DE102019114899A1 - Verfahren zur Herstellung von Katalysatorsystemen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems beinhalten das Bereitstellen eines katalytischen Substrats, umfassend einen Katalysatorträger mit einer Oberfläche mit einer Vielzahl daran gebundener metallkatalytischer Nanopartikel, und das physikalische Mischen und/oder elektrostatische Kombinieren des katalytischen Substrats mit einer Vielzahl von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln, um eine Beschichtung von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln auf der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel bereitzustellen. Die metallkatalytischen Nanopartikel können eines oder mehrere von Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold sein. Das physikalische Kombinieren kann das Kombinieren durch Kugelfräsen, Mischen, akustisches Mischen oder Theta-Zusammensetzung beinhalten, und die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel können ein oder mehrere Oxide von Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Barium, Lanthan, Eisen, Strontium und Calcium beinhalten. Der Katalysatorträger kann ein oder mehrere Oxide aus Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Barium, Eisen, Strontium und Calcium beinhalten.

Description

  • HINTERGRUND
  • Katalytische Nanopartikel können die aktiven Zentren 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 katalytische Nanopartikel zum Agglomerieren tendieren, verringert dies ihre Oberfläche und die Zugänglichkeit ihres aktiven Zentrums, sodass sie häufig auf Trägermaterialien gebunden sind. Die Trägermaterialien trennen die katalytischen Nanopartikel physisch, um Agglomeration zu verhindern, und um ihre Oberfläche Zugänglichkeit der aktiven Zentren zu vergrößern. Somit beinhalteten Katalysatorsysteme normalerweise eine oder mehrere Verbindungen; ein poröses Katalysatorträgermaterial; und einen oder mehrere optionale Aktivatoren.
  • Nach fortgesetzter Verwendung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, verlieren Katalysatorsysteme, die geträgerte katalytische Nanopartikel umfassen, 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 Partikelgröße; folglich eine Abnahme der Oberfläche für die aktiven Katalysatorverbindungen. Teilchenwanderung und Koaleszenz sind beispielsweise eine Form des Sinterns, worin Teilchen aus katalytischen Nanopartikeln sich über eine Trägeroberfläche oder durch eine Dampfphase bewegen oder diffundieren und mit einem anderen Nanopartikel koaleszieren, was zu Nanopartikelwachstum führt. Ostwald-Reifung ist eine andere Form von Sintern, worin 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 katalytischer Nanopartikel beladen, etwa um die Abnahme der katalytischen Aktivität mit der Zeit zu berücksichtigen und um weiterhin beispielsweise Emissionsstandards über eine lange Betriebsdauer bei hoher Temperatur zu erfüllen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Es werden Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems bereitgestellt, einschließlich der Bereitstellung eines katalytischen Substrats, umfassend einen Katalysatorträger mit einer Oberfläche mit einer Vielzahl daran gebundener metallkatalytischer Nanopartikel, und das physikalische Mischen des katalytischen Substrats mit einer Vielzahl von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln, um eine Beschichtung von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln auf der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel bereitzustellen. Die metallkatalytischen Nanopartikel können eines oder mehrere von Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold beinhalten. Die physikalische Kombination kann das Kombinieren durch Kugelfräsen, Mischen, akustisches Mischen oder Theta-Zusammensetzung beinhalten. Die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel können ein oder mehrere Oxide von Aluminium, Cer, Zirkonium, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Barium, Lanthan, Eisen, Strontium und Calcium beinhalten. Die metallkatalytischen Nanopartikel umfassen ein oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold. Der mittlere Durchmesser der Vielzahl von metallkatalytischen Nanopartikeln beträgt etwa 1 nm bis etwa 10 nm. Die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel haben einen mittleren Durchmesser, der kleiner ist als der mittlere Durchmesser der katalytischen Nanopartikel. Der Katalysatorträger umfasst ein oder mehrere Oxide aus Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Lanthan, Barium, Eisen, Strontium und Calcium. Der Katalysatorträger umfasst ein oder mehrere Metalloxide, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus A1203, CeO2, ZrO2, TiO2, SiO2, La2O3, MgO und ZnO. Der Katalysatorträger umfasst ein oder mehrere Metalloxide ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CeO2, ZrO2, La2O3 und Al2O3.
  • Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems können das Bereitstellen eines katalytischen Substrats beinhalten, das einen Katalysatorträger mit einer Oberfläche mit einer Vielzahl daran gebundener metallkatalytischen Nanopartikeln umfasst, und das physikalische Mischen oder elektrostatische Kombinieren des katalytischen Substrats mit einer Vielzahl von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln, um eine Beschichtung von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln auf der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel bereitzustellen. Die metallkatalytischen Nanopartikel können eines oder mehrere von Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold beinhalten. Die physikalische Kombination kann das Kombinieren durch Kugelfräsen, Mischen, akustisches Mischen oder Theta-Zusammensetzung beinhalten. Die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel können ein oder mehrere Oxide von Aluminium, Cer, Zirkonium, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Barium, Lanthan, Eisen, Strontium und Calcium beinhalten. Die metallkatalytischen Nanopartikel können ein oder mehrere Metalle beinhalten ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold. Der mittlere Durchmesser der Vielzahl metallkatalytischer Nanopartikel kann etwa 1 nm bis etwa 10 nm betragen. Der mittlere Durchmesser der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel kann kleiner sein als der mittlere Durchmesser der katalytischen Nanopartikel. Der Katalysatorträger kann ein oder mehrere Oxide aus Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Lanthan, Barium, Eisen, Strontium und Calcium beinhalten. Der Katalysatorträger kann ein oder mehrere Metalloxide beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus A1203, CeO2, ZrO2, TiO2, SiO2, La2O3, MgO und ZnO. Der Katalysatorträger kann ein oder mehrere Metalloxide beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CeO2, ZrO2 und La2O3, Al2O3.
  • Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems beinhalten das Bereitstellen eines katalytischen Substrats, umfassend einen Katalysatorträger mit einer Oberfläche mit einer Vielzahl daran gebundener metallkatalytischer Nanopartikel, und das physikalische Mischen des katalytischen Substrats mit einer Vielzahl von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln, um eine Beschichtung von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln auf der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel bereitzustellen. Der Katalysatorträger kann Aluminiumoxid oder Ceroxid enthalten, und die metallkatalytischen Nanopartikel umfassen ein oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold. Die physikalische Kombination kann das Kombinieren durch Kugelfräsen, Mischen, akustisches Mischen oder Theta-Zusammensetzung beinhalten. Die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel können ein oder mehrere Oxide von Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Barium, Eisen, Strontium und Lanthan beinhalten. Der mittlere Durchmesser der Vielzahl metallkatalytischer Nanopartikel kann etwa 1 nm bis etwa 10 nm betragen. Der mittlere Durchmesser der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel kann kleiner sein als der mittlere Durchmesser der katalytischen Nanopartikel. Der Katalysatorträger kann ein oder mehrere Metalloxide beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CeO2, ZrO2 und La2O3, A1203. Das Katalysatorsystem kann eine katalytische Beladung von etwa 0,25 % bis etwa 6 % aufweisen. Das physikalische Mischen des katalytischen Substrats mit der Vielzahl von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln kann ohne das Vorhandensein von Lösungsmitteln erfolgen.
  • Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
  • Figurenliste
  • Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
    • 1 veranschaulicht eine schematische Seitenansicht eines sinterresistenten Katalysatorsystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
    • 2 veranschaulicht eine Explosionszeichnung eines Teils des Katalysatorsystems von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
  • Die vorliegende Technologie bietet einen trockenen, kombinationsbasierten Ansatz zum Minimieren oder Eliminieren des Sinterns und Reduzieren der katalytischen Ladung von Katalysatorsystemen, während die gewünschte katalytische Leistung noch bereitgestellt wird. Der aktuelle trockene, kombinationsbasierte Ansatz ist kostengünstig und führt zu Katalysatorsystemen mit hoher thermischer Beständigkeit, während Katalysatormetall-Beladungsanforderungen reduziert werden, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. In Bezug auf ein herkömmliches Katalysatorsystem mit demselben Katalysator- und Trägermaterial, aber ohne die poröse Beschichtung, reduziert die vorliegende Technologie beispielsweise die Anforderungen an die katalytische Metallbeladung, während die gewünschte katalytische Leistung beibehalten wird. Ferner sind die hierin bereitgestellten Trockenkombinationsverfahren umweltfreundlich und erzeugen minimale unerwünschte Nebenprodukte des Verfahrens.
  • Mit Bezug auf 1 stellt die aktuelle Technik auch ein Katalysatorsystem 10 bereit, dass Sintern widersteht und seine katalytische Aktivität nach längerem Aussetzen gegenüber erhöhten Temperaturen beibehält. Katalysatorsystem 10 kann ein Katalysatorsystem sein, das durch die hierin bereitgestellten Verfahren erzeugt wurde. Der Katalysator beinhaltet katalytische Nanopartikel 12, die an einen Katalysatorträger 14 gebunden sind, und eine Beschichtung 16 aus Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln 18, die auf die katalytischen Nanopartikel 12 und optional auf den Katalysatorträger 14 aufgebracht wurden. In einigen Ausführungsformen sind die katalytischen Nanopartikel 12 entweder direkt oder indirekt mit dem Katalysatorträger 14 durch die nachfolgend beschriebenen physikalischen Kombinationsverfahren verbunden. Die katalytischen Nanopartikel 12 haben eine katalytische Beladung auf dem Katalysatorträger (d. h., der Gewichtsprozent der katalytischen Nanopartikel 12 relativ zum gesamten katalytischen System 10) von etwa 0,1 % bis etwa 10 %, etwa 0,25 % bis etwa 6 %, oder etwa 1 % bis etwa 4 %. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich alle hierin ausgedrückten Prozentangaben auf Gewichtsprozentsätze. In einigen Ausführungsformen beträgt die katalytische Beladung der katalytischen Nanopartikel 12 auf dem Katalysatorträger 14 etwa 1,5 %. Eine Explosionsansicht des Katalysatorsystems 10, das einen katalytischen Nanopartikel 12 zeigt, der an einen Katalysatorträger 14 gebunden ist (d. h., ein katalytisches Substrat 20) ist in 2 dargestellt.
  • 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 14 kann in Form von Sicken für einen Festbettkatalysator vorliegen, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Die Beschichtung 16 der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 kann mindestens etwa 5 % der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel 12 und bis zu etwa 100 % der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel 12 abdecken. Das Katalysatorsystem 10 umfasst eine Vielzahl von Poren 22, sodass reagierende Gasmoleküle auf die katalytischen Nanopartikel 12 mit katalytischer Aktivität zugreifen können, wobei trotzdem die Koaleszenz von Metallpartikeln oder Dämpfen 24 mit den katalytischen Nanopartikeln 12 verhindert wird. In einigen Ausführungsformen können die Poren 22 einen durchschnittlichen Durchmesser D4 von etwa 0,5 nm bis etwa 30 nm aufweisen. Daher macht die Beschichtung 16 das Katalysatorsystem 10 gegenüber Sintern oder thermischer Zersetzung durch Erhöhen der Oberfläche des Katalysatorsystems 10 oder Abscheiden und Auffangen von Partikeln beziehungsweise Dämpfen 24 aus Teilchenwanderung und Verschmelzen oder Ostwald-Reifen aus dem Katalysatorsystem 10, das kontinuierlich erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, resistent. Außerdem behalten Partikel 24, die in den Poren 22 oder der Beschichtung 16 abgeschieden oder aufgebracht sind, ihre katalytische Aktivität, was als katalytische Metalldispersion bezeichnet werden kann.
  • „Katalysatormetall-Dispersion“ bezieht sich auf ein Verhältnis von Metallkatalysator-12-Oberflächenstellen zu einer Masse eines gesamten Katalysatorsystems 10. Daher wird ein Katalysatorsystem mit hoher Dispersion kleinere und stärker dispergierte Metallkatalysatoren im Verhältnis zu einem Katalysatorsystem mit einer geringen Dispersion aufweisen. Gegenüber einem Katalysatorsystem, das dem hier beschriebenen Katalysatorsystem 10 äquivalent ist, jedoch ohne eine poröse Beschichtung ist, weist ein Katalysatorsystem mit einer erhöhten Resistenz gegen Sintern einen Verlust an Dispersion von weniger als etwa 74 % nach Einwirkung einer Temperatur von etwa 650 °C geeignet für eine Zeitdauer von etwa 2 Stunden auf. Ein Katalysatorsystem, das sinterfest ist, ist ein Katalysatorsystem, das einen Dispersionsverlust von weniger als oder gleich etwa 20 %, weniger als oder gleich etwa 15 % oder kleiner als oder gleich etwa 10 % nach Einwirkung einer Temperatur von etwa 650 °C für eine Zeitdauer von etwa 2 Stunden verzeichnet.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfassen die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 der Beschichtung 16 die gleiche Metalloxidzusammensetzung wie die Zusammensetzung des Katalysatorträgers 14. In anderen Ausführungsformen umfassen die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 der Beschichtung 16 ein anderes Metalloxid als der Träger 14. In noch anderen Ausführungsformen umfasst die Beschichtung 16 eine Vielzahl von unterschiedlichen Metalloxiden. Daher kann das Katalysatorsystem 10 eine einzelne Spezies katalytischer Nanopartikel 12 und Katalysatorträger 14 oder eine Vielzahl von katalytischen Nanopartikeln 12 und Metalloxidträgern 14 beinhalten.
  • Hierin werden Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems 10 durch einen trockenen, kombinationsbasierten Ansatz bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Binden mindestens eines katalytischen Nanopartikels 12 an einen Katalysatorträger 14, umfassend ein Metalloxid, und das Aufbringen einer Beschichtung 16 von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln 18 auf den mindestens einen katalytischen Nanopartikel 12 und optional auf den Katalysatorträger 14. Der katalytische Nanopartikel 12 kann ein Platingruppenmetall (PGM)-Nanopartikel umfassen, wie ein oder mehrere Nanopartikel aus Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir) und Platin (Pt) und andere Metalle, wie ein oder mehrere Nanopartikel aus Rhenium (Re), Kupfer (Cu), Silber (Ag) und Gold (Au). Im Allgemeinen ist eine kleinere Größe des katalytischen Nanopartikels 12 erwünscht, um die Oberfläche pro Gewicht- oder Volumeneinheit des katalytischen Metalls, das an den Träger gebunden ist, zu vergrößern. In einigen Ausführungsformen können die katalytischen Nanopartikel 12, wie sie auf den Katalysatorträger 14 aufgetragen werden, einen mittleren Durchmesser von etwa 0,5 nm bis etwa 50 nm, etwa 1 nm bis etwa 10 nm, oder etwa 4 nm bis etwa 6 nm oder bis zu etwa 12 nm oder bis zu etwa 50 nm aufweisen. Es versteht sich, dass die Aggregation der katalytischen Nanopartikel 12 während der Verwendung des Katalysatorsystems 10 erfolgen kann.
  • Der Katalysatorträger 14 kann ein thermisch stabiles, poröses Material, wie beispielsweise ein Metalloxid, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Katalysatorträger 14 ein oder mehrere Oxide von Aluminium (AI), Cer (Ce), Zirkon (Zr), Titan (Ti), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Lanthan (La), Barium (Ba), Eisen (Fe), Strontium (Sr) und Calcium (Ca) umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Katalysatorträger 14 eines oder mehrere von Al2O3, CeO2, ZrO2, TiO2, SiO2, MgO, ZnO, La2O3, BaO, Fe2O3, Fe3O4, SrO, und CaO umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Katalysatorträger 14 ein oder mehrere Metalloxide umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al2O3, CeO2, ZrO2, TiO2, SiO2, MgO, ZnO, La2O3, BaO, Fe2O3, Fe3O4, SrO und CaO. In einigen Ausführungsformen kann der Katalysatorträger ein oder mehrere Metalloxide umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al2O3, CeO2, ZrO2, TiO2, SiO2, La2O3MgO und ZnO. In einigen Ausführungsformen kann der Katalysatorträger 14 einen oder mehrere von CeO2, ZrO2 und Al2O3 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Katalysatorträger 14 ein oder mehrere Metalloxide umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CeO2, ZrO2, La2O3 und Al2O3. Der Katalysatorträger 14 kann in einigen Ausführungsformen eine Oberfläche von etwa 50 m2/g bis etwa 200 m2/g haben, oder etwa 5 m2/g bis etwa 2.000 m2/g. Der Katalysatorträger 14 kann einen Durchmesser von etwa 10 nm bis etwa 50,000 nm aufweisen, obwohl andere Größen praktikabel sind. Im Allgemeinen hat der Katalysatorträger 14 einen Durchmesser, der mindestens gleich dem Durchmesser der katalytischen Nanopartikel 12 ist. In einer Ausführungsform weist der Katalysatorträger 14 einen Durchmesser von etwa 15 nm bis etwa 25 nm auf, und der katalytische Nanopartikel weist einen Durchmesser von etwa 0,5 nm bis etwa 1 nm auf.
  • Eine Vielzahl von katalytischen Nanopartikeln 12 kann durch andere auf dem Fachgebiet bekannte herkömmliche Verfahren an den Katalysatorträger 14 gebunden werden, wie etwa, unter anderem, durch Nässeimprägnierung, Ionenadsorption oder Ionenaustausch. Die gemeinsame US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/334109 beispielsweise beschreibt einige praktikable Verfahren zum Binden von katalytischen Nanopartikeln 12 an den Katalysatorträger 14. Die katalytischen Nanopartikel 12 können, wie oben beschrieben, aus dem gleichen katalytischen Metall oder einer Vielzahl von katalytischen Metallen bestehen.
  • Nach dem Binden einer Vielzahl von katalytischen Nanopartikeln 12 an einen katalytischen Träger, um ein katalytisches Substrat 20 zu erhalten, wird das katalytische Substrat 20 physikalisch mit Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 kombiniert, um die Beschichtung 16 der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 auf mindestens dem katalytischen Nanopartikel 12 zu bilden. Die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 können alle für den Katalysatorträger 14 geeigneten Materialien umfassen, wie oben beschrieben, einschließlich eines oder mehrerer Oxide von Aluminium (AI), Cer (Ce), Zirkon (Zr), Titan (Ti), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Barium (Ba), Lanthan (La), Eisen (Fe), Strontium (Sr) und Calcium (Ca). Nicht einschränkende Beispiele solcher Metalloxide beinhalten Al2O3, CeO2, ZrO2, TiO2, SiO2, MgO, ZnO, BaO, La2O3, K2O, Na2O, Fe2O3, Fe3O4, SrO und CaO. In einigen Ausführungsformen können die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 ein oder mehrere Oxide aus Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Barium und Lanthan umfassen. Der mittlere Durchmesser der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 kann kleiner sein als der mittlere Durchmesser der katalytischen Nanopartikel 12. Die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 weisen in einigen Ausführungsformen einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 0,2 nm bis etwa 50 nm auf. Der mittlere Durchmesser der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 kann in einigen Ausführungsformen kleiner sein als der mittlere Durchmesser der katalytischen Nanopartikel 12. In einigen Ausführungsformen können die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 etwa 5 % bis etwa 50 % des kombinierten Gewichts der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 und der katalytischen Nanopartikel 12 des katalytischen Systems 10 umfassen.
  • Das physikalische Kombinieren des katalytischen Substrats 20 mit den Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln 18 reduziert die Zeit, die Kosten und die Komplexität des Kombinationsverfahrens gegenüber alternativen Prozessen (z. B. nasschemische Verfahren). Das physikalische Kombinieren des katalytischen Substrats 20 mit den Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln 18 kann physikalische und/oder elektrostatische Kombination ohne die Verwendung von Lösungsmitteln umfassen. Das physikalische Mischen kann Kugelfräsen, Mischen (z. B. unter Verwendung eines Mörsers und Stößels), akustisches Mischen oder Theta-Zusammensetzung beinhalten. Theta-Zusammensetzung nutzt einen Theta-Composer, der im Allgemeinen ein rotierendes Gefäß mit einem inneren Rotor beinhaltet, der sich in einer nicht ähnlichen Richtung (z. B. gegenläufig) relativ zum Gefäß dreht. Der interne Rotor kann sich auch mit einer anderen Geschwindigkeit (z. B. schneller) drehen als das Gefäß. Im Allgemeinen können die Dauer und Intensität des physischen Mischens ausgewählt werden, um eine gewünschte Beschichtungsdicke und/oder Gleichförmigkeit der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 zu erreichen, die auf die katalytischen Nanopartikel 12 und/oder den Katalysatorträger 14 aufgebracht werden. Elektrostatische Kombination kann elektrostatisches Sprühen beinhalten, das das Aufbringen einer Ladung auf ein oder mehrere des katalytischen Substrat 20 und der Oxidbeschichtungs-Nanopartikel 18 vor der Kombination umfasst.
  • In einem Beispiel wurden Aluminiumoxidnanopartikel mit einem mittleren Durchmesser von etwa 50 nm physikalisch mit einem Stößel in einem Mörser für zehn Minuten mit einer Vielzahl von katalytischen Trägern mit einem mittleren Substratdurchmesser von etwa 2.000 nm gemahlen. Das Gewichtsverhältnis von Aluminiumoxidnanopartikeln zu den Aluminiumoxidträgern betrug etwa 1:10. Die auf die katalytischen Träger aufgebrachte poröse trockene Pulverbeschichtung hatte eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 300 nm.
  • Während vorstehend exemplarische Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen beinhaltet sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems, das Verfahren umfassend: Bereitstellen eines katalytischen Substrats mit einem Katalysatorträger mit einer Oberfläche mit einer Vielzahl daran gebundener metallkatalytischer Nanopartikel, worin die metallkatalytischen Nanopartikel eines oder mehrere von Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold umfassen; und Physikalisches Mischen des katalytischen Substrats mit einer Vielzahl von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln, um eine Beschichtung von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln auf der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel bereitzustellen, Worin das physikalische Kombinieren das Kombinieren durch Kugelfräsen, Mischen, akustisches Mischen oder Theta-Zusammensetzung und die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel ein oder mehrere Oxide aus Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Barium, Lanthan, Eisen, Strontium und Calcium umfassen.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems, das Verfahren umfassend: Bereitstellen eines katalytischen Substrats mit einem Katalysatorträger mit einer Oberfläche mit einer Vielzahl daran gebundener metallkatalytischer Nanopartikel, worin die metallkatalytischen Nanopartikel eines oder mehrere von Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold umfassen; und das physikalische Mischen oder elektrostatische Kombinieren des katalytischen Substrats mit einer Vielzahl von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln, um eine Beschichtung von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln auf der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel bereitzustellen, Worin das physikalische Kombinieren das Kombinieren durch Kugelfräsen, Mischen, akustisches Mischen oder Theta-Zusammensetzung und die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel ein oder mehrere Oxide aus Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Barium, Lanthan, Eisen, Strontium und Calcium umfassen.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems, das Verfahren umfassend: Bereitstellen eines katalytischen Substrats, umfassend einen Katalysatorträger mit einer Oberfläche mit einer Vielzahl daran gebundener metallkatalytischer Nanopartikel, worin der Katalysatorträger Aluminiumoxid oder Ceroxid umfasst, und die metallkatalytischen Nanopartikel ein oder mehrere Metalle umfassen, ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold; und Physikalisches Mischen des katalytischen Substrats mit einer Vielzahl von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln, um eine Beschichtung von Oxidbeschichtungs-Nanopartikeln auf der Oberfläche der katalytischen Nanopartikel bereitzustellen, Worin das physikalische Kombinieren das Kombinieren durch Kugelfräsen, Mischen, akustisches Mischen oder Theta-Zusammensetzung und die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel ein oder mehrere Oxide aus Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Barium, Lanthan, Eisen, Strontium und Lanthan umfassen.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die metallkatalytischen Nanopartikel in ein oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, Rhenium, Kupfer, Silber und Gold umfassen.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der mittlere Durchmesser der Vielzahl von metallkatalytischen Nanopartikeln etwa 1 nm bis etwa 10 nm ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Oxidbeschichtungs-Nanopartikel einen mittleren Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als der mittlere Durchmesser der katalytischen Nanopartikel.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Katalysatorträger ein oder mehrere Oxide aus Aluminium, Cer, Zirkon, Titan, Silizium, Magnesium, Zink, Lanthan, Barium, Eisen, Strontium und Calcium umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Katalysatorträger ein oder mehrere Metalloxide ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus A1203, CeO2, ZrO2, TiO2, SiO2, La2O3, MgO und ZnO umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Katalysatorträger ein oder mehrere Metalloxide umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CeO2, ZrO2, La2O3 und Al2O3.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Katalysatorsystem eine katalytische Beladung von etwa 0,25 % bis etwa 6 % aufweist.
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