CN101356004A - 高度分散的金属催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备用于氧化在反应物气体或空气中的CO的新型催化剂的新方法。所述方法提供具有沉积在固体载体上的纳米尺寸的金属粒子和包覆剂的催化剂的制备。通过调节所用的反应条件和包覆剂，可以容易地控制所述金属粒子的大小和分布。制备的催化剂具有在低温朝CO的选择性氧化的高活性，并且在长时间内是稳定的。所述催化剂可以用于空气过滤器装置、氢气纯化方法、汽车排放控制装置(NOx的分解，x为整数1或2)、F－T合成、燃料电池电极的制备、光催化和传感器。

Description

高度分散的金属催化剂
相关申请的交叉引用
[001]本申请要求2005年11月14日提交的美国临时专利申请60/736,259的优先权，由于各种目的，将该临时专利申请的全部内容结合在此。
发明背景
[0002]纳米技术已经对材料、微电子、计算、制药、医学、环境、能源和化学工业产生了巨大的影响。纳米催化剂是已经找到越来越多的商业应用的纳米技术的一个重要部分。适合的领域包括控制污染和排放的技术，如消除汽车污染，催化除去室内环境中的挥发性有机化合物(VOC)，以及低温空气纯化。应用包括例如使用面具过滤器以在室温燃烧CO，化学处理许多大而特殊的化学品，检测溶液中的有毒或易燃性气体或物质的传感器，以及新兴的清洁氢产物的氢经济和燃料电池***(参见，Corti，C.W.等。Applied Catalysis A：General，2005，291，253)。
[0003]燃料电池提供高度有效的能量转换以及可忽略的污染物排放，从而具有大的潜力并且预期10年以内在全世界被广泛使用。然而，当前的燃料电池技术要求在燃料电池中，特别是在聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)中使用的氢气(H2)具有高纯度，以避免铂(Pt)电极中毒。这种要求意味着H2气中的CO浓度应当小于50ppm乃至10ppm。为了达到这个目标，用于燃料电池的H2必须被预先纯化以除去痕量CO，并且优选该过程是通过催化过程进行的。
[0004]已知贵金属纳米粒子，包括Au-基纳米粒子是催化活性的，并且可潜在地有利于燃料电池应用的H2的纯化。特别是，Au-基催化剂在低温选择性氧化CO具有良好活性。另外，Au具有比其它贵金属，如铂和钯(Pd)相对低的成本的优点。尽管在氧化一氧化碳方面有活性，但是Au-基催化剂由于其短寿命和催化剂的催化效率而不能商业化。催化剂的寿命的影响因素包括在金粒子和载体之间的不充分的相互作用。近来的研究表明金属粒子的催化活性取决于所述金属粒子的大小，所用的载体和制备方法(参见，Haruta，M.Catalysis Today，1997，36，153；Valden，M.等Science，1998，281，1647；Grunwaldt，J.D.等，J.of Catalysis，1999，181，223；)。通常，在固体载体上的大小/分布得到良好控制的金属纳米粒子表现出更高的活性。纳米粒子的稳定性仍然是深入研究感兴趣的领域。用于制备具有高活性、良好的稳定性和容易在各种固体载体上制备的纳米粒子催化剂的方法是非常需要的。
[0005]用于催化剂制备的传统方法包括浸渍、初期润湿、共沉淀(CP)(参见，Yuan，Y.等，J.Catal.1997，170，191；Gardner S.D.等，Langmuir，1991，36，153；Haruta，M.Catal.Today，1997，36，153)和沉积-沉淀(参见，Haruta，M.等.J.Catal.1993，144，175；Genus，J.W.，在催化剂III的制备中(Poncelet，G.等.编辑)，Elsevier，Amsterdam，1983，1页；Zanella，R.等.J.Phys.Chem.B2002，106，7634)。浸渍和初期润湿技术对具有限Au负载量(loading)的Au粒子大小的控制差。氯化物阴离子完全除去，即催化剂的抑制剂的完全除去，也证明是困难的(参见，Ponec，V.等，通过金属和合金的催化，Amsterdam 1996；Galvagno，S.等，J.Catal，1978，55，178；Cant，N.W.，等，J.Phys.Chem.1971，75，178；Schwank，J.等.J.Catal，1980，61，19；Blick，K.等Catal Lett，1998，50，211；Sermon，P.A.等，J.Chem.Soc.Faraday Trans.I，1979，40，175)。使用HAuCl4作为前体的共沉淀(CP)和沉积-沉淀技术可以制备具有高的Au负载量的高度活性的催化剂，特别是在使用尿素作为沉淀剂(～8重量％)时。然而，该方法具有消耗大量水的局限性，并且反应在高温(≥80℃)加热的情况下进行1至数小时。因为通常通过在高温大量加热制备粒子，所以固体载体材料在高温处理下受到限制。还需要提高催化剂对煅烧的稳定性。包括阳离子吸附或使用有机金配合物的其它方法比上述方法更昂贵。溅射和激光烧蚀方法可以提供对Au粒子大小的良好控制，但是设备可能是非常昂贵的，并且生产的放大是困难的(参见，Fan，L.等，In Studies In Surface Science andCatalysis 132(Iwasawa，Y.等编辑)769页)。
[0006]由于上述原因，需要开发一种制备大小/分布得到良好控制的用于CO氧化的高度活性和稳定的金属纳米粒子催化剂的方法。该方法应当是简单的，并且对于在各种固体载体上沉积金属纳米粒子是通用的。本发明满足了这些和其它需要。
发明概述
[0007]本发明提供一种高效率并且稳定的催化体系、制备这种体系的方法以及该催化体系的应用，所述催化体系能够在低温除去存在于气体如空气或含氢气体中存在的痕量一氧化碳(CO)。
[0008]根据本发明，提供用于转化CO的催化体系，该催化体系包含布置在固体载体上的多个金属粒子和包覆剂。所述金属粒子的大小具有约2nm至5nm的分布。在一个方面中，所述金属粒子为金(Au)纳米粒子，并且固体载体为金属氧化物，如Al2O3、CuO、TiO2、Fe2O3、CeO2、沸石等。所述包覆剂优选为氨基酸。
[0009]在另一个方面中，本发明提供制备高度分散的金属纳米粒子催化剂的方法。该方法通常包括使金属前体与还原剂和包覆剂接触以生成反应混合物；将所述反应混合物进行声波处理(sonicating)以提供多种金属粒子；以及将所述金属粒子沉积到固体载体上以制备高度分散的催化剂。
[0010]在另一个方面中，本发明提供制备的催化剂在选择性除去CO中的应用。在一个方面中，使用该催化剂除去在空气中和在反应物气体中的CO。在另一个方面中，所述催化剂在呼吸装置，如面具过滤器中使用。
[0011]在阅读附图和下面的具体描述时，这些和其它目的、特征和实施方案将变得更加明显。
附图简述
[0012]图1示意性显示了在制备纳米粒子催化剂中的本发明方法。
[0013]图2显示了Au胶体粒子和负载的Au催化剂(Au/TiO2)的透射电子显微镜(TEM)图像。Au粒子被良好地控制在3-5nm的范围内。(A)在溶液中的Au胶体和(B)在TiO2上负载的Au粒子。
[0014]图3显示了1％Au/Fe2O3催化剂的TEM图像。黑点为Au粒子。
[0015]图4显示了所制备的催化剂(A)Au/SiO2、(B)Au/CeO2、(C)Au/Al2O3和(D)PtTiO2的TEM图像。黑点为Au或Pt粒子。
[0016]图5显示了在1.2％Au/TiO2催化剂上的空气中的1％CO在各种流量下的催化氧化(A)以及催化剂寿命试验结果(B)。
[0017]图6显示了空气中的1％CO在1％Au/Fe2O3催化剂上于室温(23℃)下的催化氧化。(A)催化剂寿命试验结果，以及(B)在各种温度和流量下。
[0018]图7显示了使用含有70％H2、1％O2、1％CO和28％Ar的反应物气体，在1％Au/Fe2O3催化剂上的CO的选择性氧化；(A)CO转化率对流量，以及(B)催化剂寿命试验。
[0019]图8显示了使用含有70％H2、1％O2、1％CO和28％Ar的反应物气体，在5％Au/Fe2O3催化剂有或没有煅烧的情况下，在该催化剂上选择性氧化CO的比较；(A)催化剂没有煅烧，(B)催化剂在400℃并且接着在500℃被煅烧。根据由Londo P等报道的沉积-沉淀方法(Chem.Commun.，2005，3385)制备所述催化剂。
[0020]图9显示了在H2和CO2的存在下，在通过本发明的方法制备的5％Au/Fe2O3上，CO在50℃的选择性氧化。通过本发明的方法制备所述催化剂。反应物气体含有77％H2、2％O2、1％CO和20％CO2。Fe2O3从Aldrich获得。
[0021]图10显示了在图9中使用的5％Au/Fe2O3催化剂的TEM图像。黑点为Au粒子。
发明详述
[0022]本发明提供一种用于制备金属纳米粒子催化剂的新方法，所述金属纳米粒子催化剂具有良好可控的粒度/分布、良好的稳定性以及高的催化活性和对反应的选择性，所述反应包括但不限于CO氧化、水气转移反应、NOx(其中x为1至2的整数)的分解、Fischer Tropsh(F-T)合成，以及许多其它反应。
[0023]如在此所用的术语″纳米粒子″指具有在约1nm至100nm之间的平均尺寸的粒子。纳米粒子具有介于单个原子和宏观块状固体之间的中等尺寸。
I.总则
[0024]本发明提供一种制备高度分散的贵金属催化剂的新方法，所述贵金属催化剂具有布置在金属氧化物载体上的金属纳米粒子和包覆剂，例如，包覆剂可以附着到表面或沉积在载体上。所述方法是简单并且通用的。在本发明的一个方面中，所制备的催化剂对CO氧化表现出在低温的高活性，并且长时间地稳定。适合的应用包括各种呼吸装置、传感器和催化剂。
[0025]图1说明了本发明的一般概念。在某些实施方案中，将金属前体110与包覆剂115混合以形成溶液125。金属前体和包覆剂可以是在溶液中可溶、不溶或部分溶解。加入催化剂固体载体145，随后将还原剂135加入到溶液125中以形成反应混合物150。对反应混合物150使用声波处理160以生成纳米粒子170，所述纳米粒子170被沉积到固体载体180上以制备催化剂190。
[0026]在本发明中制备的催化剂具有高活性的优点，例如，在一个方面，所述催化剂具有在低温的快速反应速率以及在长期使用中具有良好稳定性。根据本发明的方法制备的催化剂还具有低含量的卤化物阴离子残留物，从而使催化剂的中毒最小化以及对煅烧具有高稳定性。
A.催化纳米粒子
[0027]在一个方面，本发明提供用于转化一氧化碳(CO)的催化剂。所述催化剂由许多纳米粒子、固体载体和包覆剂组成，所述纳米粒子的尺寸为约2nm至约5nm，优选3-5nm。所述金属粒子和所述包覆剂沉积在固体载体上。所述包覆剂可以沉积在纳米粒子的表面上并且可以沉积在固体载体上。
[0028]在一个优选实施方案中，所述金属粒子为贵金属粒子。在选择性实施方案中，可以在载体上提供非贵金属。在另一个实施方案中，可以将贵金属在粒子中与非贵金属优选以合金、复合材料或固溶体的形式组合。适合的金属粒子包括但不限于Au、Pt或Pd纳米粒子。
[0029]如在此所用的金属粒子可以是其中每个金属粒子都具有单相的金属粒子；或其中每个金属粒子都具有多相的金属粒子；金属粒子和金属粒子的混合物或聚集体。所述金属粒子包含多种金属原子和/或微晶。所述粒子可以基本上是纯的材料，两种以上元素金属的合金，或者多组分金属粒子。在一个实施方案中，所述粒子中的至少一些以例如具有两种以上的元素金属、两种以上的合金或者元素金属与合金的复合材料或混合物的形式提供。所有粒子可以具有相同的组成，或者它们可以是具有不同组成的粒子的混合物。另外，一些粒子可以基本上是纯的元素金属，而其它粒子可以是两种以上元素金属的合金。
[0030]在另一个方面中，所述金属粒子由第8至第12族过渡金属形成。优选地，金属为Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Fe、Cd、Hg或所述金属的组合。更优选地，在本发明中使用的金属为贵金属，包括铼、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金或所述金属的组合。所述金属粒子通常具有约1nm至10nm的尺寸，优选所述金属粒子的尺寸在3nm至5nm之间。本领域技术人员应当理解在本发明中还可以制备并且使用其它尺寸的粒子。
[0031]在某些实施方案中，所述金属粒子可以是纳米粒子如胶体纳米粒子的无规聚集体。在其它实施方案中，纳米粒子可以被交联，产生纳米粒子的粒状聚集体，如二聚体、三聚体、四聚体或其它聚集体。在某些备选实施方案中，本发明提供不同尺寸的聚集体的非均相混合物的应用，而其它实施方案可以使用纳米粒子聚集体的均相群体。在某些方面中，可以通过已知的技术，如在蔗糖梯度溶液中的超速离心富集或者纯化含有选择数量的纳米粒子的聚集体(二聚体、三聚体等)。
[0032]使纳米粒子交联的方法在本领域中是已知的(参见，Feldheim，″使用分子桥组装金属纳米粒子阵列″，The Electrochemical Society Interface，2001年秋季，22-25页)，并且这些方法可以在本申请的各种方法中使用。金纳米粒子与含有端基硫醇或巯基的连接剂化合物的反应也是已知的(Feldheim，2001)。在一些实施方案中，单一连接剂化合物可以在两端衍生有硫醇基团。一旦与金纳米粒子反应，连接剂形成被连接剂的长度隔开的纳米粒子二聚体。在其它实施方案中，可以使用具有三个、四个或更多个硫醇基团的连接剂，以同时连接到多个纳米粒子上(Feidheim，2001)。将过量纳米粒子使用到连接剂化合物上，以防止形成多次交联和纳米粒子沉淀。
[0033]本发明的金属粒子不限于任何具体形状。适合的形状包括规则形状，不规则形状或两者。在一些实施方案中，所述金属粒子可以采用各种形状，包括球形、立方形、圆柱形、椭圆形、菱形、对称多边形、不对称多边形，以及其它规则或不规则三维形状。所述金属粒子还可以是不同形状的粒子的混合物。在一个优选实施方案中，所述金属粒子具有球形的形状。
[0034]所述金属粒子可以以任何合理的方式附着到载体上，例如附着到载体的表面上，或者备选地，部分包埋于载体中或同时附着到载体的表面上和部分包埋于载体中。在一个实施方案中，粒子被包埋在载体中，而在另一个实施方案中，粒子被包埋在表面之下。
B.载体
[0035]在某些方面中，本发明提供用于所述金属粒子的载体。通常，可以使用能够负载并且为粒子提供适合分散的任何载体。优选地，载体在使用所述催化剂的局部环境中是稳定的。载体具有足以提供所述金属粒子的分散的表面积和/或孔隙率。然而，孔隙率增加的载体提供在反应物和催化材料之间的更紧密接触。在某些方面中，在本发明中使用分相载体。在一些实施方案中，分相载体为固体载体。在本发明中使用的固体载体可以是二氧化硅凝胶、衍生化的塑料膜、玻璃珠、棉花、塑料珠、氧化铝凝胶、聚合物树脂、沸石、碳、无机氧化物、无机氢氧化物、混合的无机氢氧化物或混合的无机氧化物。
[0036]在一些实施方案中，载体包含一种或多种无机氧化物或无机氢氧化物。无机氧化物优选包括金属氧化物。无机氢氧化物优选包括金属氢氧化物。金属氧化物或金属氢氧化物具有选自第2至第14族金属中的一种或多种元素，优选选自铝、硅、钪、铟、锡、铬、镍、钴、锰、钛、锆、铁、锌、铜和稀土元素。在一个实施方案中，无机氧化物或无机氢氧化物包含两种以上的金属元素，而所述金属元素选自铝、硅、钪、铟、锡、铬、镍、钴、锰、钛、锆、铁、锌、铜和稀土元素。备选地，载体为多组分亚稳态氧化物，其可以包括中间级组分例如微晶的或纳米晶体，和/或可以包括多晶材料的组分。据认为将改性剂元素添加到金属中以形成合金，增加了所述金属粒子的表面粗糙度。因为表面粗糙度是总表面积除以几何形状的表面积，所以增加的粗糙度提供了在所述金属粒子的总表面积的增加。增加的表面积提供了活性部位的数量的增加。将改性剂元素加入到金属金中还可以降低中毒效应。
[0037]在金属氧化物载体的一个实施方案中，载体包括钛的氧化物。在其它方面中，载体包括铁的氧化物、铈的氧化物或锆的氧化物。在另一个实施方案中，载体包括选自La、Y、Ce、Pr或Nd的氧化物中的至少一种氧化物。在一个优选方面中，载体包括二氧化硅或氧化铝。
[0038]在本发明的其它实施方案中，催化剂为沉积在金属氧化物上的金纳米粒子。在本发明的催化剂中使用的金属氧化物的实例包括但不限于CeO2、ZnO、La2O3、M2O5、MgO、CaO、BaO、SrO、Yb2O3、稀土氧化物、TiO2、ZrO2、HfO2、V2O5、CrO3、MoO3、WO3、MnO2、Fe2O3、CoO、NiO、CuO、ZnO、CdO、B2O3、Al2O3、Ga2O3、Eu2O3、Tl2O、SiO2、SnO2、Sb2O3、Bi2O3、沸石等。
[0039]在一种优选的氧化物载体中，载体包括铝、钛、铁、硅或铈以及至少一种其它元素的氧化物。优选的元素包括铝、硅、钪、铟、锡、铬、镍、钴、锰、钛、锆、铁、锌、铜和稀土元素。
[0040]在另一个实施方案中，本发明的载体可以是聚合物载体。聚合物载体可以是交联的聚合物树脂珠或非交联的聚合物。树脂珠可以是烃聚合物、具有被连接到聚合物上的官能团的改性烃聚合物，或者官能化的聚合物。优选的载体还可以具有用于与金属粒子和包覆剂相互作用的活性官能团。这些官能团包括但不限于羟基、羧基、氨基、硫醇、醛、卤素、硝基、氰基、酰氨基、脲、碳酸酯基、氨基甲酸酯基、异氰酸酯基、砜基、磺酸酯基、氨磺酰基、亚砜基等。聚合物树脂的实例包括但不限于聚苯乙烯、聚酰胺、接枝有聚乙二醇的聚苯乙烯树脂、聚二甲基-丙烯酰胺树脂等。
[0041]在又一个实施方案中，本发明的载体可以是沸石。沸石可以是具有各种Si/Al比率的分子筛。沸石的实例包括但不限于分子筛3A、4A、5A、13X、SAPO-11、SAB-15、MCM-41等。
[0042]在另一个实施方案中，本发明的载体可以是碳材料。适合的碳材料包括但不限于无定形碳或结晶碳、碳纳米管、商品活性炭等。
C.包覆剂
[0043]在某些方面中，本发明的催化剂包含与纳米粒子接触的包覆剂。在其它方面中，将包覆剂沉积在固体载体上。包覆剂包括具有通式(R)n-X的化合物，其中X为能够结合到纳米粒子的表面上的原子或官能团，并且R为分子结构部分(motiff)。术语″结合″指将包覆剂与纳米粒子缔合的相互作用。这种相互作用可以包括离子的、共价的、偶极的、配位的(dative)、四极的或者范德华相互作用。每一个R基团独立地选自氢、具有1至20个碳原子的芳基或者具有1至20个碳原子的烷基。备选地，R基团可以是聚合物结构(例如共聚物、树枝状高分子等)的一部分。聚合物的实例包括但不限于聚氨基酸、多肽、聚烯烃(例如、聚乙烯、聚丙烯)、聚酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、它们的共聚物及支化结构，其中聚合物的重复单元任选取代有选自下列官能团中的1-3个官能团：羟基、氨基、烷基氨基、二烷基氨基、硫醇、烷基硫醇、卤素、酰氨基、氨基甲酰基、烷氧基、-CN、羧基、烷基羧基、芳基羧基、磺酰基、磺酰氨基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、烷基和芳基，其中烷基和芳基进一步任选取代有选自下列官能团中的1-3个官能团：羟基、氨基、烷基氨基、二烷基氨基、硫醇、卤素、酰氨基、氨基甲酰基、烷氧基、-CN、羧基、烷基羧基和芳基羧基。通常，所述聚合物具有大于1,000的分子量。烷基可以具有连接到烷基上或在烷基链中的官能团。芳基可以具有官能团取代基或在芳族环体系中的官能团。所述官能团包括但不限于氮原子、氧原子、硫原子、磷原子、羧酸酯基、磺酸酯基、酰胺基、烯基、氨基、胺基、醇基、羟基、硫醚、磷酸酯基、炔基、醚基、硝基、巯基、膦基、卤化物基、甲硅烷基、氨基甲酰基、氰基或季铵基。X可以是包括但不限于下列的原子：氮、碳、氧、硫和磷。备选地，X可以是官能团，例如离去基团，其包括但不限于羧酸酯基、磺酸酯基、酰胺基、烯基、胺基、醇基、羟基、硫醚基、磷酸酯基、炔基、醚基或季铵基。包覆剂的实例包括但不限于醇、烯、炔、硫醇、醚、硫醚、膦、胺、酰胺、羧酸酯、磺酸酯、羧酸、氨基酸、氨基酸的羧酸酯(盐)、环糊精(α，β或γ)、季铵化合物及它们的聚合物物种。
[0044]在一些实施方案中，包覆剂可以是醇。可以使用的醇包括具有1至20个碳原子的正醇。这种正醇的实例是1-辛醇。在其它实施方案中，包覆剂可以是烯。可以使用的烯包括具有1至20个碳原子的α-烯烃，或具有不饱和链的烯烃。这样的烯的实例是1-辛烯。在另一个实施方案中，包覆剂可以是硫醇。适合的硫醇包括具有1至20个碳原子的硫醇。这样的硫醇的实例为1-硫代辛醇。在又一个实施方案中，包覆剂可以是氨基酸或氨基酸盐。所用的氨基酸包括天然产生的氨基酸或非天然产生的氨基酸。氨基酸可以是天然产生的α-氨基酸、β-氨基酸或在其它位置具有氨基取代基的氨基酸。所用的氨基酸可以包括具有2至30个碳原子的氨基酸。这样的氨基酸的实例为α-氨基酸，例如赖氨酸。有利于作为包覆剂的其它氨基酸包括脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸、组氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、天冬酰氨、精氨酸、谷氨酰胺等。
II.方法
[0045]本发明还提供用于制备高度分散的催化剂的方法。该方法包括使金属前体与还原剂在包覆剂的存在下反应；对反应混合物使用声波处理以生成金属粒子；以及将所述金属粒子沉积到固体载体上。可以将所产生的催化剂进一步分离和纯化。
[0046]可以使用在此所述的方法制备纳米粒子。对于制备催化剂，无需以任何顺序添加反应物。在一个实施方案中，在还原期间将声波/或超声波施加到反应混合物上。备选地，还可以在反应过程的任何其它必需阶段使用声波/或超声波。金属前体、包覆剂和还原剂可以是在反应介质中可溶解、不溶解或部分溶解。在一个实施方案中，将金属前体和包覆剂溶解于溶剂中以形成溶液。将还原剂加入到该溶液中，并且对所得到的反应混合物施加声波。在另一个实施方案中，金属前体可溶解或部分溶解于溶剂中，包覆剂是部分溶解的，并且还原剂部分溶解于溶剂中。反应可以在约-63℃至约85℃的温度下进行。优选地，反应在约20℃至30℃的环境温度下进行。
[0047]催化剂可以通过过滤(例如，使用纳米多孔膜)、离心、超速离心、沉淀或渗析进行分离。该步骤除去几乎全部的残留分子，如盐离子、污染物、过量官能化试剂和大部分溶剂。任选地，可以增加几个洗涤步骤。同时，通过将由于杂质而可能存在的更小尺寸的粒子和/或更大聚集体移除，以纯化纳米粒子。在一些情况下，可能必须将粒料或沉淀物重新溶解在适合的溶剂中，在必要时，可能需要通过超声波活化进行负载。催化剂可以任选通过用溶剂洗涤而被纯化。在一个实施方案中，可以通过将新形成的催化剂浸渍在连续移动的水流中实现洗涤，从而滤出可能降低催化剂的活性的盐和其它杂质，留下基本上纯的催化剂。洗涤水的pH、温度和持续时间可以影响催化剂的物理性能，例如表面积和孔体积。
[0048]在本发明中使用的溶剂可以是极性溶剂或极性较小的溶剂或溶剂的混合物。在一个实施方案中，所用的极性溶剂包括但不限于水、醇例如甲醇和乙醇、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)、二氯甲烷、四氢呋喃(THF)、醚、二噁烷、氯仿及它们的组合。所用的极性较小的溶剂包括但不限于甲苯、苯、石油醚、戊烷、己烷和环烷烃。所用的溶剂还可以是不同溶剂的混合物或组合。例如，可以在本发明中使用溶剂的混合物，例如醇/二氯甲烷、甲苯/二氯甲烷、己烷/二氯甲烷、THF/二氯甲烷、THF/醇、THF/甲苯、THF/己烷等的混合物。本领域技术人员知道有适合用于本发明的其它溶剂体系。
[0049]纳米粒子的尺寸可以通过反应条件、所用的包覆剂和声波的持续时间来控制。用于控制粒度的反应条件可以包括例如温度、压力、金属前体浓度、包覆剂浓度、溶剂、前体组成和包覆剂组成。在一个实施方案中，在一定的反应温度下，纳米粒子的大小可以通过改变所用包覆剂的种类和量来控制。备选地，纳米粒子的大小和分布可以通过改变所用的条件和试剂的组合来控制。在一个实施方案中，包覆剂与金属前体的比率是约1∶1。据认为所述包覆剂可以通过抑制纳米粒子的生长而帮助控制所形成纳米粒子的尺寸。当暴露于水、氧和其它化学污染物时，包覆剂还可以在防止纳米粒子的反应性降解。
[0050]在某些方面中，包覆剂在纳米粒子的形成中可以与金属前体或金属粒子相互作用，以帮助控制粒子的生长。所述包覆剂可以共价键合到粒子表面上，或者通过弱的相互作用例如氢键键合或范德华相互作用粘住。所述包覆剂可以物理吸附到粒子表面上。在一个实施方案中，粒子表面的包覆可以通过有机配体和无机小分子的组合而发生。在一些情况下，所述包覆剂的官能团例如氮、氧或硫可以键合到表面上。另外，包覆剂可以帮助溶剂化金属前体。备选地，可以将两种以上的包覆剂加入到反应混合物中。在一个实施方案中，可以将金属前体的混合物加入到反应器中用于粒子形成。
[0051]在另一个实施方案中，可以通过在包覆剂的存在下加热金属前体而形成纳米粒子。可以在反应容器中，在真空或者在大于1atm的压力下加热金属前体和包覆剂。加热金属前体导致金属前体的热降解，转而导致纳米粒子的形成。前体可以通过自由基机理降解，或者可以它可以通过热解而降解。在一个实施方案中，可以将自由基引发剂加入到反应中。在这样的情况下所用的优选金属前体为金属有机化合物。
[0052]金属前体优选为这样的金属化合物：具有与桥连原子(例如N、O、P或S)结合的一个或多个中心主族、过渡、镧系或锕系金属原子，所述桥连原子转与一个或多个原子或有机自由基结合。金属原子的实例包括但不限于B、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Cu、Zn、Cd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和Au。这样的化合物可以包括金属氧化物、金属醇盐、β-二酮酸盐、羧酸盐、草酸盐、柠檬酸盐、金属氢化物、硫醇盐、酰胺、硝酸盐、碳酸盐、氰酸盐、硫酸盐、氟化物、溴化物、氯化物、硫化物以及它们的水合物。金属前体还可以是有机金属化合物，其中中心金属原子结合到有机基团的一个或多个碳原子上。在一个实施方案中，金属原子包括铼、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金或不同金属的组合。
[0053]备选地，金属前体可以是具有式LnMmXq的化合物，其中L为H、NH2、Na或K；M为金属；X为包括卤素(halide)、碳酸根、硝酸根或硫酸根的配体；n、m和q选自1至8的整数，例如1，2，3，4，5，6，7和8。金属可以是第7族至第12第族(例如第7，8，9，10，11或12族)的元素或不同元素的组合。金属原子的实例包括但不限于B、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Cu、Zn、Cd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和Au。在一个实施方案中，金属原子包括铼、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金或不同金属的组合。
[0054]本发明的多组分金属粒子可以由混合的金属(异相金属(hetero-metallic)前体制备，或者备选地，由单一金属(均相金属(homo-metallic))前体的混合物制备。
[0055]多个单一金属前体的使用在设计前体流变学以及产物化学计量学方面具有灵活性的优点。另一方面，异相金属前体可以接近其单一金属前体具有不适宜的溶解度、挥发性或相容性的金属体系。
[0056]在本发明中使用的还原剂可以是金属氢化物、氢气、催化氢化体系或金属/酸还原体系。金属氢化物还原剂包括但不限于硼氢化物，例如NaBH4，KBH4，ZnBH4，NaBH3CN和Li-s-Bu3BH；铝和锡化合物，例如氢化铝锂和SnCl2/吡啶；硼烷配合物，例如B2H6和二甲基胺硼烷。催化氢化体系包括但不限于H2/阮内Ni；H2/Pt；H2/Pd-碳；H2/Lindlar；H2/Rh配合物和H2/Rh-碳。金属/酸还原体系包括但不限于Zn/HCl；Zn/HOAc和SnCl2/HCl。
[0057]分散体的量通常取决于用于形成分散体的方法。在分散时，除由分散体中的分散剂和其它化合物所施加的化学/物理力以外，还可以利用机械力分离初级粒子，所述初级粒子通过相邻粒子之间的范德华力和其它短程电磁力被保持在一起。特别是，施加到分散体上的机械力的强度和持续时间显著影响分散体的性能。可以在分散在溶剂中之前将机械力施加到粉末上。备选地，在将一种或多种粉末和一种或多种液体组合之前，可以以混合、搅拌、喷射流碰撞和/或声波/超声波的形式施加机械力，例如剪切应力。在本发明的一个实施方案中，可以通过搅拌棒混合或者搅拌棒混合与声波/超声波的组合而混合所述组分。在搅拌棒混合的情况下，将载体的悬浮液和溶液用搅拌棒混合，并且进行声波处理/超声波处理。
[0058]可以通过各种方法例如离子交换、浸渍或物理混合将纳米粒子结合到固体载体中。例如，可以将金属粒子溶解或悬浮在液体中，并且可以将高表面积载体与具有分散或悬浮的金属粒子的液体混合。可以将溶解或悬浮的金属粒子吸附到载体的表面上，或者吸附到载体中。通过除去液体也可以使得金属粒子沉积到在载体的表面上，比如，通过蒸发将金属粒子残留在载体上。通过在高于液体的沸点的温度下加热载体或者通过降低在载体周围的气氛的压力，可以将液体从载体中基本上除去。
[0059]在本发明的一个实施方案中，可以通过将固体载体与溶液，优选适合的金属粒子胶体的水溶液混合，而实现金属粒子到固体载体上的沉积。混合可以在大约环境温度下或在高温下通过例如回流进行。在结合金属粒子之后，可以将金属粒子溶液-固体载体混合物任选过滤和用水洗涤。
[0060]如在实施例1中例举的表1，本发明的方法提供几个相对于常规方法的优点。通过本发明的方法制备的催化剂具有在低温下的高活性以及具有充分限定的粒子大小以及分布。反应可以在低催化剂负载量的情况下进行。本发明的方法提供将金属粒子容易地沉积在各种固体载体上的简单而通用的方法。
[0061]本发明还提供所述催化剂在选择性除去一氧化碳(CO)中的应用。反应可以在各种条件下进行。反应可以在约-63℃至约150℃的温度范围内进行。优选地，反应在0℃至80℃之间进行。在一个实施方案中，可以使用约1重量％至约5重量％的催化剂负载量。备选地，可以考虑其它催化剂负载量。在本发明的一个实施方案中，使用5重量％的Au/Fe2O3以氧化反应物气体中的CO。可以使用约10ml/min至约80ml/min的气体流量。本领域技术人员应当理解，还可以使用其它反应条件以实现CO的有效率转化。使用本发明的催化剂，在某些情况下，将空气中的CO浓度降低至小于100ppm。在某些其它情况下，将空气中的CO浓度降低至小于50ppm。在其它情况下，将空气中的CO浓度降低至小于10ppm。在其它情况下，将空气中的CO浓度降低至小于5ppm。
[0062]图5说明了使用1-1.2％Au/TiO2催化剂在各种流量下催化氧化空气中的CO。CO的定量转化率是在15ml/min至约70ml/min的流量下实现的。令人惊奇的是，在室温下，催化剂在多于230小时的时间内表现出的非常高的稳定性。没有观察到反应性的降低。
[0063]图6说明了使用1％Au/Fe2O3催化剂在室温(23℃)下氧化空气中的CO。在约20ml/min至约80ml/min的气体流量下，观察到CO的定量转化率。令人惊奇的是，该催化剂在低至-63℃的温度下也保持活性。在0℃的温度下，该催化剂具有显著的CO氧化活性，例如，在1％Au/Fe2O3催化剂的存在下，在约15ml/min的流量实现了CO的定量除去。在增加流量的情况下，在该温度只观察到CO氧化活性的略微下降。该催化剂体系提供在低温环境中使用的能力的优点。在一个实施方案中，本发明的催化剂在呼吸装置，例如面具过滤器中使用。
[0064]图7说明了在1％Au/Fe2O3催化剂上于环境温度下除去反应物气体中的CO。图7B说明了催化剂的活性是温度和流量的函数。该反应是在约10ml/min至约80ml/min的流量范围内进行的。优选的流量在约10ml/min至约30ml/min之间。如在图7B中所示，本发明的催化剂在约20℃至约150℃的宽温度范围内表现出高活性。在一定流量下，是通过调节反应温度来使催化剂的反应性最大化的。例如，在20ml/min的流量下，优选的反应温度在约20℃至约80℃的范围内。
[0065]图8A说明了在约5重量％的没有煅烧处理的Fe2O3催化剂的存在下氧化CO。图8B说明了在煅烧处理之后的催化剂的活性。令人惊奇的是，本发明的催化剂在煅烧之后丧失了低温活性。例如，在20℃，使用在煅烧之后的催化剂只除去5％的CO。为了实现45％的CO转化率，反应需要在约120℃的温度下进行。结果表明煅烧降低催化剂的活性，这与煅烧实际上增加催化剂的活性的现有技术相反。该催化剂是根据由Londo P等报道的沉积-沉淀法(Chem.Commun.，2005，3385)制备的。
[0066]本发明的催化剂在H2O和/或O2的存在下除去CO方面也是活性的。图9说明了使用本发明的催化剂在模拟PEM燃料电池条件(含有20％CO2、1％CO、77％H2和2％O2)中选择性氧化CO。例如，CO的定量转化率是使用100mg负载量的5％AuFe2O3催化剂，在50℃下，以及在约10ml/min至约80ml/min的流量下实现的。
实施例
[0067]实施例1：Au催化剂的制备
[0068]使用HAuCl4作为前体，NaBH4作为还原剂以及氨基酸作为包覆剂，制备Au催化剂。在还原期间，使用声波处理(例如20秒)。接着，使用离心分离催化剂，并且将用去离子水洗涤。我们的方法的优点是低反应温度，并且适于各种催化剂载体。分别用于在空气中以及H2的存在下的CO氧化的催化剂的催化活性与最佳的现有技术结果相当。
[0069]Au/TiO2、Au/Fe2O3、Au/SiO2、(B)Au/CeO2、(C)Au/Al2O3、Pt/TiO2的催化剂的TEM图像分别示于图2、3、4和10中。在溶液中Au胶体的直径为3-5nm(图2A)。在沉积到TiO2(图2B)，或Fe2O3或其它催化剂载体上之后，Au粒子的大小几乎没有变化。而且，这些Au粒子在这些催化剂载体上是高度分散的(图2B、图3和图4，以及图10)。该方法对于制备许多具有高度的金属粒子分散体的催化剂是通用的。
[0070]实施例2：本发明的催化剂与最佳文献结果的活性比较
表1.我们的催化剂与最佳文献结果的制备条件和制备结果的比较
  方法   温度(℃)   时间(小时)   Au粒度(nm)   催化剂负载量(％)   反应后在反应气体a中的CO含量(ppm)   在空气b中的CO(ppm)
  ICES(Au/Fe2O3)   室温   0.5   3-5   1   70-80   ＜10
  ICES(Au/Fe2O3)   室温   0.5   3-5   5   ＜100   ＜10
  Co-Pc(Au/Fe2O3)   80   2-3   3.7   5   50   没有数据d
  D-Pc(Au/TiO2)   80   4-8   1-3.3   6-8   差c
  Pc(Au/Fe2O3)   室温   ～1   2-3   3   没有   ＜10
a反应物气体含有1％CO、1-2％O2、77％H2、20％CO2。
b反应物气体为空气中的1％CO(10,000ppm)。
c″Co-P″指共沉淀法(Landon，P.，等.Chem.Commun.2005，3385)；″D-P″指沉积-沉淀法(Zanella，R.等，J.Phys.Chem.B 2002，106，7634)；″P″指沉淀法(Cheng，W.H.等，Catalysis Today，2004，97，145)。
d在Landon等中没有报道催化数据。一个样品是由本发明人制备并且测试的。
[0071]实施例3：在用于面具应用的空气中的CO的氧化
[0072]空气中的CO在Au/TiO2上和在1％Au/Fe2O3上的氧化分别示于图5和图6中。对于这两种催化剂，在室温下和在高的空速下以及对于1％Au/Fe2O3催化剂在0℃，可以实现CO的完全除去。然而，在-63℃，在1％Au/Fe2O3上的CO转化率从100％降低至约2.35％(图6B)。试验表明催化剂的寿命至少长于200小时。没有进行稳定性的进一步测试。1％Au/TiO2和1％Au/Fe2O3都适于在面具和其它呼吸装置中的应用。
[0073]实施例4：在用于静态(stationary)应用的氢气(干 燥的反应物气体)的存在下选择性氧化CO
[0074]催化剂Au/Fe2O3根据本发明的方法制备，并且发现其表现出高的催化活性。可以在低于50℃的温度下使用1％催化剂负载量从反应物气体中完全除去一氧化碳。结果也示于图7中。
[0075]还通过共沉淀法(Landon，P.等.Chem.Commun，2005，3385)制备催化剂Au/Fe2O3。现有技术强调催化剂在400℃和500℃的两阶段煅烧对于CO的100％转化率以及H2氧化的低选择性是关键的。使用本发明的催化剂进行类似的实验，并且发现在两阶段煅烧后金属粒子的尺寸的显著增加以及活性降低，例如，Au粒子的直径为15-20nm，并且在70％H2中的CO转化率仅约50％(图8B)。然而，本发明人发现本发明的催化剂在没有煅烧的情况下表现出很高的催化活性。例如，可以在室温下完全除去CO(图8A)。
[0076]实施例5：在用于重整装置-PEFC应用的H 2 、CO 2 和H 2 O(湿润 的反应物气体)的存在下选择性氧化CO
[0077]对于这种反应，最高的CO转化率为几乎100％，并且最小的CO浓度低于100ppm(低于检测器的检测极限)。这些结果相当于迄今最佳的现有技术结果(Landon，P.等Chem，Commun，2005，3385)。在痕量H2O的存在下，CO转化率仍然高于99％，但是O2的选择性可能增加。
[0078]应当理解在此所述的实施例和实施方案只是为了说明性目的，并且根据它们的各种变更或变化对于本领域技术人员是暗示性的，并且包括在本申请的精神和范围内以及后附权利要求的范围内。由于各种目的，将在此引用的所有出版物、专利和专利申请的全部内容结合在此。

Claims (53)

1.一种用于转化一氧化碳的催化剂，所述催化剂包含：许多高度分散的尺寸为约2nm至约5nm的金属粒子、固体载体和包覆剂，其中所述金属粒子和所述包覆剂沉积在所述固体载体上。
2.权利要求1所述的催化剂，其中所述包覆剂与所述金属粒子接触。
3.权利要求1所述的催化剂，其中所述金属粒子由选自Au、Pt、Pd、Ag、Ni、Ru、Rh、Ir、Os、Co、Fe和Cu中的金属形成。
4.权利要求3所述的催化剂，其中所述金属粒子为Au或Pt粒子。
5.权利要求1所述的催化剂，其中所述金属粒子具有的形状选自球形、立方形、圆柱形、椭圆形、菱形、多边形、其它规则和不规则的三维形状。
6.权利要求1所述的催化剂，其中所述固体载体选自聚合物树脂、无机氢氧化物、无机氧化物、玻璃珠、沸石和碳。
7.权利要求6所述的催化剂，其中所述无机氧化物是金属氧化物。
8.权利要求7所述的催化剂，其中所述金属氧化物含有第3族至第13族的金属。
9.权利要求7所述的催化剂，其中所述金属氧化物选自Al2O3、TiO2、Fe2O3、CeO2、CuO、ZnO、SiO2、V2O5、MgO、La2O3、ZrO2、SnO2、MnO2、MoO3、Mo2O5和沸石。
10.权利要求9所述的催化剂，其中所述金属氧化物选自Al2O3、TiO2、Fe2O3和CeO2。
11.权利要求1所述的催化剂，其中所述包覆剂选自氨基酸、羧酸、链烷醇、链烷硫醇、环糊精和聚合物。
12.权利要求11所述的催化剂，其中所述包覆剂为氨基酸。
13.一种制备高度分散的催化剂的方法，所述方法包括：
a)使金属前体化合物与还原剂和包覆剂接触，以生成反应混合物；
b)对所述反应混合物施加声波，以生成许多金属胶体粒子；和
c)将所述许多金属粒子沉积到固体载体上，以制备高度分散的催化剂。
14.权利要求13所述的方法，该方法还包括：分离并且纯化所述催化剂。
15.权利要求13所述的方法，其中在约0℃至约80℃的温度制备所述催化剂。
16.权利要求13所述的方法，其中所述金属前体化合物为金属氧化物、金属卤化物、金属硝酸盐、金属硫酸盐、金属硫化物或它们的水合物，其中所述金属选自Au、Pt、Pd、Ag、Ni、Ru、Rh、Ir、Os、Co、Fe和Cu。
17.权利要求13所述的方法，其中所述金属化合物前体选自LAuX4、L2MX2、L2MX4、L3RhX6和L2M′X6，其中L为选自H、NH2、K和Na中的成员；M为选自Ni、Pd和Pt中的成员；M′为选自Ru、Ir和Os中的成员；并且X为卤素。
18.权利要求17所述的方法，其中所述金属化合物前体为HAuCl4。
19.权利要求13所述的方法，其中所述还原剂选自金属氢化物、催化氢化体系和金属/酸体系。
20.权利要求19所述的方法，其中所述金属氢化物选自LiAlH4和金属硼氢化物。
21.权利要求20所述的方法，其中所述金属硼氢化物选自NaBH4、KBH4、Zn(BH4)2、B2H6、NaBH3CN和Li-s-Bu3BH。
22.权利要求13所述的方法，其中所述包覆剂选自氨基酸、羧酸、链烷醇、链烷硫醇、环糊精和聚合物。
23.权利要求13所述的方法，其中所述声波是由声波装置产生的。
24.权利要求13所述的方法，其中所述金属粒子的尺寸为约2nm至约5nm。
25.权利要求13所述的方法，其中所述金属粒子具有的形状选自球形、立方形、圆柱形、椭圆形以及其它规则和不规则的三维形状。
26.权利要求13所述的方法，其中所述金属粒子由选自Au、Pt、Pd、Ag、Ni、Ru、Rh、Ir、Os、Fe、Co和Cu中的金属形成。
27.权利要求26所述的方法，其中所述金属粒子为Au。
28.权利要求13所述的方法，其中所述固体载体选自聚合物树脂、无机氢氧化物、无机氧化物、玻璃珠、沸石和碳。
29.权利要求28所述的方法，其中所述金属氧化物含有第3族至第13族的金属。
30.权利要求29所述的方法，其中所述金属氧化物选自Al2O3、TiO2、Fe2O3、CeO2、CuO、ZnO、MgO、CaO、BaO、SrO、Yb2O3、稀土氧化物、ZrO2、HfO2、V2O5、CrO3、MoO3、WO3、MnO2、CoO、NiO、CdO、B2O3、Ga2O3、Eu2O3、Tl2O、SiO2、SnO2、Sb2O3、Bi2O3和沸石。
31.权利要求30所述的方法，其中所述金属氧化物选自Al2O3、TiO2、Fe2O3和CeO2。
32.权利要求22所述的方法，其中所述包覆剂为氨基酸。
33.权利要求1-12所述的催化剂在选择性除去CO中的应用。
34.权利要求33所述的应用，所述应用包括使含有CO的气体在一定流量和操作温度下通过所述催化剂。
35.权利要求34所述的应用，其中所述操作温度为约0℃至约80℃。
36.权利要求34所述的应用，其中所述流量为约10ml/min至约80ml/min。
37.权利要求33所述的应用，其中所述催化剂选自Au/Fe2O3、Au/TiO2、Au/SiO2、Au/CeO2、Au/Al2O3和Pt/TiO2。
38.权利要求33所述的应用，其中所述CO存在于空气中。
39.权利要求38所述的应用，其中所述CO在约0℃至约25℃的温度被氧化。
40.权利要求33所述的应用，其中所述CO在约70％H2的存在下被氧化。
41.权利要求40所述的应用，其中所述CO在约70％H2和约1％O2的存在下被氧化。
42.权利要求33所述的应用，其中所述CO在H2、CO2和H2O的存在下被氧化。
43.权利要求1-12中任一项所述的催化剂在用于有效率地除去空气中的CO的面具过滤器中的应用。
44.根据权利要求13-32中任一项所述的方法制备的催化剂在选择性除去CO中的应用。
45.根据权利要求44所述的应用，其中所述催化剂选自Au/Fe2O3、Au/TiO2、Au/SiO2、Au/CeO2、Au/Al2O3和Pt/TiO2。
46.根据权利要求44所述的应用，其中所述CO存在于空气中。
47.根据权利要求46所述的应用，其中所述CO在约0℃至约100℃的温度被氧化。
48.根据权利要求44所述的应用，其中所述CO在约70％H2的存在下被氧化。
49.根据权利要求48所述的应用，其中所述CO在约70％H2和约1％O2的存在下被氧化。
50.根据权利要求44所述的应用，其中所述CO在H2、CO2和H2O的存在下被氧化。
51.根据权利要求50所述的应用，其中所述CO在约77％H2、约20％CO2和约2％O2的存在下被氧化。
52.根据权利要求13-32中任一项所述的方法制备的催化剂在用于有效率地除去空气中的CO的面具过滤器中的应用。
53.一种根据权利要求13所述的方法制备的催化剂。
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