RU2611620C2 - Method of producing copper-containing nano-catalysts with developed surface - Google Patents

Method of producing copper-containing nano-catalysts with developed surface Download PDF

Info

Publication number
RU2611620C2
RU2611620C2 RU2013144809A RU2013144809A RU2611620C2 RU 2611620 C2 RU2611620 C2 RU 2611620C2 RU 2013144809 A RU2013144809 A RU 2013144809A RU 2013144809 A RU2013144809 A RU 2013144809A RU 2611620 C2 RU2611620 C2 RU 2611620C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
copper
carrier
developed surface
small particles
metal
Prior art date
Application number
RU2013144809A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013144809A (en
Inventor
Анатолий Алексеевич Викарчук
Ольга Александровна Довженко
Максим Владимирович Дорогов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Нанотехнологии для экологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Нанотехнологии для экологии" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Нанотехнологии для экологии"
Priority to RU2013144809A priority Critical patent/RU2611620C2/en
Publication of RU2013144809A publication Critical patent/RU2013144809A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2611620C2 publication Critical patent/RU2611620C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D3/00Electroplating: Baths therefor
    • C25D3/02Electroplating: Baths therefor from solutions
    • C25D3/38Electroplating: Baths therefor from solutions of copper
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/72Copper
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/62Whiskers or needles
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B7/00Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions
    • C30B7/12Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions by electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to a method of producing copper-containing nano-catalysts with developed surface, which involves, that first from an electrolyte solution onto a metal carrier by electrodeposition copper is applied, then the carrier with the applied active metal is subjected to thermal processing. Electrodeposition process is performed in such a way, for to grow on a metal substrate with a heat conductivity coefficient less than 20 W/(m⋅K) a monolayer of icosahedral small particles of copper with micron sizes from 5 to 15 mcm and having 6 axes of symmetry of the 5th order, or layers of microcrystals with disclination type defects in the crystal lattice, then they are annealed in air atmosphere at the temperature of 300–400 °C and maintained for 4 hours till the small particles form a developed surface in the form of nanowhiskers or at the temperatures of 500–600 °C and maintained for 2–3 hours till the small particles form a developed surface in the form of nanopores, or inner cavities, or a corrugated relief.
EFFECT: technical result is producing a nano-catalyst with high specific surface, good adhesion to a carrier, high mechanical strength and low hydrodynamic resistance.
3 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к способам получения эффективных катализаторов на основе меди и ее оксидов, предназначенных для интенсификации химических производственных процессов (конверсии оксида углерода, окисление пропилена и серы, синтеза, дегидрирования и окисления метанола, дегидрирование циклогексанола и бутан-изобутановых фракций и т.п.), а также для обезвреживания газовых выбросов.The invention relates to methods for producing effective catalysts based on copper and its oxides intended for intensification of chemical production processes (carbon monoxide conversion, oxidation of propylene and sulfur, synthesis, dehydrogenation and oxidation of methanol, dehydrogenation of cyclohexanol and butane-isobutane fractions, etc.) , as well as for the neutralization of gas emissions.

Известен способ приготовления нанокатализатора на основе меди для конверсии оксида углерода путем смешения окиси меди и окиси цинка с аллюмикатами металла (патент РФ №2241540, МПК B01J 37/04, B01J 23/80, C07C 1/10; опубл.: 10.12.2004 г.). Катализатор обеспечивает высокую активность процесса конверсии при температурах порядка 200°С.A known method of preparing a copper-based nanocatalyst for the conversion of carbon monoxide by mixing copper oxide and zinc oxide with metal aluminates (RF patent No. 2241540, IPC B01J 37/04, B01J 23/80, C07C 1/10; publ.: 10.12.2004 g .). The catalyst provides a high activity of the conversion process at temperatures of the order of 200 ° C.

Известен способ получения медных катализаторов путем осаждения активной фазы насыщением активного носителя (диоксида титана, оксида алюминия) в форме шаров, таблеток или цилиндров, предназначенных для непосредственного превращения сульфида водорода в серу (патент РФ №2149137, МПК C01B 17/04, B01D 53/86; опубл.: 20.05.2000 г.).A known method of producing copper catalysts by deposition of the active phase by saturation of the active carrier (titanium dioxide, aluminum oxide) in the form of spheres, tablets or cylinders intended for the direct conversion of hydrogen sulfide into sulfur (RF patent No. 2149137, IPC C01B 17/04, B01D 53 / 86; publ.: May 20, 2000).

Катализатор имеет удельную поверхность порядка 20 м2/г и работает при температуре 200°С.The catalyst has a specific surface area of about 20 m 2 / g and operates at a temperature of 200 ° C.

Известен способ получения медного катализатора для дегидрирования циклогексанола в циклогексанон путем пропитывания, осаждения, сухого смешения или бестокового меднения оксидного носителя в виде шариков, таблеток, цилиндров. Катализатор содержит до 50% меди, имеет удельную поверхность не менее 30 м2/г, работает при температурах порядка 220-260°C.A known method of producing a copper catalyst for dehydrogenation of cyclohexanol to cyclohexanone by impregnation, precipitation, dry mixing or currentless copper plating of the oxide carrier in the form of balls, tablets, cylinders. The catalyst contains up to 50% copper, has a specific surface area of at least 30 m 2 / g, and operates at temperatures of the order of 220-260 ° C.

Как показал анализ, перечисленные технологии изготовления катализаторов порождают массу недостатков, это:As the analysis showed, the listed technologies for the manufacture of catalysts generate a lot of disadvantages, these are:

- малая удельная поверхность;- small specific surface;

- слабая адгезия металла и основы;- poor adhesion of metal and base;

- неоднородность структуры и фазового состава;- heterogeneity of the structure and phase composition;

- низкая механическая прочность;- low mechanical strength;

- плохая регенерация;- poor regeneration;

- низкая термическая стабильность;- low thermal stability;

- плохой теплообмен и контакт катализатора с газом;- poor heat transfer and contact of the catalyst with gas;

- большое гидродинамическое сопротивление;- high hydrodynamic resistance;

- большой объем загрузки катализаторов и соответственно габаритов реакторов.- a large volume of loading of the catalysts and, accordingly, the dimensions of the reactors.

Для увеличения удельной поверхности, а соответственно и каталитической активности медных катализаторов в различных каталитических процессах используют ультрадисперсные (наноразмерные) медные порошки. Например, известен способ получения тонкокристаллического фтолоцианина меди (патент РФ №2104995, МПК C07C 49/92, C07F 1/08; опубл.: 20.02.1998 г.) путем смешивания ультрадисперсного порошка (меньше 100 нм меди) с удельной поверхностью более 30 м2/г с 1,3-дииминоидолином. Порошок меди получали электрическим взрывом проводника. Высокая активность порошка в реакции получения нанодисперсного фтолоцианина, а также в реакциях окисления метанола и изопропеленбензола уже при комнатных температурах обусловлена наноразмерами и большой поверхностной энергией порошка меди.To increase the specific surface area and, accordingly, the catalytic activity of copper catalysts in various catalytic processes, ultrafine (nanosized) copper powders are used. For example, there is a method for producing fine crystalline copper phtholocyanine (RF patent No. 2104995, IPC C07C 49/92, C07F 1/08; publ.: 02.20.1998) by mixing an ultrafine powder (less than 100 nm of copper) with a specific surface area of more than 30 m 2 / g with 1,3-diiminoidoline. Copper powder was obtained by electric explosion of a conductor. The high activity of the powder in the reaction to obtain nanodispersed phtholocyanine, as well as in the oxidation of methanol and isopropylene benzene even at room temperature, is due to nanosized and high surface energy of the copper powder.

Недостатком таких нанокатализаторов является их порошкообразное состояние (отсутствие носителя) и низкая механическая прочность. Катализатор в виде слоя из наночастиц обладает огромным гидростатическим сопротивлением, он подвержен воспламенению, кроме того, требуются специальные фильтры для задержки и отделения наночастиц от реагентов.The disadvantage of such nanocatalysts is their powder state (lack of carrier) and low mechanical strength. The catalyst in the form of a layer of nanoparticles has a huge hydrostatic resistance, it is subject to ignition, in addition, special filters are required to delay and separate the nanoparticles from the reagents.

Перспективными здесь могут стать нанокатализаторы на основе частиц с развитой поверхностью из неблагородных металлов и их оксидов, нанесенные на носители в виде сеток, лент, спиралей из нержавеющей стали; они более термостабильны, прочны, легко регенерируются, удобны в эксплуатации и занимают меньше пространства. Они должны иметь высокую удельную поверхность, пористую структуру, их можно регенерировать и многократно использовать, они должны сочетать в себе высокую прочность с антикоррозионными свойствами, стойкость к истиранию с электропроводностью и селективностью.Nanocatalysts based on particles with a developed surface of base metals and their oxides deposited on carriers in the form of grids, ribbons, stainless steel spirals can become promising here; they are more thermostable, durable, easy to regenerate, easy to use and take up less space. They must have a high specific surface, a porous structure, they can be regenerated and reused, they must combine high strength with anti-corrosion properties, abrasion resistance with electrical conductivity and selectivity.

Близким к предлагаемым нанокатализаторам являются блочные катализаторы, нанесенные на металлический нанопористый материал - нержавеющую сталь ФНС-5 (патент РФ №2162011, МПК B01J 23/72, B01J 23/755, B01D 53/94; опубл.: 20.01.2001 г.). Недостатки: малая удельная поверхность (3 м2/г), длительный (более 28 ч) и энергозатратный технологический процесс, включающий 5 стадий.Close to the proposed nanocatalysts are block catalysts deposited on a metal nanoporous material - stainless steel FTS-5 (RF patent No. 2162011, IPC B01J 23/72, B01J 23/755, B01D 53/94; publ.: 01.20.2001) . Disadvantages: small specific surface (3 m 2 / g), long (more than 28 hours) and energy-consuming technological process, which includes 5 stages.

Прототипом является способ получения нановискерных структур оксида меди, в котором вискерные структуры на основе меди создаются посредством электролиза медных вискерных структур из расплавов (патент РФ №2464224, МПК C01B 13/14, C01G 3/02, C25B 1/00, B82B 3/00, B82Y 40/00; опубл.: 20.10.2012 г.).The prototype is a method for producing nanowhisker structures of copper oxide, in which copper-based whisker structures are created by electrolysis of copper whisker structures from melts (RF patent No. 2464224, IPC C01B 13/14, C01G 3/02, C25B 1/00, B82B 3/00 , B82Y 40/00; publ.: 10.20.2012).

Недостатком прототипа является использование метода электролиза медных вискерных структур из расплавов, что ведет к излишней трате энергии, а также усложняет технологический процесс, а также использование дорогостоящих платиновых анода и электрода сравнения.The disadvantage of the prototype is the use of the method of electrolysis of copper whisker structures from melts, which leads to excessive waste of energy, and also complicates the process, as well as the use of expensive platinum anode and reference electrode.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа получения нанокатализатора из металлических пентагональных микро- и нанообъектов, у которых удельная поверхность достигает 100 м2/г, с хорошим закреплением нанокатализатора на сетчатом носителе, с хорошей возможностью регенерации.The objective of the invention is to provide a method for producing a nanocatalyst from metal pentagonal micro- and nano-objects, in which the specific surface reaches 100 m 2 / g, with a good fixing of the nanocatalyst on a mesh carrier, with good regeneration.

Технический результат заключается в том, что полученный нанокатализатор на сетчатом носителе имеет высокую удельную поверхность до 100 м2/г, хорошую адгезию к носителю, высокую механическую прочность и теплопроводность и низкое гидродинамическое сопротивление.The technical result is that the obtained nanocatalyst on a mesh support has a high specific surface area of up to 100 m 2 / g, good adhesion to the support, high mechanical strength and thermal conductivity, and low hydrodynamic resistance.

Технический результат достигается тем, что в способе получения медьсодержащих нанокатализаторов с развитой поверхностью сначала из раствора электролита на металлический носитель методом электроосаждения наносят медь, затем носитель с нанесенным активным металлом подвергают термообработке, процесс электроосаждения ведут так, чтобы на металлической подложке с коэффициентом теплопроводности меньше 20 Вт/(м*K) вырастить монослой икосаэдрических малых частиц из меди, имеющих микронные размеры от 5 до 15 мкм и обладающих 6-ю осями симметрии пятого порядка, или слои микрокристаллов с дефектами дисклинационного типа в кристаллической решетке, затем проводят их отжиг в воздушной атмосфере при температурах 300-400°C и времени выдержки 4 часа до формирования у малых частиц развитой поверхности в виде нановискеров или при температурах 500-600°C и времени выдержки 2-3 часа до формирования у малых частиц развитой поверхности в виде нанопор, или внутренних полостей, или гофрированного рельефа. Металлический носитель может быть выполнен в виде сетки, или спирали, или ячеек, или сот, или нано- и микропористого материала, имеющего коэффициент теплопроводности меньше 20 Вт/(м* K). На металлический носитель могут наносить микрокристаллы меди (размером 5-15 мкм), слои и покрытия из них.The technical result is achieved by the fact that in the method of producing copper-containing nanocatalysts with a developed surface, first copper is deposited from the electrolyte solution onto a metal carrier, then the carrier with the active metal deposited is subjected to heat treatment, the electrodeposition process is carried out so that the metal substrate with a thermal conductivity of less than 20 W / (m * K) grow a monolayer of icosahedral small particles from copper, having micron sizes from 5 to 15 microns and having 6 axes of symmetry of a different order, or layers of microcrystals with disclination-type defects in the crystal lattice, then they are annealed in air at temperatures of 300-400 ° C and a holding time of 4 hours until a developed surface is formed in small particles in the form of nanowhiskers or at temperatures of 500-600 ° C and the exposure time of 2-3 hours before the formation of small particles of a developed surface in the form of nanopores, or internal cavities, or corrugated relief. The metal carrier may be in the form of a grid, or a spiral, or cells, or honeycombs, or a nano- and microporous material having a thermal conductivity of less than 20 W / (m * K). Copper microcrystals (5-15 microns in size), layers and coatings of them can be applied to a metal support.

На фигурах представлены поясняющие изображения, где на:The figures show explanatory images, where:

фиг.1 - икосаэдрические частицы и ГЦК кристаллы меди, полученные на сетчатом носителе электроосаждением при перенапряжении 150 мВ и времени осаждения 5 мин до отжига;figure 1 - icosahedral particles and fcc crystals of copper obtained on a grid carrier by electrodeposition at an overvoltage of 150 mV and a deposition time of 5 minutes before annealing;

фиг.2 - икосаэдрические медные частицы, полученные на сетчатом носителе электроосаждением при перенапряжении 150 мВ и времени осаждения 5 мин после отжига при температуре 400°C в течение 4 часов;figure 2 - icosahedral copper particles obtained on a grid carrier by electrodeposition at an overvoltage of 150 mV and a deposition time of 5 minutes after annealing at a temperature of 400 ° C for 4 hours;

фиг.3 - нанопористый материал на сетчатом носителе полученный из медных микрокристаллов и слоев из них электроосаждением при перенапряжении 200 мВ и времени осаждения 10 мин после отжига при температуре 600°C в течение 3 часов;figure 3 - nanoporous material on a mesh carrier obtained from copper microcrystals and layers of them by electrodeposition at an overvoltage of 200 mV and a deposition time of 10 min after annealing at a temperature of 600 ° C for 3 hours;

фиг.4 - икосаэдрические медные частицы с полостью внутри и гофрированным рельефом, полученные на сетчатом носителе после отжига при температуре 500°C в течении 3 часов;figure 4 - icosahedral copper particles with a cavity inside and corrugated relief, obtained on a mesh carrier after annealing at a temperature of 500 ° C for 3 hours;

фиг.5 - икосаэдрическая медная частица, полученная на сетчатом носителе электроосаждением при перенапряжении 100 мВ и времени осаждения 15 мин до отжига;5 is an icosahedral copper particle obtained on a mesh support by electrodeposition at an overvoltage of 100 mV and a deposition time of 15 minutes before annealing;

фиг.6 - икосаэдрическая медная частица, полученная на сетчатом носителе электроосаждением при перенапряжении 100 мВ и времени осаждения 15 мин после отжига при температуре 400°C в течение 4 часов;6 is an icosahedral copper particle obtained on a grid carrier by electrodeposition at an overvoltage of 100 mV and a deposition time of 15 minutes after annealing at a temperature of 400 ° C for 4 hours;

фиг.7 - слой из медных частиц (икосаэдрических и ГЦК-кристаллов), полученный на сетчатом носителе после отжига при температуре 400°C в течение 4 часов;Fig.7 is a layer of copper particles (icosahedral and fcc crystals) obtained on a mesh carrier after annealing at a temperature of 400 ° C for 4 hours;

фиг.8 - вискеры, состоящие из оксида меди II и полученные на сетчатом носителе после отжига медных частиц при температуре 400°C в течение 4 часов.Fig - whiskers, consisting of copper oxide II and obtained on a mesh carrier after annealing of copper particles at a temperature of 400 ° C for 4 hours.

Способ получения нанокатализаторов на основе неблагородных металлов и их оксидов может быть осуществлен следующим образом.A method of producing nanocatalysts based on base metals and their oxides can be carried out as follows.

Для получения икосаэдрических частиц проводят электроосаждение меди при низких перенапряжениях (80-150 мВ) на индифферентную и слабо теплопроводящую (коэффициент теплопроводности <25 Вт/(м*°C)) металлическую (например, стальную, титановую, нитридтитановую) сетку (также металлический носитель может быть выполнен, например, в виде спирали, или ячеек, или сот, или нано- и микропористого материала) до образования на металлической подложке монослоя икосаэдрических малых частиц (также используется для лучшей передачи смысла термины: микрочастицы, медные частицы, икосаэдрические частицы, частицы) меди (либо наносят микрокристаллы меди (размером 5-15 мкм), слои и покрытия из них, в виде монослоя), имеющих микронные размеры от 5 до 15 мкм и обладающих 6-ю осями симметрии пятого порядка или дефектами в кристаллической решетке. Т.к. в таких частицах уже в исходном состоянии имеются большие внутренние напряжения и большая запасенная в объеме упругая энергия, то наличие напряжений и энергии интенсифицирует процесс формирования вискеров и нанопор. Затем для получения нановискеров проводят отжиг частиц в воздушной атмосфере при температурах 300-400°C и в течение 4 часов, т.к. при меньших температурах образование вискеров носит единичный характер, а при больших - вискеры вообще не образуются. Выдержка в печи более 5 часов экономически нецелесообразна, а меньше 3 часов - не дает большого числа вискеров при указанных температурах. Отжиг при указанных условиях вызывает формирование у микрочастиц развитой поверхности в виде нановискеров (фиг.2), внутренних полостей (фиг.4) и гофрированного рельефа.To obtain icosahedral particles, copper is electrodeposited at low overvoltages (80-150 mV) onto an indifferent and weakly thermally conductive (thermal conductivity <25 W / (m * ° C)) metal (for example, steel, titanium, titanium nitride) grid (also a metal carrier can be made, for example, in the form of a spiral, or cells, or honeycombs, or nano- and microporous material) until a monolayer of icosahedral small particles forms on a metal substrate (also used to better convey the meaning of the terms: microparticles, m bottom particles, icosahedral particles, particles) of copper (or they apply copper microcrystals (5-15 microns in size), layers and coatings of them, in the form of a monolayer), having micron sizes from 5 to 15 microns and having 6 fifth-order symmetry axes or defects in the crystal lattice. Because in such particles already in the initial state there are large internal stresses and a large elastic energy stored in the volume, the presence of stresses and energy intensifies the process of formation of whiskers and nanopores. Then, to obtain nanowhiskers, particles are annealed in an air atmosphere at temperatures of 300–400 ° C and for 4 hours, because at lower temperatures, the formation of whiskers is single in nature, and at higher temperatures, whiskers are not formed at all. Exposure in the oven for more than 5 hours is not economically feasible, and less than 3 hours does not give a large number of whiskers at the indicated temperatures. Annealing under these conditions causes the microparticles to form a developed surface in the form of nanowhiskers (Fig. 2), internal cavities (Fig. 4) and corrugated relief.

Также, как вариант, проводят отжиг при температурах 500-600°C и времени выдержки 2-3 часа до формирования у микрочастиц развитой поверхности в виде нанопор, или внутренних полостей, или гофрированного рельефа.Also, as an option, annealing is carried out at temperatures of 500-600 ° C and a holding time of 2-3 hours until the microparticles form a developed surface in the form of nanopores, or internal cavities, or corrugated relief.

Оптимальной температурой отжига является 400°C, при этом плотность и размеры вискеров зависят от времени отжига. Например, при 2-часовой выдержке в печи при температуре 400°C вискеры еще практически не образуются, при 3-часовой - их образуется достаточно много (109), но только небольшая их часть имеет диаметр, лежащий в нанодиапазоне. При 4-часовой выдержке в печи плотность вискеров увеличивается на порядок, при этом сужается интервал, в котором находятся диаметры вискеров, большая часть вискеров имеет размеры, не превышающие 100 нм. При увеличении времени отжига еще на 1 ч образуются, как правило, вискероподобные структуры с размерами, превышающими нанодиапазон. При дальнейшем увеличении времени выдержки до 5 ч количество вискеров уменьшается, а их диаметр еще более увеличивается.The optimum annealing temperature is 400 ° C, while the density and size of the whiskers depend on the annealing time. For example, with a 2-hour exposure in a furnace at a temperature of 400 ° C, whiskers are still not formed, at a 3-hour time, quite a lot of them are formed (10 9 ), but only a small part of them has a diameter lying in the nanoscale. With a 4-hour exposure in the furnace, the density of the whiskers increases by an order of magnitude, while the range in which the diameters of the whiskers are narrowed is narrowed, most of the whiskers have dimensions not exceeding 100 nm. With an increase in the annealing time by another 1 h, as a rule, whisker-like structures with sizes exceeding the nanoscale are formed. With a further increase in the exposure time to 5 hours, the number of whiskers decreases, and their diameter increases even more.

Полученные катализаторы относятся к нанообъектам по трем признакам: имеют характерный размер меньше 100 нм, имеют долю поверхностных атомов больше 1%, обладают необычными свойствами (например, каталитическая активность).The obtained catalysts relate to nano-objects according to three criteria: they have a characteristic size of less than 100 nm, have a fraction of surface atoms greater than 1%, and have unusual properties (for example, catalytic activity).

Для электролиза использовался сернокислый медный электролит, анод из электролитической меди, а в качестве подложки сетчатый носитель из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т с размером ячейки 40 мкм и диаметром проволоки 30 мкм. Электролиз осуществлялся в трехэлектродной ячейке в потенциостатическом режиме при низких перенапряжениях 70-150 мВ. Икосаэдрические частицы выращивали до размеров 5-15 мкм и отжигали в муфельной печи в воздушной атмосфере при температурах 300-600°C.For the electrolysis, a copper sulfate electrolyte, an anode of electrolytic copper, and a substrate carrier made of stainless steel 12X18H10T with a mesh size of 40 μm and a wire diameter of 30 μm were used as a substrate. Electrolysis was carried out in a three-electrode cell in a potentiostatic mode at low overvoltages of 70-150 mV. Icosahedral particles were grown to sizes of 5-15 microns and annealed in a muffle furnace in an air atmosphere at temperatures of 300-600 ° C.

Для исследования влияния на структуру и морфологию поверхности температурных полей на структуру икосаэдрических малых частиц использовали сканирующую дифференциальную калометрию, просвечивающую растровую электронную, а также атомно-силовую микроскопию.To study the effect on the structure and morphology of the surface of temperature fields on the structure of icosahedral small particles, we used scanning differential calometry, transmission electron beam, and atomic force microscopy.

Отжиг икосаэдрических частиц меди в воздушной атмосфере при температурах 300-400°C и времени выдержки 3-4 часа приводил к образованию на их поверхности вискеров, а при температурах 500-600°C и времени выдержки 2-3 часа - к формированию у микрочастиц развитой поверхности в виде нанопор, внутренних полостей и специфического рельефа, при этом удельная площадь поверхности увеличивалась до 100 м2/г.Annealing of icosahedral copper particles in the air at temperatures of 300-400 ° C and a holding time of 3-4 hours led to the formation of whiskers on their surface, and at temperatures of 500-600 ° C and a holding time of 2-3 hours, it developed in microparticles surface in the form of nanopores, internal cavities and specific relief, while the specific surface area increased to 100 m 2 / g.

Таким образом, заявляемое изобретение дает возможность создавать катализатор на металлическом носителе с развитой поверхностью.Thus, the claimed invention makes it possible to create a catalyst on a metal carrier with a developed surface.

Claims (3)

1. Способ получения медьсодержащих нанокатализаторов с развитой поверхностью, в котором сначала из раствора электролита на металлический носитель методом электроосаждения наносят медь, затем носитель с нанесенным активным металлом подвергают термообработке, отличается тем, что процесс электроосаждения ведут так, чтобы на металлической подложке с коэффициентом теплопроводности меньше 20 Вт/(мК) вырастить монослой икосаэдрических малых частиц из меди, имеющих микронные размеры от 5 до 15 мкм и обладающих 6-ю осями симметрии пятого порядка, или слои микрокристаллов с дефектами дисклинационного типа в кристаллической решетке, затем проводят их отжиг в воздушной атмосфере при температурах 300-400°С и времени выдержки 4 часа до формирования у малых частиц развитой поверхности в виде нановискеров или при температурах 500-600°С и времени выдержки 2-3 часа до формирования у малых частиц развитой поверхности в виде нанопор или внутренних полостей или гофрированного рельефа.1. The method of producing copper-containing nanocatalysts with a developed surface, in which copper is first deposited from an electrolyte solution onto a metal carrier, then heat-treated by a carrier with an active metal deposited, characterized in that the electrodeposition process is carried out so that on a metal substrate with a thermal conductivity coefficient less 20 W / (m K) to grow a monolayer of icosahedral small particles from copper, having micron sizes from 5 to 15 microns and having 6 fifth-order symmetry axes or layers of microcrystals with disclination-type defects in the crystal lattice, then they are annealed in an air atmosphere at temperatures of 300-400 ° C and a holding time of 4 hours until a developed surface is formed in small particles in the form of nanowhiskers or at temperatures of 500-600 ° C and a holding time of 2-3 hours before the formation of a developed surface in small particles in the form of nanopores or internal cavities or corrugated relief. 2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что металлический носитель выполнен в виде сетки или спирали или ячеек или сот или нано- и микропористого материала, имеющего коэффициент теплопроводности меньше 20 Вт/(мК).2. The method according to p. 1 characterized in that the metal carrier is made in the form of a grid or a spiral or cells or cells or nano- and microporous material having a thermal conductivity of less than 20 W / (m K). 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на металлический носитель наносят микрокристаллы меди (размером 5-15 мкм), слои и покрытия из них.3. The method according to p. 1, characterized in that microcrystals of copper (5-15 microns in size), layers and coatings of them are applied to the metal carrier.
RU2013144809A 2013-10-04 2013-10-04 Method of producing copper-containing nano-catalysts with developed surface RU2611620C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013144809A RU2611620C2 (en) 2013-10-04 2013-10-04 Method of producing copper-containing nano-catalysts with developed surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013144809A RU2611620C2 (en) 2013-10-04 2013-10-04 Method of producing copper-containing nano-catalysts with developed surface

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013144809A RU2013144809A (en) 2015-04-10
RU2611620C2 true RU2611620C2 (en) 2017-02-28

Family

ID=53282517

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013144809A RU2611620C2 (en) 2013-10-04 2013-10-04 Method of producing copper-containing nano-catalysts with developed surface

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2611620C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2613553C2 (en) * 2015-09-09 2017-03-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" Method of making copper coatings with developed surface

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2464224C1 (en) * 2011-05-20 2012-10-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Method of producing copper oxide nanowhisker structures
EP2602361A1 (en) * 2010-08-06 2013-06-12 Xiamen University Method for tuning surface structure of metallic nano-catalyst and preparation method thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2602361A1 (en) * 2010-08-06 2013-06-12 Xiamen University Method for tuning surface structure of metallic nano-catalyst and preparation method thereof
RU2464224C1 (en) * 2011-05-20 2012-10-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Method of producing copper oxide nanowhisker structures

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ВИКАРЧУК А.А. И ДР., Структура и механизмы роста вискеров на поверхности икосаэндрических малых частиц меди в процессе их отжига, Вектор науки ТГУ, 2012, 21, 3, стр. 15-18. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013144809A (en) 2015-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Alex et al. Competing effect of Co3+ reducibility and oxygen-deficient defects toward high oxygen evolution activity in Co3O4 systems in alkaline medium
Huang et al. Cathodic plasma driven self-assembly of HEAs dendrites by pure single FCC FeCoNiMnCu nanoparticles as high efficient electrocatalysts for OER
Zhao et al. Self-supporting transition metal chalcogenides on metal substrates for catalytic water splitting
US9855549B2 (en) Metal oxide nanorod arrays on monolithic substrates
Cai et al. Large-scale tunable 3D self-supporting WO3 micro-nano architectures as direct photoanodes for efficient photoelectrochemical water splitting
JP2020528490A (en) Porous solid material and manufacturing method
WO2006093317A1 (en) Single crystalline noble metal ultrathin film nanoparticles formed using, as reaction field, adsorbed micell film formed at solid/liquid interface and process for producing the same
Chen et al. Fabrication and characterization of highly-ordered valve-metal oxide nanotubes and their derivative nanostructures
Xiong et al. Passivation of hematite nanorod photoanodes with a phosphorus overlayer for enhanced photoelectrochemical water oxidation
JP2008207152A (en) Porous metal body with reaction efficiency enhanced and its production method
Ottone et al. Wetting behavior of hierarchical oxide nanostructures: TiO2 nanotubes from anodic oxidation decorated with ZnO nanostructures
JP5099300B2 (en) Nanocarbon material composite and method for producing the same
Kim et al. An overview of one-dimensional metal nanostructures for electrocatalysis
Ghosh et al. Simple formation of nanostructured molybdenum disulfide thin films by electrodeposition
Mai et al. Effective fabrication and electrochemical oxygen evolution reaction activity of gold multipod nanoparticle core–cobalt sulfide shell nanohybrids
CN109133166B (en) Titanium dioxide porous nanowire and preparation method thereof
Telkhozhayeva et al. Phase-dependent photocatalytic activity of bulk and exfoliated defect-controlled flakes of layered copper sulfides under simulated solar light
Li et al. Fabrication of highly ordered Ta2O5 and Ta3N5 nanorod arrays by nanoimprinting and through-mask anodization
Komal et al. Facile preparation of porous Cu, Ni, and Cu–Ni alloy as electrodes for supercapacitor application
RU2611620C2 (en) Method of producing copper-containing nano-catalysts with developed surface
JP2016203031A (en) Photocatalyst and production method thereof
KR101872572B1 (en) Core-shell catalyst and method for palladium-based core particle
Zheng et al. One-pot synthesis of a PtPd dendritic nanocube cage superstructure on graphenes as advanced catalysts for oxygen reduction
Cossuet et al. Template-assisted growth of open-ended TiO2 nanotubes with hexagonal shape using atomic layer deposition
Tejasvi et al. Thermochemical method of synthesizing stemmed nanoflower TiO2/eC3N4 heterojunction structures with enhanced solar water splitting

Legal Events

Date Code Title Description
HE9A Changing address for correspondence with an applicant
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191005