JP2014522304A - 金属触媒組成物 - Google Patents
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Abstract
実施形態は、金属触媒組成物および金属触媒組成物を形成する方法を含む。金属触媒組成物は、(a)担持された金属触媒表面を所定の接触時間にわたって配位子含有アルミナ前駆体と接触させて、担持された金属触媒表面に化学結合した複数のアルミニウム部分を有する中間層を形成するステップ、任意選択で、アルミニウム部分の中間層を所定の中間ストリップ時間にわたって不活性ガスと接触させて、未反応の配位子含有アルミナ前駆体を除去するステップ、(b)アルミニウム部分を所定の反応時間にわたって酸化剤と反応させて、配位子の少なくとも一部をヒドロキシル基に変換し、それによって、担持された金属触媒表面上または既に形成されているアルミナオーバーコートの層の上にアルミナオーバーコートの層を形成するステップ、(c)ステップ(b)で形成されたアルミナオーバーコートの層を所定のストリップ時間にわたって不活性ガスと接触させて、未反応の酸化剤を除去し、連続するステップ(a〜c)を反復して、アルミナオーバーコートの追加的な層を形成するステップ、ならびに(d)アルミナオーバーコートの最終層が形成された後に、アルミナオーバーコートを活性化して、そこに複数の細孔を形成するステップによって、形成することができる。
Description
本開示は、金属触媒組成物、金属触媒組成物を形成する方法、特にオレフィンを生成する脱水素化反応中のコークスの形成を低減させる金属触媒組成物に関する。
脱水素化は、反応の選択性を増加させる金属触媒を使用して、アルカンをアルケン(すなわちオレフィン)に変換する。金属触媒は、選択性を増加させるが、炭素のビルドアップ(buildup)、すなわち「コークス化」には脆弱である。コークス化は、脱水素化が始まり、反応物の流れをブロックした後、数分(例えば10分(min))以内に金属触媒を失活させ、このことが、反応器内の圧力を大きく低下させる。
コークスを除去するために、金属触媒は、高温(例えば、摂氏500度(℃)を超える)で酸化処理される。これによって、オレフィン生成にかかる費用が増し、炭素効率を低減し、触媒分解の原因となる金属触媒の金属粒子の焼結を引き起こす。
「オーバーコート」は、触媒およびその触媒担体のナノサイズの金属粒子上に堆積される、原子レベルに制御された薄いコーティングを指す。
「アルミナオーバーコート」は、触媒およびその触媒担体のナノサイズの金属粒子上に堆積される、原子レベルに制御されたアルミナのコーティングを指す。
「コークス化」は、脱水素化反応中の固体の炭素質のビルドアップを指す。
「基質」は、基材および/または担体を指す。
「層」は、コーティングを指す。層は、基質とすることができる、および/または基質もしくは別の層の上に形成され得る。層は、ALDプロセスを使用して、本開示の化合物から形成することができる。理論上、ALDサイクルは、露出面上に均一に1つの原子または分子の厚さの層を形成する。しかし、層は、露出面のすべての部分上には発生しないことがある。このような部分的な層は、本明細書において層であると理解される。
「堆積」、「堆積プロセス」および「蒸着プロセス」は、基質の1つまたは複数の表面上および/または層上に層が形成されるプロセスを指す。
「脱水素化」は、水素(H2)の脱離を伴い、酸化または非酸化の反応である脱水素化反応を含み得る化学反応を指す。
「原子層堆積」(ALD)は、関連用語「原子層エピタキシー」(ALE)、分子線エピタキシー(MBE)、ガスソースMBE、有機金属MBEおよび化学線エピタキシー(化学成分の交互パルスを用いて実施される場合)も含むことを意味する。
「調製されたままの」は、活性化の前の金属触媒組成物を指す。
「部分」は、原子、分子、イオンまたはこれらの組合せからなる、物質構造の任意の個別の単位を指す。
「配位子」は、配位化合物の中心原子に結合している非金属イオン、分子または原子を指す指す。
金属触媒組成物を形成する方法は、複数の原子層堆積サイクルを実施して、担持された金属触媒上にアルミナオーバーコートを形成するステップを含み、1つまたは複数の原子層堆積サイクルは、以下の連続するステップ:(a)担持された金属触媒表面を所定の接触時間にわたって配位子含有アルミナ前駆体と接触させて、担持された金属触媒表面に化学結合した複数のアルミニウム部分を有する中間層を形成するステップ、(b)アルミニウム部分を所定の反応時間にわたって酸化剤(oxidation reagent)と反応させて、配位子の少なくとも一部をヒドロキシル基に変換し、それによって、担持された金属触媒表面または既に形成されているアルミナオーバーコートの層の上にアルミナオーバーコートの層を形成するステップ、(c)連続するステップ(a)および(b)を反復してアルミナオーバーコートの追加的な層を形成する前に、ステップ(b)で形成されたアルミナオーバーコートの層を所定の最終ストリップ時間(stripping time)にわたって不活性ガスと接触させて、未反応の酸化剤を除去するステップ、ならびに(d)アルミナオーバーコートの最終層が形成された後に、アルミナオーバーコートを活性化させて、そこに複数の細孔を形成するステップを含む。1つまたは複数の実施形態に関して、その複数の細孔の少なくとも80パーセント(%)の直径は、0.3ナノメートル(nm)〜5nmの範囲内である。金属触媒組成物は、アルミナオーバーコートを有さない同様の担持された金属触媒と比較して、脱水素化または酸化的脱水素化反応中に形成されるコークスの量を低減させる。
金属触媒組成物は、複数の金属粒子を含む担体を有する担持された金属触媒と、原子層堆積に続いてアルミナオーバーコートを活性化することによって、担持された金属触媒の表面上に堆積したアルミナオーバーコートとを含む。アルミナオーバーコートを活性化すると、アルミナオーバーコート中に細孔が形成され、その複数の細孔の少なくとも80パーセント(%)の直径が、0.3ナノメートル(nm)〜5nmの範囲内であり、ここでアルミナオーバーコートの厚さは、1nm〜100nmの範囲内である。開示されている金属触媒組成物は、アルミナオーバーコートを有さない金属触媒と比較して、脱水素化反応中に形成されるコークスの量を低減させる。
ALDは、各サイクル中に生成される蒸気が、表面に連続して向けられるおよび/または連続して接触し、その表面上に、例えばアルミナを含有する層を形成することができる、堆積技術である。担持された金属触媒は、市販品を購入する、またはALDによって形成することができる。ALDによって担持された金属触媒を形成することは、その開示が参照によって本明細書に組み込まれている、米国仮出願第61/276,260号、表題「METAL CONTAINING COMPOSITES」、The Dow Chemical Company 整理番号68638で説明されている。
担持された金属触媒は、担体、例えば酸化物担体を担持する基質、および担体に化学結合した金属粒子を含む。金属粒子は、触媒反応に活性サイトをもたらす。
担持された金属触媒の金属粒子の例として、パラジウム、白金、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、銅、ニッケルおよびこれらの組合せが挙げられるが、これらだけには限らない。金属粒子は、好ましくはパラジウムである。
担体の例として、酸化アルミニウム、二酸化チタン、二酸化ケイ素、酸化ニオブ、酸化銅、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、カーボンエアロゲルおよびこれらの組合せが挙げられるが、これらだけには限らない。担体は、好ましくは酸化アルミニウムである。追加的に、担持された金属触媒の担体は、多孔性または非多孔性とすることができる。
基質は、担体と同様の化学組成または異なる化学組成を有することができる。基質の例として、ケイ素、ガラス、金属、ポリマー、多孔性ホストマトリックス(エアロゲル、シリカゲル、メソ多孔性シリカ)、窒化物、硫化物、炭素、ナノワイヤ、酸化物およびこれらの組合せが挙げられるが、これらだけには限らない。
アルミナオーバーコートは、配位子含有アルミナ前駆体(本明細書において「アルミナ前駆体」とも称される)の連続する層およびALDを介して堆積した酸化剤(oxidizing reagent)から形成される。各層の堆積は、アルミナオーバーコートに常に均一な層成長率をもたらす。アルミナオーバーコートの厚さが、原子レベルに制御されるように、アルミナオーバーコートを形成するのに使用される各ALDサイクルに対するアルミナオーバーコートの成長率は本質的に一定である。
ALDは、参照によって本明細書に組み込まれているJ. W. Elam, M. D. Groner and S. M. George, ”Viscous Flow Reactor with Quartz Crystal Microbalance for Thin Film Growth by Atomic Layer Deposition”, Rev. Sci. Instrum. 73, 2981-2987 (2002)で説明されている粘性流反応炉システムで実施される。その他のALDシステムも、本開示の実施形態に適している。ALDシステムは、20℃〜600℃の範囲内の温度を維持する。
アルミナオーバーコートは、本明細書に記載した通り、ALDによって担持された金属触媒上に形成することができる。ALDに関して、アルミナオーバーコートを形成するのに使用される蒸気は、ALDシステムの反応器に連続して律動的に送り込まれる(pulsed)。「蒸気」は、揮発性および/または高蒸気圧の液体および/または固体を含む。
本開示の各ALDサイクルは、以下のステップを含む。ALDサイクルは、担持された金属触媒表面を所定の接触時間にわたって配位子含有アルミナ前駆体と接触させて、担持された金属触媒表面に化学結合した複数のアルミニウム部分を有する中間層を形成するステップを含む。所定の接触時間は、1秒(s)〜300s、好ましくは60sである。配位子含有アルミナ前駆体は、各R1が、独立に、メチル、エチル、プロピル、塩化物、臭化物、ジアルキルアミノまたはアルコキシドである式Al(R1)3を有する化合物から選択される。
ALDサイクルは、中間層を所定の中間ストリップ時間不活性ガスと接触させて、未反応の配位子含有アルミナ前駆体を除去するステップを含む。所定の中間ストリップ時間は、1s〜300s、好ましくは60sである。不活性ガスは、ヘリウム、窒素、アルゴン、ネオン、二酸化炭素およびこれらの組合せからなる群から選択される。
ALDサイクルは、アルミニウム部分を所定の反応時間にわたって酸化剤と反応させて、配位子の少なくとも一部をヒドロキシル基に変換し、それによって、担持された金属触媒表面または既に形成されているアルミナオーバーコートの層の上にアルミナオーバーコートの層を形成するステップを含む。所定の反応時間は、1s〜300s、好ましくは60sである。酸化剤は、水、エチレングリコール、ホルマリン、アンモニア、硫化水素、過酸化水素、亜酸化窒素、二酸化窒素、ホスフィン、アルシンおよびこれらの組合せからなる群から選択される。
アルミナオーバーコートの追加的な層を形成する前に、ALDサイクルは、既に形成されているアルミナオーバーコートの層を所定の最終ストリップ時間不活性ガスと接触させて、未反応の酸化剤を除去するステップを含む。所定の最終ストリップ時間は、1s〜300s、好ましくは60sである。
本明細書で説明される所定の時間は、提供されている範囲には限らず、その他の所定の時間が考えられる。
各ALDサイクルは、2回以上実施することができる。様々な用途に対する最適な厚さを得るために、異なる回数のALDサイクルを実施することができる。多くの回数のALDサイクルが実施できるが、担持された金属触媒の金属粒子の接近容易性(accessibility)は、特定の用途に対するALDサイクルの回数の決定の一因となる。例えば、アルミナオーバーコートの厚さが薄すぎる場合(例えば1nm未満)、そのアルミナオーバーコートは、コークス化および焼結を最小限に抑えられないことがある。一方、アルミナオーバーコートの厚さが厚すぎる場合(例えば15nmを超える)、金属粒子は、脱水素化または酸化的脱水素化反応中の反応物から接近容易でなく、それによって、触媒が無効になる可能性がある。
オーバーコートの厚さは、オーバーコートを堆積したALDサイクルの数によって決まり、ナノメートルに制御される。アルミナオーバーコートの厚さは、1nm〜100nm、好ましくは1nm〜15nm、より好ましくは9nmである。
方法は、アルミナオーバーコートを活性化するステップを含む。活性化によって、アルミナオーバーコート中に細孔が形成され、金属粒子が反応物から接近容易になる。活性化中、アルミナオーバーコートは、アルミナオーバーコートの表面から金属粒子に構造転換し、ALDプロセスから蓄積された残留炭素を取り除き、これによって細孔を形成し、金属粒子を露出させる。
アルミナオーバーコート中の細孔の少なくとも80%の直径は、0.3〜5nmの範囲内、好ましくは0.5nm〜3nmの範囲内である。いくつかの実施形態において、アルミナオーバーコート中の細孔の少なくとも90%の直径は、0.3nm〜5nmの範囲内、好ましくは0.5nm〜3nmの範囲内である。直径が小さいと、金属粒子に到達し得る生成されるオレフィンの量を最小限に抑え、コークス形成を防ぐことを助ける。
活性化は、か焼および/または還元を含む。か焼は、焼成とも称されるが、熱分解および/または解離をもたらすその融点より低い温度までの固体の加熱である。か焼は、3分〜5日(すなわち120時間(hrs))の範囲内の期間、30℃〜1000℃の範囲内の温度で非還元性ガスの存在下で行うことができる。いくつかの用途のために、か焼は、500℃〜800℃の範囲内の温度で60分〜10時間、より好ましくは700℃で2時間行う。適した非還元性ガスとして、ヘリウム、窒素、アルゴン、ネオン、酸素、オゾン、乾燥空気およびこれらの組合せが挙げられるが、これらだけには限らない。か焼は、ALDシステム中または本明細書で説明した通りの焼成条件を生み出して維持する別々の反応器中で実施することができる。
還元は、水素、炭化水素、一酸化炭素、ホルマリンおよびこれらの組合せの存在下で起こすことができる。還元は、30℃〜1000℃の範囲内の温度で3分〜5日の範囲内の期間、非酸化性ガスの存在下で起こすことができる。いくつかの用途のために、還元は、500℃〜800℃の範囲内の温度で60分〜10時間、より好ましくは700℃で2時間で、起こすことができる。適した非酸化性ガスとして、ヘリウム、窒素、アルゴン、ネオン、水素およびこれらの組合せが挙げられる。
脱水素化または酸化的脱水素化中のコークス形成を低減するための方法が開示される。方法は、300℃〜800℃の範囲内の温度で、不活性ガス、酸素およびこれらの組合せの存在下で、アルカンを金属触媒組成物と接触させるステップを含み、ここで金属触媒組成物は、本明細書に記載した通り、担持された金属触媒表面上で複数のALDサイクルを実施することによって形成される。アルカンとして、単独でまたは混合物で、好ましくは2〜8個の炭素原子を有する、C2〜C20の炭素原子のアルカンを挙げることができるが、これらだけには限らない。適したアルカンとして、エタン、プロパン、n−ブタンイソブタン、n−ペンタン、イソアミレン、n−ヘキサン、イソヘキサン、n−ヘプタン、イソヘプタン、オクタンおよびイソオクタンが挙げられるが、これらだけには限らない。アルカンには、直鎖および分枝のアルカンの両方を含めることができる。
コークス化を引き起こす問題として、金属粒子の移動およびその金属粒子上で重合する生成されたオレフィンが挙げられる。アルミナオーバーコートは、コークス化を引き起こす問題を抑制すると考えられる。例えば、オーバーコートは、金属粒子の移動が抑制されるように、バリアとして作用する。より大きな金属粒子は、小さい金属粒子よりコークスをより作製しやすいので、移動を防ぐことによって、金属粒子の成長を最小限に抑えることは、コークス形成を最小限に抑えることを助ける。追加的に、アルミナオーバーコートは、生成されたオレフィンの金属粒子への接近(access)を制限する。直径が2nm以下の細孔を有することによって、生成されたオレフィンの金属粒子への接近が制限され、重合に必要な所要の濃度の生成されたオレフィンが金属粒子上で捕集されることを防ぐ。
物質は、トリメチルアルミニウム(TMA)、(CH3)3Al、アッセイ97%、Sigma−Aldrich(登録商標);γAl2O3上に湿式含浸法によって合成された、Pdナノ粒子の平均サイズが3.2±0.67nmおよび添加量(loading)1.88%のパラジウム/アルミナ(Pd/Al2O3)触媒;;ホルマリン(HCOH37%およびCH3OH15%の水溶液)、Sigma−Aldrich(登録商標);超純水(Millipore(商標));パラジウム(II)ヘキサフルオロアセチルアセトネート、Pd(C5HF6O2)2、(Sigma−Aldrich(登録商標));シリカゲルS10040M、(SiliCycle(登録商標));不活性ガス:窒素;硝酸パラジウム(Pd(NO3)2)、10%溶液、Johnson Matthey(登録商標);クエン酸;γ−アルミナ(180m2/g、0.6cc/g)、Sasol(登録商標)を含む。
設備は、粘性流反応炉システム(J.W.Elamおよび本明細書で説明した通り)を含み;Maxtek BSH−150 ベーク可能センサー(INFICON)ハウジング内に、膜厚計(thickness monitor)モデルTM−400RおよびQCMセンサーCCAT1BK−1007−000 (Colorado Crystal Corporation)を有する、水晶振動子マイクロバランス(Maxtek Inc.)搭載し、Epotek P1011エポキシ(Epoxy Technology,Inc.)で密閉する。反応器を、360立方センチメートル毎分(sccm)での窒素流を用いて、1〜2Torrの圧力で作動させる。10TorrのBaratron隔膜式真空計によって圧力を監視して、2.5メートル/秒の流量を維持する。高分解能透過電子顕微鏡(TEM)、(JEOL(登録商標)JEM−2100F FAST TEM);熱重量分析(TGA)、(TA instrument);拡散反射赤外(IR)分光法(DRIFTS)、(MCT検出器を備えるThermo Nicolet Nexus 870装置(登録商標))、および窒素BET(ASAP 2020、Micromeritics(登録商標))。
45Al/Pd/Al2O3
200℃でTMAおよび超純水を含む45回のALDサイクルにPd/Al2O3触媒を連続して曝露する。各ALDサイクルは、60sのTMA曝露および60sの超純水曝露、それぞれの曝露に続いて、60sの窒素での不活性ガスパージを行うことを含む。得られた調製されたままの金属触媒組成物の添加量は、1.03%である。TEM測定は、図1に見られるように、45回のALDサイクル後のPd/Al2O3触媒の表面上に約9nmのアルミナオーバーコートがあることを示した。
200℃でTMAおよび超純水を含む45回のALDサイクルにPd/Al2O3触媒を連続して曝露する。各ALDサイクルは、60sのTMA曝露および60sの超純水曝露、それぞれの曝露に続いて、60sの窒素での不活性ガスパージを行うことを含む。得られた調製されたままの金属触媒組成物の添加量は、1.03%である。TEM測定は、図1に見られるように、45回のALDサイクル後のPd/Al2O3触媒の表面上に約9nmのアルミナオーバーコートがあることを示した。
調製されたままの金属触媒組成物を、酸素10%のヘリウム中で700℃で2時間か焼し、次いで水素5%のヘリウム中で300℃で30分還元することによって、アルミナオーバーコートを活性化する。
45A1/Pd/Al2O3−ALD
1回のALDサイクルに対してPd(C5HF6O2)およびホルマリンを80℃で使用するALDによって、Pd/Al2O3触媒を合成する。Pdナノ粒子の粒子サイズは、1.1±0.5nmであり、添加量は0.41%である。実施例1に記載の通り、合成されたPd/Al2O3触媒を45回のALDサイクルに連続して曝露する。得られた調製されたままの金属触媒組成物の添加量は、0.23%である。
1回のALDサイクルに対してPd(C5HF6O2)およびホルマリンを80℃で使用するALDによって、Pd/Al2O3触媒を合成する。Pdナノ粒子の粒子サイズは、1.1±0.5nmであり、添加量は0.41%である。実施例1に記載の通り、合成されたPd/Al2O3触媒を45回のALDサイクルに連続して曝露する。得られた調製されたままの金属触媒組成物の添加量は、0.23%である。
調製されたままの金属触媒組成物を、酸素10%のヘリウム中で700℃で2時間か焼し、次いで水素5%のヘリウム中で300℃で30分還元することによって、アルミナオーバーコートを活性化する。
30Al/Pd/Al2O3−ALD
実施例2を、変更を加えて繰り返す。45回のサイクルの代わりに30回のALDサイクルを実施する。
実施例2を、変更を加えて繰り返す。45回のサイクルの代わりに30回のALDサイクルを実施する。
比較例1:Pd/Al2O3
クエン酸3.0gを水2mLに溶解する。クエン酸に10%Pd(NO3)2溶液7mLを添加して、Pd−クエン酸溶液を形成する。Pd−クエン酸溶液を、γ−アルミナ15gに滴下して、約20℃で1時間、次いで125℃で終夜乾燥し、触媒を形成した。触媒5gを300℃で5時間、流動空気中でか焼する。30分間100℃に加熱し、次いで30分間175℃に、最終的に30分間250℃に温度を上昇させることによって、流れている水素(200sccm/min)中のか焼した触媒を還元し、Heでパージして、約20℃に冷却する。
クエン酸3.0gを水2mLに溶解する。クエン酸に10%Pd(NO3)2溶液7mLを添加して、Pd−クエン酸溶液を形成する。Pd−クエン酸溶液を、γ−アルミナ15gに滴下して、約20℃で1時間、次いで125℃で終夜乾燥し、触媒を形成した。触媒5gを300℃で5時間、流動空気中でか焼する。30分間100℃に加熱し、次いで30分間175℃に、最終的に30分間250℃に温度を上昇させることによって、流れている水素(200sccm/min)中のか焼した触媒を還元し、Heでパージして、約20℃に冷却する。
比較例2:Pd/Al2O3−ALD
1回のALDサイクルに対してPd(C5HF6O2)およびホルマリンを80℃で用いるALDによって、Pd/Al2O3触媒を合成する。
1回のALDサイクルに対してPd(C5HF6O2)およびホルマリンを80℃で用いるALDによって、Pd/Al2O3触媒を合成する。
実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の200℃での接近容易性
200℃で30分間5%の水素中で還元した後、プローブ分子としてCOを用いるDRIFTSを使用して、実施例1からの調製されたままの45Al/Pd/Al2O3の接近容易性を求める。CO化学吸着のDRIFTS測定を、MCT検出器を備えるThermo Nicolet Nexus 870装置を使用して、20℃で実施した。約マイナス(−)80℃のコールドトラップを、ガス導入管内で使用して、すべての鉄カルボニルを除去した。約80sccmの流量で30分間、超高純度(99.999%)ヘリウムで試料をパージした後、バックグラウンドスペクトルを取った。次いで、約40sccmの流量の純粋なCO(Airgas、リサーチグレード)を、20分間DRFITSセルに導入して、Pd表面を飽和した。CO飽和の後、約70sccmの流量で、さらに5分のヘリウムパージを実施し、DRIFTSセル中のガス相COを除去した。ヘリウムパージの後、スペクトルを記録した(512スキャン、4cm−1の解像度)。)飽和被覆率での45Al/Pd/Al2O3−200℃に対するCO化学吸着のDRIFTスペクトルを、図2に示す。
200℃で30分間5%の水素中で還元した後、プローブ分子としてCOを用いるDRIFTSを使用して、実施例1からの調製されたままの45Al/Pd/Al2O3の接近容易性を求める。CO化学吸着のDRIFTS測定を、MCT検出器を備えるThermo Nicolet Nexus 870装置を使用して、20℃で実施した。約マイナス(−)80℃のコールドトラップを、ガス導入管内で使用して、すべての鉄カルボニルを除去した。約80sccmの流量で30分間、超高純度(99.999%)ヘリウムで試料をパージした後、バックグラウンドスペクトルを取った。次いで、約40sccmの流量の純粋なCO(Airgas、リサーチグレード)を、20分間DRFITSセルに導入して、Pd表面を飽和した。CO飽和の後、約70sccmの流量で、さらに5分のヘリウムパージを実施し、DRIFTSセル中のガス相COを除去した。ヘリウムパージの後、スペクトルを記録した(512スキャン、4cm−1の解像度)。)飽和被覆率での45Al/Pd/Al2O3−200℃に対するCO化学吸着のDRIFTスペクトルを、図2に示す。
実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の500℃での接近容易性
酸素10%のヘリウム中で、500℃で2時間、実施例1からの調製されたままの45Al/Pd/Al2O3をか焼することによってアルミナオーバーコートを活性化し、次いで、300℃で30分、水素5%のヘリウム中で還元する。200℃で、実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の接近容易性を、変更を加えて繰り返す。500℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)が、200℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)からの金属触媒組成物に取って代わる。飽和被覆率での45Al/Pd/Al2O3−500℃に対するCO化学吸着のDRIFTスペクトルを、図2に示す。
酸素10%のヘリウム中で、500℃で2時間、実施例1からの調製されたままの45Al/Pd/Al2O3をか焼することによってアルミナオーバーコートを活性化し、次いで、300℃で30分、水素5%のヘリウム中で還元する。200℃で、実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の接近容易性を、変更を加えて繰り返す。500℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)が、200℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)からの金属触媒組成物に取って代わる。飽和被覆率での45Al/Pd/Al2O3−500℃に対するCO化学吸着のDRIFTスペクトルを、図2に示す。
実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の700℃での接近容易性
700℃で2時間、酸素10%のヘリウム中で実施例1の45Al/Pd/Al2O3をか焼することによってアルミナオーバーコートを活性化し、次いで300℃で30分間、水素5%のヘリウム中で還元する。次いで、200℃で、実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の接近容易性を、変更を加えて繰り返す。700℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)が、200℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)からの金属触媒組成物に取って代わる。飽和被覆率での45Al/Pd/Al2O3−700℃に対するCO化学吸着のDRIFTスペクトルを、図2に示す。
700℃で2時間、酸素10%のヘリウム中で実施例1の45Al/Pd/Al2O3をか焼することによってアルミナオーバーコートを活性化し、次いで300℃で30分間、水素5%のヘリウム中で還元する。次いで、200℃で、実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の接近容易性を、変更を加えて繰り返す。700℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)が、200℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)からの金属触媒組成物に取って代わる。飽和被覆率での45Al/Pd/Al2O3−700℃に対するCO化学吸着のDRIFTスペクトルを、図2に示す。
比較例1(Pd/Al2O3)の接近容易性
比較例1のコーティングされていない金属触媒の接近容易性を求める。200℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の接近容易性を、変更を加えて繰り返す。比較例1のコーティングされていない金属触媒が、200℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)からの金属触媒組成物に取って代わる。飽和被覆率でのPd/Al2O3に対するCO化学吸着のDRIFTスペクトルを、図2に示す。
比較例1のコーティングされていない金属触媒の接近容易性を求める。200℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)の接近容易性を、変更を加えて繰り返す。比較例1のコーティングされていない金属触媒が、200℃での実施例1(45Al/Pd/Al2O3)からの金属触媒組成物に取って代わる。飽和被覆率でのPd/Al2O3に対するCO化学吸着のDRIFTスペクトルを、図2に示す。
接近容易性の分析
図2に見られるように、結果は、45Al/Pd/Al2O3−200℃の触媒は、アルミナオーバーコートによって完全に被覆され、それによって、CO分子の接近容易性を最小限に抑えたことを表している。45Al/Pd/Al2O3−500℃および45Al/Pd/Al2O3−700℃に対する結果は、か焼中の温度が上昇するにつれて、CO分子の接近容易性も上昇することを表している。45Al/Pd/Al2O3−700℃のCOピークの容量は、コーティングされていない試料Pd/Al2O3とほぼ同程度であり、このことは、アルミナオーバーコートが多孔性になり、焼成処理後にPdナノ粒子を再度接近容易にできることを表している。
図2に見られるように、結果は、45Al/Pd/Al2O3−200℃の触媒は、アルミナオーバーコートによって完全に被覆され、それによって、CO分子の接近容易性を最小限に抑えたことを表している。45Al/Pd/Al2O3−500℃および45Al/Pd/Al2O3−700℃に対する結果は、か焼中の温度が上昇するにつれて、CO分子の接近容易性も上昇することを表している。45Al/Pd/Al2O3−700℃のCOピークの容量は、コーティングされていない試料Pd/Al2O3とほぼ同程度であり、このことは、アルミナオーバーコートが多孔性になり、焼成処理後にPdナノ粒子を再度接近容易にできることを表している。
コークス形成の低減:実施例1(45Al/Pd/Al2O3)を使用
in situでTGAを実施して、650℃で90分間のエタンの酸化的脱水素化(ODHE)反応中、実施例1からの金属触媒組成物20ミリグラム(mg)を使用して、コークス形成の低減を定量化する。エタン、酸素および希釈ヘリウムの流量は、それぞれ10.5、3.5および66.5sccmである。ODHE反応の前に、10%酸素/ヘリウム(80sccm)中の加熱速度5℃/minで試料を700℃に加熱し、次いで2時間等温に維持する。試料をヘリウム中(80sccm)で650℃に冷却し、次いで、1時間等温に維持する。処理の後、反応物の混合物を、650℃で90分、試料に導入した。この結果を、図3に図示する。
in situでTGAを実施して、650℃で90分間のエタンの酸化的脱水素化(ODHE)反応中、実施例1からの金属触媒組成物20ミリグラム(mg)を使用して、コークス形成の低減を定量化する。エタン、酸素および希釈ヘリウムの流量は、それぞれ10.5、3.5および66.5sccmである。ODHE反応の前に、10%酸素/ヘリウム(80sccm)中の加熱速度5℃/minで試料を700℃に加熱し、次いで2時間等温に維持する。試料をヘリウム中(80sccm)で650℃に冷却し、次いで、1時間等温に維持する。処理の後、反応物の混合物を、650℃で90分、試料に導入した。この結果を、図3に図示する。
比較のコークス形成:比較例1(Pd/Al2O3)を使用
実施例1を使用するコークス形成の低減を、変更を加えて繰り返す。比較例1のコーティングされていない金属触媒が、実施例1からの金属触媒組成物に取って代わる。この結果を、図3に図示する。
実施例1を使用するコークス形成の低減を、変更を加えて繰り返す。比較例1のコーティングされていない金属触媒が、実施例1からの金属触媒組成物に取って代わる。この結果を、図3に図示する。
分析
図3に見られるように、TGAの結果は、650℃での反応の60分後、比較例1のコーティングされていない金属触媒20mg上に11.83mgのコークス形成があったことを図示している。実施例1の金属触媒組成物に関しては、650℃での反応の1時間後、実施例1の金属触媒組成物20mg上に0.40mgのコークス形成があった。60分後の実施例1からの金属触媒組成物上のコークス形成の量は、比較例1のコーティングされていない触媒上でのコークス形成の約6.2%であった。実施例1の金属触媒組成物上のコークス形成の量は、90分の反応期間中にゆっくりと増加したが、それでも比較例1のコーティングされていない金属触媒上のコークス形成より著しく少ない。
図3に見られるように、TGAの結果は、650℃での反応の60分後、比較例1のコーティングされていない金属触媒20mg上に11.83mgのコークス形成があったことを図示している。実施例1の金属触媒組成物に関しては、650℃での反応の1時間後、実施例1の金属触媒組成物20mg上に0.40mgのコークス形成があった。60分後の実施例1からの金属触媒組成物上のコークス形成の量は、比較例1のコーティングされていない触媒上でのコークス形成の約6.2%であった。実施例1の金属触媒組成物上のコークス形成の量は、90分の反応期間中にゆっくりと増加したが、それでも比較例1のコーティングされていない金属触媒上のコークス形成より著しく少ない。
コークス形成の低減:実施例2(45Al/Pd/Al2O3−ALD)を使用
実施例1を使用するコークス形成の低減を、変更を加えて繰り返す。実施例2からの金属触媒組成物が、実施例1からの金属触媒組成物に取って代わる。この結果を、図4に図示する。
実施例1を使用するコークス形成の低減を、変更を加えて繰り返す。実施例2からの金属触媒組成物が、実施例1からの金属触媒組成物に取って代わる。この結果を、図4に図示する。
比較のコークス形成1:比較例2(Pd/Al2O3−ALD)を使用
実施例1を使用するコークス形成の低減を、変更を加えて繰り返す。比較例2のコーティングされていない金属触媒が、実施例1からの金属触媒組成物に取って代わる。この結果を、図4に図示する。
実施例1を使用するコークス形成の低減を、変更を加えて繰り返す。比較例2のコーティングされていない金属触媒が、実施例1からの金属触媒組成物に取って代わる。この結果を、図4に図示する。
分析
図4に見られるように、TGAの結果は、650℃での反応の1時間後、比較例2のコーティングされていない金属触媒20mg上に4.36mgのコークス形成があったことを図示している。実施例2の金属触媒組成物に関しては、650℃での反応の1時間後、実施例1の金属触媒組成物20mg上に0.05mgのコークス形成があった。実施例2からの金属触媒組成物上のコークス形成の量は、比較例2からのコーティングされていない触媒上でのコークス形成の約2.0%であった。実施例2の金属触媒組成物上のコークス形成の量は、180分の反応期間中にゆっくりと増加したが、それでも比較例2のコーティングされていない金属触媒上のコークス形成より著しく少ない。
図4に見られるように、TGAの結果は、650℃での反応の1時間後、比較例2のコーティングされていない金属触媒20mg上に4.36mgのコークス形成があったことを図示している。実施例2の金属触媒組成物に関しては、650℃での反応の1時間後、実施例1の金属触媒組成物20mg上に0.05mgのコークス形成があった。実施例2からの金属触媒組成物上のコークス形成の量は、比較例2からのコーティングされていない触媒上でのコークス形成の約2.0%であった。実施例2の金属触媒組成物上のコークス形成の量は、180分の反応期間中にゆっくりと増加したが、それでも比較例2のコーティングされていない金属触媒上のコークス形成より著しく少ない。
熱安定性:実施例1(45Al/Pd/Al2O3)を使用
実施例1の調製されたままの金属触媒組成物を、微細石英チップで希釈して、加熱速度2℃/minでゆっくり加温する。700℃で2時間、10%酸素中でか焼する。エタンの酸化的脱水素化(ODHE)を、675℃で28時間実施する。エタン、酸素および希釈ヘリウムの流量は、それぞれ9、3および48sccmである。STEM測定を使用して、Pdナノ粒子のあらゆる形態変化を求める。使用した触媒上で、Pdナノ粒子の目に見える形態変化は観察されなかった。
実施例1の調製されたままの金属触媒組成物を、微細石英チップで希釈して、加熱速度2℃/minでゆっくり加温する。700℃で2時間、10%酸素中でか焼する。エタンの酸化的脱水素化(ODHE)を、675℃で28時間実施する。エタン、酸素および希釈ヘリウムの流量は、それぞれ9、3および48sccmである。STEM測定を使用して、Pdナノ粒子のあらゆる形態変化を求める。使用した触媒上で、Pdナノ粒子の目に見える形態変化は観察されなかった。
熱安定性:実施例2(45Al/Pd/Al2O3−ALD)を使用
実施例1を使用する熱安定性を、変更を加えて繰り返す。実施例2の金属触媒組成物が、実施例1の金属触媒組成物に取って代わる。使用した触媒上で、Pdナノ粒子の目に見える形態変化は観察されなかった。
実施例1を使用する熱安定性を、変更を加えて繰り返す。実施例2の金属触媒組成物が、実施例1の金属触媒組成物に取って代わる。使用した触媒上で、Pdナノ粒子の目に見える形態変化は観察されなかった。
熱安定性:実施例3(30Al/Pd/Al2O3−ALD)を使用
実施例1を使用する熱安定性を、変更を加えて繰り返す。実施例3の金属触媒組成物が、実施例1の金属触媒組成物に取って代わる。この結果を表1に図示し、そのSTEM画像を図5に示す。かなりの形態変化が観察され、そのSTEM画像を図5に示す。
実施例1を使用する熱安定性を、変更を加えて繰り返す。実施例3の金属触媒組成物が、実施例1の金属触媒組成物に取って代わる。この結果を表1に図示し、そのSTEM画像を図5に示す。かなりの形態変化が観察され、そのSTEM画像を図5に示す。
図5に見られるように、(A)は、ODHE反応後の30Al/Pd/Al2O3−ALD触媒を低倍率で図示し、(B)は、ODHE反応後の30Al/Pd/Al2O3−ALD触媒を高倍率で図示している。
熱安定性:比較例1(Pd/Al2O3)を使用
実施例1を使用する熱安定性を、変更を加えて繰り返す。比較例1のコーティングされていない金属触媒が、実施例1の金属触媒組成物に取って代わる。コークス形成が反応器をブロックして反応を停止させてしまうので、30分間、ODHE反応を実行した。STEM測定は、使用した触媒上にナノワイヤ形成およびかなりの焼結があったことを実証した。そのSTEM画像を、図6に示す。
実施例1を使用する熱安定性を、変更を加えて繰り返す。比較例1のコーティングされていない金属触媒が、実施例1の金属触媒組成物に取って代わる。コークス形成が反応器をブロックして反応を停止させてしまうので、30分間、ODHE反応を実行した。STEM測定は、使用した触媒上にナノワイヤ形成およびかなりの焼結があったことを実証した。そのSTEM画像を、図6に示す。
図6に見られるように、(A)は、新たな未使用のPd/Al2O3触媒を図示し、(B)および(C)は、ODHE反応後の使用したPd/Al2O3触媒を異なる倍率で図示している。
熱安定性:比較例2(Pd/Al2O3−ALD)を使用
実施例1を使用する熱安定性を、変更を加えて繰り返す。比較例2のコーティングされていない金属触媒が、実施例1の金属触媒組成物に取って代わる。コークス形成のために、30分間、ODHE反応を実行した。STEM測定は、使用した触媒上にナノワイヤ形成およびかなりの焼結があったことを実証した。STEM画像を、図7に示す。
実施例1を使用する熱安定性を、変更を加えて繰り返す。比較例2のコーティングされていない金属触媒が、実施例1の金属触媒組成物に取って代わる。コークス形成のために、30分間、ODHE反応を実行した。STEM測定は、使用した触媒上にナノワイヤ形成およびかなりの焼結があったことを実証した。STEM画像を、図7に示す。
図7に見られるように、(A)は、新しい未使用のPd/Al2O3−ALD触媒を図示し、(B)および(C)は、ODHE反応後の使用したPd/Al2O3−ALD触媒を異なる倍率で図示している。
エタンの脱水素化(DHE):実施例2(45Al/Pd/Al2O3−ALD)を使用
9sccmでエタン、および41sccmでN2を流して、675℃で5時間、金属触媒組成物を用いてDHE反応を実施する。エタンの変換は4.9%、エチレン選択率は97.6%であることが見出され、このことを、図8に示す。DHE反応中、5時間での活性の目に見える減少はなく、エチレンの選択率は、2時間後に100%から97.6%にわずかに低下しただけであった。この長時間のDHE反応試験によって、多量のコークス堆積によって通常数分間で失活するオーバーコートを有さない触媒を使用する反応と比較すると、金属触媒組成物がDHE反応におけるコークス形成を抑制することを提示している。
9sccmでエタン、および41sccmでN2を流して、675℃で5時間、金属触媒組成物を用いてDHE反応を実施する。エタンの変換は4.9%、エチレン選択率は97.6%であることが見出され、このことを、図8に示す。DHE反応中、5時間での活性の目に見える減少はなく、エチレンの選択率は、2時間後に100%から97.6%にわずかに低下しただけであった。この長時間のDHE反応試験によって、多量のコークス堆積によって通常数分間で失活するオーバーコートを有さない触媒を使用する反応と比較すると、金属触媒組成物がDHE反応におけるコークス形成を抑制することを提示している。
ALDを適用したオーバーコートの多孔性
比表面積がグラム当たり約100平方メートル(m2/g)で、担体としての主な粒径が75〜200マイクロメートル(μm)のsilicycle S10040M SiO2を使用する。担体500mgを粉末ホルダーに充填して、200℃でALDシステム中に保持する。担体を、45回のALDサイクルに対して、200℃でTMAおよび超純水に連続して曝露する。各ALDサイクルは、60sのTMA曝露および60sの超純水曝露、それぞれの曝露に続いて、60sの窒素での不活性ガスパージを行うこと含む。窒素BETを使用して、調製されたままのおよび700℃で2時間空気中で焼成した後のアルミナオーバーコートの細孔径分布を求める。この結果を、図9に示す。
比表面積がグラム当たり約100平方メートル(m2/g)で、担体としての主な粒径が75〜200マイクロメートル(μm)のsilicycle S10040M SiO2を使用する。担体500mgを粉末ホルダーに充填して、200℃でALDシステム中に保持する。担体を、45回のALDサイクルに対して、200℃でTMAおよび超純水に連続して曝露する。各ALDサイクルは、60sのTMA曝露および60sの超純水曝露、それぞれの曝露に続いて、60sの窒素での不活性ガスパージを行うこと含む。窒素BETを使用して、調製されたままのおよび700℃で2時間空気中で焼成した後のアルミナオーバーコートの細孔径分布を求める。この結果を、図9に示す。
図9に見られるように、調製されたままのオーバーコートされた担体および焼成後のオーバーコートされた担体の細孔径分布は、約2nmのサイズの細孔の母集団が、高温処理後に著しく増加したことを図示し、このことは、同様の処理後の45Al/Pd/Al2O3触媒上に形成された細孔のサイズと同一であったことを証拠に基づいて図示している。したがって、ALD Al2O3オーバーコート内の細孔の形成は、ALDプロセスからの残留炭素の除去による可能性が最も高い。確実に、非晶質のAl2O3オーバーコートにおける構造変化は、熱処理による細孔形成をもたらし得る。
オーバーコートされた金属触媒の多孔性:実施例1(45Al/Pd/Al2O3)を使用
窒素BETによってアルミナオーバーコートの多孔性を求める。比表面積および細孔径分布の変化に対処するために、吸着した窒素の量および比表面積を、コーティングされていない触媒(Pd/Al2O3)の重量に基づいて標準化した。BET比表面積を、コーティングされていない触媒(Pd/Al2O3)の吸着/脱着等温線から推定される通り、実施例1の調製されたままの金属触媒組成物、およびオーバーコートを活性化した後の実施例1の金属触媒組成物を、それぞれ図10A、10Bおよび10Cに示す。図10Aおよび10Bに見られるように、比表面積は、45回のALDサイクルを適用した結果として253m2/グラムから30m2/グラムに減少した。図10Bに見られる大きなヒステリシスループは、スリット状の細孔がALDサイクル後に形成されたことを表している。
窒素BETによってアルミナオーバーコートの多孔性を求める。比表面積および細孔径分布の変化に対処するために、吸着した窒素の量および比表面積を、コーティングされていない触媒(Pd/Al2O3)の重量に基づいて標準化した。BET比表面積を、コーティングされていない触媒(Pd/Al2O3)の吸着/脱着等温線から推定される通り、実施例1の調製されたままの金属触媒組成物、およびオーバーコートを活性化した後の実施例1の金属触媒組成物を、それぞれ図10A、10Bおよび10Cに示す。図10Aおよび10Bに見られるように、比表面積は、45回のALDサイクルを適用した結果として253m2/グラムから30m2/グラムに減少した。図10Bに見られる大きなヒステリシスループは、スリット状の細孔がALDサイクル後に形成されたことを表している。
しかし、10%酸素のヘリウム下で700℃で2時間か焼することによってアルミナオーバーコートを活性化し、続いて水素5%のヘリウム中で300℃で30分の還元後(45Al/Pd/Al2O3−700C)、BET比表面積を、213m2/グラムまで戻し、これを図10Cに示す。
図10Dは、図10A〜10Cの試料の等温線の吸着枝から算出した細孔径分布を図示している。図10Dは、コーティングされていないPd/Al2O3触媒のAl2O3担体が、平均細孔径6.6nmのメソポーラスであったことを図示している。ALD Al2O3オーバーコーティングの45回のサイクルの後、メソポアは消滅し、BET比表面積の劇的な減少が明らかになった。このことは、ALD Al2O3オーバーコート(約9nm、図1に示した通りである)の厚さは、メソポアの特有の直径よりも厚いので、驚くことではない。高温処理後、直径6.6nmのメソポアを復元し、新しい細孔を約2nmで形成した(図10D)。細孔を、熱処理によって生じた非晶質のAl2O3オーバーコートの構造変化によって形成し、ALDプロセスからの残留炭素を除去し、パラジウムとアルミナの間の大きな格子不整合によって生じたPdナノ粒子の表面からAl2O3オーバーコートのデウェッティング(dewetting)によって、形成した。これらの細孔は、埋め込まれたPdナノ粒子が接近容易になることを可能にし、一方オーバーレーヤは、高い熱安定性を与える。
Claims (15)
- 複数の原子層堆積サイクルを実施して、担持された金属触媒上に金属酸化物オーバーコートを形成するステップを含む、金属触媒組成物を形成する方法であって、1つまたは複数の原子層堆積サイクルが、以下の連続するステップ:
(a)担持された金属触媒表面を所定の接触時間にわたって配位子含有金属酸化物前駆体と接触させて、担持された金属触媒表面に化学結合した複数の金属部分を有する中間層を形成するステップ、
(b)金属部分を所定の反応時間にわたって酸化剤と反応させて、配位子の少なくとも一部をヒドロキシル基に変換し、それによって、担持された金属触媒表面または既に形成されている金属酸化物、金属水酸化物もしくは金属オキシ水酸化物オーバーコートの層の上に、金属酸化物、金属水酸化物もしくは金属オキシ水酸化物のオーバーコートの層を形成するステップ、
(c)連続するステップ(a)および(b)を反復して金属酸化物オーバーコートの追加的な層を形成する前に、ステップ(b)で形成された金属酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物オーバーコートの層を所定の最終ストリップ時間にわたって不活性ガスと接触させ、未反応の酸化剤を除去するステップ、ならびに
(d)前記オーバーコートの最終層を形成した後に、金属酸化物、金属水酸化物、金属オキシ水酸化物オーバーコートを活性化させて、複数の細孔を有する金属酸化物の層を形成するステップであって、その複数の細孔の少なくとも80パーセントの直径が、0.3ナノメートル〜5ナノメートルの範囲内であり、金属触媒組成物が、金属酸化物オーバーコートを有さない同様の担持された金属触媒と比較して、脱水素化または酸化的脱水素化反応中に形成されるコークスの量を低減させるステップ
を含む方法。 - 金属酸化物が酸化アルミニウムである、請求項1に記載の方法。
- 配位子含有金属酸化物前駆体が、M(R1)3(式中、Mは金属であり、各R1は、独立して、メチル、エチル、プロピル、塩化物、臭化物、ジアルキルアミノまたはアルコキシドである)からなる群から選択される、請求項1または2に記載の方法。
- 酸化剤が、水、エチレングリコール、ホルマリン、アンモニア、硫化水素、過酸化水素、亜酸化窒素、二酸化窒素、ホスフィン、アルシンおよびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 担持された金属触媒が金属粒子を有する担体を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載方法。
- 活性化するステップが、3分〜5日の範囲内の期間、摂氏30℃〜摂氏1000度の範囲内の温度で非還元性ガスの存在下でアルミナオーバーコートをか焼するステップを含み、非還元性ガスが、ヘリウム、窒素、アルゴン、ネオン、酸素、オゾン、空気、水蒸気およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 活性化するステップが、3分〜5日の範囲内の期間、摂氏30℃〜摂氏1000度の範囲内の温度で非酸化性ガスの存在下でアルミナオーバーコートを還元するステップをさらに含み、非酸化性ガスが、ヘリウム、窒素、アルゴン、ネオン、水素およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項6に記載の方法。
- 中間層を所定の中間ストリップ時間にわたって不活性ガスと接触させて、未反応の配位子含有アルミナ前駆体を除去するステップをさらに含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 脱水素化反応および酸化的脱水素反応が、C2アルカンおよびC3アルカンからなる群から選択されるアルカンを、不活性ガスおよび酸素の存在下で金属触媒組成物と接触させるステップを含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 複数の金属粒子を有する担体を含む担持された金属触媒と、
原子層堆積に続いてアルミナオーバーコートを活性化することによって、担持された金属触媒の表面上に堆積したアルミナオーバーコートと
を含む金属触媒組成物であって、
アルミナオーバーコートを活性化すると細孔が形成され、複数の細孔の少なくとも80パーセントの直径が、0.3ナノメートル〜5ナノメートルの範囲内であり、アルミナオーバーコートの厚さが、1ナノメートル〜100ナノメートルの範囲内であり、金属触媒組成物が、アルミナオーバーコートを有さない金属触媒と比較して、脱水素化反応中のコークス形成量を低減させる、組成物。 - アルミナオーバーコートの厚さが1ナノメートル〜15ナノメートルの範囲内である、請求項10に記載の金属触媒。
- 担持された金属触媒の表面上にアルミナ層を堆積させることが、配位子含有アルミナ前駆体および酸化剤を含む複数の原子層堆積サイクルを含み、アルミナオーバーコートを活性化することが、ヘリウム、窒素、アルゴン、ネオン、酸素、オゾン、乾燥空気、水素、これらの組合せからなる群から選択されるガスの存在下で、3分〜5日間の範囲内の期間、摂氏30℃〜摂氏1000度の範囲内の温度でか焼することを含む、請求項10または11に記載の金属触媒。
- アルミナオーバーコート中の細孔の少なくとも80パーセントの直径が、0.5ナノメートル〜3ナノメートルの範囲内である、請求項10、11および12のいずれか一項に記載の金属触媒。
- 配位子含有アルミナ前駆体がトリメチルアルミニウムであり、酸化剤が水である、請求項10、11、12および13のいずれか一項に記載の金属触媒。
- 不活性ガス、酸素およびこれらの組合せの存在下で、および摂氏300度〜摂氏800度の範囲内の温度で、アルカンを金属触媒組成物と接触させるステップを含む、脱水素化反応中のコークス形成を低減するための方法であって、
金属触媒組成物が、複数の原子層堆積サイクルを実施して、担持された金属触媒上にアルミナオーバーコートを形成することによって形成され、
1つまたは複数の原子層堆積サイクルが、連続して、
担持された金属触媒表面を所定の接触時間にわたって配位子含有アルミナ前駆体と接触させて、担持された金属触媒表面に化学結合した複数のアルミニウム部分を有する中間層を形成するステップ、
中間層を所定の中間ストリップ時間にわたって不活性ガスと接触させて、未反応の配位子含有アルミナ前駆体を除去するステップ、
アルミニウム部分を所定の反応時間にわたって酸化剤と反応させて、配位子の少なくとも一部をヒドロキシル基に変換し、それによって、担持された金属触媒表面上または既に形成されているアルミナオーバーコートの層の上にアルミナオーバーコートの層を形成するステップ、
形成されたアルミナオーバーコートの層を所定の最終ストリップ時間にわたって不活性ガスと接触させて、未反応の酸化剤を除去するステップ、ならびに
アルミナオーバーコートの最終層が形成された後に、アルミナオーバーコートを活性化して、アルミナオーバーコート中に複数の細孔を形成するステップであって、その複数の細孔の少なくとも80パーセントの直径が、0.3nm〜5ナノメートルの範囲内であり、金属触媒組成物が、アルミナオーバーコートを有さない金属触媒と比較して、脱水素化反応または酸化的脱水素化反応中に形成されるコークスの量を低減させるステップ
を含む方法。
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