[发明专利]催化剂材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种制备催化剂材料的方法，包括以下步骤：提供具有开孔泡沫结构并且包括至少第一金属或合金的主体；提供颗粒，所述颗粒中的每个包括至少第二金属或合金；将颗粒分布在主体上；在至少颗粒的子集中的每个颗粒和主体之间形成结构连接；以及在至少颗粒的子集上并且在主体上形成氧化物膜，其中氧化物膜具有催化活性表面。

技术领域

本发明涉及催化剂材料和用于制备催化剂材料的方法。

背景

在工业规模上实施催化反应对催化剂材料提出了严格的要求。

结构敏感的反应，诸如共轭双键或芳香族化合物的氢化，需要特定的表面结构和大的表面积来获得高催化活性。在另一方面，结构不敏感的反应，诸如非共轭双键的氢化，在预定的表面积尺寸显示出最佳效果，并且随着催化剂表面的进一步膨胀，活性降低。

金属泡沫基底由于其开孔结构和高热导率，在热和质量传递方面显示出有利的特性。金属基底被广泛地用作催化剂支撑物，但它们难以与金属氧化物涂层结合。涂层的差的粘附性、金属表面的腐蚀和由下面的金属基底催化的副反应代表本领域内的常见问题。当放置到反应器中并经历高温或热循环时，金属基底和涂层之间的热膨胀不匹配可能导致分层、催化剂损失(磨损)、由暴露的裸露金属表面催化的副反应以及由于刮擦的灰尘堵塞孔引起的压降增加。侵蚀性反应条件加速氧化和腐蚀，特别是结构化支撑物的裸露金属表面的氧化和腐蚀，缩短其寿命。因此，金属基底表面和催化剂涂层之间的界面层是用于保持催化剂长寿命、高选择性和有利的催化活性的关键因素。

金属泡沫是一种特定形式的催化剂材料，其用于多种工业领域并且可以是开孔型或闭孔型的。开孔型的金属泡沫具有彼此连接的孔，而在闭孔型中，孔彼此不连接。因此，流体可以穿过前者，但不能穿过后者，这使得开孔金属泡沫由于其低重量但每单位体积的高表面积比成为作为催化剂材料的令人感兴趣的候选物。

作为起始材料，使用网状金属泡沫(reticulated metallic foam)，该网状金属泡沫可以通过多种方法获得。例如，有机聚合物(例如，聚氨酯)泡沫可以包覆(例如，通过喷涂或以其他方式沉积)有第一金属材料。随后，有机聚合物泡沫被去除，例如通过在高温将其烧掉或通过用合适的溶剂将其去除，留下金属泡沫结构。

虽然已知的基于金属泡沫的催化剂材料覆盖一系列应用，然而，期望进一步扩展这样的催化剂材料的适用性，并且能够使催化剂材料更精确地适应特定的应用。

概述

根据本发明的第一方面，一种制备催化剂材料的方法包括以下步骤：提供主体(body)，所述主体具有开孔泡沫结构并且包括至少第一金属或合金；提供颗粒，所述颗粒中的每个包括至少第二金属或合金；将颗粒分布在主体上；在至少颗粒的子集中的每个颗粒和主体之间形成结构连接，具体地包括形成混合的金属相和金属间相以及化学结合(包括金属-金属和金属-非金属结合)；以及在至少颗粒的子集上并且优选地还在主体上形成氧化物膜，其中氧化物膜具有催化活性表面。

在金属泡沫主体上使用具有催化活性表面的氧化物膜，通过能够控制金属氧化物的化学组成及其密度性质，包括密度梯度的形成，提供了对所得到的催化剂材料的表面性质的另外的控制，导致催化剂材料的表面粗糙度、最终孔隙率以及活性表面积的改善的可调节性。催化剂材料的表面性质代表质量传递性质、反应物的停留时间和催化活性位点的可及性的重要调节变量。它们可以在微观水平(1nm)、介观水平(1nm-200μm)和宏观水平(200μm)进行控制。宏观水平是指孔、通道以及基础泡沫结构的表面的性质、尺寸和分布。介观表面、孔隙率和密度由泡沫表面上颗粒的三维排列之间的开放空间产生。微观水平是指最终的氧化物表面层中的微孔和亚微孔。密度梯度可以以多种方式实现。例如，主体可以被不同的颗粒覆盖(其中“不同”可能与诸如化学组成或尺寸的性质相关)。另外地或可选择地，颗粒可以不均匀地分布在主体上。此外，仅表面的所选择的部分可以被氧化。作为另一个实例，在膜的形成期间的氧分压可以变化。