KR20110106884A - Fuel additive containing lattice engineered cerium dioxide nanoparticles - Google Patents

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토마스 디. 올스톤
리처드 케이. 헤일스톤
안드레아스 랭그너
케네스 제이. 리드
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Abstract

본 발명은 제1세륨 이온을 제2세륨 이온으로 산화시키기에 효과적인 양으로 산화제를 포함하는 수성 혼합물을 기계적 전단시키고, 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자 Ce1 - xMxO2(여기서 "x"는 약 0.3 내지 약 0.8의 값을 가짐)를 포함하는 생성물 스트림을 형성하여 생성된 수산화세륨 나노입자의 현탁액을 사용하여 1종 이상의 전이 금속(M)을 포함하는 이산화세륨 나노입자의 제조 방법에 관한 것이다. 그리하여 얻은 나노입자는 입방 형석형 구조를 가지며, 평균 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚ 범위이며, 기하 직경이 약 4 ㎚ 미만이다. 전이 금속-함유 결정질 이산화세륨 나노입자는 비극성 매체중에서 입자의 분산물을 생성하는데 사용될 수 있다.The present invention mechanically shears an aqueous mixture comprising an oxidant in an amount effective to oxidize a first cerium ion to a second cerium ion, wherein the transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1 - x M x O 2 (where “x Has a value of about 0.3 to about 0.8) to a process for preparing cerium dioxide nanoparticles comprising at least one transition metal (M) using a suspension of cerium hydroxide nanoparticles produced. It is about. The nanoparticles thus obtained have a cubic fluorspar structure, with an average hydrodynamic diameter in the range of about 1 nm to about 10 nm, and a geometric diameter of less than about 4 nm. Transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles can be used to produce dispersions of particles in nonpolar media.

Figure pct00019
Figure pct00019

Description

격자 엔지니어링된 이산화세륨 나노입자를 포함하는 연료 첨가제{FUEL ADDITIVE CONTAINING LATTICE ENGINEERED CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLES}Fuel additive containing lattice engineered cerium dioxide nanoparticles {FUEL ADDITIVE CONTAINING LATTICE ENGINEERED CERIUM DIOXIDE NANOPARTICLES}

관련 출원에 대한 교차 참조Cross Reference to Related Applications

본 출원은 모두 2007년 9월 4일자로 출원된 이산화세륨 나노입자의 제조 방법이라는 명칭의 PCT/US07/077545 및 이산화세륨 나노입자-함유 연료 첨가제라는 명칭의 PCT/US07/077535에 관한 것이며, 본 출원은 2006년 9월 5일자로 출원된 세륨-함유 연료 첨가제라는 명칭의 미국 가출원 제60/824,514호; 2007년 4월 11일자로 출원된 역미셸 연료 첨가제 조성물이라는 명칭의 미국 가출원 제60/911,159호; 및 2007년 5월 16일자로 출원된 역미셸 연료 첨가제 조성물이라는 명칭의 미국 가출원 제60/938,314호를 우선권 주장한다. 이들 출원 모두의 개시 내용은 본원에 참고로 포함된다.This application is all related to PCT / US07 / 077545 and Cerium Dioxide Nanoparticle-Containing Fuel Additive, filed on September 4, 2007, filed with the method of preparing cerium dioxide nanoparticles, The application is filed in US Provisional Application No. 60 / 824,514, filed Sep. 5, 2006; US Provisional Application No. 60 / 911,159, filed April 11, 2007, entitled Reverse Michel Fuel Additives Composition; And US Provisional Application No. 60 / 938,314, filed May 16, 2007, entitled Reverse Michel Fuel Additives Composition. The disclosures of all these applications are incorporated herein by reference.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 일반적으로 이산화세륨 나노입자 및, 특히 1종 이상의 전이 금속(M)을 포함하는 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2 및 상기 입자의 제조 방법에 관한 것이다. 이들 나노입자는 연료 첨가제 조성물의 성분으로서, 촉매 변환기용 워시코트로서 또는 환원/산화 반응용 촉매로서 유용하다.The present invention relates generally to cerium dioxide nanoparticles and in particular to cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 comprising at least one transition metal (M) and to a process for the preparation of said particles. These nanoparticles are useful as components of fuel additive compositions, as washcoats for catalytic converters or as catalysts for reduction / oxidation reactions.

트럭 산업은 미국 GDP의 5% 이상을 차지하며, 개인 트럭 사업자를 비롯한 500,000대 이상의 임대, 전용 및 정부 차량으로 이루어진다. 이는 생산 제품 및 소매품을 비롯한 모든 유형의 국내 화물 교통에 의하여 운반되는 톤수의 거의 70%를 나타내는 미국 경제의 지표이다. 이러한 산업은 불꽃 점화(가솔린) 엔진에 비하여 더 낮은 rpm 및 25% 더 큰 열역학적 효율로 개발된 하이 토크를 특징으로 하는 디젤 엔진(압축 점화 엔진)에 의하여 거의 전적으로 동력을 얻는다. 2007 EPA에서 명령한 질소 산화물(NOx) 및 디젤 입자상 물질(DPM 또는 매연)에서 배출 감소 결과로서, 디젤 연료를 사용하는 자동차는 디젤 산화 촉매(DOC) 또는 일부 형태의 촉매 변환기를 장착하여야만 하며 초저황 디젤 연료 ULSD(<15 ppm S)를 사용하여야만 한다. 이와 같은 기술 및 기타의 기술, 예컨대 EGR(배기 가스 재순환)은 EPA가 명령한 배기 기준을 충족시켜야만 한다. ULSD 요건은 높은 황 농도에 의한 DOC상에서의 귀금속의 황 피독의 결과이다. 이러한 법규는 미국에서 (포장도로용) 디젤 연료가 650 M gal/주의 엄청난 비율로 소비되고 있기 때문이며, 이러한 비율은 가솔린(1,300 M gal/주) 다음으로 높다.The trucking industry accounts for more than 5% of US GDP and consists of more than 500,000 rental, dedicated and government vehicles, including private truck operators. This is an indicator of the US economy representing nearly 70% of the tonnage carried by all types of domestic cargo traffic, including manufactured and retail goods. This industry is almost entirely powered by diesel engines (compressed ignition engines) characterized by high torque developed at lower rpm and 25% greater thermodynamic efficiency than spark ignition (gasoline) engines. As a result of reduced emissions from nitrogen oxides (NO x ) and diesel particulate matter (DPM or soot) as mandated by the 2007 EPA, vehicles using diesel fuel must be equipped with diesel oxidation catalyst (DOC) or some form of catalytic converter and Low sulfur diesel fuel ULSD (<15 ppm S) must be used. These and other techniques, such as EGR (Exhaust Gas Recirculation), must meet the EPA-mandated emission standards. The ULSD requirement is the result of sulfur poisoning of precious metals on DOC due to high sulfur concentrations. The legislation is due to the huge consumption of diesel fuel (for pavement) in the United States at 650 M gal / week, the second highest after gasoline (1,300 M gal / week).

EPA 명령의 귀속 비용은 디젤 연료 1 갤런의 가격에 약 0.39 달러가 추가될 것으로 추정된다. 이는 증가된 엔진 비용($0.11/gal), 입자 트랩 유지($0.05/gal), 감소된 연료 비용($0.09/gal), ULSD의 증가($0.06/gal) 및 더 낮은 ULSD 연료 에너지 함유량($0.08/gal)과 같은 요인으로 나뉜다.The cost of the EPA order is estimated to add about $ 0.39 to the price of one gallon of diesel fuel. This includes increased engine cost ($ 0.11 / gal), particle trap retention ($ 0.05 / gal), reduced fuel cost ($ 0.09 / gal), increased ULSD ($ 0.06 / gal), and lower ULSD fuel energy content ($ 0.08 / gal). It is divided into the following factors.

명백하게, 연료 비용의 증가(갤런당 마일의 증가로 측정함)와 동시에 DPM 및 기타의 배기 가스에서의 감축을 제공할 수 있는 임의의 기술은 엄청난 경제적 및 환경적 잇점으로서 인식되고 있다.Clearly, any technology that can provide reductions in DPM and other emissions while simultaneously increasing fuel costs (measured in terms of miles per gallon) is recognized as a huge economic and environmental benefit.

디젤 연료 첨가제, 특히 유기 물질과는 대조적으로 무기 금속 및 금속 산화물 물질을 포함하는 것은 감소된 DPM 및 개선된 연료 비용에 대한 가능성을 제공한다.The inclusion of inorganic metal and metal oxide materials in contrast to diesel fuel additives, especially organic materials, offers the potential for reduced DPM and improved fuel costs.

미국 특허 제4,389,220호(Kracklaurer)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에는 디젤 엔진의 조정 방법이 기재되어 있으며, 여기서 디젤 엔진의 연소 표면에서 탄소 퇴적물을 제거하고, 연소 표면상에 산화철의 층(이 층은 탄소 퇴적물의 추가의 적층을 방지하는데 유효함)을 퇴적시키는데 충분한 시간 동안 디젤 엔진이 약 20 내지 30 ppm의 디시클로펜타디에닐 철을 함유하는 디젤 연료로 작동된다. 그후, 디젤 엔진은 약 10 내지 15 ppm의 디시클로펜타디에닐 철 또는 등가량의 그의 유도체의 유지 농도로 계속적으로 작동된다. 유지 농도는 연소 표면상으로 촉매적 산화철층을 유지하는데 유효하지만, 엔진의 타이밍 지연을 감소시키기에는 불충분하다. 첨가한 디시클로펜타디에닐 철은 엔진 실린더 표면상에 산화철(Fe2O3)을 생성할 수 있고, 이는 탄소 퇴적물(매연)과 반응하여 Fe 및 CO2를 형성하고, 이에 의하여 퇴적물을 제거한다. 그러나 이러한 방법은 녹을 형성하여 엔진의 노후화를 가속화시킬 가능성이 있다.U.S. Patent No. 4,389,220 to Kracklaurer, the disclosure of which is incorporated herein by reference, describes a method of tuning a diesel engine, wherein the carbon deposits are removed from the combustion surface of the diesel engine and the layer of iron oxide on the combustion surface. The diesel engine is operated with diesel fuel containing about 20-30 ppm dicyclopentadienyl iron for a time sufficient to deposit (this layer is effective to prevent further stacking of carbon deposits). The diesel engine is then continuously operated at a maintenance concentration of about 10-15 ppm of dicyclopentadienyl iron or its derivatives. The holding concentration is effective for keeping the catalytic iron oxide layer on the combustion surface, but insufficient to reduce the timing delay of the engine. Added dicyclopentadienyl iron can produce iron oxide (Fe 2 O 3 ) on the engine cylinder surface, which reacts with carbon deposits (soot) to form Fe and CO 2 , thereby removing the deposits. . However, this method has the potential to form rust and accelerate engine aging.

미국 특허 출원 공개 공보 제2003/0148235호(Valentine, et al.)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에는 연료 연소 효율을 증가시키기 위하여 특정 2금속 또는 3금속 연료계 촉매가 기재되어 있다. 촉매는 미연소 탄소에 의한 열 전달면의 오염을 감소시키면서, 통상적으로 사용되는 형태 및 양으로 사용될 때 그 자체가 미립자 포집기 장치의 과부하 또는 독성 초미립자의 배출을 야기할 수 있는 2차 첨가제 회분의 양을 제한한다. 세륨 및/또는 철을 포함하는 1종 이상의 추가의 금속 및 백금으로 이루어진 연료-가용성 촉매를 함유하는 연료를 사용하여 불완전 연소에 의하여 발생하는 유형의 오염물질 생성이 감소된다. 열 회수의 개선 및 규제되는 오염물의 배출 감소를 위하여 초저수준의 비독성 금속 연소 촉매를 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 연료 첨가제는 백금과 같이 귀하며 고가인 금속을 사용하는 것 이외에, 엔진이 "조정되기" 전 수개월을 필요로 할 수 있다. "조정되다"라는 것은 엔진이 일정 시간 동안 촉매를 사용하여 작동될 때까지 첨가제의 모든 잇점을 얻을 수 없다는 것을 의미한다. 초기 조정은 45 일을 필요할 수 있으며, 최적의 잇점은 60 내지 90일이 경과되어야 얻을 수 있다. 게다가, 유리 금속은 배기 시스템으로부터 대기중으로 배출될 수 있어서 그 경우 차후에 유리 금속이 생물과 반응할 수 있다.United States Patent Application Publication No. 2003/0148235 (Valentine, et al., The disclosure of which is incorporated herein by reference) describes certain bimetallic or trimetallic fuel based catalysts for increasing fuel combustion efficiency. The catalyst reduces the contamination of the heat transfer surface by unburned carbon, but when used in the form and amount commonly used, the amount of secondary additive ash that can itself cause overloading of particulate collector devices or the release of toxic ultrafine particles. To limit. The use of fuels containing fuel-soluble catalysts consisting of platinum and one or more additional metals including cerium and / or iron reduces the generation of contaminants of the type resulting from incomplete combustion. Ultra low levels of non-toxic metal combustion catalysts can be used to improve heat recovery and reduce emissions of regulated pollutants. However, fuel additives of this type may require months before the engine is “tuned”, in addition to using precious and expensive metals such as platinum. "Adjusted" means that you will not get all the benefits of the additive until the engine is running with the catalyst for some time. Initial adjustment may require 45 days, and an optimal benefit may be obtained after 60 to 90 days. In addition, the free metal can be discharged from the exhaust system into the atmosphere so that the free metal can subsequently react with the organism.

디젤 연료를 사용하는 자동차에서의 독성 배출 배기 가스의 제거 및 미립자 배출 감소를 위하여 변환기에서 촉매로서 이산화세륨이 널리 사용된다. 촉매 변환기내에서, 이산화세륨은 산화종과의 상호작용에 의하여 산소를 제거하기 위해서뿐 아니라, 환원 기체 존재하에 산소를 배출하도록 작용하는 화학적 활성 성분으로서 작용할 수 있다.Cerium dioxide is widely used as a catalyst in converters to remove toxic emissions and reduce particulate emissions in motor vehicles using diesel fuel. In catalytic converters, cerium dioxide can act as a chemically active component that acts to release oxygen in the presence of reducing gas, as well as to remove oxygen by interaction with the oxidizing species.

이산화세륨은 하기 반응식 1에 제시한 가역 과정에 의하여 산소를 저장 및 방출할 수 있다:Cerium dioxide can store and release oxygen by the reversible process shown in Scheme 1:

<반응식 1><Scheme 1>

Figure pct00001
Figure pct00001

이러한 과정은 세리아의 산소 저장 능력(OSC)으로 지칭한다. 여기서, 세리아는 산소 저장 완충물(pH 완충제와 같이)로서 작용하여 산소 농도 또는 압력이 낮은 공간 구역에서는 산소를 배출하고, 산소 압력이 높은 공간 구역에서는 산소를 흡수한다. x가 0.5인 경우, 세리아는 Ce2O3로 효과적으로 완전 환원되며, 최대 OSC 이론치는 세리아 1 g당 1,452 마이크로몰의 O2이다. Ce3+ 및 Ce4+ 이온 사이의 산화 환원 전위는 1.3 내지 1.8 V이며, 존재하는 음이온성 기 및 화학 환경에 크게 의존한다. 문헌[CERIUM: A Guide to its Role in Chemical Technology, 1992 by Molycorp, Inc, Library of Congress Catalog Card Number 92-93444]. 이에 의하여, 기재한 정반응 및 역반응이 배기 가스중에서 요구되는 산소의 화학량론 비(15:1)에 근접하게 용이하게 발생할 수 있다. 이산화세륨은 산소 결핍 환경에서는 CO 또는 탄화수소의 산화를 위하여 산소를 제공할 수 있거나 또는 반대로 산소가 풍부한 환경에서는 질소 산화물(NOx)의 농도를 감소시키기 위하여 산소를 흡수할 수 있다. 유사한 촉매 활성은 또한 연료, 예를 들면 디젤 또는 가솔린에 대한 첨가제로서 이산화세륨을 첨가할 때 발생할 수 있다. 그러나, 이러한 효과가 유용하기 위해서는 이산화세륨이 연료중에 브라운 운동에 의하여 부유되어야 하며 침강되지 않기에 충분히 작은 입자 크기, 즉 나노미립자(100 ㎚ 미만)이어야 한다. 또한, 촉매 효과는 표면적에 의존하므로, 작은 입자 크기는 나노결정성 물질이 촉매로서 보다 유효하도록 한다. 연료중에 이산화세륨을 혼입시키는 것은 연료 연소, 예를 들어 "수성 기체 이동 반응"

Figure pct00002
에 의하여 생성된 독성 배기 가스를 감소시키는 촉매로서 작용할 뿐 아니라, 디젤 엔진과 함께 통상적으로 사용되는 미립자 트랩중에 축적되는 미립자의 연소를 촉진하는 작용을 한다:This process is referred to as Ceria's oxygen storage capacity (OSC). Here, ceria acts as an oxygen storage buffer (like a pH buffer), releasing oxygen in space regions with low oxygen concentration or pressure, and absorbing oxygen in space regions with high oxygen pressure. When x is 0.5, ceria is effectively fully reduced to Ce 2 O 3 , with a maximum OSC theory of 1,452 micromoles of O 2 per gram of ceria. The redox potential between Ce 3+ and Ce 4+ ions is between 1.3 and 1.8 V and is highly dependent on the anionic groups present and the chemical environment. CERIUM: A Guide to its Role in Chemical Technology , 1992 by Molycorp, Inc, Library of Congress Catalog Card Number 92-93444. Thereby, the described forward and reverse reactions can easily occur close to the stoichiometric ratio (15: 1) of oxygen required in the exhaust gas. Cerium dioxide can provide oxygen for the oxidation of CO or hydrocarbons in an oxygen deficient environment or, conversely, can absorb oxygen to reduce the concentration of nitrogen oxides (NO x ) in an oxygen rich environment. Similar catalytic activity can also occur when adding cerium dioxide as an additive to fuels such as diesel or gasoline. However, for this effect to be useful, cerium dioxide must be suspended in the fuel by Brownian motion and have a particle size, ie nanoparticles (less than 100 nm), small enough not to settle. In addition, since the catalytic effect depends on the surface area, the small particle size makes the nanocrystalline material more effective as a catalyst. The incorporation of cerium dioxide in the fuel is fuel combustion, for example the "aqueous gas shift reaction".
Figure pct00002
In addition to acting as a catalyst to reduce the toxic exhaust gases produced by it, it also serves to promote the combustion of particulates that accumulate in particulate traps commonly used with diesel engines:

이미 언급한 바와 같이, 이산화세륨 나노입자는 평균 직경이 100 ㎚ 미만인 입자이다. 본 개시를 위하여, 반대의 의미로 언급하지 않는 한, 나노입자의 직경은 그의 유체역학 직경을 지칭하며, 이는 역학 광산란 기법에 의하여 측정한 직경이며, 분자 흡착물 및 수반되는 입자의 용매화 셸을 포함한다. 대안으로, 기하 입자 직경은 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 측정할 수 있다.As already mentioned, cerium dioxide nanoparticles are particles having an average diameter of less than 100 nm. For the purposes of this disclosure, unless stated to the contrary, the diameter of a nanoparticle refers to its hydrodynamic diameter, which is the diameter measured by dynamic light scattering techniques and refers to the solvated shell of the molecular adsorbate and the accompanying particles. Include. Alternatively, geometric particle diameter can be measured using transmission electron microscopy (TEM).

연료가 엔진에 투입되기 이전에 이산화세륨을 연료 중에 분배하는 차상 첨가 시스템이 알려져 있으나, 이러한 시스템은 복잡하며, 적절량의 첨가제를 연료에 공급하기 위하여 광범위한 전자 제어를 필요로 한다. 이러한 복잡한 차상 시스템을 회피하기 위하여, 이산화세륨 나노입자를 초기 단계에서 연료에 첨가하여 개선된 연료 효율을 달성할 수도 있다. 예를 들어 이산화세륨 나노입자를 통상적으로 가공 첨가제, 예컨대 세탄 향상제 또는 윤활제와 함께 정유소에 투입할 수 있거나 또는 연료 분포 탱크 시설에서 첨가할 수 있다.BACKGROUND ART Onboard addition systems are known which distribute the cerium dioxide in the fuel before the fuel enters the engine, but such systems are complex and require extensive electronic control to supply the appropriate amount of additives to the fuel. To avoid such complex onboard systems, cerium dioxide nanoparticles may be added to the fuel at an early stage to achieve improved fuel efficiency. For example, cerium dioxide nanoparticles can typically be added to refineries with processing additives such as cetane enhancers or lubricants or added in fuel distribution tank facilities.

이산화세륨 나노입자는 또한 대량(약 100,000 gal)의 연료중에 랙으로 주입할 수 있는 연료 유통 센터에서 첨가될 수 있거나 또는 특정한 개별적인 요구에 의해 특별 주문 생산이 가능하게 되는 더 소규모인 연료 회사 저장소에서 첨가될 수도 있다. 게다가, 이산화세륨은 주유소에서 연료를 자동차에 전달중에 첨가할 수 있는데, 이는 입자 분산물의 개선된 안정화의 잠재적 잇점을 갖는다.Cerium dioxide nanoparticles can also be added at fuel distribution centers that can be racked in bulk (approximately 100,000 gal) of fuel, or in smaller fuel company repositories that can be specially tailored to specific individual needs. May be In addition, cerium dioxide can be added during fuel delivery to automobiles at gas stations, which has the potential benefit of improved stabilization of the particle dispersion.

세륨 나노입자는 엔진 실린더 및 내부 가동 부품상에서 세라믹층을 형성하여 거의 엔진을 촉매 장치로 바꿀 수 있다. 대안으로, 세륨 나노입자는 이들이 축적되는 윤활유중에서 재순환될 수 있다. 이의 촉매 효율은 세륨 나노입자가 반응식 1에 의하여 환원 처리되어 연소중에 산소 원자 공급원을 제공한다고 하는 사실로부터 유래하나, 일반적으로 그의 mpg 잇점이 관찰되는 데에는 수개월의 유도 기간이 필요하다. 결과적으로 보다 양호한 연료 연소와 미립자 물질 배출의 농도 감소를 초래한다. 게다가, 연료 첨가제로서 사용될 때, 이들 나노입자는 엔진 마찰을 감소시켜 개선된 엔진 성능을 제공할 수 있다. 대체의 투입 모드로서, 이산화세륨 나노입자는 윤활유에 첨가될 수 있으며, 윤활성 증강제로서 내부 마찰을 감소시키는 역할을 한다. 이는 또한 연료 효율을 향상시킨다. Cerium nanoparticles can form a ceramic layer on the engine cylinders and internal moving parts to convert the engine into a catalytic device. Alternatively, cerium nanoparticles can be recycled in the lubricant in which they accumulate. Its catalytic efficiency derives from the fact that cerium nanoparticles are reduced by Scheme 1 to provide a source of oxygen atoms during combustion, but in general, several months of induction are required for their mpg benefit to be observed. The result is better fuel combustion and reduced concentrations of particulate matter emissions. In addition, when used as fuel additives, these nanoparticles can reduce engine friction to provide improved engine performance. As an alternative dosing mode, cerium dioxide nanoparticles can be added to the lubricating oil and serve to reduce internal friction as a lubricity enhancer. This also improves fuel efficiency.

하기 공보는 그 개시내용이 본원에 참고로 포함되며, 세륨 산화물계 화합물을 함유하는 연료 첨가제가 기재되어 있다.The following publications are incorporated herein by reference and describe fuel additives containing cerium oxide based compounds.

미국 특허 제5,449,387호(Hawkins et al.)에는 하기 화학식을 갖는 세륨(IV)산화물계 화합물이 개시되어 있다:US Pat. No. 5,449,387 to Hawkins et al. Discloses cerium (IV) oxide based compounds having the general formula:

Figure pct00003
Figure pct00003

(상기 식에서, 라디칼 A는 동일하거나 또는 상이하며, 각각은 pKa가 1보다 큰 유기 옥시산 AH의 음이온이며, p는 0 내지 5의 범위의 정수이며, n은 0 내지 2 범위의 수이며, m은 1 내지 12 범위의 정수임). 유기 옥시산은 바람직하게는 카르복실산, 보다 바람직하게는, C2-C20 모노카르복실산 또는 C4-C12 디카르복실산이다. 세륨-함유 화합물은 탄화수소 연료의 연소를 위한 촉매로서 사용될 수 있다.Wherein the radicals A are the same or different and each is an anion of an organic oxyacid AH with pK a greater than 1, p is an integer ranging from 0 to 5, n is a number ranging from 0 to 2, m is an integer ranging from 1 to 12). The organic oxyacids are preferably carboxylic acids, more preferably C 2 -C 20 monocarboxylic acids or C 4 -C 12 dicarboxylic acids. Cerium-containing compounds can be used as catalysts for the combustion of hydrocarbon fuels.

미국 특허 제7,063,729호(Valentine et al.)에는 세륨이 연료-가용성 히드록실 올레에이트 프로피오네이트 착체로서 제공되는, 2금속 연료-가용성 백금족 금속 및 세륨 촉매를 포함하는 저 배출 디젤 연료가 개시되어 있다.US Patent No. 7,063,729 (Valentine et al.) Discloses a low emission diesel fuel comprising a bimetallic fuel-soluble platinum group metal and a cerium catalyst, wherein cerium is provided as a fuel-soluble hydroxyl oleate propionate complex. .

미국 특허 제6,210,451호(Chopin et al.)에는 미세결정의 응집체(바람직한 크기 3 내지 4 ㎚)의 형태인 이산화세륨의 입자를 포함하는 안정한 유기 졸, 전체 탄소수가 10개 이상인 1종 이상의 산을 포함하는 양쪽성 산 시스템 및 유기 희석제 매체를 포함하는 석유계 연료가 개시되어 있다. 조절된 입자 크기는 200 ㎚ 이하이다.US Pat. No. 6,210,451 (Chopin et al.) Contains a stable organic sol comprising particles of cerium dioxide in the form of agglomerates of microcrystals (preferably 3 to 4 nm in size), and at least one acid having a total of 10 or more carbon atoms. A petroleum based fuel comprising an amphoteric acid system and an organic diluent medium is disclosed. The controlled particle size is 200 nm or less.

미국 특허 제6,136,048호(Birchem et al.)에는 d90이 20 ㎚ 이하인 산소화된 화합물의 입자를 포함하는 졸, 양쪽성 산 시스템 및 희석제를 포함하는 디젤 엔진 연료를 위한 보조제가 개시되어 있다. 산소화된 금속 화합물 입자는 희토류 염, 예컨대 세륨 염의 용액중에서 염기성 매체와의 반응후, 형성된 친전물을 분무화 또는 냉동 건조로 회수하여 생성된다.US Pat. No. 6,136,048 to Birchem et al. Discloses auxiliaries for diesel engine fuels including sol, amphoteric acid system and diluent comprising particles of oxygenated compounds with d 90 of 20 nm or less. Oxygenated metal compound particles are produced by reaction with a basic medium in a solution of rare earth salts, such as cerium salts, followed by recovery of the formed electrolyte by atomization or freeze drying.

미국 특허 제6,093,223호(Lemaire et al.)에는 1종 이상의 세륨 화합물의 존재하에 탄화수소 연료를 연소시켜 산화제2세륨 미세결정의 응집체를 생성하는 방법이 개시되어 있다. 매연은 0.1 중량% 이상의 산화제2세륨 미세결정 응집체를 포함하며, 최대 입자 크기는 50 내지 10,000 Å이고, 미세결정 크기는 50 내지 250 Å이며, 매연은 점화 온도가 400℃ 미만이다.US Patent No. 6,093,223 (Lemaire et al.) Discloses the combustion of hydrocarbon fuels in the presence of one or more cerium compounds to produce agglomerates of cerium oxide microcrystals. The soot comprises at least 0.1% by weight of dicerium oxide microcrystalline aggregates with a maximum particle size of 50 to 10,000 kPa, microcrystalline size of 50 to 250 kPa and soot having an ignition temperature of less than 400 ° C.

미국 특허 제7,195,653B2호(Hazarika et al.)에는 연료 효율의 개선 방법 및/또는 연료 연소 장치의 연료 배출을 감소시키는 방법이 개시되어 있으며, 이 방법은 1종 이상의 미립자 란탄족 산화물, 특히 이산화세륨을 연료중에 1 내지 10 ppm으로 정제, 캡슐 분말 또는 액체 연료 첨가제로서 분산시키는 것을 포함하며, 미립자 산화란타늄은 HLB가 7 이하인 알킬 카르복실산 무수물 및 에스테르로 이루어진 군으로부터 선택된 계면활성제로 코팅된다.U.S. Pat.No. 7,195,653B2 (Hazarika et al.) Discloses a method of improving fuel efficiency and / or reducing fuel emissions of a fuel combustion device, which method comprises at least one particulate lanthanide oxide, in particular cerium dioxide. Is dispersed as a tablet, capsule powder or liquid fuel additive at 1 to 10 ppm in fuel, wherein the particulate lanthanum oxide is coated with a surfactant selected from the group consisting of alkyl carboxylic anhydrides and esters having an HLB of 7 or less.

미국 특허 출원 공개 공보 제2003/0182848호(Collier et al.)에는 디젤 연료 미립자 트랩의 성능을 개선시키고 금속 염 첨가제 형태로 1 내지 25 ppm의 금속 및 100 내지 500 ppm의 유용성 질소-함유 무회 세제 첨가제의 조합을 포함하는 디젤 연료 조성물이 개시되어 있다. 금속은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, IVB, VIIB, VIIIB, IB, IIB족 금속 또는 원자 번호 57 내지 71의 임의의 희토류 금속, 특히 세륨 또는 임의의 상기 금속의 혼합물일 수 있다.US Patent Application Publication No. 2003/0182848 (Collier et al.) Improves the performance of diesel fuel particulate traps and contains 1 to 25 ppm of metal and 100 to 500 ppm of a useful nitrogen-containing ashless detergent additive in the form of metal salt additives. A diesel fuel composition comprising a combination of is disclosed. The metal may be an alkali metal, alkaline earth metal, IVB, VIIB, VIIIB, IB, Group IIB metal or any rare earth metal of atomic number 57 to 71, in particular cerium or a mixture of any of the above metals.

미국 특허 출원 공개 공보 제2003/0221362호(Collier et al.)에는 미립자 트랩이 장착된 디젤 엔진을 위한 연료 첨가제 조성물이 개시되어 있으며, 이 조성물은 탄화수소 용매 및 125개 이하의 탄소 원자를 포함하는 카르복실산으로부터 유도된 유용성 금속 카르복실레이트 또는 금속 착체를 포함한다. 금속은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, IVB, VIIB, VIIIB, IB, IIB족 금속 또는 세륨을 비롯한 희토류 금속 또는 임의의 상기 금속의 혼합물일 수 있다.US Patent Application Publication No. 2003/0221362 to Collier et al. Discloses a fuel additive composition for a diesel engine equipped with a particulate trap, the composition comprising a hydrocarbon solvent and up to 125 carbon atoms. Oil-soluble metal carboxylates or metal complexes derived from acids. The metal may be an alkali metal, alkaline earth metal, IVB, VIIB, VIIIB, IB, Group IIB metal or rare earth metals including cerium or mixtures of any of the above metals.

미국 특허 출원 공개 공보 제2004/0035045호(Caprotti et al.)에는 미립자 트랩이 장착된 디젤 엔진을 위한 연료 첨가제 조성물이 개시되어 있다. 상기 조성물은 산성 유기 화합물의 유용성 또는 유-분산성의 금속 염 및 화학량론적 과잉의 금속을 포함한다. 연료에 첨가시, 조성물은 Ca, Fe, Mg, Sr, Ti, Zr, Mn, Zn 및 Ce로 이루어지는 군으로부터 선택된 1 내지 25 ppm의 금속을 제공한다.US Patent Application Publication No. 2004/0035045 (Caprotti et al.) Discloses a fuel additive composition for a diesel engine equipped 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. Upon addition 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.

미국 특허 출원 공개 공보 제2005/0060929호(Caprotti et al.)에는 콜로이드성 분산 또는 가용화된 금속 촉매 화합물 및, 1종 이상이 카르복실산 또는 카르복실레이트 기인 2종 이상의 극성 기에 결합된 친유성 히드로카르빌 쇄를 갖는 유기 화합물인 5 내지 1,000 ppm의 안정화제를 포함하는, 상 분리에 대하여 안정화된 디젤 연료 조성물이 개시되어 있다. 금속 촉매 화합물은 Ce, Fe, Ca, Mg, Sr, Na, Mn, Pt 또는 그의 혼합물의 1종 이상의 유기 또는 무기 화합물 또는 착체를 포함한다.U.S. Patent Application Publication No. 2005/0060929 to Caprotti et al. Discloses colloidal dispersed or solubilized metal catalyst compounds and lipophilic hydros bound to at least two polar groups, at least one of which is a carboxylic acid or carboxylate group. Disclosed is a diesel fuel composition stabilized against phase separation, comprising from 5 to 1,000 ppm stabilizer, which is an organic compound having a carbyl chain. Metal catalyst compounds include one or more organic or inorganic compounds or complexes of Ce, Fe, Ca, Mg, Sr, Na, Mn, Pt or mixtures thereof.

미국 특허 출원 공개 공보 제2006/0000140호(Caprotti et al.)에는 히드록실 치환기와, 히드로카르빌, -COOR 또는 -COR(여기서 R은 수소 또는 히드로카르빌임)로부터 선택된 추가의 치환기를 포함하는 1종 이상의 방향족 부분을 포함하는 화합물과 알데히드 또는 케톤의 축합 생성물인 안정화제 성분 및 1종 이상의 콜로이드성 금속 화합물 또는 종을 포함하는 연료 첨가제 조성물이 개시되어 있다. 콜로이드성 금속 화합물은 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 것이 바람직하며, 바람직한 산화물은 산화철, 이산화세륨 또는 세륨-도핑된 산화철이다.U.S. Patent Application Publication No. 2006/0000140 (Caprotti et al.) Discloses 1 comprising a hydroxyl substituent and an additional substituent selected from hydrocarbyl, -COOR or -COR where R is hydrogen or hydrocarbyl. A fuel additive composition comprising a stabilizer component that is a condensation product of a compound comprising at least one aromatic moiety and an aldehyde or ketone and at least one colloidal metal compound or species is disclosed. The colloidal metal compound preferably comprises at least one metal oxide, with the preferred oxide being iron oxide, cerium dioxide or cerium-doped iron oxide.

국제 특허 출원 공개 공보 제WO2004/065529호(Scattergood)에는 이산화세륨 및/또는 도핑된 이산화세륨 및 임의로 1종 이상의 연료 첨가제를 연료에 첨가하는 것을 포함하는, 내연 기관용 연료의 연료 효율을 개선시키는 방법이 개시되어 있다.International Patent Application Publication No. WO2004 / 065529 (Scattergood) discloses a method for improving the fuel efficiency of a fuel for an internal combustion engine, comprising adding cerium dioxide and / or doped cerium dioxide and optionally one or more fuel additives to the fuel. Is disclosed.

국제 특허 출원 공개 공보 제2005/012465호(Anderson et al.)에는 윤활유 및 가솔린을 포함하는 내연 기관용 연료의 연료 효율을 개선시키는 방법이 개시되어 있으며, 이 방법은 이산화세륨 및/또는 도핑된 이산화세륨을 윤활유 또는 가솔린에 첨가하는 것을 포함한다.International Patent Application Publication No. 2005/012465 (Anderson et al.) Discloses a method for improving the fuel efficiency of fuels for internal combustion engines, including lubricating oils and gasoline, which methods include cerium dioxide and / or doped cerium dioxide. To lubricating oil or gasoline.

세륨-함유 나노입자는 당업계에서 공지된 다양한 기법에 의하여 생성될 수 있다. 합성 나노입자가 친수성 매체 또는 소수성 매체중에서 생성되는지의 여부와는 상관 없이, 바람직하지 않은 응집을 방지하기 위하여 입자는 통상적으로 안정화제를 필요로 한다. 하기의 공보(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)는 이들 합성 기술의 일부를 기재하고 있다.Cerium-containing nanoparticles can be produced by various techniques known in the art. Regardless of whether synthetic nanoparticles are produced in hydrophilic or hydrophobic media, particles typically require stabilizers to prevent undesirable aggregation. The following publications, the disclosures of which are incorporated herein by reference, describe some of these synthetic techniques.

미국 특허 제6,271,269호(Chane-Ching et al.)에는 염기성 반응물을 산성 금속 양이온 염의 수용액과 반응시켜 과잉의 히드록실 이온을 포함하는 수성 콜로이드 분산물을 형성하고; 수성 콜로이드 분산물을 유기 액체 매체 및 유기 산을 포함하는 유기 상과 접촉시키고; 생성된 수성/유기 상 혼합물을 수성 상 및 생성물 유기 상으로 분리하는 것을 포함하는, 저장 안정성 유기 졸의 제조 방법이 개시되어 있다. 바람직한 금속 양이온은 세륨 및 철 양이온이다. 콜로이드 미립자는 유체역학 직경이 5 내지 20 ㎚ 범위이다.US Pat. No. 6,271,269 to Chane-Ching et al. Discloses reacting a basic reactant with an aqueous solution of an acidic metal cation salt to form an aqueous colloidal dispersion comprising excess hydroxyl ions; Contacting the aqueous colloidal dispersion with an organic phase comprising an organic liquid medium and an organic acid; A process for preparing a storage stable organic sol is disclosed which comprises separating the resulting aqueous / organic phase mixture into an aqueous phase and a product organic phase. Preferred metal cations are cerium and iron cations. Colloidal particulates have a hydrodynamic diameter in the range of 5-20 nm.

미국 특허 제6,649,156호(Chane-Ching)에는 열 가수분해 공정에 의하여 생성된 이산화세륨 입자; 유기 액체 상; 카르복실산의 폴리옥시에틸렌화 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌화 알킬 에테르 포스페이트, 디알킬 술포숙시네이트 및 4차 암모늄 화합물로부터 선택된 1종 이상의 양쪽성 화합물을 포함하는 유기 졸이 개시되어 있다. 졸의 물 함유량은 1% 이하일 수 있다. 평균 미세결정 크기는 약 5 ㎚이며, 이들 미세결정의 입자 응집체는 크기가 200 내지 10 ㎚ 범위이다.US Pat. No. 6,649,156 (Chane-Ching) discloses cerium dioxide particles produced by a thermal hydrolysis process; Organic liquid phase; An organic sol comprising at least one amphoteric compound selected from polyoxyethylenated alkyl ethers of carboxylic acids, polyoxyethylenated alkyl ether phosphates, dialkyl sulfosuccinates and quaternary ammonium compounds is disclosed. The water content of the sol may be 1% or less. The average microcrystal size is about 5 nm and the particle aggregates of these microcrystals range in size from 200 to 10 nm.

미국 특허 제7,008,965호(Chane-Ching)에는 세륨 화합물 및 1종 이상의 기타의 금속의 수성 콜로이드성 분산물이 개시되어 있으며, 상기 분산물은 전도율이 5 mS/㎝ 이하이며, pH는 5 내지 8이다.US Pat. No. 7,008,965 (Chane-Ching) discloses an aqueous colloidal dispersion of a cerium compound and one or more other metals, the dispersion having a conductivity of 5 mS / cm or less and a pH of 5-8. .

미국 특허 출원 공개 공보 제2004/0029978호(Chane-Ching)(2005년 12월 7일자로 포기됨)에는 양쪽성 성질을 갖고 금속 산화물, 수산화물 및/또는 옥시수산화물에 기초하며, 소수성 성질을 갖는 유기 쇄가 표면에 결합되어 있는 1종 이상의 나노입자로부터 형성되는 계면활성제가 개시되어 있다. 금속은 세륨, 알루미늄, 티탄 또는 규소로부터 선택되는 것이 바람직하며, 알킬 쇄는 6 내지 30개의 탄소 원자 또는 폴리옥시에틸렌 모노알킬 에테르를 포함하며, 폴리옥시에틸렌 모노알킬 에테르의 알킬 쇄는 8 내지 30개의 탄소 원자를 포함하며, 폴리옥시에틸렌 부분은 1 내지 10개의 옥시에틸렌 기를 포함한다. 입자는 평균 직경이 2 내지 40 ㎚인 등방성 또는 원형 입자이다.US Patent Application Publication No. 2004/0029978 (Chane-Ching) (disclosed on December 7, 2005) discloses organics having amphoteric properties, based on metal oxides, hydroxides and / or oxyhydroxides, and having hydrophobic properties. Surfactants are disclosed in which a chain is formed from one or more nanoparticles bound to a surface. The metal is preferably selected from cerium, aluminum, titanium or silicon, the alkyl chains comprising 6 to 30 carbon atoms or polyoxyethylene monoalkyl ethers, the alkyl chains of polyoxyethylene monoalkyl ethers being 8 to 30 A carbon atom, the polyoxyethylene moiety comprising 1 to 10 oxyethylene groups. The particles are isotropic or circular particles having an average diameter of 2 to 40 nm.

미국 특허 출원 공개 공보 제2006/0005465호(Blanchard et al.)에는 1종 이상의 희토류에 기초한 1종 이상의 화합물의 입자, 1종 이상의 산 및 1종 이상의 희석제를 포함하며, 입자의 90% 이상이 단결정인 유기 콜로이드성 분산물이 개시되어 있다. 실시예 1에는 아세트산세륨 및, 이소파르(Isopar) 탄화수소 혼합물과 이소스테아르산을 포함하는 유기 상으로부터 이산화세륨 콜로이드성 용액의 제조가 기재되어 있다. 생성된 이산화세륨 입자는 d50이 2.5 ㎚이고, 입자의 80%의 크기가 1 내지 4 ㎚ 범위이다.U.S. Patent Application Publication No. 2006/0005465 (Blanchard et al.) Includes particles of at least one compound, at least one acid and at least one diluent based on at least one rare earth, wherein at least 90% of the particles are single crystals. Phosphorus organic colloidal dispersions are disclosed. 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 and 80% of the particles range in size from 1 to 4 nm.

미국 특허 제7,025,943호(Zhou et al.)에는 수용성 세륨 염의 제1의 용액을 알칼리 금속 또는 암모늄 수산화물의 제2의 용액과 혼합하고; 생성된 반응물 용액을 난류 조건하에서 교반하면서 용액을 통하여 기체 산소를 동시에 통과시키며; 주요 입자 크기가 3 내지 100 ㎚ 범위인 이산화세륨 입자를 침전시키는 것을 포함하는, 이산화세륨 결정의 제조 방법이 개시되어 있다. 실시예 1에서, 입자 크기는 약 3 내지 5 ㎚인 것으로 언급되어 있다. 안정화제는 언급되어 있지 않으며, 졸은 결국 응집 및 침전될 것으로 예상된다.United States Patent No. 7,025,943 (Zhou et al.) Discloses mixing a first solution of water soluble cerium salt with a second solution of alkali metal or ammonium hydroxide; Simultaneously passing gaseous oxygen through the solution while stirring the resulting reactant solution under turbulent conditions; A process for the preparation of cerium dioxide crystals is disclosed which comprises precipitating cerium dioxide particles having a major particle size in the range of 3 to 100 nm. In Example 1, the particle size is said to be about 3 to 5 nm. Stabilizers are not mentioned, and the sol is expected to eventually aggregate and settle.

WO2008/002223A2(Sandford et al.)에는 차후의 하소 없이 직접 이산화세륨을 생성하는 수성 침전 기법이 기재되어 있다. 제1세륨(cerous)+3 양이온을 제2세륨(ceric)+ 4으로 서서히 질산염 이온에 의하여 산화시키고, 아세트산을 안정화제로서 사용할 때 미세결정 크기(및 대략 동일한 그레인 크기)가 11 ㎚인 안정한 응집되지 않은 졸을 얻었다. 흥미롭게도, EDTA 및 시트르산은 미세결정 크기가 수백 나노미터 정도인 그레인을 생성한다.WO2008 / 002223A2 (Sandford et al.) Describes an aqueous precipitation technique for producing cerium dioxide directly without subsequent calcination. Stable agglomeration with first cerium +3 cations gradually oxidized to second cerium + 4 by nitrate ions and 11 nm of microcrystalline size (and approximately the same grain size) when acetic acid is used as a stabilizer I did not get a sol. Interestingly, EDTA and citric acid produce grains with microcrystal sizes on the order of hundreds of nanometers.

미국 특허 제4,231,893호(Woodhead, James, L.)에는 염기중의 Ce+3의 과산화물 처리로부터 얻은 Ce(OH)4의 산 처리에 의하여 세리아의 수성 분산물의 제조가 기재되어 있다. 크기에 대한 데이타는 제공되지 않았으며, 안정화에 대한 필수 pH 1.5에서, 유사 안정화제는 NO3 - 음이온이다.U.S. Patent No. 4,231,893 (Woodhead, James, L.) describes the preparation of an aqueous dispersion of ceria by acid treatment of Ce (OH) 4 obtained from a peroxide treatment of Ce +3 in a base. No data on size were provided and at the required pH 1.5 for stabilization, the similar stabilizer is a NO 3 anion.

미국 특허 출원 공개 공보 제2004/0241070호(Noh et al.)에는 유기 용매 및 물, 바람직하게는 약 0.1:1 내지 약 5:1 중량비의 용매 혼합물의 존재하에 세륨 염을 침전시켜 수산화세륨을 생성하며; 수산화세륨을 열수 반응시키는 것을 포함하는, 단일 결정질 이산화세륨 나노분말의 제조 방법이 개시되어 있다. 나노분말은 입자 크기가 약 30 내지 300 ㎚이다.U.S. Patent Application Publication No. 2004/0241070 to Noh et al. Discloses cerium hydroxide by precipitation of cerium salts in the presence of an organic solvent and a solvent mixture of water, preferably from about 0.1: 1 to about 5: 1 weight ratio. To; A method for producing a single crystalline cerium dioxide nanopowder comprising hydrothermally reacting cerium hydroxide is disclosed. Nanopowders have a particle size of about 30 to 300 nm.

미국 특허 출원 공개 공보 제2005/0031517호(Chan)에는 질산세륨의 수용액을 수성 헥사메틸렌테트라아민과 신속하게 혼합하고, 온도를 약 320°K 이하로 유지하면서 생성된 혼합물중에서 나노입자가 형성되며; 형성된 나노입자를 분리하는 것을 포함하는 이산화세륨 나노입자의 제조 방법이 개시되어 있다. 혼합 장치는 기계적 교반기 및 원심분리기를 포함하는 것이 바람직하다. 예시의 예에서, 생성된 이산화세륨 입자는 직경이 약 12 ㎚인 것으로 보고되었다.US Patent Application Publication No. 2005/0031517 (Chan) discloses that nanoparticles are formed in the resulting mixture while rapidly mixing an aqueous solution of cerium nitrate with aqueous hexamethylenetetraamine and maintaining the temperature below about 320 ° K; A method for producing cerium dioxide nanoparticles comprising separating the formed nanoparticles is disclosed. The mixing device preferably comprises a mechanical stirrer and a centrifuge. In the illustrative example, the resulting cerium dioxide particles were reported to be about 12 nm in diameter.

미국 특허 제6,413,489호(Ying et al.) 및 제6,869,584호(Ying et al.)에는 응집이 없으며, 입자 크기가 100 ㎚ 미만이며, 표면적이 20 ㎡/gm 이상인 나노입자의 역미셸 기법에 의한 합성이 개시되어 있다. 이 방법은 역에멀젼의 존재하에서 바륨 알콕시드 및 알루미늄 알콕시드를 포함하는 세라믹 전구체를 투입하는 것을 포함한다.U.S. Patent Nos. 6,413,489 (Ying et al.) And 6,869,584 (Ying et al.) Synthesized by reverse micelle techniques of nanoparticles with no aggregation, particle size less than 100 nm and surface areas of 20 m 2 / gm or more. Is disclosed. This method involves introducing a ceramic precursor comprising barium alkoxide and aluminum alkoxide in the presence of an inverse emulsion.

관련 공보, 미국 특허 출원 공개 공보 제2005/0152832호(Ying et al.)에는 물 함유량이 1 내지 40%인 에멀젼내에서 응집이 없으며, 입자 크기가 100 ㎚ 미만인 나노입자의 역미셸 기법에 의한 합성이 개시되어 있다. 나노입자는 탄화수소를 산화시키는데 사용될 수 있는 금속 산화물 입자가 바람직하다.Related publications, US Patent Application Publication No. 2005/0152832 (Ying et al.), Show the absence of agglomeration in emulsions with a water content of 1 to 40% and the synthesis by reverse micelle technique of nanoparticles having a particle size of less than 100 nm. Is disclosed. Nanoparticles are preferably metal oxide particles that can be used to oxidize hydrocarbons.

미국 특허 제5,938,837호(Hanawa et al.)에는 주로 연마제로서 사용하기 위한 이산화세륨 입자의 제조 방법이 개시되어 있으며, 이 방법은 혼합물의 pH 값이 5 내지 10, 바람직하게는 7 내지 9 범위인 혼합비로 질산제1세륨의 수용액을 염기, 바람직하게는 수성 암모니아와 교반하면서 혼합한 후, 생성된 혼합물을 70℃ 내지 100℃의 온도로 신속하게 가열하고, 질산제1세륨과 염기의 혼합물을 상기 온도에서 숙성시켜 그레인을 형성하는 것을 포함한다. 생성물 그레인은 크기 및 형상이 균일하며, 평균 입자 크기가 10 내지 80 ㎚, 바람직하게는 20 내지 60 ㎚이다.US Pat. No. 5,938,837 (Hanawa et al.) Discloses a process for the preparation of cerium dioxide particles, mainly for use as abrasives, which has a mixing ratio in which the pH value of the mixture is in the range of 5 to 10, preferably 7 to 9 After mixing an aqueous solution of cerium nitrate with a base, preferably with aqueous ammonia, with stirring, the resulting mixture is quickly heated to a temperature of 70 ° C. to 100 ° C., and the mixture of cerium nitrate and base is Maturing to form grains. The product grains are uniform in size and shape and have an average particle size of 10 to 80 nm, preferably 20 to 60 nm.

1987년 1월 14일자로 공개되고, 발명자가 케인-칭(Chane-Ching)이며, 출원인이 롱쁠랑(Rhone Poulenc)인 유럽 특허 출원 제0208580호에는 하기 화학식에 해당하는 세륨(IV) 화합물이 개시되어 있다:European Patent Application No. 0208580, published January 14, 1987, whose inventor is Chane-Ching, and the applicant, Rhone Poulenc, discloses a cerium (IV) compound corresponding to the formula Has been:

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(상기 식에서, M은 알칼리 금속 또는 4차 암모늄 라디칼을 나타내며, x는 0.01 내지 0.2이며, y는 y=4-z+x가 되도록 하며, z는 0.4 내지 0.7임). 세륨(IV) 화합물의 콜로이드성 분산물의 제조 방법은 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 60 ㎚, 적절하게는 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚, 바람직하게는 약 3 ㎚ 내지 8 ㎚인 입자를 생성한다.(Wherein M represents an alkali metal or quaternary ammonium radical, x is 0.01 to 0.2, y is y = 4-z + x, and z is 0.4 to 0.7). The process for preparing the colloidal dispersion of cerium (IV) compounds produces particles having a hydrodynamic diameter of about 1 nm to about 60 nm, suitably about 1 nm to about 10 nm, preferably about 3 nm to 8 nm. .

문헌[S. Sathyamurthy et al., Nano Technology 16, (2005), pp 1960-1964]에는 수산화나트륨을 침전제로서 사용하고 계면활성제 브롬화세틸트리메틸암모늄(CTAB) 및 공계면활성제 1-부탄올을 포함하는 n-옥탄을 오일상으로서 사용하는 질산세륨으로부터 CeO2의 역미셸 합성이 기재되어 있다. 생성된 다면체 입자는 평균 크기가 3.7 ㎚이며, 이의 보호 역미셸 구조로부터 제거될 때 응집을 나타낸다. 추가로, 반응은 낮은 수율로 진행될 것으로 예상된다(반응물 A 및 B의 경우, 다수의 AB 충돌이 존재하여 비-생산성 충돌인 AA 및 BB로서 생성물을 초래한다).S. Sathyamurthy et al., Nano Technology 16, (2005), pp 1960-1964] cerium nitrate using sodium hydroxide as precipitant and n-octane containing surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and cosurfactant 1-butanol as oil phase Reverse Michel synthesis of CeO 2 is described. The resulting polyhedral particles have an average size of 3.7 nm and show aggregation when removed from their protective reverse micelle structure. In addition, the reaction is expected to proceed in low yield (for reactants A and B, there are a number of AB collisions resulting in the product as AA and BB which are non-productive collisions).

문헌[Seal et al., Journal of Nano Particle Research, (2002), 4, pp 433-448]에는 계면활성제로서 AOT 및 오일 상으로서 톨루엔을 포함하는 수성 마이크로에멀젼 시스템을 사용하여 고온 내산화성 코팅을 위한 나노결정질 세리아 입자의 질산세륨 및 수산화암모늄으로부터의 제조가 기재되어 있다. 반응 혼합물의 상부 오일 상에서 형성된 세리아 나노입자는 입자 크기가 5 ㎚이다.Seal et al., Journal of Nano Particle Research , (2002), 4, pp 433-448 describe the use of an aqueous microemulsion system comprising AOT as a surfactant and toluene as an oil phase for high temperature oxidation resistant coatings. The preparation of nanocrystalline ceria particles from cerium nitrate and ammonium hydroxide is described. The ceria nanoparticles formed on the upper oil of the reaction mixture have a particle size of 5 nm.

미국 특허 제7,419,516호(Seal et al.)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에는 매연을 감소시키기 위한 연료 첨가제로서 희토류 금속 산화물, 바람직하게는 세리아, 나노입자의 사용이 기재되어 있다. 오일 상으로서 톨루엔 및 계면활성제로서 AOT를 사용하는 역미셸 공정에 의하여 생성된 입자는 직경이 약 2 내지 7 ㎚ 범위이며, 평균은 약 5 ㎚이다.US Pat. No. 7,419,516 (Seal et al., 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. Particles produced by the reverse micelle process using toluene as oil phase and AOT as surfactant have a diameter in the range of about 2 to 7 nm, with an average of about 5 nm.

문헌[Pang et al., J. Mater. Chem., 12 (2002), pp 3699-3704]에는 시클로헥산 및 비이온성 계면활성제 Triton X-114을 함유하는 오일 상 및, 1.0 M AlClO3를 포함하는 수성 상을 사용한 유중수 마이크로에멀젼 방법에 의하여 Al2O3 나노입자를 생성하였다. 입자 크기가 5 내지 15 ㎚인 생성된 Al2O3 입자는 직접 침전 방법에 의하여 생성된 크기가 마이크로미터 이하인 중공 볼 형상의 입자와는 뚜렷하게 상이한 것으로 나타났다.Pang et al., J. Mater. Chem. , 12 (2002), pp 3699-3704, Al 2 by a water-in-oil microemulsion method using an oil phase containing cyclohexane and a nonionic surfactant Triton X-114, and an aqueous phase comprising 1.0 M AlClO 3 . O 3 nanoparticles were produced. The resulting Al 2 O 3 particles having a particle size of 5 to 15 nm were found to be distinctly different from hollow ball-shaped particles having a size of micrometers or less produced by the direct precipitation method.

미국 특허 제6,133,194호(Cuif et al.)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에는 세륨, 지르코늄 또는 그의 혼합물, 염기, 임의로 산화제 및, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 폴리에틸렌 글리콜, 카르복실산 및 카르복실레이트 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가제를 포함하는 금속 염 용액을 반응시켜 생성물을 형성하는 것을 포함하는 방법이 기재되어 있다. 그후, 생성물은 (청구된 계면활성제를 효과적으로 탄화시키게 되는) 500℃보다 높은 온도에서 하소 처리된다.U. S. Patent No. 6,133, 194 (Cuif et al., The disclosure of which is incorporated herein by reference) includes cerium, zirconium or mixtures thereof, bases, optionally oxidizing agents, and anionic surfactants, nonionic surfactants, polyethylene glycols, carboxes. A method comprising reacting a metal salt solution comprising an additive selected from the group consisting of an acid and a carboxylate salt to form a product is described. The product is then calcined at temperatures above 500 ° C. (which effectively carbonizes the claimed surfactant).

다수의 저자가 5 ㎚ 미만의 세리아 나노입자를 청구하고 있으나, 그레인이 사실상 입방 CeO2이며, 육방 또는 입방 Ce2O3가 아니라는 사실을 명백하게 입증하는 X선 또는 전자 회절 데이타를 제시하지는 못한 것으로 이해하여야 한다. 입방 CeO2가 매우 작은 그레인 크기에서는 열역학적으로 안정하며, 그레인이 사실상 환원되고 더욱 안정한 육방 Ce2O3 형태라는 것은 실질적으로 아니라고 생각된다. 문헌[S. Tsunekawa, R, Sivamohan, S. Ito, A. Kasuya and T. Fukada, Nanostructured Materials, vol 11, no. 1, pp 141-147 (1999)].Many authors claim Ceria nanoparticles of less than 5 nm, but understand that they did not present X-ray or electron diffraction data that clearly demonstrates that the grain is virtually cubic CeO 2 and not hexagonal or cubic Ce 2 O 3. shall. It is believed that it is not practical that the cubic CeO 2 is thermodynamically stable at very small grain sizes, and that the grains are actually reduced and more stable hexagonal Ce 2 O 3 forms. S. Tsunekawa, R, Sivamohan, S. Ito, A. Kasuya and T. Fukada, Nanostructured Materials , vol 11, no. 1, pp 141-147 (1999).

문헌["Structural Study on Monosize CeO2-x Nanoparticles"]은 특히 1.5 ㎚ 이하에서의 CeO2의 존재에 대하여 의심하고 있다."Structural Study on Monosize CeO 2-x Nanoparticles" doubts the presence of CeO 2 especially below 1.5 nm.

매우 작은 그레인 직경에서의 Ce3 +(및 연장으로서 Ce2O3)의 존재에 대한 추가의 입증은 하기 수학식 2와 같이 격자 상수에서의 변화 Δa와 결정 직경 D 사이의 로그 선형 관계를 발견한 문헌[Desphande et al., Applied Physics Letters 87, 133113 (2005) "Size Dependency Variation in Lattice Parameter and Valency States in Nano Crystalline Cerium Oxide"]의 연구로부터 유래한다:Additional proof for the presence of (Ce 2 O 3 as and extension) Ce 3 + in a very small grain diameter is found a log-linear relationship between the change Δa and crystal diameter in the lattice constant D as shown in Equation (2) Desphande et al., Applied Physics Letters 87, 133113 (2005) "Size Dependency Variation in Lattice Parameter and Valency States in Nano Crystalline Cerium Oxide":

Δa=a-a0(CeO2에서 a0=5.43 Å)Δa = aa 0 (a 0 = 5.43 μs at CeO 2 )

<수학식 2><Equation 2>

Figure pct00005
Figure pct00005

따라서, 10 ㎚의 그레인 직경은 0.0103 Å 또는 1.91%의 격자 변형 또는 격자 상수에서의 변화를 겪는 반면, 1 ㎚ 직경 그레인은 0.031 Å 또는 5.73%의 변화를 겪는다.Thus, a grain diameter of 10 nm undergoes a change in lattice strain or lattice constant of 0.0103 mm 3 or 1.91%, while a 1 nm diameter grain undergoes a change of 0.031 mm 3 or 5.73%.

CeO2가 반응식 1에 나타낸 촉매 산소 저장 물질로서 작용할 수 있는 정도는 부분적으로는 CeO2 입자 크기에 의하여 좌우된다. 20 ㎚ 입자 크기 및 그 미만의 입자 크기에서, 격자 변수는 미세결정 크기가 감소됨에 따라 급격하게 증가한다(6 ㎚에서 0.45%까지, 예를 들면 문헌[Zhang, et al., Applied Physics Letters, 80 1, 127 (2002)] 참조). 관련된 크기 유도된 격자 변형은 향상된 촉매 활성을 초래하는 표면 산소 공극의 증가를 수반한다. 이와 같은 역 크기-의존성 활성은 더욱 효율적인 연료 전지를 제공할 뿐 아니라, 석유 연료의 연소에 사용될 경우 더 우수한 산화성 성질을 제공한다.Degree is CeO 2 that can act as a catalyst oxygen storage material shown in Scheme 1 are in part influenced by the particle size of CeO 2. At 20 nm particle size and smaller particle sizes, the lattice parameter increases rapidly as the microcrystal size decreases (up to 0.45% at 6 nm, for example, Zhang, et al., Applied Physics Letters , 80 1, 127 (2002)]. Related size-induced lattice strains involve an increase in surface oxygen voids leading to improved catalytic activity. Such reverse size-dependent activity not only provides more efficient fuel cells but also provides better oxidative properties when used in the combustion of petroleum fuels.

상기에 기재한 바와 같이, 세륨 나노입자의 제조에 대하여 미국 특허 제5,017,352호(Chane-Ching, et al.), 미국 특허 제5,938,837호(Hanawa, et al.), 미국 특허 제4,786,325호(Melard, et al.), 미국 특허 제5,712,218호(Chopin, et al.), 미국 특허 출원 공개 공보 제2005/0031517호(Chan) 및 미국 특허 제7,025,943호(Zhou, et al.)에 기재된 것을 비롯한 각종 방법 및 장치가 보고되어 있으며, 이들 문헌은 그 개시내용이 본원에 참고로 포함된다. 그러나, 통상의 방법은 경제적이지 않으며, 용이하지 않으며(즉, 하소 처리되지 않음), 매우 높은 현탁액 밀도[0.5 몰 초과, 즉 크기가 충분히 작은(평균 기하 직경에서 5 ㎚ 미만) 9 중량%]에서 단시간 이내에 높은 수율로 입방 CeO2 나노입자의 제조가 확실하지 않으며, 크기 빈도 분포(25% 미만의 변동[COV]의 계수, 여기서 COV는 표준 편차를 평균 직경으로 나눔)에서 균일하지 않으며, 다수의 바람직한 적용예에 대하여 안정하지 않게 된다. 추가로, 결정질인, 즉 예컨대 전술한 당업계 및 기술 문헌에서 교시한 바와 같이 다양한 크기를 갖는 미세결정의 응집보다는 단일 결정인 입자를 생성하는 것이 매우 바람직하다.As described above, for the preparation of cerium nanoparticles, US Pat. No. 5,017,352 (Chane-Ching, et al.), US Pat. No. 5,938,837 (Hanawa, et al.), US Pat. No. 4,786,325 (Melard, et al., US Pat. No. 5,712,218 to Chopin, et al., US Patent Application Publication No. 2005/0031517 (Chan) and US Pat. No. 7,025,943 (Zhou, et al.). And devices are reported, the disclosures of which are incorporated herein by reference. However, conventional methods are not economical, not easy (i.e. not calcined), and at very high suspension densities [more than 0.5 moles, i.e. 9 wt% of sufficiently small size (less than 5 nm at average geometric diameter)]. The production of cubic CeO 2 nanoparticles with high yields within a short time is unclear, uneven in size frequency distribution (coefficient of variation [COV], where COV is the standard deviation divided by the average diameter), Not stable for the preferred application. In addition, it is highly desirable to produce particles that are crystalline, i.e., single crystals rather than agglomerates of microcrystals of various sizes as taught in the art and technical literature described above.

실질적으로 순수한 이산화세륨 나노입자가 연료 첨가제에 포함되는 것이 이롭기는 하나, 형성되는 추가의 산소 공극의 형성을 초래하는 성분으로 도핑된 이산화세륨을 사용하는 것이 추가로 이로울 수 있다(반응식 1). 이것이 발생하도록 하기 위하여, 도펀트는 2가 또는 3가, 즉 희토류 금속, 전이 금속 또는, 원소주기율표의 IIA, IIIB, VB 또는 VIB족 금속인 원소의 2가 또는 3가 이온이어야 한다. 이들 더 낮은 원자가 양이온을 사용한 결정 하전 중성에 대한 요건은 반응식 1이 오른쪽으로 진행되도록 하며, 즉 더 높은 정도의 산소 공극을 형성하게 한다. 이온 반경이 Ce+4(팔면체 구조에서 0.97 Å)보다 더 작은 금속 도펀트 이온은 또한 산소 공극 형성을 돕게 되는데, 이러한 방법이 2 개의 이웃하는 Ce+4 이온(하나의 표면 및 하나의 표면하)을 더 큰 이온 반경 1.143 Å을 갖는 Ce+3로 환원시키며, 격자를 팽창시켜서 격자 변형을 야기하기 때문이다. 따라서, 치환되는 Zr+4(이온 반경 0.84 Å) 또는 Cu+2(6 좌표 팔면체 구조의 이온 반경이 0.73 Å이고, 4 좌표 사면체 구조의 이온 반경은 0.57 Å임)는 이러한 격자 변형의 일부를 완화시키게 된다. 추가로, Zr은 (하나의 표면 및 하나의 표면하보다는) 2개의 이웃한 표면 Ce+3 종을 형성하게 되며, 이는 이온의 약 50%가 표면 이온인 매우 작은 입자에 대하여 중요할 수 있다. 따라서, 치환 이온 도핑은 간극 이온 도핑에 바람직하며, 여기서 도펀트는 정상의 격자 위치 사이의 공간을 차지하게 된다.While it is advantageous to include substantially pure cerium dioxide nanoparticles in the fuel additive, it may be further advantageous to use cerium dioxide doped with components that result in the formation of additional oxygen voids formed (Scheme 1). In order for this to occur, the dopant must be divalent or trivalent, ie a rare earth metal, a transition metal, or a divalent or trivalent ion of an element that is an IIA, IIIB, VB or VIB metal of the Periodic Table of the Elements. The requirement for crystal charge neutrality with these lower valence cations causes Scheme 1 to proceed to the right, i.e., to form a higher degree of oxygen voids. Metal dopant ions with an ionic radius of less than Ce +4 (0.97 kPa in octahedral structure) also aid in the formation of oxygen voids, which can cause two neighboring Ce +4 ions (one surface and one surface). This is because it is reduced to Ce +3 with a larger ion radius of 1.143 kPa, which causes the lattice to expand and cause lattice deformation. Thus, the substituted Zr +4 (ion radius 0.84 kW) or Cu +2 (the ion radius of the six-coordinate octahedral structure is 0.73 kPa and the ion radius of the four-coordinate tetrahedral structure is 0.57 kPa) alleviates some of these lattice deformations. Let's go. In addition, Zr will form two neighboring surface Ce + 3 species (rather than one surface and one surface), which may be important for very small particles where about 50% of the ions are surface ions. Thus, substituted ion doping is preferred for gap ion doping, where the dopant occupies the space between normal lattice positions.

이러한 논의를 위하여, 격자 엔지니어링된 결정과 반대로 도핑이 의미하는 것을 구별하여야만 한다. 반도체 물리학에서, 용어 도핑은 1백만당 1부 범위로 존재하는 n 또는 p 타입 불순물을 지칭한다. 용어 도핑된 결정은 1종 이상의 금속 도펀트 이온이 2 몰%(20,000 ppm) 미만의 농도로 존재하는 결정을 지칭하도록 사용된다. 반대로 격자 엔지니어링된 결정은 20,000 ppm 초과 800,000 ppm 이하(또는 세륨 부격자의 80%)의 농도에서 CeO2 결정중에 존재하는 1종 이상의 금속 도펀트 이온을 가질 수 있다. 따라서, 격자 엔지니어링된 이산화세륨 결정은 소수의 금속 성분으로서 존재하는 세륨을 가질 수 있다.For this discussion, one must distinguish what doping means as opposed to lattice engineered crystals. In semiconductor physics, the term doping refers to n or p type impurities present in the range of 1 part per million. The term doped crystal is used to refer to a crystal in which one or more metal dopant ions are present at a concentration of less than 2 mol% (20,000 ppm). Conversely, the lattice engineered crystals may have one or more metal dopant ions present in the CeO 2 crystals at concentrations above 20,000 ppm up to 800,000 ppm (or 80% of the cerium sublattice). Thus, lattice engineered cerium dioxide crystals may have cerium present as a minor metal component.

이온 수송, 반응 효율 및 기타의 성질을 개선시키기 위하여 이산화세륨을 금속 이온으로 도핑시키는 것은 예를 들어 문헌["Doped Ceria as a Solid Oxide Electrolyte, H. L. Tuller and A. S. Nowick, J. Electrochem Soc., 1975, 122(2), 255], ["Point Defect Analysis and Microstructural Effects in Pure and Donor Doped Ceria", M. R. DeGuire, et. al., Solid State Ionics, 1992, 52, 155]; 및 ["Studies on Cu/CeO2: A New NO Reduction Catalyst" Parthasarathi Bera, S. T. Aruna, K.C. Patil and M.S. Hegde, Journal of Catalysis, 186, 36-44 (1999)]에 기재되어 있다. 전자 및 산소 확산 성질에 대한 생성된 도펀트 효과는 문헌[Trovarelli, Catalysis by Ceria and Related Materials, Catalytic Science Series, World Scientific Publishing Co., 37-46 (2002)] 및 여기서 인용된 문헌에 기재되어 있다.Doping cerium dioxide with metal ions to improve ion transport, reaction efficiency and other properties is described, for example, in " Doped Ceria as a Solid Oxide Electrolyte, HL Tuller and AS Nowick, J. Electrochem Soc. , 1975, 122 (2), 255], "Point Defect Analysis and Microstructural Effects in Pure and Donor Doped Ceria", MR DeGuire, et. Al., Solid State Ionics , 1992, 52, 155; and "Studies on Cu / CeO 2 : A New NO Reduction Catalyst "Partha sarathi Bera, ST Aruna, KC Patil and MS Hegde, Journal of Catalysis , 186, 36-44 (1999). The resulting dopant effect on electron and oxygen diffusion properties. Are described in Trovarelli, Catalysis by Ceria and Related Materials , Catalytic Science Series , World Scientific Publishing Co., 37-46 (2002) and references cited therein.

문헌[Trovarelli et al., Catalysis Today, 43 (1998), 79-88]에서는 계면활성제를 사용한 접근법을 사용하여 꽤 우수한 조성 균질성을 갖는 세리아-지르코니아 혼합된 산화물의 제조가 논의되어 있다. 높은 비표면적 230 ㎡/gm은 723°K에서 조성물의 하소후 얻어지지만, 소결은 비표면적이 40 ㎡/gm(약 20 ㎚ 직경)으로 떨어짐에 따라 1,173°K에서 발생한다.Trovarelli et al., Catalysis Today , 43 (1998), 79-88, discuss the preparation of ceria-zirconia mixed oxides with fairly good composition homogeneity using an approach with surfactants. High specific surface area 230 m 2 / gm is obtained after calcination of the composition at 723 ° K, but sintering occurs at 1,173 ° K as the specific surface area drops to 40 m 2 / gm (about 20 nm diameter).

펄스 중성자 회절 기법은 문헌[E. Mamontov, et al., J. Phys. Chem. B 2000, 104, 1110-1116]에 의하여 사용되어 세리아 및 세리아-지르코니아 고체 용액을 연구하였다. 이들 연구는 공극-간극 산소 결핍의 농도와 산소 저장 능력 사이의 상관 관계를 최초로 정립하였다. 이 문헌에서는 Zr이 돕는 산소 결핍의 보존이 열 노화에 대하여 OSC의 분해를 개선시키기 위하여 필수적인 것으로 주장하고 있다. ZrO2는 30.5 몰%로 존재하며, 하소된 입자는 BET 표면적 측정을 기준으로 하여 직경이 약 40 ㎚이다.Pulse neutron diffraction techniques are described in E. Mamontov, et al., J. Phys. Chem. B 2000, 104, 1110-1116, to study ceria and ceria-zirconia solid solutions. These studies were the first to establish a correlation between the concentration of void-gap oxygen deficiency and oxygen storage capacity. This document argues that preservation of oxygen deficiency assisted by Zr is essential to improve the degradation of OSC against thermal aging. ZrO 2 is present at 30.5 mol% and the calcined particles are about 40 nm in diameter based on the BET surface area measurements.

문헌[Z. Yang et al., Journal of Chemical Physics, (2006) 124 (22), 224704/(1-7)]은 밀도 범함수 이론을 사용하여 제1의 원리로부터 계산하는데, 산소 공극이 Zr 중심에 근접하게 가장 용이하게 생성되며, 그리하여 이들 중심은 공극 집결체를 위한 핵형성 부위로서 작용하게 된다. 배출된 산소는 공극에 이웃하는 Ce+4 중심에 2개의 전자를 제공하여 2개의 Ce+3 중심을 생성한다.Z. Yang et al., Journal of Chemical Physics , (2006) 124 (22), 224704 / (1-7)] calculate from the first principle using density functional theory, in which oxygen pores are close to the center of Zr. Most easily generated, so that these centers act as nucleation sites for pore assemblies. The released oxygen provides two electrons to the Ce +4 centers adjacent to the voids, creating two Ce +3 centers.

문헌[R. Wang et al., J. Chem. Phys. B, 2006, 110, 18278-18285]은 분무 동결 기법에 이어서 하소에 의하여 생성된 Ce0.5Zr0.5O2에서의 Zr의 공간 분포를 연구하였다. 이 문헌에서는 입자 크기가 5.4 내지 25 ㎚인 입자에서의 Ce가 풍부한 코어 및 Zr이 풍부한 셸을 특징으로 하는 입자 나노단위 불균질성이 산화환원 활성이 더 큰 물질과 관련되어 있다는 것을 발견하였다. 이러한 발견은 Zr 및 Ce의 균질한 분포가 활성을 감소시켜 바람직하지 않다는 것을 함축한다.R. Wang et al., J. Chem. Phys. B , 2006, 110, 18278-18285 studied the spatial distribution of Zr in Ce 0.5 Zr 0.5 O 2 produced by spray freezing followed by calcination. This document found that particle nanounit heterogeneity characterized by Ce-rich cores and Zr-rich shells in particles with particle sizes between 5.4 and 25 nm is associated with materials with greater redox activity. This finding implies that a homogeneous distribution of Zr and Ce reduces the activity and is therefore undesirable.

문헌[S. Bedrane et al., Catalysis Today, 75, 1-4, 401-405 July 2002]에서는 11종의 귀금속(PM=Rh, Pt, Rd, Ru 및 Ir) 도핑된 세리아(CeO2) 및 세리아-지르코니아(Ce0.63Zr0.37O2) 조성물의 산소 저장 능력(반응식 1)을 측정하였다. 이 문헌에서는 Ce-Zr 물질이 PM 농도에 대하여 거의 독립적인 OSC를 가지며, PM-로딩된 Ce 단독 물질보다 2 내지 4배인 레벨링 효과를 관찰하였다.S. Bedrane et al., Catalysis Today , 75, 1-4, 401-405 July 2002] 11 noble metals (PM = Rh, Pt, Rd, Ru and Ir) doped ceria (CeO 2 ) and ceria-zirconia ( Ce 0.63 Zr 0.37 O 2 ) The oxygen storage capacity (Scheme 1) of the composition was measured. In this document, Ce-Zr materials have OSCs that are almost independent of PM concentration, and observe a leveling effect that is 2-4 times greater than PM-loaded Ce alone materials.

증기상 합성을 사용한 나노페이스 테크놀로지즈, 코포레이션(Nanophase Technologies, Corp.)의 H. Sparks et al.은 희토류 산화물 나노물질과 혼합된 세리아를 제조하였다. 문헌[Mat. Res. Soc. Symp. Proc, Vol 788, 2004]. 이 문헌에서는 나노결정질 입자 크기의 개선된 열 안정성 및 Zr-도핑된 세리아(1:1)에 대한 OSC의 증가가 관찰되었으나, La 또는 Pr을 Zr 조성물에 추가로 첨가하는 것은 세리아 그 자체보다는 우수하지만, 지르코늄 세리아 조합보다는 더 불량하다. 보고된 비표면적으로부터, 입자 크기가 600℃에서 10 ㎚이며, 1,050℃에서 40 ㎚로 증가되는 것으로 추정할 수 있다.H. Sparks et al. Of Nanophase Technologies, Corp., using vapor phase synthesis, prepared ceria mixed with rare earth oxide nanomaterials. Mat. Res. Soc. Symp. Proc , Vol 788, 2004. In this document an improved thermal stability of nanocrystalline particle size and an increase in OSC for Zr-doped ceria (1: 1) were observed, but adding La or Pr to the Zr composition was superior to ceria itself. It is worse than the zirconium ceria combination. From the reported specific surface areas, it can be estimated that the particle size is 10 nm at 600 ° C. and increased to 40 nm at 1,050 ° C.

디젤 매연의 연소에서 Zr 및 Fe 도핑된 CeO2의 촉매 효과는 문헌[Aneggi et al., Catalysis Today, 114, (2006), 40-47]에서 연구하였다. 이 문헌에서는 Zr이 순수한 세리아의 열 안정성 및 OSC를 개선시킨다는 사실을 반복하였으며, Fe2O3가 더 우수한 새로운 결과를 도출하였으나, 하소후 활성의 순손실이 존재한다는 것을 확인하였다. 약 21 ㎚인 이들 하소된 입자에 대한 결정학적 데이타를 비롯한 Zr 및 Zr과 Fe의 매우 체계적인 레벨 시리즈를 연구하였다. 이 문헌에서는 나노입자 특정 면적 한계값 35 ㎡/gm(24 ㎚ 미만의 직경에 해당함)을 측정하였으며, 여기서 새로운 활성 대 노화된 활성은 불변하였다.The catalytic effect of Zr and Fe doped CeO 2 in the combustion of diesel soot has been studied in Aneggi et al., Catalysis Today , 114, (2006), 40-47. This document repeats the fact that Zr improves the thermal stability and OSC of pure ceria, and Fe 2 O 3 led to better new results, but confirmed that there is a net loss of activity after calcination. A series of highly systematic levels of Zr and Zr and Fe, including crystallographic data for these calcined particles of about 21 nm, were studied. This document measured the nanoparticle specific area limit of 35 m 2 / gm (corresponding to a diameter of less than 24 nm), where the new versus aged activity was unchanged.

구리계 촉매계도 또한 많은 관심을 받아왔다. 3 및 5 원자% Cu/CeO2의 매우 철저한 구조 분석에서, 문헌[M.S. Hegde et al., Chem. Mater. 2002, 14, 3591-3601]에서는 Cu가 불연속적인 CuO 상 없이 Ce1-xCuxO2의 뚜렷한 고체 용액을 형성하는 것으로 입증되었다. 연소 합성에 의하여 생성된 이들 50 ㎚ 응집된 그레인에서, Cu는 +2 상태에 있으며, CuO에서의 Cu보다 촉매 활성이 훨씬 더 크다. 게다가, 산소 이온 공극은 Cu+2 양이온 주위에서 생성된다.Copper based catalyst systems have also received much attention. In a very thorough structural analysis of 3 and 5 atomic% Cu / CeO 2 , MS Hegde et al., Chem. Mater . 2002, 14, 3591-3601 demonstrated that Cu forms a distinct solid solution of Ce 1-x Cu x O 2 without discontinuous CuO phase. In these 50 nm aggregated grains produced by the combustion synthesis, Cu is in the +2 state, and the catalytic activity is much greater than Cu in CuO. In addition, oxygen ion voids are produced around the Cu +2 cation.

문헌[A. Martinex-Arias et al., J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 19595-19603]에서는 Ce1-xMxO2 형석형 나노입자(x=0.05, 0.1 및 0.2)의 환원이 가역적이며, Cu의 산화 상태는 그의 정상 상태(+1 또는 +2)보다 더 높은 것으로 밝혀졌다. 도펀트는 산화물 부격자내의 약 6 ㎚ 입자에서 커다란 격자 변형을 유발하며, 이는 산소 공극의 형성에 유리하다. 역 마이크로에멀젼 방법에 이어서 500℃에서의 하소를 사용하여 이들 물질을 생성하였다.A. Martinex-Arias et al., J. Phys. Chem. B , 2005, 109, 19595-19603], the reduction of Ce 1-x M x O 2 fluorspar nanoparticles (x = 0.05, 0.1 and 0.2) is reversible and the oxidation state of Cu is at its steady state (+1 or Higher than +2). Dopants cause large lattice strains at about 6 nm particles in the oxide sublattices, which is beneficial for the formation of oxygen voids. These materials were produced using an inverse microemulsion method followed by calcination at 500 ° C.

철은 촉매 활성이 개선된 CeO2 나노입자가 주입된 또 다른 금속이다. 문헌[I. Melian-Cabrera et al., Journal of Catalysis, 239, 2006, 340-346]에서는 세륨 및 산화철의 50/50 조성으로 산소-제한된 반응인 N2O의 최적의 촉매 분해 및 (미도핑된 물질에 비하여) 향상된 활성이 보고되어 있다. Fe-도핑된 세리아는 30 ㎚ 직경 범위로 입자를 생성하는 공침 방법에 의하여 생성된다.Iron is another metal infused with CeO 2 nanoparticles with improved catalytic activity. I. Melian-Cabrera et al., Journal of Catalysis , 239, 2006, 340-346, reports the optimum catalytic decomposition and improved activity (relative to undoped material) of N 2 O, an oxygen-limited reaction with a 50/50 composition of cerium and iron oxide. Fe-doped ceria is produced by the coprecipitation method which produces particles in the 30 nm diameter range.

문헌[T. Campenon and colleagues, SAE special publication SP 2004, SP-1860, "Diesel Exhaust Emission Control"]에서는 디젤 미립자 필터에서의 회분 증강을 조절하기 위하여 철 도핑된 세리아를 사용한다.T. Campenon and colleagues, SAE special publication SP 2004, SP-1860, "Diesel Exhaust Emission Control", use iron doped ceria to control ash buildup in diesel particulate filters.

문헌[R. Hu and colleagues, Shiyou Huagong (2006), 35(4), 319-323]에서는 고체 상 제분 기법에 이어서 다양한 고온에서의 하소에 의하여 생성된 Fe-도핑된 이산화세륨을 연구하였다. 철 도핑은 메탄의 연소에 대한 촉매 활성을 개선시키며 동시에 입자 크기를 감소시켰다. R. Hu and colleagues, Shiyou Huagong (2006), 35 (4), 319-323, studied Fe-doped cerium dioxide produced by solid phase milling followed by calcination at various high temperatures. Iron doping improved the catalytic activity for the combustion of methane and at the same time reduced the particle size.

미국 특허 출원 공개 공보 제2005/0152832호의 실시예 9 및 10에서는 세륨-도핑된 및 세륨-코팅된 바륨 헥사알루미네이트 입자 각각의 제조가 기재되어 있다. 실시예 13에서는 세륨-코팅된 입자를 사용한 메탄의 산화가 기재되어 있다.Examples 9 and 10 of US Patent Application Publication No. 2005/0152832 describe the preparation of cerium-doped and cerium-coated barium hexaaluminate particles, respectively. Example 13 describes the oxidation of methane using cerium-coated particles.

미국 특허 제6,752,979호(Talbot et al.)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에는 계면활성제 미셸이 용액내에서 형성되도록 하는 조건하에서 1종 이상의 금속 양이온을 포함하는 용액과 계면활성제를 혼합하여 미셸 액체를 형성하고, 미셸 액체를 가열하여 계면활성제를 제거하고, 불규칙한 공극 구조를 갖는 금속 산화물 입자를 형성하는 것으로 이루어진 나노크기의 그레인을 갖는 금속 산화물 입자의 제조 방법이 기재되어 있다. 금속 양이온은 원소주기율표 IA, 2A, 3A, 4A, 5A 및 6A족으로부터의 양이온, 전이 금속, 란탄족, 악티늄족 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 이산화세륨 및, 세륨을 포함하는 혼합 산화물 및 1종 이상의 기타 금속의 입자의 제조는 실시예에 포함되어 있다.U.S. Patent No. 6,752,979 (Talbot et al., The disclosure of which is incorporated herein by reference) discloses a mixture of a surfactant and a solution comprising at least one metal cation under conditions such that the surfactant micelle is formed in solution. A method for producing metal oxide particles with nano-sized grains is described which forms a micelle liquid, heats the micelle liquid to remove the surfactant, and forms metal oxide particles having an irregular pore structure. The metal cation is selected from the group consisting of cations from the Periodic Tables IA, 2A, 3A, 4A, 5A and 6A, transition metals, lanthanides, actinides and mixtures thereof. The preparation of particles of cerium dioxide and mixed oxides containing cerium and one or more other metals is included in the examples.

미국 특허 제6,413,489호 및 미국 특허 제6,869,584호(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)의 실시예 9에는 동결 건조에 의하여 수집하고, 공기하에서 500℃ 및 800℃로 하소시킨 세륨-도핑된 헥사알루민산바륨 입자를 생성하기 위하여 에멀젼 혼합물에 질산세륨을 포함시키는 것이 기재되어 있다. 생성된 입자는 500℃ 및 800℃ 각각에서 그레인 크기가 5 ㎚ 및 7 ㎚ 미만이다. 실시예 10에는 세륨-코팅된 헥사알루민산바륨 입자의 합성이 기재되어 있다. 하소후, 세륨-코팅된 입자는 그레인 크기가 500℃, 800℃ 및 1,100℃ 각각에서 4 ㎚, 6.5 ㎚ 및 16 ㎚ 미만이다.Example 9 of US Pat. No. 6,413,489 and US Pat. No. 6,869,584, the disclosures of which are incorporated herein by reference, include cerium-doped hexaalu, collected by freeze drying and calcined at 500 ° C. and 800 ° C. under air. It has been described to include cerium nitrate in the emulsion mixture to produce barium nitrate particles. The resulting particles have grain sizes of less than 5 nm and 7 nm at 500 ° C. and 800 ° C., respectively. Example 10 describes the synthesis of cerium-coated barium hexaaluminate particles. After calcination, the cerium-coated particles have grain sizes of less than 4 nm, 6.5 nm and 16 nm at 500 ° C, 800 ° C and 1,100 ° C, respectively.

미국 특허 제7,169,196B2호(Wakefield)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에는 희토류 금속, 전이 금속 또는 원소주기율표의 IIa, IIIB, VB 또는 VIB족 금속인 2가 또는 3가 금속 또는 준금속으로 도핑된 이산화세륨 입자를 포함하는 연료가 기재되어 있다. 바람직한 도펀트로서는 구리가 개시되어 있다.US Patent No. 7,169,196B2 to Wakefield, the disclosure of which is incorporated herein by reference, includes divalent or trivalent metals or metalloids which are rare earth metals, transition metals or Group IIa, IIIB, VB or VIB metals of the Periodic Table. A fuel comprising doped cerium dioxide particles is described. Copper is disclosed as a preferred dopant.

미국 특허 제7,384,888B2호(Oji Kuno)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에는 고온 안정성이 개선되고 OSC가 안정한 세리아 코어 및 지르코니아 셸을 갖는 세륨-지르코늄 복합물질 금속 산화물이 기재되어 있다. 그러나, 700℃에서의 하소가 물질의 제조에 필요하며, 탄화수소 및 일산화탄소 산화에 대한 촉매 활성이 10 내지 20% 개선된 것으로 나타났다. 5 내지 20 ㎚ 입자의 청구를 뒷받침할만한 크기에 대한 데이타는 존재하지 않으며, 직접적인 OSC 측정에 대하여서도 언급되어 있지 않으며, 코어-셸 기하에 대한 주장을 뒷받침할만한 분석 데이타도 존재하지 않는다.US Pat. No. 7,384,888B2 to Oji Kuno, the disclosure of which is incorporated herein by reference, describes cerium-zirconium composite metal oxides having a ceria core and a zirconia shell with improved high temperature stability and OSC stability. However, calcination at 700 ° C. is required for the preparation of the material, and the catalytic activity for hydrocarbon and carbon monoxide oxidation has been shown to be 10-20% improved. There is no data on the size to support claims of 5 to 20 nm particles, no mention of direct OSC measurements, and no analytical data to support claims on core-shell geometry.

10 ㎚ 직경 또는 더 작은 나노입자에 관하여, 상기 작은 입자에 금속 이온 도펀트를 혼입시키는 능력에 대하여서는 의심의 여지가 많다. 예를 들어 8.1 ㎚ 입자는 표면상에서 Ce 이온의 10% 미만인 반면, 2.7 ㎚ 입자(각각의 0.54 ㎚/단위 셀의 엣지상에서의 5개의 단위 셀)는 표면상에서 500 Ce 이온의 46.6%이다. 표면 이온은 격자에 1/2(정면의 경우) 또는 1/8(모서리) 혼입되며, 그리하여 결합 에너지가 실질적으로 감소되며, 이의 배위 요건은 충족되지 않는다. (반도체) 나노결정의 도핑과 관련된 난점은 문헌[Science, 319, March 28, 2008 by Norris et al.]에 논의되어 있다. 성질, 예컨대 결정 대 용액중의 도펀트의 상대적 용해도, 도펀트의 격자로의 확산, 그의 형성 에너지, 치환되는 이온에 대한 크기 및 원자가, 흡착된 표면 안정화제에 의하여 부가될 수 있는 바와 같은 운동 장벽은 모두 필요하다면 도펀트 금속 이온이 이들 크기를 갖는 나노결정에 혼입될 수 있는 정도를 결정하는 역할을 할 수 있다.With respect to 10 nm diameter or smaller nanoparticles, there is doubt about the ability to incorporate metal ion dopants into the small particles. For example, 8.1 nm particles are less than 10% of Ce ions on the surface, while 2.7 nm particles (5 unit cells on the edge of each 0.54 nm / unit cell) are 46.6% of 500 Ce ions on the surface. Surface ions are incorporated into the lattice by one half (for the front) or one eighth (the corners), so that the binding energy is substantially reduced and its coordination requirements are not met. Difficulties associated with the doping of (semiconductor) nanocrystals are discussed in Science , 319, March 28, 2008 by Norris et al. Properties such as the relative solubility of the dopant in crystals versus solution, the diffusion of the dopant into the lattice, the energy of its formation, the size and valences for the ions to be substituted, and the kinetic barrier as can be added by adsorbed surface stabilizers are all If desired, dopant metal ions can serve to determine the extent to which they can be incorporated into nanocrystals having these sizes.

바로 앞의 문헌으로부터, 대다수의 도핑 작업은 비교적 큰 입자 크기(20 ㎚ 등)에서 발생하며, 초기의 세륨-금속 도펀트 혼합물의 하소에 의하여 또는, 대규모 물질 생산에 용이하게 사용되지 않는 공정인 미셀 합성에 의하여 실시되는 것이 명백하다. 크기가 10 ㎚ 미만인 입자를 설명하는 작업에서, 결정학적 형태는 입증되지 않거나 또는 구체화의 결정적 증거도 제공되지 않았다.From the preceding literature, most of the doping operations occur at relatively large particle sizes (20 nm, etc.), and micelle synthesis is a process that is not readily used for the production of large-scale materials, either by calcination of the initial cerium-metal dopant mixture. It is obvious that it is implemented by. In the work of describing particles less than 10 nm in size, no crystallographic form has been demonstrated or no definitive evidence of specification has been provided.

따라서, 하소(500C 이상)를 필요로 하지 않는 용이한 방식으로 매우 작은 나노입자(약 10 ㎚ 미만의 직경)에 대하여 입방 CeO2의 세륨 부격자에 다양한 금속 도펀트 이온을 용이하게 혼입시키고 그리고, 도펀트 금속 산화물 그레인의 별도로 핵 형성된 모집단의 제조와는 대조적으로 혼입을 명백하게 입증하여야할 필요가 존재한다. 세리아의 단일 결정 입자는 독특하므로, 세리아의 금속 격자 엔지니어링된 변형체도 또한 그러할 것이다. 추가로, 이들 물질의 상당한 입수 가능한 양을 경제적인 방식으로 및 비교적 단시간내에 생성하는 것이 바람직하다.Thus, it is easy to incorporate various metal dopant ions into the cerium sublattice of cubic CeO 2 for very small nanoparticles (diameter less than about 10 nm) in an easy manner that does not require calcination (above 500C), and dopants In contrast to the preparation of separately nucleated populations of metal oxide grains there is a need to clearly demonstrate incorporation. Since single crystal grains of ceria are unique, so will the metal lattice engineered variants of ceria. In addition, it is desirable to produce significant available amounts of these materials in an economical manner and in a relatively short time.

이산화세륨을 생성하는데 사용될 통상의 화학적 반응기는 혼합기를 포함하는 반응 챔버[예를 들어 미국 특허 제7,025,943호(Zhou et al.)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)의 도 1을 참조함]를 포함한다. 혼합기는 통상적으로 샤프트 및, 샤프트에 부착된 프로펠러 또는 터빈 블레이드 및, 프로펠러가 고속(1,000 내지 5,000 rpm)으로 회전되도록 샤프트를 회전시키는 모터를 포함한다. 샤프트는 우수한 메소 혼합(마이크로 단위)을 위한 평편한 블레이드 터빈 및 매크로 혼합(반응기를 통하여 외부로 유체를 펌핑 처리함)을 위한 피치 블레이드 터빈을 구동시킬 수 있다.A conventional chemical reactor to be used to produce cerium dioxide is a reaction chamber comprising a mixer (see, eg, FIG. 1 of Zhou et al., The disclosure of which is incorporated herein by reference). It includes. The mixer typically includes a shaft, a propeller or turbine blade attached to the shaft, and a motor that rotates the shaft so that the propeller rotates at high speed (1,000 to 5,000 rpm). The shaft can drive a flat blade turbine for good meso mixing (micro units) and a pitch blade turbine for macro mixing (pumping fluid out through the reactor).

이와 같은 장치는 미국 특허 제6,422,736호(Antoniades)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에 기재되어 있다. 개시된 반응기는 예컨대 하기 반응식에 의하여 나타낸 고속 반응에 유용하며, 여기서 생성물 AgCl은 직경이 수백 나노미터 내지는 수천 나노미터 정도인 결정질 물질이다:Such a device is described in US Pat. No. 6,422,736 (Antoniades), the disclosure of which is incorporated herein by reference. The disclosed reactors are useful for high speed reactions, for example represented by the following schemes, where the product AgCl is a crystalline material with a diameter of several hundred nanometers to several thousand nanometers:

Figure pct00006
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이와 같은 유형의 혼합을 사용하여 생성한 이산화세륨 입자는 종종 너무 커서 특정의 적용예에 유용하지 않다. 촉매 경향으로서 가능한 가장 작은 이산화세륨 입자를 갖는 것이 매우 바람직한데, 이는 특히 평균 직경이 10 ㎚ 미만인 입자의 경우 산소를 연소계에 제공하는 능력(반응식 1 참조)이 입자 크기가 감소됨에 따라 증가하기 때문이다.Cerium dioxide particles produced using this type of mixing are often too large to be useful for certain applications. It is highly desirable to have the smallest possible cerium dioxide particles as the catalyst tendency, especially for particles with an average diameter of less than 10 nm because the ability to provide oxygen to the combustion system (see Scheme 1) increases with decreasing particle size. to be.

2007년 9월 4일자로 출원된 이산화세륨 나노입자의 제조 방법이라는 명칭의 PCT/US2007/077545에는 1.5 ㎚까지의 CeO2 나노입자를 고 수율 및 매우 높은 현탁액 밀도로 생성할 수 있는 혼합 장치가 기재되어 있다. 반응기는 반응물을 첨가하기 위한 투입 포트, 프로펠러, 샤프트 및 혼합을 위한 모터를 포함한다. 반응 혼합물은 반응기 용기에 수용된다. 용기에 반응물, 예컨대 질산세륨, 산화제 및 수산화물 이온을 첨가하는 것은 초기에 매우 작은 핵으로서 형성된 CeO2 나노입자의 형성을 초래할 수 있다. 혼합은 핵이 순환되도록 하며, 핵이 연속적으로 반응성 혼합 구역을 통하여 순환됨에 따라 이들은 새로운 반응물을 혼입하여 성장한다(직경이 증가함). 따라서, 핵의 초기 고정적인 상태의 농축이 형성된 후, 이러한 핵 모집단은 차후에 더 큰 입자로 연속적으로 성장된다. 그레인 성장 억제제를 사용하여 성장 상을 종결시키지 않을 경우, 이와 같은 핵형성 및 성장 과정은 높은 입자 현탁액 밀도를 여전히 유지하면서 입자의 최종 크기를 제한하고자 할 경우에는 바람직하지 않다.PCT / US2007 / 077545, filed on September 4, 2007, entitled Process for Making Cerium Dioxide Nanoparticles, describes a mixing device capable of producing CeO 2 nanoparticles up to 1.5 nm in high yield and very high suspension density. It is. The reactor includes an input port for adding reactants, a propeller, a shaft and a motor for mixing. The reaction mixture is received in a reactor vessel. The addition of reactants such as cerium nitrate, oxidant and hydroxide ions to the vessel can lead to the formation of CeO 2 nanoparticles initially formed as very small nuclei. Mixing causes the nucleus to circulate, and as the nucleus circulates through the reactive mixing zone continuously, they grow incorporating new reactants (increasing in diameter). Thus, after enrichment of the initial stationary state of the nucleus is formed, this nuclear population is subsequently grown into larger particles. If the growth phase is not terminated using a grain growth inhibitor, this nucleation and growth process is undesirable when it is desired to limit the final size of the particles while still maintaining a high particle suspension density.

CeO2의 수성 침전에 적용되는 이와 같은 핵형성 및 성장 과정의 예는 문헌[Zhang et al., J. Appl. Phys. , 95, 4319 (2004)] 및 [Zhang, et al., Applied Physics Letters, 80, 127 (2002)]의 작업을 들 수 있다. 세륨 공급원으로서 질산세륨 6수화물(0.0375 M으로 매우 묽음) 및 암모니아 전구체로서 0.5 M 헥사메틸렌테트라아민을 사용하여 2.5 내지 4.25 ㎚ 이산화세륨 입자가 50 분 미만의 시간 이내에 형성된다. 이들 입자는 차후에 250 분 또는 600 분 정도의 반응 시간을 사용하여, 성장 조건에 의존하여 7.5 ㎚ 또는 이보다 크게 성장한다. 입자 크기, 농도 및 반응 시간에 대한 제한은 CeO2 나노입자의 부피가 큰 공업용 양으로 경제적으로 실효성이 있는 경로로서의 고려로부터 이러한 과정을 배제시킨다.Examples of such nucleation and growth processes applied to aqueous precipitation of CeO 2 are described in Zhang et al., J. Appl. Phys. , 95, 4319 (2004) and Zhang, et al., Applied Physics Letters , 80, 127 (2002). Using cerium nitrate hexahydrate (very dilute to 0.0375 M) as cerium source and 0.5 M hexamethylenetetraamine as ammonia precursor, 2.5 to 4.25 nm cerium dioxide particles are formed in less than 50 minutes. These particles are subsequently grown to 7.5 nm or larger, depending on growth conditions, using a reaction time of about 250 or 600 minutes. Restrictions on particle size, concentration and reaction time preclude this process from consideration as an economically viable route to bulky industrial quantities of CeO 2 nanoparticles.

문헌[I.H. Leubner, Current Opinion in Colloid and Interface Science, 5, 151-159 (2000)], [Journal of Dispersion Science and Technology, 22, 125-138 (2001)] 및 [상동, 23, 577-590 (2002)] 및 이에 인용된 문헌은 반응물의 몰 첨가율, 결정의 용해도 및 온도로 형성된 안정한 결정의 수와 관련된 이론적 처리를 제공한다. 또한, 이러한 모델은 결정의 수에 대한 확산, 동적 조절된 성장 과정, 오스왈드(Ostwald) 숙성화제 및 성장 억제제/안정화제의 효과를 설명한다. 높은 몰 첨가율, 낮은 온도, 낮은 용해도 및 성장 억제제의 존재는 모두 다수의 핵에 이로우며 그리하여 더 작은 최종 그레인 또는 입자 크기에 이롭다.IH Leubner, Current Opinion in Colloid and Interface Science , 5, 151-159 (2000), Journal of Dispersion Science and Technology , 22, 125-138 (2001) and Hom., 23, 577-590 ( 2002) and the literature cited therein provide theoretical treatments related to the molar addition rate of the reactants, the solubility of the crystals and the number of stable crystals formed by the temperature. This model also accounts for the effects of diffusion, dynamically regulated growth processes, Ostwald ripening agents and growth inhibitors / stabilizers on the number of crystals. High molar addition rates, low temperatures, low solubility and the presence of growth inhibitory all benefit many nuclei and thus smaller final grains or particle sizes.

회분식 반응기와는 반대로, 콜로이드 밀은 통상적으로 10,000 rpm에서 회전하는 평편한 블레이드 터빈을 지녀서 밀리미터분의 일 내지는 수 밀리미터의 크기로 변경될 수 있는 구멍을 갖는 스크린을 통과하게 된다. 일반적으로, 화학 반응이 발생하지는 않지만, 밀링에 의하여 야기되는 입자 크기에 변화가 발생한다. 특정의 경우에서, 입자 크기 및 안정성은 계면활성제의 존재에 의하여 열역학적으로 조절될 수 있다. 예를 들어 미국 특허 제6,368,366호 및 미국 특허 제6,363,237호(Langer et al., 모두 그 개시내용이 본원에 참고로 포함됨)에는 고전단 조건하에서 생성된 탄화수소 연료 조성물중의 수성 마이크로에멀젼이 기재되어 있다. 그러나, 수성 입자 상(연료 조성물중의 불연속 상)은 크기가 1,000 ㎚ 정도로 크다.In contrast to a batch reactor, a colloidal mill typically has a flat blade turbine that rotates at 10,000 rpm to pass through a screen with holes that can be varied from one millimeter to several millimeters in size. In general, no chemical reaction occurs, but a change in particle size caused by milling occurs. In certain cases, particle size and stability can be thermodynamically controlled by the presence of surfactants. For example, US Pat. No. 6,368,366 and US Pat. No. 6,363,237, both of which disclosures are incorporated herein by reference, describe aqueous microemulsions in hydrocarbon fuel compositions produced under high shear conditions. . However, the aqueous particle phase (discontinuous phase in the fuel composition) is as large as 1,000 nm in size.

콜로이드 밀은 입자가 너무 단단해서 밀에 의하여 타당한 양의 시간 이내에 전단되지 않기 때문에 커다란 이산화세륨 입자의 입자 크기를 감소시키는 것에는 유용하지 않다. 커다란 응집된 이산화세륨 입자를 마이크로미터 크기로부터 나노미터 크기로 감소시키는 바람직한 방법은 수일 동안 볼 밀상에서 안정화제의 존재하에 제분 처리하는 것이다. 이는 입자 크기의 넓은 분포를 변함없이 생성하는 시간이 소요되는 고가의 공정이다. 따라서, 높은 현탁액 밀도에서 균일한 크기 분포를 갖고 CeO2 입방 형석 구조를 여전히 유지하면서 1종 이상의 전이 금속 이온을 혼입시킨 이산화세륨의 매우 작은 나노미터 입자를 다량 합성하기 위한 경제적이면서 용이한 방법에 대한 수요가 존재한다.Colloid mills are not useful for reducing the particle size of large cerium dioxide particles because the particles are so hard that they are not sheared within a reasonable amount of time by the mill. A preferred method of reducing large agglomerated cerium dioxide particles from micrometer size to nanometer size is to mill in the presence of a stabilizer on a ball mill for several days. This is an expensive and time consuming process that invariably produces a wide distribution of particle sizes. Thus, for an economical and easy method to synthesize large quantities of very small nanometer particles of cerium dioxide incorporating one or more transition metal ions with a uniform size distribution at high suspension densities and still maintaining a CeO 2 cubic fluorite structure Demand exists.

수성 침전은 세륨 나노입자으로의 간편한 경로를 제공할 수 있다. 그러나, 연료에 대한 연료계 촉매로서 유용하게 하기 위하여, 이산화세륨 나노입자는 비극성 매체, 예를 들어 디젤 연료중에서 안정성을 나타내야만 한다. 수성 환경내에서의 응집을 방지하기 위하여 사용된 대부분의 안정화제는 비극성 환경중에서의 안정화의 임무에는 부적절하다. 비극성 용매에 넣을 경우, 이러한 입자는 즉시 응집되어 전부는 아니나 일부의 바람직한 나노미립자 성질을 상실하게 된다. 따라서, 수성 환경중에서 안정한 이산화세륨 입자를 형성하고, 입자 표면상에서 동일한 안정화제를 보유한 후, 이들 입자를 비극성 용매에 전달할 수 있으며, 이때 입자는 안정하게 유지되며 균질한 혼합물 또는 분산물을 형성할 수 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 간단하며 경제적인 방식으로, 표면 안정화제의 친화도가 극성으로부터 비극성으로 변경시키는 필요성을 배제시킬 수 있다. 안정화제를 변경시키는 것은 어려운 치환 반응 또는 별도의 지루한 분리 및 재분산 방법, 예를 들어 침전 및 차후의 새로운 안정화제를 사용하고 볼 밀링을 사용한 재분산을 수반할 수 있다.Aqueous precipitation can provide an easy route to cerium nanoparticles. However, to be useful as a fuel based catalyst for fuels, cerium dioxide nanoparticles must be stable in nonpolar media, such as diesel fuel. Most stabilizers used to prevent aggregation in aqueous environments are inadequate for the task of stabilization in nonpolar environments. When placed in a nonpolar solvent, these particles aggregate immediately and lose some, but not all, desirable nanoparticulate properties. Thus, cerium dioxide particles that are stable in an aqueous environment and having the same stabilizer on the particle surface can then be delivered to a nonpolar solvent, where the particles remain stable and can form a homogeneous mixture or dispersion. It is desirable to have. In this simple and economical way, the affinity of the surface stabilizer can be eliminated from the need to change from polar to nonpolar. Changing the stabilizer may involve difficult substitution reactions or separate, tedious separation and redispersion methods, such as precipitation and subsequent use of new stabilizers and redispersion using ball milling.

따라서, 극성 수성 환경내에서 안정한 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자를 합성한 후, 이들 입자를 안정한 균질한 혼합물이 형성되는 비극성 환경으로 전달하는 효율적이며 경제적인 방법에 대한 수요가 존재한다.Thus, there is a need for an efficient and economical method of synthesizing stable transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles in a polar aqueous environment and then transferring these particles to a nonpolar environment in which a stable homogeneous mixture is formed.

고온 내산화성 코팅을 제공하기 위한 세륨 나노입자의 사용은 예를 들어 문헌["Synthesis Of Nano Crystalline Ceria Particles For High Temperature Oxidization Resistant Coating," S. Seal et al., Journal of Nanoparticle Research, 4, 433-438 (2002)]에 보고되어 있다. Ni, 크로미아 및 알루미나 합금, 및 스텐레스 스틸을 비롯한 각종 표면상에서 그리고, Ni 및 Ni-Cr 코팅된 합금 표면상에서 이산화세륨의 부착이 연구되었다. 입자 크기가 10 ㎚ 이하인 이산화세륨이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 세리아 입자 혼입은 차후에 금속 표면의 산화를 억제한다.The use of cerium nanoparticles to provide high temperature oxidation resistant coatings is described, for example, in "Synthesis Of Nano Crystalline Ceria Particles For High Temperature Oxidization Resistant Coating," S. Seal et al., Journal of Nanoparticle Research , 4, 433-. 438 (2002). The adhesion of cerium dioxide on various surfaces including Ni, chromia and alumina alloys, and stainless steel, and on Ni and Ni-Cr coated alloy surfaces has been studied. Cerium dioxide with a particle size of 10 nm or less has been found to be preferred. Ceria particle incorporation subsequently inhibits oxidation of the metal surface.

미국 특허 제6,892,531호(Rim)(그 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에는 윤활유 및 0.05 내지 10 중량%의 카르복실산세륨을 포함하는 촉매 첨가제를 포함하는 디젤 엔진용 엔진 윤활유가 개시되어 있다.U.S. Patent No. 6,892,531 (Rim), the disclosure of which is incorporated herein by reference, discloses an engine lubricating oil for a diesel engine comprising a lubricant and a catalyst additive comprising 0.05 to 10% by weight of cerium carboxylate.

상기 기재한 바와 같이, 현재 입수 가능한 산화세륨- 및 도핑된 산화세륨계 연료 첨가제는 디젤 엔진의 연료 연소를 개선시켰으나, 추가의 개선이 여전히 요구된다. 5 ㎚ 이하의 훨씬 더 작으면서 비표면적은 더 큰 입방 CeO2의 나노입자를 이용하여 추가로 개선된 연료 연소를 제공하는 디젤 엔진용 연료 첨가제를 배합하는 것이 바람직하다. 이러한 그레인 크기로 전이 금속을 포함하여 가능하게 된 증가된 산소 저장 능력이 또한 매우 바람직하다. 게다가, 마모로부터 엔진의 보호, 엔진 마찰의 감소, 보다 큰 윤활성 및 동시에 개선된 연료 효율이 매우 유익할 것이다.As described above, currently available cerium oxide- and doped cerium oxide based fuel additives have improved fuel combustion in diesel engines, but further improvements are still needed. It is desirable to formulate fuel additives for diesel engines that provide further improved fuel combustion using nanoparticles of much smaller cubic CeO 2 while having a much smaller specific surface area of less than 5 nm. The increased oxygen storage capacity made possible by including transition metals with such grain size is also highly desirable. In addition, protection of the engine from wear, reduction of engine friction, greater lubricity and at the same time improved fuel efficiency would be very beneficial.

발명의 요약 Summary of the Invention

본 발명은The present invention

(a) 약 20℃ 내지 약 95℃ 범위의 초기 온도에서 제1세륨 이온 공급원, 1종 이상의 전이 금속 이온(M) 공급원, 수산화물 이온 공급원, 1종 이상의 나노입자 안정화제 및 산화제를 포함하는 수성 반응 혼합물을 제공하는 단계;(a) an aqueous reaction comprising a first cerium ion source, at least one transition metal ion (M) source, a hydroxide ion source, at least one nanoparticle stabilizer, and an oxidant at an initial temperature ranging from about 20 ° C to about 95 ° C. Providing a mixture;

(b) 상기 혼합물을 기계적 전단시키고, 천공된 스크린에 통과되도록 하여 수산화세륨 나노입자의 현탁액을 형성하는 단계; 및(b) mechanically shearing the mixture and passing through a perforated screen to form a suspension of cerium hydroxide nanoparticles; And

(c) 제1세륨 이온을 제2세륨 이온으로 산화시키기에 효과적인 온도 조건을 제공하여 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2를 포함하는 생성물 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 1종 이상의 전이 금속(M)을 포함하는 격자 엔지니어링된 이산화세륨 나노입자의 제조 방법에 관한 것이다. 그리하여 얻은 이산화세륨 나노입자는 입방 형석형 구조를 가지며, 평균 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚ 범위이며, 기하 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 4 ㎚ 범위이다.(c) providing a temperature condition effective to oxidize the first cerium ion to the second cerium ion to form a product stream comprising transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 . And a process for preparing lattice engineered cerium dioxide nanoparticles comprising at least one transition metal (M). The cerium dioxide nanoparticles thus obtained have a cubic fluorspar structure, with an average hydrodynamic diameter in the range of about 1 nm to about 10 nm, and a geometric diameter in the range of about 1 nm to about 4 nm.

본 발명은 추가로The present invention further

(a) 입방 형석형 구조를 갖고, 평균 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚ 범위이며, 기하 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 4 ㎚인 안정화된 전이 금속 함유 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2를 포함하는 수성 혼합물을 제공하는 단계;(a) Stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M having a cubic fluorspar structure and having an average hydrodynamic diameter in the range of about 1 nm to about 10 nm and a geometric diameter of about 1 nm to about 4 nm. providing an aqueous mixture comprising x O 2 ;

(b) 상기 안정화된 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자를 포함하는 상기 수성 혼합물을 농축시켜 수성 농축물을 형성하는 단계;(b) concentrating the aqueous mixture comprising the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles to form an aqueous concentrate;

(c) 상기 수성 농축물로부터 물을 실질적으로 전부 제거하여 상기 안정화된 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자의 실질적으로 물이 제거된 농축물을 형성하는 단계;(c) removing substantially all of the water from the aqueous concentrate to form a substantially water-free concentrate of the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles;

(d) 유기 희석제를 상기 실질적으로 물이 제거된 농축물에 첨가하여 상기 안정화된 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자의 유기 농축물을 형성하는 단계; 및(d) adding an organic diluent to the substantially water free concentrate to form an organic concentrate of the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles; And

(e) 비극성 매체의 존재하에서 상기 유기 농축물을 계면활성제와 혼합하여 안정화된 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2(여기서 "x"는 약 0.3 내지 약 0.8의 값을 가짐)를 포함하는 균질한 분산물을 형성하는 단계를 포함하는, 안정화된 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2를 포함하는 균질한 분산물의 형성 방법에 관한 것이다.(e) transition metal-containing 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, wherein "x" has a value from about 0.3 to about 0.8 And a method for forming a homogeneous dispersion comprising stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 .

도 1A 및 도 1B는 각각 실시예 1에 기재한 바와 같이 비-등온성 침전에 의하여 생성된 CeO2 나노입자의 TEM에 의한 TEM 화상 및 입자 크기 빈도 분석을 도시한다.
도 2는 실시예 1에 기재한 바와 같이 생성된 이산화세륨 나노입자의 X선 분말 회절 스펙트럼을 도시한다.
도 3A는 실시예 2에 기재한 바와 같이 생성된 1.1 ㎚ CeO2 나노입자의 TEM 화상을 도시한다. 도 3B는 상기 1.1 ㎚ 입자의 전자 회절 패턴을 도시한다. 도 3C는 입방 및 육방 CeO2 및 Ce2O3 격자에 대한 전자 회절 강도의 이론치 대 측정치를 포함하는 표 1을 도시한다.
도 4A 및 도 4B는 각각 실시예 3에 기재한 바와 같이 3중 제트 공정에 의하여 생성된 등온 침전된 CeO2 나노입자의 TEM에 의한 TEM 화상 및 입자 크기 빈도 분석을 도시한다.
도 5A 및 도 5B는 각각 실시예 4에 기재한 바와 같이 생성된 등온 침전된 Cu-함유 CeO2 나노입자의 TEM에 의한 TEM 화상 및 입자 크기 빈도 분석을 도시한다.
도 6A 및 도 6B는 각각 실시예 5에 기재한 바와 같이 생성된 등온 침전된 Fe-함유 CeO2 나노입자의 TEM에 의한 TEM 화상 및 입자 크기 빈도 분석을 도시한다.
도 7A 및 도 7B는 각각 실시예 6에 기재한 바와 같이 생성된 등온 침전된 Zr-함유 CeO2 나노입자의 TEM에 의한 TEM 화상 및 입자 크기 빈도 분석을 도시한다.
도 8A 및 도 8B는 각각 실시예 7에 기재한 바와 같이 생성된 Zr 및 Fe를 포함하는 등온 침전된 CeO2 나노입자의 TEM에 의한 TEM 화상 및 입자 크기 빈도 분석을 도시한다. 도 8C는 실시예 7에 기재한 바와 같이 생성된 등온 침전된 CeO2 나노입자 및, Zr 및 Fe를 포함하는 등온 침전된 CeO2 나노입자의 X선 회절 스펙트럼을 도시한다.
도 9는 실시예 7에 기재한 바와 같이 생성된 Zr 및 Fe를 포함하는 CeO2 나노입자의 전계 방출 총 TEM 격자 화상을 도시한다.
1A and 1B show TEM image and particle size frequency analysis by TEM of CeO 2 nanoparticles produced by non-isothermal precipitation as described in Example 1, respectively.
2 shows the X-ray powder diffraction spectrum of the cerium dioxide nanoparticles produced as described in Example 1. FIG.
3A shows a TEM image of 1.1 nm CeO 2 nanoparticles produced as described in Example 2. FIG. 3B shows the electron diffraction pattern of the 1.1 nm particles. FIG. 3C shows Table 1 including theoretical versus measured values of electron diffraction intensities for cubic and hexagonal CeO 2 and Ce 2 O 3 lattice.
4A and 4B show TEM image and particle size frequency analysis by TEM of isothermally precipitated CeO 2 nanoparticles produced by a triple jet process as described in Example 3, respectively.
5A and 5B show TEM image and particle size frequency analysis by TEM of isothermally precipitated Cu-containing CeO 2 nanoparticles produced as described in Example 4, respectively.
6A and 6B show TEM image and particle size frequency analysis by TEM of isothermally precipitated Fe-containing CeO 2 nanoparticles produced as described in Example 5, respectively.
7A and 7B show TEM image and particle size frequency analysis by TEM of isothermally precipitated Zr-containing CeO 2 nanoparticles produced as described in Example 6, respectively.
8A and 8B show TEM image and particle size frequency analysis by TEM of isothermally precipitated CeO 2 nanoparticles comprising Zr and Fe produced as described in Example 7, respectively. Figure 8C shows an X-ray diffraction spectrum of the isothermal precipitated CeO 2 nanoparticles including a an isothermal precipitated CeO 2 nanoparticles and, Zr and Fe generated as described in Example 7.
9 shows field emission total TEM lattice images of CeO 2 nanoparticles comprising Zr and Fe produced as described in Example 7. FIG.

발명의 상세한 설명Detailed description of the invention

본 출원에서, 용어 "전이 금속"은 원소주기율표의 4, 5, 6 주기에 각각 포함되는 40 화학 원소 21 내지 30, 39 내지 48, 72 내지 80을 포괄하는 것으로 이해하여야 한다.In the present application, the term “transition metal” is to be understood to encompass 40 chemical elements 21-30, 39-48, 72-80, which are included in the 4, 5, 6 cycles of the periodic table of the elements, respectively.

본 발명은The present invention

(a) 제1세륨 이온 공급원 및 1종 이상의 전이 금속 이온, 수산화물 이온 공급원, 1종 이상의 나노입자 안정화제 및 산화제를 포함하는 수성 반응 혼합물을 제공하는 단계;(a) providing an aqueous reaction mixture comprising a first cerium ion source and at least one transition metal ion, a hydroxide ion source, at least one nanoparticle stabilizer and an oxidant;

(b) 상기 혼합물을 기계적 전단시키고, 천공된 스크린에 통과되도록 하여 수산화세륨 나노입자의 현탁액을 형성하는 단계; 및(b) mechanically shearing the mixture and passing through a perforated screen to form a suspension of cerium hydroxide nanoparticles; And

(c) 제1세륨 이온을 제2세륨 이온으로 산화시키기에 효과적인 온도 조건을 제공하여 입방 형석형 구조를 가지며, 평균 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚ 범위이며, 기하 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 4 ㎚ 범위인 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2를 포함하는 생성물 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 전이 금속 이온-함유 이산화세륨(CeO2) 나노입자의 제조 방법을 제공한다. 1종 이상의 전이 금속 이온을 포함하며 단일모드의 크기 분포 및 단순분산 크기 빈도 분포를 갖는 결정질 이산화세륨 입자는 이와 같은 크기 범위에서 선택적으로 생성될 수 있다. 단일 결정질 입자는 제조 조건에 의존하여 1.1 ㎚ 입자의 경우 엣지당 2 개의 단위 셀 내지는 2.7 ㎚ 입자의 경우 엣지당 5개 이하의 단위 셀을 포함한다. 여기서, 용어 결정질은 다양한 크기의 복수의 응집된 미세결정으로 이루어지지는 않았으나, 그보다는 성분 단위 셀의 수에 의하여 지시되는 소정의 치수를 갖는 단일 결정으로 이루어진 입자를 지칭한다.(c) has a cubic fluorite structure providing a temperature condition effective to oxidize the first cerium ion to the second cerium ion, having an average hydrodynamic diameter in the range of about 1 nm to about 10 nm, and a geometric diameter of about 1 nm. Preparation of transition metal ion-containing cerium dioxide (CeO 2 ) nanoparticles comprising forming a product stream comprising transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 in a range from about 4 nm. Provide a method. Crystalline cerium dioxide particles comprising one or more transition metal ions and having a monomodal size distribution and a monodisperse size frequency distribution can be selectively produced in this size range. Single crystalline particles comprise two unit cells per edge for 1.1 nm particles or up to five unit cells per edge for 2.7 nm particles, depending on the production conditions. The term crystalline here does not consist of a plurality of aggregated microcrystals of various sizes, but rather refers to particles consisting of a single crystal having a predetermined dimension indicated by the number of component unit cells.

본 발명은 추가로, 제1세륨 이온, 1종 이상의 전이 금속 이온, 산화제, 1종 이상의 나노입자 안정화제 및 수산화물 이온을 연속 반응기내에서 혼합하는 단계를 포함하는, 1종 이상의 전이 금속 이온을 포함하며 평균 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚인 결정질 이산화세륨 CeO2 나노입자를 연속적으로 생성하는 방법을 제공한다.The present invention further includes one or more transition metal ions comprising mixing in a continuous reactor a first cerium ion, one or more transition metal ions, an oxidant, one or more nanoparticle stabilizers and a hydroxide ion. And continuously produce crystalline cerium dioxide CeO 2 nanoparticles having an average hydrodynamic diameter of about 1 nm to about 10 nm.

본 발명은 또한The invention also

(a) 제1세륨 이온 공급원, 1종 이상의 전이 금속 이온 및 1종 이상의 나노입자 안정화제를 포함하는 수성 제1의 반응 혼합물을 제공하는 단계;(a) providing an aqueous first reaction mixture comprising a first source of cerium ions, at least one transition metal ion and at least one nanoparticle stabilizer;

(b) 산화제를 첨가하면서 제1의 반응 혼합물을 교반하여 제2의 반응 혼합물을 생성하는 단계;(b) stirring the first reaction mixture while adding an oxidant to produce a second reaction mixture;

(c) 기계적 전단을 실시하면서 수산화물 이온 공급원을 제2의 반응 혼합물에 첨가하여 제3의 반응 혼합물을 형성하는 단계; 및(c) adding a source of hydroxide ions to the second reaction mixture while performing mechanical shearing to form a third reaction mixture; And

(d) 제3의 반응 혼합물을 약 50℃ 내지 약 100℃의 온도로 가열하여 1종 이상의 전이 금속 이온을 포함하며 실질적으로 단일모드이며, 크기 빈도 분포가 균일한 결정질 이산화세륨 나노입자를 생성하는 단계를 포함하는, 이산화세륨 나노입자의 제조 방법을 제공한다.(d) heating the third reaction mixture to a temperature of about 50 ° C. to about 100 ° C. to produce crystalline cerium dioxide nanoparticles comprising one or more transition metal ions, which are substantially monomodal and have a uniform size frequency distribution. It provides a method for producing a cerium dioxide nanoparticles, comprising the step.

본 발명은 추가로 전술한 결정질 이산화세륨 나노입자, 1종 이상의 나노입자 안정화제, 1종 이상의 계면활성제, 글리콜 에테르 혼합물 및 비극성 매체를 포함하는 균질한 혼합물을 형성하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은The present invention further provides a method of forming a homogeneous mixture comprising the aforementioned crystalline cerium dioxide nanoparticles, at least one nanoparticle stabilizer, at least one surfactant, a glycol ether mixture, and a nonpolar medium. This way

(a) 나노입자 안정화제와 결정질 이산화세륨 나노입자의 밀접한 결합에 의하여 생성된 안정화된 결정질 이산화세륨 나노입자를 포함하는 수성 혼합물을 제공하는 단계;(a) providing an aqueous mixture comprising stabilized crystalline cerium dioxide nanoparticles produced by intimate bonding of a nanoparticle stabilizer and crystalline cerium dioxide nanoparticles;

(b) 안정화된 결정질 이산화세륨 나노입자를 포함하는 수성 혼합물을 농축시켜 수성 농축물을 형성하는 단계; 및(b) concentrating the aqueous mixture comprising stabilized crystalline cerium dioxide nanoparticles to form an aqueous concentrate; And

(c) 수성 환경으로부터 글리콜 에테르 환경으로 용매 이동에 의하여 물의 거의 전부를 제거하고, 비극성 매체의 존재하에 계면활성제 및 임의로 공계면활성제를 용매 이동된 농축물과 혼합하여 균질한 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다.(c) removing almost all of the water by solvent transfer from the aqueous environment to the glycol ether environment, and mixing the surfactant and optionally the cosurfactant with the solvent transferred concentrate in the presence of a nonpolar medium to form a homogeneous mixture. Include.

수산화물 이온의 존재하에서, 제2세륨 이온이 반응하여 수산화세륨을 형성하며, 가열시 결정질 이산화세륨으로 전환된다. 반응 용기내의 온도는 약 50℃ 내지 약 100℃, 더욱 바람직하게는 약 65℃ 내지 95℃, 가장 바람직하게는 약 85℃로 유지된다. 시간 및 온도는 조절될 수 있으며, 더 높은 온도는 통상적으로 수산화물을 산화물로 전환시키는데 필요한 시간을 단축시킨다. 고온에서 약 1 시간 이하 및 적절하게 약 0.5 시간 정도의 시간 경과후, 수산화세륨을 결정질 이산화세륨으로 전환시키고, 반응 용기의 온도는 약 15℃ 내지 25℃로 감온된다. 그후, 결정질 이산화세륨 나노입자를 농축시키고, 미반응 세륨 및 폐기 부산물, 예컨대 질산암모늄을 가장 간편하게는 예를 들어 정용여과에 의하여 제거한다.In the presence of hydroxide ions, the second cerium ions react to form cerium hydroxide, which is converted to crystalline cerium dioxide upon heating. The temperature in the reaction vessel is maintained at about 50 ° C to about 100 ° C, more preferably about 65 ° C to 95 ° C, most preferably about 85 ° C. Time and temperature can be controlled, and higher temperatures typically shorten the time required to convert hydroxide to oxide. After a lapse of about 1 hour or less and suitably about 0.5 hours at high temperature, cerium hydroxide is converted to crystalline cerium dioxide and the temperature of the reaction vessel is reduced to about 15 ° C to 25 ° C. The crystalline cerium dioxide nanoparticles are then concentrated and the unreacted cerium and waste by-products such as ammonium nitrate are most conveniently removed, for example by diafiltration.

본 발명의 한 측면에서, 1종 이상의 전이 금속 이온을 포함하는 결정질 이산화세륨 나노입자의 제조 방법은 제1세륨 이온, 1종 이상의 전이 금속 이온, 수산화물 이온, 안정화제 또는 안정화제와 산화제의 조합을 포함하는 수성 반응 혼합물을 제공하는 것을 포함하며, 반응은 작은 핵 크기를 생성하고 제1세륨 이온을 제2세륨 이온으로 차후에 산화시키고 핵을 나노크기의 이산화세륨으로 성장시키기에 효과적인 온도에서 실시하는 것을 포함한다. 반응 혼합물은 기계적 전단을 실시하며, 바람직하게는 천공된 스크린을 통과하도록 하여 평균 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚ 범위인 결정질 이산화세륨 나노입자의 현탁액을 형성한다. 입자 직경은 1.5 ㎚ 내지 25 ㎚ 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 결정질 이산화세륨 나노입자는 평균 유체역학 직경이 약 10 ㎚ 이하, 더욱 바람직하게는 약 8 ㎚ 이하, 가장 바람직하게는 약 6 ㎚이다. 바람직하게는 나노입자는 입자 엣지당 1개 또는 많아야 2개의 1차 미세결정을 포함하며, 각각의 미세결정은 평균 2.5 ㎚(약 5개의 단위 셀)이다. 따라서, 생성된 나노입자 크기 빈도는 실질적으로 단순분산이며, 즉 변동 계수(COV)가 25% 미만이며, 여기서 COV는 표준 편차를 평균값으로 나눈 것으로 정의한다.In one aspect of the invention, a method of making crystalline cerium dioxide nanoparticles comprising one or more transition metal ions comprises a first cerium ion, one or more transition metal ions, a hydroxide ion, a stabilizer or a combination of stabilizers and oxidants. Providing an aqueous reaction mixture comprising the reaction producing a small nucleus size, conducting at a temperature effective to subsequently oxidize the first cerium ion to a second cerium ion and to grow the nucleus to nanosized cerium dioxide. Include. The reaction mixture undergoes mechanical shearing, preferably through a perforated screen to form a suspension of crystalline cerium dioxide nanoparticles having an average hydrodynamic diameter in the range of about 1 nm to about 10 nm. The particle diameter can be adjusted in the range from 1.5 nm to 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, most preferably about 6 nm. . Preferably the nanoparticles comprise one or at most two primary microcrystals per particle edge, with each microcrystal an average of 2.5 nm (about 5 unit cells). Thus, the resulting nanoparticle size frequency is substantially simple dispersion, ie, the coefficient of variation (COV) is less than 25%, where COV is defined as the standard deviation divided by the mean value.

기계적 전단은 표면상에서의 유체의 운동, 예컨대 회전자의 운동을 포함하며, 그리하여 전단 응력을 생성한다. 특히 표면상에서의 층상 흐름은 속도가 0이며, 전단 응력은 0-속도 표면과 표면으로부터 떨어진 고속 흐름 사이에 발생한다.Mechanical shear includes the movement of a fluid on a surface, such as the movement of a rotor, thereby creating a shear stress. In particular, the laminar flow on the surface is zero in velocity, and shear stresses occur between the zero-velocity surface and the high velocity flow away from the surface.

한 실시양태에서, 본 발명은 이산화세륨 나노입자를 생성하기 위하여 화학 반응기로서, 마이크로에멀젼 또는 콜로이드를 밀링 처리하기 위하여 통상적으로 사용되는 콜로이드 밀을 사용한다. 유용한 콜로이드 밀의 예로는 미국 특허 제6,745,961호(Korstvedt) 및 미국 특허 제6,305,626호(Korstvedt)에 기재된 것을 들 수 있으며, 이 특허는 그 개시내용은 본원에 참고로 포함된다.In one embodiment, the present invention uses, as a chemical reactor to produce cerium dioxide nanoparticles, a colloid mill commonly used for milling microemulsions or colloids. Examples of useful colloid mills include those described in US Pat. No. 6,745,961 (Korstvedt) and US Pat. No. 6,305,626 (Korstvedt), the disclosures of which are incorporated herein by reference.

반응물은 제1세륨 이온 공급원, 예를 들어 질산제1세륨; 산화제, 예컨대 과산화수소 또는 분자 산소; 및 안정화제, 예를 들어 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산의 수용액을 포함하는 것이 바람직하다. 통상적으로, 2-전자 산화제, 예컨대 과산화물이 바람직하게는 세륨 이온의 몰 농도의 적어도 절반으로 존재하는 것이 바람직하다. 수산화물 이온 농도는 세륨 이온 몰 농도의 바람직하게는 2배 이상, 더욱 바람직하게는 3배이거나 또는 심지어 5배일 수 있다.The reactant may be a first cerium ion source such as cerium nitrate; Oxidizing agents such as hydrogen peroxide or molecular oxygen; And stabilizers such as aqueous solutions of 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid. Typically, a 2-electron oxidant, such as a peroxide, is preferably present at least half of the molar concentration of cerium ions. The hydroxide ion concentration may preferably be at least 2 times, more preferably 3 times or even 5 times the molar concentration of cerium ions.

초기에, 반응 챔버는 작은 수산화제1세륨 핵 크기를 생성하는데도 충분한 낮은 온도에 유지되며, 이 핵 크기는 차후의 보다 높은 온도로의 이동된 후 나노미터의 결정질 이산화세륨 입자로 성장할 수 있고, 그리하여 제1세륨 이온이 제2세륨 이온 상태로 변환된다. 초기에, 더 높은 온도가 입자 크기에서의 상당한 증가 없이 사용될 수 있기는 하나, 온도는 약 25℃ 이하가 적절하다.Initially, the reaction chamber is maintained at a temperature low enough to produce a small cerium hydroxide nucleus size, which can then be grown to nanometer crystalline cerium dioxide particles after being transferred to a higher temperature. The first cerium ion is converted into the second cerium ion state. Initially, although higher temperatures can be used without a significant increase in particle size, temperatures of about 25 ° C. or less are appropriate.

한 실시양태에서, 제1세륨 이온 공급원, 1종 이상의 전이 금속 이온, 나노입자 안정화제 및 산화제를 반응기에 넣고, 수산화물 이온 공급원, 예컨대 수산화암모늄을 교반하면서 신속하게 바람직하게는 약 10 분 이하의 기간에 걸쳐 첨가한다. 특정 조건하에서, 예컨대 암모니아를 금속 이온에 단일 제트 첨가하는 조건하에서, 약 20 초 이하가 바람직하며, 약 15 초 이하가 더 더욱 바람직하다. 대안의 실시양태에서, 수산화물 이온 공급원 및 산화제를 반응기에 넣고, 제1세륨 이온 공급원 및 1종 이상의 전이 금속 이온을 약 15 초 내지는 20 분에 걸쳐 첨가한다. 제3의 및 바람직한 실시양태에서, 안정화제를 반응 용기에 넣고, 1종 이상의 전이 금속 이온을 갖는 질산제1세륨을 수산화암모늄의 별도의 제트와 함께 2:1, 3:1 또는 심지어 5:1의 OH:Ce의 최적의 화학량론 몰비로 반응 챔버에 동시에 도입한다.In one embodiment, a first cerium ion source, one or more transition metal ions, nanoparticle stabilizers, and an oxidant are placed in a reactor and a period of time, preferably up to about 10 minutes, with stirring the hydroxide ion source such as ammonium hydroxide Add over. Under certain conditions, for example, under conditions in which a single jet of ammonia is added to the metal ions, about 20 seconds or less are preferred, and about 15 seconds or less are even more preferred. In an alternative embodiment, a hydroxide ion source and an oxidant are placed in a reactor and a first cerium ion source and one or more transition metal ions are added over about 15 seconds to 20 minutes. In a third and preferred embodiment, a stabilizer is placed in the reaction vessel and the first cerium nitrate having at least one transition metal ion is added 2: 2, 3: 1 or even 5: 1 with a separate jet of ammonium hydroxide. Are introduced simultaneously into the reaction chamber at an optimal stoichiometric molar ratio of OH: Ce.

제1세륨 이온은 수산화물 이온의 존재하에서 산화제와 반응하여 수산화세륨을 형성하며, 이는 가열에 의하여 결정질 이산화세륨으로 전환될 수 있다. 반응 용기내의 온도는 약 50℃ 내지 약 100℃, 바람직하게는 약 65℃ 내지 85℃, 더욱 바람직하게는 약 70℃에서 유지된다. 특정 전이 금속 이온, 예컨대 Zr 및 Cu의 혼입은 통상적으로 더 높은 온도인 약 85℃를 필요로 한다. 이러한 고온에서 바람직하게는 약 1 시간 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.5 시간 경과후, 도핑된 수산화세륨은 실질적으로 결정질 이산화세륨으로 전환되며, 반응 용기의 온도는 약 15℃ 내지 25℃로 감온된다. 시간 및 온도 변수는 조절될 수 있으며, 더 높은 온도는 일반적으로 더 짧은 반응 시간을 필요로 한다. 이산화세륨 나노입자의 현탁액을 농축시키고, 미반응 세륨 및 폐기 부산물, 예컨대 질산암모늄을 제거하며, 정용여과에 의하여 간편하게 달성될 수 있다.The first cerium ion reacts with the oxidant in the presence of hydroxide ions to form cerium hydroxide, which can be converted to crystalline cerium dioxide by heating. The temperature in the reaction vessel is maintained at about 50 ° C to about 100 ° C, preferably about 65 ° C to 85 ° C, more preferably about 70 ° C. Incorporation of certain transition metal ions, such as Zr and Cu, typically requires a higher temperature of about 85 ° C. At this high temperature, preferably after about 1 hour or less, more preferably after about 0.5 hours, the doped cerium hydroxide is substantially converted to crystalline cerium dioxide, and the temperature of the reaction vessel is reduced to about 15 ° C to 25 ° C. Time and temperature parameters can be adjusted, and higher temperatures generally require shorter reaction times. It can be achieved simply by concentrating the suspension of cerium dioxide nanoparticles, removing unreacted cerium and waste by-products such as ammonium nitrate, and by diafiltration.

나노입자 안정화제는 반응 혼합물의 중요 성분이다. 나노입자 안정화제는 수용성이며, 세륨 이온과 약한 결합을 형성하는 것이 바람직하다. KBC는 나노입자 안정화제의 수중 세륨 이온으로의 결합 상수를 나타낸다. 질산염 이온에 대한 log KBC는 1이며, 수산화물 이온의 경우에는 14이다. 가장 바람직하게는 log KBC는 이러한 범위에 있으며, 바람직하게는 이 범위의 중간이다. 유용한 나노입자 안정화제의 예로는 알콕시치환된 카르복실산, α-히드록실 카르복실산, α-케토카르복실산, 예컨대 피루브산 및 작은 유기 다가산, 예컨대 타르타르산 및 시트르산을 들 수 있다. 알콕실화 카르복실산의 예로는 메톡시 아세트산, 2-(메톡시)에톡시 아세트산 및 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산(MEEA)을 들 수 있다. α-히드록시카르복실산중에서 예로는 락트산, 글루콘산 및 2-히드록시부탄산을 들 수 있다. 다가산의 예로는 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA), 타르타르산 및 시트르산을 들 수 있다. KBC가 큰 화합물, 예컨대 EDTA와 약한 KBC 안정화제, 예컨대 락트산의 조합도 또한 특정 비에서 유용하다. 큰 KBC 안정화제, 예컨대 글루콘산은 낮은 농도로 또는 약간 KBC 안정화제, 예컨대 락트산과 함께 사용될 수 있다.Nanoparticle stabilizers are important components of the reaction mixture. Nanoparticle stabilizers are water soluble and preferably form weak bonds with cerium ions. K BC represents the binding constant of the nanoparticle stabilizer to cerium ions in water. The log K BC is 1 for nitrate ions and 14 for hydroxide ions. Most preferably log K BC is in this range, preferably in the middle of this range. Examples of useful nanoparticle stabilizers include alkoxy substituted carboxylic acids, α-hydroxy carboxylic acids, α-ketocarboxylic acids such as pyruvic acid and small organic polyacids such as tartaric acid and citric acid. Examples of alkoxylated carboxylic acids include methoxy acetic acid, 2- (methoxy) ethoxy acetic acid and 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid (MEEA). Examples of α-hydroxycarboxylic acids include lactic acid, gluconic acid and 2-hydroxybutanoic acid. Examples of polyacids include ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tartaric acid and citric acid. Combinations of compounds with a high 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 concentrations or in conjunction with slightly K BC stabilizers, such as lactic acid.

한 바람직한 실시양태에서, 나노입자 안정화제로는 하기 화학식 Ia의 화합물을 들 수 있다. 화학식 Ia에서, R은 수소 또는 치환 또는 비치환 알킬 기 또는 방향족 기, 예를 들어 메틸 기, 에틸 기 또는 페닐 기를 나타낸다. 더욱 바람직하게는, R은 저급 알킬 기, 예컨대 메틸 기를 나타낸다. R1은 수소 또는 치환기, 예컨대 알킬 기를 나타낸다. 화학식 Ia에서, n은 0 내지 5의 정수, 바람직하게는 2를 나타내며, Y는 H 또는 반대이온, 예컨대 알칼리 금속, 예를 들어 Na+ 또는 K+를 나타낸다. 안정화제는 나노입자에 결합되며, 입자의 응집 및 차후의 입자의 커다란 덩어리의 형성을 방해한다:In one preferred embodiment, nanoparticle stabilizers include compounds of formula (Ia). In formula la, R represents hydrogen or a substituted or unsubstituted alkyl group or an 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 formula la, n represents an integer from 0 to 5, preferably 2, and Y represents H or a counterion such as an alkali metal, for example Na + or K + . Stabilizers bind to nanoparticles and interfere with the agglomeration of particles and the formation of large chunks of subsequent particles:

<화학식 Ia><Formula Ia>

Figure pct00007
Figure pct00007

또 다른 실시양태에서, 나노입자 안정화제는 하기 화학식 Ib로 나타내며, 여기서 각각의 R2는 독립적으로 치환 또는 비치환 알킬 기 또는 치환 또는 비치환 방향족 기를 나타낸다. X 및 Z는 독립적으로 H 또는 반대이온, 예컨대 Na+ 또는 K+를 나타내며, p는 1 또는 2이다:In another embodiment, the nanoparticle stabilizer is represented by Formula Ib, wherein 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 counterion such as Na + or K + , p is 1 or 2:

<화학식 Ib><Formula Ib>

Figure pct00008
Figure pct00008

유용한 나노입자 안정화제는 또한 α-히드록시치환된 카르복실산중에서 예컨대 락트산 및 폴리히드록시치환된 산중에서 예컨대 글루콘산을 들 수 있다.Useful nanoparticle stabilizers also include, for example, gluconic acid in α-hydroxysubstituted carboxylic acids such as lactic acid and polyhydroxysubstituted acids.

나노입자 안정화제는 원소 황을 포함하지 않는 것이 바람직한데, 이는 황-함유 물질이 특정의 적용예에 대하여서는 바람직하지 않을 수 있기 때문이다. 예를 들어 이산화세륨 입자를 연료 첨가제 조성물에 포함시킬 경우, 황-함유 안정화제, 예컨대 AOT의 사용은 연소후 황 산화물을 배출할 수 있어서 바람직하지 못하다.Nanoparticle stabilizers preferably do not contain elemental sulfur, since sulfur-containing materials may not be desirable for certain applications. For example, when incorporating cerium dioxide particles into a fuel additive composition, the use of sulfur-containing stabilizers such as AOT is undesirable because it can release sulfur oxides after combustion.

생성된 이산화세륨 입자의 크기는 입자의 유체역학 직경 측정을 위한 측정 기술인 동적 광산란에 의해 측정할 수 있다. 유체역학 직경[B.J. Berne and R. Pecora, "Dynamic Light Scattering: With Applications to Chemistry, Biology and Physics", John Wiley and Sons, NY 1976] 및 ["Interactions of Photons and Neutrons with Matter", S.H. Chen and M. Kotlarchyk, World Scientific Publishing, Singapore, 1997 참조]은 입자의 기하학적 직경보다 약간 크고, 본래의 입자 크기 및 입자 주위의 용매화 쉘의 모두를 포함한다. 광의 비임이 콜로이드 분산계를 통과할 때, 입자 또는 액적은 빛의 일부를 모든 방향으로 산란시킨다. 광의 파장과 비교하여 입자가 매우 작을 때, 산란 광의 강도는 모든 방향에서 균일하다[레일리(Rayleigh) 산란]. 광이 예를 들어 레이저로부터 간섭성 및 단색광일 경우, 광자 계수 모드로 작동될 수 있는 광전자증배관과 같은 적절한 검출기를 사용하고, 산란 강도에서의 시간 의존성의 변동을 관찰할 수 있다. 이러한 변동은 입자가 무작위 열 브라운 운동을 겪기에 충분히 작고, 따라서 입자간의 거리는 끊임없이 변화된다라는 사실로부터 기인한다. 조사된 영역내에 있는 이웃하는 입자에 의하여 산란되는 광의 보강 및 상쇄 간섭은, 입자 운동으로부터 야기되기 때문에 이러한 운동에 대한 정보를 포함하는 검출기 평면에서 강도 변동이 발생한다. 그러므로, 강도 변동의 시간 의존성 분석은 입자의 확산 계수를 산출할 수 있으며, 이로부터 스토크스 아인슈타인(Stokes Einstein) 수학식 및 매체의 공지의 점도에 의하여 입자의 유체역학 반경 또는 직경을 계산할 수 있다.The size of the resulting cerium dioxide particles can be measured by dynamic light scattering, a measurement technique for measuring the hydrodynamic diameter of the particles. Hydrodynamic diameters [BJ Berne and R. Pecora, " Dynamic Light Scattering: With Applications to Chemistry, Biology and Physics ", John Wiley and Sons, NY 1976] and [" Interactions of Photons and Neutrons with Matter ", SH Chen and M Kotlarchyk, World Scientific Publishing, Singapore, 1997] is slightly larger than the particle's geometric diameter and includes both the original particle size and the solvated shell around the particle. As the beam of light passes through the colloidal dispersion system, the particles or droplets scatter some of the light in all directions. When the particles are very small compared to the wavelength of the light, the intensity of the scattered light is uniform in all directions (Rayleigh scattering). If the light is coherent and monochromatic light from a laser, for example, a suitable detector such as a photomultiplier tube which can be operated in the photon counting mode can be used and the time dependent variation in the scattering intensity can be observed. This variation is due to the fact that the particles are small enough to undergo random thermal Brownian motion, and therefore the distance between the particles is constantly changing. Since the constructive and destructive interference of light scattered by neighboring particles in the irradiated area is caused by particle motion, intensity variations occur in the detector plane that contain information about this motion. Hence, a time dependent analysis of the intensity variation can yield the diffusion coefficient of the particles, from which the hydrodynamic radius or diameter of the particles can be calculated by the Stokes Einstein equation and the known viscosity of the medium.

본 발명의 또 다른 측면에서, 작은 전이 금속 이온-함유 결정질 이산화세륨 나노입자, 즉 평균 직경이 약 10 ㎚ 미만인 입자를 연속 제조하는 방법은 제1세륨 이온, 1종 이상의 전이 금속 이온, 산화제, 나노입자 안정화제 또는 안정화제 조합 및 수산화물 이온을 연속 반응기내에서 혼합하는 단계를 포함하며, 상기 반응기에 반응물 및 기타의 성분을 연속적으로 도입하고, 여기서 생성물을 연속적으로 제거한다. 연속 방법은 예를 들어 미국 특허 제6,897,270호(Ozawa, et al.), 미국 특허 제6,723,138호(Nickel, et al.), 미국 특허 제6,627,720호(Campbell, et al.), 미국 특허 제5,097,090(Beck) 및 미국 특허 제4,661,321호(Byrd, et al.)에 기재되어 있으며, 상기 특허는 그 개시내용이 본원에 참고로 포함된다. In another aspect of the invention, a process for continuously preparing small transition metal ion-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles, ie, particles having an average diameter of less than about 10 nm, comprises a first cerium ion, at least one transition metal ion, an oxidant, a nano Mixing the particle stabilizer or stabilizer combination and hydroxide ions in a continuous reactor, wherein the reactants and other components are introduced continuously into the reactor where the product is continuously removed. Continuous methods are described, for example, in US Pat. No. 6,897,270 (Ozawa, et al.), US Pat. No. 6,723,138 (Nickel, et al.), US Pat. No. 6,627,720 (Campbell, et al.), US Pat. No. 5,097,090 ( Beck) and US Pat. No. 4,661,321 to Byrd, et al., The disclosure of which is incorporated herein by reference.

용매, 예컨대 물이 종종 공정에 사용된다. 용매는 반응물을 용해시키고, 용매의 흐름을 조절하여 공정을 조절할 수 있다. 혼합기는 반응물을 교반 및 혼합하는데 사용될 수 있는 것이 이롭다.Solvents such as water are often used in the process. The solvent can control the process by dissolving the reactants and controlling the flow of the solvent. Advantageously, a mixer can be used to stir and mix the reactants.

반응물의 연속 흐름을 수용하여 생성물의 연속적 흐름을 전달할 수 있는 임의의 반응기를 사용할 수 있다. 이러한 반응기로는 연속 교반 탱크 반응기, 플러그-흐름 반응기 등을 들 수 있다. 나노입자 합성을 실시하는데 필요한 반응물은 흐름 상태로 반응기에 충입되는 것이 바람직하며, 즉 이는 액체 또는 용액으로서 도입되는 것이 바람직하다. 반응물은 별도의 흐름으로 충전될 수 있거나 또는 특정의 반응물은 반응기에 충전하기 이전에 혼합될 수 있다.Any reactor that can accommodate a continuous flow of reactants to deliver a continuous flow of product can be used. Such reactors include continuous stirred tank reactors, plug-flow reactors, and the like. The reactants required to effect the nanoparticle synthesis are preferably charged into the reactor in a flow state, ie it is preferably introduced as a liquid or solution. The reactants may be charged in separate flows or certain reactants may be mixed prior to filling the reactor.

반응물은 1종 이상의 투입구를 통하여 교반기가 장착된 반응 챔버로 투입된다. 통상적으로 반응물은 제1세륨 이온 공급원, 예를 들어 질산제1세륨, 전이 금속 이온, 예를 들어 질산제2철 또는 질산제2구리; 산화제, 예컨대 과산화수소 또는 주위 공기를 비롯한 분자 산소; 및 안정화제, 예를 들어 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산의 수용액을 들 수 있다. 2-전자 산화제, 예컨대 과산화수소는 세륨 이온의 몰 농도의 절반 이상으로 존재하는 것이 바람직하다. 대안으로, 분자 산소는 혼합물을 통하여 버블링 처리될 수 있다. 수산화물 이온 농도는 세륨 몰 농도의 2배 이상인 것이 바람직하다.The reactants are introduced into the reaction chamber equipped with the stirrer through one or more inlets. Typically the reactants are a source of cerium ions such as cerium nitrate, transition metal ions such as ferric nitrate or cupric nitrate; Oxidizing agents such as molecular oxygen, including hydrogen peroxide or ambient air; And stabilizers such as an aqueous solution of 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid. Preferably, a two-electron oxidant, such as hydrogen peroxide, is present at at least half the molar concentration of cerium ions. Alternatively, molecular oxygen can be bubbled through the mixture. The hydroxide ion concentration is preferably at least two times the cerium molar concentration.

본 발명의 한 실시양태에서, 작은 이산화세륨 나노입자의 형성 방법은 제1세륨 이온, 예를 들어 질산세륨(III), 1종 이상의 전이 금속 이온 및 산화제를 포함하는 제1의 수성 반응물 스트림을 형성하는 단계를 포함한다. Ce(III)를 Ce(IV)로 산화시킬 수 있는 적절한 산화제로는 예를 들어 과산화수소 또는 분자 산소를 들 수 있다. 임의로, 제1의 반응물 스트림은 또한 도핑된 이산화세륨 나노입자에 결합되어 입자의 응집을 방해하는 나노입자 안정화제를 포함한다. 나노입자 안정화제의 유용한 예는 상기에 언급되어 있다.In one embodiment of the present invention, the method of forming small cerium dioxide nanoparticles forms a first aqueous reactant stream comprising a first cerium ion, such as cerium nitrate, at least one transition metal ion and an oxidant. It includes a step. Suitable oxidizing agents capable of oxidizing Ce (III) to Ce (IV) include, for example, hydrogen peroxide or molecular oxygen. Optionally, the first reactant stream also includes nanoparticle stabilizers that bind to the doped cerium dioxide nanoparticles and interfere with the aggregation of the particles. Useful examples of nanoparticle stabilizers are mentioned above.

본 발명의 방법은 수산화물 이온 공급원, 예를 들어 수산화암모늄 또는 수산화칼륨을 포함하는 제2의 수성 반응물 스트림을 형성하는 단계를 포함한다. 임의로, 제2의 반응물 스트림은 안정화제를 더 포함하며, 이의 예로는 상기에 기재되어 있다. 그러나, 제1의 또는 제2의 반응물 스트림중 1종 이상은 안정화제 또는 안정화제 조합을 포함하여야만 한다.The process of the present invention includes forming a second aqueous reactant stream comprising a source of hydroxide ions, for example ammonium hydroxide or potassium hydroxide. Optionally, the second reactant stream further comprises a stabilizer, examples of which are described above. However, at least one of the first or second reactant streams must comprise a stabilizer or stabilizer combination.

제1의 및 제2의 반응물 스트림은 합쳐져서 반응 스트림을 형성한다. 초기에, 반응 스트림의 온도는 작은 수산화제1세륨 핵을 형성하기에 충분히 낮게 유지된다. 그후, Ce(III)을 Ce(IV)로 산화시키는 것은 산화제의 존재하에서 발생하며 수산화물이 산화물로 전환되어 결정질 이산화세륨을 포함하는 생성물 스트림을 생성하도록 온도는 승온된다. 수산화물을 산화물로 전환시키기 위한 온도는 바람직하게는 약 50℃ 내지 100℃, 더욱 바람직하게는 약 60℃ 내지 90℃이다. 한 실시양태에서, 제1의 및 제2의 반응물 스트림은 약 10℃ 내지 20℃의 온도에서 합쳐지며, 그후 온도는 약 60℃ 내지 90℃로 승온된다. 고온, 예를 들어 90℃에서의 등온성 침전은 성장 단계가 적절한 분자 흡착물(성장 억제제)에 의하여 억제될 수 있는 한 작은 나노입자를 생성하기 위한 대안의 방법이 된다.The first and second reactant streams combine to form a reaction stream. Initially, the temperature of the reaction stream is kept low enough to form small cerium hydroxide nuclei. The oxidation of Ce (III) to Ce (IV) then takes place in the presence of an oxidant and the temperature is raised so that the hydroxide is converted to an oxide to produce a product stream comprising crystalline cerium dioxide. The temperature for converting the hydroxide into an oxide is preferably about 50 ° C to 100 ° C, more preferably about 60 ° C to 90 ° C. In one embodiment, the first and second reactant streams are combined at a temperature of about 10 ° C. to 20 ° C., after which the temperature is raised to about 60 ° C. to 90 ° C. Isothermal precipitation at high temperatures, for example 90 ° C., is an alternative method for producing small nanoparticles as long as the growth step can be inhibited by appropriate molecular adsorbates (growth inhibitors).

생성물 스트림중의 격자 엔지니어링된 결정질 이산화세륨 나노입자를 예를 들어 정용여과 기법에 의하여 1종 이상의 반-다공성 막을 사용하여 농축시키는 것이 바람직하다. 한 실시양태에서, 생성물 스트림은 1종 이상의 반-다공성 막에 의하여 약 5 mS/㎝ 이하의 전도율로 감소되는 전이 금속-함유 결정질 이산화세륨 나노입자의 수성 현탁액을 포함한다.It is desirable to concentrate the lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles in the product stream using one or more semi-porous membranes, for example by diafiltration techniques. In one embodiment, the product stream comprises an aqueous suspension of transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles reduced to a conductivity of about 5 mS / cm or less by one or more semi-porous membranes.

본 발명의 실시에 적절한 연속 반응기의 개략도는 2007년 9월 4일자로 출원된 이산화세륨 나노입자의 제조 방법이라는 명칭의 PCT/US2007/77545의 도 3에 도시되어 있다. 반응기(40)는 수성 질산세륨을 포함하는 제1의 반응물 스트림(41)을 포함한다. 산화제, 예컨대 과산화수소를 투입구(42)에 의하여 반응물 스트림에 첨가하고, 반응물은 혼합기(43a)에 의하여 혼합한다. 생성된 혼합물에 안정화제를 투입구(45)를 경유하여 첨가한 후, 혼합기(43b)에 의하여 혼합한다. 그후, 혼합기(43b)로부터의 혼합물을 혼합기(43c)에 투입하고, 여기서 투입구(44)로부터의 수산화암모늄을 포함하는 제2의 반응물 스트림과 합한다. 제1의 및 제2의 반응물 스트림은 혼합기(43c)를 사용하여 혼합하여 반응 스트림을 형성하고, 이를 천공된 스크린에 통과시켜 기계적 전단을 실시할 수 있다. 추가의 실시양태에서, 혼합기(43c)는 반응물 스트림을 수용하기 위한 투입구 포트 및 배출구 포트(45)가 제공된, 상기 기재한 바와 같은 콜로이드 밀 반응기를 포함한다. 추가의 실시양태에서, 혼합기(43c)의 온도는 약 10℃ 내지 약 25℃ 범위의 온도에서 유지된다.A schematic diagram of a continuous reactor suitable for the practice of the present invention is shown in FIG. 3 of PCT / US2007 / 77545, entitled Process for the Preparation of Cerium Dioxide Nanoparticles, filed September 4, 2007. Reactor 40 comprises a first reactant stream 41 comprising aqueous cerium nitrate. An oxidant such as hydrogen peroxide is added to the reactant stream by inlet 42 and the reactants are mixed by mixer 43a. The stabilizer is added to the resulting mixture via the inlet 45 and then mixed by the mixer 43b. The mixture from mixer 43b is then introduced into mixer 43c where it is combined with a second reactant stream comprising ammonium hydroxide from inlet 44. The first and second reactant streams may be mixed using a mixer 43c to form a reaction stream, which may be passed through a perforated screen to effect mechanical shear. In a further embodiment, the mixer 43c comprises a colloid mill reactor as described above, provided with an inlet port and an outlet port 45 for receiving the reactant stream. In further embodiments, the temperature of the mixer 43c is maintained at a temperature in the range of about 10 ° C to about 25 ° C.

혼합기(43c)로부터의 혼합물을 튜브(45)를 약 60℃ 내지 90℃의 온도에서 유지시키는 일정한 온도 배쓰(46)를 포함하는 반응기 튜브(45)내에 투입한다. 결정질 이산화세륨 나노입자는 코일(50)을 포함할 수 있는 반응기 튜브(45)에서 형성된다. 그후, 생성물 스트림은 1종 이상의 정용여과 유닛(47)에 투입되며, 여기서 결정질 이산화세륨 나노입자는 1종 이상의 반-다공성 막을 사용하여 농축시킨다. 1종 이상의 정용여과 유닛은 직렬로 연결하여 생성물의 단일 통과 농축을 달성할 수 있거나 또는 유닛은 매우 높은 부피 처리량을 위하여 평행하게 배치할 수 있다. 정용여과 유닛은 매우 높은 부피 및 신속한 처리량 모두를 달성하기 위하여 직렬 및 평행하게 배치될 수 있다. 농축된 결정질 이산화세륨 나노입자는 배출구 포트(49)를 경유하여 정용여과 유닛에서 배출되며, 과잉의 반응물 및 물은 배출구 포트(48)를 경유하여 정용여과 유닛(47)으로부터 제거된다. 대안의 실시양태에서, 안정화제를 제1의 반응물 스트림에 포트(45)를 경유하기보다는 제2의 반응물 스트림에 포트(51)을 경유하여 첨가할 수 있다.The mixture from the mixer 43c is introduced into a reactor tube 45 comprising a constant temperature bath 46 which maintains the tube 45 at a temperature of about 60 ° C to 90 ° C. Crystalline cerium dioxide nanoparticles are formed in the reactor tube 45, which may include a coil 50. The product stream is then fed to one or more diafiltration units 47 where the crystalline cerium dioxide nanoparticles are concentrated using one or more semi-porous membranes. One or more diafiltration units may be connected in series to achieve a single pass concentration of the product or the units may be arranged in parallel for very high volume throughput. Diafiltration units can be arranged in series and in parallel to achieve both very high volume and rapid throughput. Concentrated crystalline cerium dioxide nanoparticles are discharged from the diafiltration unit via outlet port 49, and excess reactants and water are removed from diafiltration unit 47 via outlet port 48. In alternative embodiments, stabilizers may be added to the second reactant stream via port 51 rather than via port 45 to the first reactant stream.

본 발명의 한 실시양태에서, 정용여과 유닛(47)으로부터 배출되는 농축된 격자 엔지니어링된 결정질 이산화세륨 나노입자의 생성물 스트림은 실질적으로 물이 제거된 1종 이상의 글리콜 에테르의 환경으로 용매 이동된다. 이는 투석 백을 사용하여 또는 정용여과 컬럼을 통하여 1종 이상의 글리콜 에테르를 포함하는 것이 바람직한 유기 희석제와 함께 수성 나노입자를 주행시켜 달성될 수 있다. 유기 희석제는 알콜을 더 포함할 수 있다. 유용한 희석제는 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 및 1-메톡시-2-프로판올의 혼합물을 포함한다.In one embodiment of the invention, the product stream of concentrated lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles exiting diafiltration unit 47 is solvent transferred to an environment of at least one glycol ether substantially free of water. This can be accomplished by running the aqueous nanoparticles with an organic diluent, preferably using a dialysis bag or via diafiltration column, preferably with one or more glycol ethers. The organic diluent may further comprise an alcohol. Useful diluents include mixtures of diethylene glycol monomethyl ether and 1-methoxy-2-propanol.

생성된 용매-이동된 유기 농축물은 계면활성제, 예컨대 올레산과 합쳐진 후, 비극성 용매, 예컨대 등유 또는 초저황 디젤 연료를 포함하는 스트림과 합쳐져 탄화수소 연료, 예컨대 디젤과 혼화성인 격자 엔지니어링된 결정질 이산화세륨 나노입자의 균질한 분산물을 형성한다.The resulting solvent-shifted organic concentrate is combined with a surfactant such as oleic acid and then combined with a stream comprising a nonpolar solvent such as kerosene or ultra low sulfur diesel fuel to form a lattice engineered crystalline cerium dioxide nano that is miscible with a hydrocarbon fuel such as diesel. To form a homogeneous dispersion of particles.

격자 엔지니어링된 결정질 이산화세륨 나노입자를 생성하기 위한 연속 방법의 사용은 회분식 반응기에 의하여 제공되는 것에 비하여 입자 핵의 생성 및 그의 성장을 더 우수하게 조절한다. 핵 크기는 초기 시약 농도, 온도 및, 제제 농도에 대한 나노입자 안정화제의 비에 의하여 조절될 수 있다. 작은 핵은 약 20℃ 미만인 낮은 온도 및, 시약 농도에 대한 나노입자 안정화제의 높은 비에 의하여 도움을 받는다. 이러한 방법에서, 평균 유체역학 직경이 약 10 ㎚ 미만이고, 기하 입자 직경이 약 3 ㎚ 미만인 매우 작은 나노입자가 경제적인 방식으로 제조될 수 있다.The use of a continuous method for producing lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles provides better control over the generation of particle nuclei and their growth as provided by a batch reactor. Nucleus size can be controlled by initial reagent concentration, temperature, and the ratio of nanoparticle stabilizer to agent concentration. Small nuclei are aided by low temperatures below about 20 ° C. and high ratios of nanoparticle stabilizer to reagent concentration. In this method, very small nanoparticles having an average hydrodynamic diameter of less than about 10 nm and a geometric particle diameter of less than about 3 nm can be produced in an economical manner.

본 발명은 1종 이상의 전이 금속 이온을 포함하는 이산화세륨(CeO2) 나노입자, 나노입자 안정화제, 계면활성제, 글리콜 에테르 및 비극성 용매를 포함하는 균질한 혼합물을 배합하는 방법을 제공한다. 바람직하게는, 나노입자는 평균 유체역학 직경이 약 10 ㎚ 미만, 더욱 바람직하게는 약 8 ㎚ 미만, 가장 바람직하게는 약 6 ㎚이며, 기하 입자 직경(TEM으로 측정함)은 약 4 ㎚ 미만이다.The present invention provides a method of combining a homogeneous mixture comprising cerium dioxide (CeO 2 ) nanoparticles comprising one or more transition metal ions, nanoparticle stabilizers, surfactants, glycol ethers, and nonpolar solvents. 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 diameter (measured by TEM) is less than about 4 nm. .

상기 기재한 바와 같이, 격자 엔지니어링된 결정질 이산화세륨 나노입자는 다양한 절차로 생성될 수 있다. 통상의 합성 경로는 용매로서 물을 사용하며, 나노입자 및 1종 이상의 염의 수성 혼합물을 산출한다. 예를 들어 이산화세륨 입자는 하기 반응식 3a에 제시한 바와 같이 질산세륨(III)의 수화물을 예를 들어 수성 수산화암모늄으로부터의 수산화물 이온과 반응시켜 수산화세륨(III)을 형성하여 생성될 수 있다. 수산화세륨은 하기 반응식 3b에서 제시한 바와 같이 산화제, 예컨대 과산화수소를 사용하여 이산화세륨(IV)으로 산화될 수 있다. 유사한 트리스 수산화물 화학량론은 하기 반응식 4a 및 반응식 4b에 제시한다:As described above, lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles can be produced in a variety of procedures. A common synthetic route uses water as solvent and yields an aqueous mixture of nanoparticles and one or more salts. For example, cerium dioxide particles can be produced by reacting a hydrate of cerium (III) nitrate with hydroxide ions from, for example, aqueous ammonium hydroxide, to form cerium (III) hydroxide, as shown in Scheme 3a below. Cerium hydroxide can be oxidized to cerium dioxide (IV) using an oxidizing agent such as hydrogen peroxide, as shown in Scheme 3b. Similar Tris hydroxide stoichiometry is shown in Schemes 4a and 4b:

<반응식 3a><Scheme 3a>

Figure pct00009
Figure pct00009

<반응식 3b><Scheme 3b>

Figure pct00010
Figure pct00010

<반응식 4a><Scheme 4a>

Figure pct00011
Figure pct00011

<반응식 4b><Scheme 4b>

Figure pct00012
Figure pct00012

매우 높은 염기 농도, 예를 들어 5:1 OH:Ce로 형성된 착체는 또한, 적절하게 성장이 억제되지 않을 경우 훨씬 더 큰 그레인 크기에도 불구하고 산화세륨으로의 경로를 제공한다.Complexes formed at very high base concentrations, such as 5: 1 OH: Ce, also provide a route to cerium oxide despite much larger grain sizes if growth is not adequately inhibited.

일부 경우에서, 특히 수산화암모늄이 제1세륨 이온에 비하여 과량으로 존재하지 않을 경우, 종 Ce(OH)2(NO3) 또는 (NH4)2Ce(NO3)5는 초기에 존재할 수 있으며, 차후에 이산화세륨으로 산화될 수 있다.In some cases, species Ce (OH) 2 (NO 3 ) or (NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 5 may be present initially, especially if ammonium hydroxide is not present in excess relative to the first cerium ion, It can later be oxidized to cerium dioxide.

전이 금속 함유 결정질 이산화세륨 입자는 수성 환경내에서 형성되고, 1종 이상의 나노입자 안정화제와 합쳐진다. 이산화세륨 나노입자는 안정화제(들)의 존재하에서 형성되거나 또는 안정화제(들)는 그의 형성 직후 첨가되는 것이 바람직하다. 유용한 나노입자 안정화제의 예로는 알콕시치환된 카르복실산, α-히드록실 카르복실산, 예컨대 피루브산 및 작은 유기 폴리카르복실산을 들 수 있다. 알콕시치환된 카르복실산의 예로는 메톡시아세트산, 2-(메톡시)에톡시 아세트산 및 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산(MEEA)을 들 수 있다. α-히드록시 카르복실산의 예로는 락트산, 글루콘산 및 2-히드록시부탄산을 들 수 있다. 폴리카르복실산의 예로는 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA), 타르타르산 및 시트르산을 들 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 나노입자 안정화제는 상기 기재한 바와 같이 화학식 Ia 또는 화학식 Ib의 화합물을 포함한다.Transition metal containing crystalline cerium dioxide particles are formed in an aqueous environment and combined with one or more nanoparticle stabilizers. The cerium dioxide nanoparticles are preferably formed in the presence of stabilizer (s) or the stabilizer (s) is added immediately after its formation. Examples of useful nanoparticle stabilizers include alkoxysubstituted carboxylic acids, α-hydroxyl carboxylic acids such as pyruvic acid and small organic polycarboxylic acids. Examples of the alkoxy substituted carboxylic acid include methoxy acetic acid, 2- (methoxy) ethoxy acetic acid and 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid (MEEA). Examples of α-hydroxy carboxylic acid include lactic acid, gluconic acid and 2-hydroxybutanoic acid. Examples of polycarboxylic acids include ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tartaric acid and citric acid. In a preferred embodiment, the nanoparticle stabilizer comprises a compound of formula (la) or formula (lb) as described above.

반응 혼합물은 전이 금속 함유 결정질 이산화세륨 입자 이외에, 1종 이상의 염, 예를 들어 질산암모늄 및 미반응 질산세륨을 포함한다. 안정화된 입자는 한외여과 또는 정용여과 장치내에서 18 Mohm 물로 세정하여 이들 물질 및 염으로부터 분리될 수 있다. 낮은 이온 강도(<5 mS/㎝)는 입자 형성 및 비극성 매체의 안정화에 매우 바람직하다. 세정한 안정화된 이산화세륨 나노입자는 필요할 경우 반-다공성 막을 사용하여 농축시켜 예를 들어 나노입자의 수성 농축물을 형성할 수 있다. 입자는 마찬가지로 기타의 수단에 의하여, 예를 들어 원심분리에 의하여 농축시킬 수 있다.The reaction mixture comprises at least one salt, for example ammonium nitrate and unreacted cerium nitrate, in addition to the transition metal containing crystalline cerium dioxide particles. Stabilized particles can be separated from these materials and salts by washing with 18 Mohm water in an ultrafiltration or diafiltration apparatus. Low ionic strength (<5 mS / cm) is highly desirable for particle formation and stabilization of nonpolar media. The washed stabilized cerium dioxide nanoparticles can be concentrated using a semi-porous membrane if necessary to form an aqueous concentrate of nanoparticles, for example. The particles can likewise be concentrated by other means, for example by centrifugation.

하나의 바람직한 실시양태에서, 전이 금속 함유 결정질 이산화세륨 입자는 정용여과에 의하여 농축된다. 정용여과 기법은 한외여과 막을 사용하며, 이는 나노입자-함유 혼합물중의 염의 농축을 완전 제거, 대체 또는 저하시키는데 사용될 수 있다. 이러한 방법은 반투과성(반-다공성) 막 필터를 선택적으로 사용하여 그의 분자 크기에 기초하여 반응 혼합물로부터 성분을 분리한다. 따라서, 적절한 한외여과 막은 형성된 나노입자의 대부분을 보유하면서, 더 작은 분자, 예컨대 염 및 물은 막을 통과하도록 충분히 다공성이다. 이러한 방식으로, 나노입자 및 관련 결합된 안정화제를 농축시킬 수 있다. 안정화된 나노입자를 비롯한 필터에 의하여 보유된 물질을 농축물 또는 보유물로 지칭하며, 폐기되는 염 및 미반응 물질은 여과액으로 지칭한다.In one preferred embodiment, the transition metal containing crystalline cerium dioxide particles are concentrated by diafiltration. Diafiltration techniques use ultrafiltration membranes, which can be used to completely remove, replace or reduce the concentration of salts in the nanoparticle-containing mixture. This method optionally uses a semipermeable (semi-porous) membrane filter to separate components from the reaction mixture based on their molecular size. Thus, suitable ultrafiltration membranes retain most of the nanoparticles formed, while smaller molecules such as salts and water are sufficiently porous to pass through the membrane. In this way, nanoparticles and associated bound stabilizers can be concentrated. The material retained by the filter, including stabilized nanoparticles, is referred to as concentrate or retentate, and the discarded salt and unreacted material are referred to as filtrate.

작은 분자가 막을 통과하는 속도(유속)를 가속시키고 농축 과정을 촉진시키기 위하여 혼합물에 압력을 적용할 수 있다. 유속을 증가시키는 기타의 수단으로는 표면적이 큰 커다란 막을 사용하는 것 및 막의 공극 크기를 증가시키는 것이 있으나, 나노입자의 허용 불가한 손실 없어야 한다.Pressure may be applied to the mixture to accelerate the rate (flow rate) of small molecules passing through the membrane and to facilitate the concentration process. Other means of increasing the flow rate include using large membranes with large surface areas and increasing the pore size of the membranes, but there should be no unacceptable loss of nanoparticles.

한 실시양태에서, 막의 평균 공극 크기가 나노입자의 평균 직경의 약 30% 이하, 20% 이하, 10% 이하 또는 심지어 5% 이하가 되도록 막을 선택한다. 그러나, 공극 직경은 물 및 염 분자가 통과되도록 하기에 충분하여야만 한다. 예를 들어 질산암모늄 및 미반응 질산세륨은 반응 혼합물로부터 완전하게 또는 부분적으로 제거되어야만 한다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 평균 막 공극 크기는 보유물중에서 직경이 1.5 ㎚ 이상인 입자를 보유하기에 충분히 작다. 이는 약 3 킬로달톤의 단백질 크기에 해당한다.In one embodiment, the membrane is selected such that the average pore size of the membrane is about 30% or less, 20% or less, 10% or even 5% or less of the average diameter of the nanoparticles. However, the pore diameter must be sufficient to allow water and salt molecules to pass through. For example, ammonium nitrate and unreacted cerium nitrate must be completely or partially removed from the reaction mixture. In one preferred embodiment, the average membrane pore size is small enough to retain particles of at least 1.5 nm in diameter in the retentate. This corresponds to a protein size of about 3 kilodaltons.

농축물은 안정화된 나노입자 및 잔류수를 포함하는 것이 바람직하다. 한 실시양태에서, 이산화세륨 나노입자의 농도는 바람직하게는 약 0.5 몰 초과, 더욱 바람직하게는 약 1.0 몰 초과, 더 더욱 바람직하게는 약 2.0 몰 초과이다(해당 분산물중에서 약 35% 고체).The concentrate preferably contains stabilized nanoparticles and residual water. In one embodiment, the concentration of cerium dioxide nanoparticles is preferably greater than about 0.5 mole, more preferably greater than about 1.0 mole, even more preferably greater than about 2.0 mole (about 35% solids in the dispersion).

일단 농축물이 형성되면, 전부는 아니나 대부분의 물이 글리콜 에테르를 사용한 투석에 의하여 제거된다. 이는 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르 및 1-메톡시-2-프로판올의 혼합물을 갖는 2 킬로달톤의 투석 백에 농축물을 넣고, 글리콜 에테르 매체가 나노입자 분산물중의 물을 치환하면서 물이 글리콜 에테르 매체로 교환되도록 하여 달성된다. 수회의 교환이 필요할 수 있다(글리콜 에테르 매체의 교환). 대안으로, 글리콜 에테르 혼합물은 정용여과 컬럼을 통하여 수성 전이 금속 함유 결정질 이산화세륨 입자와 함께 주행될 수 있으며, 이러한 방식으로 용매 이동을 실시할 수 있다.Once the concentrate is formed, most but not all of the water is removed by dialysis with glycol ether. It is placed in a 2 kilodalton dialysis bag with a mixture of diethylene glycol methyl ether and 1-methoxy-2-propanol, and the water is the glycol ether medium while the glycol ether medium replaces the water in the nanoparticle dispersion. Is achieved by exchanging Several exchanges may be necessary (exchange of glycol ether media). Alternatively, the glycol ether mixture can be run with aqueous transition metal containing crystalline cerium dioxide particles through a diafiltration column and solvent migration can be carried out in this way.

에테르 기 및 알콜 기 모두를 포함하는 글리콜 에테르 계면활성제로는 하기 화학식 Ic의 화합물을 들 수 있다:Glycol ether surfactants comprising both ether and alcohol groups include compounds of the general formula (Ic):

<화학식 Ic><Formula Ic>

Figure pct00013
Figure pct00013

(상기 식에서, R3은 치환 또는 비치환 알킬 기를 나타내며, m은 1 내지 8의 정수임).(Wherein R 3 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, m is an integer from 1 to 8).

용매 이동을 실시하기 위한 기타의 유용한 계면활성제로는 화학식 C9H19C6H4(OCH2CH2)nOH(여기서 n은 4 내지 6임)을 갖는 노닐페닐 에톡실레이트를 들 수 있다.Other useful surfactants for carrying out solvent transfer include nonylphenyl ethoxylates having the formula C 9 H 19 C 6 H 4 (OCH 2 CH 2 ) n OH, where n is 4 to 6. .

전이 금속 함유 결정질 이산화세륨 입자가 유기 매체중에서 제조에 사용된 초기의 안정화제로 여전히 안정화되나 글리콜 에테르에 의하여 착체를 형성하면, 혼합물은 대부분의 탄화수소 연료, 예컨대 디젤 및 바이오디젤과 친화성인 비극성 매체, 예컨대 등유에 분산될 수 있다. 입자의 표면은 탄화수소 희석제에 첨가되기 이전에 우선 계면활성제, 예컨대 올레산 및 임의로 공계면활성제, 예컨대 1-헥산올로 작용화된다. 존재하는 물이 거의 없으므로 이러한 물질의 조성물이 역 미셀 유중수 에멀젼이 아니며; 그보다는 세륨 나노입자 표면상의 양전하가 에테르 산소 원자에 의하여 착체를 형성하고, 반대로 하전된 카르복실산에 결합된다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 카르복실산은 화학흡착된 상태로 존재하며, 나노입자와 비극성 탄화수소 희석제의 혼화성을 촉진한다. 기타의 표면 작용화 물질, 예컨대 리놀레산, 스테아르산 및 팔미트산을 올레산 대신에 사용할 수 있다. 일반적으로 바람직한 물질은 20개 미만의 탄소 원자, 8개 초과의 탄소 원자인 탄소쇄의 길이를 갖는 카르복실산이다. 기타의 적절한 비극성 희석제의 예로는 약 8 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소, 예를 들어 옥탄, 노난, 데칸 및 톨루엔 및 탄화수소 연료, 예컨대 가솔린, 바이오디젤 및 디젤 연료를 들 수 있다. If the transition metal-containing crystalline cerium dioxide particles are still stabilized with the initial stabilizers used for manufacturing in organic media but complexed with glycol ethers, the mixture is a nonpolar medium, such as affinity with most hydrocarbon fuels such as diesel and biodiesel, such as Can be dispersed in kerosene. The surface of the particles is first functionalized with a surfactant such as oleic acid and optionally a cosurfactant such as 1-hexanol prior to addition to the hydrocarbon diluent. The composition of this material is not a reverse micelle water-in-oil emulsion since there is little water present; Rather it is important to recognize that the positive charge on the surface of the cerium nanoparticles is complexed by ether oxygen atoms and conversely bound to the charged carboxylic acid. The carboxylic acid is present in the chemisorbed state and promotes miscibility of the nanoparticles with the nonpolar hydrocarbon diluent. Other surface functionalizing materials such as linoleic acid, stearic acid and palmitic acid can be used in place of oleic acid. Generally preferred materials are carboxylic acids having a length of carbon chain that is less than 20 carbon atoms and more than 8 carbon atoms. Other suitable nonpolar diluents include hydrocarbons having about 8 to 20 carbon atoms, such as octane, nonane, decane and toluene and hydrocarbon fuels such as gasoline, biodiesel and diesel fuel.

비극성 탄화수소와의 최적의 혼화성 및 안정성을 위하여, 이산화세륨 농축물중에 매우 적은 이온이 존재하여 전기를 전도하는 것이 바람직하다. 이러한 상황은 나노입자를 정용여과를 통하여 약 5 mS/㎝ 미만, 바람직하게는 약 3 mS/㎝ 이하의 전도율 레벨로 농축시켜 달성될 수 있다.For optimum miscibility and stability with nonpolar hydrocarbons, it is desirable to have very little ions present in the cerium dioxide concentrate to conduct electricity. This situation can be achieved by concentrating the nanoparticles via diafiltration to a conductivity level of less than about 5 mS / cm, preferably up to about 3 mS / cm.

저항률은 물질이 전류를 전도시키는 능력인 전도율의 역수이다. 전도율 기기는 샘플에 배치된 2개의 판을 포함하고, 판에 전위를 가하고(통상적으로 사인파 전압), 전류를 측정하여 전도율을 측정한다. 저항률(R)의 역인 전도율(G)은 하기 오옴(Ohm)의 법칙, G = 1/R = I/E에 따라 전압 및 전류 값으로부터 결정되며, 여기서 I는 암페어 단위의 전류이며, E는 볼트 단위의 전압이다. 용액중의 이온의 하전이 전류의 전도성을 촉진하므로, 용액의 전도율은 그의 이온 농도에 비례한다. 전도율의 기본 단위는 지멘스(S) 또는 밀리-지멘스(mS)이다. 셀 기하가 전도율 값에 영향을 미치므로, 표준화된 측정은 전극 치수의 변동을 보상하기 위하여 비전도율 단위(mS/㎝)로 나타낸다.Resistivity is the inverse of conductivity, the ability of a material to conduct current. The conductivity device includes two plates disposed on the sample, and applies electrical potential to the plates (typically sinusoidal voltage) and measures the current by measuring the current. The conductivity (G), which is the inverse of the resistivity (R), is determined from the voltage and current values according to Ohm's law, G = 1 / R = I / E, where I is the current in amperes and E is the volt The unit voltage. Since the charge of ions in the solution promotes the conductivity 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 cell geometry affects conductivity values, standardized measurements are presented in non-conductivity units (mS / cm) to compensate for variations in electrode dimensions.

본 발명은 추가로 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자, 1종 이상의 나노입자 안정화제, 1종 이상의 용매 이동된 매체, 예컨대 글리콜 에테르, 1종 이상의 계면활성제 및 비극성 희석제 또는 용매를 포함하는 균질한 혼합물을 배합하는 방법에 관한 것이다. 제1의 단계는 안정화된 이산화세륨 나노입자를 포함하는 수성 혼합물을 제공하며, 여기서 나노입자 안정화제의 분자는 나노입자와 밀접하게 관련되어 있다. 제2의 단계는 음이온 및 양이온이 비교적 제거된 수성 농축물을 형성하기 위하여 현탁액의 이온 강도를 최소로 하면서, 안정화된 결정질 이산화세륨 나노입자를 농축시키는 것을 포함한다. 제3의 단계는 비이온성 계면활성제를 사용하여 나노입자와 결합된 물을 제거한다. 마지막 단계는 용매 이동된 농축물을 계면활성제를 포함하는 비극성 용매와 합하여 열역학적으로 안정하며, 다중성분, 2상 분산물인 실질적으로 균질한 혼합물을 형성하는 것을 포함한다.The invention further provides a homogeneous mixture comprising transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles, one or more nanoparticle stabilizers, one or more solvent transferred media such as glycol ethers, one or more surfactants and nonpolar diluents or solvents. It relates to a method for compounding. The first step provides an aqueous mixture comprising stabilized cerium dioxide nanoparticles, wherein the molecules of the nanoparticle stabilizer are closely related to the nanoparticles. The second step involves concentrating the stabilized crystalline cerium dioxide nanoparticles while minimizing the ionic strength of the suspension to form an aqueous concentrate that is relatively free of anions and cations. The third step uses a nonionic surfactant to remove the water bound to the nanoparticles. The final step involves combining the solvent transferred concentrate with a nonpolar solvent comprising a surfactant to form a substantially homogeneous mixture that is thermodynamically stable and is a multicomponent, biphasic dispersion.

실질적으로 균질한 열역학적 분산물은 바람직하게는 약 0.5 중량% 이하 농도의 최소량의 물을 포함한다.The substantially homogeneous thermodynamic dispersion preferably comprises a minimum amount of water at a concentration of about 0.5% by weight or less.

전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자는 평균 유체역학 직경이 바람직하게는 약 10 ㎚ 미만, 더욱 바람직하게는 약 8 ㎚ 미만, 가장 바람직하게는 약 6 ㎚이며, 기하 직경은 약 4 ㎚ 이하이다.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.

이산화세륨 나노입자는 주요 미세결정 크기가 약 2.5 ㎚±0.5 ㎚이며, 입자 엣지 길이당 1개 또는 많아야 2개의 미세결정을 포함하는 것이 바람직하다.Cerium dioxide nanoparticles have a major microcrystal size of about 2.5 nm ± 0.5 nm and preferably include one or at most two microcrystals per particle edge length.

수성 혼합물은 콜로이드 밀 반응기내에서 형성되는 것이 이로우며, 나노입자 안정화제는 이온성 계면활성제, 바람직하게는 카르복실산 기 및 에테르 기를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 나노입자 안정화제는 하기 화학식 Ia의 계면활성제를 포함할 수 있다:The aqueous mixture is advantageously formed in a colloid mill reactor and the nanoparticle stabilizer may comprise a compound comprising an ionic surfactant, preferably a carboxylic acid group and an ether group. Nanoparticle stabilizers can include surfactants of Formula Ia:

<화학식 Ia><Formula Ia>

Figure pct00014
Figure pct00014

(상기 식에서, R은 수소 또는 치환 또는 비치환 알킬 기 또는 치환 또는 비치환 방향족 기를 나타내며; R1은 수소 또는 알킬 기를 나타내며; Y는 H 또는 반대이온을 나타내며; n은 0 내지 5이다. 바람직하게는, R은 치환 또는 비치환 알킬 기를 나타내며, R1은 수소를 나타내며, Y는 수소를 나타내며, n은 2임).Wherein R represents hydrogen or a substituted or unsubstituted alkyl group or a substituted or unsubstituted aromatic group; R 1 represents a hydrogen or alkyl group; Y represents H or a counterion; n is 0 to 5. R represents a substituted or unsubstituted alkyl group, R 1 represents hydrogen, Y represents hydrogen, n is 2.

또 다른 적절한 나노입자 안정화제는 하기 화학식 Ib의 디카르복실레이트를 포함한다:Another suitable nanoparticle stabilizer includes dicarboxylates of Formula Ib:

<화학식 Ib><Formula Ib>

Figure pct00015
Figure pct00015

(상기 식에서, 각각의 R2는 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환 알킬 기 또는 치환 또는 비치환 방향족 기를 나타내며; X 및 Z는 독립적으로 H 또는 반대이온을 나타내며; p는 1 또는 2임).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 counterion; p is 1 or 2.

기타의 유용한 나노입자 안정화제는 락트산, 글루콘산 거울상이성체, EDTA, 타르타르산, 시트르산 및 그의 조합으로 이루어진 군에 포함된다.Other useful nanoparticle stabilizers are included in the group consisting of lactic acid, gluconic acid enantiomers, EDTA, tartaric acid, citric acid and combinations thereof.

수성 혼합물의 농축은 정용여과를 사용하여 실시되는 것이 바람직하며, 그리하여 상기 농축된 수성 혼합물의 전도율이 약 5 mS/㎝ 이하로 감소된다.Concentration of the aqueous mixture is preferably carried out using diafiltration, so that the conductivity of the concentrated aqueous mixture is reduced to about 5 mS / cm or less.

안정화된 전이 금속 함유 결정질 이산화세륨 입자가 수성 환경으로부터 비-수성 환경으로 이동되는데 사용되는 계면활성제는 비이온성 계면활성제, 바람직하게는 알콜 기 및 에테르 기를 포함하는 화합물, 특히 하기 화학식 Ic의 화합물을 포함하는 것이 이로울 수 있다:Surfactants used to transfer stabilized transition metal containing crystalline cerium dioxide particles from an aqueous environment to a non-aqueous environment include nonionic surfactants, preferably compounds comprising alcohol groups and ether groups, in particular compounds of formula (Ic) It may be beneficial to:

<화학식 Ic><Formula Ic>

Figure pct00016
Figure pct00016

(상기 식에서, R3은 치환 또는 비치환 알킬 기를 나타내며; m은 1 내지 8의 정수임).Wherein R 3 represents a substituted or unsubstituted alkyl group; m is an integer from 1 to 8.

비이온성 계면활성제는 또한 하기 화학식 Id의 화합물을 포함할 수 있다:Nonionic surfactants may also include compounds of Formula Id:

<화학식 Id><Formula Id>

Figure pct00017
Figure pct00017

(상기 식에서, R3은 치환 또는 비치환 알킬 기를 나타내며; φ는 방향족 기이며, m은 4 내지 6의 정수임).(Wherein R 3 represents a substituted or unsubstituted alkyl group; φ is an aromatic group and m is an integer of 4 to 6).

반응 혼합물은 공계면활성제, 바람직하게는 알콜을 더 포함할 수 있다.The reaction mixture may further comprise a cosurfactant, preferably an alcohol.

이와 같은 용매 이동된 농축물의 투입은 나노입자를 표면 작용화시키는 계면활성제에 의하여 촉진된다. 바람직한 계면활성제는 카르복실산, 예컨대 올레산, 리놀레산, 스테아르산 및 팔미트산이다. 일반적으로, 바람직한 물질은 탄소 쇄 길이가 20개 미만의 탄소 원자, 3개 초과의 탄소 원자인 카르복실산이다.The introduction of such solvent transferred concentrates is facilitated by surfactants that surface functionalize the nanoparticles. Preferred surfactants are carboxylic acids such as oleic acid, linoleic acid, stearic acid and palmitic acid. In general, preferred materials are carboxylic acids having a carbon chain length of less than 20 carbon atoms and more than 3 carbon atoms.

실질적으로 균질한 분산물에 포함된 비극성 희석제는 약 6 내지 20개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소, 예를 들어 옥탄, 데칸, 등유, 톨루엔, 나프타, 디젤 연료, 바이오디젤 및 그의 혼합물로부터 선택되는 것이 이롭다. 연료 첨가제로서 사용할 경우, 균질한 분산물 1 부는 연료 100 부 이상과 함께 사용한다.The nonpolar diluent included in the substantially homogeneous dispersion is advantageously selected from hydrocarbons containing about 6 to 20 carbon atoms, for example octane, decane, kerosene, toluene, naphtha, diesel fuel, biodiesel and mixtures thereof. . When used as a fuel additive, one part of the homogeneous dispersion is used with at least 100 parts of fuel.

본 발명에 의하면, 전이 금속은 Fe, Mn, Cr, Ni, W, Co, V, Cu, Mo, Zr, Y 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 바람직한 전이 금속은 Zr 또는 Y, 더욱 바람직하게는 Fe와 조합된다.According to the 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 combined with Zr or Y, more preferably Fe.

디젤 엔진 실린더의 내부면상에서의 세라믹 산화물 코팅을 현장내에서 형성하는 것이 이로울 수 있다. 코팅의 잠재적인 잇점은 열 응력으로부터 엔진을 추가로 보호하는 것을 들 수 있으며; 예를 들어 CeO2는 2,600℃에서 용융되는 반면, 디젤 엔진의 제조에 사용되는 통상의 소재인 주철은 약 1,200℃ 내지 1,450℃에서 용융된다. 심지어 5 ㎚ 세리아 입자는 1,000℃에서 24 시간 동안 스틸을 산화로부터 보호하는 능력을 나타내며, 그리하여 크기 의존성 용융 현상은 본 발명의 이산화세륨 나노입자의 융점을 엔진에서 접하게 되는 연소 온도보다 낮게 감온시킬 것으로 예상되지는 않는다. 예를 들어 문헌[Patil et al., Journal of Nanoparticle Research, vol. 4, pp 433-438 (2002)]을 참조한다. 이와 같이 하여 보호된 엔진은 더 높은 온도 및 압축비에서 작동될 수 있으며, 그리하여 더 큰 열역학적 효율을 생성한다. 실린더 벽이 이산화세륨으로 코팅된 디젤 엔진은 추가의 산화에 대하여 내성을 지니며(CeO2는 이미 완전 산화됨), 그리하여 엔진이 "녹스는" 것을 방지하게 된다. 이는 탄소 배출을 감소시키거나 또는 연료 경제성을 개선시키는데 사용된 특정의 첨가제, 예를 들어 산소화 MTBE, 에탄올 및 기타의 세탄 개선제, 예컨대 퍼옥시드가 또한 연소 챔버에 투입시 부식을 증가시키게 되어 녹을 형성하고 엔진 수명 및 성능의 퇴보를 초래할 수 있으므로 중요하다. 코팅은 물 재순환 냉각계에 의하여 엔진 벽의 냉각을 방해하도록 너무 두꺼워서는 안된다.It may be advantageous to form a ceramic oxide coating on site on the inner surface of a diesel engine cylinder. Potential benefits of coatings include the additional protection of the engine from thermal stress; For example, CeO 2 is melted at 2,600 ° C, while cast iron, a common material used in the manufacture of diesel engines, is melted at about 1,200 ° C to 1,450 ° C. Even 5 nm ceria particles exhibit the ability to protect the steel from oxidation for 24 hours at 1,000 ° C., thus size dependent melting phenomenon is expected to lower the melting point of the cerium dioxide nanoparticles of the invention below the combustion temperature encountered in the engine. It doesn't work. See, eg, Patil et al., Journal of Nanoparticle Research , vol. 4, pp 433-438 (2002). The engine thus protected can be operated at higher temperatures and compression ratios, thus producing greater thermodynamic efficiency. Diesel engines whose cylinder walls are coated with cerium dioxide are resistant to further oxidation (CeO 2 is already fully oxidized), thereby preventing the engine from "rusting". This is because certain additives used to reduce carbon emissions or to improve fuel economy, such as oxygenated MTBE, ethanol and other cetane improvers such as peroxides, also increase corrosion upon entering the combustion chamber, forming rust and This is important because it can lead to deterioration of engine life and performance. The coating should not be too thick to interfere with the cooling of the engine wall by the water recirculation cooling system.

한 실시양태에서, 본 발명은 디젤 엔진용 연료 첨가제로서 유용한 평균 유체역학 직경이 약 10 ㎚ 미만, 바람직하게는 약 8 ㎚ 미만, 더욱 바람직하게는 6 ㎚ 이하인 전이 금속-함유 결정질 이산화세륨 나노입자를 제공한다. 이산화세륨 나노입자의 표면은 개질되어 철 입자에 대한 결합을 촉진시키고, 연료 첨가제 조성물에 포함될 경우 디젤 엔진 실린더의 표면상에서의 세라믹 산화물 코팅을 신속하게 형성하여 바람직하다.In one embodiment, the present invention provides transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles having an average hydrodynamic diameter of less than about 10 nm, preferably less than about 8 nm, more preferably up to 6 nm, useful as fuel additive for diesel engines. to provide. The surface of the cerium dioxide nanoparticles is modified to promote bonding to the iron particles, and when included in the fuel additive composition it is desirable to quickly form a ceramic oxide coating on the surface of the diesel engine cylinder.

한 실시양태에서, 철에 대한 결합 친화도를 갖는 전이 금속을 이산화세륨 나노입자의 표면에 혼입시킨다. 금속 표면의 예로는 엔진의 다수의 내부 부품에 존재하는 것을 들 수 있다. 적절한 전이 금속의 예로는 Mn, Fe, Ni, Cr, W, Co, V, Cu, Zr 및 Y를 들 수 있다. 결정내의 세륨 이온 격자 부위를 차지하여 이산화세륨 나노입자로 혼입되는 전이 금속 이온은 이산화세륨 침전의 마지막 단계중에 투입될 수 있다. 전이 금속 이온은 예를 들어 제1세륨 이온 및 전이 금속 이온 모두가 수산화암모늄을 포함하는 반응기에 함께 투입되는 단일 제트 방식으로 제1세륨 이온과 조합되어 첨가될 수 있다. 대안으로, 전이 및 제1세륨 이온은 수산화물 이온의 동시 첨가와 함께 첨가될 수 있다. 전이 금속-함유 입자는 또한 제2의 제트에 의하여 동시에 투입된 수산화암모늄 증기에 대하여 적정되는 용해된 전이 금속 이온과 제1세륨 이온의 이중 제트 반응으로 형성될 수 있다. 중요하게는, 충분한 나노입자 안정화제가 존재하여 미성숙 입자의 응집을 방해하는 것으로 이해된다.In one embodiment, a transition metal having a binding affinity for iron is incorporated on the surface of the cerium dioxide nanoparticles. Examples of metal surfaces include those present in many internal components of the engine. Examples of suitable transition metals include Mn, Fe, Ni, Cr, W, Co, V, Cu, Zr and Y. Transition metal ions occupying cerium ion lattice sites in the crystal and incorporated into cerium dioxide nanoparticles can be introduced during the final stage of cerium dioxide precipitation. The transition metal ions can be added in combination with the first cerium ions, for example, in a single jet manner in which both the first cerium ion and the transition metal ions are fed together into a reactor comprising ammonium hydroxide. Alternatively, transition and first cerium ions may be added with simultaneous addition of hydroxide ions. The transition metal-containing particles may also be formed by a double jet reaction of dissolved transition metal ions and first cerium ions titrated against ammonium hydroxide vapors introduced simultaneously by a second jet. Importantly, it is understood that sufficient nanoparticle stabilizer is present to interfere with the aggregation of immature particles.

계면활성제/안정화제 조합은 수성 극성 매체로부터 비극성 오일 매체로의 용매 이동 과정에서 도움을 주는 추가의 잇점을 가질 수 있다. 하전 및 비하전된 계면활성제의 조합에서, 하전된 계면활성제 화합물은 수성 환경내에서 주요한 역할을 한다. 그러나, 용매 이동이 발생하게 되면, 하전된 화합물은 수성 상으로 가용화되고 세정되며, 비하전된 화합물은 역미셸 에멀젼을 안정화시키는데 있어서 더욱 중요하게 된다.Surfactant / stabilizer combinations may have additional advantages to assist in the process of solvent migration from aqueous polar media to nonpolar oil media. In a combination of charged and uncharged surfactants, charged surfactant compounds play a major role in aqueous environments. However, when solvent migration occurs, the charged compound is solubilized and washed with the aqueous phase, and the uncharged compound becomes more important in stabilizing the reverse Michel emulsion.

디카르복실산 및 그의 유도체, 이른바 카르복실기가 2개 이하의 메틸렌 기에 의하여 분리되어 있는 "제미니형 카르복실레이트"는 또한 유용한 이산화세륨 나노입자 안정화제이다. 추가로, C2-C8 알킬, 알콕시 및 폴리알콕시 치환된 디카르복실산이 이로운 안정화제이다.Dicarboxylic acids and derivatives thereof, so-called "gemini-type carboxylates" in which carboxyl 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 acids are advantageous stabilizers.

본 발명에 의하면, 나노입자 안정화제 화합물은 유기 카르복실산, 예를 들어 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산(MEEA) 및 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA), 락트산, 글루콘산, 타르타르산, 시트르산 및 그의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.According to the present invention, nanoparticle stabilizer compounds are composed of organic carboxylic acids such as 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid (MEEA) and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), lactic acid, It is preferred to include gluconic acid, tartaric acid, citric acid and mixtures thereof.

모터 오일은 자동차 및 기타의 운송수단, 보트, 잔디 깎는 기계, 기차, 비행기 등에서의 다양한 내연 기관에서의 윤활유로서 사용된다. 엔진은 종종 장기간 동안 고속에서 서로에 대하여 가동되는 접촉부를 포함한다. 이와 같은 마찰 운동은 마찰을 야기하여 일시적인 용접을 형성하여 가동 부품을 움직이지 못하게 한다. 이러한 일시적인 용접을 파괴하는 것은 그렇지 않을 경우 모터에 의하여 생성되는 유용한 동력을 흡수하며, 에너지를 쓸모없는 열로 전환시킨다. 마찰은 또한 이들 부품의 접촉면을 마모시키며, 그리하여 연료 소비를 증가시키고, 모터의 효율을 저하시키며, 모터의 성능 저하를 초래할 수 있다. 본 발명의 한 측면에서, 모터 오일은 윤활유, 평균 직경이 바람직하게는 약 10 ㎚ 미만, 더욱 바람직하게는 약 5 ㎚인 전이 금속-함유 결정질 이산화세륨 나노입자 및 임의로 표면 흡착된 안정화제를 포함한다.Motor oils are used as lubricants in various internal combustion engines in automobiles and other vehicles, boats, lawn mowers, trains, airplanes and the like. Engines often include contacts that run against each other at high speed for long periods of time. This frictional motion causes friction to form temporary welds that prevent the moving parts from moving. Breaking this temporary weld otherwise absorbs the useful power generated by the motor and converts energy into useless heat. Friction also wears on the contact surfaces of these parts, thereby increasing fuel consumption, lowering the efficiency of the motor, and leading to lowering the motor's performance. In one aspect of the invention, the motor oil comprises lubricating oil, transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles having an average diameter of preferably less than about 10 nm, more preferably about 5 nm and optionally surface adsorbed stabilizers. .

디젤 윤활유는 물이 거의 제거되었으나(바람직하게는 300 ppm 미만), 이산화세륨이 그의 수성 환경으로부터 유기 또는 비극성 환경으로 용매 이동된 이산화세륨 조성물의 첨가에 의하여 개질될 수 있는 것이 바람직하다. 이산화세륨 조성물은 상기 기재된 바와 같이 평균 직경이 약 10 ㎚ 미만, 더욱 바람직하게는 약 5 ㎚인 나노입자를 포함한다. 개질된 디젤 연료 및 개질된 윤활유로 작동되는 디젤 엔진은 더 큰 효율을 제공하며, 특히 개선된 연비, 감소된 엔진 마모 또는 감소된 오염 또는 이들 특징의 조합을 제공한다.Diesel lubricating oil is substantially free of water (preferably less than 300 ppm), but it is preferred that the cerium dioxide can be modified by the addition of a cerium dioxide composition in which solvent transfer from its aqueous environment to an organic or nonpolar environment. The cerium dioxide composition comprises nanoparticles with an average diameter of less than about 10 nm, more preferably about 5 nm, as described above. Diesel engines operated with modified diesel fuel and modified lubricating oil provide greater efficiency, in particular improved fuel economy, reduced engine wear or reduced pollution or a combination of these features.

또한, 버핑(buffing)으로도 지칭되는 금속 연마광택은 금속 및 합금을 평활화시키고 밝은 평활한 거울형 마무리로 연마광택 처리하는 공정이다. 금속 연마광택은 종종 자동차, 오토바이, 골동품 등을 개선시키는데 사용된다. 다수의 의료 기구는 금속 표면의 불규칙에서의 오염을 방지하기 위하여 연마광택 처리된다. 연마광택제는 또한 광학 엘리먼트, 예컨대 렌즈 및 거울이 취급하는 광의 파장의 일부내에서 표면 평활도로 연마광택시키는데 사용된다. 본 발명의 평활하며, 둥글고, 균일한 이산화세륨 입자는 연마광택제로서 사용될 수 있는 것이 이로우며, 차후의 집적 회로의 가공을 위하여 반도체 기판의 평탄화(표면을 원자 수준에서 평활하게 함)에 추가로 사용될 수 있다.Metal polishing polish, also referred to as buffing, is a process of smoothing metals and alloys and polishing polishing with a bright smooth mirror finish. Metal polishing varnishes are often used to improve automobiles, motorcycles, antiques and the like. Many medical instruments are polished and polished to prevent contamination from irregularities on the metal surface. Abrasive polishers are also used to polish polish to surface smoothness within a portion of the wavelength of light handled by optical elements such as lenses and mirrors. The smooth, rounded, and uniform cerium dioxide particles of the present invention advantageously can be used as abrasive polishes, and can be used in addition to planarization (smooth the surface at the atomic level) of semiconductor substrates for subsequent processing of integrated circuits. Can be.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 추가로 예시되며, 이는 어떠한 방식으로도 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다.The invention is further illustrated by the following examples which are not intended to limit the invention in any way.

실시예 1Example 1

단일-제트 첨가에 의한 이산화세륨 나노입자의 제조Preparation of Cerium Dioxide Nanoparticles by Single-Jet Addition

3 ℓ 둥근 바닥 스테인레스 스틸 반응기 용기에 1.267 ℓ의 증류수에 이어서 100 ㎖의 Ce(NO3)3·6H2O 용액(600 gm/ℓ Ce(NO3)3·6H2O)을 첨가하였다. 용액은 맑고, 20℃에서 pH가 4.2이다. 그후, 30.5 gm의 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산(MEEA)을 용기에 첨가하였다. 용액은 맑게 유지되었으며, 20℃에서의 pH는 2.8이었다. 연동형 튜브 펌프에 의하여 혼합기 블레이드로 직접 반응물을 투입시킬 수 있도록 개질된 실버슨 머신즈, 인코포레이티드(Silverson Machines, Inc.)가 제조한 고전단 혼합기, 콜로이드 밀을 반응기 용기로 낮추고, 혼합기 헤드를 반응기 용기의 바닥으로부터 약간 위에 배치한다. 혼합기를 5,000 rpm으로 설정하고, 8.0 gm의 30% H2O2를 반응기 용기에 첨가하였다. 그후, 40 ㎖로 희석한 16 ㎖의 28%-30% NH4OH를 반응기 용기로 혼합기 헤드에 의하여 약 12 초 이내에 펌핑 처리하였다. 초기에 맑은 용액은 오렌지/갈색으로 변색되었다. 고전단 혼합기를 꺼내고, 반응기 용기를 온도 조절된 물 자켓으로 이동시키고, 여기서 R-100 프로펠러를 갖는 혼합기를 사용하여 용액을 450 rpm에서 교반하였다. NH4OH를 반응기로 펌핑 처리한 후 3 분에서 25℃에서 pH는 3.9이었다. 반응기 용기의 온도를 그 다음 25 분에 걸쳐 70℃로 승온시키고, 이때 pH는 3.9이었다. 용액 온도를 20 분 동안 70℃에서 유지하였으며, 이때 용액은 오렌지 갈색으로부터 맑은 암황색으로 변색되었다. pH는 70℃에서 3.6이었다. 온도를 그 다음 25 분에 걸쳐 25℃로 감온시키고, 이때 pH는 25℃에서 4.2이었다. 동적 광산란에 의한 입자 크기 분석은 이산화세륨 강도 가중된 유체역학 직경이 6 ㎚인 것으로 나타났다. 그후, 분산물을 3 mS/㎝의 전도율로 정용여과시키고, 약 10 배만큼 CeO2 입자중의 공칭 1 몰로 농축시켰다.To a 3 L round bottom stainless steel reactor vessel was added 1.267 L of distilled water followed by 100 ml of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O solution (600 gm / L Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O). The solution is clear and has a pH of 4.2 at 20 ° C. 30.5 gm of 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid (MEEA) was then added to the vessel. The solution remained clear and the pH at 20 ° C. was 2.8. Lower the high shear mixer, colloid mill made by Silverson Machines, Inc., modified by the peristaltic tube pump to feed the reactants directly into the mixer blade, and lower the mixer head. Is placed slightly above from the bottom of the reactor vessel. The mixer was set at 5,000 rpm and 8.0 gm of 30% H 2 O 2 was added to the reactor vessel. Then 16 ml of 28% -30% NH 4 OH diluted to 40 ml were pumped into the reactor vessel by the mixer head within about 12 seconds. Initially the clear solution turned orange / brown. The high shear mixer was removed and the reactor vessel was transferred to a temperature controlled water jacket where the solution was stirred at 450 rpm using a mixer with R-100 propeller. The pH was 3.9 at 25 ° C. in 3 minutes after NH 4 OH was pumped into the reactor. The temperature of the reactor vessel was then raised to 70 ° C. over 25 minutes, with a pH of 3.9. The solution temperature was maintained at 70 ° C. for 20 minutes, at which time the solution turned from orange brown to clear dark yellow. pH was 3.6 at 70 ° C. The temperature was then reduced to 25 ° C. over 25 minutes, with a pH of 4.2 at 25 ° C. Particle size analysis by dynamic light scattering revealed a cerium dioxide strength weighted hydrodynamic diameter of 6 nm. The dispersion was then diafiltered at a conductivity of 3 mS / cm and concentrated by nominally 1 mole in CeO 2 particles by about 10 times.

이산화세륨 입자를 수집하고, 과잉의 용매를 증발로 제거하고, MEEA의 중량에 대하여 보정한 중량 수율은 62.9%로 측정되었다.The cerium dioxide particles were collected, excess solvent was removed by evaporation, and the weight yield corrected for the weight of MEEA was determined to be 62.9%.

투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 이산화세륨 입자를 분석하였다. 9 ㎕ 용액(0.26 M)을 그리드로 건조시키고, 화상 처리하여 도 1에 도시한 화상을 생성하였다. 입자는 심지어 이와 같이 건조시킨 상태에서도 응집의 징후가 보이지 않았다. 용액중에서 입자는 응집에 대한 훨씬 더 적은 경향을 나타낼 것으로 예상된다. 투과 전자 현미경(TEM)으로 측정한 이산화세륨 입자의 크기 빈도 분포(도 1에 도시함)는 약 2.6 ㎚의 기하 직경을 산출하였다. 추가로, 크기 분포는 실질적으로 단일모드이며, 즉 단 하나의 최대치 및 균일한 19% COV이며, 대부분의 입자는 2 ㎚ 내지 4 ㎚ 범위에 포함된다.Cerium dioxide particles were analyzed using transmission electron microscopy (TEM). 9 μl solution (0.26 M) was dried on a grid and image processed to produce the image shown in FIG. 1. The particles showed no signs of aggregation even in this dried state. In solution the particles are expected to show a much less tendency for aggregation. The size frequency distribution (shown in FIG. 1) of the cerium dioxide particles measured by transmission electron microscopy (TEM) yielded a geometric diameter of about 2.6 nm. In addition, the size distribution is substantially monomodal, i.e., only one maximum and uniform 19% COV, and most of the particles fall in the 2 nm to 4 nm range.

도 2에는 건조시킨 이산화세륨 나노입자의 샘플의 X선 회절 패턴 70을 NIST(미국 국립 표준 기술원: National Institute of Standards and Technology) 라이브러리가 제공하는 이산화세륨의 대조 스펙트럼 71과 함께 도시하였다. 샘플 스펙트럼에서의 선의 위치는 표준 스펙트럼의 것과 일치한다. 2θ 피이크 폭은 샘플 스펙트럼에서 매우 넓으며, 이는 매우 작은 1차 미세결정 크기 및 입자 크기와 일치한다. X선 데이타(약 8,047 ev에서 Cu K 알파 선) 및 하기 쉐레(Scherrer) 수학식 d=0.9*λ/δ*cos(θ)[여기서, λ는 X선 파장이며, δ는 반치 전폭이며, θ는 X선 피이크에 해당하는 산란각임]으로부터, 1차 미세결정 크기는 2.5±0.5 ㎚(5 회 반복의 95% 신뢰도)인 것으로 계산되었다. 입자 자체는 이러한 미세결정을 갖는 크기이므로, 입자당 단 하나의 결정이 존재하므로, 나노입자가 다양한 크기를 갖는 미세결정의 응집물로 이루어진 모든 종래 기술로부터 구별되도록 하기 위하여 이러한 조성물을 결정질 이산화세륨으로 지칭한다.FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern 70 of a sample of dried cerium dioxide nanoparticles with a control spectrum 71 of cerium dioxide provided by the National Institute of Standards and Technology (NIST) library. The position of the line in the sample spectrum is consistent with that of the standard spectrum. The 2θ peak width is very wide in the sample spectrum, which is consistent with very small primary microcrystal size and particle size. X-ray data (Cu K alpha line at about 8,047 ev) and the Scherrer equation d = 0.9 * λ / δ * cos (θ) [where λ is the X-ray wavelength and δ is the full width at half maximum, θ Is the scattering angle corresponding to the X-ray peak], the primary microcrystal size was calculated to be 2.5 ± 0.5 nm (95% confidence in 5 replicates). Since the particles themselves are sized with such microcrystals, there is only one crystal per particle, so such compositions are referred to as crystalline cerium dioxide in order to distinguish the nanoparticles from all prior art consisting of agglomerates of microcrystals of various sizes. do.

실시예 2Example 2

약 1.5 ㎚ CeOAbout 1.5 nm CeO 22 나노입자의 침전 Precipitation of Nanoparticles

이러한 침전은 실시예 1에 이어서 실시하며, 단, 20:80의 비 및 76.4 gm EDTA 2나트륨 염 및 74.0 gm의 85% 락트산 농도의 EDTA 및 락트산의 안정화제 조합을 MEEA 안정화제 대신에 사용한다. 도 3A는 5 ㎚보다 실질적으로 더 작으며 1.1±0.3 ㎚인 것으로 추정되는 그레인 크기를 나타내는 고배율 TEM이다. 도 3B는 침전의 대표 샘플의 전자 회절 패턴을 나타낸다. 도 3C는 다양한 회절환 {311}, {220}, {200} 및 {111}의 강도를 입방 CeO2, 입방 및 육방 Ce2O3 및 Ce(OH)3의 프레임워크내에서 분석한 표 1을 도시한다. 결정 습성을 갖는 분석한 환 강도의 편차율이 CeO2의 입방 형석형 구조에 대하여 최소이어서 이와 같은 그레인 직경으로의 다형체의 돈재를 설정하는 것이 명백하다.This precipitation is followed by Example 1, except that a combination of a ratio of 20:80 and a stabilizer of EDTA and lactic acid at 76.4 gm EDTA disodium salt and 85% lactic acid concentration of 74.0 gm is used in place of the MEEA stabilizer. 3A is a high magnification TEM showing grain size that is substantially smaller than 5 nm and is estimated to be 1.1 ± 0.3 nm. 3B shows the electron diffraction pattern of a representative sample of precipitation. FIG. 3C is a table 1 analyzing the intensities of various diffraction rings {311}, {220}, {200} and {111} within a framework of cubic CeO 2 , cubic and hexagonal Ce 2 O 3 and Ce (OH) 3 . To show. It is evident that the variation ratio of the analyzed ring strength with crystal habits is minimal for the cubic fluorspar structure of CeO 2 , thereby setting up a polymorph of the polymorph to such grain diameter.

실시예 3Example 3

등온성 2중 제트 침전 CeOIsothermal Double Jet Precipitation CeO 22 에 의한 CeOBy CeO 22 나노입자의 제조 Preparation of Nanoparticles

3 ℓ 둥근 바닥 스테인레스 스틸 반응기 용기에 1,117 g의 증류수를 첨가하였다. 표준 Rv 100 프로펠러를 반응기 용기로 내리고, 혼합기 헤드를 반응기 용기의 바닥으로부터 약간 위에 배치한다. 혼합기를 700 rpm으로 설정하고, 반응기의 온도가 약 70℃가 되게 한다. 그후, 59.8 g(98%)의 메톡시아세트산을 반응기에 첨가하였다. 120.0 g의 Ce(NO3)3·6H2O를 포함하는 250 ㎖ 용액을 69.5 g(28-30%)의 수산화암모늄을 포함하는 용액과 동시에 반응기에 펌핑 처리하여 2중 제트 침전을 5 분에 걸쳐 실시하였다. 반응기로의 증류수 추적은 잔류 물질의 반응물 선을 제거하였다. 그후, 10.2 g의 50% 비-안정화된 과산화수소를 반응기에 첨가하고, 이의 함유물을 40 초에 걸쳐 첨가하였다. 초기에, 반응 혼합물은 6 내지 7 범위의 pH에서 불투명 암오렌지 갈색 액체이었다. 반응 혼합물을 추가의 60 분 동안 가열하고, 이때 pH는 4.25로 떨어지며[반응 (3a) 및 (3b)를 통하여 히드로늄 이온의 방출과 일치함], 혼합물은 맑은 황색 오렌지색이 되었다. 반응을 20℃로 냉각시키고, 3 mS/㎝의 전도율로 정용여과하여 과잉의 물 및 미반응 물질을 제거하였다. 그리하여 CeO2 입자중에서 약 10배 만큼 또는 공칭 1 몰로 분산물을 농축시켰다. 투과 전자 현미경에 의한 입자 크기-빈도 분석(도 4)에 의하여 평균 입자 크기가 2.2 ㎚이며, 변동 계수 COV를 갖는 크기 빈도 분포(평균 직경으로 나눈 하나의 표준 편차)는 23%인 것으로 밝혀졌다. 수율 이론치는 62.9%이다.1,117 g of distilled water was added to a 3 L round bottom stainless steel reactor vessel. Lower the standard Rv 100 propeller into the reactor vessel and place the mixer head slightly above from the bottom of the reactor vessel. The mixer is set at 700 rpm and the temperature of the reactor is about 70 ° C. Thereafter, 59.8 g (98%) of methoxyacetic acid were added to the reactor. A 250 ml solution containing 120.0 g of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O was pumped into the reactor simultaneously with a solution containing 69.5 g (28-30%) of ammonium hydroxide to give a double jet precipitation in 5 minutes. It was carried out over. Distilled water tracing to the reactor removed the reactant line of residual material. 10.2 g of 50% non-stabilized hydrogen peroxide was then added to the reactor and its contents were added over 40 seconds. Initially, the reaction mixture was an opaque dark orange brown liquid at a pH in the range of 6-7. The reaction mixture was heated for an additional 60 minutes, at which time the pH dropped to 4.25 (consistent with the release of hydronium ions through reactions (3a) and (3b)) and the mixture became a clear yellow orange color. The reaction was cooled to 20 ° C. and diafiltered to a conductivity of 3 mS / cm to remove excess water and unreacted material. The dispersion was thus concentrated by about 10 times or nominally 1 mole in CeO 2 particles. Particle size-frequency analysis by transmission electron microscopy (FIG. 4) revealed that the average particle size was 2.2 nm and the size frequency distribution (one standard deviation divided by the average diameter) with the variation coefficient COV was 23%. Yield theory is 62.9%.

실시예 4Example 4

구리-함유 Copper-containing CeOCeO 22 나노입자  Nanoparticles CeCe 00 .9.9 CuCu 00 .1.One OO 1One .95.95

질산세륨 용액이 108.0 g의 질산세륨 6수화물 및 6.42 g의 Ce(NO3)3·2.5H2O를 포함하는 것을 제외하고, 실시예 3의 조건을 반복하였다. 이들 금속 염을 별도로 용해시킨 후, 합하여 250 ㎖의 용액을 만들었다. 세륨 및 암모니아를 첨가한 후 40 초에 걸쳐 과산화수소를 첨가한 것을 제외하고, 반응을 실시예 3에 기재된 바와 같이 진행하였다. 투과 전자 현미경에 의한 입자 크기-빈도 분석(도 5)에 의하여 평균 입자 크기가 2.5 ㎚이고, 변동 계수 COV(평균 직경으로 나눈 하나의 표준 편차)가 25%인 크기 빈도 분포를 갖는 것으로 밝혀졌다. 2중모드 분포가 존재하지 않는 것에 유의하며, 2차 피이크는 Cu가 CeO2 격자에 혼입되지 않지만, 그 대신 별도의 Cu2O3 모집단으로 존재한다는 것을 나타낸다.The conditions of Example 3 were repeated except that the cerium nitrate solution contained 108.0 g of cerium nitrate hexahydrate and 6.42 g of Ce (NO 3 ) 3 .2.5H 2 O. These metal salts were dissolved separately and then combined to make 250 mL of solution. The reaction proceeded as described in Example 3 except for adding hydrogen peroxide over 40 seconds after the addition of cerium and ammonia. Particle size-frequency analysis by transmission electron microscopy (FIG. 5) revealed a mean frequency distribution with an average particle size of 2.5 nm and a coefficient of variation COV (one standard deviation divided by the average diameter) of 25%. Note that there is no bimodal distribution, the second peak indicates that Cu is not incorporated into the CeO 2 lattice but instead exists as a separate Cu 2 O 3 population.

실시예 5Example 5

철-함유 CeOIron-containing CeO 22 나노입자 Ce Nanoparticle Ce 0.90.9 FeFe 0.10.1 OO 1.951.95 (CeO-255)(CeO-255)

금속 염 용액이 108.0 g의 질산세륨 6수화물 및 11.16 g의 Fe(NO3)3·9H2O를 포함하는 것을 제외하고 실시예 4의 조건을 반복하였다. 이들 금속 염을 별도로 용해시킨 후, 합하여 250 ㎖의 용액을 형성하였다. 반응은 실시예 4에 기재한 바와 같이 진행하였다. 침전된 입자의 TEM(도 6A) 및 투과 전자 현미경에 의한 입자 크기-빈도 분석(도 6B)에 의하면 평균 입자 크기가 2.2±0.7 ㎚이고, 변동 계수 COV(평균 직경으로 나눈 하나의 표준 편차)가 32%인 크기 빈도 분포를 갖는 것으로 밝혀졌다. 수율 이론치는 55.1%이다.The conditions of Example 4 were repeated except that the metal salt solution contained 108.0 g of cerium nitrate hexahydrate and 11.16 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O. These metal salts were dissolved separately and then combined to form a 250 mL solution. The reaction proceeded as described in Example 4. TEM (FIG. 6A) and particle size-frequency analysis (FIG. 6B) of the precipitated particles showed an average particle size of 2.2 ± 0.7 nm and a coefficient of variation COV (one standard deviation divided by the average diameter). It was found to have a size frequency distribution of 32%. Yield theory is 55.1%.

실시예 6Example 6

지르코늄-함유 CeOZirconium-containing CeO 22 나노입자 Ce Nanoparticle Ce 0.90.9 ZrZr 0.150.15 OO 22 (CeO 257)(CeO 257)

금속 염 용액이 101.89 g의 질산세륨 6수화물 및 9.57 g의 ZrO(NO3)2·6H2O를 포함하는 것을 제외하고, 실시예 4의 조건을 반복하였다. 이들 금속 염을 별도로 용해시킨 후, 합하여 250 ㎖ 용액을 형성하였다. 반응의 온도가 85℃에서 실시되는 것을 제외하고, 반응은 실시예 4에 기재된 바와 같이 진행하였다. 투과 전자 현미경에 의한 입자 크기-빈도 분석(도 7A)에 의하면 평균 입자 크기가 2.4±0.7 ㎚이고, 변동 계수 COV(평균 직경으로 나눈 하나의 표준 편차)가 29%인 크기 빈도 분포를 갖는 것으로 밝혀졌다. 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광학에 의하면 CeO2에 대한 ZrO2의 상대적 불용해성을 제공하는 Ce0.82Zr0.18O1.91의 화학량론은 향상된 Zr 함유량(18% 대 15%)을 설명하는 것으로 밝혀졌다.The conditions of Example 4 were repeated except that the metal salt solution contained 101.89 g of cerium nitrate hexahydrate and 9.57 g of ZrO (NO 3 ) 2 .6H 2 O. These metal salts were dissolved separately and then combined to form a 250 ml solution. The reaction proceeded as described in Example 4 except that the temperature of the reaction was carried out at 85 ° C. Particle size-frequency analysis by transmission electron microscopy (FIG. 7A) revealed a size frequency distribution with an average particle size of 2.4 ± 0.7 nm and a coefficient of variation COV (one standard deviation divided by average diameter) of 29%. lost. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy revealed that the stoichiometry of Ce 0.82 Zr 0.18 O 1.91 , which provides the relative insolubility of ZrO 2 to CeO 2 , accounts for the improved Zr content (18% vs. 15%).

실시예 7aExample 7a

지르코늄- 및 철-함유 CeOZirconium- and Iron-containing CeO 22 나노입자 Ce Nanoparticle Ce 0.90.9 ZrZr 0.150.15 FeFe 0.10.1 OO 1.951.95 (CeO-270)(CeO-270)

금속 염 용액이 84.0 g의 질산세륨 6수화물, 11.16 g의 Fe(NO3)3·9H2O 및 12.76 g의 ZrO(NO3)2·6H2O를 포함하는 것을 제외하고 실시예 4의 조건을 반복하였다. 이들 금속 염을 별도로 용해시킨 후 합하여 250 ㎖ 용액을 형성하였다. 반응의 온도를 85℃에서 실시하고 과산화수소 용액(50%)을 20.4 gm로 증가시키고, 10 분에 걸쳐 첨가한 것을 제외하고, 반응을 실시예 4에 기재한 바와 같이 진행하였다. 입자 TEM(도 8A) 및 투과 전자 현미경에 의한 입자 크기-빈도 분석(도 8B)에 의하면 평균 입자 크기가 2.2 ±0.6 ㎚이고, 변동 계수 COV(평균 직경으로 나눈 하나의 표준 편차)가 27%인 크기 빈도 분포를 갖는 것으로 밝혀졌다. 다시, 단순분산, 단일모드의 분포는 별도로 재핵화된 ZrO2 및 Fe2O3 그레인 모집단과는 반대로 동시-혼입의 개념을 뒷받침한다. 수율 이론치는 78%이다. 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광학에 의하면 Ce0.69Fe0.14Zr0.17O1.915의 화학량론을 갖는 것으로 밝혀졌다. 다시, 공칭량에 비하여 비교적 더욱 농축된 Fe 및 Zr은 수산화세륨에 대한 수산화물 전구체의 불용성이 더 크다는 것을 반영한다. 또한, 도 8C에서는 전이 금속을 포함하지 않는 CeO2에 비하여 이러한 샘플의 X선 분말 회절 패턴(상부 곡선)을 도시한다. 32° 2θ에서의 피이크의 결여(화살표로 나타냄)는 유리 ZrO2가 존재하지 않는다는, 즉 세륨 격자에 모두 혼입되었다는 것을 의미한다. 또한, 50 및 52° 2θ에서의 피이크의 결여는 Fe2O3의 별도의 모집단이 존재하지 않는다는 것을 나타낸다(즉, 세륨 격자로의 Fe의 혼입). 치환되는 Ce4+(0.97 Å)에 대한 Fe3+의 더 작은 이온 반경(0.78 Å) 및 Zr4+(0.84 Å)에 일치하는 격자-(nλ/2d=sin θ)의 변형 또는 수축을 나타내는 커다란 2θ 산란각에서 더 큰 2θ로의 이동에 유의한다. 따라서, 전이 금속이 CeO2 격자에 혼입되었으며, 니트 ZrO2 또는 Fe2O3 나노입자의 별도의 모집단을 나타내지는 않는다는 결론을 낼 수 있다. 단일모드의 크기-빈도 분포는 또한 이러한 결론을 뒷받침한다.The conditions of Example 4 except the metal salt solution comprises 84.0 g of cerium nitrate hexahydrate, 11.16 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O and 12.76 g of ZrO (NO 3 ) 2 .6H 2 O Was repeated. These metal salts were dissolved separately and then combined to form a 250 ml solution. The reaction proceeded as described in Example 4 except the temperature of the reaction was carried out at 85 ° C. and the hydrogen peroxide solution (50%) was increased to 20.4 gm and added over 10 minutes. Particle size-frequency analysis (FIG. 8B) by particle TEM (FIG. 8A) and transmission electron microscopy showed an average particle size of 2.2 ± 0.6 nm and a coefficient of variation COV (one standard deviation divided by average diameter) of 27%. It was found to have a size frequency distribution. Again, the monodisperse, monomodal distribution supports the concept of co-incorporation as opposed to the separately renucleated ZrO 2 and Fe 2 O 3 grain populations. Yield theory is 78%. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy revealed a stoichiometry of Ce 0.69 Fe 0.14 Zr 0.17 O 1.915 . Again, relatively more concentrated Fe and Zr compared to the nominal amount reflect the greater insolubility of the hydroxide precursors for cerium hydroxide. 8C also shows the X-ray powder diffraction pattern (upper curve) of this sample as compared to CeO 2 without transition metal. The lack of peak at 32 ° 2θ (indicated by arrow) means that free ZrO 2 is absent, ie it has all been incorporated into the cerium lattice. In addition, the lack of peaks at 50 and 52 ° 2θ indicates that there is no separate population of Fe 2 O 3 (ie incorporation of Fe into the cerium lattice). A smaller ionic radius of Fe 3+ (0.78 mm 3) and a lattice- (nλ / 2d = sin θ) corresponding to Zr 4+ (0.84 mm 3) for the substituted Ce 4+ (0.97 mm 3) Note the shift from the large 2θ scattering angle to the larger 2θ. Thus, it can be concluded that the transition metal has been incorporated into the CeO 2 lattice and does not represent a separate population of neat ZrO 2 or Fe 2 O 3 nanoparticles. The single-mode size-frequency distribution also supports this conclusion.

실시예 7b-fExample 7b-f

15% 지르코늄에서 철(15%, 20%, 25%, 30%) 및 20% 지르코늄에서 20% 철의 양이 체계적으로 변경되는 지르코늄- 및 철 함유 CeOZirconium- and iron-containing CeO which systematically changes the amount of iron in 15% zirconium (15%, 20%, 25%, 30%) and 20% zirconium in 20% iron 22 나노입자 Nanoparticles

실시예 7a의 조건은 하기와 같으나, 적절한 금속 함유 염 용액을 사용하여 철 또는 지르코늄의 양을 조절하여 제시된 공칭 화학량론을 산출하며, 전체 질산세륨 6수화물을 환원시켜 철 또는 지르코늄 전이 금속의 증가된 농도를 도모하였다.The conditions of Example 7a are as follows, but the appropriate nominal stoichiometry is calculated by adjusting the amount of iron or zirconium using an appropriate metal containing salt solution, and reducing the total cerium nitrate hexahydrate to increase the iron or zirconium transition metal. The concentration was planned.

도 9는 실시예 1에서 생성한 입자의 전계 방출 총 TEM 격자 화상을 도시한다. 입자중 2개를 명확히 나타내기 위하여 동그라미를 표시하였다. 직경이 5 ㎚ 미만인 단일 결정을 정의하는 격자면의 수가 작은 것에 유의한다. 각종 물질의 수성 졸을 30 분 동안 머플 퍼니스내에서 1,000℃에서 가열하였다. 이러한 철저하게 건조시킨 샘플을 문헌[Sarkas et al., "Nanocrystalline Mixed Metal Oxides-Novel Oxygen Storage Materials," Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 788, L4.8.1 (2004)]에 기재한 바와 같이 OSC 및, 열중량 기법을 사용하여 그의 최대 OSC에 도달하는 역학에 대하여 측정하였다. 통상적으로, 5% 수소를 포함하는 질소 기체에서의 매우 빠른 초기 환원 속도에 이어서 더 느린 제2의 속도가 관찰되었다.9 shows the field emission total TEM grid image of the particles produced in Example 1. FIG. Circles are shown to clearly show two of the particles. Note that the number of lattice planes defining a single crystal with a diameter of less than 5 nm is small. An aqueous sol of various materials was heated at 1,000 ° C. in a muffle furnace for 30 minutes. Such thoroughly dried samples are described in Sarkas et al., "Nanocrystalline Mixed Metal Oxides-Novel Oxygen Storage Materials," Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 788, L4.8.1 (2004), using OSC and thermogravimetric techniques to measure the kinetics reaching its maximum OSC. Typically, a very fast initial reduction rate in nitrogen gas containing 5% hydrogen was followed by a slower second rate.

하기 표 2는 5% H2를 포함하는 700℃에서의 질소 기체중에서 각종 격자 엔지니어링된 세리아 나노입자[시그마 알드리치(Sigma Aldrich) 대조군을 제외하고 모두 2 ㎚]의 환원에 대한 산소 저장 용량(괄호안은 1 시그마 재현성) 및 빠른(kl) 및 느린(k2) 속도 상수(괄호안은 1 표준 편차)를 포함한다. 이들 값을 제2의 TGA 기기(평균 2.6% 차이)에 대하여, 기체 흐름 차이(평균 1% 편차)에 대하여 비교 체크하고, 1,000℃에서 30 분 동안 샘플 제조를 반복하였다(평균 1.54% 편차). 하기 표 2의 기재로부터, 이산화세륨 입자의 OSC는 약 2 ㎚-20 ㎛ 범위로 크기 의존성을 갖는 것으로 보이지는 않는다는 것을 알 수 있다. 이는 더 큰 입자로의 소결의 결과일 것이다. OSC는 지르코늄의 첨가로 대략 50% 증가되며, 10 배의 비율 증가를 수반한다는 것에 유의한다. 게다가, Zr-함유 물질에 철을 첨가하면 전이 금속 이온을 포함하지 않는 이산화세륨 입자에 비하여 10 배의 속도에서 거의 3배의 OSC를 제공한다. 이러한 값은 인용한 문헌의 수치의 3 배보다 더 크다. 이와 같은 환원 속도 상수에 대한 시트르산의 이로운 효과는 안정화제가 열분해된 후조차도 입자 표면적 또는 모폴로지에 대하여 영향을 미칠 수 있다는 것을 시사하는 것으로 보인다.Table 2 below shows the oxygen storage capacity for reduction of various lattice engineered ceria nanoparticles (2 nm except Sigma Aldrich control) in nitrogen gas at 5 ° C. containing 5% H 2 ( 1 sigma reproducibility) and fast (kl) and slow (k2) rate constants (in parentheses are 1 standard deviation). These values were compared and checked for a second TGA instrument (mean 2.6% difference) against gas flow difference (mean 1% deviation) and sample preparation was repeated for 30 minutes at 1,000 ° C. (mean 1.54% deviation). From the description of Table 2 below, it can be seen that the OSC of the cerium dioxide particles does not appear to have size dependency in the range of about 2 nm-20 μm. This will be the result of sintering to larger particles. Note that OSC is increased approximately 50% with the addition of zirconium, with a 10-fold rate increase. In addition, the addition of iron to the Zr-containing material provides nearly three times the OSC at a rate of ten times that of cerium dioxide particles that do not contain transition metal ions. This value is greater than three times that of the cited literature. The beneficial effect of citric acid on this reduction rate constant appears to suggest that even after the stabilizer is pyrolyzed, it can affect particle surface area or morphology.

<표 2>TABLE 2

Figure pct00018
Figure pct00018

본 발명을 다양한 구체적인 실시양태를 참조하여 설명하기는 하였으나, 기재된 본 발명의 개념의 정신 및 범위에서 다수의 변경예가 이루어질 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 기재된 실시양태로 한정되지 않으며, 하기의 특허청구범위의 언어에 의하여 정의되는 전체 범위를 갖도록 한다.Although the present invention has been described with reference to various specific embodiments, it should be understood that many modifications may be made in the spirit and scope of the inventive concept as described. Accordingly, the invention is not limited to the described embodiments, but is intended to have the full scope defined by the language of the following claims.

Claims (47)

(a) 약 20℃ 내지 약 95℃ 범위의 초기 온도에서 제1세륨(cerous) 이온 공급원, 1종 이상의 전이 금속 이온(M) 공급원, 수산화물 이온 공급원, 1종 이상의 나노입자 안정화제 및 산화제를 포함하는 수성 반응 혼합물을 제공하는 단계;
(b) 상기 혼합물을 기계적 전단시키고, 천공된 스크린에 통과되도록 하여 수산화세륨 나노입자의 균질하게 분포된 현탁액을 형성하는 단계; 및
(c) 제1세륨 이온을 제2세륨(ceric) 이온으로 산화시키기에 효과적인 온도 조건을 제공하여 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자 Ce1 - xMxO2(여기서 "x"는 약 0.3 내지 약 0.8의 값을 가짐)를 포함하는 생성물 스트림을 형성하며, 상기 나노 입자가 결정질 입방 형석형 구조를 가지며, 평균 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚ 범위이며, 기하 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 4 ㎚ 범위인 단계
를 포함하는, 1종 이상의 전이 금속(M)을 포함하는 격자 엔지니어링된 결정질 이산화세륨 나노입자의 제조 방법.
(a) a first cerium ion source, at least one transition metal ion (M) source, a hydroxide ion source, at least one nanoparticle stabilizer, and an oxidant at an initial temperature ranging from about 20 ° C. to about 95 ° C. Providing an aqueous reaction mixture;
(b) mechanically shearing the mixture and allowing it to pass through a perforated screen to form a homogeneously distributed suspension of cerium hydroxide nanoparticles; And
(c) providing transitional metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1 - x M x O 2 , wherein “x” is from about 0.3 to about 37 to provide temperature conditions effective to oxidize the first cerium ion to a second cerium ion. Having a value of about 0.8), wherein the nanoparticles have a crystalline cubic fluorspar structure, with an average hydrodynamic diameter in the range of about 1 nm to about 10 nm, and a geometric diameter of about 1 nm to In the range of about 4 nm
A method of making a lattice engineered crystalline cerium dioxide nanoparticles comprising at least one transition metal (M) comprising a.
제1항에 있어서, 상기 기계적 전단이 콜로이드 밀내에서 실시되는 방법.The method of claim 1, wherein the mechanical shearing is performed in a colloid mill. 제1항에 있어서, 제1세륨 이온을 제2세륨 이온으로 산화시키기에 효과적인 상기 온도 조건이 약 50℃ 내지 약 100℃의 온도를 포함하는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the temperature condition effective to oxidize the first cerium ion to the second cerium ion comprises a temperature of about 50 ° C. to about 100 ° C. 7. 제3항에 있어서, 제1세륨 이온을 제2세륨 이온으로 산화시키기에 효과적인 상기 온도 조건이 약 60℃ 내지 약 90℃의 온도를 포함하는 방법.The method of claim 3, wherein the temperature condition effective to oxidize the first cerium ion to the second cerium ion comprises a temperature of about 60 ° C. to about 90 ° C. 5. 제1항에 있어서, 상기 이온 공급원을 상기 반응 혼합물에 동시에 또는 순차적으로 상기 기계적 전단 중에 도입하는 방법.The method of claim 1, wherein the ion source is introduced into the reaction mixture simultaneously or sequentially in the mechanical shear. 제1항에 있어서, 상기 이산화세륨 나노입자의 평균 유체역학 직경이 약 6 ㎚인 방법.The method of claim 1, wherein the mean hydrodynamic diameter of the cerium dioxide nanoparticles is about 6 nm. 제1항에 있어서, 상기 이산화세륨 나노입자의 평균 기하(TEM) 직경이 약 4 ㎚ 미만인 방법.The method of claim 1, wherein the mean geometric (TEM) diameter of the cerium dioxide nanoparticles is less than about 4 nm. 제1항에 있어서, 상기 이산화세륨 나노입자가 실질적으로 단일모드의 크기 분포 및 실질적으로 단순분산 크기 빈도 분포를 갖는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the cerium dioxide nanoparticles have a substantially monomodal size distribution and a substantially simple distributed size frequency distribution. 제1항에 있어서, 상기 이산화세륨 나노입자가 결정질이며, 미세결정 크기가 약 1.1 ㎚ 내지 약 2.5 ㎚±0.5 ㎚ 범위인 방법.The method of claim 1, wherein the cerium dioxide nanoparticles are crystalline and have a microcrystalline size in a range from about 1.1 nm to about 2.5 nm ± 0.5 nm. 제1항에 있어서, 상기 제1세륨 이온 공급원이 질산제1세륨을 포함하는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the first cerium ion source comprises cerium nitrate. 제1항에 있어서, 상기 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2에서의 상기 전이 금속 M이 Fe, Mn, Cr, Ni, W, Co, V, Cu, Zr, Y, Mo 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 The transition metal M is Fe, Mn, Cr, Ni, W, Co, V, Cu, Zr, Y, Mo and combinations thereof. 제11항에 있어서, "x"의 값이 약 0.30 내지 약 0.80인 방법.The method of claim 11, wherein the value of “x” is from about 0.30 to about 0.80. 제12항에 있어서, "x"의 값이 약 0.40 내지 약 0.60인 방법.The method of claim 12 wherein the value of “x” is from about 0.40 to about 0.60. 제11항에 있어서, 상기 전이 금속 M이 Zr 또는 임의로 Y를 포함하는 것인 방법.12. The method of claim 11, wherein the transition metal M comprises Zr or optionally Y. 제14항에 있어서, 상기 전이 금속 M이 Fe를 더 포함하는 것인 방법.The method of claim 14, wherein the transition metal M further comprises Fe. 제1항에 있어서, 상기 수산화물 이온 공급원이 수산화암모늄을 포함하며, 상기 수산화물 이온의 제1세륨 이온에 대한 몰 화학량론 비가 약 2:1 OH:Ce 내지 약 5:1 OH:Ce인 방법.The method of claim 1, wherein the hydroxide ion source comprises ammonium hydroxide and the molar stoichiometric ratio of the hydroxide ions to the first cerium ion is from about 2: 1 OH: Ce to about 5: 1 OH: Ce. 제1항에 있어서, 상기 산화제가 과산화수소 또는 분자 산소를 포함하는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the oxidant comprises hydrogen peroxide or molecular oxygen. 제1항에 있어서, 나노입자 안정화제가 알콕시치환된 카르복실산, α-히드록시카르복실산, α-케토카르복실산 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the nanoparticle stabilizer is selected from the group consisting of alkoxy substituted carboxylic acids, α-hydroxycarboxylic acids, α-ketocarboxylic acids, and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 나노입자 안정화제가 디-, 트리-, 테트라-카르복실산 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the nanoparticle stabilizer is selected from the group consisting of di-, tri-, tetra-carboxylic acids and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 나노입자 안정화제가 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산, 메톡시아세트산 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the nanoparticle stabilizer is selected from the group consisting of 2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid, methoxyacetic acid, and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 나노입자 안정화제가 에틸렌디아민테트라아세트산, 글루콘산, 락트산, 타르타르산, 피루브산, 시트르산 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the nanoparticle stabilizer is selected from the group consisting of ethylenediaminetetraacetic acid, gluconic acid, lactic acid, tartaric acid, pyruvic acid, citric acid, and combinations thereof. 제21항에 있어서, 상기 나노입자 안정화제가 시트르산인 방법.The method of claim 21, wherein said nanoparticle stabilizer is citric acid. 제8항에 있어서, 상기 실질적인 단일모드 및 단순분산 크기 빈도 분포가 핵형성 온도, 나노입자 안정화제 선택, 나노입자 안정화제 농도 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 변수에 의하여 조절가능한 것인 방법.The method of claim 8, wherein the substantially monomodal and monodisperse size frequency distribution is adjustable by variables selected from the group consisting of nucleation temperature, nanoparticle stabilizer selection, nanoparticle stabilizer concentration, and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 방법이 연속적 공정 또는 회분식 공정인 방법.The method of claim 1, wherein the method is a continuous process or a batch process. 제1항에 있어서,
(d) 상기 생성물 스트림을, 밀도가 약 35%(고체 중량/현탁액 중량)를 초과하지 않으며 전도율이 약 5 mS/㎝를 초과하지 않는 현탁액으로 농축시키는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 1,
(d) concentrating the product stream to a suspension whose density does not exceed about 35% (solid weight / suspension weight) and whose conductivity does not exceed about 5 mS / cm.
제25항에 있어서, 상기 생성물 스트림의 농축을 1종 이상의 반투과성 막을 사용하여 실시하는 방법.The method of claim 25, wherein the concentration of the product stream is carried out using one or more semipermeable membranes. (a) 입방 형석형 구조를 갖고, 평균 유체역학 직경이 약 1 ㎚ 내지 약 10 ㎚ 범위이며, 기하 직경이 약 4 ㎚ 미만인 안정화된 전이 금속 도핑된 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2를 포함하는 수성 혼합물을 제공하는 단계;
(b) 상기 안정화된 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자를 포함하는 상기 수성 혼합물을 농축시켜 수성 농축물을 형성하는 단계;
(c) 상기 수성 농축물로부터 물을 실질적으로 전부 제거하여 상기 안정화된 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자의 실질적으로 물이 제거된 농축물을 형성하는 단계;
(d) 유기 희석제를 상기 실질적으로 물이 제거된 농축물에 첨가하여 상기 안정화된 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자의 유기 농축물을 형성하는 단계; 및
(e) 비극성 매체의 존재하에서 상기 유기 농축물을 계면활성제와 혼합하여 안정화된 전이 금속-함유 결정질 이산화세륨 나노입자 Ce1 - xMxO2를 포함하는 균질한 분산물을 형성하는 단계
를 포함하는, 안정화된 격자 엔지니어링된 전이 금속-함유 결정질 이산화세륨 나노입자 Ce1 - xMxO2를 포함하는 균질한 분산물의 형성 방법.
(a) Stabilized transition metal doped cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 having a cubic fluorspar structure and having an average hydrodynamic diameter in the range of about 1 nm to about 10 nm and a geometric diameter of less than about 4 nm. Providing an aqueous mixture comprising;
(b) concentrating the aqueous mixture comprising the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles to form an aqueous concentrate;
(c) removing substantially all of the water from the aqueous concentrate to form a substantially water-free concentrate of the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles;
(d) adding an organic diluent to the substantially water free concentrate to form an organic concentrate of the stabilized transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles; And
(e) mixing the organic concentrate with a surfactant in the presence of a nonpolar medium to form a homogeneous dispersion comprising stabilized transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles Ce 1 - x M x O 2 .
A method of forming a homogeneous dispersion comprising stabilized lattice engineered transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticles Ce 1 - x M x O 2 .
제27항에 있어서, 상기 전이 금속-함유 이산화세륨 나노입자 Ce1-xMxO2에서의 상기 전이 금속 M이 Fe, Mn, Cr, Ni, W, Co, V, Cu, Zr, Y, Mo 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the transition metal M in the transition metal-containing cerium dioxide nanoparticles Ce 1-x M x O 2 is Fe, Mn, Cr, Ni, W, Co, V, Cu, Zr, Y, Mo and combinations thereof. 제28항에 있어서, "x"의 값이 약 0.30 내지 약 0.80인 방법.The method of claim 28, wherein the value of “x” is from about 0.30 to about 0.80. 제29항에 있어서, "x"의 값이 약 0.40 내지 약 0.60인 방법.The method of claim 29, wherein the value of “x” is from about 0.40 to about 0.60. 제28항에 있어서, 상기 전이 금속 M이 Zr 또는 Y를 포함하는 것인 방법.29. The method of claim 28, wherein the transition metal M comprises Zr or Y. 제31항에 있어서, 상기 전이 금속 M이 Fe를 더 포함하는 것인 방법.32. The method of claim 31, wherein the transition metal M further comprises Fe. 제27항에 있어서, 상기 유기 희석제가 글리콜 에테르를 포함하는 것인 방법.The method of claim 27, wherein said organic diluent comprises a glycol ether. 제27항에 있어서, 상기 유기 희석제가 알콜을 더 포함하는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the organic diluent further comprises an alcohol. 제27항에 있어서, 상기 유기 희석제가 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 및 1-메톡시-2-프로판올을 포함하는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the organic diluent comprises diethylene glycol monomethyl ether and 1-methoxy-2-propanol. 제27항에 있어서, 상기 계면활성제가 공계면활성제를 더 포함하는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the surfactant further comprises a cosurfactant. 제27항에 있어서, 상기 계면활성제가 올레산을 포함하는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the surfactant comprises oleic acid. 제36항에 있어서, 상기 공계면활성제가 1-헥산올을 포함하는 것인 방법.37. The method of claim 36, wherein said cosurfactant comprises 1-hexanol. 제27항에 있어서, 상기 계면활성제가 황을 포함하지 않는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the surfactant does not comprise sulfur. 제27항에 있어서, 상기 균질한 분산물이 상기 나노입자를 약 2 중량% 이상의 농도로 및 물을 약 0.5 중량%의 최대 농도로 포함하는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the homogeneous dispersion comprises the nanoparticles at a concentration of at least about 2% by weight and water at a maximum concentration of about 0.5% by weight. 제40항에 있어서, 상기 균질한 분산물이 상기 나노입자를 약 9 중량% 이상의 농도로 포함하는 것인 방법.41. The method of claim 40, wherein said homogeneous dispersion comprises said nanoparticles in a concentration of at least about 9% by weight. 제41항에 있어서, 상기 균질한 분산물이 상기 나노입자를 약 35 중량%의 농도로 포함하는 것인 방법.The method of claim 41, wherein the homogeneous dispersion comprises the nanoparticles at a concentration of about 35% by weight. 제27항에 있어서, 상기 비극성 매체가 약 6 내지 약 20개의 탄소 원자를 함유하는 탄화수소를 포함하는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the nonpolar medium comprises a hydrocarbon containing about 6 to about 20 carbon atoms. 제27항에 있어서, 상기 비극성 매체가 옥탄, 데칸, 톨루엔, 등유, 나프타, 초저황 디젤 연료, 바이오디젤 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the nonpolar medium is selected from the group consisting of octane, decane, toluene, kerosene, naphtha, ultra low sulfur diesel fuel, biodiesel and mixtures thereof. 제27항에 있어서,
(f) 상기 균질한 분산물 1 부를 탄화수소 연료 약 100 부 이상으로 희석하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 27,
(f) diluting 1 part of said homogeneous dispersion to at least about 100 parts of hydrocarbon fuel.
제27항에 따라 형성된 안정화된 전이 금속-함유 결정질 이산화세륨 나노입자를 함유하는 균질한 분산물을 사용하여 생성된, 내연 기관 배기 장치의 촉매 변환기용 워시코트.A washcoat for a catalytic converter of an internal combustion engine exhaust device, produced using a homogeneous dispersion containing a stabilized transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticle formed according to claim 27. 제27항에 따라 형성된 안정화된 전이 금속-함유 결정질 이산화세륨 나노입자를 함유하는 균질한 분산물을 사용하여 생성된, 환원 반응 또는 산화 반응을 가속시키는데 효과적인 촉매.A catalyst effective for accelerating a reduction or oxidation reaction produced using a homogeneous dispersion containing a stabilized transition metal-containing crystalline cerium dioxide nanoparticle formed according to claim 27.
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