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⾼通量粉末原⼦层沉积(PALD)技术在工业催化剂中的应⽤

 更新时间:2023-12-19 点击量:322


据统计,95% 的商业化学品在其制造过程的某个阶段需要使⽤⼀种或多种催化剂。多相催化剂对于⽯油炼制、塑料制造、⻝品和⽣物燃料⽣产以及许多化学制造⼯艺⾄关重要。

尽管许多工业催化过程已经取得了显著的进展,但这些催化材料的活性中心结构均质性较差,可能会导致不同的反应并产生不需要的副产物。此外,活性位点的不均匀性也使得催化性能与特定催化结构联系起来极其困难。因此,催化剂成分和结构的调控对提升催化剂性能有积极意义。

原子层沉积技术(ALD )提供了⼀个创造表⾯活性催化剂位点的⽅式,能够创造出传统合成⽅法⽆法实现的⾼性能催化剂。该技术已被证明具有成本效益,并可以显著提升催化剂的性能。

关于 原子层沉积ALD 以及 粉末ALD 技术 (一分钟带你了解原子层沉积ALD 以及 PALD 技术)

PALD 粉末原子层沉积技术提升催化剂性能

ALD 涂层的作⽤是多⽅⾯的,⼀⽅⾯可以提⾼催化剂的选择性和使⽤寿命,从⽽提⾼催化剂的性能。另⼀⽅⾯可有效减少⾦属催化剂的析出或烧结,从⽽避免反应的⽐表⾯积和性能的下降。

ALD 对催化剂的增益效果:


  • 减少⾦属纳⽶颗粒析出

  • 更⾼的催化活性

  • 降低热分解

  • 减少活性组分烧结

  • 钝化包覆,催化剂寿命 100% 增加

  • 更强的反应选择性


当然,ALD 在先进催化剂的制造中有很多应用,但在工业催化剂的制造中有三种基础的作用:


  • 制备高比表面积载体负载活性催化剂

  • ALD 衬底涂层可以提高催化剂的选择性和寿命

  • ALD 涂层限制热降解,提⾼选择性


在工业催化剂中原子层沉积ALD 的三种工艺

PALD 的几个常见应用场景:全包覆钝化,活性组分,催化剂壳层

1、 ALD 表⾯活性位点构筑 

PALD 已被⽤于在超⾼⽐表⾯积基底载体上沉积 Pd、Pt、Ni、Rh、Fe、Ir 和 Ru 等催化剂材料。催化剂材料的⾼表⾯能允许其在基底上形成⼩的“岛屿"颗粒,实现了活性材料⾼分散,同时保持超低负载以降低材料成本。与湿法化学合成技术不同,PALD 可覆盖催化剂载体上超⾼纵横⽐的孔隙,实现均匀沉积。此外,PALD 可以制造“核壳"结构催化剂。 

原子层沉积ALD 技术使 Pt 颗粒在基底上分散开来

使用 Forge Nano 包覆后的催化剂(左),未包覆的催化剂(右)

2、ALD 构筑衬底支撑涂层  

使⽤ ALD 在活性催化剂内侧构筑界⾯层也有助于更⻓的使⽤寿命和热稳定性。在不影响孔隙⼤⼩和形态的情况下在基底表⾯沉积薄膜,可以改变表⾯酸/碱特性,并防⽌活性催化剂溶解到基底材料中。⼀个案例便是,与未包覆的⼆氧化硅或氧化铝的催化剂相⽐,ALD 内部涂层⽀撑的沉积提⾼了丙烷氧化脱氢的催化活性、寿命和选择性。

3、ALD 防护涂层 

ALD 可以有效地将均匀的薄膜沉积在催化剂上,同时还可以提⾼催化性能。在⾼温反应条件下,沉积AlO、TiO、NbO、NiO、ZrO 或 CoO 等薄膜可以保护催化剂的完整性,同时抑制⾦属粒⼦的降解、烧结和析出。⽐如,氧化铝 ALD 涂层保留并增强了 Pd 纳⽶颗粒的催化活性,同时在 500℃ 条件下依然能有效防⽌其烧结。

通过 PALD 技术,可以实现催化剂粉末材料表⾯的涂层或活性位点制备。⽆论是在化⼯品催化或典型的制氢 / 燃料 电池中,纳⽶级催化剂存在烧结或者浸出的问题。使⽤ ALD 技术可以在典型的如 Pd / AlO 催化剂表⾯构筑涂层,可避免催化剂的烧结与浸出,从⽽使实现稳定的芳烃氢化反应。





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