JP5061102B2 - メソ構造化マトリクス中に捕捉された金属ナノ粒子を有する無機材料 - Google Patents

メソ構造化マトリクス中に捕捉された金属ナノ粒子を有する無機材料 Download PDF

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Description

本発明は、無機酸化物材料、特に、遷移金属および/または希土類を含有し、メソ多孔度の領域において組織化されかつ均一な多孔度を有する無機酸化物材料の分野に関する。本発明はまた、いわゆる「エアロゾル」合成技術の使用によって得られるこれらの材料の調製に関する。
階層化された多孔度を有する、すなわち、複数のサイズの細孔を有する材料を通過することにより、ミクロ孔材料からマクロ孔材料にわたる非常に広い範囲において明確な多孔度を有する材料を得ることを可能にする合成の新方策は、1990年代中盤以来、科学界内で非常に広範囲に及ぶ開発を経た(A.A.Soler-Illiaの優れた業績である非特許文献1)。細孔サイズが制御された材料が得られる。特に、いわゆる「ファイン・ケミストリー」合成法の開発は、水溶液中または極性溶媒中に無機前駆体を、構造化剤(structuring agent、すなわち鋳型剤)、一般的には、分子または超分子の、イオン性または中性の界面活性剤と共存させることによる低温メソ構造化材料の開発につながった。無機前駆体の加水分解/凝縮反応に一緒に結び付けられる静電相互作用または無機前駆体と構造化剤との間の水素結合のモニタリングは、無機マトリクス内でモニタリングされる均一サイズの界面活性剤のミセル凝集体を生じさせる有機および無機相の共同集合につながる。この協同的自己集合現象、とりわけ、構造化剤の濃度によって制御されるものは、構造化剤の濃度が大抵臨界ミセル濃度より低い試薬溶液の段階的な蒸発によって誘導され得るが、これは、基材上の堆積の場合にはメソ構造化薄膜の形成(浸漬による層堆積の技術、すなわち「浸漬被覆」)または溶液が噴散させられた後のメソ構造化粉体の形成(エアロゾル技術)につながる。例えば、特許文献1には、浸漬による層堆積(「浸漬被覆」)の技術によるメソ構造化有機−無機ハイブリッド薄膜の形成が開示されており、それによって、この同一の著者は、さらに、メソ構造化された、純度の高いケイ素含有材料を開発するためにエアロゾル技術を用いた(非特許文献2)。多孔度の解放は、次いで、界面活性剤の除去によって得られ、これは、通常に、化学的抽出法または熱処理によって行われる。無機前駆体および用いられる構造化剤の性質並びに課される操作条件に基づいて、複数の族のメソ構造化材料が開発された。例えば、Mobil(非特許文献3)によって最初に開発されたM41S族は、第4アンモニウム塩等のイオン性界面活性剤の使用を介して得られたメソ孔材料からなり、一般的に六方晶系、立方晶系またはラメラ構造の、1.5〜10nmの均一サイズの細孔および1〜2nm程度の厚さを有する無定形壁を有するものであり、このものは広範囲に研究された。続いて、ブロック共重合体タイプの両親媒性巨大分子等の異なる化学的性質の構造化剤が用いられ、このような構造化剤により、一般的に六方晶系、立方晶系またはラメラ構造の、4〜50nmの均一サイズの細孔と、3〜7nmの厚さを有する無定形壁とを有するメソ構造化材料がもたらされた。
無機前駆体および構造化剤のそれらが存在する溶液内の段階的な濃縮の現象を用いる上記の漬浸による層堆積(「浸漬被覆」)または「エアロゾル」を用いる合成の技術に加えて、メソ構造化材料は、構造化剤の臨界ミセル濃度の値を操ることによる水溶液または著しい極性の溶媒内の直接的な析出によって得られ得る。一般に、析出によって得られるこれらの材料の合成には、オートクレーブにおける熟成段階(ageing stage)が必要とされ、試薬の全部が、化学量論量で生成物中に統合されるわけではない。それらは、上澄中に見出され得るからである。最終のメソ構造化材料に望まれる構造および組織化度に基づいて、これらの合成は、酸媒体(pH≦1)(特許文献2)または中性媒体(特許文献3)において行われ得、そこでは、用いられる構造化剤の性質も卓越した役割を果たす。こうして得られる単位粒子は、均一な形状を有しておらず、概して、500nmより大きいサイズによって特徴付けられる。
均一かつ組織化された多孔度を有するこれらの材料の発見は、触媒、化学分子の分離のみならず、光学、電子工学、生化学の多様な分野における潜在的な適用のための革新的な固体の開発に関連して新しい展望を広げた。特に、本質的にケイ素酸化物メソ構造化材料内の金属ナノ粒子の導入の研究は、大多数の出版物および特許の目的であった。実際に、金属ナノ粒子の合成の間のこのようなホストネットワークの使用は、以下の科学的進歩に寄与した:例えば触媒の分野内で、研究された反応に基づく新しい活性および選択性につながる金属ナノ粒子のサイズおよび形態のより良好なモニタリング並びにホストネットワークの多孔度の組織の部分上の金属前駆体の増大した拡散による基材内の金属ナノ粒子のより良好な分散。メソ構造化シリカネットワーク内の金属ナノ粒子の組み込みを可能にする標準的な方法の一つは、第1段階の間に、上記の合成方法によるホストネットワークを合成し、次いで、第2段階の間に、こうして形成された多孔度の内側に、以下の限定的な方法により金属ナノ粒子を形成することからなる:前駆体無機塩の含浸、ホストネットワークの表面上に存在するイオンとの金属イオン交換、有機金属錯体、金属結晶(「クラスター」とも呼ばれる)または有機リガンドによって安定化された予備形成されたナノ粒子の移植等。それ故に、この方法は、メソ構造化された本質的にシリカ性の固体であって、それらの多孔度内に、金、貴金属、酸化鉄、酸化銀等のナノ粒子を有するものの開発を可能にする(非特許文献4〜7)。別の選択肢は、メソ構造化されたホストネットワークの進展中に直接的に所望のナノ粒子を導入することからなる。それ故に、合成中に構造化剤によって形成されたミセル内に、金属ナノ粒子の前駆体を、それらの疎水性または静電気特性を操作することによって導入することが可能である(非特許文献8〜9)。
米国特許第6387453号明細書 国際公開第99/37705号パンフレット 国際公開第96/39357号パンフレット シー・サンチェス(C.Sanchez)、ビー・レビュー(B.Lebeau)、ジェイ・パタリン(J.Patarin)著、「Chem.Rev.」、2002年、第102巻、p.4093 シー・ジェイ・ブリンカー(C.J.Brinker)、ワイ・リュ(Y.Lu)、エイ・セリンジャー(A.Sellinger)、エイチ・ファン(H.Fan)、「Adv.Mater.」、1999年、第11巻、第7号 ジェイ・エス・ベック(J.S.Beck)、ジェイ・シー・ヴァルチュリ(J.C.Vartuli)、ダブリュー・ジェイ・ロス(W.J.Roth)、エム・イー・レオノウィツ(M.E.Leonowicz)、シー・ティー・クレスゲ(C.T.Kresge)、ケー・ディー・シュミッツ(K.D.Schmitt)、シー・ティー−ダブリュー・チュ(C.T.-W.Chu)、ディー・エイチ・オルソン(D.H.Olson)、イー・ダブリュー・シェパード(E.W.Sheppard)、エス・ビー・マッククレン(S.B.McCullen)、ジェイ・ビー・ヒギンズ(J.B.Higgins)、ジェイ・エル・シュレンカー(J.L.Schlenker)、「J.Am.Chem.Soc.」、1992年、第114巻、第27号、p.10834 エイ・フクオカ(A.Fukuoka)、エイチ・アラキ(H.Araki)、ワイ・サカモト(Y.Sakamoto)、エス・イナガキ(S.Inagaki)、ワイ・フクシマ(Y.Fukushima)、エム・イチカワ(M.Ichikawa)、「Inorganica Chimica Acta」、2003年、第350巻、p.371 エス・ベーレンス(S.Behrens)、ジー・スピッテル(G.Spittel)、「Dalton Trans.」、2005年、p.868 ケイ−ジェイ・チャオ(K-J.Chao)、エム−エイチ・チェン(M-H.Cheng)、ワイ−エフ・ホ(Y-F.Ho)、ピー−エイチ・リウ(P-H.Liu)、「Catalysis Today」、2004年、第97巻、p.49 エム・フレーバ(M.Froba)、アール・ケーン(R.Kohn)、ジー・ボウファウド(G.Bouffaud)、「Chem.Mater.」、1999年、第11巻、p.2858 ジー・リュ(G.Lu)、ディー・ジ(D.Ji)、ジー・キャン(G.Qian)、ワイ・キ(Y.Qi)、エックス・ワン(X.Wang)、ジェイ・ソー(J.Suo)、「Applied Catalysis A:General」、2005年、第280巻、p.175 オー・ダグ(O.Dag)、オー・サマルスカヤ(O.Samarskaya)、エヌ・クーム(N.Coombs)、ジー・エイ・オジン(G.A.Ozin)、「J.Mater.Chem.」、2003年、第13巻、p.328
しかしながら、これらの方法の全体構成は、メソ構造化マトリクスの多孔度の部分的なさらには全体的な障害につながり、これは、最終的にメソ構造化の組織的および/または構造的特性および金属ナノ粒子から同時に利益を得ることを容認しない。
(本発明の要約)
本発明は、少なくとも2つの単位球状粒子からなる材料であって、前記球状粒子のそれぞれは、1〜300nmのサイズの金属ナノ粒子と、メソ構造化マトリクスとを含み、メソ構造化マトリクスは、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される、好ましくは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの酸化物ベースを有し、前記メソ構造化マトリクスは、1.5〜30nmの細孔サイズを有し、1〜30nmの厚さを有する無定形壁を有し、前記単位球状粒子は、10μmの最大径を有する、材料に関する。金属ナノ粒子は、遷移金属(IUPACの分類による周期律表の3〜12列)の族および/または希土類金属(ランタニドおよびアクチニド)の族に属する少なくとも1種の金属を含むナノメートルサイズの粒子として定義される。上記のリストから選択される少なくとも1種の元素Xの酸化物ベースを有する前記メソ構造化マトリクスは、有利には、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される、好ましくは、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される元素X’を含有し、ここで、元素XおよびX’は異なっている。本発明による材料はまた、金属ナノ粒子に加えて、酸化物メソ構造化マトリクス中に捕捉されるゼオライトナノ結晶を含有し得、そこでは、前記ゼオライト性ナノ結晶は、0.2〜2nmの細孔サイズを有する。本発明はまた、本発明による材料の調製に関する。前記方法は、a)300nmに等しい最大ナノメートルサイズの金属粒子の合成し、ナノ粒子が分散させられている安定なコロイド溶液を得る段階、;b)少なくとも1種の界面活性剤、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される、好ましくは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの少なくとも1種の前駆体の溶液中に、a)により得られた金属ナノ粒子の少なくとも1種の安定なコロイド溶液、場合による、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される、好ましくは、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素X’(ここで、元素XとX’は異なっている)の少なくとも1種の前駆体、および場合による、300nmに等しい最大ナノメートルサイズのゼオライトの結晶が分散させられている少なくとも1種の安定なコロイド溶液を混合する段階;c)段階b)において得られた前記溶液をエアロゾル噴散させて、200μm未満の径を有する球状滴体を形成させる段階;d)前記滴体を乾燥させる段階、およびe)少なくとも前記界面活性剤を除去して金属ナノ粒子が捕捉されたメソ構造化材料を得る段階を包含する。
本発明による材料のマトリクスの秩序立った構造は、いわゆるエアロゾル技術によって誘導された蒸発によるミセル化または自己集合の現象に連続的である。
(本発明の利点)
本発明による材料であって、メソ構造化マトリクスに捕捉された金属ナノ粒子を含む球状粒子からなり、該メソ構造化マトリクスは、無定形壁および少なくとも前記元素Xの酸化物ベースを有するものであり、前記マトリクスは、場合によっては、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される少なくとも1種の元素X’(ここで、X’はXとは異なる)を含む、ものは、金属粒子に特有の構造の、水素化−脱水素および酸化−還元の特性、および、少なくとも前記元素Xの酸化物ベースを有する材料に特有のおよび場合による前記元素Xに加えて前記元素X’のベースを有する酸化物材料に特有の、構造上、組織(texture)上および場合によっては酸−塩基性および酸化−還元特性を同時に有する。メソ構造化マトリクスおよび金属ナノ粒子によって形成される複合酸化物材料のナノメートルスケールでの開発は、同一の球状粒子内の金属ナノ粒子と、酸化物マトリクスの均一かつ組織化されたメソ多孔度との好ましい結合につながる。また、本発明による材料が球状の単位粒子からなることによって、これらの粒子の径は、有利には50nm〜10μm、好ましくは50〜300nmで変動し、これらの粒子の制限されたサイズ並びにそれらの均一な形態は、不均一な(すなわち、不規則な)形状、および500nmよりはるかに大きいサイズの単位粒子の形態で来る従来技術から知られる材料と比較して、潜在的工業用途における本発明による材料を使用する間の試薬および反応生成物のより良好な拡散を有することを可能にする。
対照的に、本発明による材料の調製方法であって、少なくとも1種の界面活性剤(無機または非無機)を、好ましくは酸媒体において、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される、好ましくは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの少なくとも1種の前駆体、300nmに等しい最大ナノメートルサイズの金属粒子が分散させられた少なくとも1種のコロイド溶液、場合による、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される、好ましくは、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素X’(X’はXとは異なる)の少なくとも1種の前駆体、および、場合による、300nmに等しい最大ナノメートルサイズのゼオライト結晶が分散させられた少なくとも1種のコロイド溶液と、相互作用させることからなり、材料の秩序立った構造は、いわゆるエアロゾル技術によって誘導された蒸発によるミセル化または自己集合の現象と連続的である、方法は、メソ構造化された複合体/金属ナノ粒子材料であって、場合によっては、ゼオライトナノ粒子を含むものを容易な方法で開発することおよびそれらの初期合成法に関係なく金属ナノ粒子および場合によってはゼオライトナノ粒子の広い範囲で働かせることを可能にする。前記粒子、場合によっては前記結晶は、溶液、特に酸溶液、非常に好ましくは酸性の水性有機溶液中に、粒子の形態、場合によっては、300nmに等しい最大ナノメートルサイズを有するゼオライト結晶の形態で分散するという特性を有するからである。
さらに、場合により、金属ナノ粒子の捕捉に加えて酸化物メソ構造化マトリクス中にゼオライトナノ結晶を捕捉させることは、「ワン・ポット」合成法を介して、サイズ、単位球状粒子の形態および酸化物マトリクスのメソ構造化により、好ましい結合を有する酸機能と水素化脱水素機能を同時に有する材料を開発することを可能にする。
また、メソ構造化材料の既知の合成と比べて、本発明による材料の調製は、連続的に行われ、調製の期間は低減させられ(オートクレーブ処理を用いることによる12〜24時間とは対照的に数時間)、試薬の初期溶液中に存在する不揮発ラジカルの化学量論は、本発明における材料において維持される。
(本発明の詳細な説明)
本発明の対象は、無機材料であって、少なくとも2つの単位球状粒子からなり、球状粒子のそれぞれは、1〜300nmのサイズの金属ナノ粒子と、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの酸化物ベースを有するメソ構造化マトリクスとを含み、該メソ構造化マトリクスは、1.5〜30nmの細孔サイズを有し、かつ、1〜30nmの厚さを有する無定形壁を有し、前記単位球状粒子は、10μmの最大径を有する、無機材料である。
本発明によると、本発明による材料の前記球状粒子のそれぞれにおけるメソ構造化マトリクス中に酸化物形態で存在する元素Xは、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択され、好ましくは、酸化物形態で存在する前記元素Xは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される。少なくとも前記元素Xの酸化物ベースを有する前記マトリクスはメソ構造化される:それはメソ孔を有し、該メソ孔は、1.5〜30nm、好ましくは1.5〜10nmの均一なサイズを有し、前記粒子のそれぞれにおいて均質および均一に分配される。メソ構造化マトリクスのメソ孔の間に位置する材料は無定形であり、厚さが1〜30nmである壁を形成する。壁の厚さは、1つの細孔を別の細孔から分離する距離に相当する。上記に記載されるメソ多孔度の組織化は、前記マトリクスの構造化につながり、これは、ラメラ、六方晶系、バーミキュラ(vermicular)状、立方晶系、コレステリック状または連続二相状(bicontinuous)であり得るが、好ましくはバーミキュラである。実際上ミクロ孔である多孔度も、本発明による材料の調製の間に用いられる界面活性剤の、本発明による前記材料の無機成分のメソ構造化の間に展開される有機−無機界面における無機壁との重複に由来し得ることが留意されるべきである。本発明による材料はまた、粒子間組織マクロ多孔度を有している。
本発明による材料の単位球状粒子のそれぞれにおいて存在するメソ構造化マトリクスは、マトリクスの第1の実施形態によると、完全に、上記に記載されたリストから選択からされる元素Xの酸化物からなり、好ましくは、完全に、上記の好ましいリスト(Al、Ti、Zr、Ga、Ge、Ce)から選択される元素Xの酸化物からなる。前記メソ構造化マトリクスであって、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択され、好ましくは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの酸化物ベースを有するものは、マトリクスの第2の実施形態によると、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択され、好ましくは、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素X’を含み、ここで、元素XおよびX’は異なる。マトリクスの第2の実施形態によると、マトリクスの組成物中の元素X’の比率に対する元素Xの比率は可変である:元素Xは、元素X’に対して多数または少数のいずれであってもよく、ここで、常時厳格にポジティブであるX’/X比は、1000の値に達し得る。元素X’は好ましくはケイ素である。非常に好ましくは、元素Xはアルミニウムであり、元素X’はケイ素である。
本発明によると、金属ナノ粒子は、遷移金属(IUPAC分類による周期律表の3〜12列)の族および/または希土類金属(ランタニドおよびアクチニド)の族に属する少なくとも1種の金属を含むナノメートルサイズの粒子として定義される。より具体的には、本発明による材料の単位球状粒子のそれぞれにおいて存在するメソ構造化マトリクス中に捕捉される前記金属ナノ粒子は、前記粒子の第1の実施形態によると、以下の限定的なリストに属する酸化度0の少なくとも1種の遷移金属を含む:Au、Pd、Pt、Ni、Co、Cu、Ag、Rh、Ru、Ir、Feおよびそれらの混合物および誘導された合金。前記遷移金属は、好ましくは、金、パラジウム、白金、ニッケル、コバルト、鉄およびそれらの混合物の中から選択され、非常に好ましくは、前記遷移金属は鉄または金である。前記金属ナノ粒子は、前記粒子の第2の実施形態によると、少なくとも1種の遷移金属酸化物および/または少なくとも1種の希土類金属酸化物を含み、該金属酸化物において、前記金属は、以下の限定的なリストに属する:Ti、Zr、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Co、Cu、Y、La、Ni、Cr、Pd、Pt、Ce、Eu、Nd、Gdおよびそれらの混合物。少なくとも前記の遷移金属酸化物の金属および/または少なくとも前記の希土類金属酸化物の金属は、好ましくは、以下のリストに属する:Ti、Zr、Nb、Mo、W、Co、Ni、Ceおよびそれらの混合物。さらに、前記金属粒子の第2の実施形態により記載される金属酸化物のナノ粒子は、好ましくは、酸化物形態の金属元素に加えてケイ素元素を含有する。金属ナノ粒子は、前記粒子の第3の実施形態によると、スピネルAB、ペロブスカイトABOまたはイルメナイトABO(ここで、Aおよび/またはBは、少なくとも1種の遷移金属および/または希土類である)等の結晶構造の少なくとも1種の多金属酸化物を含む。スピネルタイプの構造では、AおよびBは、それぞれ、2価および4価のカチオンであり、ペロブスカイトタイプの構造では、AおよびBは、それぞれ、2価および3価のカチオンであり、ここで、AまたはBが遷移金属でも希土類でもない場合、AおよびBは、場合によっては、IUPAC分類による周期律表の第1および2族の金属であり得る。イルメナイトABOに関して、元素AおよびBは、類似のサイズを有し、+6に等しいそれらの原料の合計によって規定される。例えばおよび限定的な方法で、スピネルタイプの混合金属酸化物は、好ましくは、化合物Fe、MgFe、ZnFeおよびCoである:ペロブスカイトタイプの混合金属酸化物は、好ましくは、化合物BaTiO、CaTiO、SrZnO、SrTiO、LaFeO、LaCeCoO、SrHfO、SrSnOおよびBaSnOであり;イルメナイトタイプの混合金属酸化物は、特に、化合物NiMnOおよびFeTiOである。前記金属ナノ粒子のこの第3の実施形態によると、異なるタイプ(スピネル、ペロブスカイト、イルメナイト)の複数の多金属酸化物は、同一の球状粒子のメソ構造化マトリクス中に捕捉され得る。前記金属ナノ粒子は、前記金属ナノ粒子の第4の実施形態によると、遷移金属Mと、硫黄、セレンおよびテルルの中から選択され、好ましくは硫黄であるカルコゲン元素Cとによって形成される少なくとも1種のカルコゲニドを含む。金属ナノ粒子として好ましい金属カルコゲニドは、以下の限定的なリスト:MoS、NiS(x=1または2)、Ni、WS、Co、PtS、PdS、RuS、Rh、NbS(x=1、2または3)、FeS、FeS、AuS、ZnS、CdSに属し、非常に好ましくは、以下のリスト:MoS、NiS(x=1または2)、Ni、WS、Co、PtS、PdS、RuS、Rh、NbS(x=1、2または3)に属する。
本発明によると、金属ナノ粒子は、本発明の材料の重量で有利には0.1〜30重量%、好ましくは0.1〜20重量%、非常に好ましくは0.1〜10重量%を示す。金属ナノ粒子は、300nmの最大サイズを有するが、好ましくは、それらは1〜300nmのサイズを有し、非常に好ましくは、それらは2〜50nmのサイズを有する。前記金属ナノ粒子は、本発明による材料の単位球状粒子のそれぞれのメソ構造化マトリクス中に、上記の前記ナノ粒子の4つの実施形態の1以上に記載された形態で捕捉される。特に、球状粒子のメソ構造化マトリクスは、上記の前記金属ナノ粒子の実施形態による複数種の形態で存在する金属ナノ粒子を捕捉し得る。4つの実施形態の1つにおける上記の形態の1つで存在する第1の金属ナノ粒子および前記第1のナノ粒子として提示されもの以外の(4つの実施形態の1つにおける上記の形態の1つの中から選択される)形態で存在する第2の金属ナノ粒子が、同一の球状粒子のメソ構造化マトリクス内に捕捉され得る。例えば、上記の第1の実施形態による金属ナノ粒子によって取られた形態による酸化度0の遷移金属および上記に記載された第2の実施形態による金属ナノ粒子によって取られた形態による遷移金属酸化物が、本発明による材料の同一の単位球状粒子のメソ構造化マトリクス中に捕捉され得る。
有利には、球状粒子のそれぞれはまた、ゼオライトナノ粒子を含む。前記ゼオライトナノ粒子は、金属ナノ粒子と共に、単位球状粒子のそれぞれに含まれるメソ構造化マトリクス中に捕捉される。メソ構造化マトリクス中にゼオライトナノ粒子を捕捉することからなる本発明のこの実施形態によると、本発明による材料は単位球状粒子のそれぞれにおいて、マトリクス自体内にメソ多孔度(1.5〜30nm、好ましくは1.5〜10nmの均一サイズのメソ孔)およびメソ構造化されたマトリクス中に捕捉されるゼオライトナノ粒子によって生じるゼオライトタイプのミクロ多孔度の両方を有する。前記ゼオライトナノ結晶は、0.2〜2nm、好ましくは0.2〜1nm、非常に好ましくは0.2〜0.6nmの細孔サイズを有する。前記ゼオライトナノ結晶は、本発明の材料の重量で有利には0.1〜30重量%、好ましくは0.1〜20重量%、非常に好ましくは0.1〜10重量%を示す。ゼオライトナノ結晶は、300nmの最大サイズを有し、好ましくは、10〜100nmのサイズを有する。あらゆるゼオライト、特に(しかしながら、限定されない方法で)、「Atlas of Zeolite Framework Types」、第5改訂版、2001、Ch.Baerlocher、W.M.Meier、D.H.Olsonに列挙されたものが、本発明による材料を構成する単位球状粒子のそれぞれ中に存在するゼオライトナノ結晶において用いられ得る。ゼオライトナノ結晶は、好ましくは、ゼオライトZSM−5、ZSM−48、ZSM−22、ZSM−23、ZSM−30、EU−2、EU−11、シリカライト、ベータ、ゼオライトA、フォージャサイト、Y、USY、VUSY、SDUSY、モルデナイト、NU−87、NU−88、NU−86、NU−85、IM−5、IM−12、フェリエライトおよびEU−1の中から選択される少なくとも1種のゼオライトを含む。非常に好ましくは、ゼオライトナノ結晶は、MFI、BEA、FAUおよびLTA構造型のゼオライトの中から選択される少なくとも1種のゼオライトを含む。異なるゼオライトのナノ結晶、特に、異なる構造型のゼオライトが、本発明による材料を構成する球状粒子のそれぞれ中に存在し得る。特に、本発明による材料を構成する球状粒子のそれぞれは、有利には、少なくとも第1のゼオライトナノ結晶
と、少なくとも第2のゼオライトナノ結晶とを含み得、該第1のゼオライトナノ結晶のゼオライトは、ゼオライトZSM−5、ZSM−48、ZSM−22、ZSM−23、ZBM−30、EU−2、EU−11、シリカライト、ベータ、ゼオライトA、フォージャサイト、Y、USY、VUSY、SDUSY、モルデナイト、NU−87、NU−88、NU−86、NU−85、IM−5、IM−12、フェリエライトおよびEU−1の中から、好ましくは、MFI、BEA、FAUおよびLTA構造型のゼオライトの中からゼオライトが選択され、該第2のゼオライトナノ結晶のゼオライトは、第1のゼオライトナノ結晶のものと異なるものであり、ゼオライトZSM−5、ZSM−48、ZSM−22、ZSM−23、ZBM−30、EU−2、EU−11、シリカライト、ベータ、ゼオライトA、フォージャサイト、Y、USY、VUSY、SDUSY、モルデナイト、NU−87、NU−88、NU−86、NU−85、IM−5、IM−12、フェリエライトおよびEU−1の中から、好ましくは、MFI、BEA、FAUおよびLTA構造型のゼオライトの中から選択される。ゼオライトナノ結晶は、有利には、完全にシリカであるかまたは、ケイ素に加えてアルミニウム、鉄、ホウ素、インジウムおよびガリウムの中から選択される、好ましくはアルミニウムである少なくとも1種の元素Tを含有する少なくとも1種のゼオライトを含む。
本発明によると、本発明による材料を構成する前記単位球状粒子は、有利には50nm〜10μm、好ましくは50〜300nmである径を有する。より具体的には、それらは、本発明による材料中に凝集体の形態で存在する。本発明による材料の比表面積は、有利には100〜1100m/g、非常に有利には200〜600m/gである。
本発明はまた、その目的として、本発明による材料の調製を有する。前記方法は、a)300nmに等しい最大ナノメートルサイズの金属粒子を合成し、前記ナノ粒子が分散させられている安定なコロイド溶液を得る段階;b)少なくとも1種の界面活性剤、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの少なくとも1種の前駆体、段階a)により得られた金属ナノ粒子の少なくとも1種のコロイド溶液、場合による、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される少なくとも1種の元素X’(ここで、XとX’は異なっている)の少なくとも1種の前駆体および場合による、300nmに等しい最大ナノメートルサイズのゼオライト結晶が分散させられている少なくとも1種の安定なコロイド溶液を溶液中で混合する段階;c)段階b)において得られる前記溶液をエアロゾル噴散させて、200μm未満の径の球状滴体を形成させる段階;d)前記滴状物の乾燥させる段階、およびe)少なくとも前記界面活性剤を除去して、金属ナノ粒子が捕捉されたメソ構造化材料を得る段階を包含する。
本発明による材料の調製方法の段階a)によると、コロイド溶液中に分散させられた前記金属ナノ粒子は、当業者に周知である合成操作手順を介して得られる。それ故に、コロイド溶液中に分散させられ、酸化度0の少なくとも1種の遷移金属を含むナノ粒子(上記のナノ粒子の第1の実施形態)は、一般的には、三有機ヒドロホウ化物(hydrotriorganoboride)、ホウ化水素、ヒドラジン、アルコール(メタノール、エタノールまたはポリオール)、有機化合物(アルデヒド、ケトン、グルコース、クエン酸塩)のような有機媒体その他の水性液に可溶である化学還元剤または還元ガス(水素、一酸化炭素)による前記遷移金属の無機塩(ここで、前記塩は、有利には、MZ(式中、Mは前記遷移金属であり、Z=ClまたはBrであり、n=2または3である)の形態である)の還元によって発展させられる(H.Bonnemann,W.Brijoux,R.Brinkmann,E.Dinjus,T.Jouber,R.B.Korall,「Angew.Chem.Int.Ed.Engl.」,1991,30,10,1312;Y.Nakao,S.Fugishige,「J.of Catal.」,1992,74,323;H.Hirai,「J.Macromol.Sci.Chem.」,1979,A13,5,633;N.Toshima,T.Takahashi,H.Hirai,「Chem.Lett.」,1985,1245)。この方法に対する1つの変形例は、有機相中の水のミクロエマルジョンから前記ナノ粒子を発展させることからなる(M.Boutonnet,J.Kizling,P.Stenius,G.Maire,「Coll And Surf.」,1982,5,209)。以下の手順に従うことによって酸化度0の少なくとも1種の遷移金属の形態で前記金属ナノ粒子が分散させられたコロイド溶液を得ることも可能である:前記遷移金属の有機ナノ金属錯体の熱分解(T.Tano,K.Esumi,K.Meguro,「J.Coll.And Interface Sci.」,1989,133,2,530)、蒸気相凝縮(金属原子の蒸気化、次いで、液体窒素おいて冷却された溶液中への該金属の捕捉)(K.J.Klabunde,「Platinum Metals Rev.」,1992,36,2,80)、光還元、放射線分解、または、電子化学的還元(N.Toshima,T.Takahashi,H.Hirai,「Chem.Lett.」,1985,1245;M.Mostafavi,N.Keghouche,M.O.Delcourt,J.Belloni,「Chem.Physics Lett.」,1990,167,3,193;M.T.Reetz,W.Helbig,「J.Am.Chem.Soc.」,1994,116,7401)。金属ナノ粒子の溶液中の分散は、重合体(ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリエチレン)または共重合体または他のアニオン性界面活性剤(ドデシル硫酸ナトリウム)またはカチオン性界面活性剤(ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド)等の安定化剤の存在を介してまたは本発明による方法の段階a)の実施ために用いられる溶媒自体によって保証され得る。
コロイド溶液中に分散させられる金属ナノ粒子であって、少なくとも1種の遷移金属酸化物および/または少なくとも1種の希土類金属酸化物を含む(上記の金属ナノ粒子の第2の実施形態)または少なくとも1種の多金属酸化物を含む(上記の金属ナノ粒子の第3の実施形態)ものは、第1の方法であって、酸−塩基反応(酸または塩基の添加)、または熱加水分解反応およびその後のナノ粒子につながる効果をもたらすオール化またはオキソ化の反応を引き起こす縮合段階による、前記遷移金属または希土類金属の塩から得られる金属カチオンのヒドロキシル化段階からなる、方法によって得られ得る。コロイド溶液中に分散させられた、少なくとも1種の遷移金属酸化物および/または少なくとも1種の希土類金属酸化物の形態または少なくとも1種の多金属酸化物の形態でこれらの同一の金属ナノ粒子を第2の方法(ゾル−ゲル法)によって得ることも可能である。該第2の方法は、式M(OR)(式中、Mは遷移金属または希土類であり、Rはアルキル基である)の前記金属のアルコキシド前駆体の加水分解および縮合の反応から用いられ、該反応は、一般的には、錯体化剤の溶液中の存在によってモニタリングされる。これらの方法の一方または他方を用いることを望む当業者は、それがどんな目的に役に立つにしろ、以下の業績および出版物を参照し得る:J.-P.Jolivet,「Metal Oxide Chemistry and Synthesis.From Solution to Solid State」,J.Wiley and Sons,Chichester,2000;F.Schuth,K.S.W.Sing,J.Weitkamp,「Handbook of Porous Solids」,Wiley-VCH,2002,Volume 3;J.Livage,C.Sanchez,「J.Non Crystalline Solids」,1992,145,11。最後に、コロイド溶液中に分散させられ、少なくとも1種の遷移金属酸化物および/または少なくとも1種の希土類金属酸化物を含む(上記の金属ナノ粒子の第2の実施形態)または少なくとも1種の多金属酸化物(上記の金属ナノ粒子の第3の実施形態)を含む金属ナノ粒子を得るための第3の方法は、一般的には低温での非加水分解方法であって、研究された系は、有機溶媒(例えば、ベンジルアルコール)中の金属前駆体(塩またはアルコキシド)からなるものを実施することからなる(M.Niederberger,M.H.Bard,G.D.Stucky,「J.Am.Chem.Soc.」,2002,124,46,13642)。
前記金属ナノ粒子が少なくとも1種の遷移金属酸化物および/または少なくとも1種の希土類金属酸化物だけではなく、ケイ素元素も含む場合、ケイ素元素は、上記の3つの方法の1つの合成操作手順において、金属酸化物前駆体のシリカ前駆体との組合せを介して導入され、該シリカ前駆体は、任意のシリカ源、有利には、式SiO,NaOHのケイ酸ナトリウム前駆体、式SiClの塩素化された前駆体、式Si(OR)(式中、R=H、メチル、エチル)の有機金属前駆体または式Si(OR)4−xCl(式中、R=H、メチル、エチルであり、xは0〜4である)のクロロアルコキシド前駆体から得られ得る。
少なくとも前記元素Xの酸化物ベースを有するメソ構造化マトリクス中に捕捉される金属ナノ粒子が酸化度0の少なくとも1種の遷移金属を含む特定の場合(ナノ粒子の第1の実施形態)、本発明の方法の段階a)により上記に記載されたように金属ナノ粒子を直接的にそれらの還元形態(酸化度0)で合成する代わりに、段階a)の間に、分散させられた金属ナノ粒子が前記遷移金属のそれらの酸化物形態である安定なコロイド溶液を合成し、次いで、本発明による方法の段階e)の後に、本発明による材料の球状粒子のそれぞれの前記メソ構造化マトリクス中に捕捉された前記金属ナノ粒子の遷移金属が酸化度0であるように前記遷移金属の酸化物を還元することからなるさらなる段階f)を開始させることが可能である。用いられる還元技術は、以前に記載された技術に類似しており、酸化度0の少なくとも1種の遷移金属を含む金属ナノ粒子を合成することが問題である場合に本発明による方法の段階a)の間に用いられる。特に、本発明による調製方法のさらなる段階f)は、還元ガス(水素、一酸化炭素)の雰囲気下に、室温からT=800℃までで変動する、好ましくは、室温からT=550℃までで変動する温度範囲で少なくとも1種の遷移金属酸化物を含む金属ナノ粒子を還元することによって効果的に行われ得、ここで、考慮されるガス流量は、0.5〜10L/h/g(固体)、好ましくは0.5〜5L/h/g(固体)に設定される。
コロイド溶液中に分散させられ、少なくとも1種の遷移金属スルフィドを含む金属ナノ粒子(上記の金属ナノ粒子の第4の実施形態)は、以下の限定的な合成技術から得られ得る:酸化度0またはその酸化された形態の前記遷移金属のナノ粒子の直接的硫化(A.Zak,Y.Feldman,V.Alperovich,R.Rosentsveig,R.Tenne,「J.Am.Chem.Soc.」,2000,122,11108)、硫化剤の存在下での前記遷移金属の金属塩の非水性溶液中の沈殿、チオメタレート(thiometallate)等の水相中の前記遷移金属の塩の熱分解。
上記の金属ナノ粒子の4つの実施形態において提供された4つの形態の1つの下に、コロイド溶液中に分散させられた金属ナノ粒子の合成のために上記に挙げられた大抵の合成方法は、B.L.Cushing,V.L.Kolesnichenko,C.J.O’Connor,「Chem.Rev.」,2004,104,3893の論文に記載されている。
本発明による材料の調製方法の段階a)によると、本発明による前記金属ナノ粒子はまた、市販品であり得る(例えば、Rhodia Electronics and Catalysisによる希土類金属(La、Ce等)の酸化物の粒子、Millenium Chemicalsによる酸化チタン粒子の供給等)。
本発明による材料の調製方法の段階b)によると、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される、好ましくは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの前駆体は、当業者に周知である無機酸化物前駆体である。元素Xの前駆体は、元素Xを含み、溶液中、例えば、水性の有機溶液中、好ましくは、酸性の水性有機溶液中で、反応性の形態でこの元素を放出し得るあらゆる化合物であり得る。アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から元素Xが選択される好ましい場合において、元素Xの前駆体は、有利には、式XZ(n=3または4;ここで、Zはハロゲン、NO基または過塩素酸塩であり、Zは好ましくは塩素である)の前記元素Xの無機塩である。考慮される元素Xの前駆体はまた、式X(OR)(式中、R=エチル、イソプロピル、n−ブチル、s−ブチル、t−ブチル等)の有機金属前駆体またはX(C(n=3または4)等のキレート化された前駆体であり得る。考慮される元素Xの前駆体はまた、元素Xの酸化物または水酸化物であり得る。元素Xの性質に基づいて、考慮され、かつ、用いられる元素Xの前駆体はまた、XOZ(式中、Zは、ハロゲン、NO基等の一価アニオンである)の形態のものであり得る。前記元素Xは、好ましくは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される。
本発明の方法によると、少なくとも1種の元素X’の少なくとも1種の前駆体は、有利には、前記方法の段階b)による混合物に加えられる。前記元素X’は、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択され、好ましくは、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される(ここで、XおよびX’は異なる)。前記元素X’は、好ましくはケイ素である;前記シリカ前駆体は、あらゆるシリカ源から、有利には式SiO,NaOHのケイ酸ナトリウム前駆体、式SiClの塩素化された前駆体、式Si(OR)(式中、R=H、メチル、エチル)の有機金属前駆体または式Si(OR)4−xCl(式中、R=H、メチルまたはエチルであり、xは0〜4である)のクロロアルコキシド前駆体から得られる。シリカ前駆体はまた、有利には、式Si(OR)4−xR’(式中、R=H、メチルまたはエチルであり、R’はアルキル鎖、または例えばチオール、アミノ、βジケトンまたはスルホン酸基によって官能基化されたアルキル鎖であり、xは0〜4である)の有機金属前駆体であり得る。
本発明による調製方法の段階b)による混合物の調製のために用いられる界面活性剤は、イオン性または非イオン性の界面活性剤またはその2つの混合物である。イオン性界面活性剤は、好ましくは、ホスホニウムまたはアンモニウムイオンの中から選択され、非常に好ましくは、セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)等の第4級アンモニウム塩の中から選択される。非イオン性界面活性剤は、好ましくは、少なくとも2つの極性の異なる部分であって、それらに両親媒性の巨大分子特性を与える部分を有する任意の共重合体であり得る。これらの共重合体は、以下の共重合体の族の限定的なリストの一部であり得る:フッ素化された共重合体(−[CH−CH−CH−CH−O−CO−R1(R1=C、C17等)、生物学的共重合体、例えば、アミンポリ酸(ポリ−リシン、アルギン酸塩等)、デンドリマー、ポリ(アルキレンオキシド)鎖からなるブロック共重合体および当業者に知られた両親媒特性を有する任意の他の共重合体(S.Forster,M.Antionnetti,「Adv.Mater.」,1998,10,195-217;S.Forster,T.Plantenberg,「Angew.Chem.Int.Ed.」,2002,41,688-714;H.Colfen,「Macromol.Rapid Commun」,2001,22,219-252)。本発明の範囲内で、好ましくはポリ(アルキレンオキシド)鎖からなるブロック共重合体が用いられる。前記ブロック共重合体は、好ましくは、2、3または4つのブロックを有するブロック共重合体である(ここで、各ブロックは、ポリ(アルキレンオキシド)鎖からなる)。2ブロック共重合体について、ブロックの一方は、実際上親水性であるポリ(アルキレンオキシド)鎖からなり、他方のブロックは、実際上疎水性であるポリ(アルキレンオキシド)鎖からなる。3ブロック共重合体について、ブロックの2つは、実際上親水性であるポリ(アルキレンオキシド)鎖からなる一方で、親水性部分を有する2つのブロックの間に位置する他方のブロックは、実際上疎水性であるポリ(アルキレンオキシド)鎖からなる。3ブロック共重合体の場合、実際上親水性であるポリ(アルキレンオキシド)鎖は、好ましくは、(PEO)および(PEO)で表示されるポリ(エチレンオキシド)鎖であり、実際上疎水性であるポリ(アルキレンオキシド)鎖は、(PPO)で表示されるポリ(プロピレンオキシド)鎖、ポリ(ブチレンオキシド)鎖または各鎖が複数種のアルキレンオキシドモノマーの混合である混合鎖である。非常に好ましくは、3ブロック共重合体の場合、式(PEO)−(PPO)−(PEO)の化合物が用いられ、ここで、xは5〜300であり、yは33〜300であり、zは5〜300である。xおよびzの値は好ましくは等しい。非常に有利には、x=20、y=70およびz=20である化合物(P123)およびx=106、y=70およびz=106である化合物(F127)が非常に有利に用いられる。Pluronic(BASF)、Tetronic(BASF)、Triton(Sigma)、Tergitol(Union Carbide)およびBrij(Aldrich)の名称の元で知られる市販の非イオン性界面活性剤が、本発明の調製方法の段階b)において非イオン性界面活性剤として用いられ得る。4ブロック共重合体について、ブロックの2つは、実際上親水性であるポリ(アルキレンオキシド)鎖からなり、他の2ブロックは、実際上疎水性であるポリ(アルキレンオキシド)鎖からなる。
本発明による調製方法の段階b)によると、300nmに等しい最大ナノメートルサイズの、場合によっては、合成媒体により処理されるゼオライト結晶が分散させられたコロイド溶液は、構造化剤の存在下の300nmに等しい最大ナノメートルサイズのゼオライトナノ結晶の従前の合成または溶液、例えば、酸性の水性有機溶液中に300mmに等しい最大ナノメートルサイズのナノ結晶の形態で分散させているという特徴を有するゼオライト結晶の使用のいずれかによって得られる。ゼオライトナノ結晶の従前の合成からなる第1の変形に関して、ゼオライトナノ結晶は、当業者に知られる操作手順により合成される。特に、ベータゼオライトナノ結晶の合成は、T.Bein et al.,「Micropor.Mesopor.Mater.」,2003,64,165に記載された。Yゼオライトナノ結晶の合成は、T.J.Pinnavaia et al.,「J.Am.Chem.Soc.」,2000,122,8791に記載された。フォージャサイトゼオライトナノ結晶の合成は、Kloestra et al.,「Microporous Mater.」,1996,6,287に記載された。ZSM−5ゼオライトナノ結晶の合成は、R.Mokaya et al.,「J.Mater.Chem.」,2004,14,863に記載された。ケイ酸塩ナノ結晶(またはMFI構造型)の合成は、複数の出版物に記載された:R.de Ruiter et al.,「Synthesis of Microporous Materials」,Vol.I;M.L.Occelli,H.E.Robson(eds.),Van Nostrand Reinhold,Nex York,1992,167;A.E.Persson,B.J.Schoeman,J.Sterte,J.-E.Otterstedt,「Zeolite」,1995,15,611-619。ゼオライトナノ結晶は、一般的に、少なくとも1種のシリカ源、場合による、アルミニウム、鉄、ホウ素、インジウムおよびガリウムの中から選択される少なくとも1種の元素Tの少なくとも1種の源、好ましくは少なくとも1種のアルミニウム源および少なくとも1種の構造化剤を含有する反応混合物を調製することによって合成される。反応混合物は、水性または水性有機性、例えば水−アルコール混合物のいずれかのである。反応混合物は、有利には、自己生成圧力下、場合によっては、ガス、例えば、窒素を加えることによって水熱条件下に、50〜200℃、好ましくは60〜170℃の温度、一層より好ましくは、120℃を超えない温度に、ゼオライトナノ結晶が形成されるまで置かれる。前記水熱処理の終了時に、ナノ結晶が分散させられた状態にあるコロイド溶液が得られる。構造化剤は、合成されることになるゼオライトに従ってイオン性または中性であり得る。以下の限定的なリストの構造化剤を用いることが通常である:窒素含有有機カチオン、アルカリ族の元素(Cs、K、Na等)、エーテル環、ジアミン並びに当業者に周知である任意の他の構造化剤。直接的にゼオライト結晶を用いることからなる第2の変形に関して、ゼオライト結晶は、当業者に知られる方法によって合成される。前記ゼオライト結晶はまた、ナノ結晶の形態であり得る。溶液、例えば、水性の有機溶液、好ましくは、酸性の水性有機溶液中に分散した300nmより大きい、例えば、300nm〜200μmのサイズのゼオライト結晶はまた、有利には、300nmに等しい最大ナノメートルサイズのナノ結晶の形態で用いられる。300nmに等しい最大ナノメートルサイズのナノ結晶の形態で分散するゼオライト結晶を得ることはまた、ナノ結晶の表面の官能基化を行うことによって可能である。用いられるゼオライト結晶は、それらの粗合成形態、すなわち、依然として構造化剤を含有する形態または、それらの焼成された形態、すなわち、前記構造化剤が除去された形態のいずれかである。用いられるゼオライト結晶がそれらの粗合成形態にある場合、前記構造化剤は、本発明による調製方法の段階e)の間に除去される。
溶液であって、少なくとも1種の表面活性剤、少なくとも前記元素Xの少なくとも1種の前駆体、段階a)により得られた金属ナノ粒子の少なくとも1種のコロイド溶液、場合による少なくとも前記元素X’(ここで、XおよびX’は異なる元素である)の少なくとも1種の前駆体および場合による少なくとも1種の安定なコロイド溶液(300nmに等しい最大ナノメートルサイズのゼオライト結晶が分散させられている)が混合された溶液は、酸性、中性または塩基性であり得る。前記溶液は、好ましくは酸性であり、3に等しい最大pH、好ましくは0〜2のpHを有する。3に等しい最大pHを有する酸性溶液を得るために用いられる酸は、限定的な方法で、塩酸、硫酸および硝酸である。前記溶液は、水性であり得、または、水−有機溶媒の混合物(ここで、有機溶媒は、好ましくは、水混和性の極性溶媒、特に、THFまたはアルコールであり、後者の場合好ましくはエタノールである)であり得る。前記溶液はまた、実質的に有機性であり得、好ましくは、実質的にアルコール性であり、ここで、水の量は、無機前駆体の加水分解が保証されるようにされる(化学量論量)。非常に好ましくは、前記溶液であって、少なくとも1種の界面活性剤、少なくとも1種の前記元素Xの少なくとも1種の前駆体、段階a)により得られた金属ナノ粒子の少なくとも1種のコロイド溶液、場合による少なくとも前記元素X’(ここで、XおよびX’は異なる元素である)の少なくとも1種の前駆体および場合による300nmに等しい最大ナノメートルサイズのゼオライト結晶が分散させられた少なくとも1種の安定なコロイド溶液が混合された前記溶液は、酸性の水性有機混合物であり、非常に好ましくは酸性の水−アルコール混合物である。
遷移金属の族(IUPAC分類による周期律表の3〜12列)および/または希土類金属の族(ランタニドおよびアクチニド)に属する少なくとも1種の金属を含む金属ナノ粒子の量は、前記金属ナノ粒子が、本発明の材料の重量で有利には0.1〜30重量%、好ましくは0.1〜20重量%、非常に好ましくは0.1〜10重量%を示すようにされる。
コロイド溶液中に分散させられるゼオライトナノ結晶であって、構造化剤の存在下での、300nmに等しい最大ナノメートルサイズのゼオライトナノ結晶の従来の合成による変形により、または、溶液、例えば、酸性の水性有機溶液中に300nmに等しい最大ナノメートルサイズのナノ結晶の形態で分散させ、場合によっては本発明による調製方法の段階b)の間に導入されるという特徴を有するゼオライト結晶の使用による変形により得られるゼオライトナノ結晶の量は、ゼオライトナノ結晶が、本発明の材料の重量で有利には0.1〜30重量%、好ましくは0.1〜20重量%、非常に好ましくは0.1〜10重量%を示すようにされる。
本発明による調製方法の段階b)により混合物に導入される界面活性剤の初期濃度は、cによって規定され、cは、当業者に周知である臨界ミセル濃度(cmc)に対して規定される。cmcは、これを超えると溶液中で界面活性剤分子の自己配列現象が起こる限界濃度である。濃度cは、cmcより小さいか、等しいか、大きくあり得る:好ましくは、それは、cmcより小さい。本発明による方法の好ましい実施において、濃度cは、cmcより小さく、本発明による調製方法の段階b)において目標とされる前記溶液は、酸性の水−アルコール混合物である。本発明による調製方法の段階b)において目標にされる溶液が水−有機溶媒混合物(好ましくは酸性)である場合、マトリクスのメソ構造化の始点における界面活性剤の濃度が臨界ミセル濃度より小さく、その結果、エアロゾル技術による本発明による調製方法の段階c)間、前記水性有機溶液(好ましくは酸性)の蒸発がミセル化または自己配列現象を誘導し、これにより、本発明の調製方法の段階c)およびd)の間、形状およびサイズにおいて未変化のままである金属ナノ粒子および場合によるゼオライトナノ結晶の周囲の本発明による材料のマトリクスのメソ構造化がもたらされることが本発明による調製方法の段階b)の間に必須である。c<cmcの場合、本発明に従い、かつ、上記に記載される方法により調製される材料のマトリクスのメソ構造化は、各滴体内において、水性有機溶液(好ましくは酸性)の蒸発に起因する界面活性剤濃度c>cmcまで、少なくとも前記元素Xの少なくとも1種の前駆体、場合による前記元素X’の少なくとも1種の前駆体および界面活性剤の段階的濃縮に連続的である。
一般に、加水分解される、前記元素Xの前駆体、場合による元素X’の前駆体および界面活性剤の濃度が共に増加すれば、自己組織化された界面活性剤の周囲において前記元素Xの加水分解された前駆体および場合による前記元素X’の加水分解された前駆体の堆積がもたらされ、その結果として、本発明による材料のマトリクスの構造化がもたらされる。協同的自己集合機構により、無機/無機相、有機/有機相および有機/無機相の相互作用は、自己組織化された界面活性剤の周囲における前記加水分解された元素Xの前駆体および場合による前記加水分解された元素X’の前駆体の凝縮につながる。この自己集合現象の間に、金属ナノ粒子および場合によるゼオライトナノ結晶は、本発明の材料を構成する単位球状粒子のそれぞれに含まれる、少なくとも前記元素Xの酸化物ベースおよび場合による前記元素X’ (ここで、元素XおよびX’は異なる)のベースを有する前記メソ構造化マトリクス中に捕捉される。エアロゾル技術は、初期溶液中に存在する試薬が互いに相互作用することを強制するために本発明の調製方法の段階c)の実施に特に有利であり、溶媒、すなわち、溶液、好ましくは水溶液(好ましくは酸性であり、場合によっては、極性溶媒により処理される)を除いて材料の損失が全くないということが可能であり、最初に存在する、元素X全体、場合によっては元素X’および金属ナノ粒子、場合によるゼオライトナノ結晶は、それ故に、当業者に知られる標準的な合成方法において遭遇されるろ過および洗浄の段階の間に潜在的に除去されることなく、本発明の方法全体にわたって完全に保存される。
本発明による調製方法の段階c)による混合物を噴散させる段階は、200μm未満、好ましくは50nm〜20μmの径の球状滴体を生じさせる。これらの滴体のサイズ分布は対数正規分布である。ここで用いられるエアロゾル発生器は、TSIによって提供されるモデル3078の市販の装置である。溶液の噴散は、1.5バールに等しい圧力P下にキャリアガスO/N混合気(乾燥空気)が送られる室においてなされる。本発明による調製方法の段階d)により、前記滴体の乾燥が開始される。この乾燥は、キャリアガス(O/N混合気)を介するガラス管中の前記滴体の輸送によって行われ、これにより、溶液、例えば、酸性の水性有機溶液の段階的蒸発がもたらされ、それ故に、球状の単位粒子が得られる。この乾燥は、温度が調節され得る炉(通常の温度範囲は、50〜600℃、好ましくは80〜400℃で変動する)に前記粒子が通過することによって終了し、炉内のこれらの粒子の滞留時間は1秒程度である。次いで、粒子は、フィルタにおいて収集され、本発明による材料を構成する。回路の端に置かれるポンプは、エアロゾル実験装置への遊離粒子(radical)の経路設定を促進する。本発明による調製方法の段階d)による滴体の乾燥に次いで、有利には、50〜150℃の温度でのオーブン中の通過が行われる。本発明によるメソ構造化材料を得るための本発明による調製方法の段階e)による、ゼオライトナノ結晶を合成するために用いられる界面活性剤および場合による構造化剤の除去は、有利には、化学的抽出方法または熱処理、好ましくは300〜1000℃、より特定的には500〜600℃の温度での、1〜24時間の期間、好ましくは2〜6時間の期間にわたる空気中の焼成によって行われる。
酸化物メソ構造化マトリクス中に捕捉された金属ナノ粒子を含む単位球状粒子からなる本発明によるメソ構造化された材料は、粉体状、ボール状、ペレット状、顆粒状または押出物状の形態で得られ得、ここで、形状化操作は、当業者に知られる標準的な技術によって行われる。本発明による材料は、好ましくは、粉体状の形態で得られ、これは、10μmの最大径を有する単位球状粒子からなり、このものは、潜在的な工業用途において本発明による材料を使用する場合に試薬の可能な拡散を促進する。
メソ多孔度の領域に組織化されかつ均一な多孔度を有する、酸化物メソ構造化マトリクス中に捕捉された金属ナノ粒子を含む単位球状粒子からなる本発明によるメソ構造化材料は、複数の分析技術、特に、低角x線回折(低角XRD)、高角x線回折(高角XRD)、窒素による容積分析(BET)、透過型電子顕微鏡法(TEM)、走査型電子顕微鏡法(SEM)および高周波によって誘導されるプラズマ放射分光測定法(ICP)によって特徴付けられる。
低角x線回折技術(0.5〜6°の角2θの値)は、本発明の材料のメソ構造化マトリクスの組織化されたメソ多孔度によって生じるナノメートルスケールの周期性を特徴付けることを可能にする。以下の詳説において、x線分析は、反射光により操作し、後部単色光照明装置(rear monochromatic illuminator)を備えた回折計により、銅の放射線(1.5406Åの波長)を用いることによって、粉体について行われる。角2θの所与の値に対応するディフラクトグラム上で通常観察されるピークは、ブラッグの式:2d(hkl)・sin(θ)=η・λによる材料の構造の対称性の特徴である格子面間隔d(hkl)と関連する((hkl)は、逆数ネットワーク(reciprocal network)のミラー指数である)。この指標付けは、直接的ネットワークのメッシュパラメータ(abc)の決定を可能にし、ここで、これらのパラメータの値は、得られる、六方晶系、立法晶系、バーミキュラ、コレステリック、ラメラまたは連続二相構造に基づく。例えば、第4級アンモニウム塩であるセチルトリメチルアンモニウムブロミドCH(CH15N(CHBr(CTAB)の使用を介して本発明による調製方法により得られるケイ素およびアルミニウムをベースとする酸化物メソ構造化マトリクスを含む単位球状粒子からなる本発明によるメソ構造化材料の低角x線ディフラクトグラムは、バーミキュラ型構造の特徴であり、ブラッグ式2d・sin(θ)=η・λによって規定される細孔間の相関距離dに対応する完全に分解された相関ピークを有する。
高角x線回折(5〜100°の角2θの値)の技術は、分子スケールでの均一なパターンまたは単位メッシュの反復によって規定される結晶固体を特徴付けることを可能にする。それは、低角x線回折技術を制御する原理と同じ物理原理に従う。したがって、高角XRD技術が本発明の材料を分析するために用いられるのは、それが、本発明により規定される材料を構成する単位球状粒子のそれぞれにおいて存在する、結晶化され得る金属ナノ粒子および場合によるゼオライトナノ結晶の構造の特徴付けに特別に適しているからである。特に、それは、ゼオライトナノ結晶が存在する間にゼオライトナノ結晶の細孔のサイズに到達することを可能にする。例えば、本発明によるメソ構造化材料であって、本発明による調製方法により得られ、第4級アンモニウム塩であるセチルトリメチルアンモニウムブロミドCH(CH15N(CHBr(CTAB)の使用を介して得られる、アルミニウムおよびケイ素をベースとする酸化物メソ構造化マトリクス中に捕捉された酸化鉄金属ナノ粒子γ−Feを含む単位球状粒子からなるものは、高角XRDにおいては高角結晶化酸化鉄ナノ粒子の対称性群fd3mに関連するディフラクトグラムを示し、低角XRDにおいては細孔間の相関距離dに対応するメソ構造化マトリクスのバーミキュラ型構造に関連する完全に分解された小角相関ピークを示す。前記酸化物メソ構造化マトリクス、例えばZSM−5(MFI)型のゼオライトナノ結晶中に捕捉されるゼオライトナノ結晶が場合により存在する間に、関連する高角ディフラクトグラムは、前記の酸化鉄金属ナノ粒子に関連するピークに加えて、ZSM−5ゼオライトの対称群Pnma(No.62)に帰属されるピークを示す。XRディフラクトグラム上で得られる角度の値は、ブラッグの法則:2d・sin(θ)=η・λによる相関距離dに戻ることを可能にする。
一定温度での圧力の段階的増加を介した材料の細孔中の窒素分子の物理吸着に対応する窒素による容積分析は、本発明による材料の特定の組織的特徴(細孔径、多孔度のタイプ、比表面積)についての情報を提供する。特に、それは、材料の比表面積およびメソ孔分布に到達することを可能にする。比表面積は、雑誌「The Journal of American Society」,1938,60,309に記載されたBRUNAUER−EMMETT−TELLER法から確立されたASTM D 3663−78標準による窒素の吸着によって測定されるBET比表面積(SBET(m/g))として定義される。1.5〜50nmを中心とするメソ孔の集団を表す細孔分布は、Barrett-Joyner-Halenda(BJH)モデルによって測定される。このようにして得られるBJHモデルによる窒素の吸着−脱着等温線は、E.P.Barrett、L.G.JoynerおよびP.P.Halendaによって記述された雑誌「The Journal of American Society」,1951,73,373に記載される。以下の詳説において、メソ構造化マトリクスのメソ孔の径φは、この径未満である細孔の全部が窒素等温線の吸着分枝線上で測定される細孔容積(Vp)の50%を構成するような径であるとして定義される窒素吸着による平均径に対応する。さらに、窒素吸着等温線および履歴曲線(hysteresis loop)の形成は、メソ多孔度の性質および酸化物メソ構造マトリクス中に存在する場合にゼオライトナノ結晶に必然的に関連するミクロ多孔度の考えられる存在についての情報を提供し得る。例えば、本発明による調製方法により得られ、第4級アンモニウム塩であるセチルトリメチルアンモニウムブロミドCH(CH15N(CHBr(CTAB)の使用を介して調製されるアルミニウムおよびケイ素をベースとする酸化物メソ構造化マトリクスを含む単位球状粒子からなる本発明によるメソ構造化材料に対する窒素吸着等温線は、0.2〜0.3に含まれ、関連する細孔分布曲線によって確認されるような2〜3nm程度の細孔の存在と関連するP/PO値(ここで、POは、温度Tでの飽和蒸気圧)についての吸着操作の存在による分類IVcの吸着等温線によって特徴付けられる。
メソ構造化マトリクスに関して、上記の細孔の径φの値と低角XRDによって規定されるメッシュパラメータaとの間の差は、大きさeに到達することを可能にし(ここで、e=a−φである)、本発明による材料の球状粒子のそれぞれに含まれる、メソ構造化マトリクスの無定形壁の厚さの特徴である。前記メッシュパラメータaは、相の表面形状(geometry)の特徴である表面形状因子(geometric factor)によって細孔間の相関距離dに結び付けられる。例えば、六方晶系のメッシュの場合、e=a−φ(a=2・d/√3)であり、バーミキュラ構造の場合、e=d−φである。
透過型電子顕微鏡法(TEM)による分析は、これらの材料の構造を特徴付けるために専ら用いられる技術である。この技術は、固体の画像の形成が研究されること可能にし、ここで、観察されるコントラストは、観察される粒子の構造組織、表面組織(texture)または形態(morphology)の特徴であり、この技術の分解能は、大きくとも0.2nmに達する。以下の詳説において、TEM写真は、サンプルの薄切断面から実行され、本発明による材料の単位球状粒子の断面が視覚化されることになる。例えば、本発明による調製方法により得られ、酸化チタンをベースとし、第4級アンモニウム塩であるセチルトリメチルアンモニウムブロミドCH(CH15N(CHBr(CTAB)の使用を介して調製されるメソ構造化マトリクス中に捕捉された酸化度0の金の金属ナノ粒子を含む球状粒子からなる本発明による材料について得られるTEM画像は、同一の球状粒子内に、バーミキュラーメソ構造(ここで、材料は暗領域によって規定される)を有し、該バーミキュラ構造内に、メソ構造化マトリクス中に捕捉されている金の金属ナノ粒子を示す不透明物体が視覚化される。画像の分析はまた、上記に規定されるメソ構造化マトリクスの特徴であるパラメータd、φおよびeに到達することを可能にする。上記の不透明物体の代わりに結晶化され得る金属ナノ粒子の網状の平面、並びに、存在する場合には、メソ構造化マトリクス中のゼオライトナノ結晶を同一ブロック上に視覚化すること、および、それ故に、それらの結晶構造に到達することが可能な場合がある。
単位粒子の形態およびサイズ分布は、走査型電子顕微鏡法(SEM)によって得られた写真の分析によって確立された。
本発明による材料の粒子のそれぞれの中に包含されるメソ構造化マトリクスの構造は、構造化剤として選択される界面活性剤の性質に基づいて、立方晶系、バーミキュラ、六方晶系、ラメラ、コレステリックまたは連続二相状であり得る。
本発明は、以下の実施例によって例示される。
(実施例)
以下の実施例において、用いられるエアロゾル技術は、本発明の明細書中の上記に記載されるものである。
(実施例1:酸化チタンTiOのメソ構造化マトリクス中に捕捉された、最終材料の重量で3%の金の金属ナノ粒子を有する材料の調製)
50mgのAuNaCl・2HOが、500mLのHOに加えられる。溶液は、水浴において沸騰させられる。次いで、0.5gのNa(C)を含有する水溶液10mgが加えられる。溶液が赤色になるまで溶液の全部が沸騰することが可能にされる。次いで、懸濁中の20nm程度の平均径の金のナノ粒子が得られる(J.Turkevitch,P.C.Stevenson,J.Hillier,「Discuss.Faraday Soc.」,1951,11,55)。次いで、溶液は、0.014mol/Lの濃度の溶液が得られるまで蒸発によって濃縮される。
0.41gのCTABが、室温で23gのエタノール中に溶解させられる。0.87gのTiClが、激しく攪拌されつつこの溶液に加えられる。5mLの金のナノ粒子溶液が加えられた後、溶液には、約1分間にわたって超音波がかけられる。次いで、2.2gのHOがゆっくりと加えられる。溶液は、約1分間にわたる超音波により均一化される。上記に説明において記載されたように調製物の全体が、エアロゾル発生器の噴霧室に直後に送られ、溶液は、圧力(P=1.5バール)下に導入されるキャリアガス(乾燥空気)の作用の元で微細滴体の形態で噴散させられる。滴体は、上記の本発明の詳説に記載される操作手順に従って乾燥させられる。乾燥炉の温度は、350℃に設定される。次いで、収集された粉体は、空気下に5時間にわたってT=550℃で焼成される。固体は、低角XRD、高角XRD、窒素による容積分析、TEMおよびSEMによって特徴付けられる。TEM分析は、最終の材料が、バーミキュラー構造によって特徴付けられる組織化されたメソ多孔度を有する酸化チタンマトリクス中に捕捉された金のナノ粒子からなることを示す。窒素を用いる容積分析による分析は、SBET=250m/gの最終材料の比表面積およびφ=2.6nmの酸化チタンメソ構造化マトリクスの特徴であるメソ孔径につながる。高角XRD分析(図1)は、金のナノ粒子の特徴であるディフラクトグラムを得ることにつながる。小角XRD(図2)は、メソ構造化マトリクスのバーミキュラ組織と関連する相関ピークの視覚化につながる。ブラッグ式は、2d・sin(1)=1.5406、すなわちd=4.4nmを提供する。e=d−φによって規定されるメソ構造化マトリクスの無定形壁の厚さは、したがって、e=1.8nmである。こうして得られた単位球状粒子のSEMブロックにより、これらの粒子が、50〜700nmで変動する径によって特徴付けられるサイズを有し、これらの粒子のサイズ分布は、300nm前後を中心としていることが示される
(実施例2:モル比Si/Al=4のアルミニウムおよびケイ素ベースを有する酸化物メソ構造化マトリクス中に捕捉された、最終材料の重量で10%の酸化鉄ナノ粒子を有する材料の調製)
1mol/lの濃度のFeCl溶液80mLおよび2mol/LのFeClおよび1mol/LのHClの濃度のFeCl溶液20mLが調製される。これらの2つの溶液は混合され、約10分間にわたり攪拌される。滴定器(tritrimeter)を用いて、酸化鉄粒子の合成が、3mol/LのNaNO溶液500mL中の鉄溶液の滴下により行われる。合成の間、pHは、0.1mol/Lの濃度を有するソーダ溶液の同時添加により11の値に維持される。固体粒子は、磁化によって上澄から分離される。粒子は、次いで、3mol/LのHClOの水溶液中に再分散させられ、残留Fe(II)の酸化を行うために攪拌しながら30分間にわたって放置される。粒子は、次いで、遠心分離処理によって上澄から分離される(11,000rpmで10分)。この手順は、複数回行われ得る。次いで、粒子は、0.13mol/L程度のFe3+濃度を得るためにpHが1.8〜2.0の値に維持されるべき所定容積の水に再分散させられる。得られる粒子の径は5〜12nmである。
2.3gのAlCl・6HOが、32.45gのエタノール、16.93gのHOおよび0.078mLの37%HClを含有する溶液に加えられる。一旦塩化アルミニウムが溶解させられてから、上記に記載された酸化鉄粒子の水溶液31mLが、この溶液に加えられる。この溶液は、数(2〜3)分間にわたって超音波中に置かれ、その後に、非常に激しく攪拌しながら、7.9gのオルトケイ酸テトラエチル(tetraethyl orthosilicate:TEOS)が非常にゆっくりと加えられる。次いで、3.08gのCTABを含有し、32.45gのエタノールおよび16.93gのHOに従前に溶解させられた溶液が、非常にゆっくりとかつ非常に激しく攪拌されて加えられる。混合物全体の攪拌は、数分間にわたって続けられる。混合物全体は、上記説明に記載されたようにしてエアロゾル発生器の噴霧室に送られ、溶液は、圧力(P=1.5バール)下に導入されるキャリアガス(乾燥空気)の作用の元で微細滴体の形態で噴散させられる。滴体は、本上記の本発明の詳説に記載される操作手順に従って乾燥させられる。乾燥炉の温度は350℃に設定される。次いで、収集された粉体は、空気中5時間にわたってT=550℃で焼成される。固体は、低角XRDおよび高角XRD、窒素による容積分析、TEM、SEMおよびICPによって特徴付けられる。TEM分析が示すことは、最終の材料は、Si/Al=4のモル比を有し、バーミキュラ構造によって特徴付けられる組織化されたメソ多孔度を有するアルミノケイ酸塩マトリクス中の酸化鉄ナノ粒子からなるということである。窒素による吸着の容積分析(図5)は、SBET=700m/gの最終材料の比表面積およびφ=2.5nmのメソ構造化マトリクスの特徴であるメソ孔径につながる。高角XRD分析(図3)は、スピネル構造および空間群fd3mの酸化鉄γ−Feナノ粒子の特徴であるディフラクトグラムを得ることにつながる。小角XRD分析(図4)は、メソ構造化マトリクスのバーミキュラ組織と関連する相関ピークの視覚化につながる。Scherrerの式から計算されるナノ粒子のサイズは、8.2nm程度である。ブラッグ式は、2d・sin(1.1)=1.5406、すなわちd=4nmを提供する。e=d−φによって規定されるアルミノケイ酸塩メソ構造化マトリクスの無定形壁の厚さは、したがって、e=1.5nmである。こうして得られた球状単位粒子のSEMブロックにより、これらの粒子は、50〜700nmで変動する径によって特徴付けられるサイズを有し、これらの粒子のサイズ分布は、300nm前後を中心とすることが示される。
(実施例3:モル比Si/Zr=4のジルコニウムおよびケイ素ベースを有する酸化物メソ構造化マトリクス中に捕捉された、最終材料の重量で10%の酸化セリウムナノ粒子を有する材料の調製)
酸化セリウムCeOの粒子が、Rhodia社によって60質量%の酸化セリウム水溶液の形態で提供される。粒子は、2〜3nm程度の平均径を有する。12.49gのこの市販溶液は、次いで、150mLのHOに加えられる。次いで、0.29mol/lのCe4+の理論濃度を有する溶液が得られる。次いで、2.2gのZrClが、65gのエタノールに室温でゆっくりと加えられる。次いで、34gのHOが、非常にゆっくりと、かつ、激しく攪拌されながら加えられる。3.08gのCTABが依然として非常にゆっくりと、次いで7.8gのオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)が加えられる。次いで、0.29mol/Lの濃度を有する酸化セリウム溶液6mLが、いわゆる「ストップフロー」システム(または急速混合装置(quick-mixing device))によって無機前駆体ZrClを含有する溶液に加えられる。この装置は、試薬の良好な均一化を確実にするのに十分に長く、かつ、溶液の不安定化を防ぐのに十分に短い混合時間を得ることを可能にする。こうして得られた溶液は、急速混合装置の小容積予備室に、次いで、上記の説明に記載されたようなエアロゾル発生器の霧化室に送られ、溶液は、圧力(P=1.5バール)下に導入されるキャリアガス(乾燥空気)の作用の元で微細滴体の形態で噴散させられる。滴体は、上記の本発明の詳説に記載される操作手順に従って乾燥させられる。乾燥炉の温度は350℃に設定される。次いで、収集された粉体は、空気中5時間にわたってT=550℃で焼成される。固体は、低角XRDおよび高角XRD、窒素による容積分析、TEM、SEMおよびICPによって特徴付けられる。TEM分析が示すことは、最終材料は、モル比Si/Zr=4のモル比を有し、バーミキュラ構造によって特徴付けられる組織化されたメソ多孔度を有するSiO―ZrOマトリクス中の酸化セリウムナノ粒子からなるということである。窒素を用いる容積分析による分析(図7)は、SBET=220m/gの最終材料の比表面積およびφ=2.0nmのメソ構造化マトリクスの特徴であるメソ孔の径につながる。高角XRD分析は、酸化セリウムナノ粒子の特徴であるディフラクトグラムを得ることにつながる。小角XRD分析(図6)は、メソ構造化マトリクスのバーミキュラ組織と関連する相関ピークの視覚化につながる。ブラッグ式は、2d・sin(1.9)=1.5406、すなわち、d=5nmを提供する。e=d−φによって規定されるメソ構造化マトリクスの無定形壁の厚さは、したがって、e=3nmである。こうして得られた球状単位粒子のSEMブロックにより、これらの粒子は、50〜700nmで変動する径によって特徴付けられるサイズを有し、これらの粒子のサイズ分布は、300nm前後を中心とすることが示される。
(実施例4:モル比Si/Al=4のアルミニウムおよびケイ素ベースを有する酸化物メソ構造化マトリクス中に捕捉された、最終材料の重量で5%の逆スピネル構造を有する多金属ナノ粒子CoFeを有する材料の調製)
8.1gのFeClおよび4.4gのCo(CHCOO)・4HOが、0.3mol/Lに等しい金属濃度を有する溶液を得るように250mLの1,2−プロパンジオールに加えられる。次いで、9に等しいHO/(Fe+Co)モル比および3に等しいCHCOO/(Fe+Co)モル比をそれぞれ得るように10.35gのHOおよび14.8gのNaCHCOOが加えられる。溶液は、6℃/分の昇温速度でその沸点の160℃に加熱され、5時間にわたって還流させられる。溶液は、室温まで冷却させられ、粒子は、遠心分離によって上澄から分離され、エチレングリコールおよびアセトンにより洗浄され、次いで、空気中50℃で乾燥させられた。こうして得られたFeCoの多金属粒子は、5nmの平均径を有する(S.Ammar,A.Helfen,N.Jouini,F.Fievet,I.Rosenman,F.Villain,P.Molinie,M.Danot、「J.Mater.Chem.」,2001,11,186)。こうして収集された粒子は、0.03mol/Lの金属粒子濃度を得るように所定容積の1,2−プロパンジオール中に再分散させられる。
1.03gのAlCl・6HOが、30gのエタノール、15gのHO、0.036mLのHClおよび1.4gのP123を含有する溶液に加えられる。一旦塩化アルミニウムが溶解されてから、3.59gのTEOSがこの溶液に加えられる。
0.03mol/Lの濃度のFeCoナノ粒子溶液30mLが、次いで、いわゆる「ストップ・フロー」システム(または急速混合装置)によってケイ素およびアルミニウムの無機前駆体を含有する溶液に加えられる。この装置は、試薬の良好な均一化を確実にするのに十分に長く、かつ、溶液の不安定化を防ぐのに十分に短い混合時間を得ることを可能にする。こうして得られた溶液は、急速混合装置の小容積予備室に、次いで、上記説明において記載されるようなエアロゾル発生器の霧化室に送られ、溶液は、圧力(P=1.5バール)下に導入されるキャリアガス(乾燥空気)の作用の元で微細滴体の形態で噴散させられる。滴体は、上記本発明の詳説に記載される操作手順に従って乾燥させられる。乾燥炉の温度は、350℃に設定される。次いで、収集された粉体は、空気中5時間にわたってT=550℃で焼成される。固体は、低角XRDおよび高角XRD、窒素による容積分析、TEM、SEMおよびICPによって特徴付けられる。TEM分析が示すことは、最終材料は、バーミキュラ構造によって特徴付けられる組織化されたメソ多孔度を有するアルミノケイ酸塩マトリクス中に捕捉されたCoFeナノ粒子からなるということである。窒素を用いる容積分析による分析は、SBET=300m/gの最終材料の比表面積およびφ=5.6nmのメソ構造化マトリクスの特徴であるメソ孔径につながる。高角XRD分析は、CoFeナノ粒子の特徴であるディフラクトグラムを得ることにつながる。小角XRD分析は、メソ構造化マトリクスのバーミキュラ組織と関連する相関ピークの視覚化につながる。ブラッグの式は、2d・sin(0.32)=1.5406、すなわちd=13.1nmを提供する。e=d−φによって規定されるメソ構造化マトリクスの無定形壁の厚さは、したがって、e=7.5nmである。こうして得られた球状単位粒子のSEMブロックにより、これらの粒子は、50〜700nmで変動する径によって特徴付けられるサイズを有し、これらの粒子のサイズ分布は、300nm前後を中心とすることが示された。
(実施例5:Si/Al=4のモル比のアルミニウムおよびケイ素ベースを有する酸化物メソ構造化マトリクス中にZSM−5型のゼオライトナノ結晶および酸化鉄γ−Feナノ粒子を有する材料の調製)
6.0gのTEOSが、10.4mLのテトラプロピルアンモニウムヒドロキシド溶液(TPAOH20%)中で加水分解される。次いで、1.5mLの水が加えられ、溶液は、次いで、透明な溶液を得るように攪拌される。溶液は、T=80℃で4日間にわたってオートクレーブ処理される。一旦合成が終了してから、遠心分離(1時間にわたって20,000rpm)によってZSM−5結晶が回収される;それらは、次いで、水中に再分散させられ(超音波)、次いで、再分散後の溶液が7に近いpHを有するまで再度遠心分離にかけられる。ZSM−5結晶の平均サイズは100nmである。1mol/Lの濃度を有するFeCl溶液80mLと、2mol/LのFeClおよび1mol/LのHClの濃度のFeCl溶液20mLとが調製される。これら2つの溶液は混合され、約10分間にわたって攪拌される。滴定器を用いて、酸化鉄粒子の合成が、3mol/LのNaNO溶液500mL中の鉄溶液の滴下により行われる。合成の間、pHは、0.1mol/Lの濃度を有するソーダ溶液の同時添加により11の値に維持される。固体粒子は、磁化によって上澄から分離される。粒子は、次いで、3mol/LのHClO水溶液中に再分散させられ、残留Fe(II)の酸化を行うために30分間にわたって攪拌される。粒子は、次いで、遠心分離(11,000rpmで10分間)によって上澄から分離される。この手順は、複数回行われ得る。粒子は、次いで、0.13mol/L程度のFe3+の濃度を得るように1.8〜2.0の値にpHが維持されるべき所定容積の水中に再分散させられる。得られる粒子の径は5〜12nmである。
1.03gのAlCl・6HOが、30gのエタノール、15gのHO、0.036mLのHClおよび1.4gのP123を含有する溶液に加えられる。一旦塩化アルミニウムが溶解させられてから、3.59gのTEOSが加えられる。それは約10分間にわたって均一化することが可能にされる。次いで、400μLのゼオライト結晶の溶液が、激しく攪拌されながらこの溶液に加えられる。次いで、pHは、HClにより2に調節される。
0.13mol/Lの濃度を有する12mLの酸化鉄溶液が、いわゆる「ストップ−フロー」システム(すなわち、急速混合装置)によって、懸濁状のゼオライト結晶およびアルミニウムおよびケイ素の無機前駆体を含有する溶液に加えられる。この装置は、試薬の良好な均一化を確実にするのに十分に長く、溶液の不安定化を防ぐのに十分に短い混合時間を得ることを可能にする。こうして得られた溶液は、急速混合装置の小容積の予備室、次いで、上記説明に記載されたようなエアロゾル発生器の霧化室に送られ、溶液は、圧力(P=1.5バール)下に導入されるキャリアガス(乾燥空気)の作用の元で滴体の形態で噴散させられる。滴体は、上記の本発明の詳説に記載される操作手順に従って乾燥させられる。乾燥炉の温度は350℃に設定される。次いで、収集された粉体は、空気中5時間にわたってT=550℃で焼成される。固体は、低角XRDおよび高角XRD、窒素による容積分析、TEM、SEMおよびICPによって特徴付けられる。TEM分析が示すことは、最終の材料は、バーミキュラ構造によって特徴付けられる組織化されたメソ多孔度を有するアルミノケイ酸塩マトリクス中に捕捉されたZSM−5型ゼオライトナノ結晶および酸化鉄γ−Feナノ粒子からなるということである。窒素を用いる容積分析による分析は、SBET=300m/gの最終材料の比表面積およびφ=5.6nmのメソ構造化マトリクスの特徴であるメソ孔径につながる。高角XRD分析は、ZSM−5ゼオライトと酸化鉄γ−Feナノ粒子の特徴であるディフラクトグラムの重ね合わせからなるディフラクトグラムを得ることにつながる。小角XRD分析は、メソ構造化マトリクスのバーミキュラ組織に関連する相関ピークの視覚化につながる。ブラッグの式は、2d・sin(0.32)=1.5406すなわちd=13.1nmを提供する。e=d−φによって規定されるメソ構造化マトリクスの無定形壁の厚さは、したがって、e=7.5nmである。こうして得られた球状単位粒子のSEMブロックが示すことは、これらの粒子は、50〜700nmで変動する径によって特徴付けられるサイズを有し、これらの粒子のサイズ分布は、300nm前後を中心とするということである。
実施例1の高角XRD分析結果を示すグラフである。 実施例1の小角XRD分析結果を示すグラフである。 実施例2の高角XRD分析結果を示すグラフである。 実施例2の小角XRD分析結果を示すグラフである。 実施例2の窒素による吸着の容積分析結果を示すグラフである。 実施例3の小角XRD分析結果を示すグラフである。 実施例3の窒素を用いる容積分析による分析結果を示すグラフである。

Claims (24)

  1. 少なくとも2つの単位球状粒子からなり、該球状粒子のそれぞれは、サイズが1〜300nmである金属ナノ粒子もしくは少なくとも1種の遷移金属酸化物および/または少なくとも1種の希土類金属酸化物のナノ粒子と、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの酸化物ベースを有するメソ構造化マトリクスとを含む無機材料であって、該メソ構造化マトリクスは、1.5〜30nmの細孔サイズを有し、かつ、1〜30nmの厚さの無定形壁を有し、前記単位球状粒子は、10μmの最大径を有する無機材料。
  2. 元素Xは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される、請求項1に記載の材料。
  3. 前記メソ構造化マトリクスの細孔サイズは、1.5〜10nmである、請求項1または2に記載の材料。
  4. 前記メソ構造化マトリクスは、六方晶系、立方晶系、バーミキュラ状、ラメラ状、コレステリック状または連続二相状の構造を有する、請求項1〜3のいずれか1つに記載の材料。
  5. 前記メソ構造化マトリクスは、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される少なくとも1種の元素X’を含み、ここで、元素XおよびX’は異なるものである、請求項1〜4のいずれか1つに記載の材料。
  6. 前記元素Xはアルミニウムであり、前記元素X’はケイ素である、請求項5に記載の材料。
  7. 前記金属ナノ粒子は、遷移金属の族および/または希土類金属の族に属する少なくとも1種の金属を含む、請求項1〜6のいずれか1つに記載の材料。
  8. 前記金属ナノ粒子は、金、パラジウム、白金、ニッケル、コバルト、銅、銀、ロジウム、ルテニウム、鉄、イリジウムおよびそれらの混合物および誘導される合金の中から選択される酸化度0の少なくとも1種の遷移金属を含む、請求項7に記載の材料。
  9. 記少なくとも1種の遷移金属酸化物および/または少なくとも1種の希土類金属酸化物の金属は、金属:Ti、Zr、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Co、Cu、Y、La、Ni、Cr、Pd、Pt、Ce、Eu、Nd、Gdおよびその混合物の中から選択される、請求項に記載の材料。
  10. 前記金属ナノ粒子は、スピネルAB、ペロブスカイトABO、イルメナイトABO(式中、Aおよび/またはBは、少なくとも1種の遷移金属および/または希土類金属)等の結晶構造を有する少なくとも1種の多金属酸化物を含む、請求項7に記載の材料。
  11. 前記金属ナノ粒子は、遷移金属Mと、硫黄、セレンおよびテルルの中から選択されるカルコゲン元素Cとによって形成される少なくとも1種のカルコゲニドを含む、請求項7に記載の材料。
  12. 前記金属ナノ粒子は、重量で材料の0.1〜30%を有する、請求項1〜11のいずれか1つに記載の材料。
  13. 前記球状粒子のそれぞれは、ゼオライトナノ結晶を含む、請求項1〜12のいずれか1つに記載の材料。
  14. 前記ゼオライトナノ結晶は、0.2〜2nmの細孔サイズを有する、請求項13に記載の材料。
  15. 前記ゼオライトナノ結晶は、MFI、BEA、FAUおよびLTA構造型のゼオライトの中から選択される少なくとも1種のゼオライトを含む、請求項13または14に記載の材料。
  16. 前記ゼオライトナノ結晶は、少なくとも1種の完全にシリカ性のゼオライトを含む、請求項13〜15のいずれか1つに記載の材料。
  17. 前記ゼオライトナノ結晶は、ケイ素およびアルミニウムを含有する少なくとも1種のゼオライトを含む、請求項13〜15のいずれか1つに記載の材料。
  18. 100〜1100m/gの比表面積を有する、請求項1〜17のいずれか1つに記載の材料。
  19. 請求項1〜18のいずれか1つに記載の材料を調製する方法であって、a)300nmに等しい最大ナノメートルサイズの金属粒子を合成して、該ナノ粒子が分散させられた安定なコロイド溶液を得る段階;b)少なくとも1種の界面活性剤と、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される少なくとも1種の元素Xの少なくとも1種の前駆体との溶液中に、段階a)により得られた金属ナノ粒子の少なくとも1種のコロイド溶液、場合による、ケイ素、アルミニウム、チタン、タングステン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、鉛、バナジウム、鉄、マンガン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ユウロピウムおよびネオジムからなる群から選択される少なくとも1種の元素X’(ここで、XおよびX’は異なる)の少なくとも1種の前駆体、および場合による300nmに等しい最大ナノメートルサイズのゼオライトの結晶が分散させられた少なくとも1種の安定なコロイド溶液を混合する段階;c)段階b)において得られた前記溶液をエアロゾル噴散させて、200μm未満の径を有する球状滴体を形成させる段階;d)前記滴体を乾燥させる段階、およびe)少なくとも1種の前記界面活性剤を除去して、金属ナノ粒子が捕捉されたメソ構造化材料を得る段階を包含する、方法。
  20. 元素Xは、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ゲルマニウムおよびセリウムからなる群から選択される、請求項19に記載の方法。
  21. 元素X’はケイ素である、請求項19または20に記載の方法。
  22. 前記界面活性剤は、3ブロック共重合体であり、各ブロックは、ポリ(アルキレンオキシド)鎖からなる、請求項19〜21のいずれか1つに記載の方法。
  23. 前記3ブロック共重合体は、2つのポリ(エチレンオキシド)鎖と、1つのポリ(プロピレンオキシド)鎖とからなる、請求項22に記載の方法。
  24. 前記界面活性剤は、セチルトリメチルアンモニウムブロミドである、請求項19〜21のいずれか1つに記載の方法。
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