建立了固溶合金纳米颗粒的批量生产技术

 
三元固溶合金纳米粒子的STEM-EDX分析。合金溶液状态评估。 10nm大小的颗粒是载体，粘附到载体上的1-2nm颗粒是固溶体合金纳米颗粒。在元素分布图像中，三个元素分别为红色，蓝色和绿色，并且完全均匀混合的粒子以白色表示。在JST战略基础研究计划中，古谷金属和京都大学理学研究生院北川博史教授开发了批量生产技术，该技术能够连续合成以前难以实现的几种纳米固溶合金颗粒。借助这项技术，我们成功实现了1nm级固溶合金纳米颗粒及其负载型催化剂的稳定，连续合成，而这是使用液相还原反应的常规方法难以获得的(图1)。
在常规方法中，当我们尝试大量生产固溶体合金纳米颗粒时，元素的混合方法不均匀并且粒径分布变宽，从而难以以高质量和稳定性连续合成。为了实现批量生产技术，我们新开发了采用溶剂热合成方法的连续流生产系统(图2)，并将其引入了古屋金属株式会社。该设备可在保持质量的同时进行连续生产。固溶体合金纳米颗粒，我们的目标是基于这种设备配置进行批量生产。
溶剂热连续流制造设备示意图。将原料和载体高度分散的溶液以及使用加热器加热的还原剂在高温高压下在反应器中混合，并且金属离子在载体上被还原成金属原子。之后，金属原子与合金化同时在载体上生长，但是混合溶液迅速冷却，并且抑制了颗粒的聚集。结果，我们可以合成具有负载在载体上的1nm级固溶合金纳米颗粒的催化剂。通过该合成装置新开发的固溶合金纳米颗粒是由不可能混合在一起的金属制成的新合金。此外，在包括催化科学在内的许多研究领域中众所周知，合金的物理和化学性质通过还原至纳米级而急剧变化。固溶体合金纳米颗粒被认为是创新的催化剂，可净化各种废气并有效地将原材料转化为基础化学品和能源。因此，它们将为实现二氧化碳减排的环境净化和制造技术的可持续发展社会做出巨大贡献。
实际上，它已经在评估过程中用作汽车的废气净化催化剂和化学过程催化剂，并且我们正在与国内外公司和研究机构合作，促进其在社会中的实施。
氮氧化物(NOx)净化性能的比较。合金A和B是三元固溶合金纳米颗粒，其中混合了三种类型的元素。 A和B具有不同类型的元素。合金C是混合有两种元素的二元固溶合金纳米颗粒。图3示出了对汽车排气中所含的氮氧化物(NOx)的净化性能测试的结果。我们已经成功地开发出一种廉价的催化剂，该催化剂远远优于目前用作最佳催化剂的铑(Rh)，并且在低温下具有活性。汽车废气净化催化剂在600℃左右的温度范围内具有优良的废气净化性能，并且当发动机在启动后不立即加温(冷启动)时，强烈要求改善废气净化性能。 。汽车的废气排放法规逐年变得越来越严格，即使在这种冷启动条件下，也必须提高满足法规标准的低温活动。在图3的评价中，还比较了Rh催化剂的活性。然而，使用该技术合成的合金A的反应在约50℃的低温下开始。固溶合金纳米颗粒在160°C下的NOx转化率是Rh的7倍以上，这表明它是一种创新。