Hydrolyse innerhalb der wässrigen Lösung gebildet wird, wobei m im Bereich von 1 bis 6 und n im Bereich von 1 bis 5 liegt. M kann ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Kobalt (Co), Yttrium (Y), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Vanadium (V) und Kombinationen davon. Nicht einschränkende Beispiele beinhalten [Ce [Ce(NH₃)₄]⁴⁺, [Ce(NH₃)₄]³⁺, [Co(NH₃)₆]²⁺, [Co(NH₃)₆]⁴⁺, [Fe(NH₃)₄]²⁺, [Fe(NH₃)₆]³⁺, [Cu(NH₃)₄]²⁺, [Cu(NH₃)₄]⁺und dergleichen.
In bestimmten Fällen ist eine ionische Spezies in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% der Gesamtlösung vorhanden.
In bestimmten Variationen kann der Katalysatorträger mit einem oder mehreren Katalysatoren in Form eines monolithischen Trägers vorliegen, sodass die Kontaktierung mit der Lösung auch das Auftragen der Lösung auf eine Oberfläche eines monolithischen Trägers beinhalten kann. Dieses Auftragen kann das Aufsprühen der Lösung auf die Oberfläche des Katalysatorträgers oder das Eintauchen des Katalysatorträgers in ein Bad der Lösung beinhalten. In weiteren Variationen kann der Katalysatorträger, der einen oder mehrere Katalysatoren trägt, in Form von geträgerten Teilchen, z. B. einem Pulver, vorliegen. In einer derartigen Variation kann das Inkontaktbringen der geträgerten Teilchen mit der Lösung, welche die ionische Spezies umfasst, das Einbringen der geträgerten Teilchen in die Lösung und das Mischen derselben beinhalten. In bestimmten Fällen wird die ionische Spezies und die Katalysatorsuspension oder der Katalysatorschlamm bei einer Temperatur von mehr als 0 °C und weniger als oder gleich 80 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich einigen Minuten und weniger als oder gleich einigen Tagen gerührt. In anderen Fällen kann die Lösung, die die ionische Spezies und die Katalysatorsuspension oder -schlamm umfasst, bei einer Temperatur von mehr als 0 °C und weniger als oder gleich 80 °C für einen Zeitraum von mehr oder gleich einigen Minuten und weniger als oder gleich einigen Tagen gefräst werden.
Wie bereits erwähnt, verbindet sich die ionische Spezies mit den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen des Trägers, um eine selbsteinschränkende Schicht der ionischen Spezies zu bilden. Die ionischen Spezies/Beschichtungsvorläufer können in der Lösung Radikale bilden. Die Radikale können positiv oder negativ geladen sein. Der Assoziierungsprozess kann die Adsorption und/oder ionische Bindung zwischen der ionischen Spezies und der einen oder mehreren geladenen Oberflächen beinhalten. Durch Anpassen des pH-Wertes der Lösung (z. B. Suspension einschließlich der ionischen Spezies und des Katalysatorträgers) weisen die Radikale und die Oberfläche des Katalysatorträgers entgegengesetzte Ladungen auf. Die entgegengesetzten Ladungen ziehen sich an und die Beschichtungsradikale binden sich an den Katalysatorträger und bilden eine Oxidschicht. In bestimmten Fällen kann eine Anionadsorption der Beschichtungsschicht auf den Katalysatorträgern auftreten, wenn die ionische Spezies anionisch ist. In anderen Fällen kann eine Kationadsorption der Beschichtungsschicht auf dem Katalysatorträger auftreten, wenn die ionische Spezies kationisch ist. Der Beschichtungsprozess erfolgt nur bis zur Neutralisierung der Elektronenladung. Daher werden nach der elektronischen Neutralisierung der Oberfläche keine zusätzlichen Schichten hinzugefügt, was eine selbsteinschränkende Reaktion zur Folge hat. Die Spezies/Radikale binden stabil auf dem Träger als geschlossene Schicht, um die Elektronenladung des Katalysatorträgers zu neutralisieren. Da der Beschichtungsprozess selbsteinschränkend ist, wird die Überbeschichtung wirkungsvoll reduziert. Die vorliegende Oxidschicht verhindert wirkungsvoll das Sintern der geträgerten Teilchen. Darüber hinaus vermeidet die Oxidbeschichtung das Abdecken der Katalysatormetallteilchen oder zumindest teilweise das Abdecken der Katalysatormetallteilchen, sodass große Mengen der aktiven Stellen exponiert und für vorbeifließende Flüssigkeiten zugänglich bleiben.
Wenn der Träger in Pulverform vorliegt und die Kontaktierung weiterhin das Mischen des Trägers in Pulverform und der Lösung einschließlich der ionischen Spezies beinhaltet, wird ein Gemisch gebildet. Nachdem das Zuordnen der ionischen Spezies zu den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen, um eine Schicht auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu bilden, abgeschlossen ist, kann das Verfahren ferner das Filtern des Gemischs beinhalten, um ein Filtrat einschließlich des Katalysatorträgers mit der Schicht zu sammeln; und das Trocknen des Filtrats vor dem Kalzinieren. In bestimmten Fällen wird das Gemisch gefiltert und unter Umgebungsluft bei einer Temperatur, die größer oder gleich der Umgebungstemperatur ist (z. B. Raumtemperatur oder etwa 21°C), auf weniger als oder gleich 100 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich einigen Minuten bis weniger als oder gleich drei Tagen getrocknet. In anderen Fällen wird das Gemisch gefiltert und unter Unterdruck oder Vakuumbedingungen bei einer Temperatur, die größer oder gleich der Raumtemperatur ist, bis 100 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich einigen Minuten bis weniger als oder gleich drei Tagen getrocknet. In bestimmten Fällen kann eine Wässerung des Filtrats nach der Filtration abgeschlossen werden.
Das Verfahren umfasst auch das Kalzinieren der Metallvorläufer, um eine Metalloxidschicht auf dem Katalysatorträger zu erzeugen. Das Kalzinieren beinhaltet das Erwärmen des Katalysatorträgers einschließlich der Schicht, die aus der darauf beschichteten ionischen Spezies und dem Katalysator gebildet wird, bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa 300 °C bis weniger als oder gleich etwa 600 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden. Das Metalloxid, das die Beschichtung bildet, wird optional ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceriumoxid (CeO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon.
Das Katalysatorsystem kann mindestens ein katalytisch aktives Material, einen Katalysatorträger und eine selbsteinschränkende Beschichtung einer oder mehrerer Metalloxide beinhalten. Mit Bezug auf 1 stellt die aktuelle Technologie auch ein Katalysatorsystem 10 in Form einer monolithischen Struktur bereit, das sinterbeständig ist und die katalytische Aktivität nach längerer Einwirkung erhöhter Temperaturen beibehält. Das Katalysatorsystem 10 kann ein Katalysatorsystem sein, das durch anionische Adsorption erzeugt wird.
Ein derartiges Verfahren kann das Kontaktieren einer Lösung, die eine anionische Spezies mit einem oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen eines Katalysatorträgers beinhaltet, umfassen. Das Katalysatorsystem 10 beinhaltet Katalysatormetall-Nanopartikel 12, die an einen Katalysatorträger 14 (Metalloxidträger) gebunden sind. In verschiedenen Fällen sind die Metallnanopartikel 12 entweder direkt oder indirekt mit dem Katalysatorträger 14 verbunden. Eine selbsteinschränkende Oxidschicht 16 wird über einen oder mehrere geladene Oberflächenbereiche 20 des Katalysatorträgers 14 gebildet. Die Oberflächenbereiche 20 sind unabhängig von, aber angrenzend an die Bereiche des Katalysatorträgers 14, der die Katalysatormetall-Nanopartikel 12 trägt.
Nachdem eine Lösung, die eine anionische Spezies beinhaltet, mit den einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen 20 auf dem Katalysatorträger 14 in Kontakt gebracht wurde, wird die anionische Spezies mit den einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen 20 verbunden, um eine Schicht auf einem oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen des Trägers zu bilden. In einer Variation ist ein pH-Wert der Lösung kleiner als ein Punkt der Nullladung (PZC) der einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereiche. Das Verfahren beinhaltet auch das Kalzinieren der Schicht zum Erzeugen der selbsteinschränkenden Oxidschicht 16. Die Oxidbeschichtung kann Metalloxide beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceriumoxid (CeO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (TiO₂) und Kombinationen davon.
Die Metallnanopartikel (z. B., Metall-Nanopartikel 12) können eine Beladungsdichte auf dem Katalysatorträger 14 größer oder gleich ungefähr 0,25 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 20 Gew.-%, wie eine Beladungsdichte von etwa 0,25 Gew.-%, etwa 0,5 Gew.-%, etwa 1 Gew.-%, etwa 1,5 Gew.-%, etwa 2 Gew.-%, etwa 2,5 Gew.-%, etwa 3 Gew.-%, etwa 3,5 Gew.-%, etwa 4 Gew.-%, etwa 4,5 Gew.-%, etwa 5 Gew.-%, etwa 5,5 Gew.-%, etwa 6 Gew.-%, etwa 6,5 Gew.-%, etwa 7 Gew.-%, etwa 7,5 Gew.-%, etwa 8 Gew.-%, etwa 8,5 Gew.-%, etwa 9 Gew.-%, etwa 9,5 Gew.-% oder etwa 10 Gew.-%, aufweisen. In einigen Fällen ist die Beladungsdichte der Metallnanopartikel 12 auf dem Katalysatorträger 14 etwa 1,5 Gew.-%.
Wie vorstehend in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung eines Katalysators dargestellt, können die Nanopartikel 12 Platingruppenmetall-(PGM)-Nanopartikel, wie Nanopartikel von Ru, Rh, Pd, Os, Ir oder Pt, ein Edelmetall, wie Nanopartikel von Re, Cu, Ag, Au, oder andere Metalle, wie Nanopartikel von Na, K, Mg, Ca oder Ba oder Kombinationen davon, umfassen. In bestimmten Variationen können die Nanopartikel 12 einen maximalen mittleren Durchmesser 22 größer oder gleich etwa 2 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 nm, wie ein Durchmesser von etwa 2 nm, etwa 3 nm, etwa 4 nm, etwa 5 nm, etwa 6 nm, etwa 7 nm, etwa 8 nm, etwa 9 nm oder etwa 10 nm, aufweisen.
Wie vorstehend erwähnt, umfasst der Katalysatorträger 14 optional ein Metalloxid. In dieser Variation, wenn die einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereiche 20 auf dem Katalysatorträger 14 vorhanden sind, kann der Katalysatorträger 14 eines der vorstehend beschriebenen Materialien sein, einschließlich als nicht einschränkendes Beispiel ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Al₂O₃, CeO₂, ZrO₂, Perowskite, Zeolithe und Kombinationen davon. Nichtsdestoweniger versteht es sich, dass diese Gruppe aus Metalloxiden nicht eingeschränkt ist und dass andere Metalloxide für als Katalysatorträger 14 verwendet werden können.
Es sollte erwähnt werden, dass der Katalysatorträger 14 Formen aufweisen kann, die von der in 1 dargestellten planaren Form abweichen können, zum Beispiel kann er die übliche Monolith- oder wabenförmige Form aufweisen oder der Katalysatorträger kann in Form von Sicken für einen Festbettkatalysator vorliegen. Außerdem weist der Katalysatorträger 14 einen Oberflächenbereich größer oder gleich etwa 50 m²/g bis kleiner als oder gleich etwa 150 m²/g, größer oder gleich etwa 75 m²/g bis kleiner als oder gleich etwa 125 m²/g, wie eine Oberfläche von etwa 75 m²/g, etwa 80 m²/g, etwa 90 m²/g, etwa 100 m²/g, etwa 110 m²/g, etwa 120 m²/g, etwa 130 m²/g, etwa 140 m²/g, etwa 145 m²/g oder etwa 150 m²/g, auf. In anderen Variationen kann der Katalysatorträger 14 in Form von Teilchen, wie zum Beispiel Partikeln oder Pulver, vorliegen. In einer derartigen Variation können die Katalysator-Trägerteilchen, auch wenn sie nicht dargestellt sind, einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser größer oder gleich ungefähr 0,8 µm bis kleiner als oder gleich etwa 5 µm, größer oder gleich 1 µm bis kleiner als oder gleich etwa 4 µm, größer oder gleich 1,5 µm bis kleiner als oder gleich etwa 3,5 µm, oder größer oder gleich 2 µm bis kleiner als oder gleich etwa 3 µm, wie einem Durchmesser von ca. 0,8 µm, 1 µm, 1,5 µm, 2 µm, 2,5 µm, 3 µm, 3,5 µm, 4 µm, 4,5 µm oder 5 µm, auf. Sobald in der Lösung, variiert die Oberflächenladung des Katalysatorträgers 14 in Bezug auf den Säuregehalt der Lösung.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist die Beschichtung 16 aus einem Beschichtungsvorläufer oder einer ionischen Spezies gebildet. In bestimmten Fällen kann die ionische Spezies ein Salz aus Al, Ba, Sr, Zn, La, Ce, Co, Y, Cu, Ni, Mn, V oder einer beliebigen Kombination davon sein, wodurch eine Anionenadsorption einer Beschichtungsschicht auf dem Katalysatorträger ermöglicht werden kann. Die/der ionische Spezies/Beschichtungsvorläufer bildet, wie vorstehend beschrieben, Beschichtungsradikale in Bezug auf den Säuregehalt der Lösung (d. h. die Ladung der ionischen Spezies/Radikale ist abhängig vom pH-Wert der Lösung). So kann beispielsweise nur die anionische Spezies ein Anion beinhalten, das durch die Formel [M(OH)_x]^y- nach der Hydrolyse in einer Lösung dargestellt wird, wobei M ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si) und Kombinationen davon, wobei x im Bereich von 1 bis 6 und y im Bereich von 1 bis 5 liegt. In einer Variation ist ein pH-Wert der Lösung kleiner als ein Punkt der Nullladung (PZC) der einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereiche. In bestimmten Variationen, in denen die ionische Spezies anionisch ist, kann die Lösung einen pH-Wert von mehr als 7 aufweisen. Die gegenläufigen Ladungen der anionischen Spezies 18 und der einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereiche 20 des Katalysatorträgers 14 leiten den Beschichtungsprozess ein. Die negativ geladene anionische Spezies 18 bindet an die positiv geladene Oberfläche des Katalysatorträgers 14. Dadurch werden nach der elektronischen Neutralisierung der Oberfläche keine zusätzlichen Schichten hinzugefügt. Die gebundene ionische Spezies 18 bildet selektiv eine Schicht, die nach dem Kalzinierungsprozess (siehe oben) eine Schicht bildet, die das Sintern der geträgerten Nanopartikel 14 wirksam behindert und nicht versehentlich aktive Stellen der geträgerten Nanopartikel 14 bedeckt (z. B. verhindert das Abdecken der Katalysatormetall-Nanopartikel 14 oder zumindest teilweise das Abdecken der Katalysatormetall-Nanopartikel 14).
Mit Bezug auf 2 stellt die aktuelle Technologie auch ein Katalysatorsystem 40 in Form einer monolithischen Struktur bereit, das sinterbeständig ist und die katalytische Aktivität nach längerer Einwirkung erhöhter Temperaturen beibehält. Das Katalysatorsystem 40 kann ein Katalysatorsystem sein, das durch kationische Adsorption erzeugt wird. Ein derartiges Verfahren kann das Kontaktieren einer Lösung, die eine kationische Spezies beinhaltet, mit einem oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereichen eines Trägers beinhalten. Das Katalysatorsystem 40 beinhaltet Katalysatormetall-Nanopartikel 42, die an einen Katalysatorträger 44 (Metalloxidträger) gebunden sind.
Wie bei der Ausführungsform in 1 sind die Metallnanopartikel 42 entweder direkt oder indirekt mit dem Katalysatorträger 44 verbunden. Soweit hierin nicht anders beschrieben, können die verschiedenen Komponenten und ihre Eigenschaften im Katalysatorsystem 40 von 2 gleich dem Katalysatorsystem 10 von 1 sein, und werden der Kürze halber hierin nicht wiederholt.
Nachdem eine Lösung, die eine kationische Spezies beinhaltet, mit den einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereichen 50 auf dem Katalysatorträger 44 in Kontakt gebracht wurde, wird die kationische Spezies mit den einen oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereichen 50 verbunden, um eine Schicht auf einem oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen des Trägers 44 zu bilden. In einer Variation ist ein pH-Wert der Lösung größer als ein Punkt der Nullladung (PZC) der einen oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereiche. Das Verfahren beinhaltet auch das Kalzinieren der Schicht zum Erzeugen einer selbsteinschränkenden Oxidschicht 46, die über einen oder mehrere geladene Oberflächenbereiche 50 des Katalysatorträgers 44 gebildet wird. Die Oberflächenbereiche 50 sind unabhängig von, aber angrenzend an die Katalysatormetall-Nanopartikel 42 angeordnet.
In dieser Variation, bei der die Oberfläche des Katalysatorträgers 44 die einen oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereiche 50 beinhaltet, kann der Katalysatorträger 44 ein Metalloxidmaterial beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂ und Kombinationen davon. Nichtsdestoweniger versteht es sich, dass diese Gruppe aus Metalloxiden nicht eingeschränkt ist und dass andere Metalloxide für als Katalysatorträger 44 verwendet werden können. Sobald in der Lösung, variiert die Oberflächenladung des Katalysatorträgers 44 in Bezug auf den Säuregehalt der Lösung. Es sollte erwähnt werden, dass der Katalysator-Metalloxidträger 44 Formen aufweisen kann, die von der in 2 dargestellten planaren Form abweichen können, zum Beispiel kann er die übliche Monolith- oder wabenförmige Form aufweisen kann, wobei der Katalysatorträger kann in Form von Sicken für einen Festbettkatalysator in Form von Partikeln oder Pulver vorliegen kann.
Die Beschichtung 46 wird somit aus einer Schicht einer kationischen Spezies 48 gebildet, die auf die einen oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereiche 50 abgeschieden wird. Die selbsteinschränkende Oxidbeschichtung 46 kann Metalloxide beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceriumoxid (CeO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon.
In bestimmten Fällen kann die kationische Spezies 48 ein Salz aus Al, Ba, Sr, Zn, La, Ce, Co, Y, oder einer beliebigen Kombination davon sein, wodurch eine Kationenadsorption einer Beschichtungsschicht auf dem Katalysatorträger ermöglicht werden kann. Die/der ionische Spezies/Besehichtungsvorläufer bildet, wie vorstehend beschrieben, Beschichtungsradikale in Bezug auf den Säuregehalt der Lösung (d. h. die Ladung der ionischen Spezies/Radikale ist abhängig vom pH-Wert der Lösung). So kann beispielsweise nur die kationische Spezies ein Kation beinhalten, das durch die Formel [M(NH)₃)_m] ⁿ⁺ dargestellt wird, wobei M ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si) und Kombinationen davon, und m im Bereich von 1 bis 6 und n im Bereich von 1 bis 5 liegt.
In einer Variation ist ein pH-Wert der Lösung größer als ein Punkt der Nullladung (PZC) der einen oder mehreren negativ geladenen Oberflächenbereiche. In bestimmten Variationen, in denen die ionische Spezies kationisch ist, kann die Lösung einen pH-Wert von weniger als 7 aufweisen. Die gegenläufigen Ladungen der anionischen Spezies 48 und der einen oder mehreren positiv geladenen Oberflächenbereiche 50 des Katalysatorträgers 44 leiten den Beschichtungsprozess ein. Die positiv geladene kationische Spezies 48 bindet an die positiv geladene Oberfläche des Katalysatorträgers 44. Dadurch werden nach der elektronischen Neutralisierung der Oberfläche keine zusätzlichen Schichten hinzugefügt. Die gebundene ionische Spezies 48 bildet selektiv eine Schicht, die nach dem Kalzinierungsprozess (siehe oben) eine Schicht bildet, die das Sintern der geträgerten Katalysator-Nanopartikel 42 wirksam behindert und ferner nicht versehentlich aktive Stellen der geträgerten Katalysator-Nanopartikel 42 bedeckt (z. B. verhindert das Abdecken der Katalysatormetall-Nanopartikel 42 oder zumindest teilweise das Abdecken der Katalysatormetall-Nanopartikel 42).
Die Beschichtungen 16 und 46 können einen großen Teil der ansonsten freiliegenden Oberfläche des Metalloxidträgers bedecken. In verschiedenen Ausführungsformen überdecken die Beschichtungen 16 und 46 mehr oder gleich etwa 5 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Oberfläche des Katalysatorträgers oder größer als oder gleich etwa 20 % bis kleiner als oder gleich etwa 90 % der freiliegenden Oberflächen des Trägers. Die freiliegenden Oberflächen der Katalysatorträger 14 und 44 beziehen sich auf die Abschnitte der jeweiligen Katalysatorträger 14 und 44, an welche die Katalysatormetall-Nanopartikel 12, 42 nicht gebunden sind. Eine Gesamtmenge der Oberflächenbedeckung des Trägers, die sowohl die Metallnanopartikel als auch die Metalloxidnanopartikel (welche die Beschichtungen bilden) beinhaltet, ist größer oder gleich etwa 50 % bis kleiner oder gleich etwa 100 %. Die Beschichtung 16 oder 46 verhindert oder minimiert die Koaleszenz von Metallkatalysatorteilchen Nanopartikeln. Daher können die Beschichtungen 16 oder 46 die Katalysatorsysteme widerstandsfähig gegen Sinterung oder thermischen Abbau machen.
In bestimmten Fällen können innerhalb der Beschichtungen Poren definiert werden (Beschichtung 16 in 1 oder Beschichtung 46 in 2), die einen mittleren Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,5 nm bis kleiner als oder gleich etwa 30 nm, wie einem Durchmesser von ca. 0,5 nm, ungefähr 1 nm, etwa 2 nm, etwa 3 nm, etwa 4 nm, etwa 5 nm, etwa 6 nm, etwa 7 nm, etwa 8 nm, etwa 9 nm, etwa 10 nm, etwa 11 nm, etwa 12 nm, etwa 13 nm, etwa 14 nm, etwa 15 nm, ca. 16 nm, etwa 17 nm, etwa 18 nm, um 19 nm oder etwa 20 nm, aufweisen. Die so gebildete Beschichtung kann eine Porosität, d. h. ein Porenvolumen relativ zum Beschichtungsvolumen, von größer oder gleich etwa 20 % bis kleiner oder gleich etwa 70 %, wie zum Beispiel eine Porosität von etwa 20 %, etwa 30 %, etwa 40 %, etwa 50 %, etwa 60 % oder etwa 70 % aufweisen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Technologie sind ferner veranschaulicht durch folgende nicht einschränkende Beispiele:
Beispiel 1
Ein Pulver von geträgerten Nanopartikeln umfassend PGM-Nanopartikel (z. B. Pt, Pd oder eine Kombination davon), die an einen Al₂O₃ (Aluminiumoxid)-Träger gebunden sind, wird mit einer wässrigen Lösung in Kontakt gebracht. Eine kontrollierte Menge eines Beschichtungsvorläufers (z. B. Al3⁺) wird der wässrigen Lösung zugegeben, einschließlich der geträgerten Nanopartikel, die PGM-Nanopartikel umfassen, die an einen Aluminiumoxidträger gebunden sind. Die Lösung weist einen pH-Wert von mehr als 7 auf. Die Beschichtungsvorläufer bilden negativ geladene Beschichtungsradikale. Die Oberfläche des Katalysatorträgers ist positiv geladen. Das Gemisch wird vollständig gerührt oder gefräst bei einer Temperatur von mehr als 0 °C und weniger als oder gleich 80 °C für einen Zeitraum von mehr oder gleich einigen Minuten und weniger als oder gleich einigen Tagen. Anschließend wird das Gemisch filtriert und in der Umgebungsluft oder einem Vakuum bei einer Temperatur größer oder gleich der Raumtemperatur bis zu 100 °C für einen Zeitraum größer oder gleich einigen Minuten bis zu drei Tagen getrocknet. Das trockene Pulver wird dann bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa 300 °C bis weniger als oder gleich etwa 600 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden kalziniert, um die Metalloxidschicht zu erzeugen.
Die beschichtet-geträgerten Nanopartikel und eine Kontrollmenge von geträgerten Nanopartikeln ohne Beschichtung werden für ca. 48 Stunden bei ca. 950 °C einer thermischen Alterungsbedingung unterzogen. Um die Aktivität zu bewerten, werden CO und C₃H₆ Oxidationsreaktionen verwendet (CO + O₂; C₃H₆ + O₂). In einem Fall fließt ein Strom von 5000 ppm, 1,0% O₂, 5 % H₂O wird über den Katalysator, wenn die Reaktionstemperatur erhöht ist. In einem anderen Fall fließt ein Strom von 500 ppm, C₃H₆, 1,0 % O₂, 5% H₂O über den Katalysator, wenn die Reaktionstemperatur erhöht ist. In beiden Fällen beträgt die Rampenrate 2°C pro Minute von ca. 100 °C bis ca. 350 °C. Die Gesamtdurchflussrate beträgt 0,5 1/Minute bei einer Balance bestehend aus N₂ Gas. Die Menge an CO und C₃H₆ wird gemessen, um das Ausmaß der Reaktion in beiden Fällen (d. h. beschichteten und nichtbeschichteten Nanopartikeln) gelagert. Eine Metrik zum Auswerten der Aktivität ist T₅₀(Light-off-Temperatur), das ist die Temperatur, bei der 50 % der CO- und C₃H₆ Ströme durch den Katalysator oxidiert werden.
Nach Unterziehen der Kontrollmenge der geträgerten Nanopartikel und der beschichtet-geträgerten Nanopartikel den vorstehend beschriebenen gewinnbringenden Bedingungen stellen die Kontrollmengen der geträgerten Nanopartikel und der beschichtet-geträgerten Nanopartikel jeweils T₅₀ Werte von 234 °C und 219 °C bereit. Somit stellte die Beschichtung eine Verringerung des T₅₀ Wertes um 15 °C bereit. Nach Unterziehen der Kontrollmenge der geträgerten Nanopartikel und der beschichtet-geträgerten Nanopartikel den vorstehend beschriebenen gewinnbringenden Bedingungen, bezüglich der C₃H₆ Oxidationsreaktion, stellten die Kontrollmengen der geträgerten Nanopartikel und der beschichtet-geträgerten Nanopartikel jeweils T₅₀ Werte von 253 °C und 232 °C bereit. Somit stellte die Beschichtung eine Verringerung des T₅₀ Wertes um 21 °C bereit. Es ist wünschenswert, niedrige T₅₀ Werte vorzuweisen.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausfiihrungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines sinter-beständigen Katalysatorsystems, das Verfahren umfassend: das Kontaktieren einer Lösung, die eine ionische Spezies umfasst, mit einem oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen eines Katalysatorträgers, worin eine Oberfläche des Katalysatorträgers ferner ein oder mehrere Katalysatorteilchen umfasst, die angrenzend an die einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche angeordnet sind, und die ionische Spezies eine erste Ladung gegenüber einer zweiten Ladung der einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche aufweist; das Zuordnen der ionischen Spezies zu den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen, um eine Schicht auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen zu bilden; und das Kalzinieren der Schicht, um eine Beschichtung zu erzeugen, die Metalloxid auf den einen oder mehreren ausgewählten Oberflächenbereichen umfasst, worin die Beschichtung angrenzend an die einen oder mehreren Katalysatorteilchen auf der Oberfläche des Katalysatorträgers gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Ladung der ionischen Spezies negativ ist und die zweite Ladung der einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche positiv ist, sodass die negativ geladene ionische Spezies an die positiv geladenen Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers bindet; oder die erste Ladung der ionischen Spezies positiv und die zweite Ladung der einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereiche negativ ist, sodass die positiv geladene ionische Spezies an die negativ geladenen Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers bindet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin vor dem Kontaktieren eine oder mehrere Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers mit einem Vorläufer vorbehandelt werden, um einen Punkt der Nullladung (PZC) in den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen zu erhöhen, worin der Vorläufer ein Element umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kalium (K), Natrium (Na), Barium (Ba), Strontium (Sr), Zink (Zn), Lanthan (La), Cer (Ce), Kobalt (Co), Yttrium (Y) und Kombinationen davon, und worin ein pH-Wert der Lösung kleiner als der PZC-Wert der einen oder mehreren geladenen Bereiche ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin vor dem Kontaktieren eine oder mehrere Oberflächenbereiche des Katalysatorträgers mit einem Vorläufer vorbehandelt werden, um einen Punkt der Nullladung (PZC) in den einen oder mehreren geladenen Oberflächenbereichen zu verringern, worin der Vorläufer ein Element umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Titan (Ti), Antimon (Sb), Wolfram (W) und Kombinationen davon, und ein pH-Wert der Lösung ist größer als der PZC-Wert der einen oder mehreren geladenen Bereiche.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die ionische Spezies ein Element umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium (Al), Cer (Ce), Zirkonium (Zr), Eisen (Fe), Titan (Ti), Silizium (Si) und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Metalloxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceriumoxid (CeO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Katalysatorträger ein Metalloxid umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ceriumoxid (CeO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Titandioxid (TiO₂), Siliziumdioxid (SiO₂), Magnesiumoxid (MgO) Zinkoxid (ZnO), Bariumoxid (BaO), Kaliumoxid (K₂O), Natriumoxid (Na₂O), Calziumoxid (CaO), Lanthanoxid (La₂O₃) und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Katalysatorteilchen ein Metall umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir), Gold (Au), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Mangan (Mn) und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Kalzinieren der Schicht das Erwärmen der Schicht bei mehr als oder gleich etwa 300 °C auf weniger als oder gleich etwa 600 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Katalysatorträger in Pulverform vorliegt und das Kontaktieren ferner das Mischen der die ionische Spezies umfassenden Lösung mit dem Katalysatorträger umfasst, um ein Gemisch zu bilden, und nach dem Zuordnen das Verfahren ferner das Filtern des Gemischs umfasst, um ein Filtrat zu sammeln, das den Katalysatorträger mit der Schicht aufweist; und das Trocknen des Filtrats vor dem Kalzinieren.