JP5438772B2 - Lattice engineered cerium dioxide nanoparticles containing fuel additives - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本願は、国際出願第PCT/US07/077545号の「METHOD OF PREPARING CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLES」及び国際出願第PCT/US07/077535号の「CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLE−CONTAINING FUEL ADDITIVE」(共に2007年9月4日に出願)に関する。これらの出願は、仮出願番号第60/824514号の「CERIUM−CONTAINING FUEL ADDITIVE」(2006年9月5日に出願)、仮出願番号第60/911159号の「REVERSE MICELLAR FUEL ADDITIVE COMPOSITION(2007年4月11日に出願)及び仮出願番号第60/938314号の「REVERSE MICELLAR FUEL ADDITIVE COMPOSITION」(2007年5月16日に出願)の優先権の利益を主張するものである。これらの全ての出願の開示は、参照により本願に組み込まれる。
Cross-reference of related applications This application is based on International Application No. PCT / US07 / 077454 “METHOD OF PREPARING CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLES” and International Application No. PCT / US07 / 0777535 Filed on September 4). These applications include “CERIUM-CONTAINING FUEL ADDITIVE” (provisional date: September 5, 2006) of provisional application No. 60/824514, and “REVERSE MICELLAR FUEL ADDITION COMPOSITION” (2007) of provisional application No. 60/911159. Claimed on 11 April) and provisional application No. 60/934314 “REVERSE MICELLAR FUEL ADDITION COMPOSTION” (filed May 16, 2007). The disclosures of all these applications are incorporated herein by reference.

本発明は概して、二酸化セリウムナノ粒子、特には1種以上の遷移金属(M)を含有する二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2及びこのような粒子を調製するための方法に関する。これらのナノ粒子は、燃料添加剤組成物の成分、触媒コンバータ用のウォッシュコート又は還元/酸化反応のための触媒として有用である。 The present invention relates generally to cerium dioxide nanoparticles, in particular cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 containing one or more transition metals (M) and methods for preparing such particles. These nanoparticles are useful as components of fuel additive compositions, washcoats for catalytic converters, or catalysts for reduction / oxidation reactions.

トラック輸送業界が米国の国内総生産に占める割合は5%を超え、500000を越える貸出用の民間及び政府の車両(自己所有の運転手を含む)から成る。これは米国経済のバロメータであり、全ての形態の国内貨物輸送機関によって運ばれる、製品及び小売商品を含む総トン数の70%近くにあたる。この業界では、殆どディーゼルエンジン(圧縮点火機関)だけを動力として使用しており、ディーゼルエンジンは、低rpmでの高トルク及び火花点火(ガソリン)機関より25%高い熱力学的効率を特徴とする。2007年にEPAが窒素酸化物(NOX)及びディーゼル排気微粒子(diesel particulate matter:DPM又は煤煙)の排出削減を命じた結果、現在、ディーゼル車は、ディーゼル酸化触媒(diesel oxidation catalyst:DOC)又は何らかの形態の触媒コンバータを装備し且つ超低硫黄ディーゼル燃料(ultra low sulfur diesel fuel:ULSD)(硫黄分が<15ppm)を燃焼することを必要とされている。排気ガス再循環(emissions gas recirculation:EGR)等の多種多様な技術が、EPAが命じた排出基準を満たすために必要とされている。ULSD要件は、高硫黄レベルによるDOCの貴金属の硫黄被毒の結果である。この規制はあらゆる方面に影響を与えた。これは米国内では(路上で)ディーゼル燃料が650Mガロン/週の桁外れの割合で消費され、ガソリン(1300Mガロン/週)に次ぐ2位の消費量だからである。 The trucking industry accounts for more than 5% of US gross domestic product, comprising over 500,000 rental private and government vehicles (including self-owned drivers). This is a barometer for the US economy, representing nearly 70% of the total tonnage, including products and retail goods, carried by all forms of domestic freight transport. The industry mostly uses only diesel engines (compression ignition engines) as power, and diesel engines are characterized by high torque at low rpm and 25% higher thermodynamic efficiency than spark ignition (gasoline) engines. . EPA nitrogen oxides in 2007 (NO X) and diesel exhaust: results ordered emission reductions (diesel particulate matter DPM or soot), currently diesels, diesel oxidation catalyst (diesel oxidation catalyst: DOC) or There is a need to equip some form of catalytic converter and to burn ultra low sulfur diesel fuel (ULSD) (<15 ppm sulfur content). A wide variety of techniques, such as emissions gas recirculation (EGR), are required to meet emission standards mandated by the EPA. The ULSD requirement is the result of sulfur poisoning of DOC precious metals with high sulfur levels. This regulation affected every direction. This is because in the United States (on the road) diesel fuel is consumed at an extraordinary rate of 650M gallons / week and is second only to gasoline (1300M gallons / week).

EPAの命令の付加原価によって、ディーゼル燃料1ガロンあたりのコストに約0.39ドルが加算されると推定される。その内訳は以下の要素:エンジンコストの上昇(0.11ドル/ガロン)、粒子捕捉メンテナンス費(0.05ドル/ガロン)、燃費の向上(reduced fuel economy)(0.09ドル/ガロン)、ULSDの増加(0.06ドル/ガロン)及びULSD燃料エネルギー容量の低さ(0.08ドル/ガロン)である。   It is estimated that the additional cost of EPA orders will add about $ 0.39 to the cost per gallon of diesel fuel. The breakdown is as follows: increase in engine cost ($ 0.11 / gallon), particle capture maintenance cost ($ 0.05 / gallon), reduced fuel economy ($ 0.09 / gallon), ULSD increase ($ 0.06 / gallon) and low ULSD fuel energy capacity ($ 0.08 / gallon).

DPM及びその他の排出物の量を削減しつつ同時に燃費(1ガロンあたりのマイル数における増加で測定される)も向上させることができる技術が金銭的にも環境的にも極めて有益であると考えられるのは当然である。   A technology that can reduce DPM and other emissions while simultaneously improving fuel economy (measured in increase in miles per gallon) is considered extremely beneficial both financially and environmentally. Of course it is done.

ディーゼル燃料添加剤、特には有機材料ではなく無機金属及び金属酸化物材料を含むものは、DMPの削減及び燃費の向上を約束する。   Diesel fuel additives, particularly those containing inorganic metals and metal oxide materials rather than organic materials, promise to reduce DMP and improve fuel economy.

Kracklaurer(米国特許第4389220号。その開示は、参照により本願に組み込まれる)は、ディーゼルエンジンの調整方法について記載しており、この方法ではディーゼルエンジンを、エンジンの燃焼表面から炭素堆積物を除去し且つ燃焼表面上に酸化鉄の層(炭素堆積物の更なる蓄積の防止に効果的)を堆積するのに十分な時間に亘って、約20〜30ppmのジシクロペンタジエニル鉄を含有するディーゼル燃料で動作させる。続いて、このディーゼルエンジンを、約10〜15ppmの維持濃度のジシクロペンタジエニル鉄又は同量のその誘導体で連続的に動作させる。この維持濃度は、燃焼表面上に酸化鉄触媒層を維持するのに有効であるが、エンジンにおけるタイミング遅延を軽減するには不十分である。この添加されたジシクロペンタジエニル鉄によって、エンジンシリンダ表面に酸化鉄(Fe23)が生成され、この酸化鉄が炭素堆積物(煤煙)と反応してFe及びCO2が生成されることで堆積物が除去される。しかしながら、この方法では、錆の発生によってエンジンの老朽化が加速する可能性がある。 Krakuraurer (US Pat. No. 4,389,220, the disclosure of which is incorporated herein by reference) describes a method for conditioning a diesel engine that removes carbon deposits from the combustion surface of the engine. And a diesel containing about 20-30 ppm dicyclopentadienyl iron for a time sufficient to deposit a layer of iron oxide (effective in preventing further accumulation of carbon deposits) on the combustion surface Operate with fuel. Subsequently, the diesel engine is continuously operated with a maintenance concentration of dicyclopentadienyl iron of about 10-15 ppm or an equivalent thereof. This maintenance concentration is effective to maintain an iron oxide catalyst layer on the combustion surface, but is insufficient to reduce timing delays in the engine. The added dicyclopentadienyl iron produces iron oxide (Fe 2 O 3 ) on the engine cylinder surface, and this iron oxide reacts with carbon deposits (smoke) to produce Fe and CO 2. Thus, the deposit is removed. However, this method may accelerate the aging of the engine due to the generation of rust.

Valentineら(米国特許出願公開第2003/0148235号。その開示は、参照により本願に組み込まれる)は、燃料の燃焼効率を上昇させるための特定の二元又は三元金属燃料添加触媒について記載している。この触媒は、未燃炭素による熱伝達面のファウリングを軽減し、その一方で、典型的な形態及び量で使用した場合にそれ自体が微粒子回収装置の過負荷又は有毒な超微粒子の排出を引き起こし得る2次添加剤灰の量を抑える。プラチナと、セリウム及び/又は鉄を含む少なくとも1種の追加の金属とを含む燃料可溶性触媒を含有する燃料を利用することによって、不完全燃焼によって発生するタイプの汚染物質の生成が減少する。超低レベルの非毒性の金属燃焼触媒を、熱回収の改善及び規制汚染物質排出量削減のために使用可能である。しかしながら、このタイプの燃料添加剤は、希少且つ高価な金属(プラチナ等)を使用することに加えて、エンジンの「調整」に数か月を要する場合がある。「調整(conditioning)」とは、エンジンをこの触媒である期間に亘って動作させないと、添加剤の全効果が得られないことを意味する。初期調整に45日かかり、60〜90日経たないと効果が最善の状態で得られない場合がある。加えて、排気系から大気中へと遊離金属が放出される場合があり、放出された遊離金属は続いて生物と反応を起こし得る。   Valentine et al. (US Patent Application Publication No. 2003/0148235, the disclosure of which is incorporated herein by reference) describes certain binary or ternary metal fuel addition catalysts for increasing the combustion efficiency of fuels. Yes. This catalyst reduces fouling of the heat transfer surface due to unburned carbon, while itself overloads the particulate collection device or discharges toxic ultrafine particles when used in typical configurations and quantities. Reduce the amount of secondary additive ash that can be caused. By utilizing a fuel containing a fuel-soluble catalyst comprising platinum and at least one additional metal, including cerium and / or iron, the generation of the type of pollutants generated by incomplete combustion is reduced. Ultra-low levels of non-toxic metal combustion catalysts can be used to improve heat recovery and reduce regulated pollutant emissions. However, this type of fuel additive may require months of engine “tuning” in addition to using rare and expensive metals (such as platinum). “Conditioning” means that the full effect of the additive cannot be obtained unless the engine is operated over this period of time. The initial adjustment takes 45 days, and if 60 to 90 days have not passed, the effect may not be obtained in the best condition. In addition, free metals may be released from the exhaust system into the atmosphere, and the released free metals can subsequently react with organisms.

二酸化セリウムは、ディーゼル車において、有毒な排ガスの除去及び微粒子排出量の削減のためにコンバータにおける触媒として広く使用されている。触媒コンバータ内で、二酸化セリウムは化学活性成分として作用し、還元ガスの存在下、酸素を放出し、また酸化種との相互作用により酸素を除去する。   Cerium dioxide is widely used as a catalyst in converters in diesel vehicles to remove toxic exhaust gases and reduce particulate emissions. Within the catalytic converter, cerium dioxide acts as a chemically active component, releasing oxygen in the presence of reducing gas and removing oxygen by interaction with oxidizing species.

二酸化セリウムは、反応式1に示される可逆的プロセスによって酸素を吸蔵及び放出し得る。
〔式1〕
CeO2← →CeO2-X+x/2O2
Cerium dioxide can occlude and release oxygen by the reversible process shown in Scheme 1.
[Formula 1]
CeO 2 ← → CeO 2-X + x / 2O 2

(0010) このプロセスは、セリアの酸素吸蔵能力(oxygen storage capability:OSC)と称される。ここで、セリアは酸素吸蔵緩衝剤(pH緩衝剤によく似ている)として作用し、酸素濃度又は圧力が低い空間領域では酸素を放出し、酸素圧力が高い空間領域では酸素を吸収する。X=0.5の場合、セリアは、Ce23へと効果的に完全に還元され、最高理論OSCは、セリア1グラムあたり1452マイクロモルのO2である。Ce3+とCe4+イオンとの間の酸化還元電位は1.3〜1.8Vであり、存在するアニオン基及び化学環境に大きく左右される(CERIUM:A Guide to its Role in Chemical Technology,1992 by Molycorp,Inc,Library of Congress Catalog Card Number 92−93444)。これによって、上記の正反応及び逆反応が、排ガスにおいて、必要とされる酸素の化学量論比(15:1)近くで速やかに行われる。二酸化セリウムは、酸素欠乏環境において、CO又は炭化水素の酸化のための酸素を供給し得る。或いは、反対に高濃度酸素環境において、窒素酸化物(NOx)のレベルを低下させるために酸素を吸収し得る。同様の触媒活性は、二酸化セリウムを添加剤として燃料(例えば、ディーゼル、ガソリン)に添加しても起り得る。しかしながら、この効果を有用なものにするためには、添加する二酸化セリウムが、ブラウン運動によって燃料中で懸濁したまま沈降しない状態になるのに十分に小さい粒子サイズ、すなわちナノ粒子(100nm未満)でなくてはならない。加えて、触媒作用は表面積に依存することから、粒子サイズが小さいと、ナノ結晶材料が触媒としてより効果的になる。二酸化セリウムの燃料への配合は、例えば「水性ガスシフト反応」:
CO+H2O → CO2+H2
によって、燃料の燃焼で発生する有毒な排ガスを削減する触媒としての役割を果たすだけではなく、ディーゼルエンジンで典型的に使用される微粒子トラップに蓄積される微粒子の完全燃焼も促進する。
[0010] This process is referred to as ceria's oxygen storage capability (OSC). Here, ceria acts as an oxygen storage buffer (much like a pH buffer), releasing oxygen in a spatial region where the oxygen concentration or pressure is low, and absorbing oxygen in a spatial region where the oxygen pressure is high. When X = 0.5, ceria is effectively fully reduced to Ce 2 O 3 and the highest theoretical OSC is 1452 micromoles O 2 per gram of ceria. The redox potential between Ce 3+ and Ce 4+ ions is 1.3-1.8 V, and depends greatly on the anion groups present and the chemical environment (CERIUM: A Guide to it Role in Chemical Technology, 1992 by Mollycorp, Inc, Library of Congress Catalog Card Number 92-93444). As a result, the above-described normal reaction and reverse reaction are rapidly performed in the exhaust gas near the required stoichiometric ratio of oxygen (15: 1). Cerium dioxide may provide oxygen for the oxidation of CO or hydrocarbons in an oxygen deficient environment. Or, conversely, in a high oxygen concentration environment, oxygen can be absorbed to reduce the level of nitrogen oxides (NO x ). Similar catalytic activity can occur when cerium dioxide is added as an additive to a fuel (eg, diesel, gasoline). However, in order to make this effect useful, the added cerium dioxide is sufficiently small in particle size, i.e. nanoparticles (less than 100 nm) to be suspended in the fuel and not settled by Brownian motion. It must be. In addition, since the catalytic action depends on the surface area, the nanocrystalline material becomes more effective as a catalyst when the particle size is small. Formulation of cerium dioxide into fuel is, for example, “water gas shift reaction”:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
This not only serves as a catalyst to reduce toxic exhaust emissions generated by fuel combustion, but also promotes complete combustion of particulates that are accumulated in particulate traps typically used in diesel engines.

(0011) 上述したように、二酸化セリウムナノ粒子は、100nm未満の平均直径を有する粒子である。この開示を目的として、特に記載がない限り、ナノ粒子の直径とはその流体力学的直径のことであり、流体力学的直径とは、動的光散乱法によって測定され、また分子吸着質及び付随する粒子の溶媒和殻を含む直径である。或いは、幾何学的粒径を、透過型電子顕微鏡分析(TEM)を利用して推定可能である。 [0011] As described above, cerium dioxide nanoparticles are particles having an average diameter of less than 100 nm. For the purposes of this disclosure, unless otherwise stated, the diameter of a nanoparticle is its hydrodynamic diameter, which is measured by dynamic light scattering and also includes molecular adsorbates and associated molecules. It is the diameter including the solvation shell of the particles. Alternatively, the geometric particle size can be estimated using transmission electron microscope analysis (TEM).

(0012) エンジンの手前で二酸化セリウムを燃料に分注する車載供給システムが知られているが、このようなシステムは複雑であり、また適切な量の添加剤を燃料に供給するために大掛かりな電子制御を必要とする。このような複雑な車載システムを回避するために、二酸化セリウムナノ粒子を、より早い段階で燃料に添加して燃料効率を改善することも可能である。例えば、二酸化セリウムを精製所で、典型的には処理添加剤(例えば、セタン価向上剤、潤滑剤)と共に配合可能である。或いは、燃料分配タンクファームで添加可能である。 [0012] Although an in-vehicle supply system that dispenses cerium dioxide into the fuel in front of the engine is known, such a system is complex and is too large to supply an appropriate amount of additive to the fuel. Requires electronic control. In order to avoid such a complicated in-vehicle system, cerium dioxide nanoparticles can be added to the fuel at an earlier stage to improve fuel efficiency. For example, cerium dioxide can be formulated in refineries, typically with processing additives (eg, cetane improvers, lubricants). Alternatively, it can be added at a fuel distribution tank farm.

(0013) 二酸化セリウムナノ粒子を、燃料分配センターでラック注入(rack injection)によって大量の(〜100000ガロン)の燃料に添加することも可能である。或いは、二酸化セリウムナノ粒子をより小さな燃料会社の貯蔵所で添加可能であり、特定の個々の要件に合わせたカスタマイズが可能である。加えて、二酸化セリウムを、給油所で、燃料を車両に供給している間に添加することもでき、この場合、粒子分散がより安定する利点が得られる可能性がある。 [0013] Cerium dioxide nanoparticles can also be added to large quantities (~ 100,000 gallons) of fuel by rack injection at the fuel distribution center. Alternatively, cerium dioxide nanoparticles can be added at smaller fuel company repositories and can be customized to specific individual requirements. In addition, cerium dioxide can be added at the gas station while supplying fuel to the vehicle, which may provide the advantage of more stable particle dispersion.

(0014) セリウムナノ粒子がエンジンシリンダ及び内部可動部上にセラミック層を形成することによって、エンジンは本質的に触媒装置へと変化し得る。或いは、セリウムナノ粒子は、それが蓄積する場所で潤滑油において再利用され得る。その触媒効率は、セリウムナノ粒子が反応式(1)の還元を経ることで、燃焼中、酸素原子の供給源となる事実に由来する。しかしながら、1ガロンあたりのマイル数にメリットが見られるようになるまでには通常、数か月の誘導期を必要とする。これは最終的により良好な燃料燃焼をもたらし、また微粒子材料の排出レベルを低下させる。加えて、燃料添加剤として使用する場合、これらのナノ粒子は、エンジンの摩擦を軽減することによって、エンジン性能も改善し得る。別の導入モードとして、二酸化セリウムナノ粒子を潤滑油に添加可能であり、二酸化セリウムナノ粒子は、内部摩擦を軽減するための潤滑性向上剤として機能する。これによって燃料効率も改善される。 [0014] By the formation of a ceramic layer on the engine cylinder and internal moving parts by the cerium nanoparticles, the engine can essentially turn into a catalytic device. Alternatively, cerium nanoparticles can be reused in the lubricating oil where it accumulates. The catalytic efficiency is derived from the fact that the cerium nanoparticles undergo a reduction of the reaction formula (1) to become a supply source of oxygen atoms during combustion. However, it usually takes several months of induction before benefits can be seen in miles per gallon. This ultimately results in better fuel combustion and lowers particulate material emission levels. In addition, when used as a fuel additive, these nanoparticles can also improve engine performance by reducing engine friction. As another introduction mode, cerium dioxide nanoparticles can be added to the lubricating oil, and the cerium dioxide nanoparticles function as a lubricity improver to reduce internal friction. This also improves fuel efficiency.

(0015) 以下の刊行物(その開示は参照により全て本願に組み込まれる)は、酸化セリウム化合物を含有する燃料添加剤について記載している。 [0015] The following publications (the disclosures of which are all incorporated herein by reference) describe fuel additives containing cerium oxide compounds.

(0016〜0018) Hawkinsら(米国特許第5449387号明細書)は、式:
(H2O)p[CeO(A)2(AH)nm
(式中、ラジカルAは同一又は異なり、それぞれ1より大きいpKaを有する有機酸素酸AHのアニオンであり、pは0〜5の整数であり、nは0〜2の数字であり、mは1〜12の整数である)を有する酸化セリウム(IV)化合物を開示している。この有機酸素酸は好ましくはカルボン酸であり、より好ましくはC2〜C20モノカルボン酸又はC4〜C12ジカルボン酸である。セリウム含有化合物は、炭化水素燃料の燃焼のための触媒として利用可能である。
(0016-0018) Hawkins et al. (US Pat. No. 5,449,387) has the formula:
(H 2 O) p [CeO (A) 2 (AH) n ] m
(In the formula, radicals A are the same or different and are anions of organic oxyacid AH each having a pKa greater than 1, p is an integer of 0-5, n is a number of 0-2, and m is A cerium (IV) oxide compound having an integer of 1 to 12 is disclosed. The organic oxyacid is preferably carboxylic acid, more preferably a C 2 -C 20 monocarboxylic acid or a C 4 -C 12 dicarboxylic acids. Cerium-containing compounds can be used as catalysts for the combustion of hydrocarbon fuels.

(0019) Valentineら(米国特許第7063729号明細書)は、二元金属燃料可溶性プラチナ族金属及びセリウム触媒を含む低排出ディーゼル燃料を開示しており、セリウムは、燃料可溶性ヒドロキシルオレエートプロピオネート錯体として提供される。 Valentine et al. (US Pat. No. 7,063,729) discloses a low emission diesel fuel comprising a bimetallic fuel soluble platinum group metal and a cerium catalyst, where cerium is a fuel soluble hydroxyl oleate propionate. Provided as a complex.

(0020) Chopinら(米国特許第6210451号明細書)は、微結晶凝集体の形態の二酸化セリウム粒子(好ましいサイズは3〜4nm)、全炭素数が少なくとも10である少なくとも1種の酸を含有する両親媒性の酸系及び有機希釈媒質から構成される安定した有機ゾルを含む石油系燃料を開示している。制御された粒子サイズは、200nmを超えない。 [0020] Chopin et al. (US Pat. No. 6,210,451) contains cerium dioxide particles in the form of microcrystalline aggregates (preferred size is 3-4 nm), containing at least one acid having a total carbon number of at least 10. A petroleum-based fuel comprising a stable organic sol composed of an amphiphilic acid-based and organic diluent medium is disclosed. The controlled particle size does not exceed 200 nm.

(0021) Birchemら(米国特許第6136048号明細書)は、20nm以下のd90を有する酸素添加化合物の粒子、両親媒性酸系及び希釈剤をから構成されるゾルを含むディーゼルエンジン燃料用アジュバントを開示している。酸素添加金属化合物粒子は、希土類塩(セリウム塩等)の溶液中での塩基性媒質との反応及びそれに続く生成された沈殿物の噴霧又は凍結乾燥による回収によって調製される。 Birchem et al. (US Pat. No. 6,136,048) describes an adjuvant for diesel engine fuels comprising a sol composed of particles of an oxygenated compound having an ad 90 of 20 nm or less, an amphiphilic acid system and a diluent. Is disclosed. Oxygenated metal compound particles are prepared by reaction with a basic medium in a solution of a rare earth salt (such as a cerium salt) and subsequent recovery of the resulting precipitate by spraying or lyophilization.

(0022) Lemaireら(米国特許第6093223号明細書)は、少なくとも1種のセリウム化合物の存在下で炭化水素燃料を燃焼させることによる、酸化第二セリウム微結晶の集合体を製造するためのプロセスを開示している。煤煙は、少なくとも0.1質量%の酸化第二セリウム微結晶集合体を含有し、最大粒子サイズは50〜10000オングストロームであり、微結晶サイズは50〜250オングストロームであり、煤煙は400℃未満の発火温度を有する。 [0022] Lemaire et al. (US Pat. No. 6,093,223) describes a process for producing aggregates of ceric oxide microcrystals by burning a hydrocarbon fuel in the presence of at least one cerium compound. Is disclosed. The soot contains at least 0.1% by weight of ceric oxide microcrystal aggregates, the maximum particle size is 50-10000 angstroms, the microcrystal size is 50-250 angstroms, and the soot is below 400 ° C. Has ignition temperature.

(0023) Hazarikaら(米国特許第7195653号B2明細書)は、燃料効率を向上させる及び/又は燃料燃焼装置の燃料排出物を削減する方法を開示している。この方法は、少なくとも1種の微粒子状ランタニド酸化物、特には二酸化セリウムを1〜10ppmでタブレット、カプセル、粉末又は液状燃料添加剤として燃料中に分散させることを含み、微粒子状酸化ランタンは、7以下のHLBを有するアルキルカルボン酸無水物及びエステルから成る群から選択される界面活性剤で被覆される。好ましいコーティング剤は、ドデシルコハク酸無水物である。 (0023) Hazarika et al. (US Pat. No. 7,195,653 B2) discloses a method for improving fuel efficiency and / or reducing fuel emissions of a fuel combustion device. The method comprises dispersing at least one particulate lanthanide oxide, particularly cerium dioxide, in a fuel at 1-10 ppm as a tablet, capsule, powder or liquid fuel additive, wherein the particulate lanthanum oxide is 7 Coated with a surfactant selected from the group consisting of alkyl carboxylic anhydrides and esters having the following HLB: A preferred coating agent is dodecyl succinic anhydride.

(0024) Collierら(米国特許出願公開第2003/0182848号明細書)は、ディーゼル燃料微粒子トラップの性能を向上させ、また金属塩添加剤の形態の1〜25ppmの金属と100〜500ppmの油溶性の窒素含有無灰清浄添加剤との組み合わせを含有するディーゼル燃料組成物を開示している。金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、IVB、VIIB、VIIIB、IB、IIB族の金属、原子番号57〜71を有する希土類金属(特にはセリウム)のいずれか又は前出の金属のいずれかの混合物であり得る。 [0024] Collier et al. (US Patent Publication No. 2003/0182848) improve the performance of diesel fuel particulate traps and also have 1-25 ppm metal and 100-500 ppm oil solubility in the form of metal salt additives. A diesel fuel composition containing a combination of a nitrogen-containing ashless detergent additive is disclosed. The metal is either an alkali metal, an alkaline earth metal, a group IVB, VIIB, VIIIB, IB, IIB metal, a rare earth metal having an atomic number of 57-71 (especially cerium) or any of the metals mentioned above It can be a mixture.

(0025) Collierら(米国特許出願公開第2003/0221362号明細書)は、微粒子トラップを備えたディーゼルエンジンのための燃料添加剤組成物を開示している。この組成物は、炭化水素溶媒と、125個以下の炭素原子を有するカルボン酸由来の油溶性金属カルボキシレート又は金属錯体とを含む。金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、IVB、VIIB、VIIIB、IB、IIB族の金属、セリウムを含む希土類金属又は前出の金属のいずれかの混合物であり得る。 [0025] Collier et al. (US 2003/0221362) discloses a fuel additive composition for a diesel engine with a particulate trap. The composition includes a hydrocarbon solvent and an oil-soluble metal carboxylate or metal complex derived from a carboxylic acid having no more than 125 carbon atoms. The metal can be an alkali metal, alkaline earth metal, IVB, VIIB, VIIIB, IB, IIB metal, a rare earth metal including cerium, or a mixture of any of the foregoing metals.

(0026) Caprottiら(米国特許出願公開第2004/0035045号明細書)は、微粒子トラップを備えたディーゼルエンジンのための燃料添加剤組成物を開示している。この組成物は、酸性有機化合物の油溶性又は油分散性の金属塩及び化学量論的に過剰の金属を含む。燃料に添加すると、この組成物は、Ca、Fe、Mg、Sr、Ti、Zr、Mn、Zn及びCeから成る群から選択される1〜25ppmの金属を提供する。 [0026] Caprotti et al. (US 2004/0035045) discloses a fuel additive composition for a diesel engine with a particulate trap. The composition comprises an oil-soluble or oil-dispersible metal salt of an acidic organic compound and a stoichiometric excess of metal. When added to the fuel, the composition provides 1 to 25 ppm of metal selected from the group consisting of Ca, Fe, Mg, Sr, Ti, Zr, Mn, Zn and Ce.

(0027) Caprottiら(米国特許出願公開第2005/0060929号明細書)は、相分離しないように安定化させたディーゼル燃料組成物を開示しており、この組成物は、コロイド状に分散させた又は可溶化した金属触媒化合物及び5〜1000ppmの安定剤を含有し、この安定剤は、少なくとも2つの極性基(少なくともそのうちの1つはカルボン酸又はカルボキシレート基である)に結合した親油性ヒドロカルビル鎖を有する有機化合物である。金属触媒化合物は、Ce、Fe、Ca、Mg、Sr、Na、Mn、Pt又はこれらの混合物の1種以上の有機若しくは無機化合物又は錯体を含む。 (0027) Caprotti et al. (US 2005/0060929) discloses a diesel fuel composition stabilized against phase separation, which composition was colloidally dispersed. Or a solubilized metal catalyst compound and 5-1000 ppm of stabilizer, which is a lipophilic hydrocarbyl bound to at least two polar groups, at least one of which is a carboxylic acid or carboxylate group An organic compound having a chain. The metal catalyst compound comprises one or more organic or inorganic compounds or complexes of Ce, Fe, Ca, Mg, Sr, Na, Mn, Pt or mixtures thereof.

(0028) Caprottiら(米国特許出願公開第2006/0000140号明細書)は、少なくとも1種のコロイド金属化合物又は種及び安定剤成分を含む燃料添加剤組成物を開示している。この安定剤成分は、アルデヒド又はケトンと、ヒドロキシル置換基及びヒドロカルビル基、−COOR又は−COR(Rは水素又はヒドロカルビルである)の中から選択される更に別の置換基を有する1つ以上の芳香族部分を含む化合物との縮合生成物である。コロイド金属化合物は好ましくは、少なくとも1種の金属酸化物を含み、好ましい酸化物は酸化鉄、二酸化セリウム又はセリウムドープ酸化鉄である。 [0028] Caprotti et al. (US 2006/0000140) discloses a fuel additive composition comprising at least one colloidal metal compound or species and a stabilizer component. The stabilizer component comprises an aldehyde or ketone and one or more aromatics having a further substituent selected from among a hydroxyl substituent and a hydrocarbyl group, -COOR or -COR (where R is hydrogen or hydrocarbyl). It is a condensation product with a compound containing a group moiety. The colloidal metal compound preferably comprises at least one metal oxide, the preferred oxide being iron oxide, cerium dioxide or cerium-doped iron oxide.

(0029) Scattergood(国際公開第WO2004/065529号パンフレット)は、内燃機関用燃料の燃料効率を向上させるための方法を開示しており、この方法は、二酸化セリウム及び/又はドープ二酸化セリウム、また任意の1種以上の燃料添加剤を燃料に添加することを含む。 Scattergood (International Publication No. WO 2004/065529) discloses a method for improving the fuel efficiency of a fuel for an internal combustion engine, the method comprising cerium dioxide and / or doped cerium dioxide, and optionally Adding one or more fuel additives to the fuel.

(0030) Andersonら(国際公開第WO2005/012465号パンフレット)は、潤滑油及びガソリンを含む内燃機関用燃料の燃料効率を向上させるための方法を開示しており、この方法は、二酸化セリウム及び/又はドープ二酸化セリウムを潤滑油又はガソリンに添加することを含む。 [0030] Anderson et al. (International Publication No. WO 2005/012465) discloses a method for improving the fuel efficiency of internal combustion engine fuels, including lubricating oils and gasoline, which includes cerium dioxide and / or Or adding doped cerium dioxide to lubricating oil or gasoline.

(0031) セリウム含有ナノ粒子は、当該分野で公知の様々な技法により調製可能である。合成ナノ粒子が親水性媒質中で形成されるか疎水性媒質中で形成されるかに関わらず、粒子は通常、望ましくない凝集を防止するために安定剤を必要とする。以下の刊行物(その開示は参照により全て本願に組み込まれる)には、これらの合成技法の一部が記載されている。 [0031] Cerium-containing nanoparticles can be prepared by various techniques known in the art. Regardless of whether the synthetic nanoparticles are formed in a hydrophilic or hydrophobic medium, the particles typically require a stabilizer to prevent undesired aggregation. The following publications, the entire disclosures of which are incorporated herein by reference, describe some of these synthetic techniques.

(0032) Chane−Chingら(米国特許第6271269号明細書)は、貯蔵安定性の有機ゾルを調製するためのプロセスを開示しており、このプロセスは、塩基性反応物を酸性金属カチオン塩の水溶液と反応させることによって過剰なヒドロキシルイオンを含有する水性コロイド分散系を生成し、この水性コロイド分散系を有機液体媒質及び有機酸を含む有機相と接触させ、得られた水相/有機相混合物を水相と生成物有機相とに分離することを含む。好ましい金属カチオンは、セリウムカチオン及び鉄カチオンである。コロイド微粒子は、5〜20ナノメートルの流体力学的直径を有する。 [0032] Chane-Ching et al. (US Pat. No. 6,271,269) discloses a process for preparing a storage-stable organic sol, which comprises converting a basic reactant to an acidic metal cation salt. An aqueous colloidal dispersion containing excess hydroxyl ions is produced by reacting with an aqueous solution, the aqueous colloidal dispersion is contacted with an organic phase comprising an organic liquid medium and an organic acid, and the resulting aqueous / organic phase mixture Separating the water phase into the product organic phase. Preferred metal cations are cerium cation and iron cation. Colloidal microparticles have a hydrodynamic diameter of 5-20 nanometers.

(0033) Chane−Ching(米国特許第6649156号明細書)は、熱加水分解プロセスによって形成される二酸化セリウム粒子、有機液相及び少なくとも1種の両親媒性化合物(カルボン酸のポリオキシエチレン化アルキルエーテル、ポリオキシエチレン化アルキルエーテルホスフェート、ジアルキルスルホスクシネート及び第4級アンモニウム化合物から選択される)を含有する有機ゾルを開示している。このゾルの含水量は、1%を超え得ない。平均微結晶サイズは約5nmであり、これらの微結晶の粒子凝集体のサイズは200〜10nmである。 (0033) Chan-Ching (US Pat. No. 6,649,156) describes cerium dioxide particles formed by a thermal hydrolysis process, an organic liquid phase and at least one amphiphilic compound (polyoxyethylenated alkyl of carboxylic acid). Organic sols containing ethers, polyoxyethylenated alkyl ether phosphates, selected from dialkyl sulfosuccinates and quaternary ammonium compounds are disclosed. The water content of this sol cannot exceed 1%. The average crystallite size is about 5 nm, and the size of the particle aggregates of these crystallites is 200-10 nm.

(0034) Chane−Ching(米国特許第7008965号明細書)は、セリウム化合物及び少なくとも1種のその他の金属の水性コロイド分散系を開示しており、この分散系は、最高で5mS/cmの導電率及び5〜8のpHを有する。 (0034) Chan-Ching (US Pat. No. 7,0089,965) discloses an aqueous colloidal dispersion of a cerium compound and at least one other metal, which has a conductivity of up to 5 mS / cm. And a pH of 5-8.

(0035) Chane−Ching(米国特許出願公開第2004/0029978号明細書。2005年12月7日に放棄)は、両親媒性を有し且つ金属酸化物、水酸化物及び/又はオキシ水酸化物をベースとした少なくとも1種のナノ粒子から生成される界面活性剤を開示しており、ナノ粒子の表面には疎水性を有する有機鎖が結合している。金属は好ましくは、セリウム、アルミニウム、チタン又はケイ素から選択され、アルキル鎖は、6〜30個の炭素原子又はアルキル鎖が8〜30個の炭素原子を含み、またポリオキシエチレン部分が1〜10個のオキシエチレン基を含むポリオキシエチレンモノアルキルエーテルを含む。粒子は、2〜40nmの平均直径を有する同位体の又は球状の粒子である。 [0035] Chane-Ching (U.S. Patent Application Publication No. 2004/0029978, abandoned on December 7, 2005) is amphiphilic and metal oxide, hydroxide and / or oxyhydroxide. A surfactant produced from at least one kind of nanoparticles based on an object is disclosed, and a hydrophobic organic chain is bonded to the surface of the nanoparticles. The metal is preferably selected from cerium, aluminum, titanium or silicon, the alkyl chain containing 6-30 carbon atoms or the alkyl chain containing 8-30 carbon atoms, and the polyoxyethylene moiety is 1-10. Polyoxyethylene monoalkyl ethers containing oxyethylene groups. The particles are isotope or spherical particles having an average diameter of 2 to 40 nm.

(0036) Blanchardら(米国特許出願公開第2006/0005465号明細書)は、少なくとも1種の希土類をベースとした少なくとも1種の化合物の粒子、少なくとも1種の酸及び少なくとも1種の希釈剤を含む有機コロイド分散系を開示しており、粒子の少なくとも90%が単結晶性である。実施例1には、酢酸セリウム並びにイソパール(Isopar)炭化水素混合物及びイソステアリン酸を含む有機相からの二酸化セリウムコロイド溶液の調製が記載されている。得られた二酸化セリウム粒子は、2.5nmのd50を有し、粒子の80%のサイズは1〜4nmであった。 (Blanchard et al., US 2006/0005465) discloses particles of at least one compound based on at least one rare earth, at least one acid and at least one diluent. An organic colloidal dispersion is disclosed that includes at least 90% of the particles are monocrystalline. Example 1 describes the preparation of a cerium dioxide colloidal solution from an organic phase comprising cerium acetate and an Isopar hydrocarbon mixture and isostearic acid. The resulting cerium dioxide particles have a d 50 of 2.5 nm, the size of 80% of the particles was 1 to 4 nm.

(0037) Zhouら(米国特許第7025943号明細書)は、二酸化セリウム結晶を製造するための方法を開示している。この方法は、水溶性セリウム塩の第1溶液をアルカリ金属又は水酸化アンモニウムの第2溶液と混合し、得られた反応物溶液を乱流条件下で撹拌し、同時にガス状酸素をこの溶液に通過させ、支配的な粒子サイズが3〜100nmの二酸化セリウム粒子を沈殿させることを含む。実施例1において、粒子サイズは約3〜5nmであると記載されている。安定剤には言及されておらず、ゾルは最終的には凝集し、沈降すると予想される。 [0037] Zhou et al. (US Pat. No. 7,025,943) discloses a method for producing cerium dioxide crystals. In this method, a first solution of a water-soluble cerium salt is mixed with a second solution of alkali metal or ammonium hydroxide, and the resulting reactant solution is stirred under turbulent conditions, while gaseous oxygen is added to the solution. Passing and precipitating cerium dioxide particles with a dominant particle size of 3 to 100 nm. In Example 1, the particle size is described to be about 3-5 nm. No mention is made of stabilizers, and the sol is expected to eventually aggregate and settle.

(0038) Sandfordら(国際公開第WO2008/002223号A2パンフレット)は、続いて焼成を行うことなく二酸化セリウムを直接生成する水性沈殿技法について記載している。3価のセリウムのカチオンCe+3はニトレートイオンによって、4価のセリウムのカチオンCe+4へとゆっくりと酸化され、酢酸を安定剤として使用すると、微結晶サイズが11nm(及び大体同じ結晶粒度)の安定した、凝集していないゾルが得られる。興味深いことに、EDTA及びクエン酸によって、数百ナノメートルオーダーの微結晶サイズの結晶粒が形成される。 [0038] Sandford et al. (WO 2008/002223 A2 pamphlet) describes an aqueous precipitation technique that directly produces cerium dioxide without subsequent calcination. The trivalent cerium cation Ce +3 is slowly oxidized by the nitrate ion to the tetravalent cerium cation Ce +4 , and when acetic acid is used as a stabilizer, the crystallite size is 11 nm (and roughly the same grain size). A stable, non-agglomerated sol. Interestingly, EDTA and citric acid form crystallite size grains on the order of several hundred nanometers.

(0039) James L.Woodhead(米国特許第4231893号明細書)は、Ce(OH)4(Ce+3を塩基中で過酸化物で処理することによって得られた)の酸処理によるセリアの水性分散系の調製を教示している。整粒データは提供されておらず、安定化に必要なpH1.5で考えられ得る安定剤はNO3 -アニオンである。 (0039) James L. Woodhead (US Pat. No. 4,231,893) teaches the preparation of an aqueous dispersion of ceria by acid treatment of Ce (OH) 4 (obtained by treatment of Ce +3 with peroxide in a base). doing. Sizing data has not been provided, stabilizers may be considered in pH1.5 required for regulation NO 3 - is an anion.

(0040) Nohら(米国特許出願公開第2004/0241070号明細書)は、単一結晶性二酸化セリウムナノ粉末を調製するための方法を開示している。この方法は、有機溶媒と水との溶媒混合物(好ましくは質量で約0.1:1〜約5:1の比)の存在下でセリウム塩を沈殿させることによって水酸化セリウムを調製し、この水酸化セリウムを熱水反応させることを含む。ナノ粉末は、約30〜300nmの粒子サイズを有する。 [0040] Noh et al (US 2004/0241070) discloses a method for preparing single crystalline cerium dioxide nanopowders. This method prepares cerium hydroxide by precipitating a cerium salt in the presence of a solvent mixture of an organic solvent and water (preferably in a ratio of about 0.1: 1 to about 5: 1 by weight). Including hydrothermal reaction of cerium hydroxide. The nanopowder has a particle size of about 30-300 nm.

(0041) Chan(米国特許出願公開第2005/0031517号明細書)は、二酸化セリウムナノ粒子を調製するための方法を開示しており、この方法は、硝酸セリウム水溶液をヘキサメチレンテトラミン水溶液と速やかに混合し、ここで温度は約320°K(46.85℃)以下の温度に維持され、一方、得られる混合物中ではナノ粒子が形成され、この形成されたナノ粒子を分離することを含む。混合装置は好ましくは機械的撹拌機及び遠心分離機を備える。説明のための実施例においては、調製された二酸化セリウム粒子が約12nmの直径を有すると報告されている。 [0041] Chan (US 2005/0031517) discloses a method for preparing cerium dioxide nanoparticles, which rapidly mixes an aqueous cerium nitrate solution with an aqueous hexamethylenetetramine solution. However, the temperature is maintained at a temperature of about 320 ° K. (46.85 ° C.) or less, while nanoparticles are formed in the resulting mixture, including separating the formed nanoparticles. The mixing device preferably comprises a mechanical stirrer and a centrifuge. In the illustrative examples, the prepared cerium dioxide particles are reported to have a diameter of about 12 nm.

(0042) Yingら(米国特許第6413489号及び第6869584号明細書)は、逆ミセル法による、凝集することのない100nm未満の粒子サイズ及び少なくとも20m2/gの表面積を有するナノ粒子の合成を開示している。この方法は、逆エマルションの存在下、バリウムアルコキシド及びアルミニウムアルコキシドを含むセラミック前駆体を導入することを含む。 (0042) Ying et al. (US Pat. Nos. 6,413,489 and 6,869,584) describe the synthesis of nanoparticles having a particle size of less than 100 nm and a surface area of at least 20 m 2 / g without agglomeration by the reverse micelle method. Disclosure. The method includes introducing a ceramic precursor comprising barium alkoxide and aluminum alkoxide in the presence of an inverse emulsion.

(0043) 関連する刊行物(Yingらの米国特許出願公開第2005/0152832号明細書)には、1〜40%の含水量を有するエマルション内での逆ミセル法による、凝集することのない100nm未満の粒子サイズを有するナノ粒子の合成が開示されている。ナノ粒子は好ましくは、炭化水素の酸化に使用可能な金属酸化物粒子である。 [0043] In a related publication (US Patent Application Publication No. 2005/0152832 to Ying et al.), 100 nm without agglomeration by reverse micelle method in an emulsion having a water content of 1-40%. The synthesis of nanoparticles having a particle size of less than is disclosed. The nanoparticles are preferably metal oxide particles that can be used for the oxidation of hydrocarbons.

(0044) Hanawaら(米国特許第5938837号明細書)は、主に研磨剤としての使用を意図した二酸化セリウム粒子を調製するための方法を開示している。この方法は、混合物のpH値が5〜10、好ましくは7〜9の範囲にあるような混合比で、硝酸第一セリウム水溶液を塩基(好ましくはアンモニア水溶液)と撹拌しながら混合し、次に得られた混合物を70〜100℃の温度にまで速やかに加熱し、硝酸第一セリウムと塩基との混合物をその温度で熟成させることによって結晶粒を形成することを含む。生成物である結晶粒はサイズ及び形状が一様であり、また10〜80nm、好ましくは20〜60nmの平均粒子サイズを有する。 [0044] Hanawa et al. (US Pat. No. 5,938,837) discloses a method for preparing cerium dioxide particles primarily intended for use as an abrasive. In this method, the aqueous cerium nitrate solution is mixed with a base (preferably an aqueous ammonia solution) with stirring at a mixing ratio such that the pH value of the mixture is in the range of 5-10, preferably 7-9, The method includes rapidly heating the resulting mixture to a temperature of 70 to 100 ° C. and ripening the mixture of cerous nitrate and base at that temperature to form crystal grains. The product crystal grains are uniform in size and shape, and have an average particle size of 10 to 80 nm, preferably 20 to 60 nm.

(0045〜0047) 欧州特許出願第EP0208580号(1987年1月14日に公開。発明者Chane−Ching、出願人Rhone Poulenc)明細書には、一般式:
Ce(M)x(OH)y(NO32
(式中、Mはアルカリ金属又は第4級アンモニウムラジカルを表し、xは0.01〜0.2であり、yはy=4−z+xとなるようなものであり、zは0.4〜0.7である)に対応するセリウム(IV)化合物が開示されている。セリウム(IV)化合物のコロイド分散系を調製するためのプロセスでは、約1〜約60nm、適切には約1〜約10nm、望ましくは約3〜8nmの流体力学的直径を有する粒子が製造される。
(0045-0047) European Patent Application No. EP 0208580 (published Jan. 14, 1987. Inventor Chane-Ching, applicant Rhone Poulenc).
Ce (M) x (OH) y (NO 3 ) 2
(Wherein M represents an alkali metal or quaternary ammonium radical, x is from 0.01 to 0.2, y is such that y = 4-z + x, and z is from 0.4 to Cerium (IV) compounds corresponding to 0.7) are disclosed. Processes for preparing colloidal dispersions of cerium (IV) compounds produce particles having a hydrodynamic diameter of about 1 to about 60 nm, suitably about 1 to about 10 nm, desirably about 3 to 8 nm. .

(0048) S.Sathyamurthyら(Nano Technology 16(2005),pp1960−1964)は、硝酸セリウムからのCeO2の逆ミセル合成について記載しており、水酸化ナトリウムを沈殿剤として使用し、また界面活性剤セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)及び補助界面活性剤(cosurfactant)1−ブタノールを含有するn−オクタンを油相として使用する。得られた多面体粒子は、3.7nmの平均サイズを有していたが、その保護的な逆ミセル構造体から分離すると凝集を示した。加えて、反応は低収率で進行すると予測される(反応物A、Bに関し、生成物が得られるABの衝突の数は、生成物が生成されないAA、BBの衝突と同程度である)。 (0048) S.E. Satyamurthy et al. (Nano Technology 16 (2005), pp 1960-1964) describe the reverse micelle synthesis of CeO 2 from cerium nitrate, using sodium hydroxide as the precipitating agent and the surfactant cetyltrimethylammonium bromide. N-octane containing (CTAB) and cosurfactant 1-butanol is used as the oil phase. The resulting polyhedral particles had an average size of 3.7 nm, but showed aggregation when separated from their protective reverse micelle structure. In addition, the reaction is expected to proceed in low yield (for reactants A and B, the number of AB collisions that yields the product is comparable to the collisions of AA and BB where no product is produced) .

(0049) Sealら(Journal of Nano Particle Research(2002),pp433−448)は、高温酸化耐性コーティング用のナノ結晶性セリア粒子の、硝酸セリウム及び水酸化アンモニウムからの調製について記載しており、この調製ではAOTを界面活性剤として、またトルエンを油相として含有する水性マイクロエマルション系を使用する。反応混合物の上部油相において形成されるセリアナノ粒子は、5nmの粒子サイズを有していた。 (0049) Seal et al. (Journal of Nano Particle Research (2002), pp 433-448) describes the preparation of nanocrystalline ceria particles for high temperature oxidation resistant coatings from cerium nitrate and ammonium hydroxide. In the preparation, an aqueous microemulsion system containing AOT as a surfactant and toluene as an oil phase is used. The ceria nanoparticles formed in the upper oil phase of the reaction mixture had a particle size of 5 nm.

(0050) Sealら(米国特許第7419516号明細書。その開示は参照により本願に組み込まれる)は、希土類金属酸化物、好ましくはセリアのナノ粒子の、煤煙を削減するための燃料添加剤としての使用について記載している。油相としてのトルエン及び界面活性剤としてのAOTを使用した逆ミセルプロセスによって調製される粒子は、約2〜7nmの直径を有し、平均直径は約5nmである。 (0050) Seal et al. (US Pat. No. 7,419,516, the disclosure of which is incorporated herein by reference) describes the use of rare earth metal oxides, preferably ceria nanoparticles, as fuel additives to reduce soot. Describes use. Particles prepared by the reverse micelle process using toluene as the oil phase and AOT as the surfactant have a diameter of about 2-7 nm and an average diameter of about 5 nm.

(0051) Pangら(J.Mater.Chem.,12(2002),pp3699−3704)は、油中水型マイクロエマルション法によってAl23ナノ粒子を調製した。シクロヘキサン及び非イオン性界面活性剤Triton X−114を含有する油相並びにl.0MのAlClO3を含有する水相を使用した。得られたAl23粒子(5〜15nmの粒子サイズを有していた)は、直接沈殿プロセスで形成されるサブミクロンサイズの中空ボール状粒子とは明らかに異なるように見えた。 (0051) Pang et al. (J. Mater. Chem., 12 (2002), pp 3699-3704) prepared Al 2 O 3 nanoparticles by a water-in-oil microemulsion method. An oil phase containing cyclohexane and the nonionic surfactant Triton X-114 and l. An aqueous phase containing 0M AlClO 3 was used. The resulting Al 2 O 3 particles (which had a particle size of 5-15 nm) appeared to be clearly different from the submicron sized hollow ball-like particles formed by the direct precipitation process.

(0052) Cuifら(米国特許第6133194号明細書。その開示は参照により本願に組み込まれる)は、セリウム、ジルコニウム又はこれらの混合物、塩基、任意の酸化剤及び添加剤(アニオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、ポリエチレングリコール、カルボン酸及びカルボキシレート塩から成る群から選択される)を含有する金属塩溶液を反応させることによって生成物を得ることを含むプロセスについて記載している。生成物は続いて、500℃より高い温度で焼成される(これによって主張の界面活性剤が効果的に炭化される)。 (0052) Cuif et al. (US Pat. No. 6,133,194, the disclosure of which is incorporated herein by reference) includes cerium, zirconium or mixtures thereof, bases, optional oxidizing agents and additives (anionic surfactants, Describes a process comprising obtaining a product by reacting a metal salt solution containing a nonionic surfactant, selected from the group consisting of polyethylene glycol, carboxylic acid and carboxylate salts. The product is subsequently calcined at a temperature above 500 ° C. (this effectively carbonizes the claimed surfactant).

(0053) 多くの著者が5nmよりはるかに小さいセリアナノ粒子について申し立てているものの、その結晶粒が本当に立方晶CeO2であって六方晶又は立方晶Ce23ではないと明確に実証するためのX線又は電子回折データは提示されていないことを理解すべきである。立方晶CeO2が極めて小さい結晶粒度で熱力学的に安定するとは考えられず、また結晶粒は実際には還元された、より安定した六方晶Ce23の形態ではないかという本質的な疑問が残る(S.Tsunekawa、R.Sivamohan、S.Ito、A.Kasuya及びT.Fukuda,Nanostructured Materials,vol.11,No.1,pp141−147(1999))。 [0053] Although many authors allege about ceria nanoparticles much smaller than 5 nm, to clearly demonstrate that the grains are really cubic CeO 2 and not hexagonal or cubic Ce 2 O 3 . It should be understood that no X-ray or electron diffraction data is presented. It is not believed that cubic CeO 2 is thermodynamically stable at very small grain sizes, and that the grains are actually in the form of reduced, more stable hexagonal Ce 2 O 3. Questions remain (S. Tsunekawa, R. Sivamohan, S. Ito, A. Kasuya and T. Fukuda, Nanostructured Materials, vol. 11, No. 1, pp 141-147 (1999)).

(0054) 「Structural Study on Monosize CeO2-x Nanoparticles」は特に、1.5.nm以下のCeO2の存在に疑問をなげかけている。 (0054) “Structural Study on Monosize CeO 2-x Nanoparticulars” is specifically described in 1.5. Questions are raised about the presence of sub-nm CeO 2 .

(0055〜0056) 極めて小さい結晶粒直径でのCe3+(ひいてはCe23)の存在に関する更なる証拠は、DesphandeらのApplied Physics Letters 87,133113(2005)に掲載された「Size Dependency Variation in Lattice Parameter and Valency States in Nano Crystalline Cerium Oxide」の論文にあり、Desphandeらは、格子定数における変化:Δa=a−a0(a0=5.43Å(CeO2中))と結晶の直径Dとの間の対数線形関係を発見した。以下の通りである。
〔式2〕(0057)
log Δa=−0.4763 logD−1.5029
(0055-0056) Further evidence for the presence of Ce 3+ (and thus Ce 2 O 3 ) at very small grain diameters is found in “Size Dependency Variation” published in Desphande et al., Applied Physics Letters 87, 133113 (2005). in Lattice Parameter and Valuency States in Nano Crystalline Ceria Oxide, Deshande et al., change in lattice constant: Δa = a−a 0 (a 0 = 5.43 Å (in CeO 2 )) and crystal diameter D. We found a log-linear relationship between and. It is as follows.
[Formula 2] (0057)
log Δa = −0.4763 log D−1.5029

(0058) したがって、結晶粒直径が10nmの場合は、格子歪み又は格子定数における0.0101Å又は1.91%の変化が起き、結晶粒直径が1nmの場合は、0.031Å又は5.73%の変化が起きる。 Accordingly, when the crystal grain diameter is 10 nm, a change of 0.0101% or 1.91% in the lattice distortion or lattice constant occurs, and when the crystal grain diameter is 1 nm, 0.031% or 5.73%. Changes occur.

(0059) 式1で表される、CeO2が触媒的な酸素吸蔵材料として作用可能な程度は、CeO2の粒子サイズによって一部左右される。粒子サイズが20nm以下の場合、格子パラメータは劇的に上昇し、微結晶サイズは低下する(6nmで最高0.45%。例えば、ZhangらのApplied Physics Letters,80 1,127(2002)を参照のこと)。関連するサイズに起因する結晶歪みには表面の酸素空孔の増加が伴い、結果的に触媒活性が強化される。この逆サイズ依存性の活性によって、より効率的な燃料タンクだけではなく、石油燃料の燃焼に使用した場合により良好な酸化特性が得られる。 (0059) represented by formula 1, the degree operable CeO 2 as a catalytic oxygen storage material is guided in part by the particle size of CeO 2. For grain sizes below 20 nm, the lattice parameters increase dramatically and the crystallite size decreases (up to 0.45% at 6 nm. See, eg, Zhang et al. Applied Physics Letters, 80 1, 127 (2002). ) Crystal distortion due to the associated size is accompanied by an increase in surface oxygen vacancies, resulting in enhanced catalytic activity. This inverse size-dependent activity provides not only more efficient fuel tanks but also better oxidation characteristics when used for petroleum fuel combustion.

(0060) 上述したように、セリウムナノ粒子の調製に関しては様々な方法及び装置が報告されており、Chane−Chingらの米国特許第5017352号明細書、Hanawaらの米国特許第5938837号明細書、Melardらの米国特許第4786325号明細書、Chopinらの米国特許第5712218号明細書、Chanの米国特許出願公開第2005/0031517号明細書及びZhouらの米国特許第7025943号明細書に記載されるものが含まれ、これらの文献の開示は、参照により本願に組み込まれる。しかしながら、現行の方法では、立方晶CeO2ナノ粒子の経済的で容易(すなわち、焼成しない)且つわかりやすい調製を、高収率、短時間、極めて高い懸濁密度(0.5モルより高い。すなわち、十分に小さいサイズで9質量%(平均幾何学的直径で5nm未満)、一様な粒径分布(25%未満の変動係数[COV]。COVは、標準偏差を平均直径で割ったものである)及び多くの望ましい応用例に関して安定的に行うことができない。加えて、結晶性(すなわち、上記の従来技術及び技術文献で教示されているような様々なサイズの微結晶の凝集体ではなく単一の結晶)の粒子を製造することが極めて望ましい。 [0060] As mentioned above, various methods and apparatus have been reported for the preparation of cerium nanoparticles, such as Chane-Ching et al. US Pat. No. 5,017,352, Hanawa et al. US Pat. No. 5,938,837, Melard. U.S. Pat. No. 4,786,325, Chopin et al. U.S. Pat. No. 5,712,218, Chan U.S. Patent Application Publication No. 2005/0031517, and Zhou et al. U.S. Pat. No. 7,025,943. The disclosures of these documents are incorporated herein by reference. However, current methods produce an economical, easy (ie, non-calcined) and straightforward preparation of cubic CeO 2 nanoparticles in a high yield, short time, very high suspension density (greater than 0.5 moles). 9% by weight in sufficiently small size (average geometric diameter less than 5 nm), uniform particle size distribution (coefficient of variation [COV] less than 25%. COV is the standard deviation divided by the average diameter. In addition to crystallinity (ie, not agglomerates of various sizes of microcrystals as taught in the prior art and technical literature above). It is highly desirable to produce single crystal) particles.

(0061) 実質的に純粋な二酸化セリウムのナノ粒子を燃料添加剤に含めることは有益であるが、より多くの酸素空孔の形成をもたらす成分をドープした二酸化セリウムの使用は更に有益となり得る(式1)。このためには、ドーパントイオンが2価又は3価であるべきであり、すなわち希土類金属、遷移金属又は周期表のIIA、IIIB、VB又はVIB族の金属である元素の2価又は3価のイオンである。これらの低い原子価のカチオンを使用した結晶の電荷的中性に関する要件によって式1の反応は右に向かう。すなわち、より多くの酸素空孔が形成される。イオン半径がCe+4(八面体構成で0.97Å)より小さい金属ドーパントイオンも酸素空孔形成に役立つ。これはこのプロセスによって2つの隣接するCe+4イオン(1つは表面、もう1つは表面下)がCe+3に還元され、Ce+3の結果的に大きくなるイオン半径(1.143Å)によって格子が膨張して格子歪みが引き起こされるからである。このため、Zr+4(イオン半径0.84Å)又はCu+2(6配位の8面体構成のイオン半径は0.73Åであり、4配位の4面体の場合は0.57Åである)で置換するとこの格子歪みが若干緩和される。加えて、Zrによって、(一方が表面、もう一方が表面下ではなく)2つの隣接した表面Ce+3種が形成され、これはイオンの約50%が表面イオンである極めて小さい粒子にとって重要となり得る。このため、ドーパントが通常の格子位置間の空間を占める格子間イオンドーピングより置換型イオンドーピングのほうが好ましいことがわかる。 [0061] While it is beneficial to include substantially pure cerium dioxide nanoparticles in the fuel additive, the use of cerium dioxide doped with components that result in the formation of more oxygen vacancies can be further beneficial ( Formula 1). For this purpose, the dopant ion should be divalent or trivalent, i.e. a divalent or trivalent ion of an element which is a rare earth metal, a transition metal or a metal of group IIA, IIIB, VB or VIB of the periodic table. It is. The reaction of Formula 1 goes to the right due to the requirements regarding the charge neutrality of the crystals using these low valent cations. That is, more oxygen vacancies are formed. Metal dopant ions whose ionic radii are smaller than Ce +4 (0.97 で in octahedral configuration) also help to form oxygen vacancies. This is because this process reduces two adjacent Ce +4 ions (one on the surface and one below the surface) to Ce +3 , resulting in a larger ion radius (1.143 Å) of Ce +3 This is because the lattice expands to cause lattice distortion. For this reason, Zr +4 (ion radius 0.84 Å) or Cu +2 (the ionic radius of the hexacoordinate octahedral configuration is 0.73 あ り and 0.57 場合 in the case of tetracoordinate tetrahedra) This lattice distortion is slightly relieved by replacing with. In addition, Zr forms two adjacent surface Ce +3 species (one surface, not the other), which is important for very small particles where about 50% of the ions are surface ions. obtain. For this reason, it turns out that substitution type ion doping is more preferable than interstitial ion doping in which a dopant occupies a space between normal lattice positions.

(0062) この考察を行うにあたって、ドーピングと格子操作(lattice−engineered)結晶とを区別する必要がある。半導体物理学において、ドーピングと言う用語は、100万分の1の割合で存在するn又はpタイプの不純物のことである。発明者は、ドープ結晶(doped crystal)という用語を、濃度2モルパーセント(20000ppm)未満で存在する1種以上の金属ドーパントイオンを有する結晶に言及する場合に使用する。一方、格子操作結晶は、20000ppmより高く最高800000ppm(又はセリウム副格子の80%)の濃度でCeO2結晶内に存在する1種以上の金属ドーパントイオンを有し得る。このため、格子操作二酸化セリウム結晶が、セリウムを少量の金属成分として有する場合もある。 [0062] In making this consideration, it is necessary to distinguish between doping and lattice-engineered crystals. In semiconductor physics, the term doping refers to an n- or p-type impurity present at a ratio of 1 part per million. The inventors use the term doped crystal when referring to a crystal having one or more metal dopant ions present at a concentration of less than 2 mole percent (20000 ppm). On the other hand, the lattice engineered crystal may have one or more metal dopant ions present in the CeO 2 crystal at a concentration higher than 20000 ppm and up to 800000 ppm (or 80% of the cerium sublattice). For this reason, lattice-operated cerium dioxide crystals may have cerium as a small amount of metal component.

(0063) イオン輸送、反応効率及びその他の性質を改善するための金属イオンでの二酸化セリウムのドーピングは、例えばH.L.Tuller及びA.S.Nowickの「Doped Ceria as a Solid Oxide Electrolyte」(J.Electrochem Soc.,1975,122(2),255)、M.R.DeGuireらの「Point Defect Analysis and Microstructural Effects in Pure and Donor Doped Ceria」(Solid State Ionics,1992,52,155)及びParthasarathi Bera、S.T.Aruna、K.C.Patil及びM.S.Hegdeの「Studies on Cu/CeO2:A New NO Reduction Catalyst」(Journal of Catalysis,186,36−44(1999)に記載されている。得られる電子拡散性及び酸素拡散性へのドーパント効果は、Trovarelliの「Catalysis by Ceria and Related Materials」(Catalytic Science Series,World Scientific Publishing Co.,37−46(2002))及びこの中で引用されている参考文献に記載されている。 [0063] Doping of cerium dioxide with metal ions to improve ion transport, reaction efficiency and other properties is described, for example, in H.C. L. Tuller and A.M. S. Nowick, “Doped Ceria as a Solid Oxide Electrolyte” (J. Electrochem Soc., 1975, 122 (2), 255), M.C. R. DeGuire et al., "Point Defect Analysis and Microstructural Effects in Pure and Donor Doped Ceria" (Solid State Ionics, 1992, 52, 155) and PartazaaraSathiBath. T. T. et al. Aruna, K .; C. Patil and M.M. S. Hegde's “Studies on Cu / CeO 2 : A New NO Reduction Catalyst” (Journal of Catalysis, 186, 36-44 (1999). The resulting dopant effects on electron diffusivity and oxygen diffusivity are: Described in Trovalelli's “Catalysis by Ceria and Related Materials” (Catalytic Science Series, World Scientific Publishing Co., 37-46 (2002)) and references cited therein.

(0064) Trovarelliらは、Catalysis Today,43(1998),79−88において、界面活性剤を利用したアプローチによる、組成均質性が極めて良好なセリア/ジルコニア混合酸化物の調製について論じている。723°K(449.85℃)での組成物の焼成後、高比表面積230m2/gが得られる。しかしながら、比表面積が40m2/g(直径は〜20mm)に低下すると、1173°K(899.85℃)で焼結が起こる。 [0064] Trovarielli et al., In Catalysis Today, 43 (1998), 79-88, discusses the preparation of ceria / zirconia mixed oxides with very good compositional homogeneity by a surfactant-based approach. After firing the composition at 723 ° K. (449.85 ° C.), a high specific surface area of 230 m 2 / g is obtained. However, when the specific surface area is reduced to 40 m 2 / g (diameter ˜20 mm), sintering occurs at 1173 ° K. (899.85 ° C.).

(0065) パルス中性子回折技法は、E.Mamontovらによって(J.Phys.Chem.B 2000,104,1110−1116)、セリア及びセリア/ジルコニア固溶体を研究するために使用された。これらの研究によって初めて、空孔/格子間酸素欠陥の濃度と酸素吸蔵能力との間の相関関係が実証された。E.Mamontovらは、Zrで支援した酸素欠陥の維持が、熱劣化に応じたOSCの低下を改善するために必要であると主張している。ZrO2は30.5モル%で存在し、焼成された粒子は、約40nmの直径を有していた(BET表面積測定に基づく)。 (0065) The pulsed neutron diffraction technique is described in E.I. Used by Mamontov et al. (J. Phys. Chem. B 2000, 104, 1110-1116) to study ceria and ceria / zirconia solid solutions. For the first time, these studies demonstrated a correlation between the concentration of vacancies / interstitial oxygen defects and oxygen storage capacity. E. Mamontov et al. Argue that Zr-assisted maintenance of oxygen vacancies is necessary to improve OSC degradation in response to thermal degradation. ZrO 2 was present at 30.5 mol% and the calcined particles had a diameter of about 40 nm (based on BET surface area measurements).

(0066) Z.Yangらは、Journal of Chemical Physics(2006),124(22),224704/(1−7)において、第1原則から、密度汎関数理論を利用して、酸素空孔はZr中心付近で最も容易に形成されることから、これらの中心が空孔クラスタリングのための核形成部位としての役割を果たすと予測した。放出された酸素は2つの電子を、空孔に近接するCe+4中心に供与し、2つのCe+3中心が得られる。 (0066) Z. Yang et al., In Journal of Chemical Physics (2006), 124 (22), 224704 / (1-7), from the first principle, using oxygen density functional theory, oxygen vacancies are most easily near the Zr center. It was predicted that these centers would serve as nucleation sites for hole clustering. The released oxygen donates two electrons to the Ce +4 center close to the vacancies, and two Ce +3 centers are obtained.

(0067) R.Wangらは、J.Chem.Phys.B,2006,110,18278−18285において、噴霧凍結技法とそれに続く焼成によって形成されたCe0.5Zr0.52におけるZrの空間分布を調査した。R.Wangらは、粒子サイズ範囲が5.4〜25nmの粒子におけるCeが豊富なコアとZrが豊富なシェルを特徴とする粒子のナノスケール不均質性が、酸化還元活性がより高い材料に関連していることを発見した。この発見は、Zr及びCeの均質な分布が活性の低下をもたらし好ましくないことを示唆している。 (0067) R.A. Wang et al. Chem. Phys. B, 2006, 110, 18278-18285 investigated the spatial distribution of Zr in Ce 0.5 Zr 0.5 O 2 formed by spray freezing technique followed by calcination. R. Wang et al. Have reported that the nanoscale heterogeneity of particles characterized by a Ce-rich core and Zr-rich shell in particles with a particle size range of 5.4-25 nm is related to materials with higher redox activity. I found out. This finding suggests that a homogeneous distribution of Zr and Ce results in decreased activity and is undesirable.

(0068) S.Bedraneらは、Catalysis Today,75,1−4,401−405(2002年7月)において、11種類の貴金属(貴金属=Rh、Pt、Rd、Ru、Ir)をドープしたセリア(CeO2)及びセリア/ジルコニア(Ce0.63Zr0.372)組成物の酸素吸蔵能力を測定した(式1)。S.Bedraneらは、Ce/Zr材料が、貴金属濃度からほぼ独立し且つ貴金属をドープしたCeだけの材料より2〜4倍高いOSCを有するレベリング効果を観察している。 (0068) S.M. Bedrane et al., Catalysis Today, 75, 1-4, 401-405 (July 2002), doped ceria (CeO 2 ) doped with 11 types of noble metals (noble metals = Rh, Pt, Rd, Ru, Ir) and The oxygen storage capacity of the ceria / zirconia (Ce 0.63 Zr 0.37 O 2 ) composition was measured (Formula 1). S. Bedrane et al. Have observed a leveling effect in which the Ce / Zr material has an OSC that is approximately independent of the noble metal concentration and is 2-4 times higher than the noble metal doped Ce-only material.

(0069) H.Sparksら(Nanophase Technologies,Corp.)は、気相合成を利用して、希土類酸化物のナノ材料と混合したセリアを製造した(Mat.Res.Soc.Symp.Proc.,Vol.788,2004)。H.Sparksらは、Zrをドープしたセリア(1:1)に関して、ナノ結晶性粒子サイズの熱安定性の向上及びOSCにおける上昇を観察している。しかしながら、La又はPrをZr組成物に更に添加すると、セリアだけの場合よりは良いものの、ジルコニウムだけをセリアと組み合わせた場合より悪かった。報告された比表面積より、600℃で粒子サイズは10nmであると推測可能であり、この粒子サイズは1050℃で40nmにまで上昇する。 (0069) H. Sparks et al. (Nanophase Technologies, Corp.) used gas phase synthesis to produce ceria mixed with rare earth oxide nanomaterials (Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 788, 2004). . H. Sparks et al. Observed an increase in nanocrystalline particle size thermal stability and an increase in OSC for ceria doped with Zr (1: 1). However, adding more La or Pr to the Zr composition was better than using ceria alone, but worse than combining only zirconium with ceria. From the reported specific surface area, it can be inferred that the particle size is 10 nm at 600 ° C., and this particle size increases to 40 nm at 1050 ° C.

(0070) ディーゼル煤煙の燃焼における、Zr及びFeをドープしたCeO2の触媒作用は、Aneggiらによって(Catalysis Today,114(2006),40−47)調査された。Aneggiらは、Zrによって純粋なセリアの熱安定性及びOSCが向上するとの事実を再度表明し、またFe23によってより良好な新たな結果が得られることを発見したが、Fe23では焼成後に活性に最終的に損失があった。Zr及びFeを伴ったZrにおける極めて体系的なレベル系が調査された。約21nmのこれらの焼成粒子に関する結晶学的データを含む。Aneggiらは、ナノ粒子比表面積閾値35m2/gm(24nm未満の直径に対応する)を求めた。新しい触媒の活性、時間が経過した触媒の活性に変化はなかった。 [0070] The catalytic action of Zr and Fe doped CeO 2 in the combustion of diesel soot was investigated by Aneggi et al. (Catalysis Today, 114 (2006), 40-47). Aneggi et al. Again reiterated the fact that Zr improves the thermal stability and OSC of pure ceria, and found that Fe 2 O 3 gives better new results, but Fe 2 O 3 Then there was a final loss in activity after firing. A very systematic level system in Zr with Zr and Fe was investigated. Includes crystallographic data for these calcined particles of about 21 nm. Aneggi et al. Determined a nanoparticle specific surface area threshold of 35 m 2 / gm (corresponding to a diameter of less than 24 nm). There was no change in the activity of the new catalyst, the activity of the catalyst over time.

(0071) 銅系の触媒系も大いに注目されている。3〜5原子パーセントのCu/CeO2の極めて徹底した構造解析において、M.S.Hegdeらは(Chem.Mater.2002,14,3591−3601)、Cuが、Ce1-xCux2の独特の固溶体を形成し、別個のCuO相が形成されないことを実証した。燃焼合成によって形成されたこれらの50nmの凝集結晶粒において、Cuは+2であり、CuO中のCuより遥かに触媒的に活性が高い。更に、酸素イオン空孔が、Cu+2カチオン周囲に形成される。 [0071] Copper-based catalyst systems are also attracting much attention. In a very thorough structural analysis of 3-5 atomic percent Cu / CeO 2 , S. Hegde et al. (Chem. Mater. 2002, 14, 3591-3601) demonstrated that Cu forms a unique solid solution of Ce 1-x Cu x O 2 and no separate CuO phase is formed. In these 50 nm aggregated grains formed by combustion synthesis, Cu is +2, which is much more catalytically active than Cu in CuO. In addition, oxygen ion vacancies are formed around the Cu +2 cations.

(0072) A.Martinex−Ariasらは、J.Phys.Chem.B,2005,109,19595−19603において、Ce1-xCux2ホタル石タイプのナノ粒子(x=0.05、0.1、0.2)の還元が可逆的であり、またCuの酸化状態が、その通常時(+1又は+2)より高いことを発見した。ドーパントは、酸化物副格子中のこれらの〜6nm粒子において大きな格子歪みを誘発し、これが酸素空孔の形成を促進した。逆マイクロエマルション法及びそれに続く500℃での焼成を利用してこれらの材料が調製された。 (0072) A. Martinex-Arias et al. Phys. Chem. B, 2005, 109, 19595-19603, the reduction of Ce 1-x Cu x O 2 fluorite-type nanoparticles (x = 0.05, 0.1, 0.2) is reversible, and Cu Was found to be higher than its normal state (+1 or +2). The dopant induced large lattice distortions in these ˜6 nm particles in the oxide sublattice, which promoted the formation of oxygen vacancies. These materials were prepared utilizing the inverse microemulsion method followed by calcination at 500 ° C.

(0073) 鉄は、CeO2ナノ粒子により高い触媒活性を付与した別の金属イオンである。I.Melian−Cabreraらは、Journal of Catalysis,239,2006,340−346において、より高い活性(ドープしていない材料と比較)及びセリウムと酸化鉄との50/50組成物でのN2Oの最適な触媒分解(酸素限定反応)について報告している。Feをドープしたセリアは、直径が30nm範囲の粒子を形成する共沈法によって形成される。 (0073) Iron is another metal ions imparted with high catalytic activity by CeO 2 nanoparticles. I. Melian-Cabrera et al., In Journal of Catalysis, 239, 2006, 340-346, are more active (compared to undoped materials) and optimal for N 2 O in a 50/50 composition of cerium and iron oxide. Report on catalytic decomposition (oxygen-limited reaction). The ceria doped with Fe is formed by a coprecipitation method in which particles having a diameter of 30 nm are formed.

(0074) T.Campenon及びその同僚は、SAE special publication SP 2004,SP−1860の「Diesel Exhaust Emission Control」において、鉄をドープしたセリアを使用することによって、ディーゼル微粒子フィルタにおける灰の蓄積を制御している。 (0074) T.W. Campenon and colleagues control ash accumulation in diesel particulate filters by using iron-doped ceria in “Diesel Exhaust Emission Control” of SAE special publication SP 2004, SP-1860.

(0075) R.Hu及びその同僚は、Shiyou Huagong(2006),35(4),319−323において、固相ミル粉砕(milling)技法とそれに続く様々な高温での焼成によって形成されるFeをドープした二酸化セリウムを調査した。鉄をドープすることによって、メタン燃焼に関する触媒活性は改善され、同時に粒子サイズは低下した。 (0075) R.M. Hu and colleagues in Shiyou Huagang (2006), 35 (4), 319-323 described Fe-doped cerium dioxide formed by solid-phase milling techniques followed by various high-temperature firings. investigated. Doping with iron improved the catalytic activity for methane combustion while reducing the particle size.

(0076) 米国特許出願公開第2005/0152832号明細書の説明のための実施例9及び10にはそれぞれ、セリウムをドープしたバリウムヘキサアルミネート粒子及びセリウムで被覆したバリウムヘキサアルミネート粒子の調製が記載されている。実施例13には、セリウムで被覆された粒子を使用したメタンの酸化が記載されている。 [0076] Examples 9 and 10 for illustration of US Patent Application Publication No. 2005/0152832 include preparation of cerium-doped barium hexaaluminate particles and cerium-coated barium hexaaluminate particles, respectively. Have been described. Example 13 describes the oxidation of methane using cerium-coated particles.

(0077) Talbotら(米国特許第6752979号明細書。その開示は参照により本願に組み込まれる)は、ナノサイズの結晶粒を有する金属酸化物粒子を製造する方法について記載しており、この方法は、1種以上の金属カチオンを含有する溶液を界面活性剤と、溶液内で界面活性剤のミセルが形成されるような条件下で混合することによってミセル液体を生成し、このミセル液体を加熱することによって界面活性剤を除去し、また不規則な細孔構造を有する金属酸化物粒子を形成することから成る。金属カチオンは、周期表の1A、2A、3A、4A、5A及び6A族、遷移金属、ランタニド、アクチニド並びにこれらの混合物のカチオンから成る群から選択される。二酸化セリウムの粒子、セリウム及び1種以上のその他の金属を含有する混合酸化物の粒子の調製も、この説明のための実施例に含まれている。 (0077) Talbot et al. (US Pat. No. 6,752,797, the disclosure of which is incorporated herein by reference) describes a method for producing metal oxide particles having nano-sized grains, A solution containing one or more metal cations is mixed with a surfactant under conditions such that surfactant micelles are formed in the solution to produce a micellar liquid, and the micelle liquid is heated. By removing the surfactant and forming metal oxide particles having an irregular pore structure. The metal cation is selected from the group consisting of cations of groups 1A, 2A, 3A, 4A, 5A and 6A of the periodic table, transition metals, lanthanides, actinides and mixtures thereof. The preparation of mixed oxide particles containing cerium dioxide particles, cerium and one or more other metals is also included in the illustrative examples.

(0078) 米国特許第6413489号及び第6869584号明細書(その開示は参照により本願に組み込まれる)の説明のための実施例9には、エマルション混合物中に硝酸セリウムを含めることによってセリウムをドープしたバリウムヘキサアルミネート粒子を調製することが記載されている。この粒子は凍結乾燥によって回収され、空気下で500〜800℃にまで焼成された。得られた粒子は、500℃で5nm未満、800℃で7nm未満の結晶粒サイズを有していた。説明のための実施例10には、セリウムで被覆されたバリウムヘキサアルミネート粒子の合成が記載されている。焼成後、セリウムで被覆された粒子は、500℃、800℃及び1100℃で、それぞれ4nm未満、6.5nm未満及び16nm未満の結晶粒サイズを有していた。 Example 9 for illustration of US Pat. Nos. 6,413,589 and 6,869,584, the disclosure of which is incorporated herein by reference, was doped with cerium by including cerium nitrate in the emulsion mixture. The preparation of barium hexaaluminate particles is described. The particles were recovered by lyophilization and fired to 500-800 ° C. under air. The resulting particles had a grain size of less than 5 nm at 500 ° C. and less than 7 nm at 800 ° C. Illustrative Example 10 describes the synthesis of barium hexaaluminate particles coated with cerium. After firing, the cerium coated particles had grain sizes of less than 4 nm, less than 6.5 nm and less than 16 nm at 500 ° C., 800 ° C. and 1100 ° C., respectively.

(0079) Wakefield(米国特許第7169196号B2明細書。その開示は参照により本願に組み込まれる)は、希土類金属、遷移金属又は周期表のIIa、IIIB、VB若しくはVIB族の金属である、2価若しくは3価の金属又はメタロイドをドープした二酸化セリウム粒子を含む燃料について記載している。銅が、好ましいドーパントとして開示されている。 Wakefield (US Pat. No. 7,169,196 B2, the disclosure of which is incorporated herein by reference) is a divalent metal that is a rare earth metal, transition metal, or group IIa, IIIB, VB or VIB metal of the periodic table Alternatively, a fuel containing cerium dioxide particles doped with a trivalent metal or metalloid is described. Copper is disclosed as a preferred dopant.

(0080) Oji Kunoは、米国特許第7384888号B2明細書において(その開示は参照により本願に組み込まれる)、セリアのコア及びジルコニアのシェルから成る、改善された高温安定性及び安定したOSCを有するセリウム/ジルコニウム複合金属酸化物について記載している。しかしながら、炭化水素及び一酸化炭素の酸化に関して10〜20%の改善された触媒活性を示すこの材料の調製には700℃での焼成を必要とする。5〜20nmの粒子の申し立てを裏付ける整粒データはなく、OSCの直接の測定結果も示されてはおらず、コア/シェル形状であるとの主張を裏付ける分析データはない。 [0080] Oji Kuno has improved high temperature stability and stable OSC consisting of a ceria core and a zirconia shell in US Pat. No. 7,384,888 B2, the disclosure of which is incorporated herein by reference. The cerium / zirconium composite metal oxide is described. However, preparation of this material exhibiting improved catalytic activity of 10-20% for the oxidation of hydrocarbons and carbon monoxide requires calcination at 700 ° C. There is no sizing data to support the claims of 5-20 nm particles, no direct OSC measurement results are shown, and there is no analytical data to support the claim of core / shell shape.

(0081) 直径10nm以下のナノ粒子に関し、このような小さい粒子に金属イオンドーパントを取り込めるのかという疑問を呈する複数の懸念事項がある。例えば、8.1nmの粒子は、表面に10%未満のCeイオンを有し、2.7nmの粒子(各辺に0.54nm/単位胞x5単位胞)は表面に500個のCeイオンの46.6%を有する。表面イオンは、格子に1/2(面の場合)又は1/8(角)で取り込まれる。したがって、その結合エネルギーは実質的に低下し、その配位要件は満たされない。(半導体)ナノ結晶のドーピングに関連した困難な点は、NorrisらによってScience,319,March28,2008において論じられている。結晶対溶液におけるドーパントの比溶解度、ドーパントの格子内への拡散性、その形成エネルギー、置き換えられるイオンに対するサイズ及び価数、吸着した表面安定剤によって課せられ得る動力学的障壁等の特徴は全て、ドーパント金属イオンがこれらの寸法のナノ結晶に(取り込まれる場合に)取り込まれ得る程度を決定する役割を果たす。 [0081] Regarding nanoparticles with a diameter of 10 nm or less, there are multiple concerns that raise the question of whether such small particles can incorporate metal ion dopants. For example, 8.1 nm particles have less than 10% Ce ions on the surface, and 2.7 nm particles (0.54 nm / unit cell × 5 unit cells on each side) have 46 Ce of 46 Ce ions on the surface. .6%. Surface ions are incorporated into the lattice at 1/2 (in the case of faces) or 1/8 (corners). Therefore, its binding energy is substantially reduced and its coordination requirement is not met. Difficulties associated with doping (semiconductor) nanocrystals are discussed by Norris et al. In Science, 319, March 28, 2008. Features such as the specific solubility of the dopant in the crystal-to-solution, the diffusivity of the dopant into the lattice, its formation energy, the size and valence for the displaced ions, the kinetic barriers that can be imposed by the adsorbed surface stabilizer, etc. It serves to determine the extent to which dopant metal ions can be incorporated (if incorporated) into nanocrystals of these dimensions.

(0082) 上述したばかりの参考文献から、ドーピング作業の大部分が比較的大きい粒子サイズ(20nm程度)で行われており、また最初のセリウム/金属ドーパント混合物の焼成又はミセル合成(大規模な材料製造にすぐには役立たないプロセス)のいずれかによって行われたことは明らかである。10nm未満のサイズの粒子について記載している文献において、結晶学的形態は明らかにされておらず、またドーパントが取り込まれたとの決定的な証拠も示されてはいない。 [0082] From the references just mentioned, most of the doping work is done with relatively large particle sizes (around 20 nm), and the first cerium / metal dopant mixture firing or micelle synthesis (large scale materials) Obviously, it was done by any of the processes that were not immediately useful in manufacturing. In the literature describing particles less than 10 nm in size, the crystallographic morphology is not revealed and there is no definitive evidence that the dopant has been incorporated.

(0083) このため、極めて小さなナノ粒子(直径約10nm未満)に関して、焼成を必要としない(500℃以上)容易なやり方で、幅広い金属ドーパントイオンを立方晶CeO2のセリウム副格子に速やかに取り込み、また別々に核形成されたドーパント金属酸化物結晶粒の製造に対立するものとしての取り込みを明確に実証する必要がある。セリアの単一結晶粒子は独特であることから、セリアの金属で格子操作された変形も同様に独特なものになる。加えて、これらの材料を経済的なやり方で比較的短時間で流通用に大量に製造することが望ましい。 Therefore, for very small nanoparticles (less than about 10 nm in diameter), a wide range of metal dopant ions can be rapidly incorporated into the cerium sublattice of cubic CeO 2 in an easy manner that does not require firing (above 500 ° C.). Also, it is necessary to clearly demonstrate the uptake as opposed to the production of separately nucleated dopant metal oxide grains. Because ceria single crystal grains are unique, deformations that are latticed with ceria metal are also unique. In addition, it is desirable to manufacture these materials in large quantities for distribution in a relatively short time in an economical manner.

(0084) 二酸化セリウムの調製に使用し得る典型的な化学反応器は、ミキサーを備える反応チャンバを含む(例えば、Zhouらの米国特許第7025943号明細書の図1を参照のこと。その開示は参照により本願に組み込まれる)。ミキサーは典型的には、シャフト、このシャフトに取り付けられたプロペラ又はタービンブレード及びシャフトを回転させるモータを備え、プロペラは高速(1000〜5000rpm)で回転させられる。シャフトは、良好なメソ混合(ミクロ規模)のためにフラットブレードタービンを、マクロ混合(反応器全体に亘って流体を送り出す)のために傾斜ブレードタービンを駆動可能である。 [0084] A typical chemical reactor that may be used to prepare cerium dioxide includes a reaction chamber with a mixer (see, eg, FIG. 1 of Zhou et al. US Pat. No. 7,025,943, the disclosure of which is hereby incorporated by reference). Incorporated herein by reference). A mixer typically includes a shaft, a propeller or turbine blade attached to the shaft and a motor that rotates the shaft, and the propeller is rotated at high speed (1000-5000 rpm). The shaft can drive flat blade turbines for good mesomixing (microscale) and tilted blade turbines for macromixing (pumping fluid across the reactor).

(0085) このような装置は、Antoniadesの米国特許第6422736号明細書(その開示は参照により本願に組み込まれる)に記載されている。記載の反応器は、以下の反応式によって示されるような高速反応に有用である。反応式において、生成物であるAgClは、数百ナノメートルから最高数千ナノメートルオーダーの直径を有する結晶性材料である。
〔式3〕(0086)
AgNO3+NaCl → AgCl+NaNO3
[0085] Such an apparatus is described in US Pat. No. 6,422,736 to Antoniades, the disclosure of which is incorporated herein by reference. The described reactor is useful for fast reactions as shown by the following reaction equation. In the reaction formula, the product AgCl is a crystalline material having a diameter on the order of several hundred nanometers up to several thousand nanometers.
[Formula 3] (0086)
AgNO 3 + NaCl → AgCl + NaNO 3

(0087) このタイプの混合を利用して調製される二酸化セリウム粒子は、特定の用途には大きすぎて有用とはならないことが多い。可能な限り小さい二酸化セリウム粒子を得ることが極めて望ましい。これは、二酸化セリウム粒子の触媒性向(すなわち、燃焼系に酸素を供与する能力。式1を参照のこと)が、粒子サイズの低下に従って、特には10nm未満の平均直径を有する粒子に関して上昇するからである。 [0087] Cerium dioxide particles prepared using this type of blend are often too large to be useful for certain applications. It is highly desirable to obtain as small a cerium dioxide particle as possible. This is because the catalytic propensity of cerium dioxide particles (ie, the ability to donate oxygen to the combustion system, see Equation 1) increases with decreasing particle size, especially for particles having an average diameter of less than 10 nm. It is.

(0088) 国際出願第PCT/US2007/077545号(METHOD OF PREPARING CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLES)(2007年9月4日に出願)には、1.5nmに達するCeO2ナノ粒子を高い収率及び極めて高い懸濁密度で製造可能な混合装置が記載されている。反応器は、反応物を添加するための投入口、プロペラ、シャフト及び混合用のモータを備える。反応混合物は反応器槽に入れられる。反応物(硝酸セリウム、酸化剤、水酸化物イオン等)を槽に加えることによってCeO2ナノ粒子が形成され得て、このナノ粒子は最初は極めて小さい核として形成される。混合は核の円運動を引き起こし、反応混合レジームを通じて連続的に円運動を行うにつれて核は成長(直径の増大)するが、これは核が新しい反応物を取り込むからである。このため、最初に定常状態濃度の核が形成されると、この核は続いてより大きい粒子へと成長し続ける。この成長期を終了させるために結晶粒成長抑制剤を使用しない限り、高い粒子懸濁密度を依然として維持しつつ粒子の最終的なサイズを制限したい場合、この核形成及び成長プロセスは望ましくない。 International Application No. PCT / US2007 / 0775545 (METHOD OF PREPARING CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLES) (filed on Sep. 4, 2007) has CeO 2 nanoparticles reaching 1.5 nm with high yield and very high suspension. A mixing device that can be produced at turbidity is described. The reactor comprises an inlet for adding reactants, a propeller, a shaft and a motor for mixing. The reaction mixture is placed in a reactor vessel. CeO 2 nanoparticles can be formed by adding reactants (cerium nitrate, oxidant, hydroxide ions, etc.) to the bath, which nanoparticles are initially formed as very small nuclei. Mixing causes a circular motion of the nucleus, and the nucleus grows (increases in diameter) as it continuously moves through the reaction mixing regime, because the nucleus takes in new reactants. Thus, when a steady state concentration of nuclei is first formed, the nuclei continue to grow into larger particles. Unless grain growth inhibitors are used to end this growth phase, this nucleation and growth process is undesirable if one wants to limit the final size of the particles while still maintaining a high particle suspension density.

(0089) この核形成及び成長プロセスをCeO2の水溶沈殿に応用した例が、Zhangらの研究である(J.Appl.Phys.,95,4319(2004)及びApplied Physics Letters,80,127(2002))。硝酸セリウム六水和物をセリウム供給源として(0.0375Mで極めて希薄)、また0.5Mヘキサメチレンテトラミンをアンモニア前駆体として使用して、2.5〜4.25nmの二酸化セリウム粒子が50分未満で形成される。これらの粒子は続いて約250〜600分の反応時間で(成長条件に左右される)、7.5nm以上に成長する。粒子サイズ、濃度及び反応時間に制限があると、大量の商業量のCeO2ナノ粒子を製造するための経済的に実行可能な手段としてこのプロセスは考慮から除外される。 An example of applying this nucleation and growth process to aqueous precipitation of CeO 2 is the work of Zhang et al. (J. Appl. Phys., 95, 4319 (2004) and Applied Physics Letters, 80, 127 ( 2002)). Using cerium nitrate hexahydrate as the cerium source (very dilute at 0.0375M) and 0.5M hexamethylenetetramine as the ammonia precursor, 2.5 to 4.25 nm cerium dioxide particles were grown for 50 minutes. Formed in less than. These particles subsequently grow to 7.5 nm or more with a reaction time of about 250-600 minutes (depending on the growth conditions). Limitations in particle size, concentration and reaction time exclude this process from consideration as an economically viable means for producing large commercial quantities of CeO 2 nanoparticles.

(0090) I.H.Leubner(Current Opinion in Colloid and Interface Science,5,151−159(2000)、Journal of Dispersion Science and Technology,22,125−138(2001)、ibid.23,577−590(2002)及びそこで引用された参考文献)は、形成される安定した結晶の数を、反応物のモル添加速度、結晶の溶解度及び温度と関係づける理論的取り扱いを提供する。モデルは、拡散、動力学的に制御された成長プロセス、オストワルド熟成剤及び成長抑制剤/安定剤が結晶数に与える影響についても説明している。速いモル添加速度、低温、低溶解度及び成長抑制剤の存在は全て、多数の核ひいてはより小さい最終的な結晶粒又は粒子サイズを得るのに有利に働く。 (0090) I.I. H. Leubner (Current Opinion in Colloid and Interface Science, 5, 151-159 (2000), Journal of Dispersion Science and Technology, 22, 125-138 (2001), ibid. (Ref.) Provides a theoretical treatment that relates the number of stable crystals formed to the molar addition rate of the reactants, crystal solubility, and temperature. The model also describes the effects of diffusion, kinetically controlled growth processes, Ostwald ripening agents and growth inhibitors / stabilizers on the number of crystals. Fast molar addition rates, low temperatures, low solubility and the presence of growth inhibitors all help to obtain a large number of nuclei and thus a smaller final grain or particle size.

(0091) バッチ式反応器とは対照的に、コロイドミルは典型的には10000rpmで回転するフラットブレードタービンを有し、これによって材料は、スクリーン(その孔はサイズが1ミリメートルの数分の1から数ミリメートルまで変化し得る)から押し出される。一般に、化学反応は起こらず、ミル粉砕によって粒子サイズだけが変化する。特定のケースにおいて、粒子サイズ及び安定性は、界面活性剤の存在によって熱力学的に制御可能である。例えば、Langerらは、米国特許第6368366号明細書及び米国特許第6363237号明細書(その開示は参照により本願に組み込まれる)において、高せん断力条件下で生成される炭化水素燃料組成物における水性マイクロエマルションについて記載している。しかしながら、水性粒子相(燃料組成物中の不連続相)は、1000nmオーダーの大きいサイズを有する。 In contrast to batch reactors, colloid mills typically have a flat blade turbine rotating at 10,000 rpm, which allows the material to be screened (its pores are a fraction of a millimeter in size). Can be varied from 1 to several millimeters). In general, no chemical reaction occurs and only the particle size changes due to milling. In certain cases, particle size and stability can be thermodynamically controlled by the presence of surfactant. For example, Langer et al., In US Pat. No. 6,368,366 and US Pat. No. 6,363,237, the disclosures of which are incorporated herein by reference, show aqueous properties in hydrocarbon fuel compositions produced under high shear conditions. Describes microemulsions. However, the aqueous particle phase (discontinuous phase in the fuel composition) has a large size on the order of 1000 nm.

(0092) コロイドミルは、大きい二酸化セリウム粒子の粒子サイズを低下させるためには有用ではない。粒子が硬すぎて合理的な時間内ではミルでせん断できないからである。大きく凝集した二酸化セリウム粒子をミクロンサイズからナノメートルサイズへと低下させるための好ましい方法は、安定剤の存在下、ボールミル上で数日間に亘ってミル粉砕することである。これは時間と費用のかかるプロセスであり、常に幅広い粒子サイズ分布を生じる。このため、一様なサイズ分布を有し且つ1種以上の遷移金属イオンを取り込んだ二酸化セリウムの極めて小さいナノメートル粒子を、依然としてCeO2立方晶ホタル石型構造を維持しながら大量に高懸濁密度で合成するための経済的且つ容易な方法に対する必要性が依然として存在する。 A colloid mill is not useful for reducing the particle size of large cerium dioxide particles. This is because the particles are too hard to be sheared by the mill within a reasonable time. A preferred method for reducing the highly agglomerated cerium dioxide particles from micron to nanometer size is to mill for several days on a ball mill in the presence of a stabilizer. This is a time consuming and expensive process and always results in a broad particle size distribution. For this reason, very small nanometer particles of cerium dioxide having a uniform size distribution and incorporating one or more transition metal ions are highly suspended in large quantities while still maintaining the CeO 2 cubic fluorite structure. There remains a need for an economical and easy way to synthesize at density.

(0093) 水性沈殿は、セリウムナノ粒子を得るための簡便な方法になり得る。しかしながら、燃料用の燃料添加触媒として有用であるためには、二酸化セリウムナノ粒子は、無極性媒質(例えば、ディーゼル燃料)中で安定性を示さなくてはならない。水性環境における凝集防止に使用される安定剤の大部分は、無極性環境における安定化の課題に適していない。無極性溶媒に入れると、このような粒子はすぐに凝集して結果的にその望ましいナノ微粒子特性の全てではないにしても一部を失う傾向がある。このため、水性環境で安定した二酸化セリウム粒子を形成し、同じ安定剤を粒子表面上に保持し、次にこれらの粒子を無極性溶媒に移動可能であることが望ましく、無極性溶媒において粒子は安定したままであり、均質な混合物又は分散系を形成する。この簡易化された経済的なやり方においては、表面安定剤の親和性を極性から無極性に変化させる必要がなくなる。安定剤を変えることは、困難な置換反応又は別個の単調な単離・再分散法(例えば、沈殿させ、続いてボールミル粉砕を利用して新しい安定剤で再分散させる)を伴う場合がある。 [0093] Aqueous precipitation can be a convenient way to obtain cerium nanoparticles. However, in order to be useful as a fuel addition catalyst for fuels, cerium dioxide nanoparticles must exhibit stability in nonpolar media (eg, diesel fuel). Most of the stabilizers used to prevent aggregation in an aqueous environment are not suitable for the stabilization problem in a nonpolar environment. When placed in a non-polar solvent, such particles tend to aggregate quickly and consequently lose some, if not all, of their desirable nanoparticulate properties. For this reason, it is desirable to be able to form stable cerium dioxide particles in an aqueous environment, hold the same stabilizer on the particle surface, and then transfer these particles to a nonpolar solvent, where the particles are It remains stable and forms a homogeneous mixture or dispersion. In this simplified and economical manner, it is not necessary to change the affinity of the surface stabilizer from polar to nonpolar. Changing the stabilizer may involve a difficult substitution reaction or a separate monotonic isolation and redispersion method (eg, precipitation followed by redispersion with a new stabilizer using ball milling).

(0094) このため、安定した遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子を極性の水性環境において合成し、次にこれらの粒子を、安定した均質な混合物が生成される無極性環境に移動するための効率的で経済的な方法が依然として必要とされている。 [0094] For this reason, it is efficient to synthesize stable transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles in a polar aqueous environment and then move these particles to a non-polar environment where a stable homogeneous mixture is produced. Economic methods are still needed.

(0095) 高温酸化耐性コーティングを得るためのセリウムナノ粒子の使用が、例えば、S.Sealらの「Synthesis Of Nano Crystalline Ceria Particles For High Temperature Oxidization Resistant Coating」(Journal of Nanoparticle Research,4,433−438(2002))において報告されている。Ni、クロミア合金、アルミナ合金、ステンレススチールを含む様々な表面上及びNi、Ni−Cr被覆合金表面上への二酸化セリウムの堆積が研究されている。l0nm以下の二酸化セリウム粒子サイズが望ましいことが判明している。セリア粒子の取り込みは続いて金属表面の酸化を阻害する。 [0095] The use of cerium nanoparticles to obtain high temperature oxidation resistant coatings is described, for example, in S.H. Reported in Seal et al., “Synthesis Of Nano Crystalline Particles For High Temperature Resistant Coating” (Journal of Nanoparticular Research, 4, 433-4). The deposition of cerium dioxide on various surfaces including Ni, chromia alloys, alumina alloys, stainless steel and Ni, Ni-Cr coated alloy surfaces has been studied. A cerium dioxide particle size of 10 nm or less has been found desirable. Incorporation of ceria particles subsequently inhibits metal surface oxidation.

(0096) Rim(米国特許第6892531号明細書。その開示は参照により本願に組み込まれる)は、ディーゼルエンジン用のエンジン潤滑油組成物について記載しており、この組成物は、潤滑油及び0.05〜10質量%の触媒添加剤(カルボン酸セリウムを含む)を含む。 Rim (US Pat. No. 6,892,531, the disclosure of which is incorporated herein by reference) describes an engine lubricating oil composition for a diesel engine, the composition comprising a lubricating oil and a. 05 to 10% by weight of catalyst additive (including cerium carboxylate).

(0097) 上述したように、現在入手可能なセリウム酸化物及びドープされたセリウム酸化物系燃料添加剤は、ディーゼルエンジンの燃料燃焼を向上させてきた。しかしながら、更なる改良が依然として必要とされている。より広い比表面積を有する、より小さい5nm未満の立方晶CeO2ナノ粒子を利用することによって、燃料燃焼を更に改善するディーゼルエンジン用にこれらの燃料添加剤を調合することが望ましい。これらの結晶粒サイズで遷移金属を組み込むことによって可能になる高い酸素吸蔵能力も極めて望ましい。加えて、摩耗からのエンジンの保護、エンジン摩擦の軽減、より高い潤滑性及びより高い燃料効率は極めて有益になると考えられる。 As described above, currently available cerium oxide and doped cerium oxide fuel additives have improved fuel combustion in diesel engines. However, further improvements are still needed. It would be desirable to formulate these fuel additives for diesel engines that further improve fuel combustion by utilizing smaller, less than 5 nm cubic CeO 2 nanoparticles with a larger specific surface area. The high oxygen storage capability made possible by incorporating transition metals with these grain sizes is also highly desirable. In addition, protecting the engine from wear, reducing engine friction, higher lubricity and higher fuel efficiency are believed to be extremely beneficial.

(0098) 本発明は、少なくとも1種の遷移金属(M)を含有する格子操作二酸化セリウムナノ粒子を形成するためのプロセスを対象とし、このプロセスは、(a)3価のセリウムイオンの供給源、1種以上の遷移金属イオン(M)の供給源、水酸化物イオンの供給源、少なくとも1種のナノ粒子安定剤及び酸化剤を含む水性反応混合物を約20〜約95℃の初期温度で得て、(b)この混合物を機械的にせん断し、また穿孔スクリーンを通過させることによって水酸化セリウムナノ粒子の懸濁液を生成し、(c)3価のセリウムイオンを4価のセリウムイオンに酸化するのに効果的な温度条件にすることによって、遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2を含む生成物流を生成することを含む。このようにして得られた二酸化セリウムナノ粒子は、立方晶ホタル石型構造、約1〜約10nmの平均流体力学的直径及び約1〜約4nmの幾何学的直径を有する。 The present invention is directed to a process for forming lattice-engineered cerium dioxide nanoparticles containing at least one transition metal (M), the process comprising: (a) a source of trivalent cerium ions; An aqueous reaction mixture comprising a source of one or more transition metal ions (M), a source of hydroxide ions, at least one nanoparticle stabilizer and an oxidizing agent is obtained at an initial temperature of about 20 to about 95 ° C. (B) mechanically shearing the mixture and passing through a perforated screen to produce a suspension of cerium hydroxide nanoparticles, and (c) oxidizing trivalent cerium ions to tetravalent cerium ions. Producing a product stream comprising transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 by bringing the temperature conditions to be effective. The cerium dioxide nanoparticles thus obtained have a cubic fluorite structure, an average hydrodynamic diameter of about 1 to about 10 nm and a geometric diameter of about 1 to about 4 nm.

(0099) 本発明は更に、安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2を含有する均質な分散系を生成するためのプロセスを対象とし、このプロセスは、(a)立方晶ホタル石型構造、約1〜約10nmの平均流体力学的直径及び約1〜約4nmの幾何学的直径を有する安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2を含む水性混合物を得て、(b)この安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子を含む水性混合物を濃縮することによって水性濃縮物を生成し、(c)この水性濃縮物から実質的に全ての水を除去することによって、安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子の実質的に水を含有しない濃縮物を生成し、(d)有機希釈剤をこの実質的に水を含有しない濃縮物に添加することによって、安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子の有機濃縮物を生成し、(d)この有機濃縮物を、無極性媒質の存在下、界面活性剤と混合することによって、安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2(xは約0.3〜約0.8の値を有する)を含有する均質な分散系を生成することを含む。 [0099] The present invention is further directed to a process for producing a homogeneous dispersion containing stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 comprising: Stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 having a cubic fluorite structure, an average hydrodynamic diameter of about 1 to about 10 nm and a geometric diameter of about 1 to about 4 nm And (b) producing an aqueous concentrate by concentrating the aqueous mixture comprising the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles, and (c) substantially all of the aqueous concentrate from the aqueous concentrate. Removing the water produces a substantially water-free concentrate of the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles, and (d) converting the organic diluent into the substantially water-free concentrate. To produce an organic concentrate of stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles, and (d) stabilized by mixing the organic concentrate with a surfactant in the presence of a nonpolar medium. Producing a homogenous dispersion containing the transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 (wherein x has a value of about 0.3 to about 0.8).

(0100〜0108)
実施例1に記載されるようにして非等温析出によって調製されたCeO2ナノ粒子のTEM画像である。 実施例1に記載されるようにして非等温析出によって調製されたCeO2ナノ粒子のTEMによる粒径分布分析である。 実施例1に記載されるようにして調製された二酸化セリウムナノ粒子の粉末X線回折スペクトルである。 実施例2に記載されるようにして調製された1.1nmのCeO2ナノ粒子のTEM画像である。 これらの1.1nm粒子の電子回折パターンである。 立方晶及び六方晶のCeO2、Ce23格子に関する計算上の及び測定された電子回折強度を示す表1である。 TEM画像である。 実施例3に記載されるようしてトリプルジェットプロセスによって調製された、等温析出CeO2ナノ粒子のTEMによる粒径分布分析である。 実施例4に記載されるようにして調製された、等温析出Cu含有CeO2ナノ粒子のTEM画像である。 実施例4に記載されるようにして調製された、等温析出Cu含有CeO2ナノ粒子のTEMによる粒径分布分析である。 実施例5に記載されるようにして調製された、等温析出Fe含有CeO2ナノ粒子のTEM画像である。 実施例5に記載されるようにして調製された、等温析出Fe含有CeO2ナノ粒子のTEMによる粒径分布分析である。 実施例6に記載されるようにして調製された、等温析出Zr含有CeO2ナノ粒子のTEM画像である。 実施例6に記載されるようにして調製された、等温析出Zr含有CeO2ナノ粒子のTEMによる粒径分布分析である。 実施例7に記載されるようにして調製された、等温析出Zr/Fe含有CeO2ナノ粒子のTEM画像である。 実施例7に記載されるようにして調製された、等温析出Zr/Fe含有CeO2ナノ粒子のTEMによる粒径分布分析である。 実施例7に記載されるようにして調製された、等温析出CeO2ナノ粒子及び等温析出Zr/Fe含有CeO2ナノ粒子のX線回折スペクトルである。 実施例7に記載されるようにして調製された、Zr/Fe含有CeO2ナノ粒子の電界放出型電子銃TEM格子画像である。
(0100-0108)
2 is a TEM image of CeO 2 nanoparticles prepared by non-isothermal precipitation as described in Example 1. FIG. 2 is a TEM particle size distribution analysis of CeO 2 nanoparticles prepared by non-isothermal precipitation as described in Example 1. 2 is a powder X-ray diffraction spectrum of cerium dioxide nanoparticles prepared as described in Example 1. FIG. 2 is a TEM image of 1.1 nm CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 2. FIG. It is an electron diffraction pattern of these 1.1 nm particles. Table 1 shows the calculated and measured electron diffraction intensities for cubic and hexagonal CeO 2 , Ce 2 O 3 lattices. It is a TEM image. 4 is a particle size distribution analysis by TEM of isothermally precipitated CeO 2 nanoparticles prepared by a triple jet process as described in Example 3. 4 is a TEM image of isothermally precipitated Cu-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 4. FIG. 4 is a particle size distribution analysis by TEM of isothermally precipitated Cu-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 4. 6 is a TEM image of isothermally precipitated Fe-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 5. FIG. 6 is a particle size distribution analysis by TEM of isothermally precipitated Fe-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 5. 7 is a TEM image of isothermally precipitated Zr-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 6. FIG. 7 is a particle size distribution analysis by TEM of isothermally precipitated Zr-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 6. 7 is a TEM image of isothermally precipitated Zr / Fe-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 7. FIG. 4 is a particle size distribution analysis by TEM of isothermally precipitated Zr / Fe-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 7. 2 is an X-ray diffraction spectrum of isothermally precipitated CeO 2 nanoparticles and isothermally precipitated Zr / Fe-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 7. FIG. 8 is a field emission electron gun TEM grid image of Zr / Fe-containing CeO 2 nanoparticles prepared as described in Example 7. FIG.

(0109) 本願において、用語「遷移金属」は、周期表の周期4、5、6にそれぞれ含まれる40の化学元素21〜30、39〜48及び72〜80を含むと理解される。 In the present application, the term “transition metal” is understood to include 40 chemical elements 21-30, 39-48 and 72-80, respectively contained in periods 4, 5, 6 of the periodic table.

(0110) 本発明は、遷移金属イオン含有二酸化セリウム(CeO2)ナノ粒子を形成するためのプロセスを提供し、このプロセスは、(a)3価のセリウムイオンの供給源、1種以上の遷移金属イオンの供給源、水酸化物イオンの供給源、少なくとも1種のナノ粒子安定剤及び酸化剤を含む水性反応混合物を得て、(b)この混合物を機械的にせん断し、また穿孔スクリーンを通過させることによって水酸化セリウムナノ粒子の懸濁液を生成し、(c)3価のセリウムイオンを4価のセリウムイオンに酸化するのに効果的な温度条件にすることによって、立方晶ホタル石型構造、約1〜約10nmの平均流体力学的直径及び約1〜約4nmの幾何学的直径を有する遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2を含む生成物流を生成することを含む。1種以上の遷移金属イオンを含有し、また単峰性のサイズ分布及び単分散粒径分布を有する結晶性二酸化セリウム粒子は、このサイズ範囲内で選択的に調製可能である。単一結晶性粒子は、1.1nmの粒子の場合1辺あたり2単位胞から最高で2.7nmの粒子で1辺あたり5単位胞を含み、調製条件に左右される。ここで、結晶性と言う用語は、様々なサイズの複数の凝集した微結晶からではなく構成単位である格子胞の数によって決定される明確に規定された寸法の単一の結晶から構成される粒子のことである。 (0110) The present invention is a transition metal ion containing cerium dioxide (CeO 2) provides a process for forming nanoparticles, the process, (a) a source of trivalent cerium ions, one or more transition Obtaining an aqueous reaction mixture comprising a source of metal ions, a source of hydroxide ions, at least one nanoparticle stabilizer and an oxidant; (b) mechanically shearing the mixture; To produce a suspension of cerium hydroxide nanoparticles by passing through, and (c) by making the temperature conditions effective to oxidize trivalent cerium ions to tetravalent cerium ions, structure, a product stream comprising a transition metal-containing cerium dioxide particles Ce 1-x M x O 2 having a geometric diameter of the average hydrodynamic diameter and about 1 to about 4nm to about 1 to about 10nm Including that formed. Crystalline cerium dioxide particles containing one or more transition metal ions and having a unimodal size distribution and a monodisperse particle size distribution can be selectively prepared within this size range. Single crystalline particles include 2 unit cells per side for 1.1 nm particles up to 5 unit cells per side with up to 2.7 nm particles, depending on the preparation conditions. Here, the term crystallinity is composed of a single crystal with a well-defined dimension determined by the number of lattice cells that are constituent units, not from a plurality of aggregated microcrystals of various sizes. It is a particle.

(0111) 本発明は更に、1種以上の遷移金属イオンを含有し、また約1〜約10nmの平均流体力学的直径を有する結晶性二酸化セリウムCeO2ナノ粒子を製造するための連続プロセスを提供し、このプロセスは、3価のセリウムイオン、1種以上の遷移金属イオン、酸化剤、少なくとも1種のナノ粒子安定剤及び水酸化物イオンを連続反応器内で混合する工程を含む。 The present invention further provides a continuous process for producing crystalline cerium dioxide CeO 2 nanoparticles containing one or more transition metal ions and having an average hydrodynamic diameter of about 1 to about 10 nm. The process includes mixing trivalent cerium ions, one or more transition metal ions, an oxidizing agent, at least one nanoparticle stabilizer, and hydroxide ions in a continuous reactor.

(0112) 本発明は、二酸化セリウムナノ粒子を形成するためのプロセスも提供し、このプロセスは、(a)3価のセリウムイオンの供給源、1種以上の遷移金属イオン及び少なくとも1種のナノ粒子安定剤を含む水性第1反応混合物を得て、(b)酸化剤を添加しながら第1反応混合物を撹拌することによって第2反応混合物を生成し、(c)機械的せん断に供しながら水酸化物イオンの供給源を第2反応混合物に添加することによって第3反応混合物を生成し、(d)約50〜約100℃で第3混合物を加熱することによって、1種以上の遷移金属イオンを含有し且つ粒径分布が実質的に単峰性でありまた一様な結晶性二酸化セリウムナノ粒子を形成する工程を含む。 [0112] The present invention also provides a process for forming cerium dioxide nanoparticles comprising: (a) a source of trivalent cerium ions, one or more transition metal ions and at least one nanoparticle. An aqueous first reaction mixture containing a stabilizer is obtained, (b) a second reaction mixture is produced by stirring the first reaction mixture while adding an oxidizing agent, and (c) hydroxylation while subjecting to mechanical shearing. Generating a third reaction mixture by adding a source of product ions to the second reaction mixture; and (d) heating the third mixture at about 50 to about 100 ° C. to produce one or more transition metal ions. And forming a uniform crystalline cerium dioxide nanoparticle having a particle size distribution that is substantially monomodal.

(0113) 本発明は更に、上記の結晶性二酸化セリウムナノ粒子、少なくとも1種のナノ粒子安定剤、少なくとも1種の界面活性剤、グリコールエーテル混合物及び無極性媒質を含む均質な混合物を生成するためのプロセスを提供する。このプロセスは、(a)ナノ粒子安定剤と結晶性二酸化セリウムナノ粒子との近接会合によって形成される安定化された結晶性二酸化セリウムナノ粒子を含む水性混合物を得て、(b)安定化された結晶性二酸化セリウムナノ粒子を含むこの水性混合物を濃縮することによって水性濃縮物を生成し、(c)溶媒シフトにより実質的に全ての水を水性環境からグリコールエーテル環境へと除去し、界面活性剤及び任意の補助界面活性剤と溶媒シフト済みの濃縮物とを無極性媒質の存在下で混合することによって均質な混合物を生成する工程を含む。 The present invention further provides for producing a homogeneous mixture comprising the crystalline cerium dioxide nanoparticles described above, at least one nanoparticle stabilizer, at least one surfactant, a glycol ether mixture and a nonpolar medium. Provide a process. This process provides (a) an aqueous mixture comprising stabilized crystalline cerium dioxide nanoparticles formed by the close association of nanoparticle stabilizers and crystalline cerium dioxide nanoparticles, and (b) stabilized crystals. An aqueous concentrate is produced by concentrating this aqueous mixture containing the soluble cerium dioxide nanoparticles, (c) removing substantially all the water from the aqueous environment to the glycol ether environment by solvent shift, surfactants and optional A co-surfactant and a solvent-shifted concentrate in the presence of a nonpolar medium to produce a homogeneous mixture.

(0114) 水酸化物イオンの存在下、4価のセリウムイオンが反応して水酸化セリウムが生成され、加熱するとこの水酸化セリウムは結晶性二酸化セリウムに変換される。反応槽内の温度は約50〜約100℃、より好ましくは約65〜95℃、最も好ましくは約85℃に維持される。時間と温度とのバランスをとることが可能であり、高温だと典型的には水酸化物の酸化物への変換に必要な時間が短縮される。これらの高温にある時間に亘って曝した後(約1時間以下、適切には約0.5時間)、水酸化セリウムは結晶性二酸化セリウムに変換され、反応槽の温度は約15〜25℃に低下させられる。続いて、結晶性二酸化セリウムナノ粒子を濃縮し、未反応のセリウム及び不要な副生成物(硝酸アンモニウム等)を、最も簡便には例えばダイアフィルトレーションによって除去する。 [0114] In the presence of hydroxide ions, tetravalent cerium ions react to produce cerium hydroxide, which is converted to crystalline cerium dioxide when heated. The temperature in the reaction vessel is maintained at about 50 to about 100 ° C, more preferably about 65 to 95 ° C, and most preferably about 85 ° C. Time and temperature can be balanced, and high temperatures typically reduce the time required to convert hydroxide to oxide. After exposure to these elevated temperatures for a period of time (less than about 1 hour, suitably about 0.5 hours), the cerium hydroxide is converted to crystalline cerium dioxide and the reactor temperature is about 15-25 ° C. Can be lowered. Subsequently, the crystalline cerium dioxide nanoparticles are concentrated and unreacted cerium and unwanted by-products (such as ammonium nitrate) are most conveniently removed, for example, by diafiltration.

(0115) 本発明の一態様において、1種以上の遷移金属イオンを含有する結晶性二酸化セリウムナノ粒子を形成する方法は、3価のセリウムイオン、1種以上の遷移金属イオン、水酸化物イオン、安定剤又は安定剤の組み合わせ及び酸化剤を含む水性反応混合物を得ることを含み、反応は、小さい核サイズを発生させ且つ続いて3価のセリウムイオンを4価のセリウムイオンに酸化し、またナノメートルサイズの二酸化セリウムに核を成長させるのに効果的な温度で行われる。反応混合物を(好ましくは反応混合物に穿孔スクリーンを通過させることによって)機械的せん断に供することによって、約1〜約10nmの平均流体力学的直径を有する結晶性二酸化セリウムナノ粒子の懸濁液を生成する。粒径は1.5〜25nmの範囲内で制御可能であるが、好ましくは、結晶性二酸化セリウムナノ粒子は、約10nm以下、より好ましくは約8nm以下、最も好ましくは約6nmの平均流体力学的直径を有する。望ましくは、ナノ粒子は、1粒子辺あたり1又は最高で2つの1次微結晶を含み、各微結晶は平均2.5nm(約5単位胞)である。このため、得られるナノ粒子の粒径分布は実質的に単分散であり、すなわち25%未満の変動係数(coefficient of variation:COV)を有し、ここでCOVは、標準偏差を平均で割ったものとして定義される。 [0115] In one embodiment of the present invention, a method of forming crystalline cerium dioxide nanoparticles containing one or more transition metal ions includes a trivalent cerium ion, one or more transition metal ions, a hydroxide ion, Obtaining an aqueous reaction mixture comprising a stabilizer or combination of stabilizers and an oxidizing agent, wherein the reaction generates a small nucleus size and subsequently oxidizes trivalent cerium ions to tetravalent cerium ions and Performed at a temperature effective to grow nuclei into metric cerium dioxide. Subjecting the reaction mixture to mechanical shear (preferably by passing the reaction mixture through a perforated screen) produces a suspension of crystalline cerium dioxide nanoparticles having an average hydrodynamic diameter of about 1 to about 10 nm. . Although the particle size can be controlled within the range of 1.5-25 nm, preferably the crystalline cerium dioxide nanoparticles have an average hydrodynamic diameter of about 10 nm or less, more preferably about 8 nm or less, and most preferably about 6 nm. Have Desirably, the nanoparticles comprise one or up to two primary crystallites per particle edge, with each crystallite averaging 2.5 nm (approximately 5 unit cells). For this reason, the particle size distribution of the resulting nanoparticles is substantially monodisperse, that is, has a coefficient of variation (COV) of less than 25%, where COV is the standard deviation divided by the average. Defined as a thing.

(0116) 機械的せん断は、表面(ロータの表面等)上での流体の運動を含み、結果的にせん断応力が発生する。特に、表面上の層流はゼロ速度を有し、せん断応力はゼロ速度表面と表面から離れたより高速の流れとの間に生じる。 [0116] Mechanical shear involves the movement of fluid on a surface (such as the surface of a rotor), resulting in shear stress. In particular, laminar flow over the surface has zero velocity, and shear stress occurs between the zero velocity surface and a higher velocity flow away from the surface.

(0117) 一実施形態において、本発明では、通常はマイクロエマルション又はコロイドをミル粉砕するのに使用するコロイドミルを、二酸化セリウムナノ粒子を製造するための化学反応器として利用する。有用なコロイドミルの例には、Korstvedtの米国特許第6745961号明細書及び米国特許第6305626号明細書(その開示は参照により本願に組み込まれる)に記載されるものが含まれる。 [0117] In one embodiment, the present invention utilizes a colloid mill, usually used to mill microemulsions or colloids, as a chemical reactor for producing cerium dioxide nanoparticles. Examples of useful colloid mills include those described in Korstvedt US Pat. No. 6,745,961 and US Pat. No. 6,305,626, the disclosure of which is incorporated herein by reference.

(0118) 望ましくは、反応物には、3価のセリウムイオンの供給源(例えば、硝酸第一セリウム)、酸化剤(過酸化水素、分子状酸素等)及び安定剤(例えば、2−[2−(2−メトキシエトキシ)エトキシ]酢酸)の水溶液が含まれる。典型的には、過酸化物等の2電子酸化剤は、好ましくはセリウムイオンの少なくとも2分の1のモル濃度で存在する。水酸化物イオン濃度は好ましくは、セリウムイオンモル濃度の少なくとも2倍、より好ましくは3倍であり、5倍にさえなり得る。 Desirably, the reactants include a source of trivalent cerium ions (eg, cerous nitrate), an oxidizing agent (hydrogen peroxide, molecular oxygen, etc.) and a stabilizer (eg, 2- [2 -(2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid) in aqueous solution. Typically, a two-electron oxidant such as a peroxide is preferably present at a molar concentration of at least one-half that of cerium ions. The hydroxide ion concentration is preferably at least twice, more preferably 3 times, and even 5 times the cerium ion molar concentration.

(0119) 最初は、反応チャンバは、小さいサイズの水酸化第一セリウム核を生成するのに十分に低い温度に維持される。この核は、そのあとのより高い温度への移行後にナノメートルサイズの結晶性二酸化セリウム粒子に成長可能であり、3価のセリウムイオンは4価のセリウムイオンに変換される。最初は、温度は適切には約25℃以下であるが、より高温も、粒子サイズにおける大幅な上昇を伴うことなく採用し得る。 [0119] Initially, the reaction chamber is maintained at a temperature sufficiently low to produce small sized cerium hydroxide nuclei. This nucleus can grow into nanometer-sized crystalline cerium dioxide particles after the subsequent transition to higher temperatures, and trivalent cerium ions are converted to tetravalent cerium ions. Initially, the temperature is suitably about 25 ° C. or lower, although higher temperatures may be employed without a significant increase in particle size.

(0120) 一実施形態においては、3価のセリウムイオンの供給源、1種以上の遷移金属イオン、ナノ粒子安定剤及び酸化剤を反応器に入れ、水酸化物イオンの供給源(水酸化アンモニウム等)を撹拌しながら速やかに、好ましくは約10分以下で添加する。特定の条件下では(アンモニアの金属イオンへのシングルジェット添加等)、約20秒以下が好ましく、より一層好ましくは約15秒以下である。代替の実施形態においては、水酸化物イオンの供給源及び酸化剤を反応器に入れ、3価のセリウムイオンの供給源及び1種以上の遷移金属イオンを、約15秒から最高20分間に亘って添加する。第3の好ましい実施形態においては、安定剤を反応槽に入れ、最適な化学量論的モル比2:1、3:1、更には5:1のOH:Ceで、硝酸第一セリウム及び1種以上の遷移金属イオンを、別の水酸化アンモニウム噴流と同時に反応チャンバ内に導入する。 [0120] In one embodiment, a source of trivalent cerium ions, one or more transition metal ions, a nanoparticle stabilizer and an oxidizing agent are placed in a reactor and a source of hydroxide ions (ammonium hydroxide) Etc.) rapidly with stirring, preferably in about 10 minutes or less. Under certain conditions (such as single jet addition of ammonia to metal ions), about 20 seconds or less is preferred, and even more preferred is about 15 seconds or less. In an alternative embodiment, a source of hydroxide ions and an oxidant are placed in the reactor and the source of trivalent cerium ions and one or more transition metal ions are added for about 15 seconds up to 20 minutes. Add. In a third preferred embodiment, the stabilizer is placed in a reactor and cerium nitrate and 1 at an optimal stoichiometric molar ratio of 2: 1, 3: 1, or even 5: 1 OH: Ce. More than one species of transition metal ion is introduced into the reaction chamber simultaneously with another ammonium hydroxide jet.

(0121) 3価のセリウムイオンが水酸化物イオンの存在下で酸化剤と反応して水酸化セリウムが生成され、この水酸化セリウムを加熱により結晶性二酸化セリウムに変換可能である。反応槽の温度は、約50〜約100℃、好ましくは約65〜85℃、より好ましくは約70℃に維持される。特定の遷移金属イオン(Zr、Cu等)の取り込みは典型的には高温(約85℃)を必要とする。これらの高温にある時間に亘って曝した後(好ましくは約1時間以下、より好ましくは約0.5時間)、ドープされた水酸化セリウムは実質的に結晶性二酸化セリウムに変換されてしまっており、反応槽の温度は約15〜25℃にまで低下させられる。時間及び温度変数はバランスをとることができ、高温の場合、一般に反応時間は短くてすむ。二酸化セリウムナノ粒子の懸濁液を濃縮し、未反応セリウム及び不要な副生成物(例えば、硝酸アンモニウム)を除去する。これは、便利にはダイアフィルトレーションによって達成され得る。 [0121] Trivalent cerium ions react with an oxidant in the presence of hydroxide ions to produce cerium hydroxide, which can be converted to crystalline cerium dioxide by heating. The temperature of the reaction vessel is maintained at about 50 to about 100 ° C, preferably about 65 to 85 ° C, more preferably about 70 ° C. Incorporation of certain transition metal ions (Zr, Cu, etc.) typically requires high temperatures (about 85 ° C.). After exposure to these high temperatures for a period of time (preferably less than about 1 hour, more preferably about 0.5 hour), the doped cerium hydroxide has been substantially converted to crystalline cerium dioxide. The temperature of the reaction vessel is lowered to about 15-25 ° C. Time and temperature variables can be balanced, and reaction times are generally shorter at higher temperatures. The suspension of cerium dioxide nanoparticles is concentrated to remove unreacted cerium and unwanted by-products (eg, ammonium nitrate). This can conveniently be achieved by diafiltration.

(0122) ナノ粒子安定剤は、反応混合物に必要不可欠な成分である。望ましくは、ナノ粒子安定剤は水溶性であり、セリウムイオンと弱い結合を形成する。KBCは、水中のセリウムイオンへのナノ粒子安定剤の結合定数を表す。硝酸イオンの場合のlogKBCは1であり、水酸化物イオンの場合は14である。最も望ましくは、logKBCはこの範囲内にあり、好ましくはこの範囲の中間にある。有用なナノ粒子安定剤には、アルコキシ置換カルボン酸、α−ヒドロキシルカルボン酸、α−ケトカルボン酸(ピルビン酸等)及び小有機ポリ酸(酒石酸、クエン酸等)が含まれる。アルコキシル化カルボン酸の例には、メトキシ酢酸、2−(メトキシ)エトキシ酢酸及び2−[2−(2−メトキシエトキシ)エトキシ]酢酸(MEEA)が含まれる。α−ヒドロキシカルボン酸の中でも、例には、乳酸、グルコン酸及び2−ヒドロキシブタン酸が含まれる。ポリ酸には、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、酒石酸及びクエン酸が含まれる。EDTA等の大きいKBCを有する化合物と弱いKBCの安定剤(乳酸等)との組み合わせも、特定の比率では有用である。大きいKBCの安定剤(グルコン酸等)は、低レベルで又は弱いKBCの安定剤(乳酸等)と共に使用され得る。 [0122] Nanoparticle stabilizers are an essential component of the reaction mixture. Desirably, the nanoparticle stabilizer is water soluble and forms a weak bond with cerium ions. K BC represents the binding constant of the nanoparticle stabilizer to cerium ions in water. The log K BC for nitrate ions is 1, and 14 for hydroxide ions. Most desirably, log K BC is in this range, preferably in the middle of this range. Useful nanoparticle stabilizers include alkoxy-substituted carboxylic acids, α-hydroxylcarboxylic acids, α-ketocarboxylic acids (such as pyruvic acid) and small organic polyacids (such as tartaric acid, citric acid). Examples of alkoxylated carboxylic acids include methoxyacetic acid, 2- (methoxy) ethoxyacetic acid and 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid (MEEA). Among α-hydroxycarboxylic acids, examples include lactic acid, gluconic acid and 2-hydroxybutanoic acid. Polyacids include ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tartaric acid and citric acid. Combinations of compounds with large K BC such as EDTA and weak K BC stabilizers (such as lactic acid) are also useful at certain ratios. Large K BC stabilizers (such as gluconic acid) can be used at low levels or with weak K BC stabilizers (such as lactic acid).

(0123) ある望ましい実施形態において、ナノ粒子安定剤は、式(Ia)の化合物を含む。式(Ia)において、Rは水素、置換若しくは非置換アルキル基又は置換若しくは非置換芳香族基を表し、例えばメチル基、エチル基又はフェニル基である。より好ましくは、Rは低級アルキル基(メチル基等)を表す。R1は水素又は置換基(アルキル基等)を表す。式(Ia)において、nは0〜5の整数、好ましくは2を表し、YはH又はアルカリ金属等の対イオン(例えば、Na+、K+)を表す。安定剤はナノ粒子に結合して、粒子の凝集及びそれに続く粒子の大きな塊の形成を防止する。
〔式4〕
RO(CH2CH2O)nCHR1CO2Y (Ia)
[0123] In certain desirable embodiments, the nanoparticle stabilizer comprises a compound of formula (Ia). In the formula (Ia), R represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group or a substituted or unsubstituted aromatic group, for example, a methyl group, an ethyl group, or a phenyl group. More preferably, R represents a lower alkyl group (such as a methyl group). R 1 represents hydrogen or a substituent (such as an alkyl group). In the formula (Ia), n represents an integer of 0 to 5, preferably 2. Y represents a counter ion such as H or an alkali metal (for example, Na + , K + ). The stabilizer binds to the nanoparticles and prevents agglomeration of particles and subsequent formation of large masses of particles.
[Formula 4]
RO (CH 2 CH 2 O) n CHR 1 CO 2 Y (Ia)

(0124) 別の実施形態において、ナノ粒子安定剤は式(Ib)で表される。式中、各R2は独立して置換若しくは非置換アルキル基又は置換若しくは非置換芳香族基を表す。X及びZは独立してH又は対イオン(Na+、K+等)を表し、pは又は2である。
〔式5〕
XO2C(CR2PCO2Z (Ib)
[0124] In another embodiment, the nanoparticle stabilizer is represented by formula (Ib). In the formula, each R 2 independently represents a substituted or unsubstituted alkyl group or a substituted or unsubstituted aromatic group. X and Z independently represent H or a counter ion (Na + , K + etc.), and p is 2 or 2.
[Formula 5]
XO 2 C (CR 2 ) P CO 2 Z (Ib)

(0125) 有用なナノ粒子安定剤はまた、α−ヒドロキシ置換カルボン酸(乳酸等)及びポリヒドロキシ置換酸(グルコン酸等)中に見出される。 Useful nanoparticle stabilizers are also found in α-hydroxy substituted carboxylic acids (such as lactic acid) and polyhydroxy substituted acids (such as gluconic acid).

(0126) 好ましくは、ナノ粒子安定剤は元素硫黄を含まない。硫黄含有材料は、特定の用途には望ましくない場合があるからである。例えば、二酸化セリウム粒子が燃料添加剤組成物中に含まれる場合、硫黄含有安定剤(AOT等)を使用すると、燃焼後に硫黄酸化物が排出される場合があり、望ましくない。 [0126] Preferably, the nanoparticle stabilizer does not contain elemental sulfur. This is because sulfur-containing materials may not be desirable for certain applications. For example, when cerium dioxide particles are included in the fuel additive composition, use of a sulfur-containing stabilizer (such as AOT) may cause sulfur oxides to be emitted after combustion, which is undesirable.

(0127) 得られる二酸化セリウム粒子のサイズは、動的光散乱法(粒子の流体力学的直径を測定するための測定技法)によって測定可能である。流体力学的直径(B.J.Berne及びR.Pecoraの「Dynamic Light Scattering:With Applications to Chemistry,Biology and Physics」(John Wiley and Sons,NY 1976)及びS.H.Chen及びM.Kotlarchykの「Interactions of Photons and Neutrons with Matter」(World Scientific Publishing,Singapore,1997)を参照のこと)は、粒子の幾何学的直径より若干大きく、本来の粒子サイズ及び粒子を取り囲む溶媒和シェルの両方を含む。光線がコロイド分散系を通過する際、粒子又は液滴は、光の一部を全方向に散乱させる。光の波長に対して粒子が極めて小さいとき、散乱光の強度は全方向に一様である(レイリー散乱)。光が、例えばレーザーからのようにコヒーレント且つ単色の場合、光子計数モードで動作可能な光電子増倍管等の適切な検出装置を使用して、散乱強度における時間依存性の変動を観測可能である。この変動は、粒子がランダムな熱ブラウン運動を起こすのに十分に小さく、したがって粒子間の距離が絶えず変化しているという事実から生じるものである。光を照射した領域内の隣接する粒子によって散乱させられた光の強め合い及び弱め合い干渉が、検出装置面での強度の変動を引き起こすが、この変動は、それが粒子の運動から起きることから、この運動に関する情報を含んでいる。したがって、強度の変動の時間依存性を分析することによって粒子の拡散係数を得ることが可能であり、この拡散係数から、ストークス−アインシュタインの式及び媒質の既知の粘性を利用して、粒子の流体力学的半径又は直径を計算可能である。 The size of the resulting cerium dioxide particles can be measured by dynamic light scattering (a measurement technique for measuring the hydrodynamic diameter of particles). Hydrodynamic Diameter (BJ Berne and R. Pecora, “Dynamic Light Scattering: With Applications to Chemistry, Biology and Physics” (John Wiley and Sons. NY 1976). Interactions of Photons and Neutrons with Matter (see World Scientific Publishing, Singapore, 1997) is slightly larger than the geometric diameter of the particle and includes both the original particle size and the solvating shell surrounding the particle. As the light passes through the colloidal dispersion, the particles or droplets scatter part of the light in all directions. When the particles are very small relative to the wavelength of light, the intensity of the scattered light is uniform in all directions (Rayleigh scattering). If the light is coherent and monochromatic, e.g. from a laser, time-dependent variations in scattering intensity can be observed using a suitable detector such as a photomultiplier tube that can operate in photon counting mode. . This variation arises from the fact that the particles are small enough to cause random thermal Brownian motion, and thus the distance between the particles is constantly changing. Intense and destructive interference of light scattered by adjacent particles in the illuminated area causes intensity variations at the detector surface, which arise from the movement of the particles. Contains information about this exercise. Therefore, it is possible to obtain the particle diffusion coefficient by analyzing the time dependence of the intensity variation, and from this diffusion coefficient, using the Stokes-Einstein equation and the known viscosity of the medium, the particle fluid The mechanical radius or diameter can be calculated.

(0128) 本発明の別の態様において、小さい遷移金属イオン含有結晶性二酸化セリウムナノ粒子、すなわち約10nm未満の平均直径を有する粒子を製造するための連続プロセスは、3価のセリウムイオン、1種以上の遷移金属イオン、酸化剤、ナノ粒子安定剤又は安定剤の組み合わせ及び水酸化物イオンを連続反応器内で混合することを含み、この反応器内に反応物及びその他の原料が連続的に導入され、またそこから生成物が連続的に取り出される。連続プロセスは、例えばOzawaらの米国特許第6897270号明細書、Nickelらの米国特許第6723138号明細書、Campbellらの米国特許第6627720号明細書、Beckの米国特許第5097090号明細書及びByrdらの米国特許第4661321号明細書に記載され、これらの文献の開示は参照により本願に組み込まれる。 In another aspect of the present invention, a continuous process for producing small transition metal ion-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles, ie particles having an average diameter of less than about 10 nm, comprises trivalent cerium ions, one or more Of mixing transition metal ions, oxidants, nanoparticle stabilizers or combinations of stabilizers and hydroxide ions in a continuous reactor, with reactants and other raw materials being continuously introduced into the reactor. And the product is continuously removed therefrom. Continuous processes are described, for example, by Ozawa et al. US Pat. No. 6,897,270, Nickel et al. US Pat. No. 6,723,138, Campbell et al. US Pat. No. 6,627,720, Beck US Pat. No. 5,097,090 and Byrd et al. U.S. Pat. No. 4,661,321, the disclosures of which are incorporated herein by reference.

(0129) 水等の溶媒がプロセスで使用されることが多い。溶媒は反応物を溶解し、溶媒流の調節によってプロセスを制御可能である。有利には、ミキサーを使用して反応物を撹拌及び混合可能である。 [0129] Solvents such as water are often used in the process. The solvent dissolves the reactants and the process can be controlled by adjusting the solvent flow. Advantageously, the mixer can be used to stir and mix the reactants.

(0130) 反応物の連続流を受け入れ、生成物の連続流を送り出し可能ないずれの反応器も使用可能である。これらの反応器には、連続撹拌槽型反応器、栓流反応器等が含まれ得る。ナノ粒子の合成を行うのに必要とされる反応物は、好ましくは、反応器内に流して装入される。すなわち、反応物は好ましくは液体又は溶液として導入される。反応物は、別々に流して装入することも、特定の反応物を、反応器への装入前に混合することも可能である。 [0130] Any reactor capable of accepting a continuous stream of reactants and delivering a continuous stream of products can be used. These reactors can include continuous stirred tank reactors, plug flow reactors, and the like. The reactants required to carry out the nanoparticle synthesis are preferably charged by flowing into the reactor. That is, the reactant is preferably introduced as a liquid or solution. The reactants can be charged separately and the specific reactants can be mixed prior to charging to the reactor.

(0131) 反応物は、1つ以上の投入口を通って、撹拌装置を備えた反応チャンバ内に導入される。典型的には、反応物は、3価のセリウムイオンの供給源(例えば、硝酸第一セリウム)、遷移金属イオン(例えば、硝酸第二鉄、硝酸第二銅等)、酸化剤(過酸化水素、分子状酸素等。周囲空気を含む)及び安定剤(例えば、2−[2−(2−メトキシエトキシ)エトキシ]酢酸)の水溶液を含む。過酸化水素等の2電子酸化剤は好ましくは、セリウムイオンのモル濃度の少なくとも2分の1の濃度で存在する。或いは、分子状酸素を、混合物にバブリング可能である。水酸化物イオン濃度は好ましくはセリウムモル濃度の少なくとも2倍である。 [0131] The reactants are introduced through one or more input ports into a reaction chamber equipped with a stirrer. Typically, the reactants are a source of trivalent cerium ions (eg, cerous nitrate), transition metal ions (eg, ferric nitrate, cupric nitrate, etc.), oxidizing agents (hydrogen peroxide). , Molecular oxygen, etc., including ambient air) and an aqueous solution of a stabilizer (eg, 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid). A two-electron oxidant such as hydrogen peroxide is preferably present at a concentration of at least one-half the molar concentration of cerium ions. Alternatively, molecular oxygen can be bubbled through the mixture. The hydroxide ion concentration is preferably at least twice the cerium molar concentration.

(0132) 本発明の一実施形態において、小さい二酸化セリウムナノ粒子を形成するための方法は、3価のセリウムイオン(例えば、硝酸セリウム(III)として)、1種以上の遷移金属イオン及び酸化剤を含む第1水性反応物流を生成する工程を含む。Ce(III)をCe(IV)に酸化可能な適切な酸化剤には、例えば過酸化水素又は分子状酸素が含まれる。任意で、第1反応物流は、ドープされた二酸化セリウムナノ粒子に結合することによって粒子の凝集を防止するナノ粒子安定剤も含む。有用なナノ粒子安定剤の例は上述されている。 In one embodiment of the present invention, a method for forming small cerium dioxide nanoparticles comprises trivalent cerium ions (eg, as cerium (III) nitrate), one or more transition metal ions and an oxidizing agent. Producing a first aqueous reactant stream comprising. Suitable oxidizing agents that can oxidize Ce (III) to Ce (IV) include, for example, hydrogen peroxide or molecular oxygen. Optionally, the first reactant stream also includes a nanoparticle stabilizer that prevents aggregation of the particles by binding to the doped cerium dioxide nanoparticles. Examples of useful nanoparticle stabilizers are described above.

(0133) 本方法は更に、水酸化物イオンの供給源(例えば、水酸化アンモニウム、水酸化カリウム)を含む第2水性反応物流を生成する工程を含む。任意で、第2反応物流は更に安定剤を含み、その例は既に述べられている。しかしながら、第1又は第2反応物流のうちの少なくとも一方は、安定剤又は安定剤の組み合わせを含有しなくてはならない。 The method further includes generating a second aqueous reactant stream that includes a source of hydroxide ions (eg, ammonium hydroxide, potassium hydroxide). Optionally, the second reactant stream further comprises a stabilizer, examples of which have already been mentioned. However, at least one of the first or second reactant streams must contain a stabilizer or combination of stabilizers.

(0134) 第1反応物流と第2反応物流とを混合して反応流を生成する。最初に、反応流の温度は、小さい水酸化第一セリウム核を形成するのに十分に低く維持される。続いて、温度を上昇させると、酸化剤の存在下、Ce(III)がCe(IV)に酸化され、水酸化物が酸化物へ変換されることによって、結晶性二酸化セリウムを含む生成物流が生成される。水酸化物から酸化物へと変換するための温度は好ましくは約50〜100℃、より好ましくは約60〜90℃である。一実施形態においては、第1反応物流と第2反応物流とを、約10〜20℃で混合し、この温度を続いて約60〜90℃にまで上昇させる。成長段階を適切な分子吸着質(成長抑制剤)で阻害可能ならば、高温(例えば、90℃)での等温析出は、小さいナノ粒子を形成するための代替の方法となる。 [0134] The first reactant stream and the second reactant stream are mixed to generate a reactant stream. Initially, the temperature of the reaction stream is kept low enough to form small cerous hydroxide nuclei. Subsequently, when the temperature is raised, Ce (III) is oxidized to Ce (IV) in the presence of an oxidant, and the hydroxide is converted to an oxide, thereby producing a product stream containing crystalline cerium dioxide. Generated. The temperature for converting the hydroxide to the oxide is preferably about 50-100 ° C, more preferably about 60-90 ° C. In one embodiment, the first reactant stream and the second reactant stream are mixed at about 10-20 ° C and the temperature is subsequently increased to about 60-90 ° C. If the growth stage can be inhibited with a suitable molecular adsorbate (growth inhibitor), isothermal deposition at high temperature (eg, 90 ° C.) is an alternative method for forming small nanoparticles.

(0135) 望ましくは、生成物流中の格子操作結晶性二酸化セリウムナノ粒子は、例えば1つ以上の半多孔質膜を使用したダイアフィルトレーション技法によって濃縮される。一実施形態において、生成物流は、1つ以上の半多孔質膜によって約5mS/cm以下の導電率にまで低下させられた、遷移金属含有結晶性二酸化セリウムナノ粒子の水性懸濁液を含む。 Desirably, the lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles in the product stream are concentrated by a diafiltration technique using, for example, one or more semi-porous membranes. In one embodiment, the product stream comprises an aqueous suspension of transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles that has been reduced to a conductivity of about 5 mS / cm or less by one or more semi-porous membranes.

(0136) 本発明の実施に適した連続反応器は、国際出願第PCT/US2007/77545号の「METHOD OF PREPARING CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLES」(2007年9月4日に出願)の図3に概略的に図示されている。反応器40には、硝酸セリウム水溶液を含有する第1反応物流41が入っている。酸化剤(過酸化水素等)が、投入口42から反応物流に添加され、反応物はミキサー43aで混合される。得られた混合物に、投入口45から安定剤が添加され、続いてミキサー43bで混合される。次に、ミキサー43bからの混合物はミキサー43cに入り、そこで投入口44からの水酸化アンモニウムを含有する第2反応物流と混合される。第1及び第2反応物流をミキサー43cを使用して混合することによって反応流を生成する。この反応流は、穿孔スクリーンを通過させることによって機械的せん断に供され得る。更なる実施形態において、ミキサー43cは、反応物流を受け入れるための投入口及び排出口45を備えた前述したようなコロイドミル反応器を含む。更なる実施形態において、ミキサー43cの温度は、約10〜約25℃に維持される。 A continuous reactor suitable for the practice of the present invention is schematically illustrated in FIG. 3 of “METHOD OF PREPARING CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLES” (filed on Sep. 4, 2007) of International Application No. PCT / US2007 / 77545. It is shown in the figure. The reactor 40 contains a first reaction stream 41 containing an aqueous cerium nitrate solution. An oxidizing agent (hydrogen peroxide or the like) is added to the reaction stream from the inlet 42, and the reactant is mixed by the mixer 43a. A stabilizer is added to the obtained mixture from the inlet 45, and then mixed by the mixer 43b. Next, the mixture from mixer 43b enters mixer 43c where it is mixed with the second reactant stream containing ammonium hydroxide from input 44. A reaction stream is generated by mixing the first and second reactant streams using mixer 43c. This reaction stream can be subjected to mechanical shearing by passing it through a perforated screen. In a further embodiment, the mixer 43c includes a colloid mill reactor as described above with an inlet and outlet 45 for receiving the reactant stream. In a further embodiment, the temperature of the mixer 43c is maintained at about 10 to about 25 ° C.

(0137) 43cからの混合物は反応器管45に入り、この管45は、管45を約60〜90℃に維持する恒温浴46中に収容されている。結晶性二酸化セリウムナノ粒子は反応器管45内で形成され、反応器管45はコイル50を含み得る。次に、生成物流は1つ以上のダイアフィルトレーションユニット47に入り、そこで結晶性二酸化セリウムナノ粒子は、1つ以上の半多孔質膜を使用して濃縮される。1つ以上のダイアフィルトレーションユニットを直列に連結して生成物の濃度を1回の通過で達成させ得る。或いは、ユニットを、超高体積量を処理するために並列に設置し得る。ダイアフィルトレーションユニットを、高体積量を高速で処理するために直列と並列とを組み合わせて配置することもできる。濃縮された結晶性二酸化セリウムナノ粒子は、排出口49を経由してダイアフィルトレーションユニットを後にし、過剰な反応物及び水は、排出口48を経由してダイアフィルトレーションユニット47から除去される。代替の実施形態において、安定剤は、ポート45を経由して第1反応物流にではなくポート51を経由して第2反応物流に添加され得る。 [0137] The mixture from 43c enters the reactor tube 45, which is contained in a constant temperature bath 46 that maintains the tube 45 at about 60-90 ° C. Crystalline cerium dioxide nanoparticles are formed in reactor tube 45, which may include a coil 50. The product stream then enters one or more diafiltration units 47 where the crystalline cerium dioxide nanoparticles are concentrated using one or more semiporous membranes. One or more diafiltration units may be connected in series to achieve product concentration in a single pass. Alternatively, units can be placed in parallel to handle ultra high volume volumes. Diafiltration units can also be arranged in combination with series and parallel to process high volumes at high speed. Concentrated crystalline cerium dioxide nanoparticles leave the diafiltration unit via outlet 49 and excess reactants and water are removed from diafiltration unit 47 via outlet 48. The In an alternative embodiment, the stabilizer may be added to the second reaction stream via port 51 rather than to the first reaction stream via port 45.

(0138) 本発明の一実施形態において、ダイアフィルトレーションユニット47から出た、濃縮された格子操作結晶性二酸化セリウムナノ粒子の生成物流は、1種以上のグリコールエーテルの実質的に水を含有しない環境に溶媒シフトされる。これは透析袋を使用して又は水性ナノ粒子をダイアフィルトレーションカラムに、好ましくは1種以上のグリコールエーテルを含む有機希釈剤と共に流すことによって達成可能である。有機希釈剤は更にアルコールを含み得る。有用な希釈剤は、ジエチレングリコールモノメチルエーテルと1−メトキシ−2−プロパノールとの混合物を含む。 In one embodiment of the present invention, the product stream of concentrated lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles exiting diafiltration unit 47 is substantially free of one or more glycol ethers. Solvent shifted to the environment. This can be accomplished using a dialysis bag or by flowing aqueous nanoparticles through a diafiltration column, preferably with an organic diluent containing one or more glycol ethers. The organic diluent can further comprise an alcohol. Useful diluents include a mixture of diethylene glycol monomethyl ether and 1-methoxy-2-propanol.

(0139) 得られる溶媒シフト済み有機濃縮物を、界面活性剤(オレイン酸等)と混合し、続いて無極性溶媒(ケロセン等)又は超低硫黄ディーゼル燃料を含む流れと混合することによって、炭化水素燃料(ディーゼル等)と混和性の格子操作結晶性二酸化セリウムナノ粒子の均質な分散系を生成する。 Carbonization by mixing the resulting solvent-shifted organic concentrate with a surfactant (such as oleic acid) followed by a stream containing a nonpolar solvent (such as kerosene) or an ultra-low sulfur diesel fuel. Produces a homogeneous dispersion of lattice-operated crystalline cerium dioxide nanoparticles that is miscible with hydrogen fuel (such as diesel).

(0140) 格子操作結晶性二酸化セリウムナノ粒子を製造するために連続プロセスを利用すると、バッチ式反応器の場合より良好に粒子核の形成及びその成長を制御することができる。核サイズは、初期の試薬濃度、温度及び試薬濃度に対するナノ粒子安定剤の比によって制御可能である。約20℃未満の低温及び高いナノ粒子安定剤対試薬濃度比は、小さい核に有利に働く。このようにして、約10nm未満の平均流体力学的直径及び約3nm未満の幾何学的粒径を有する極めて小さいナノ粒子を経済的に製造可能である。 [0140] Utilizing a continuous process to produce lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles can better control the formation of particle nuclei and their growth than in a batch reactor. The nucleus size can be controlled by the ratio of the nanoparticle stabilizer to the initial reagent concentration, temperature and reagent concentration. A low temperature below about 20 ° C. and a high nanoparticle stabilizer to reagent concentration ratio favors small nuclei. In this way, very small nanoparticles having an average hydrodynamic diameter of less than about 10 nm and a geometric particle size of less than about 3 nm can be economically produced.

(0141) 本発明は、1種以上の遷移金属イオンを含有する二酸化セリウム(CeO2)ナノ粒子、ナノ粒子安定剤、界面活性剤、グリコールエーテル及び無極性溶媒を含む均質な混合物を調合するための方法を提供する。好ましくは、ナノ粒子は、約10nm未満、より好ましくは約8nm未満、最も好ましくは約6nmの平均流体力学的直径及び約4nm未満の幾何学的粒径(TEMで測定)を有する。 The present invention is for formulating a homogeneous mixture comprising cerium dioxide (CeO 2 ) nanoparticles, nanoparticle stabilizers, surfactants, glycol ethers and nonpolar solvents containing one or more transition metal ions. Provide a way. Preferably, the nanoparticles have an average hydrodynamic diameter of less than about 10 nm, more preferably less than about 8 nm, most preferably about 6 nm and a geometric particle size (measured with TEM) of less than about 4 nm.

(0142) 上述したように、格子操作結晶性二酸化セリウムナノ粒子は、様々な手順で調製可能である。典型的な合成経路においては、溶媒として水が使用され、ナノ粒子と1種以上の塩との水性混合物が得られる。例えば、二酸化セリウム粒子は、反応式(3a)に示されるように、硝酸セリウム(III)水和物を、例えば水酸化アンモニウム水溶液からの水酸化物イオンと反応させて水酸化セリウム(III)を生成することによって調製可能である。水酸化セリウムは、反応式(3b)に示されるように、酸化剤(過酸化水素等)で二酸化セリウム(IV)に酸化可能である。類似のトリスヒドロキシド(trishydroxide)の化学量論比を、反応式(4a)及び(4b)に示す。
〔式6〕
Ce(NO33(6H2O)+2NH4OH → Ce(OH)2NO3+2NH4NO3+6H2O (3a)
〔式7〕
2Ce(OH)2NO3+H22 → 2CeO2+2HNO3+2H2O (3b)
〔式8〕
Ce(NO33(6H2O)+3NH4OH → Ce(OH)3+3NH4NO3+6H2O (4a)
〔式9〕
2Ce(OH)3+H22 → 2CeO2+4H2O (4b)
As described above, lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles can be prepared by a variety of procedures. In a typical synthetic route, water is used as a solvent, resulting in an aqueous mixture of nanoparticles and one or more salts. For example, as shown in the reaction formula (3a), cerium dioxide particles are obtained by reacting cerium (III) nitrate hydrate with hydroxide ions from, for example, an aqueous ammonium hydroxide solution, thereby converting cerium (III) hydroxide. It can be prepared by producing. As shown in the reaction formula (3b), cerium hydroxide can be oxidized to cerium dioxide (IV) with an oxidizing agent (hydrogen peroxide or the like). Similar stoichiometric ratios of trishydroxide are shown in reaction formulas (4a) and (4b).
[Formula 6]
Ce (NO 3 ) 3 (6H 2 O) + 2NH 4 OH → Ce (OH) 2 NO 3 + 2NH 4 NO 3 + 6H 2 O (3a)
[Formula 7]
2Ce (OH) 2 NO 3 + H 2 O 2 → 2CeO 2 + 2HNO 3 + 2H 2 O (3b)
[Formula 8]
Ce (NO 3 ) 3 (6H 2 O) + 3NH 4 OH → Ce (OH) 3 + 3NH 4 NO 3 + 6H 2 O (4a)
[Formula 9]
2Ce (OH) 3 + H 2 O 2 → 2CeO 2 + 4H 2 O (4b)

(0143) 極めて高い塩基レベル(例えば、5:1のOH:Ce)で生成される錯体もまた、酸化セリウム生成の経路となる。ただし、適切に成長を抑制しないと結晶粒サイズがずっと大きいものになる。 [0143] Complexes produced at very high base levels (eg, 5: 1 OH: Ce) are also pathways for cerium oxide formation. However, if the growth is not properly suppressed, the grain size will be much larger.

(0144) 場合によっては、特には水酸化アンモニウムが3価のセリウムイオンに対して過剰に存在しない場合、種Ce(OH)2(NO3)又は(NH42Ce(NO35が最初に存在し得て、続いて二酸化セリウムに酸化される。 In some cases, especially when ammonium hydroxide is not present in excess relative to the trivalent cerium ion, the species Ce (OH) 2 (NO 3 ) or (NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 5 is It can be present first and is subsequently oxidized to cerium dioxide.

(0144) 遷移金属含有結晶性二酸化セリウム粒子は水性環境下で形成され、また1種以上のナノ粒子安定剤と混合される。望ましくは、二酸化セリウムナノ粒子は、安定剤の存在下で形成されるか、粒子形成直後に安定剤が添加される。有用なナノ粒子安定剤には、アルコキシ置換カルボン酸、α−ヒドロキシルカルボン酸(ピルビン酸等)及び小有機ポリカルボン酸が含まれる。アルコキシ置換カルボン酸の例には、メトキシ酢酸、2−(メトキシ)エトキシ酢酸及び2−[2−(2−メトキシエトキシ)エトキシ]酢酸(MEEA)が含まれる。α−ヒドロキシカルボン酸の例には、乳酸、グルコン酸及び2−ヒドロキシブタン酸が含まれる。ポリカルボン酸には、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、酒石酸及びクエン酸が含まれる。望ましい実施形態において、ナノ粒子安定剤は、上記の式(Ia)又は式(Ib)の化合物を含む。 [0144] Transition metal-containing crystalline cerium dioxide particles are formed in an aqueous environment and are mixed with one or more nanoparticle stabilizers. Desirably, the cerium dioxide nanoparticles are formed in the presence of a stabilizer or the stabilizer is added immediately after particle formation. Useful nanoparticle stabilizers include alkoxy-substituted carboxylic acids, α-hydroxylcarboxylic acids (such as pyruvic acid) and small organic polycarboxylic acids. Examples of alkoxy substituted carboxylic acids include methoxyacetic acid, 2- (methoxy) ethoxyacetic acid and 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid (MEEA). Examples of α-hydroxycarboxylic acid include lactic acid, gluconic acid and 2-hydroxybutanoic acid. Polycarboxylic acids include ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tartaric acid and citric acid. In desirable embodiments, the nanoparticle stabilizer comprises a compound of formula (Ia) or formula (Ib) as described above.

(0145) 反応混合物は、遷移金属含有結晶性二酸化セリウム粒子に加えて、1種以上の塩(例えば、硝酸アンモニウム)及び未反応硝酸セリウムを含む。安定化された粒子は、限外濾過又はダイアフィルトレーション装置における18メガオームの水での洗浄によって、これらの材料及び塩から分離可能である。無極性媒質における粒子形成及び安定化のためには低イオン強度(<5mS/cm)が極めて望ましい。洗浄、安定化された二酸化セリウムナノ粒子を、必要に応じて、例えば半多孔質膜を使用して濃縮することによって、そのナノ粒子の水性濃縮物を生成し得る。粒子は、その他の手段(例えば、遠心分離)でも濃縮し得る。 [0145] In addition to the transition metal-containing crystalline cerium dioxide particles, the reaction mixture comprises one or more salts (eg, ammonium nitrate) and unreacted cerium nitrate. Stabilized particles can be separated from these materials and salts by washing with 18 megaohm water in an ultrafiltration or diafiltration apparatus. Low ionic strength (<5 mS / cm) is highly desirable for particle formation and stabilization in nonpolar media. The washed, stabilized cerium dioxide nanoparticles can be optionally concentrated, for example using a semi-porous membrane, to produce an aqueous concentrate of the nanoparticles. The particles can also be concentrated by other means (eg, centrifugation).

(0146) ある好ましい実施形態において、遷移金属含有結晶性二酸化セリウム粒子は、ダイアフィルトレーションによって濃縮される。ダイアフィルトレーション技法では限外濾過膜を利用し、この膜を使用してナノ粒子含有混合物中の塩を完全に除去、置き換え又はその濃度を低下させることが可能である。このプロセスでは、半透(半多孔質)膜フィルタを選択的に利用することによって、その分子サイズに応じて反応混合物の成分を分離する。このため、適切な限外濾過膜は、形成されたナノ粒子の大部分を保持するのに十分な多孔質でありながら、塩、水等のより小さい分子の膜の通過を可能にする。このようにして、ナノ粒子及び会合結合した安定剤を濃縮可能である。フィルタに残った材料は、安定化されたナノ粒子を含め、濃縮物又は保持液(retentate)と称され、廃棄された塩及び未反応材料は濾液と称される。 In certain preferred embodiments, the transition metal-containing crystalline cerium dioxide particles are concentrated by diafiltration. Diafiltration techniques utilize an ultrafiltration membrane that can be used to completely remove, replace, or reduce the concentration of salts in the nanoparticle-containing mixture. In this process, the components of the reaction mixture are separated according to their molecular size by selectively utilizing a semi-permeable (semi-porous) membrane filter. Thus, a suitable ultrafiltration membrane allows the passage of smaller molecules such as salt, water, etc. while being porous enough to retain most of the formed nanoparticles. In this way, the nanoparticles and associated stabilizers can be concentrated. The material remaining in the filter, including the stabilized nanoparticles, is referred to as the concentrate or retentate, and the discarded salt and unreacted material is referred to as the filtrate.

(0147) 混合物に圧力を印加することによって、小さい分子が膜を通過する速度(流量)を加速し、また濃縮プロセスを促進し得る。流量を上昇させるその他の手段には、広い表面積を有する大きい膜の使用及び許容できないナノ粒子の損失を伴うことのない膜の細孔径の拡大が含まれる。 By applying pressure to the mixture, the rate at which small molecules pass through the membrane (flow rate) can be accelerated and the concentration process can be facilitated. Other means of increasing the flow rate include the use of large membranes with large surface areas and expansion of the membrane pore size without unacceptable loss of nanoparticles.

(0148) 一実施形態において、膜は、膜の平均細孔径がナノ粒子の平均直径の約30%以下、20%以下、10%以下、又は5%以下にさえなるように選択される。しかしながら、細孔直径は、水及び塩の分子が通過するのに十分なものでなければならない。例えば、硝酸アンモニウム及び未反応硝酸セリウムを、反応混合物から完全に又は部分的に除去すべきである。ある好ましい実施形態において、平均膜細孔径は、保持液中に1.5nm以上の直径の粒子を保持するのに十分に小さい。これは、約3キロダルトンのタンパク質サイズに相当すると考えられる。 In one embodiment, the membrane is selected such that the average pore size of the membrane is no more than about 30%, 20%, 10%, or even 5% of the average diameter of the nanoparticles. However, the pore diameter must be sufficient for water and salt molecules to pass through. For example, ammonium nitrate and unreacted cerium nitrate should be completely or partially removed from the reaction mixture. In certain preferred embodiments, the average membrane pore size is small enough to retain particles having a diameter of 1.5 nm or greater in the retentate. This is thought to correspond to a protein size of about 3 kilodaltons.

(0149) 望ましくは、濃縮物は、安定化されたナノ粒子及び残留水を含む。一実施形態において、二酸化セリウムナノ粒子の濃度は好ましくは約0.5モルより高く、より好ましくは約1.0モルより高く、更により好ましくは約2.0モルより高い(所定の分散系において固形分約35%)。 [0149] Desirably, the concentrate comprises stabilized nanoparticles and residual water. In one embodiment, the concentration of cerium dioxide nanoparticles is preferably greater than about 0.5 moles, more preferably greater than about 1.0 mole, and even more preferably greater than about 2.0 moles (solids in a given dispersion). Min. 35%).

(0150) 濃縮物が一旦生成されたら、全部ではなくとも殆どの水をグリコールエーテルでの透析によって除去する。これは、ジエチレングリコールメチルエーテルと1−メトキシ−2−プロパノールとの混合物を使用し、2キロダルトンの透析袋に濃縮物を入れ、グリコールエーテル媒質内へと水を交換させ、その一方でグリコールエーテル媒質をナノ粒子分散系中の水と置き換えることによって達成される。数回の交換が必要になり得る(グリコールエーテル媒質の交換)。或いは、グリコールエーテル混合物を、ダイアフィルトレーションカラムに、遷移金属含有結晶性二酸化セリウム粒子水溶液と共に流すことが可能であり、溶媒シフトはこのようにして行われる。 [0150] Once the concentrate is formed, most if not all water is removed by dialysis with glycol ether. This uses a mixture of diethylene glycol methyl ether and 1-methoxy-2-propanol, puts the concentrate in a 2 kilodalton dialysis bag, exchanges water into the glycol ether medium, while the glycol ether medium Is replaced by water in the nanoparticle dispersion. Several exchanges may be necessary (exchange of glycol ether medium). Alternatively, the glycol ether mixture can be flowed through a diafiltration column with an aqueous transition metal-containing crystalline cerium dioxide particle solution, and the solvent shift is thus performed.

(0151) エーテル基及びアルコール基の両方を有するグリコールエーテル界面活性剤には、式(Ic)の化合物が含まれ、式中、R3は置換又は非置換アルキル基を表し、mは1〜8の整数である。
〔式10〕
3(OCH2CH2mOH (Ic)
(0151) Glycol ether surfactants having both ether and alcohol groups include compounds of formula (Ic), wherein R 3 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, and m is 1-8. Is an integer.
[Formula 10]
R 3 (OCH 2 CH 2 ) m OH (Ic)

(0152) 溶媒シフトを行うためのその他の有用な界面活性剤には、式:C91964(OCH2CH2nOH(式中、nは4〜6である)を有するノニルフェニルエトキシレートが含まれる。 Other useful surfactants for performing solvent shifts include the formula: C 9 H 19 C 6 H 4 (OCH 2 CH 2 ) n OH, where n is 4-6. Having nonylphenyl ethoxylate.

(0153) 遷移金属含有結晶性二酸化セリウム粒子が一旦有機媒質中に入ったら(依然として、その製造時に使用された元の安定剤で安定化されているが、グリコールエーテルで錯体化されている)、混合物を、殆どの炭化水素燃料(ディーゼル、バイオディーゼル等)に適合する無極性媒質(ケロセン等)に分散させることが可能である。炭化水素希釈剤に添加する前に、粒子の表面はまず界面活性剤(オレイン酸等)及び任意の補助界面活性剤(1−ヘキサノール等)で官能化される。この物質の組成が、逆ミセル油中水型エマルションではないことに気づくことが重要である。水が殆ど存在せず、セリウムナノ粒子の表面上の正の電荷がエーテル酸素原子で錯化され、また反対の電荷のカルボン酸に結合されてしまっているからである。カルボン酸は化学吸着状態で存在し、またナノ粒子と無極性炭化水素希釈剤との混和性を促進する。その他の表面官能化材料(リノール酸、ステアリン酸、パルミチン酸等)も、オレイン酸の代わりに使用し得る。一般に、好ましい材料は、20炭素原子未満であるが8炭素原子よりは多い炭素鎖長さを有するカルボン酸である。その他の適切な無極性希釈剤には、例えば約8〜20炭素原子を有する炭化水素(例えば、オクタン、ノナン、デカン、トルエン)及び炭化水素燃料(ガソリン、バイオディーゼル、ディーゼル燃料等)が含まれる。 [0153] Once the transition metal-containing crystalline cerium dioxide particles are in the organic medium (still stabilized with the original stabilizer used in its manufacture, but complexed with glycol ether) It is possible to disperse the mixture in a nonpolar medium (such as kerosene) that is compatible with most hydrocarbon fuels (diesel, biodiesel, etc.). Prior to addition to the hydrocarbon diluent, the surface of the particles is first functionalized with a surfactant (such as oleic acid) and an optional co-surfactant (such as 1-hexanol). It is important to realize that the composition of this material is not a reverse micelle oil-in-water emulsion. This is because there is almost no water, and the positive charge on the surface of the cerium nanoparticles is complexed with ether oxygen atoms and bound to the oppositely charged carboxylic acid. Carboxylic acid exists in a chemisorbed state and promotes miscibility of the nanoparticles with the nonpolar hydrocarbon diluent. Other surface functionalized materials (linoleic acid, stearic acid, palmitic acid, etc.) can also be used in place of oleic acid. In general, preferred materials are carboxylic acids having a carbon chain length of less than 20 carbon atoms but greater than 8 carbon atoms. Other suitable nonpolar diluents include, for example, hydrocarbons having about 8-20 carbon atoms (eg, octane, nonane, decane, toluene) and hydrocarbon fuels (gasoline, biodiesel, diesel fuel, etc.). .

(0154) 無極性炭化水素との最適な混和性及び安定性のために、極めて少量のイオンが二酸化セリウム濃縮物中に存在して導電することが望ましい。この状況は、ダイアフィルトレーションを通じてナノ粒子を約5mS/cm未満、好ましくは約3mS/cm以下の導電率レベルにまで濃縮することによって達成可能である。 For optimal miscibility and stability with nonpolar hydrocarbons, it is desirable that very small amounts of ions be present in the cerium dioxide concentrate to conduct electricity. This situation can be achieved by concentrating the nanoparticles through diafiltration to a conductivity level below about 5 mS / cm, preferably below about 3 mS / cm.

(0155) 抵抗率は、導電率(物質が電流を通す能力)の逆数である。導電率計器は、サンプル中に置かれる2枚のプレートを備え、プレート間に電位を印加し(通常は正弦波電圧)、電流を測定することによって導電率を測定可能である。抵抗率(R)の逆数である導電率(G)は、オームの法則:G=1/R=I/E(式中、Iはアンペアでの電流であり、Eはボルトでの電圧である)に従って電圧及び電流値から求められる。溶液中のイオンの電荷が電流のコンダクタンスを促進するため、溶液の導電率は、そのイオン濃度に比例する。導電率の基本単位は、ジーメンス(S)又はミリジーメンス(mS)である。セルの形状は導電率の値に影響することから、標準化測定値は、電極の寸法におけるばらつきを補正するために比導電率単位(mS/cm)で表される。 [0155] Resistivity is the reciprocal of conductivity (the ability of a substance to pass current). The conductivity meter comprises two plates placed in a sample, and the conductivity can be measured by applying a potential between the plates (usually a sinusoidal voltage) and measuring the current. Conductivity (G), which is the reciprocal of resistivity (R), is Ohm's law: G = 1 / R = I / E where I is the current in amperes and E is the voltage in volts ) According to the voltage and current values. Since the charge of ions in the solution promotes the conductance of the current, the conductivity of the solution is proportional to its ion concentration. The basic unit of conductivity is Siemens (S) or Milli-Siemens (mS). Since the shape of the cell affects the conductivity value, standardized measurements are expressed in specific conductivity units (mS / cm) to correct for variations in electrode dimensions.

(0156) 本発明は更に、遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子、少なくとも1種のナノ粒子安定剤、1種以上の溶媒シフト済み媒質(グリコールエーテル等)、少なくとも1種の界面活性剤及び無極性希釈剤又は溶媒を含む均質な混合物を調合するための方法を対象とする。第1工程では、安定化された二酸化セリウムナノ粒子を含む水性混合物を得て、この混合物において、ナノ粒子安定剤の分子はナノ粒子と密接に会合する。第2工程は、懸濁液のイオン強度を最小限にしながら安定化された結晶性二酸化セリウムナノ粒子を濃縮することによって、アニオン及びカチオンを比較的含有しない水性濃縮物を生成することを含む。第3工程では、非イオン性界面活性剤を使用してナノ粒子と会合した水を除去する。最終工程は、この溶媒シフト済み濃縮物を、界面活性剤を含有する無極性溶媒と混合することによって、熱力学的に安定し多成分の2相分散系である実質的に均質な混合物を生成することを含む。 The present invention further includes transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles, at least one nanoparticle stabilizer, one or more solvent-shifted media (such as glycol ethers), at least one surfactant and a nonpolar diluent. Alternatively, it is directed to a method for preparing a homogeneous mixture containing a solvent. In the first step, an aqueous mixture containing stabilized cerium dioxide nanoparticles is obtained, in which the nanoparticles stabilizer molecules are intimately associated with the nanoparticles. The second step involves producing an aqueous concentrate that is relatively free of anions and cations by concentrating the stabilized crystalline cerium dioxide nanoparticles while minimizing the ionic strength of the suspension. In the third step, water associated with the nanoparticles is removed using a nonionic surfactant. The final step is to mix this solvent-shifted concentrate with a non-polar solvent containing a surfactant to produce a substantially homogeneous mixture that is thermodynamically stable and a multi-component two-phase dispersion. Including doing.

(0157) この実質的に均質な熱力学的な分散系は、好ましくは約0.5質量%を超えないレベルの最小量の水を含有する。 This substantially homogeneous thermodynamic dispersion contains a minimum amount of water, preferably at a level not exceeding about 0.5% by weight.

(0158) 遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子は、好ましくは約10nm未満、より好ましくは約8nm未満、最も好ましくは約6nmの平均流体力学的直径及び約4nm以下の幾何学的直径を有する。 The transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles preferably have an average hydrodynamic diameter of less than about 10 nm, more preferably less than about 8 nm, most preferably about 6 nm and a geometric diameter of about 4 nm or less.

(0159) 望ましくは、二酸化セリウムナノ粒子は、約2.5nm±0.5nmの1次微結晶サイズを有し、また1粒子辺長あたり1又は最大で2つの微結晶を含む。 Desirably, the cerium dioxide nanoparticles have a primary crystallite size of about 2.5 nm ± 0.5 nm and include one or up to two crystallites per particle edge length.

(0160) 水性混合物は有利にはコロイドミル反応器内で生成され、ナノ粒子安定剤は、イオン性界面活性剤、好ましくはカルボン酸基及びエーテル基を有する化合物を含み得る。ナノ粒子安定剤は、式(Ia):
〔式11〕
RO(CH2CH2O)aCHR1CO2Y (Ia)
(式中、Rは水素、置換若しくは非置換アルキル基又は置換若しくは非置換芳香族基を表し、R1は水素又はアルキル基を表し、YはH又は対イオンを表し、nは0〜5である)の界面活性剤を含み得る。好ましくは、Rは置換又は非置換アルキル基を表し、R1は水素を表し、Yは水素を表し、nは2である。
[0160] The aqueous mixture is advantageously produced in a colloid mill reactor and the nanoparticle stabilizer may comprise an ionic surfactant, preferably a compound having a carboxylic acid group and an ether group. The nanoparticle stabilizer has the formula (Ia):
[Formula 11]
RO (CH 2 CH 2 O) a CHR 1 CO 2 Y (Ia)
Wherein R represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group or a substituted or unsubstituted aromatic group, R 1 represents hydrogen or an alkyl group, Y represents H or a counter ion, and n represents 0 to 5 Certain surfactants. Preferably, R represents a substituted or unsubstituted alkyl group, R 1 represents hydrogen, Y represents hydrogen, and n is 2.

(0161) 別の適切なナノ粒子安定剤は、式(Ib):
〔式12〕
XO2C(CR2PCO2Z (Ib)
(式中、各R2は独立して水素、置換若しくは非置換アルキル基又は置換若しくは非置換芳香族基を表し、X及びZは独立してH又は対イオンを表し、pは1又は2である)のジカルボキシレートを含む。
Another suitable nanoparticle stabilizer is of formula (Ib):
[Formula 12]
XO 2 C (CR 2 ) P CO 2 Z (Ib)
Wherein each R 2 independently represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group or a substituted or unsubstituted aromatic group, X and Z independently represent H or a counter ion, and p is 1 or 2. Some) dicarboxylates.

(0162) その他の有用なナノ粒子安定剤は、乳酸、グルコン酸エナンチオマー、EDTA、酒石酸、クエン酸及びこれらの組み合わせから成る群に含まれる。 Other useful nanoparticle stabilizers are included in the group consisting of lactic acid, gluconic acid enantiomers, EDTA, tartaric acid, citric acid and combinations thereof.

(0163) 水性混合物の濃縮は好ましくはダイアフィルトレーションを利用して行われ、その結果、この濃縮された水性混合物の導電率は約5mS/cm以下に低下する。 The concentration of the aqueous mixture is preferably performed using diafiltration, so that the conductivity of the concentrated aqueous mixture is reduced to about 5 mS / cm or less.

(0164) 安定化された遷移金属含有結晶性二酸化セリウム粒子を水性環境から非水性環境にシフトさせるために使用する界面活性剤は、有利には、非イオン性界面活性剤、好ましくはアルコール基及びエーテル基を含む化合物、特には式(Ic):
〔式13〕
3(OCH2CH2mOH (Ic)
(式中、R3は置換又は非置換アルキル基を表し、mは1〜8の整数である)の化合物を含み得る。
The surfactant used to shift the stabilized transition metal-containing crystalline cerium dioxide particles from an aqueous environment to a non-aqueous environment is advantageously a non-ionic surfactant, preferably an alcohol group and Compounds containing an ether group, in particular the formula (Ic):
[Formula 13]
R 3 (OCH 2 CH 2 ) m OH (Ic)
(Wherein R 3 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, and m is an integer of 1 to 8).

(0165) 非イオン性界面活性剤は、式(Id):
〔式14〕
3Φ(OCH2CH2mOH (Id)
(式中、R3は置換又は非置換アルキル基を表し、Φは芳香族基であり、mは4〜6の整数である)の化合物も含み得る。
[0165] The nonionic surfactant has the formula (Id):
[Formula 14]
R 3 Φ (OCH 2 CH 2 ) m OH (Id)
(Wherein R 3 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, Φ is an aromatic group, and m is an integer of 4 to 6).

(0166) 反応混合物は更に、補助界面活性剤、好ましくはアルコールを含み得る。 [0166] The reaction mixture may further comprise a cosurfactant, preferably an alcohol.

(0167) この溶媒シフト済み濃縮物の導入は、ナノ粒子を表面官能化する界面活性剤によって促進される。好ましい界面活性剤は、カルボン酸(オレイン酸、リノール酸、ステアリン酸、パルミチン酸等)である。一般に、好ましい材料は、20炭素原子未満であり3炭素原子よりは多い炭素鎖長を有するカルボン酸である。 The introduction of this solvent shifted concentrate is facilitated by a surfactant that surface functionalizes the nanoparticles. Preferred surfactants are carboxylic acids (oleic acid, linoleic acid, stearic acid, palmitic acid, etc.). In general, preferred materials are carboxylic acids having a carbon chain length of less than 20 carbon atoms and greater than 3 carbon atoms.

(0168) 実質的に均質な分散系に含まれる無極性希釈剤は、有利には、約6〜20個の炭素原子を有する炭化水素(例えば、オクタン、デカン、ケロセン、トルエン、ナフサ、ディーゼル燃料、バイオディーゼル及びこれらの混合物)から選択される。燃料添加剤として使用する場合、均質な分散系1部に対して、少なくとも約100部の燃料である。 The apolar diluent contained in the substantially homogeneous dispersion is advantageously a hydrocarbon having about 6 to 20 carbon atoms (eg octane, decane, kerosene, toluene, naphtha, diesel fuel) , Biodiesel and mixtures thereof). When used as a fuel additive, there is at least about 100 parts of fuel per part of homogeneous dispersion.

(0169) 本発明において、遷移金属は好ましくは、Fe、Mn、Cr、Ni、W、Co、V、Cu、Mo、Zr、Y及びこれらの組み合わせから成る群から選択される。好ましい遷移金属はZr又はYであり、より好ましくはFeと組み合わされる。 In the present invention, the transition metal is preferably selected from the group consisting of Fe, Mn, Cr, Ni, W, Co, V, Cu, Mo, Zr, Y and combinations thereof. Preferred transition metals are Zr or Y, more preferably in combination with Fe.

(0170) ディーゼルエンジンシリンダの内面にインシチュでセラミック酸化物コーティングを形成することが有益になり得る。このコーティングの潜在的利点には、熱応力からのエンジンの更なる保護が含まれる。例えば、CeO2は2600℃で溶融し、ディーゼルエンジン製造に使用される一般的な材料である鋳鉄は、約1200〜1450℃で溶融する。5nmのセリア粒子でさえ、1000℃での24時間に亘る酸化からスチールを保護する能力を示したため、サイズ依存性の溶融現象が、本発明の二酸化セリウムナノ粒子の融点を、エンジン内で直面する燃焼温度より下に低下させるとは考えられない。例えば、PatilらのJournal of Nanoparticle Research,vol.4,pp433−438(2002)を参照のこと。このようにして保護されたエンジンは、より高い温度及び圧縮比で動作可能になり得ることから、結果的により高い熱力学的効率が得られる。二酸化セリウムで被覆されたシリンダ壁を有するディーゼルエンジンは、更なる酸化に耐え(CeO2は既に完全に酸化されている)、これによってエンジンの「錆」が防止される。このことは重要である。炭素排出量の削減又は燃費向上に使用される特定の添加剤(例えば、オキシジェネートMTBE、エタノール及びその他のセタン価向上剤(過酸化物等))も、燃焼室に導入されると腐食を悪化させ、これが錆の発生や、エンジンの寿命及び性能の低下につながり得るからである。コーティングは、水再循環冷却システムによるエンジン壁の冷却を妨げるほど厚くあるべきではない。 [0170] It may be beneficial to form a ceramic oxide coating in situ on the inner surface of a diesel engine cylinder. Potential benefits of this coating include further protection of the engine from thermal stress. For example, CeO 2 melts at 2600 ° C., and cast iron, a common material used in diesel engine manufacturing, melts at about 1200-1450 ° C. Even the 5 nm ceria particles showed the ability to protect the steel from oxidation for 24 hours at 1000 ° C., so the size dependent melting phenomenon caused the melting point of the cerium dioxide nanoparticles of the present invention to face the combustion in the engine. It is not expected to drop below the temperature. See, for example, Patil et al., Journal of Nanoparticle Research, vol. 4, pp 433-438 (2002). Engines protected in this way may be able to operate at higher temperatures and compression ratios, resulting in higher thermodynamic efficiency. Diesel engines with cylinder walls coated with cerium dioxide withstand further oxidation (CeO 2 is already fully oxidized), which prevents engine “rust”. This is important. Certain additives used to reduce carbon emissions or improve fuel economy (eg oxygenate MTBE, ethanol and other cetane improvers (peroxides, etc.)) will also corrode when introduced into the combustion chamber. This is because it can lead to the occurrence of rust and a decrease in engine life and performance. The coating should not be so thick as to prevent cooling of the engine wall by the water recirculation cooling system.

(0171) 一実施形態において、本発明は、約10nm未満、好ましくは約8nm未満、より好ましくは6nm又はそれ以下でさえある平均流体力学的直径を有する遷移金属含有結晶性二酸化セリウムナノ粒子を提供し、この粒子は、ディーゼルエンジン用燃料添加剤として有用である。二酸化セリウムナノ粒子の表面は、鉄表面へのその結合を促進させるために変性され得て、また望ましくは、このナノ粒子は、燃料添加剤組成物に添加した場合に、ディーゼルエンジンシリンダの表面にセラミック酸化物コーティングを速やかに形成し得る。 In one embodiment, the present invention provides transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles having an average hydrodynamic diameter that is less than about 10 nm, preferably less than about 8 nm, more preferably 6 nm or even less. The particles are useful as a fuel additive for diesel engines. The surface of the cerium dioxide nanoparticles can be modified to promote its binding to the iron surface, and desirably, the nanoparticles are ceramic on the surface of the diesel engine cylinder when added to the fuel additive composition. An oxide coating can be formed rapidly.

(0172) 一実施形態においては、鉄に対する結合親和性を有する遷移金属が、二酸化セリウムナノ粒子の表面に取り込まれる。鉄表面の例は、多くのエンジン内部部品中に存在するものを含む。適切な遷移金属には、Mn、Fe、Ni、Cr、W、Co、V、Cu、Zr及びYが含まれる。結晶中のセリウムイオン格子部位を占有することによって二酸化セリウムナノ粒子中に取り込まれる遷移金属イオンは、二酸化セリウムの沈殿の後期に導入され得る。遷移金属イオンは、3価のセリウムイオンと組み合わされて、例えばシングルジェット方式で添加可能であり、シングルジェット方式では、3価のセリウムイオン及び遷移金属イオンの両方が一緒に、水酸化アンモニウムが入った反応器に導入される。或いは、遷移金属イオン及び3価のセリウムイオンを一緒に、水酸化物イオンの添加と同時に添加可能である。遷移金属含有粒子は、第2噴流によって同時に導入される水酸化アンモニウム流に対して滴定される3価のセリウムイオン及び溶解された遷移金属イオンのダブルジェット反応でも形成可能である。重要な点として、十分なナノ粒子安定剤が初期の粒子の凝集を防止するために存在することが理解される。 [0172] In one embodiment, a transition metal having binding affinity for iron is incorporated on the surface of the cerium dioxide nanoparticles. Examples of iron surfaces include those present in many engine internal components. Suitable transition metals include Mn, Fe, Ni, Cr, W, Co, V, Cu, Zr and Y. Transition metal ions incorporated into the cerium dioxide nanoparticles by occupying cerium ion lattice sites in the crystal can be introduced later in the precipitation of cerium dioxide. Transition metal ions can be added in combination with trivalent cerium ions, for example, in a single jet mode. In the single jet mode, both trivalent cerium ions and transition metal ions together contain ammonium hydroxide. Introduced into the reactor. Alternatively, transition metal ions and trivalent cerium ions can be added together with the addition of hydroxide ions. Transition metal-containing particles can also be formed by a double jet reaction of trivalent cerium ions and dissolved transition metal ions that are titrated against an ammonium hydroxide stream that is simultaneously introduced by a second jet. Importantly, it is understood that sufficient nanoparticle stabilizer is present to prevent initial particle aggregation.

(0173) 界面活性剤/安定剤の組み合わせは、水性極性媒質から無極性油媒質への溶媒シフトプロセスを支援するという更なる利点を有し得る。荷電及び無荷電界面活性剤の組み合わせにおいて、荷電界面活性剤化合物は、水性環境において支配的な役割を果たす。しかしながら、溶媒シフトが起こるにつれて、荷電化合物は水相中へと可溶化され、また流されやすくなり、無荷電化合物が、逆ミセルエマルションの安定化においてより重要になる。 [0173] Surfactant / stabilizer combinations may have the additional advantage of supporting a solvent shift process from an aqueous polar medium to a nonpolar oil medium. In the combination of charged and uncharged surfactants, charged surfactant compounds play a dominant role in the aqueous environment. However, as solvent shifts occur, charged compounds become solubilized and flowed into the aqueous phase, and uncharged compounds become more important in the stabilization of reverse micelle emulsions.

(0174) カルボン酸基が最大で2個のメチレン基によって分離されるジカルボン酸及びその誘導体(いわゆる「ジェミニカルボキシレート」)もまた、有用な二酸化セリウムナノ粒子安定剤である。加えて、C2〜C8アルキル、アルコキシ及びポリアルコキシ置換ジカルボン酸は有利な安定剤である。 Dicarboxylic acids and their derivatives (so-called “geminicarboxylates”) in which the carboxylic acid groups are separated by up to two methylene groups are also useful cerium dioxide nanoparticle stabilizers. In addition, C 2 -C 8 alkyl, alkoxy and polyalkoxy substituted dicarboxylic acid is preferred stabilizers.

(0175) 本発明において、ナノ粒子安定剤化合物は好ましくは有機カルボン酸を含み、例えば2−[2−(2−メトキシエトキシ)エトキシ]酢酸(MEEA)、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、乳酸、グルコン酸、酒石酸、クエン酸及びこれらの混合物である。 In the present invention, the nanoparticle stabilizer compound preferably contains an organic carboxylic acid, such as 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid (MEEA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), lactic acid, glucone. Acids, tartaric acid, citric acid and mixtures thereof.

(0176) モータ油は、自動車及びその他の乗り物、ボート、芝刈り機、電車、飛行機等における様々な種類の内燃機関の潤滑剤として使用される。エンジンには、しばしば長期間に亘って相互に高速で動く接触部がある。このような擦り合わせ運動は摩擦を引き起こし、一時的な溶接部が形成され、可動部が動かなくなる。この一時的な溶接部を破断すると、モータが作り出した本来なら有用であったはずの力が吸収されてエネルギーが無用な熱に変換されてしまう。摩擦によって、これらの部品の接触面も擦り減り、これが燃料消費量の上昇、モータの効率の低下及び劣化につながり得る。本発明の一態様において、モータ油は、潤滑油、望ましくは約10nm未満、より好ましくは約5nmの平均直径を有する遷移金属含有結晶性二酸化セリウムナノ粒子及び任意で表面吸着された安定剤を含む。 [0176] Motor oil is used as a lubricant for various types of internal combustion engines in automobiles and other vehicles, boats, lawnmowers, trains, airplanes and the like. Engines often have contacts that move at high speed relative to each other over a long period of time. Such a rubbing motion causes friction, a temporary weld is formed, and the movable part stops moving. When this temporary weld is broken, the force that was originally useful by the motor is absorbed and the energy is converted to useless heat. Friction also wears the contact surfaces of these parts, which can lead to increased fuel consumption, reduced motor efficiency, and degradation. In one aspect of the invention, the motor oil comprises a lubricating oil, desirably transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles having an average diameter of less than about 10 nm, more preferably about 5 nm, and optionally a surface adsorbed stabilizer.

(0177) ディーゼル潤滑油は本質的に水を含有しないが(好ましくは300ppm未満)、望ましくは、二酸化セリウムがその水性環境から有機又は無極性環境のそれへと溶媒シフトされてしまっている二酸化セリウム組成物の添加によって改質され得る。二酸化セリウム組成物は、上述したように、約10nm未満、より好ましくは約5nmの平均直径を有するナノ粒子を含む。改質されたディーゼル燃料及び改質された潤滑油で動作するディーゼルエンジンではより高い効率が得られ、特には、燃費の向上、エンジン磨耗度の低下、汚染度の低下又はこれらの特徴の組み合わせがもたらされ得る。 Diesel lubricants are essentially free of water (preferably less than 300 ppm), but desirably cerium dioxide has been solvent shifted from its aqueous environment to that of organic or non-polar environments. It can be modified by the addition of a composition. The cerium dioxide composition includes nanoparticles having an average diameter of less than about 10 nm, more preferably about 5 nm, as described above. Higher efficiencies are obtained with diesel engines that operate with modified diesel fuels and modified lubricants, especially when fuel economy is improved, engine wear is reduced, pollution is reduced, or a combination of these features. Can be brought.

(0178) バフ研磨とも称される金属研磨は、金属及び合金を平滑化し、光沢のある滑らかな鏡のような仕上がりになるまで研磨するプロセスである。金属研磨は、自動車、オートバイ、古美術品等の価値を高めるために使用されることが多い。多くの医療機器も、金属表面の凹凸部に汚れが付着するのを防止するために研磨される。研磨剤はまた、光学素子(レンズ、鏡等)を、それらが取り扱うことになる光の波長の何分の1かの表面平滑性にまで研磨するのに使用される。本発明の滑らかで丸く一様な二酸化セリウム粒子は、研磨剤として有利に使用され得る。また、後続の集積回路の加工のために半導体基板を平坦化(表面を原子レベルで滑らかにする)するのに利用し得る。 [0178] Metal polishing, also called buffing, is a process of smoothing metals and alloys until they have a glossy, smooth mirror finish. Metal polishing is often used to increase the value of automobiles, motorcycles, antique works, and the like. Many medical devices are also polished to prevent dirt from adhering to the irregularities on the metal surface. Abrasives are also used to polish optical elements (lenses, mirrors, etc.) to a surface smoothness that is a fraction of the wavelength of light they will handle. The smooth, round and uniform cerium dioxide particles of the present invention can be advantageously used as an abrasive. It can also be used to planarize the semiconductor substrate (smooth the surface at the atomic level) for subsequent integrated circuit processing.

(0179) 本発明を、以下の実施例によって更に説明する。これらの実施例は、いかなる形であっても本発明を限定することを意図しない。 The present invention is further illustrated by the following examples. These examples are not intended to limit the invention in any way.

(0180〜0181) 実施例1.シングルジェット添加による二酸化セリウムナノ粒子の調製
3リットルの丸底ステンレススチール反応器槽に、1.267リットルの蒸留水、続いて100mlのCe(NO33・6H2O溶液(600g/リットルのCe(NO33・6H2O)を加えた。溶液は透明であり、20℃でpH4.2を有した。続いて、30.5gの2−[2−(2−メトキシエトキシ)エトキシ]酢酸(MEEA)を、槽に加えた。溶液は透明のままであり、pHは20℃で2.8であった。高せん断ミキサー(Silverson Machines製。反応物が蠕動性チュービングポンプによってミキサーブレード内に直接導入可能なように改造されたコロイドミル)を反応器槽内に下降させ、ミキサーヘッドを反応器槽の底部の少し上に位置決めした。ミキサーを5000rpmに設定し、8.0gの30%H22を反応器槽に加えた。次に、40mlにまで希釈された16mlの28〜30%NH4OHを、ミキサーヘッドにより約12秒で反応器槽内にポンプ輸送した。最初は透明だった溶液が、橙色/褐色に変化した。高せん断ミキサーを取り外し、反応器槽を、温度制御ウォータージャケットにまで移動し、R−100プロペラを備えたミキサーを使用して、溶液を450rpmで撹拌した。反応器内にNH4OHをポンプ輸送後3分で、pHは25℃で3.9であった。次の25分に亘って、反応器槽の温度を70℃にまで上昇させた。この時、pHは3.9であった。溶液温度を20分間に亘って70℃で維持した。この間、溶液の色は橙褐色から透明な暗黄色に変化した。pHは70℃で3.6であった。次の25分に亘って温度を25℃にまで低下させた。この時、pHは25℃で4.2であった。動的光散乱法による粒子サイズ分析は、二酸化セリウム強度加重流体力学的直径6nmを示した。次に、分散系を、導電率3mS/cmにまでダイアフィルトレーションに供し、約10倍、CeO2粒子で公称1モルにまで濃縮した。
(0180-0181) Example 1. Preparation of cerium dioxide nanoparticles by single jet addition A 3 liter round bottom stainless steel reactor vessel is charged with 1.267 liter distilled water followed by 100 ml Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O solution (600 g / liter Ce (NO 3 ) 3 · 6H 2 O) was added. The solution was clear and had a pH of 4.2 at 20 ° C. Subsequently, 30.5 g of 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid (MEEA) was added to the vessel. The solution remained clear and the pH was 2.8 at 20 ° C. A high shear mixer (from Silverson Machines, a colloid mill modified so that the reactants can be introduced directly into the mixer blade by a peristaltic tubing pump) is lowered into the reactor vessel and the mixer head is placed at the bottom of the reactor vessel. Positioned slightly above. The mixer was set at 5000 rpm and 8.0 g of 30% H 2 O 2 was added to the reactor vessel. Then, 28 to 30% NH 4 OH in 16ml diluted up to 40 ml, was pumped into the reactor vessel at about 12 seconds by a mixer head. The initially clear solution turned orange / brown. The high shear mixer was removed, the reactor vessel was moved to a temperature controlled water jacket and the solution was stirred at 450 rpm using a mixer equipped with an R-100 propeller. Three minutes after pumping NH 4 OH into the reactor, the pH was 3.9 at 25 ° C. Over the next 25 minutes, the reactor vessel temperature was raised to 70 ° C. At this time, the pH was 3.9. The solution temperature was maintained at 70 ° C. for 20 minutes. During this time, the color of the solution changed from orange brown to clear dark yellow. The pH was 3.6 at 70 ° C. The temperature was lowered to 25 ° C. over the next 25 minutes. At this time, the pH was 4.2 at 25 ° C. Particle size analysis by dynamic light scattering showed a cerium dioxide strength weighted hydrodynamic diameter of 6 nm. The dispersion was then subjected to diafiltration to a conductivity of 3 mS / cm and concentrated approximately 10 times with CeO 2 particles to nominally 1 mole.

(0182) 二酸化セリウム粒子を回収し、過剰な溶媒を蒸発によって除去し、重量収率(MEEAの重量に対して補正)は、62.9%であると測定された。 The cerium dioxide particles were recovered, excess solvent was removed by evaporation and the weight yield (corrected for the weight of MEEA) was measured to be 62.9%.

(0183) 二酸化セリウム粒子を分析するために透過型電子顕微鏡(TEM)も使用された。9マイクロリットル溶液(0.26M)をグリッド上で乾燥させ、図1の画像を撮影した。粒子は、この乾燥状態にあってさえ、凝集の徴候を示していない。溶液における粒子の凝集性向は更に低いと予想される。透過型電子顕微鏡分析(TEM)によって求められた二酸化セリウム粒子の粒径分布(図1にプロットされている)から、約2.6nmの幾何学的直径が得られる。加えて、サイズ分布は実質的に単峰性であり(すなわち、極大が1つしかない)、また一様であり(COV19%)、粒子の殆どが2〜4nmの範囲内にある。 A transmission electron microscope (TEM) was also used to analyze the cerium dioxide particles. A 9 microliter solution (0.26M) was dried on a grid and the image of FIG. 1 was taken. The particles show no signs of aggregation even in this dry state. The tendency of particles to agglomerate in solution is expected to be even lower. From the particle size distribution of cerium dioxide particles determined by transmission electron microscopy (TEM) (plotted in FIG. 1), a geometric diameter of about 2.6 nm is obtained. In addition, the size distribution is substantially unimodal (ie, there is only one maximum) and is uniform (COV 19%) and most of the particles are in the 2-4 nm range.

(0184) 図2は、乾燥した二酸化セリウムナノ粒子サンプルの粉末X線回折パターン70を、NIST(米国国立標準技術研究所)のライブラリから提供された二酸化セリウムの対照スペクトル71と共に示す。サンプルスペクトルの線の位置は、標準スペクトルのものに一致する。2θピーク幅がサンプルスペクトルにおいて極めて広かったが、これは極めて小さい1次微結晶サイズ及び粒子サイズと矛盾しない。X線データ(約8047evのCuKα線)及びシェラーの式(d=0.9*λ/Δ*cos(θ)(式中、λはX線波長であり、Δは半値全幅であり、θはX線ピークに対応する散乱角である))から、1次微結晶サイズは、2.5±0.5nm(5回の反復で信頼度95%)であると計算された。粒子それ自体がこの微結晶のサイズであることから、粒子1個あたり結晶は1つだけであり、したがってこの組成物を結晶性二酸化セリウムと称することによって、これをナノ粒子が様々なサイズの微結晶の凝集体から構成される全ての従来技術から区別することにする。 FIG. 2 shows a powder X-ray diffraction pattern 70 of a dried cerium dioxide nanoparticle sample with a control spectrum 71 of cerium dioxide provided from a library of NIST (National Institute of Standards and Technology). The position of the sample spectrum line matches that of the standard spectrum. The 2θ peak width was very wide in the sample spectrum, which is consistent with very small primary crystallite and particle sizes. X-ray data (approximately 8047 ev CuKα ray) and Scherrer's equation (d = 0.9 * λ / Δ * cos (θ), where λ is the X-ray wavelength, Δ is the full width at half maximum, and θ is From the scattering angle corresponding to the X-ray peak)), the primary crystallite size was calculated to be 2.5 ± 0.5 nm (95% confidence in 5 iterations). Since the particles themselves are the size of this microcrystal, there is only one crystal per particle, so by calling this composition crystalline cerium dioxide, the nanoparticle has different sizes of microcrystals. A distinction will be made from all prior art composed of crystalline aggregates.

(0185) 実施例2:〜1.5nmCeO2ナノ粒子の沈殿
この沈殿は実施例1に倣って行われる。ただし、EDTAと乳酸との安定剤の組み合わせ(比は20:80。76.4gのEDTA二ナトリウム塩及び74.0gの85%乳酸)をMEEA安定剤の代わりに使用する。図3Aは高倍率TEM画像であり、実質的に5nm未満であり1.1±0.3nmと推定される結晶粒サイズを示す。図3Bは代表的な沈殿サンプルの電子回折パターンである。図3Cには表1が含まれ、表では様々な回折リング{311}、{220}、{200}、{111}の強度が立方晶CeO2、立方晶及び六方晶Ce23、Ce(OH)3のフレームワーク内で分析される。明らかに、晶癖を含めた分析済みのリング強度のパーセント偏差は、CeO2の立方晶ホタル石型構造に関して最小限であったことから、この結晶粒直径でのこの多形体の存在が証明される。
Example 2: Precipitation of ˜1.5 nm CeO 2 nanoparticles This precipitation is carried out according to Example 1. However, a combination of EDTA and lactic acid stabilizers (ratio 20:80, 76.4 g EDTA disodium salt and 74.0 g 85% lactic acid) is used in place of the MEEA stabilizer. FIG. 3A is a high magnification TEM image showing the grain size estimated to be 1.1 ± 0.3 nm, substantially less than 5 nm. FIG. 3B is an electron diffraction pattern of a typical precipitation sample. FIG. 3C includes Table 1, where the intensity of the various diffractive rings {311}, {220}, {200}, {111} is cubic CeO 2 , cubic and hexagonal Ce 2 O 3 , Ce. Analyzed within the framework of (OH) 3 . Apparently, the percent deviation of the analyzed ring strength including crystal habit was minimal with respect to the cubic fluorite structure of CeO 2 , thus demonstrating the presence of this polymorph at this grain diameter. The

(0186〜0187) 実施例3:等温ダブルジェット沈殿によるCeO2ナノ粒子の調製(CeO2
3リットルの丸底ステンレススチール反応器槽に、1117グラムの蒸留水を加えた。標準Rv100プロペラを反応器槽内に下降させ、ミキサーヘッドを反応器槽の底部の少し上に位置決めした。ミキサーを700rpmに設定し、反応器の温度を約70℃にした。次に、59.8グラム(98%)のメトキシ酢酸を反応器に加えた。120.0グラムのCe(NO33・6H2Oを含有する250mlの溶液を反応器内に、69.5グラム(28〜30%)の水酸化アンモニウムを含有する溶液と同時にポンプ輸送することによって、ダブルジェット沈殿を5分間に亘って行った。反応器にすすぎ用の蒸留水を流すことによって、反応物供給管から残留物質が除去された。次に、10.2グラムの50%非安定化過酸化水素を反応器及びその内容物に40秒で加えた。最初は、反応混合物は、不透明で暗橙褐色のpH6〜7の液体であった。この反応混合物を更に60分間に亘って加熱し、この間にpHは4.25に低下し(反応(3a)及び(3b)によるヒドロニウムイオンの放出と合致する)、混合物は透明な黄橙色になった。反応混合物を20℃にまで冷却し、導電率3mS/cmにまでダイアフィルトレーションに供することによって過剰な水及び未反応材料を除去した。これによって分散系は約10倍又はCeO2粒子で公称1モルにまで濃縮された。透過型電子顕微鏡分析による粒径分布分析によって(図4)、平均粒子サイズが2.2nmであり、粒径分布は変動係数COV(標準偏差を平均直径で割ったもの)23%を有すると判明した。計算された収率は62.9%であった。
Example 3: Preparation of CeO 2 nanoparticles by isothermal double jet precipitation (CeO 2 )
To a 3 liter round bottom stainless steel reactor tank was added 1117 grams of distilled water. A standard Rv100 propeller was lowered into the reactor vessel and the mixer head was positioned slightly above the bottom of the reactor vessel. The mixer was set at 700 rpm and the reactor temperature was about 70 ° C. Next, 59.8 grams (98%) of methoxyacetic acid was added to the reactor. 250 ml of a solution containing 120.0 grams of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O is pumped into the reactor simultaneously with a solution containing 69.5 grams (28-30%) of ammonium hydroxide. The double jet precipitation was carried out over a period of 5 minutes. Residual material was removed from the reactant feed tube by flushing the reactor with distilled water for rinsing. Next, 10.2 grams of 50% unstabilized hydrogen peroxide was added to the reactor and its contents in 40 seconds. Initially, the reaction mixture was an opaque, dark orange brown pH 6-7 liquid. The reaction mixture is heated for an additional 60 minutes, during which time the pH drops to 4.25 (consistent with the release of hydronium ions by reactions (3a) and (3b)) and the mixture becomes clear yellow-orange. became. The reaction mixture was cooled to 20 ° C. and excess water and unreacted material were removed by diafiltration to a conductivity of 3 mS / cm. This concentrated the dispersion to about 10 times or nominally 1 mole with CeO 2 particles. Particle size distribution analysis by transmission electron microscope analysis (FIG. 4) reveals that the average particle size is 2.2 nm and the particle size distribution has a coefficient of variation COV (standard deviation divided by average diameter) 23%. did. The calculated yield was 62.9%.

(0188) 実施例4:銅含有CeO2ナノ粒子(Ce0.9Cu0.11.95
実施例3の条件を繰り返した。ただし、硝酸セリウム溶液は、108.0グラムの硝酸セリウム六水和物及び6.42グラムのCe(NO33・2.5H2Oを含有していた。これらの金属塩を別々に溶解し、次にそれらを混合することによって250mlの溶液を生成した。反応は、実施例3に記載されるようにして進行した。ただし、過酸化水素は、セリウム及びアンモニアが添加されてから40秒で添加された。透過型電子顕微鏡分析による粒径分布分析によって(図5)、平均粒子サイズが2.5nmであり、粒径分布は変動係数COV(標準偏差を平均直径で割ったもの)25%を有すると判明した。2峰性の分布が存在しないことに留意すること。2次ピークは、CuがCeO2格子には取り込まれず、別個のCu23として存在することを示すと考えられる。
Example 4: Copper-containing CeO 2 nanoparticles (Ce 0.9 Cu 0.1 O 1.95 )
The conditions of Example 3 were repeated. However, the cerium nitrate solution contained 108.0 grams of cerium nitrate hexahydrate and 6.42 grams of Ce (NO 3 ) 3 .2.5H 2 O. These metal salts were dissolved separately and then mixed to form a 250 ml solution. The reaction proceeded as described in Example 3. However, hydrogen peroxide was added 40 seconds after cerium and ammonia were added. Particle size distribution analysis by transmission electron microscope analysis (FIG. 5) reveals that the average particle size is 2.5 nm and the particle size distribution has a coefficient of variation COV (standard deviation divided by average diameter) 25%. did. Note that there is no bimodal distribution. The secondary peak is believed to indicate that Cu is not incorporated into the CeO 2 lattice and exists as a separate Cu 2 O 3 .

(0189〜0190) 実施例5:鉄含有CeO2ナノ粒子(Ce0.9Fe0.11.95)(CeO−255)
実施例4の条件を繰り返した。ただし、金属塩溶液は、108.0グラムの硝酸セリウム六水和物及び11.16グラムのFe(NO33・9H2Oを含有していた。これらの金属塩を別々に溶解し、次にそれらを混合することによって250mlの溶液を生成した。反応は、実施例4に記載されるようにして進行した。沈殿した粒子のTEM画像(図6A)及び透過型電子顕微鏡分析による粒径分布分析によって(図6B)、平均粒子サイズが2.2±0.7nmであり、粒径分布は変動係数COV(標準偏差を平均直径で割ったもの)32%を有すると判明した。計算された収率は55.1%であった。
(0189-0190) Example 5: Iron-containing CeO 2 nanoparticles (Ce 0.9 Fe 0.1 O 1.95 ) (CeO-255)
The conditions of Example 4 were repeated. However, the metal salt solution contained 108.0 grams of cerium nitrate hexahydrate and 11.16 grams of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O. These metal salts were dissolved separately and then mixed to form a 250 ml solution. The reaction proceeded as described in Example 4. By TEM image of the precipitated particles (FIG. 6A) and particle size distribution analysis by transmission electron microscope analysis (FIG. 6B), the average particle size is 2.2 ± 0.7 nm and the particle size distribution is a coefficient of variation COV (standard Deviation divided by average diameter) was found to have 32%. The calculated yield was 55.1%.

(0191〜0192) 実施例6:ジルコニウム含有CeO2ナノ粒子(Ce0.9Zr0.152)(CeO−257)
実施例4の条件を繰り返した。ただし、金属塩溶液は、101.89グラムの硝酸セリウム六水和物及び9.57グラムのZrO(NO32・6H2Oを含有していた。これらの金属塩を別々に溶解し、次にそれらを混合することによって250mlの溶液を生成した。反応は、実施例4に記載されるようにして進行した。ただし、反応は85℃で行われた。透過型電子顕微鏡分析による粒径分布分析によって(図7A)、平均粒子サイズが2.4±0.7nmであり、粒径分布は変動係数COV(標準偏差を平均直径で割ったもの)29%を有すると判明した。誘導結合プラズマ原子発光分光法によって、Ce0.82Zr0.181.91の化学量論比が判明し、ZrO2のCeO2への相対不溶性を考えると、これはより高いZr含有量(18%対15%)の説明となる。
(0191-0192) Example 6: Zirconium-containing CeO 2 nanoparticles (Ce 0.9 Zr 0.15 O 2 ) (CeO-257)
The conditions of Example 4 were repeated. However, the metal salt solution contained 101.89 grams of cerium nitrate hexahydrate and 9.57 grams of ZrO (NO 3 ) 2 .6H 2 O. These metal salts were dissolved separately and then mixed to form a 250 ml solution. The reaction proceeded as described in Example 4. However, the reaction was carried out at 85 ° C. According to particle size distribution analysis by transmission electron microscope analysis (FIG. 7A), the average particle size is 2.4 ± 0.7 nm, and the particle size distribution is a coefficient of variation COV (standard deviation divided by average diameter) 29% Was found to have. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy revealed the stoichiometric ratio of Ce 0.82 Zr 0.18 O 1.91 , and given the relative insolubility of ZrO 2 to CeO 2 , this is a higher Zr content (18% vs. 15% ).

(0193〜0194) 実施例7a:ジルコニウム及び鉄含有CeO2ナノ粒子(Ce0.9Zr0.15Fe0.11.95)(CeO−270)
実施例4の条件を繰り返した。ただし、金属塩溶液は、84.0グラムの硝酸セリウム六水和物、11.16グラムのFe(NO33・9H2O及び12.76グラムのZrO(NO32・6H2Oを含有していた。これらの金属塩を別々に溶解し、次にそれらを混合することによって250mlの溶液を生成した。反応は、実施例4に記載されるようにして進行した。ただし、反応は85℃で行われ、過酸化水素溶液(50%)は20.4gに増量され、10分で添加された。粒子のTEM画像(図8A)及び透過型電子顕微鏡分析による粒径分布分析によって(図8B)、平均粒子サイズが2.2±0.6nmであり、粒径分布は変動係数COV(標準偏差を平均直径で割ったもの)27%を有すると判明した。ここでもまた、単分散、単峰性の分布が、ZrO2及びFe23結晶粒が別々に再核形成されるのではなく共に取り込まれる概念を裏付けている。計算された収率は78%であった。誘導結合プラズマ原子発光分光法によって、Ce0.69Fe0.14Zr0.170.915の化学量論比が判明した。ここでもまた、公称量に対して相対的により濃縮されたFe及びZrは、その水酸化物前駆体の水酸化セリウムのものより高い不溶性を反映している。図8Cも、遷移金属非含有CeO2と比較したこのサンプル(上の曲線)の粉末X線回折パターンである。32度2θでのピーク(矢印で示される)の欠如は、遊離のZrO2がないことを意味する。すなわち、セリウム格子に全て取り込まれている。また、50、52度2θでのピークの欠如は、Fe23が別箇に存在しないことを示す(すなわち、Feのセリウム格子への取り込み)。大きな2θ散乱角でのより大きな2θへのシフトに留意すること。これは格子(nλ/2d=sinθ)の歪み又は収縮を示し、置き換わるCe4+(0.97Å)に対するFe3+(0.78Å)及びZr4+(0.84Å)のより小さいイオン半径に合致している。このため、遷移金属がCeO2格子に取り込まれ、純粋なZrO2及びFe23ナノ粒子が別箇に存在しないと発明者は結論づけた。単峰性の粒径分布もこの結論を裏付けている。
Example 0a: Zirconium and iron-containing CeO 2 nanoparticles (Ce 0.9 Zr 0.15 Fe 0.1 O 1.95 ) (CeO-270)
The conditions of Example 4 were repeated. However, the metal salt solution was 84.0 grams of cerium nitrate hexahydrate, 11.16 grams of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O and 12.76 grams of ZrO (NO 3 ) 2 .6H 2 O. Contained. These metal salts were dissolved separately and then mixed to form a 250 ml solution. The reaction proceeded as described in Example 4. However, the reaction was carried out at 85 ° C., and the hydrogen peroxide solution (50%) was increased to 20.4 g and added in 10 minutes. By means of a TEM image of the particles (FIG. 8A) and particle size distribution analysis by transmission electron microscopy (FIG. 8B), the average particle size is 2.2 ± 0.6 nm and the particle size distribution is expressed by a coefficient of variation COV (standard deviation). (Divided by the average diameter) was found to have 27%. Again, the monodisperse, unimodal distribution supports the concept that ZrO 2 and Fe 2 O 3 grains are incorporated together rather than being renucleated separately. The calculated yield was 78%. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy revealed a stoichiometric ratio of Ce 0.69 Fe 0.14 Zr 0.17 O 0.915 . Again, Fe and Zr, which are more concentrated relative to the nominal amount, reflect a higher insolubility than that of its hydroxide precursor, cerium hydroxide. FIG. 8C is also the powder X-ray diffraction pattern of this sample (upper curve) compared to transition metal free CeO 2 . The lack of a peak at 32 degrees 2θ (indicated by the arrow) means that there is no free ZrO 2 . That is, they are all incorporated into the cerium lattice. Also, the lack of peaks at 50, 52 degrees 2θ indicates that there is no separate Fe 2 O 3 (ie, incorporation of Fe into the cerium lattice). Note the shift to larger 2θ at large 2θ scattering angles. This indicates strain or shrinkage of the lattice (nλ / 2d = sin θ), with smaller ionic radii of Fe 3+ (0.78 Å) and Zr 4+ (0.84 Å) for replacing Ce 4+ (0.97 Å). It matches. For this reason, the inventor concluded that the transition metal was incorporated into the CeO 2 lattice and that pure ZrO 2 and Fe 2 O 3 nanoparticles were not present separately. Unimodal particle size distributions support this conclusion.

(0195〜0196) 実施例7b〜f:ジルコニウム及び鉄含有CeO2ナノ粒子(ジルコニウムが15%で鉄の量が体系的に異なる場合(15%、20%、25%、30%)及び鉄が20%及びジルコニウムが20%の場合)
実施例7aの条件に倣った。しかしながら、適切な金属含有塩溶液を使用して、鉄又はジルコニウムの量を調節して記載の公称化学量論比を得た。一方、硝酸セリウム六水和物全体が、上昇した濃度の鉄又はジルコニウム遷移金属に対応するために還元された。
(0195-0196) Examples 7b-f: CeO 2 nanoparticles containing zirconium and iron (if zirconium is 15% and the amount of iron is systematically different (15%, 20%, 25%, 30%) and iron is 20% and 20% zirconium)
The conditions of Example 7a were followed. However, using the appropriate metal-containing salt solution, the amount of iron or zirconium was adjusted to obtain the stated nominal stoichiometric ratio. On the other hand, the entire cerium nitrate hexahydrate was reduced to accommodate increased concentrations of iron or zirconium transition metals.

(0197) 図9は、実施例1で形成された粒子の電界放出型電子銃TEM格子画像である。明確にするために、2つの粒子を円で囲んでいる。5nm未満の直径を有する単一結晶の輪郭を定める少数の格子面に留意すること。様々な材料の水性ゾルを、30分間に亘ってマッフル炉において1000℃で加熱した。これらの完全に乾燥させたサンプルのOSC、その最大OSCに達した時の動態を、Sarkasらが「Nanocrystalline Mixed Metal Oxides−Novel Oxygen Storage Materials」(Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.788,L4.8.1(2004))において記載するように、熱重量技法によって測定した。典型的には、5%の水素を含有する窒素ガスにおける極めて速い初期還元速度及びそれに続く第2のより遅い速度が観察される。 FIG. 9 is a field emission electron gun TEM grid image of the particles formed in Example 1. For clarity, the two particles are circled. Note the small number of lattice planes that delineate a single crystal with a diameter of less than 5 nm. Aqueous sols of various materials were heated at 1000 ° C. in a muffle furnace for 30 minutes. The OSC of these fully dried samples, the kinetics when the maximum OSC was reached, was described by Sarkas et al. , L 4.8.1 (2004)) as measured by thermogravimetric techniques. Typically, a very fast initial reduction rate in nitrogen gas containing 5% hydrogen followed by a second slower rate is observed.

(0197後半) 付随する表2は、様々な格子操作セリアナノ粒子(Sigma Aldrich社の対照を除いて全て2nm)の5%のH2を含有する700℃の窒素ガスにおける還元に関する酸素吸蔵能力(カッコ内は1σ再現性)及び速い(k1)、遅い(k2)速度定数(カッコ内は1標準偏差)を示す。これらの値は、第2のTGA機器(平均2.6%の差)、ガスフロー差(平均1%偏差)及び1000℃、30分での反復試験サンプル調製(平均1.54偏差)に対してクロスチェック済みである。表2の内容から、二酸化セリウム粒子のOSCは、約2nm〜20μmの範囲でサイズ依存性とは考えられないことがわかる。これは、より大きい粒子への焼結の結果であり得る。ジルコニウムの添加によってOSCが約50%上昇し、また10倍の速度上昇を伴うことに留意すること。更に、Zr含有材料への鉄の添加によって、遷移金属イオンを含有していない二酸化セリウム粒子と比較して10倍の速度でOSCが3倍近くになる。これらの値は、記載の参考文献における値の3倍を超える。クエン酸が還元速度定数に与える有益な影響は、安定剤が、熱分解された後であっても、粒子表面積又はモルホロジーに影響を与え得ることを示唆すると考えられる。

Figure 0005438772
(The latter half of 0197) The accompanying Table 2 shows the oxygen storage capacity (in parentheses) for the reduction in 700 ° C. nitrogen gas containing 5% H 2 of various lattice-engineered ceria nanoparticles (all 2 nm except Sigma Aldrich control). In the figure, 1σ reproducibility) and fast (k1) and slow (k2) rate constants (1 standard deviation in parentheses) are shown. These values are for the second TGA instrument (average 2.6% difference), gas flow difference (average 1% deviation) and repeated test sample preparation (average 1.54 deviation) at 1000 ° C. for 30 minutes. Cross checked. From the contents of Table 2, it can be seen that the OSC of the cerium dioxide particles is not considered to be size-dependent in the range of about 2 nm to 20 μm. This can be the result of sintering to larger particles. Note that the addition of zirconium increases the OSC by about 50% and is accompanied by a 10-fold rate increase. Furthermore, the addition of iron to the Zr-containing material results in nearly three times the OSC at a rate ten times that of cerium dioxide particles that do not contain transition metal ions. These values are more than three times the values in the described reference. The beneficial effect of citric acid on the reduction rate constant is believed to suggest that the stabilizer can affect particle surface area or morphology even after pyrolysis.
Figure 0005438772

(0198) 本発明を、様々な特定の実施形態への言及により説明してきたが、記載の発明概念の精神及び範囲内で多数の変更を加え得ることを理解すべきである。したがって、本発明が記載の実施形態に限定されることなく、以下の請求項の文言により定義される全範囲を有することが意図される。 Although the present invention has been described with reference to various specific embodiments, it should be understood that numerous modifications can be made within the spirit and scope of the described inventive concept. Accordingly, the invention is not intended to be limited to the described embodiments but is to have the full scope defined by the language of the following claims.

Claims (14)

少なくとも1種の遷移金属(M)を含有する格子操作結晶性二酸化セリウムナノ粒子を形成するためのプロセスであって、
(a)3価のセリウムイオンの供給源、1種以上の遷移金属イオン(M)の供給源、水酸化物イオンの供給源、少なくとも1種のナノ粒子安定剤及び酸化剤を含む水性反応混合物を25℃より高くから95℃までの初期温度で得て、
(b)前記混合物を機械的にせん断し、また穿孔スクリーンを通過させることによって水酸化セリウムナノ粒子の均質に分布した懸濁液を生成し、
(c)3価のセリウムイオンを4価のセリウムイオンに酸化するのに効果的な温度条件にすることによって、遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2(式中、xは.3〜.8の値を有する)を含む生成物流を生成することを含み、前記温度条件が50〜100℃の温度を含み、前記ナノ粒子が、結晶性立方晶ホタル石型構造、0nmの平均流体力学的直径及びnmの幾何学的直径を有することを特徴とするプロセス。
A process for forming lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles containing at least one transition metal (M) comprising:
(A) an aqueous reaction mixture comprising a source of trivalent cerium ions, a source of one or more transition metal ions (M), a source of hydroxide ions, at least one nanoparticle stabilizer and an oxidizing agent the obtained at an initial temperature of up to 95 ° C. from greater than 25 ° C.,
(B) mechanically shearing the mixture and passing it through a perforated screen to produce a homogeneously distributed suspension of cerium hydroxide nanoparticles;
(C) By making the temperature conditions effective for oxidizing trivalent cerium ions to tetravalent cerium ions, transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 (wherein x is 0 includes generating a product stream comprising a) a value of .3~ 0.8, said temperature conditions include a temperature of 50 to 100 ° C., wherein the nanoparticles, crystalline cubic fluorite structure, 1 process characterized by having a geometric diameter of an average hydrodynamic diameter of ~ 1 0 nm and 1 ~ 4 nm.
前記機械的せん断がコロイドミルで行われる、請求項1に記載のプロセス。   The process of claim 1, wherein the mechanical shearing is performed in a colloid mill. 3価のセリウムイオンを4価のセリウムイオンに酸化するのに効果的な前記温度条件が0〜0℃の温度を含む、請求項に記載のプロセス。 Effective said temperature conditions to oxidize the trivalent cerium ions to tetravalent cerium ions including temperature of 6 0~ 9 0 ℃, The process of claim 1. 前記イオンの供給源が、前記反応混合物に、前記機械的せん断中に同時に又は順次導入される、請求項1に記載のプロセス。   The process of claim 1, wherein the source of ions is introduced into the reaction mixture simultaneously or sequentially during the mechanical shear. 前記二酸化セリウムナノ粒子が、nmの平均流体力学的直径を有する、請求項1に記載のプロセス。 The process of claim 1, wherein the cerium dioxide nanoparticles have an average hydrodynamic diameter of 6 nm. 請求項1に記載のプロセスによって形成された安定化された格子操作遷移金属含有結晶性二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2 (式中、xは0.3〜0.8の値を有する)を含有する均質な分散系を生成するためのプロセスであって、
(a)立方晶ホタル石型構造を有する安定化された遷移金属ドープ二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2を含む水性混合物を得て、前記ナノ粒子が、0nmの平均流体力学的直径及びnm未満の幾何学的直径を有し、
(b)前記安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子を含む前記水性混合物を濃縮することによって水性濃縮物を生成し、
(c)前記水性濃縮物からての水を除去することによって、前記安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子のを含有しない濃縮物を生成し、
(d)有機希釈剤を前記を含有しない濃縮物に添加することによって、前記安定化された遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子の有機濃縮物を生成し、
(e)前記有機濃縮物を、無極性媒質の存在下、界面活性剤と混合することによって、安定化された遷移金属含有結晶性二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2を含有する均質な分散系を形成することを含むことを特徴とするプロセス。
Grid operation in the transition metal-containing crystalline cerium dioxide particles Ce 1-x M x O 2 ( wherein the stabilized formed by the process of claim 1, x has a value of 0.3 to 0.8 ) a process for producing a homogeneous dispersion containing,
(A) obtaining an aqueous mixture comprising stabilized transition metal doped cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 having a cubic fluorite-type structure, wherein the nanoparticles have an average hydrodynamics of 1 to 10 nm And a geometric diameter of less than 4 nm,
(B) producing an aqueous concentrate by concentrating the aqueous mixture comprising the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles;
(C) by removing the water of all hand from the aqueous concentrate to produce the free water of the stabilized transition metal containing cerium dioxide particles concentrate,
(D) generating an organic concentrate of the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles by adding an organic diluent to the water- free concentrate;
(E) Homogeneous containing the transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 stabilized by mixing the organic concentrate with a surfactant in the presence of a nonpolar medium. A process comprising forming a dispersion.
前記遷移金属含有二酸化セリウムナノ粒子Ce1-xx2における前記遷移金属Mが、Fe、Mn、Cr、Ni、W、Co、V、Cu、Zr、Y、Mo及びこれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項に記載のプロセス。 The group in which the transition metal M in the transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 is composed of Fe, Mn, Cr, Ni, W, Co, V, Cu, Zr, Y, Mo, and combinations thereof The process according to claim 6 , selected from: xが、.30〜.80の値を有する、請求項に記載のプロセス。 x is 0 . 30-0. The process of claim 7 having a value of 80. xが、.40〜.60の値を有する、請求項に記載のプロセス。 x is 0 . 40-0. The process of claim 8 having a value of 60. 前記遷移金属MがZr又はYを含む、請求項に記載のプロセス。 The process according to claim 7 , wherein the transition metal M comprises Zr or Y. 前記遷移金属Mが更にFeを含む、請求項10に記載のプロセス。 The process of claim 10 , wherein the transition metal M further comprises Fe. 前記有機希釈剤がグリコールエーテルを含む、請求項に記載のプロセス。 The process of claim 6 , wherein the organic diluent comprises a glycol ether. 内燃機関排気系の触媒コンバータ用ウォッシュコートであって、請求項に従って形成された安定化された遷移金属含有結晶性二酸化セリウムナノ粒子を含有する均質な分散系を使用して形成されることを特徴とするウォッシュコート。 Washcoat for catalytic converters of internal combustion engine exhaust systems, characterized in that it is formed using a homogeneous dispersion containing stabilized transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles formed according to claim 6. Wash coat. 還元反応又は酸化反応の加速に効果的な触媒であって、請求項に従って形成された安定化された遷移金属含有結晶性二酸化セリウムナノ粒子を含有する均質な分散系を使用して生成されることを特徴とする触媒。 A catalyst effective in accelerating a reduction or oxidation reaction, produced using a homogeneous dispersion containing stabilized transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles formed according to claim 6 A catalyst characterized by.
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