JP2007518659A - 金属酸化物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、沈殿および反応速度が、成分ごとに大きく変化して、共沈およびゾル−ゲル処理のような方法において、分離を生じ得る。さらに、種々の成分が温度および雰囲気に極めて異なる反応をする。例えば、複合酸化物の形成に使用される多くの金属元素は、比較的低い融点を有する。熱処理中に、充分に還元性の雰囲気が存在する場合、これらの元素は、酸化物形態ではなく金属形態で存在し、溶融し得る。そのような溶融は、極度の分離、不純物相の広範囲な形成、および表面積の損失を生ずる。
そのような方法は、下記の方法を包含する:
・ 「振とうおよび焼付け」
・ 共沈
・ 熱蒸発および噴霧(spraying)法
・ 高分子錯化法
・ ゾル−ゲル
大部分の熱蒸発および噴霧法は、酸化フィルムまたは被膜の製造に、より関連性を有している。これらは、ガス凝縮処理、化学蒸気凝縮、プラズマスプレーおよび噴霧熱分解のような方法を包含する。大量処理に関して、これらの方法の中で最も重要なものは、噴霧熱分解法である(Messingら、1994)。
一般に、噴霧熱分解法において、反応温度およびキャリアガス組成を変化させることによってエアロゾル分解パラメーターを変化させることは、基本的な操作変動である。さらに、溶液特性、例えば、先駆物質組成、濃度または補助溶媒の添加は、所望の生成物組成および形態を得るのに極めて重要である。噴霧熱分解法の限界は、相比率の制御が困難なこと、低い生成速度および低密度中空粒子の形成を包含する。
正確な酸化物結晶構造および成分の均質分布に加えて、多くの用途において、酸化物の焼結粒子間に存在する気孔率が性能に極めて重要である。より大きい連続気孔(>約1μm)が、優れた流体(気体または液体)輸送を必要とする用途に、一般に望ましい。例えば、固体酸化物燃料電池電解質用に、酸化物に大きい気孔を与えることができる方法が既知である(例えば、米国特許第4883497号および第6017647号)。大部分のこれらの方法は、種々の気孔形成剤、即ち、セラミック材料から浸出させるかまたは燃え切らせることができる物質(materials that can be leached or burned out of the ceramic material)を使用している。気孔形成剤は、1μmの大きさの気孔を形成するように、一般に1μmより大きい。この大きさの気孔は、大きすぎて、材料の表面積を有意に増加させることができない。
酸化物先駆物質への炭素に基づく材料の導入に関連した問題の例は、J.of Materials Science 35(2000),p.5639−5644に概説されており、それは、燃え切らせたセルロースを使用してLa0.8Sr0.2CoO3を形成する方法を記載している。二酸化炭素を充分に素早く除去しなければ、炭酸塩が大量に形成され、それによって、相純度を得るためにかなり高い焼成温度が必要とされることが分かった。
GB 2093816に示されている実施例は、実施例10(この実施例は、四塩化チタンを沈殿反応用の先駆物質として使用してチタニアを生成している)を除いて、全て、固体粒子出発物質を使用して混合酸化物生成物を得ている。実施例10の生成物はチタニアであり、混合酸化物ではない。
GB 2093816は、平均直径15〜300nmのカーボンブラックを使用している。GB 2093816は、カーボンブラックを燃え切らす工程での最終焼成温度は約500℃またはそれ以上であるが、多孔質耐火性無機酸化物生成物が、支持体または触媒の活性を失わない限り、その上限は重要でないことを記載している。
GB 2093816に使用されている処理条件および出発物質は、金属の混合物を含有する複合酸化物マトリックスを得るために、比較的高い処理温度を必要とすると考えられる。そのような処理条件は、GB 2093816に明確に開示されておらず、複合金属酸化物相が形成されないことを裏付けている。従って、本発明者らは、GB 2093816において形成されるいわゆる混合無機酸化物が、実際は、供給材料の分離グレイン(grains)または粒子の混合物から成り、各分離グレンまたは粒子は、その中の1つの供給材料のみを組み込んでいると考える。即ち、GB 2093816は、粒子を形成するために使用される種々の先駆成分からの2つまたはそれ以上の分離金属を含有する複合金属酸化物相を生じない。
向上した熱安定性を有する複合酸化物材料、およびそのような材料を製造する方法も極めて必要とされている。
下記物質の混合物を準備する工程:
a) 複合酸化物の製造に好適な先駆成分;または
b) 複合酸化物粒子の製造に好適な1つまたはそれ以上の先駆成分、および1つまたはそれ以上の金属酸化物粒子;および
c) 約7nm〜250nmの気孔寸法を与えるように選択された粒状炭素含有気孔形成材料;
ならびに、
該混合物を下記のために処理する工程:
i) 多孔質複合酸化物を形成し(該多孔質複合酸化物において、前記(a)からの2つまたはそれ以上の先駆成分、または、前記(b)からの、1つまたはそれ以上の先駆成分、および金属酸化物粒子中の1つまたはそれ以上の金属が、複合金属酸化物の相に組み込まれ、複合金属酸化物が約1nm〜150nmの粒径を有する);
ii) 複合酸化物の多孔質構造および組成を実質的に維持する条件下で、気孔形成材料を除去する。
複合金属酸化物は、2つまたはそれ以上の金属、例えば、原子番号3、4、11、12、19〜32、37〜51、55〜84および87〜103の金属から成る群から選択される2つまたはそれ以上の金属を含有し得る。1つの実施形態において、複合金属酸化物中の2つまたはそれ以上の金属は、少なくとも1つの非耐火性金属、例えば、原子番号3、4、11、19〜21、23〜32、37〜39、41〜51、55〜84および87〜103の金属から選択される少なくとも1つの金属を包含し得る。この実施形態において、金属酸化物は、前記の非耐火性金属を含有するのに加えて、Ti、Al、ZrおよびMgのような他の金属も含有し得る。
GB 2093816と異なり、本発明の方法を使用して、非耐火性複合金属酸化物相を形成することができる。本発明者らは、意外にも、本発明の方法を、還元しにくい耐火性酸化物の製造に限定する必要がないことを見出した。これと対照的に、GB 2093816の全ての実施例は、アルミナ、シリカ、チタニア、シリカ−アルミナ、ボリア、ゼオライト、カオリンまたはセピオライトの酸化物相を製造している。
本発明の混合物に有用な先駆成分は、形成される複合酸化物に依存して、任意の好適な種類であってよい。金属および金属陽イオンの、任意の好適な源を使用し得る。金属および金属化合物(1つまたはそれ以上の酸化物、酢酸塩、炭酸塩、硝酸塩等を包含する)の混合物を使用し得る。
先駆成分または複合酸化物および気孔形成材料の混合物は、任意の好適なタイプであってよい。混合物は、固相混合物であってもよく、または溶液、分散液等として形成してもよい。
他の実施形態において、複合酸化物粒子を好適な先駆成分から形成し、気孔形成材料を複合酸化物粒子と混合して、混合物を形成してもよい。
または、混合物を、溶液または分散液として準備してもよい。例えば、固相混合物を先ず形成し、次に、好適な溶媒に分散または溶解させてよい。
最も好適には、先駆成分が、気孔形成材料および金属酸化物粒子(使用される場合)と混合した溶液の部分を形成する。
分散液または溶液を形成する場合は、任意の好適な溶媒を使用し得る。無機および有機溶媒、例えば、酸(例えば、塩酸または硝酸)、アンモニア、アルコール、エーテルおよびケトンを使用し得るが、水が好ましい溶媒である。
混合物が界面活性剤を含有するのが好ましい場合がある。界面活性剤はどのような好適なタイプであってもよい。本出願人の国際特許出願公開第WO 02/42201号(その全ての開示は参照により本明細書に組み入まれる)に開示されているタイプの界面活性剤が好適であることが見出された。
アニオン界面活性剤:
アルコールエトキシカルボキシレート(R−(O−CH2−CH2)x−O−CH2−CH2−OH)(NEODOX AEC)
アルキルエトキシカルボン酸(R−(O−CH2−CH2)x−O−CH2−CO2H)(EMPICOL C)
硫酸ドデシルナトリウム CH3(CH2)11OSO3NA
いくつかの製造会社が存在すると考えられる。Sigmaはその例である。
カチオン界面活性剤:
セチルトリメチルアンモニウムクロリド CH3(CH2)15N(CH3)3Cl Aldrich
セチルトリメチルアンモニウムブロミド CH3(CH2)15N(CH3)3BT Aldrich
セチルピリジニウムクロリド C21H38NCl Sigma
ここに挙げたものは網羅的と見なすべきでない。
気孔形成粒子は、好ましくは、熱処理によって除去される。
先駆成分の混合物を形成するために、複合酸化物の形成に必要とされる成分を均質に分散すべきである。該成分は、先行技術において既知の任意の好適な方法によって混合し得る。気孔形成粒子も、高速剪断装置、超音波装置、ロールミル、ボールミル、サンドミル等を包含する当分野で既知の方法を使用して、混合物に分散すべきである。本出願人は、この段階での炭素含有気孔形成粒子のより優れた分散が、より多くの炭素含有気孔形成粒子を先駆物質とより均質に混合させ、それによって、より多くの気孔が所望の寸法範囲で存在することを見出した。他の好ましい実施形態において、液体との混合前に、真空によって、炭素含有気孔形成粒子から空気を除去する。次に、分散法を使用して液体を炭素と混合する。これは、溶液における炭素粒子のさらに優れた分散、先駆物質におけるさらに多くの炭素粒子の均質混合、およびより多くの、好ましい寸法範囲の気孔を生じる。
複合酸化物を形成するための混合物の処理は、実質的に均質な組成を有する複合酸化物を生じる任意の好適なタイプであってよい。
従って、1つの実施形態において、多孔質複合酸化物の形成は、下記の2つの基本的工程を含む:
1. 複合酸化物または複合酸化物先駆成分および炭素粒子の混合物から成る粒子を製造する工程;
2. 工程(1)からの粒子を熱処理して、先駆物質を使用した場合は先駆物質から、所望の酸化物相を形成し、炭素粒子を実質的に除去して(例えば、燃え切らす)、気孔を形成する工程。
工程(1)および(2)は、順次にまたは同時に行ってよい。
少なくともいくらかの炭素粒子を、好ましくは、酸化物または酸化物先駆物質と均質に混合すべきである。炭素粒子が酸化物または酸化物先駆物質と均質に混合せず、むしろ、炭素粒子が、単に、凝集塊内の酸化物または酸化物先駆物質との大きい凝集塊として存在する場合、正確な寸法の気孔が形成されない場合がある。炭素粒子の大きさ、およびこれらの粒子の容積は、所望の気孔寸法および気孔容積に適合するように選択し得る。
従って、本発明の好ましい実施形態において、該方法は、下記の予備工程をさらに有する:金属陽イオンを含有する複合酸化物先駆物質成分の溶液、炭素粒子源およびノニオン、カチオンまたはアニオン界面活性剤を準備し;界面活性剤ミセルが形成され、かつ混合物が実質的に均質な分散液を形成するように、該溶液、界面活性剤および炭素粒子を混合し;炭素粒子が実質的に除去される条件下で、該混合物を加熱して複合金属酸化物を形成する。
a) 1つまたはそれ以上の金属陽イオンを含有する溶液を準備する工程;
b) 工程(a)からの溶液を、該溶液内に界面活性剤ミセルが形成されてミセル液を形成する条件下で、界面活性剤と混合する工程;および
c) 工程(b)からのミセル液を加熱して、金属酸化物を形成する工程(該加熱工程は、界面活性剤を除去する温度および時間で行われ、それによって、無秩序気孔構造を有する金属酸化物粒子を形成する)。
他の好ましい実施形態において、炭素粒子を、前記の方法によって、工程a)の陽イオンの溶液、または工程b)からの混合物、またはそれらの両方と、均質に混合する。好ましくは、カーボンブラック粒子を、液体への添加前の粒子の高速剪断、音波処理、真空化またはこれらの組合せによって、初期溶液内に、および/または溶液−界面活性剤混合物に、分散させる。
それに代わって、あるいはそれに加えて、当分野で既知の方法を使用して、複合酸化物を形成してもよい。複合酸化物は、高分子−錯体法、共沈法またはゾル−ゲル法、熱蒸発法、水熱法または任意の他の好適な方法、またはそれらの組合せを使用して、製造し得る。そのような方法の例は、米国特許第6139816号(Liuら)、米国特許第5879715号(Higgensら)、米国特許第5770172号(Linehanら)、米国特許第5698483号(Ongら)、米国特許第6328947号(Mondenら)、米国特許第5778950号(Imamuraら)および米国特許出願公開第2005/0008777号(McCleskeyら)に記載されている。前記の参照された特許および特許出願の全ての開示は、相互参照により本明細書に組み入まれる。本発明の第一の態様の方法は、1つまたはそれ以上の先駆物質を含有する溶液を、界面活性剤またはポリマーと混合し、次に、一般に加熱によって、処理して、複合金属酸化物を形成する金属酸化物製造法に使用するのに特に好適である。
酸化物または酸化物先駆物質が、連結していない個々の粒子から成る場合、熱処理は、炭素の燃え切り前に、いくつかの連結が粒子間に形成されるようにすべきである。この網状構造が、炭素の燃え切り前に形成されない場合、気孔が崩壊する。
次に、熱処理によって炭素を除去(「燃え切り」)して、気孔を形成し、酸化物先駆物質を所望の酸化物結晶構造に変換する。
加熱工程は、最大所望温度への急速加熱を含むか、またはかなり厳密に管理された熱処理を含み得る。
分散液を、所定時間にわたって、所望の最大温度まで熱処理プロフィールに付す。
例えば、加熱工程を管理雰囲気下に行ってもよい。加熱工程は、混合物を乾燥させるための乾燥温度(一般に、混合物の沸点未満)への加熱、次に、最大適用温度への徐々の昇温、または最終的に最大適用温度に達する前の中間温度への一連の漸増を含み得る。加熱工程の時間は、広く変化し、工程(c)における好ましい時間は15分〜24時間、より好ましくは15分〜2時間、さらに好ましくは15分〜1時間である。
熱処理工程は、好ましくは、増加した酸素条件下で行われる。これは、加熱環境において、好適な空気流を供給することによって行い得る。
好ましい実施形態において、熱処理は、炭素燃え切り段階の間の、粒子への酸素の浸透を促進すべきである。好ましい装置は、流動床炉等である。酸化物または酸化物先駆物質/炭素のより小さい粒径も、酸素の浸透を促進する。出願人は、より優れた酸素の浸透が、より優れた熱安定性を生じることを見出した。いかなる特定の理論にも縛られるものではないが、出願人は、より優れた酸素の浸透が、より低い温度でのより完全な炭素の除去を生じ、従って、より酸化性の雰囲気を維持すると考える。より少ない酸素は、より高い温度での炭素の保持、および一酸化炭素のような還元ガスの捕捉を生じて、極めて還元性の雰囲気を生じる。これは、いくらかの金属形成およびこの金属の極めて高温への保持を生じる場合があり、これは、焼結および表面積の損失を生じ得る。酸素の浸透は、酸化物を、酸素含有雰囲気に対して移動させ、それによって酸化物のまわりの境界層の厚さを減少させ、それによって酸化物への酸素の拡散速度を増加させることによって促進し得る。流動床炉、またはその中を流れる酸素含有雰囲気を有する炉において、酸化物を処理するのが好適である。
A1-xBxMO3
(式中、
Aは、ランタニド元素の混合物であり;
Bは、二価または一価の陽イオンであり;
Mは、原子番号22〜32、40〜51、および73〜83の元素から成る群から選択される元素または元素の混合物であり;
xは、0.1<x<0.5の数値である)。
好ましくは、複合酸化物材料は、本発明の第一の態様の方法によって製造される。
複合酸化物材料は、実質的に均質な組成を示す。
複合酸化物材料は、ペロブスカイト物質を含有する。
複合酸化物材料は、一般に、平均粒径約2nm〜約150nm、好ましくは約2nm〜100nm、および寸法約7nm〜約250nm、より好ましくは約10nm〜約150nmの気孔を有する。しかし、複合酸化物材料の平均粒径および気孔寸法は、選択した特定の複合酸化物に依存して変化し得る。
マンガン酸ランタン型の複合酸化物材料は、平均粒径約2nm〜100nm、より好ましくは約2nm〜30nmであり、気孔は、約15nm〜200nm、より好ましくは約15nm〜150nmである。
より好ましくは、複合酸化物材料は、実質的に分散した気孔寸法範囲を示す。
下記物質の混合物を準備する工程:
a) 非耐火性金属酸化物の製造に好適な1つまたはそれ以上の先駆成分、非耐火性酸化物の粒子、非耐火性酸化物の先駆物質である酸化物粒子、またはそれらの2つまたはそれ以上の混合物;および
b) 約7nm〜250nmの気孔寸法を与えるように選択された粒状炭素含有気孔形成材料;
ならびに、
該混合物を下記のために処理する工程:
i) 多孔質非耐火性金属酸化物を形成し(該非耐火性金属酸化物は約1nm〜150nmの粒径を有する);
ii) 非耐火性金属酸化物の多孔質構造および組成を実質的に維持する条件下で、気孔形成材料を除去する。
1つまたはそれ以上の先駆成分は、原子番号3、4、11、19〜21、23〜32、37〜39、41〜51、55〜84および87〜103の金属から選択される1つまたはそれ以上の金属を含有する1つまたはそれ以上の金属化合物を含有し得る。1つまたはそれ以上の金属化合物は、酸化物、酢酸塩、炭酸塩、硝酸塩等であってよい。
1つの実施形態において、先駆成分および気孔形成材料を混合して、固相混合物を形成し、次に、下記のように、好適な熱処理によって酸化物を形成し得る。
他の実施形態において、酸化物粒子を好適な先駆成分から形成し、気孔形成材料を酸化物粒子と混合して、混合物を形成し得る。
または、混合物を溶液または分散液として供給してもよい。例えば、固相混合物を先ず形成し、次に、好適な溶媒に分散または溶解させてよい。
分散液または溶液を形成する場合、任意の好適な溶媒を使用し得る。無機および有機溶媒、例えば、酸(塩酸または硝酸)、アンモニア、アルコール、エーテルおよびケトンを使用し得るが、水が好ましい溶媒である。
本発明の第三の態様の実施形態の他の特徴は、本発明の種々の実施形態に関して記載した通りであり、簡便のために、再び記載する必要はない。
本発明の第三の態様の方法を使用して、大きい比表面積を示す酸化銅を形成した。他の酸化物(複合酸化物、および単一金属種を含有する酸化物の両方)も、本発明の第二の態様の方法によって作製した。
本発明の第一および第三の態様の方法は、金属酸化物粉末を製造するのに特に適している。
La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3を下記の方法によって作製した。149g La(NO3)3.6H2O、18.2g Sr(NO3)2、6.86g Pd(NO3)2.xH2O、2.04g NiCO3、および233g/L Mnを含有する水溶液中の138.3g Mn(NO3)2を、135g 水および12g HNO3(70%)から成る溶液に溶解させることによって、溶液を作製した。この溶液119gを、Brij 30界面活性剤72gと混合した。この混合物を300℃にゆっくり加熱した。次に、乾燥生成物を、管状炉において空気流を使用して300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃および650℃で0.5時間にわたって熱処理した。
XRDは、該物質が単相ペロブスカイトであることを示した。この熱処理後に得られた表面積は17.8m2/gであった。図1は、気孔寸法分布を示す。TEMは、平均粒径が約50nmであることを示した。1000℃で2時間の熱処理後に、表面積は6.9m2/gであった。
La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3を、実施例1と同様の方法で作製し、但し、16.15gのカーボンブラック(Cabot Monarch 1300、平均一次粒径13nm、DPB 吸油量100cc/g、窒素表面積560m2/g)を、界面活性剤との混合前に、電磁攪拌機で溶液に混合した。この溶液/カーボンブラック混合物を、高速剪断機で分散させ、次に、界面活性剤と混合し、次に、再び分散させた。熱処理を実施例1と同様に適用した。
XRDは、該物質が単相ペロブスカイトであることを示した。熱処理後に得られた表面積は24.7m2/gであった。図1は、気孔寸法分布を示す。TEMは、平均粒径が約50nmであることを示した。1000℃で2時間の熱処理後に、表面積は10.04m2/gであった。
カーボンブラックの組み込みが、有意により大きい気孔を与え、該物質が高温においてより高い安定性であることが分かる。
La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3を、実施例2と同様の方法で作製し、但し、熱処理は、300℃に加熱した物質を、直接1000℃に置くことによって行った。1000℃で2時間の熱処理後に、表面積は1.9m2/gであった。
この実施例は、ペロブスカイト先駆物質へのカーボンブラックの組み込みが、それ自体では、高温安定性を与えるのに充分でないことを示している。この実施例に使用した熱処理条件は、物質の表面領域の破壊を生じた。この実施例に使用した温度の大きい階段状変化が、酸化物からの炭素の無制御燃え切りを生じ、これが極めて高い温度の局限領域を生じたと推測される。これが、金属酸化物の焼結および還元を生じたと推測される。言い換えれば、金属酸化物の組成および気孔構造が、燃え切りの間に維持されなかった。
La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3を、実施例3と同様の方法で作製し、但し、管状炉に空気流は存在しなかった。その他の手順は同じであった。
XRDは、該物質がペロブスカイト相であることを示した。ピークの全幅半値(FWHM)が、実施例1および2におけるピークのFWHMと同じであり、粒径が同様であることを示した(即ち、約50nm)。この熱処理後に得られた表面積は22.1m2/gであった。1000℃で2時間の熱処理後に、表面積は9.1m2/gであった。
この結果と実施例2の結果(10.2m2/g)の比較は、熱処理中の酸素増加の有利な作用を示す。本発明者らは、より少ない酸素が、炉における還元条件を生じ、これが物質における金属の形成を生じ得ると考える。これは、焼結、ならびに表面積および気孔の減少を生ずる。
カーボンブラック(Raven 850)の量を変化させて、La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3を実施例2と同様の方法で作製した。
XRDは、該物質がペロブスカイト相であることを示し、ピークFWHMは実施例1および2と同様であった。
表面積、気孔容積および気孔寸法分布を表1に示し、それらは、使用したカーボンブラックの量に明らかに依存していた。
複合酸化物La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3に関して得た表面積および気孔構造における、種々のカーボンブラック気孔形成剤使用の作用を示す実施例。
種々のカーボンブラックを使用した以外は、実施例2に記載した方法を使用して、酸化物を形成した。
XRDは、全ての化合物がペロブスカイト構造であることを示し、ピークFWHMは実施例1および2と同様であり、粒径が約50nmであることを示した。得られた表面積および気孔構造の結果を表2に示す。
実施例12および13において、La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3を、それぞれ実施例1および2(炭素不使用および炭素使用)と同様に作製し、但し、ポリエチレングリコール(分子量4000)を界面活性剤の代わりに使用した。XRDはペロブスカイト相、および実施例12における少量の不純物ピークを示した。表面積および気孔容積を表3に示す。炭素の組み込みは、より大きい気孔の数を明らかに増加させた。
La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3を共沈法によって作製し、実施例14および15を、それぞれ炭素(17.8g、Monarch 1300)を使用して、および炭素を使用せずに行った。溶液を実施例1と同様の方法で作製した。シュウ酸アンモニウム55gを水960gに溶解させることによって、別の溶液を作製した。これらの溶液を、それぞれ攪拌器にゆっくり添加することによって混合し、沈殿物を得た。沈殿物を洗浄し、濾過し、約100℃以下で乾燥し、次に、実施例1と同様の方法で熱処理した。
XRDは、ペロブスカイト相およびいくつかの分離ピークを示した。表面積および気孔容積を表4に示す。
明らかに、気孔分布における炭素の作用は、界面活性剤およびポリエチレングリコールを使用した実施例で観察された作用よりかなり小さい。いかなる特定の理論にも縛られるものではないが、本発明者らは、共沈に必要とされることが多い、より多くの液体量が、極めて分散した沈殿物粒子および炭素粒子を生じると考える。これは、所望の気孔を得るために、炭素粒子を沈殿物に充分に分散させることを極めて困難にする。
これらの実施例は、複合酸化物Ce0.54Zr0.37La0.03Pr0.06Oxに関して得た表面積および気孔構造における、種々のカーボンブラック気孔形成剤使用の作用を示す。
適量の、硝酸セリウム、炭酸ジルコニウム、硝酸ランタンおよび硝酸プラセオジムを、水/硝酸溶液に溶解させることによって、Ce0.54Zr0.37La0.03Pr0.06Oxの組成の酸化物を作製した。高速剪断器を使用して、カーボンブラック33gをその溶液に分散させ、70gのErunon LA4界面活性剤を添加し、混合物を再び分散させた。混合物を300℃にゆっくり加熱した。次に、乾燥生成物を、管状炉において空気流を使用して300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃および650℃で0.5時間にわたって熱処理した。
XRDは該試料が単相であることを示し、TEMは、これらの実施例で作製した試料の平均粒径が、650℃に加熱後に約5〜10nmであることを示した。他の実施例は、同様のXRDピークFWHMを示し、同様の粒径を示した。
種々のカーボンブラックを使用した試料の表面積および気孔容積を、下記の表5に、カーボンブラックの粒径および吸油量の数値と共に示す。1000℃で2時間の熱処理後に得られた表面積も示す。
La0.8Sr0.2Mn0.9Ni0.04Pd0.06O3+La2O3物質を、前記実施例と同様の方法で作製した。La2O3の量を、2.5wt%〜20wt%で変化させた。XRDはペロブスカイト相、および、過剰La2O3の増加に伴って増加するLa2O3相の量を示した。図2および3は、650℃および800℃での熱処理後に得られた表面積を、La2O3含有量の関数として示す。
この実施例は、酸化組成物の気孔構造が、変化する量の第二相の組み込みによって変化することを示している。
La0.8Sr0.2Ni0.04Pd0.06Mn0.9O3+10wt% CeO2を、実施例1と同様の方法で作製した。ここの組成物は、ペロブスカイト相および分離CeO2相を(この量の過剰CeO2は、ペロブスカイト相に組み込むことができない)を特に得るために選択した。XRDは、該物質がペロブスカイト相およびCeO2であることを示した。得られた表面積は28.9m2/gであり、3nm〜200nmの気孔の容積は0.26cc/gであり、10nm〜200nmの気孔容積は約0.25cc/gであり、50nm〜200nmの気孔容積は約0.175cc/g以下であった。1000℃で2時間の熱処理後に、表面積は11.7m2/g以下であった。
Ce0.45Zr0.45La0.1Oxを、同様の化合物に関して既知の方法に類似した水熱法を使用して作製した。
49.3gの硝酸アンモニウムセリウム(IV)、27.4g 炭酸ジルコニウムおよび8.66gの硝酸ランタンを、940gの水および63gの硝酸(70%)を含有する溶液に溶解させた。この混合物を約95℃以下で約24時間以下加熱して、沈殿物を形成した。アンモニア溶液(%)150mLを最後に添加して、沈殿物を洗浄し、濾過によって分離し、約100℃以下で乾燥させた。次に、熱処理を行った。温度を150℃から上昇させて、0.5時間ごとに150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃および450℃にした。この熱処理後の表面積は145m2/gであった。気孔容積を表6に示し、XRDを図4に示す。
Raven 850カーボンブラック32gを溶液に添加し高速剪断器で分散させた以外は、実施例28と同様の方法でCe0.45Zr0.45La0.1Oxを作成した。次に、水熱加熱および熱処理を同様の方法で行った。この試料の表面積は約100m2/g以下であった。気孔容積を表6に示しXRDを図4に示す。実施例28と比較して、炭素の組み込みが、より大きい気孔の容積を増加させたことが分かる。しかし、XRDは、炭素の組み込みが、セリア豊富およびジルコニア豊富ないくぶん分離した相を有する酸化物を形成させたことを示している。これは、二重ピークによって示され、分離したピークがCeO2およびZrO2ピーク位置にシフトしている。このように、炭素は、水熱沈殿法に影響を及ぼし、種々の元素種の有意な分離を生じ、気孔容積を増加させた。この作用は、図5にさらに明らかに示されており、該図は、800℃で0.5時間の付加的熱処理を与えた両実施例化合物のXRDを示す。
前記実施例と同様の方法を使用して、CuOを作製した。実施例30を、150℃、200℃、250℃、300℃および350℃での0.5時間の維持によって、350℃にゆっくり熱処理した。実施例31も同様に熱処理したが、この試料は、熱処理中にかなり過熱されるのが観察され、試料が350℃よりかなり高い温度を経験したことを示す領域で赤熱を示した。実施例32は、225℃で1時間の付加段階を有するより遅い熱処理を受けた。この熱処理は、より一貫した特性を有する物質を生じることが見出され、高温逸脱は観察されなかった。
全ての物質のXRDは、CuO相だけを示した。得られた表面積および気孔容積を表7に示す。
本明細書に開示し規定した本発明は、記載した、または本明細書もしくは図面から明らかな、各特徴の2つまたはそれ以上のあらゆる代替的組合せに及ぶことが理解される。これらの種々の組合せの全ては、本発明の種々の代替的態様を構成する。
本明細書に使用されている「含む」という語(またはその文法的変形)は「含む」という語と同意義であり、他の成分または特徴の存在を除外するものと解釈すべきでないことも理解される。
Claims (33)
- 多孔質複合酸化物を製造する方法であって、下記の工程を含む方法:
下記物質の混合物を準備する工程:
a) 複合酸化物の製造に好適な先駆成分;または
b) 複合酸化物粒子の製造に好適な1つまたはそれ以上の先駆成分、および1つまたはそれ以上の金属酸化物粒子;および
c) 約7nm〜250nmの気孔寸法を与えるように選択された粒状炭素含有気孔形成材料;
ならびに、
該混合物を下記のために処理する工程:
i) 多孔質複合酸化物を形成し(該多孔質複合酸化物において、前記(a)からの2つまたはそれ以上の先駆成分、または、前記(b)からの、1つまたはそれ以上の先駆成分、および金属酸化物粒子中の1つまたはそれ以上の金属が、複合金属酸化物の相に組み込まれ、複合金属酸化物が約1nm〜150nmの粒径を有する);
ii) 複合酸化物の多孔質構造および組成を実質的に維持する条件下で、気孔形成材料を除去する。 - 単相複合金属酸化物を形成する、請求項1に記載の方法。
- 複合金属酸化物の相、および他の金属酸化物の1つまたはそれ以上の相を形成する、請求項1に記載の方法。
- 任意の他の金属酸化物相を有するかまたは有さずに、2つまたはそれ以上の複合金属酸化物相を形成する、請求項1に記載の方法。
- 形成された各複合金属酸化物相が相純粋相である、請求項1に記載の方法。
- 気孔形成粒子が約7nm〜300nmの粒径を有する、請求項1に記載の方法。
- 気孔形成粒子が約10nm〜150nmの粒径を有する、請求項6に記載の方法。
- 気孔形成粒子が約10nm〜約100nmの粒径を有する、請求項6に記載の方法。
- 気孔形成粒子がカーボンブラックの粒子である、請求項1に記載の方法。
- 複合酸化物を形成するために使用される成分を、均質に分散させて、先駆成分の混合物を形成する、請求項1に記載の方法。
- 高速剪断、超音波混合、ロール練り、ボールミル粉砕およびサンドミル粉砕から選択される方法を使用して、気孔形成粒子を混合物に分散させる、請求項10に記載の方法。
- 混合物を形成する前に、真空によって、炭素含有気孔形成粒子から空気を除去する、請求項1に記載の方法。
- 下記の工程を含む、請求項1に記載の方法:
金属陽イオンを含有する複合酸化物先駆成分の溶液、炭素粒子源およびノニオン、カチオンまたはアニオン界面活性剤を準備し;界面活性剤ミセルが形成され、かつ混合物が実質的に均質な分散液を形成するように、該溶液、界面活性剤および炭素粒子を混合して混合物を形成し;炭素粒子が実質的に除去される条件下で、該混合物を加熱して複合金属酸化物を形成する。 - a) 1つまたはそれ以上の金属陽イオンを含有する溶液を準備する工程;
b) 工程(a)からの溶液を、該溶液内に界面活性剤ミセルが形成されてミセル液を形成する条件下で、界面活性剤と混合する工程;および
c) 工程(b)からのミセル液を加熱して、金属酸化物を形成する工程(該加熱工程は、界面活性剤を除去する温度および時間で行われ、それによって、無秩序気孔構造を有する金属酸化物粒子を形成する);
を含んで成り、カーボンブラック粒子をa)からの溶液またはb)からの混合物に添加し、熱処理がカーボンブラック粒子を実質的に除去する(燃え切らせる)、請求項13に記載の方法。 - 混合の前に、炭素粒子を工程a)の溶液に添加する、請求項14に記載の方法。
- 複合金属酸化物を形成し、かつ炭素含有粒子を除去するために混合物を処理する工程が、約100℃〜約750℃の温度に混合物を加熱することを含んで成る、請求項1に記載の方法。
- 温度が約100℃〜約650℃である、請求項16に記載の方法。
- 温度が約100℃〜約300℃である、請求項16に記載の方法。
- 温度、冷却速度および酸素の分圧の1つまたはそれ以上を、熱処理工程の間に調節して、炭素含有粒子の除去の間の複合金属酸化物の還元を最小限にするかまたは防止する、請求項1に記載の方法。
- 炭素含有粒子の除去の間に、特定の最大温度を超えないように温度を調節する、請求項19に記載の方法。
- 金属酸化物が、原子番号3、4、11、12、19〜32、37〜51、55〜84および87〜103の2つまたはそれ以上の金属を含有する、請求項1に記載の方法。
- 混合物が液体成分を含有する、請求項1に記載の方法。
- 1つまたはそれ以上の先駆成分を液体成分に溶解させる、請求項22に記載の方法。
- 混合物がポリマーをさらに含有する、請求項23に記載の方法。
- 多孔質非耐火性金属酸化物を製造する方法であって、下記の工程を含んで成る方法:
下記物質の混合物を準備する工程:
a) 非耐火性金属酸化物の製造に好適な1つまたはそれ以上の先駆成分、非耐火性酸化物の粒子、非耐火性酸化物の先駆物質である酸化物粒子、またはそれらの2つまたはそれ以上の混合物;および
b) 約7nm〜250nmの気孔寸法を与えるように選択された粒状炭素含有気孔形成材料;
ならびに、
該混合物を下記のために処理する工程:
(i) 多孔質非耐火性金属酸化物を形成し(該非耐火性金属酸化物は約1nm〜150nmの粒径を有する);
(ii) 非耐火性金属酸化物の多孔質構造および組成を実質的に維持する条件下で、気孔形成材料を除去する。 - 1つまたはそれ以上の先駆成分が、原子番号3、4、11、19〜21、23〜32、37〜39、41〜51、55〜84および87〜103の金属から選択される1つまたはそれ以上の金属を含有する1つまたはそれ以上の金属化合物を含有する、請求項25に記載の方法。
- 1つまたはそれ以上の金属化合物が、金属酸化物、酢酸塩、炭酸塩または硝酸塩である、請求項26に記載の方法。
- 先駆成分を溶液または分散液として準備する、請求項25に記載の方法。
- 先駆成分を溶液に形成し、次に、気孔形成材料を該溶液に添加する、請求項28に記載の方法。
- 先駆成分、および気孔形成材料の少なくとも一部を、混合して、固相混合物を形成し、該混合物を好適な溶媒に溶解させる、請求項28に記載の方法。
- 下記の工程を含んで成る、請求項25に記載の方法:
金属陽イオンを含有する複合酸化物先駆成分の溶液、炭素粒子源およびノニオン、カチオンまたはアニオン界面活性剤を準備し;界面活性剤ミセルが形成され、かつ混合物が実質的に均質な分散液を形成するように、該溶液、界面活性剤および炭素粒子を混合して混合物を形成し;炭素粒子が実質的に除去される条件下で、該混合物を加熱して複合金属酸化物を形成する。 - a) 1つまたはそれ以上の金属陽イオンを含有する溶液を準備する工程;
b) 工程(a)からの溶液を、該溶液内に界面活性剤ミセルが形成されてミセル液を形成する条件下で、界面活性剤と混合する工程;および
c) 工程(b)からのミセル液を加熱して、金属酸化物を形成する工程(該加熱工程は、界面活性剤を除去する温度および時間で行われ、それによって、無秩序気孔構造を有する金属酸化物粒子を形成する);
を含んで成り、カーボンブラック粒子をa)からの溶液に添加し、熱処理がカーボンブラッック粒子を実質的に除去する(燃え切らせる)、請求項31に記載の方法。 - 工程(i)において、工程(a)からの1つまたはそれ以上の先駆成分を、非耐火性金属酸化物の相に組み込む、請求項25に記載の方法。
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