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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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【分享】在微小中空金屬球內(nèi)表面配置催化劑，防止熱凝聚提高尾氣凈化性能 已有1人參與
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在微小中空金屬球內(nèi)表面配置催化劑，防止熱凝聚提高尾氣凈化性能 2011/02/24 00:00 打印 E-mail [table=230][tr][td]  [/td][/tr][tr][td]圖1：Metallic Cell的外觀直徑約0.01mm的中空球體，有裂縫狀孔洞。[/td][/tr][/table] 日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了能夠提高尾氣催化性能的微小中空金屬球“Metallic Cell”（圖1）[sup]*1[/sup]。使用鉑（Pt）的Metallic Cell試制品性能約為傳統(tǒng)材料的10倍（熱凝聚耐受性），實(shí)用化后有望減少貴金屬的使用量。 *1：本研究接受了日本文部科學(xué)省“世界頂級(jí)研究基地形成（WPI）項(xiàng)目”的援助。由日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體材料中心及國(guó)際納米結(jié)構(gòu)研究中心的研究組實(shí)施。 PS粒子氣化沖破金屬覆膜 Metallic Cell是直徑為0.01mm左右的中空球體，為中空結(jié)構(gòu)，表面有1處長(zhǎng)0.001mm左右的裂口。也就是說(shuō)，Metallic Cell并不密閉，除外表面外，內(nèi)表面也與外界相通。 合成方法的流程如下（圖2）。首先，在常溫·常壓的酒精溶劑中，通過(guò)化學(xué)還元的方式，使Pt覆膜在市售的聚苯乙烯（PS）微細(xì)粉末表面。具體方法是在溶解有Pt鹽（H[sub]2[/sub]PtCl[sub]6[/sub]）和還元?jiǎng)╇碌木凭軇┲袚饺胂喈?dāng)于鹽的約1/3（質(zhì)量比）的PS粉末，靜置數(shù)小時(shí)[sup]*2 [/sup]。 *2：實(shí)際析出后，在60℃的溫度下干燥12小時(shí)，去除多余溶劑。 [table=430][tr][td]  [/td][/tr][tr][td]圖2：Metallic Cell的制造流程在PS粒子的整個(gè)表面析出金屬覆膜后，加熱至500℃，使PS氣化。當(dāng)PS氣體從金屬覆膜內(nèi)部沖出后，金屬覆膜部分破裂，出現(xiàn)孔洞。[/td][/tr][/table] 然后，把表面形成有Pt覆膜的PS粉末在大氣中加熱到500℃。此時(shí)，PS氣化膨脹，Pt覆膜部分破裂出現(xiàn)孔洞。轉(zhuǎn)化成氣體的PS（PS氣體）從孔洞噴出，只保留像殼一樣的覆膜，形成中空金屬球[sup]*3[/sup]。 *3：使PS氣化后進(jìn)行了了清洗。 這種合成方法除了Pt外，覆膜材料還可以采用銠（Rd）和鈀（Pd）等用作催化劑的貴金屬，以及鐵（Fe）和銅（Cu）等金屬，氧化鋁（Al[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] ）等氧化物。而且還能夠?qū)崿F(xiàn)使用多種物質(zhì)的多層結(jié)構(gòu)。 此次試制的Metallic Cell是在PS粒子周圍析出Pt的單層結(jié)構(gòu)，使用不同物質(zhì)進(jìn)行多次析出還可以形成多層結(jié)構(gòu)的Metallic Cell（圖3）。例如在內(nèi)表面和外表面配置金屬催化劑，在中間層配置維持強(qiáng)度的材料，或是在內(nèi)表面和外表面配置性質(zhì)各異的物質(zhì)。 [table=430][tr][td]  [/td][/tr][tr][td]圖3：Metallic Cell的變化通過(guò)增加金屬覆膜析出的次數(shù)，可以制成多層結(jié)構(gòu)的Metallic Cell。形成雙層結(jié)構(gòu)后，內(nèi)表面和外表面可以配置不同特性的催化劑，進(jìn)一步形成3層結(jié)構(gòu)后，中間層可以作為維持強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料。[/td][/tr][/table] 內(nèi)表面不受熱凝聚影響 在Metallic Cell的用途中，被寄予厚望的是尾氣催化劑材料。原因是Metallic Cell對(duì)于造成尾氣催化劑性能劣化的原因之一——熱凝聚的耐受性高。傳統(tǒng)催化劑一旦發(fā)生熱凝聚，外表面附著Pt的球體會(huì)相互接觸，從而導(dǎo)致催化活性點(diǎn)[sup]*4[/sup]減少，催化劑活性下降[sup]*5[/sup]。而Metallic Cell即使外表面接觸，內(nèi)表面依然能夠保持隔離狀態(tài)。 *4：催化活性點(diǎn) 在構(gòu)成金屬催化劑表面的原子中，對(duì)催化反應(yīng)起主要作用的原子。催化劑材料一般是單位質(zhì)量的催化活性點(diǎn)越多活性越高。 *5：尾氣用催化劑一般是在球狀支撐材料（基材）的表面上附著貴金屬粒子。除了支撐材料會(huì)相互凝聚，使位于接觸部的貴金屬粒子喪失活性之外，貴金屬粒子在支撐材料表面上的凝聚現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。 實(shí)際上，在以Metallic Cell為尾氣催化劑的一氧化碳（CO）氧化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，Metallic Cell實(shí)現(xiàn)了約10倍的熱凝聚耐受性。具體方法是把使用Pt試制的Metallic Cell（Pt單層型）和僅在PS粉末上附加Pt覆膜的傳統(tǒng)型（使用氣化前的PS粉末模擬）催化劑分別取等量，觀察其在高溫（125℃）環(huán)境下的氧化反應(yīng)（圖4）。由此可以觀察到Metallic Cell內(nèi)表面的效果。 [table=430][tr][td]  [/td][/tr][tr][td]圖4：催化性能的比較圖中比較了使用等量Pt時(shí)，CO氧化量（摩爾數(shù)）的時(shí)間變化�？v軸表示氧化CO的累積量，曲線的斜率表示單位時(shí)間氧化的CO的量。[/td][/tr][/table]實(shí)驗(yàn)剛一開(kāi)始催化能力（單位時(shí)間氧化的CO的摩爾數(shù)＝曲線的斜率）便出現(xiàn)了差異。這是因?yàn)�，不同于只在球體表面反應(yīng)的傳統(tǒng)型，Metallic Cell在外表面和內(nèi)表面都參與反應(yīng)。表面積約為傳統(tǒng)型的2倍。 隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)（熱凝聚進(jìn)行），催化能力之差進(jìn)一步擴(kuò)大。Metallic Cell曲線的斜率在60分鐘附近仍未出現(xiàn)大的波動(dòng)，而傳統(tǒng)型的斜率逐漸縮小。在實(shí)驗(yàn)中，Metallic Cell在60分鐘以內(nèi)的催化能力是傳統(tǒng)型的10倍以上。 傳統(tǒng)型為了彌補(bǔ)熱凝聚造成的催化劑活性下降，事先導(dǎo)入了過(guò)多的催化活性點(diǎn)。也就是使用了超過(guò)必需的Pt等稀有金屬。因此，如果使用Metallic Cell提高熱凝聚耐受性，很有希望削減其使用量。 Metallic Cell“優(yōu)勢(shì)在于其形狀能夠?yàn)榍蝮w內(nèi)表面附加功能”（日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的有賀克彥）。例如由外表面吸收光線，在內(nèi)表面使其反應(yīng)等。有賀還表示“希望大家提出催化劑以外的應(yīng)用創(chuàng)意”，其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大值得期待。（記者：中山 力） ■日文原文：微小な中空金屬球の內(nèi)面に觸媒を配置、熱凝集を防ぎ排ガス浄化性能を向上 |
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