RU2739564C1 - Способ изготовления гетерогенных катализаторов низкотемпературного окисления моноксида углерода - Google Patents

Способ изготовления гетерогенных катализаторов низкотемпературного окисления моноксида углерода Download PDF

Info

Publication number
RU2739564C1
RU2739564C1 RU2020118795A RU2020118795A RU2739564C1 RU 2739564 C1 RU2739564 C1 RU 2739564C1 RU 2020118795 A RU2020118795 A RU 2020118795A RU 2020118795 A RU2020118795 A RU 2020118795A RU 2739564 C1 RU2739564 C1 RU 2739564C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
minutes
deposited
molybdenum
metal
temperature
Prior art date
Application number
RU2020118795A
Other languages
English (en)
Inventor
Тамерлан Таймуразович Магкоев
Сарра Абрамовна Бекузарова
Владислав Борисович Заалишвили
Ольга Германовна Бурдзиева
Георгий Эмзарович Туаев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН)
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН)
Priority to RU2020118795A priority Critical patent/RU2739564C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2739564C1 publication Critical patent/RU2739564C1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/02—Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/04—Alumina
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/16—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/24—Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/26—Chromium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/48—Silver or gold
    • B01J23/52—Gold
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215—Coating
    • B01J37/0225—Coating of metal substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/03—Precipitation; Co-precipitation
    • B01J37/031—Precipitation
    • B01J37/035—Precipitation on carriers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/12—Oxidising
    • B01J37/14—Oxidising with gases containing free oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B1/008—Nanostructures not provided for in groups B82B1/001 - B82B1/007
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способу получения катализаторов с наноразмерными частицами металлов и может найти применение при образовании диоксида углерода для получения ряда продуктов в химической и пищевой промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что наноразмерные частицы золота наносятся на поверхность тонкой туннельно-прозрачной пленки оксида алюминия, сформированной на металлическом молибдене, при поддержании температуры на уровне 300°С, где металлический алюминий наносится на поверхность молибдена термическим испарением при плотности потока в пределах 2×1014 атомов в минуту на см2 в атмосфере кислорода в течение 7 минут и после прекращения напыления металла полученная система выдерживается в атмосфере кислорода в течение 4 минут с последующим удалением газовой среды кислорода из вакуумной камеры, на поверхность полученной пленки оксида алюминия, поддерживаемой при температуре 100°С термическим испарением наносится металлическое золото при скорости потока атомов 5×1013 мин-1 см-2 в течение 5 минут. За счет элементов способа техническое решение позволяет повысить активность катализатора при сохранении высокой стабильности. 3 пр.

Description

Изобретение относится к способу получения катализаторов с наноразмерными частицами металлов и может найти применение при образовании диоксида углерода для получения ряда продуктов в химической и пищевой промышленности.
Известен гетерогенный катализатор, содержащий оксидное покрытие, помещенное на тонкие металлические пластины, образующие слоистую структуру (патент WO 0016740, МПК A61K 7/50, опубл. 23.08.2001).
Однако толщина оксидного покрытия довольно большая, что препятствует туннелированию электронов сквозь нее и, следовательно, снижению активности катализатора.
Известен также способ, основанный на выращивании промежуточного оксидного слоя из материала самой металлической подложки при анодно-искровом окислении (патент RU 2103057 МПК B01J 21/02, опубл. 27.01.1998).
Данное техническое решение недостаточно эффективно, поскольку полученный оксидный слой является пористым, что отрицательно сказывается на получении чистой продукции. Кроме того, снижается активность и стабильность катализатора.
Наиболее близким техническим решением является способ, в котором содержится металлическая основа, состоящая из сплава хрома и алюминия и/или металлического хрома, а покрытие образованно оксидами хрома и алюминия или оксидами хрома, алюминия, редкоземельных элементов или их смесями (патент RU 2281164, опубл. 10.08.2006, Бюл. №22).
Недостаток ближайшего аналога заключается в том, что оксидное покрытие не является сплошным, при этом имея значительную толщину, что подавляет туннелирование электронов сквозь нее, тем самым снижая активность и стабильность соответствующего металлооксидного катализатора.
Технический результат - повышение активности катализатора при сохранении высокой стабильности за счет использования сплошной, устойчивой к высоким температурам пленки оксида алюминия.
Техническое решение заявленного объекта заключается в том, что наноразмерные частицы золота наносятся на поверхности тонкой туннельно-прозрачной пленки, сформированной на металлическом молибдене при поддержании температуры на уровне 300°С, где металлический алюминий наносится на поверхность молибдена термическим испарением при плотности потока атомов в пределах 2×1014 атомов в минуту на см2 в атмосфере кислорода в течение 7 минут и после прекращения металлического напыления, полученная система выдерживается в атмосфере кислорода в течении 4 минут, а после удаления газовой среды кислорода из вакуумной камеры на поверхность полученной пленки оксида алюминия, поддерживаемой при температуре 100°С термическим испарением, наносится металлическое золото при скорости потока атомов 5×1013 мин-1 см-2 в течение 5 минут.
Способ осуществляется следующим образом.
Поддержание таких параметров напыления алюминия в атмосфере кислорода необходимо для формирования сплошной стехиометрической пленки оксида алюминия толщиной порядка 1 нанометра, сквозь которую возможно эффективное туннелирование электронов. Такой режим нанесения золота на поверхность пленки оксида алюминия приводит к формированию наноразмерных частиц золота эффективным размером 2-3 нанометра.
Наноразмерные частицы золота, нанесенные на поверхность, сформированной на металлическом молибдене пленки оксида алюминия, приобретают дополнительный электронный заряд за счет туннелирования электронов сквозь тонкую пленку оксида алюминия. Именно величина этого электронного заряда является ключевым фактором, определяющим каталитическую активность наноразмерных частиц золота в процессе окисления моноксида углерода, а устойчивость пленки оксида алюминия определяет стабильность катализатора.
Параметры способа обоснованы экспериментальными данными и объясняются следующими примерами.
Пример 1. На поверхности металлического молибдена в условиях сверхвысокого вакуума при давлении остаточных газов на уровне 10-9 мм рт.ст. выращивается пленка оксида алюминия толщиной порядка 1 нанометр. Для этого металлический алюминий наносится на поверхность молибдена термическим испарением при плотности потока атомов порядка 2×1014 атомов в минуту на сантиметр квадратный (2×1014 мин-1 см-2) в атмосфере кислорода при парциальном давлении на уровне 10-7 мм рт.ст. в течение 7 минут. Температура молибденовой подложки при этом поддерживается на уровне 300°С. После прекращения напыления металлического алюминия, полученная система выдерживается в атмосфере кислорода при указанной температуре и парциальном давлении кислорода в течение 4 минут. Это приводит к получению сплошной, стехиометрической и термически стабильной пленки оксида алюминия толщиной порядка 1 нанометра. Далее, после эвакуации газовой среды кислорода из вакуумной камеры до достижения остаточного давления порядка 10-9 мм рт.ст., на поверхность полученной пленки оксида алюминия, поддерживаемой при температуре 100°С, методом термического испарения наносится металлическое золото при скорости потока атомов 5×1013 мин-1 см-2 в течение 5 минут. Это приводит к формированию на поверхности пленки оксида алюминия кластеров золота эффективным размером 2,5-3,0 нанометров. Такая структура металлооксидного катализатора обеспечивает эффективное туннелирование электронов между молибденовой подложкой и наноразмерными кластерами золота, меняя зарядовое состояние последних, что заметно повышает каталитическую активность.
Пример 2. На поверхности металлического молибдена как поликристаллического, так и монокристаллического, в условиях сверхвысокого вакуума выращивается пленка оксида алюминия толщиной порядка 1 нанометр. Для этого металлический алюминий наносится на поверхность молибдена термическим испарением при плотности потока атомов порядка 2×1014 атомов в минуту на сантиметр квадратный (2×1014 мин-1 см-2) в атмосфере кислорода при парциальном давлении на уровне 10-7 мм рт.ст в течение 7 минут. Температура молибденовой подложки при этом поддерживается на уровне 300°С. После прекращения напыления металлического алюминия, полученная система выдерживается в атмосфере кислорода при указанной температуре и парциальном давлении кислорода в течение 4 минут. Это приводит к получению сплошной, стехиометрической и термически стабильной пленки оксида алюминия толщиной порядка 1 нанометра. Далее, после эвакуации газовой среды кислорода из вакуумной камеры до достижения остаточного давления порядка 10-9 мм рт.ст., на поверхность полученной пленки оксида алюминия, поддерживаемой при температуре 100°С, методом термического испарения наносится металлическое золото при скорости потока атомов 5×1013 мин-1 см-2 в течение 5 минут. Это приводит к формированию на поверхности пленки оксида алюминия кластеров золота эффективным размером 2,5-3,0 нанометров.
Пример 3. На поверхности металлического молибдена в условиях сверхвысокого вакуума при давлении остаточных газов на уровне 10-9 мм рт.ст. выращивается пленка оксида алюминия толщиной порядка 1 нанометр. Для этого металлический алюминий наносится на поверхность молибдена термическим испарением. Температура молибденовой подложки при этом поддерживается на уровне 300°С. После прекращения напыления металлического алюминия, полученная система выдерживается в атмосфере кислорода при указанной температуре и парциальном давлении кислорода в течение 4 минут. Это приводит к получению сплошной, стехиометрической и термически стабильной пленки оксида алюминия толщиной порядка 1 нанометра. Далее, после эвакуации газовой среды кислорода из вакуумной камеры на поверхность полученной пленки оксида алюминия, поддерживаемой при температуре 100°С, методом термического испарения наносится металлическое золото при скорости потока атомов 5×1013 мин-1 см-2 в течение 5 минут. Это приводит к формированию на поверхности пленки оксида алюминия кластеров золота эффективным размером 2,5-3,0 нанометров. Такая структура металлооксидного катализатора обеспечивает эффективное туннелирование электронов между молибденовой подложкой и наноразмерными кластерами золота, меняя зарядовое состояние последних, что заметно повышает каталитическую активность.
За счет элементов способа техническое решение позволяет повысить активность катализатора при сохранении высокой стабильности.
Работа выполнена в рамках проекта №2019-220-07-8022 (Мегагрант) Минобрнауки РФ.

Claims (1)

  1. Способ изготовления гетерогенных катализаторов окисления моноксида углерода, включающий металлическую основу с использованием наночастиц элементов при повышенных температурах, отличающийся тем, что наноразмерные частицы золота наносятся на поверхность тонкой туннельно-прозрачной пленки, сформированной на металлическом молибдене при поддержании температуры на уровне 300°С, где металлический алюминий наносится на поверхность молибдена термическим испарением при плотности потока в пределах 2×1014 атомов в минуту на 1 см2 в атмосфере кислорода в течение 7 минут, а после прекращения металлического напыления полученная система выдерживается в атмосфере кислорода в течение 4 минут с последующим удалением газовой среды кислорода из вакуумной камеры, на поверхность полученной пленки оксида алюминия, поддерживаемой при температуре 100°С, термическим испарением наносится металлическое золото при скорости потока атомов 5×1013 мин-1 см-2 в течение 5 минут.
RU2020118795A 2020-06-01 2020-06-01 Способ изготовления гетерогенных катализаторов низкотемпературного окисления моноксида углерода RU2739564C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118795A RU2739564C1 (ru) 2020-06-01 2020-06-01 Способ изготовления гетерогенных катализаторов низкотемпературного окисления моноксида углерода

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118795A RU2739564C1 (ru) 2020-06-01 2020-06-01 Способ изготовления гетерогенных катализаторов низкотемпературного окисления моноксида углерода

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2739564C1 true RU2739564C1 (ru) 2020-12-25

Family

ID=74062887

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020118795A RU2739564C1 (ru) 2020-06-01 2020-06-01 Способ изготовления гетерогенных катализаторов низкотемпературного окисления моноксида углерода

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2739564C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2359754C2 (ru) * 2003-09-26 2009-06-27 Зм Инновейтив Пропертиз Компани Наномерные золотые катализаторы, активаторы, твердые носители и соответствующие методики, применяемые для изготовления таких каталитических систем, особенно при осаждении золота на твердый носитель с использованием конденсации из паровой фазы
RU2373303C1 (ru) * 2008-07-21 2009-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" Способ получения наночастиц металла на поверхности подложки
JP2010247108A (ja) * 2009-04-17 2010-11-04 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology 金属酸化物上の均一にサイズ制御された金ナノクラスター及びその製造方法並びにそれを用いた触媒
US8900420B2 (en) * 2007-08-20 2014-12-02 3M Innovative Properties Company Catalyst production process
US9849445B2 (en) * 2015-09-28 2017-12-26 Uchicago Argonne, Llc Subnanometer to nanometer transition metal CO oxidation catalysts

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2359754C2 (ru) * 2003-09-26 2009-06-27 Зм Инновейтив Пропертиз Компани Наномерные золотые катализаторы, активаторы, твердые носители и соответствующие методики, применяемые для изготовления таких каталитических систем, особенно при осаждении золота на твердый носитель с использованием конденсации из паровой фазы
US8900420B2 (en) * 2007-08-20 2014-12-02 3M Innovative Properties Company Catalyst production process
RU2373303C1 (ru) * 2008-07-21 2009-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" Способ получения наночастиц металла на поверхности подложки
JP2010247108A (ja) * 2009-04-17 2010-11-04 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology 金属酸化物上の均一にサイズ制御された金ナノクラスター及びその製造方法並びにそれを用いた触媒
US9849445B2 (en) * 2015-09-28 2017-12-26 Uchicago Argonne, Llc Subnanometer to nanometer transition metal CO oxidation catalysts

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Semaltianos N.G. "Thermally evaporated aluminium thin films", Applied Surface Science, volume 183, issues 3-4, 2001, p.223-229. Ануфриенко В.Ф. и др. "Обнаружение оксидных кластерных структур золота в катализаторах Au/Al2O3 для низкотемпературного окисления СО", Доклады Академии наук, 2007, том 413, номер 4, с.493-498. *
Громов Д.Г. и др. "Исследование начальных стадий конденсации Ag и Au на поверхности аморфного углерода при термическом испарении в вакууме", Физика твердого тела, 2015, том 57, вып.1, с.163-169. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8753602B2 (en) Composite catalyst and method for manufacturing carbon nanostructured materials
US6027796A (en) Mesoporous ceramic film with one dimensional through channels and process for its production
JPWO2015064772A1 (ja) カーボンナノチューブ
EP3015425A1 (en) Method for producing carbon nanotubes
WO2019049983A1 (ja) 二酸化炭素の水素還元用触媒とその製造方法、二酸化炭素の水素還元方法および二酸化炭素の水素還元装置
RU2739564C1 (ru) Способ изготовления гетерогенных катализаторов низкотемпературного окисления моноксида углерода
JPH0511491B2 (ru)
Jaipan et al. Influence of gold catalyst on the growth of titanium nitride nanowires
TWI477437B (zh) 由閥金屬及閥金屬次氧化物所組成之奈米結構及製造彼等之方法
JP2006335591A (ja) 炭素材料の処理方法
Liu et al. Synthesis of iron sulfide and iron oxide nanocrystal thin films for green energy applications
JP2008195550A (ja) タングステン酸化物ファイバーおよびその製造方法
RU2753399C1 (ru) Способ создания квантовых точек для элементной базы радиотехники
JP2007105652A (ja) 触媒体およびその製造方法
Kotenev et al. Vacuum oxidation of freshly deposited iron nanofilms
Kajikawa et al. Incubation time during chemical vapor deposition of Si onto SiO2 from silane
JP5154801B2 (ja) 支持体上への材料層の製造方法
Fukushima et al. Effects on CO oxidation activity of nano-scale Au islands and TiO2 support prepared by the ionized cluster beam method
Amit et al. The role of pressure to quantify the defects and its effect on the morphology of graphene layers
Pashchanka et al. Controlled synthesis and characterisation of MgO nanoparticles, thin films and polycrystalline nanorods derived from a Mg (ii) single source precursor
JP2005087864A (ja) 電極触媒の製造方法
JP2003292312A (ja) カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ膜、カーボンナノチューブ膜含有炭化珪素基板及びカーボンナノチューブ膜体並びにそれらの製造方法
RU2021137922A (ru) Способ повышения активности гетерогенного катализатора окисления моноксида углерода.
Popović et al. Low temperature diffusion effects on microstructural changes in thick gold films on silicon
JP2004323303A (ja) 自己再生型カーボンナノチューブ・グラファイト混合膜の形成方法