BRPI0614682A2 - processo e aparato para a produção de materiais de catalisador construìdo - Google Patents

Abstract

PROCESSO E APARATO PARA A PRODUçAO DE MATERIAIS DE CATALISADOR CONSTRUìDO. Um processo e aparato (10) para produzir partículas de catalisador de nano-escala incluem alimentar pelo menos uma porção degradável selecionada a partir do grupo que consiste em compostos organometálicos, complexos de metal, compostos de coordenação de metal e misturas destes em um vaso do reator (20), em que a natureza da porção degradável introduzida no vaso do reator (20) através de cada alimentador (40), a taxa de alimentação de cada porção degradável, ou a ordem em que espécies diferentes são alimentadas no vaso do reator (20) é controlada; expor a porção degradável a uma fonte de energia suficiente para decompor a porção e produzir partículas de nano-escala; e depositar as partículas de catalisador de nano-escala em um suporte (30) ou em um coletor.

Description

"PROCESSO E APARATO PARA A PRODUÇÃO DE MATERIAISDE CATALISADOR CONSTRUÍDO"

Campo Técnico

A presente invenção se refere a um processo e apa-rato para a produção de· nanoparticulas de metal de catalisa-dor de construídas, tal como nanoparticulas de metal não no-bre, especialmente de uma maneira contínua. Através de "me-tal não nobre" é significado um metal diferente de um dosmetais nobres (geralmente considerados ser ouro, prata, pla-tina, paládio, irídio, rênio, mercúrio, rutênio e ósmio).Pela prática da presente invenção, nanoparticulas de catali-sador podem ser produzidas com maior precisão, velocidade eflexibilidade do que pode ser realizado com processo conven-cional, e as partículas produzidas podem ser diretamente fi-xas para suportar materiais de uma maneira precisa e custo-eficaz.

Técnica Antecedente

Catalisadores estão tornando-se ubíquos em proces-so químico moderno. Catalisadores são empregados na produçãode materiais tal como combustíveis, lubrificantes, refrige-rantes, polímeros, fármacos, etc., bem como desempenhar umpapel em água e processos de mediação de poluição de ar. Re-almente, catalisadores foram atribuídos como tendo um papelem completamente um terço do produto nacional de materialbruto dos Estados Unidos, como discutido por Alexis T. Bellin "The Impact de Nanoscience on Heterogeneous Catalysis"(Science, Vol. 299, pg. 1688, 14 de março de 2003).Geralmente falando, catalisadores podem ser des-critos como partículas pequenas depositadas em sólidos deárea de superfície altos. Tradicionalmente, partículas decatalisador podem variar a partir do sub-mícron até grandesquantidades de mícron. Um exemplo descrito por Bell é o con-versor catalítico de automóveis, que consiste em alvéoloscujas paredes são revestidas com um revestimento fino de ó-xido de alumínio poroso (alumínio) . Na produção dos compo-nentes internos de conversores catalíticos, um revestimentode lavagem de óxido de alumínio é impregnado com nanopartí-culas de um material de catalisador de metal de grupo plati-na. De fato, a maioria dos catalisadores industriais empre-gados hoje inclui metais de grupo platina especialmente pla-tina, ródio e irídio ou metais alcalinos como césio, às ve-zes, em combinação com outros metais tal como ferro ou ní-quel.

0 tamanho destes domínios de metal de catalisadorfoi reconhecido como extremamente significante em sua funçãocatalítica. De fato, é da mesma forma notado por Bell que odesempenho de um catalisador pode ser grandemente afetadopelo tamanho de partícula das partículas de catalisador,visto que propriedades tais como estrutura de superfície eas propriedades eletrônicas das partículas podem mudar como o tamanho das mudanças de partículas de catalisador.

Em seu estudo sobre nanotecnologia de catálise a-presentado na Frontiers na Nanotechnology Conference em 13de maio de 2003, Eric M. Stuve, of Department of ChemicalEngineering of the University of Washington, descreveu que aconvicção geral é que a vantagem de uso de nanopartículas emcatálise é devido ao fato que a área de superfície disponí-vel de partículas pequenas é maior do que aquela de partícu-las maiores, desse modo, fornecendo mais átomos de metal nasuperfície para aperfeiçoar a catálise utilizando-se taismateriais de catalisador de nano-tamanho. Entretanto, Stuvemostra que as vantagens do uso de nanopartículas de catali-sador podem ser mais do que simplesmente devido ao efeito dotamanho. De preferência, o uso de nanopartículas pode exibirestrutura eletrônica modificada e uma forma diferente comaspectos atuais estando presentes nas nanopartículas, quefornecem interações que podem facilitar a catálise. De fato,Cynthia Friend, em "Catalysis On Surfaces" (Scientific Ame-rican, abril de 1993, p. 74), postula a forma de catalisa-dor, e, mais especificamente, a orientação de átomos na su-perfície das partículas de catalisador, quando importante nacatálise. Além disso, resistências de transporte de massadiferentes podem da mesma forma melhorar a função de catali-sador. Desse modo, a produção de nanopartículas de metal pa-ra uso como catalisadores em uma plataforma mais flexível ecomercialmente eficaz está sendo procurada. Além disso, ou-tros pedidos para nanopartículas estão sendo procurados, se-ja para os metais de grupo platina tradicionalmente emprega-dos para catálise ou outras partículas de metal.

Convencionalmente, entretanto, catalisadores sãopreparados de duas maneiras.

Um tal processo envolve materiais de catalisadorsendo ligados à superfície de partículas de portador taiscomo negros de fumo ou outros materiais similares, com aspartículas carregadas por catalisador, em seguida, eles sen-do carregados na superfície em que a catálise é desejada. Umexemplo disto está na arena de pilha termelétrica, onde onegro de fumo ou outras partículas similares carregadas comcatalisadores de metal de grupo platina são, em seguida,carregados na interface de membrana/eletrodo para catalisara interrupção de hidrogênio molecular em hidrogênio atômicopara utilizar seus componentes prótons e elétrons, com oselétrons resultantes passados através de um circuito como acorrente gerada pela pilha termelétrica. Uma desvantagemprincipal para a preparação de materiais de catalisador a-través da carga em uma partícula de portador está na quanti-dade de tempo que as reações de carregamento levam, que podeser medida em horas em alguns casos.

Quer dizer, na Patente U.S. 6.716.525, Yadav ePfaffenbach descrevem o dispersante de pós de nano-escala empós de portador mais grossos para fornecer materiais de ca-talisador. As partículas de portador de Yadav e Pfaffenbachincluem óxidos, carbonetos, nitretos, boretos, calcogení-deos, metais e ligas. As nanopartículas dispersas nos porta-dores podem ser quaisquer de muitos materiais diferentes deacordo com Yadav e Pfaffenbach, incluindo metais preciosostais como metais de grupo platina, metais terrosos raros, osassim chamados semi-metais, bem como materiais não metáli-cos, e ainda grupos tais como fulerenos, ligas e nanotubos.

Uma desvantagem adicional para o uso de catalisa-dor carregado de partícula de portador convencional consisteno fato que o método típico de aplicar estes materiais aosuporte em que eles serão empregados é formando-se uma sus-pensão das partículas em um fluoroelastômero e em seguidapintar o fluido misturado sobre o suporte, depois de que asuspensão é "cozida" para ligar o teor ao suporte, deixandoum revestimento das partículas de portador revestidas porcatalisador na superfície do suporte. Este método não permi-te muita precisão, resultando na aplicação de material decatalisador em locais onde não é necessário ou desejado. Da-do o custo de materiais de catalisador, especialmente os ma-teriais de metal nobre tipicamente considerados muito efica-zes, este método de "pintura" de aplicação de catalisadoresé extremamente desvantajoso.

Alternativamente, o segundo método comum para pre-parar materiais de catalisador envolve diretamente carregarmetais de catalisador tal como metais de grupo platina em umsuporte sem o uso de partículas de portador que pode inter-ferir com a reação catalítica. Por exemplo, muitos converso-res catalíticos automotivos, como discutido acima, têm par-tículas de catalisador diretamente carregadas nos alvéolosde óxido de alumínio que formam a estrutura de conversor. Oprocesso necessário para deposição direta de metais catalí-ticos em estruturas de suporte, entretanto, é geralmente o-perado em extremos de temperatura e/ou pressões. Por exem-pio, um tal processo é borrifação química em temperaturas emexcesso de 1.500°C e sob condições de alto vácuo. Desse mo-do, estes processos são difíceis e caros para operar.Em uma tentativa de fornecer nanopartículas de ca-talisador, Bert e Bianchini, na Publicação de Pedido de Pa-tente Internacional No. WO 2004/036674, sugerem um processoutilizando uma resina padrão para produzir nanopartículaspara aplicações em pilha termelétrica. Ainda se tecnicamentepraticável, entretanto, os métodos de Bert e Bianchini re-querem temperaturas altas (na ordem de 300°C a 800°C), e re-querem várias horas. Desta maneira, estes processos são devalor limitado.

Uma desvantagem principal para a "solução tradi-cional" ou métodos com base em resina de produzir materiaisde catalisador consiste na precisão (ou, mais especificamen-te, na falta desta) com que as partículas de catalisador sãoproduzidas, especialmente quando um catalisador até aqui(isto é, um contendo mais do que uma espécie metálica) tendouma constituição específica (por exemplo, relação ou orien-tação de espécies metálicas na partícula) é desejado. Em ou-tras palavras, com ainda mais cuidados tomados, um métodocom base em solução produzirá uma faixa de partículas, apartir de partículas contendo todas de cada espécie diferen-te através de várias combinações das espécies diferentes.Desse modo, a melhor expectativa no método com base em solu-ção é produzir uma coleção de partículas de catalisador que,em média, têm os constituintes desejados. Visto que haveráalgumas partículas tendo a constituição precisa desejada,haverá muitas que não. A situação é um pouco melhor na bor-rifação química e outros processos de deposição direta, en-tretanto, a dificuldade é que estes são tipicamente a linhade métodos apontados e o custo destes processos é proibiti-vo .

Por causa destas desvantagens, é difícil, se nãoimpossível, adpatar (ou construir) uma partícula de catali-sador para uma reação específica. Com aumentos na eficiênciatornando-se mais e mais importantes em reações catalisadas,a capacidade de construir uma partícula de catalisador pararealizar em níveis ideais em uma reação é altamente desejá-vel. Além disso, visto que, como notado, materiais de cata-lisador são tradicionalmente formados a partir de metais no-bres, tais como metais de grupo platina, a formação de nano-partículas, com a área de superfície resultante e vantagensde efeito de superfície, pode permitir o uso de metais nãonobres, tais como níquel, ferro, etc., como materiais de ca-talisãdor. As economias de custos resultantes podem ser sig-nificantes, e podem permitir o uso mais difundido de reaçõescatalíticas no processo industrial.

Desta maneira, o que é necessário é um processo eaparato para a produção de nanopartículas de catalisadorconstruídas para coleção ou deposição em um suporte. Maisparticularmente, o processo e aparato desejados podem serempregados para a preparação de nanopartículas de catalisa-dor de metal não nobre de maior precisão do que até agorapossível sem a exigência quanto a extremos em temperaturae/ou pressões.

Descrição da Invenção

Um processo e aparato para a produção de nanopar-tículas de catalisador construídas são apresentados, especi-almente de uma maneira contínua. Através de nanoparticulassão referidas as partículas tendo um diâmetro médio não mai-or do que cerca de 1.000 nanômetros (nm), por exemplo, nãomaior do que cerca de um mícron. Mais preferivelmente, aspartículas produzidas pelo sistema inventivo têm um diâmetromédio não maior do que cerca de 250 nm, mais preferivelmentenão maior do que cerca de 20 nm.

As partículas produzidas pela invenção podem seraproximadamente esféricas ou isotrópicas, significando queelas têm uma relação de aspecto de cerca de 1,4 ou menor,embora partículas tendo uma relação de aspecto mais altapossam da mesma forma ser preparadas e utilizadas como mate-riais de catalisador. A relação de aspecto se refere à rela-ção da dimensão maior da partícula para dimensão menor dapartícula (desse modo, uma esfera perfeita tem uma relaçãode aspecto de 1,0). O diâmetro de uma partícula para o pro-pósito desta invenção é considerado ser a média de todos osdiâmetros da partícula, ainda nesses casos onde a relação deaspecto da partícula é maior do que 1,4.

Na prática da presente invenção, uma porção con-tendo metal degradável, tal como uma porção contendo metalnão nobre, é alimentada em um vaso de reator e energia sufi-ciente para decompor a porção aplicada, tal que a porção sedecompõe e nanoparticulas de metal são depositadas em um su-porte ou coletadas por um coletor. A porção degradável em-pregada na invenção pode ser qualquer material contendo me-tal degradável, incluindo um composto organometálico, umcomplexo de metal ou um composto de coordenação de metal,contanto que a porção possa ser decomposta para fornecer me-tais livres, tal que o metal livre pode ser depositado em umsuporte ou coletado por um coletor. Preferivelmente, a por-ção degradável para uso na invenção compreende uma ou maiscarbonilas de metal não nobre, tais como carbonilas de ní-quel ou ferro.

A porção degradável particular ou porções utiliza-das dependem da partícula de catalisador desejada a ser pro-duzida. Em outras palavras, se as nanopartículas de catali-sador desejadas compreendem níquel e ferro, as porções de-gradáveis empregadas podem ser carbonila de níquel, Ni(CO)4,e carbonila de ferro, Fe(C0)s; da mesma maneira, se nanopar-tículas de catalisador de metal nobre são procuradas, em se-guida, as carbonilas de metal nobre podem ser empregadas co-mo os materiais de partida. Além disso, carbonilas de metalpolinucleares tais como nonacarbonila de diferro, Fe2 (CO)9,dodecocarbonila de triferro, Fe3(CO)i2, decacarboniladimanga-nês, Mn2(CO)I0 podem ser empregadas; de fato, muitas carboni-las de metal nobre podem ser fornecidas como carbonilas po-linucleares, tais como dodecacarbonil-trirutênio, Rug(C0)i2,e tri^-carbonil-nonacarbonilatetrairídio, Ir4(CO)i2. Alémdisso, carbonilas heteronucleares, como Ru2Os (CO)i2,Fe2Ru(CO)I2 e Zn [Mn (CO)5J2 são conhecidas e podem ser empre-gadas na produção de nanopartículas de catalisador de acordocom a presente invenção, As carbonilas de metal polinuclea-res podem ser particularmente úteis onde as nanopartículasde catalisador desejadas são ligas ou combinações em mais doque uma espécie metálica.Geralmente falando, carbonilas são metais de tran-sição combinados com monóxido de carbono e têm a fórmula ge-ral Mx(CO)y, onde M é um metal no estado de oxidação zero eonde χ e y são ambos números inteiros. Enquanto muitos con-siderem que as carbonilas de metal são compostos de coorde-nação, a natureza do metal para ligação de carbono leva al-guns a classificá-las como compostos organometálicos.

As carbonilas de metal úteis na produção de nano-particulas de catalisador de acordo com a presente invençãopodem ser preparadas por uma variedade de métodos, muitosdos quais são descritos em "Kirk-Othmer Encyclopedia of Che-mical Technology", Vol. 5, pp. 131-135 (Wiley Interscience1992). Por exemplo, ferro e níquel metálicos podem facilmen-te reagir com monóxido de carbono para formar carbonilas deferro e níquel, e foi relatado que cobalto, molibdênio etungstênio podem da mesma forma reagir monóxido de carbono,embora sob condições de pressão e temperatura mais altas.

Outros métodos para formar carbonilas de metal incluem asíntese das carbonilas a partir de sais e óxidos na presençade um agente de redução adequado (de fato, às vezes, o monó-xido de carbono por si próprio pode agir como o agente deredução), e a síntese de carbonilas de metal em amônia. Alémdisso, a condensação de carbonilas de metal de peso molecu-lar baixo pode da mesma forma ser utilizada para a prepara-ção de espécies de peso molecular mais alto, e a carbonila-ção através da troca de monóxido de carbono pode da mesmaforma ser empregada.A síntese de carbonilas de metal heteronucleares epolinucleares, incluindo aquelas discutidos acima, é normal-mente realizada por metátese ou adição. Geralmente, estesmateriais podem ser sintetizados por um processo de conden-sação envolvendo uma reação induzida por espécies coordena-tivamente insaturadas ou uma reação entre espécies coordena-tivamente insaturadas em'estados de oxidação diferentes. Em-bora pressões altas sejam normalmente consideradas necessá-rias para a produção de carbonilas polinucleares e heteronu-cleares (de fato, para quaisquer carbonilas de metal dife-rentes daquelas de metais de transição), a síntese de carbo-nilas polinucleares, incluindo carbonilas de manganês, rutê-nio e irídio, sob condições de pressão atmosféricas é damesma forma acreditada praticável.

Deve-se ter em mente no trabalho com as carbonilasde metal, que cuidado no manuseio deve ser utilizado a todomomento, visto que a exposição às carbonilas de metal podeser uma séria ameaça à saúde. De fato, carbonila de níquel éconsiderada ser um dos compostos industriais inorgânicosmais venenosos. Enquanto outras carbonilas de metal não sãotão tóxicas quanto a carbonila de níquel, cuidado ainda ne-cessita ser exercitado no manuseio delas.

O processo inventivo é vantajosamente praticado emum aparato que compreende um vaso de reator, pelo menos umalimentador para alimentar ou fornecer a porção degradávelno vaso de reator, um suporte ou coletor que é operativamen-te conectado ao vaso de reator para depósito nele ou cole-ção, desse modo, de nanopartículas de catalisador produzidasna decomposição da porção degradável, e uma fonte de energiacapaz de decompor a porção degradável. A fonte de energiadeve agir na porção degradável tal que a porção decompõe-separa fornecer as nanoparticulas de metal que são depositadassobre o suporte ou coletadas pelo coletor.

0 vaso de reator pode ser formado de qualquer ma-terial que pode suportar as condições sob as quais a decom-posição da porção ocorre. Geralmente, onde o vaso de reatorfor um sistema fechado, isto é, onde não for um vaso de ex-tremidade aberta que permite os reagentes fluírem dentro efora do vaso, o vaso pode estar sob pressão sub-atmosférica,pela qual é significado pressões tão baixas quanto cerca de250 milímetros (mm). De fato, o uso de pressões sub-atmosf éricas , tão baixas quanto cerca de 1 mm de pressão,pode acelerar a decomposição da porção degradável e fornecernanoparticulas menores. Entretanto, uma vantagem do processoinventivo é a capacidade de produzir nanoparticulas em pres-são geralmente - atmosférica, isto é, cerca de 760 mm. Alter-nativamente, pode haver vantagem na ciclagem da pressão, talcomo a partir da sub-atmosférica para geralmente atmosféricaou acima, para estimular nano-depósitos dentro da estruturado suporte. Claro que, ainda em um assim chamado "sistemafechado", necessita haver uma válvula ou sistema similar pa-ra liberar a formação de pressão causada, por exemplo, pelageração de monóxido de carbono (CO) a partir da decomposiçãode carbonila ou outros subprodutos. Desta maneira, o uso daexpressão "sistema fechado" é pretendido distinguir o siste-ma a partir de um tipo de fluxo total de sistema como discu-tido aqui abaixo.

Quando o vaso de reator for um vaso de reator de"fluxo total", isto é, um conduite através do qual o fluxode reagentes enquanto reagindo, o fluxo dos reagentes podeser facilitado puxando-se um vácuo parcial no conduite, em-bora não mais baixo do que cerca de 250 mm seja necessáriopara puxar os reagentes através do conduite para o aparato àvácuo, ou um fluxo de um gás inerte tal como argônio ou ni-trogênio pode ser bombeado através do conduite para, dessemodo, transportar os reagentes ao longo do fluxo do gás i-nerte.

De fato, o vaso de reator de fluxo total pode serum reator de leito fluidizado, onde os reagentes são origi-nados através do reator em uma corrente de um fluido. Estetipo de vaso de reator pode ser especialmente útil onde asnanoparticulas de metal são pretendidas ser carregadas emmateriais de portador, como negros de fumo e similares, flu-indo juntos com os reagentes.

O pelo menos um alimentador fornecendo a porçãodegradável no vaso de reator pode ser qualquer alimentadorsuficiente para o propósito, tal como um injetor que carregaa porção degradável junto com um jato de um gás tal como umgás inerte como argônio ou nitrogênio, para desse modo car-regar a porção degradável ao longo do jato de gás através dobico injetor e no vaso de reator. O gás empregado pode serum reagente, como oxigênio ou ozônio, no lugar de um gás i-nerte. Alternativamente, um gás de redução, tal como hidro-gênio, pode ser vantajoso na redução ou impedimento de oxi-dação das nanoparticulas de metal. Este tipo de alimentadorpode ser empregado se o vaso de reator for um sistema fecha-do ou um reator de fluxo total.

O suporte ou coletor útil na prática da invenção

pode ser qualquer material em que as nanoparticulas de cata-lisador produzidas a partir de decomposição das porções de-gradáveis podem ser depositadas ou em que elas podem ser co-letadas; mais vantajosamente, o suporte é o material em que o metal de catalisador é finalmente destinado, tais como osalvéolos de óxido de alumínio de um conversor catalítico ouo componente de uma pilha termelétrica eletroquímica paradepositar nanoparticulas em tais componentes sem a necessi-dade de extremos de temperatura e pressão requeridas por borrifação e técnicas similares. Alternativamente, o coletorpode ser um dispositivo para coletar as nanoparticulas parauso posterior, tal como um coletor centrífugo ou ciclônico.

0 suporte ou coletor pode estar disposto dentro dovaso de reator (de fato, isto é requerido em um sistema fe-chado e é prático em um reator de fluxo-total). Entretanto,em um vaso de reator de fluxo-total, o fluxo de reagentespode ser direcionado em um suporte posicionado fora do vaso,em seu terminal, especialmente, onde o fluxo através do vasode reator de fluxo total é criado por um fluxo de um gás i-nerte. Alternativamente, em um reator de fluxo-total, o flu-xo de nanoparticulas de metal produzido por decomposição daporção degradável pode ser direcionado em um coletor centrí-fugo ou ciclônico que coleta as nanopartículas em um recipi-ente adequado para uso futuro.

A energia empregada para decompor a porção degra-dável pode ser qualquer forma de energia capaz de realizaresta função. Por exemplo, energia eletromagnética tal comoluz infravermelha, visível ou ultravioleta dos comprimentosde onda apropriados pode ser empregada. Adicionalmente, e-nergia de microonda e/ou de ondas eletromagnéticas, ou ou-tras formas apropriadas de energia pode(m) da mesma formaser empregada(s) (exemplo, uma faísca para iniciar a decom-posição "explosiva" assumindo a porção adequada e pressão),contanto que a porção degradável seja decomposta pela ener-gia empregada. Desse modo, energia de microonda, em uma fre-qüência de cerca de 2,4 gigahertz (GHz) ou energia de indu-15 ção, em uma freqüência que pode variar de tão baixa quantocerca-de 180 hertz (Hz) até tão alta quanto cerca de 13 megaHz pode ser empregada. Um técnico versado poder facilmentedeterminar a forma de energia útil para decompor os tiposdiferentes de porções degradáveis que podem ser empregadas.

Uma forma preferida de energia que pode ser empre-gada para decompor a porção degradável é energia de calorfornecida por, por exemplo, lâmpadas de aquecimento, fontesde calor radiante, ou similar. Calor pode ser especialmenteútil para porções altamente voláteis, tais como carbonilasde metal não nobre. Em tal caso, as temperaturas necessáriasnão são maiores do que cerca de 250°C. De fato, geralmente,temperaturas não maiores do que cerca de 20°C são necessá-rias para decompor a porção degradável e produzir nanopartí-culas de catalisador desta.

Dependendo da fonte de energia empregada, o vasode reator deve ser designado a fim de não causar depósitodas nanoparticulas de metal no próprio vaso (ao invés do su-porte ou coletor) como um resultado da aplicação da fonte deenergia. Em outras palavras, se a fonte.de energia empregadafor calor, e o vaso de reator por si próprio tornar-se aque-cido em uma temperatura em ou um pouco mais alta do que atemperatura de decomposição da porção degradável durante oprocesso de aplicação de calor na porção degradável para re-alizar a decomposição, em seguida, a porção degradável de-comporá nas paredes do vaso de reator, desse modo, revestin-do as paredes do vaso de reator com nanoparticulas de metalem vez de depositar as nanoparticulas de metal no suporte ouno coletor (uma exceção a esta regra geral ocorre se as pa-redes do vaso estiverem tão quentes que a carbonila degradá-vel decompõe-se dentro do vaso de reator e não nas paredesdo vaso, como discutido em maiores detalhes abaixo).

Uma maneira de evitar isto é direcionar a energiadiretamente ao suporte ou coletor. Por exemplo, se o calorfor a energia aplicada para decomposição da porção degradá-vel, o suporte ou coletor pode ser equipado' com uma fonte decalor por si própria, tal como um aquecedor de resistênciana ou em uma superfície do suporte ou coletor tal que o su-porte ou o coletor está na temperatura necessária para de-composição da porção degradável e o vaso de reator por sipróprio não está. Desse modo, a decomposição ocorre no su-porte ou coletor e a decomposição de nanoparticulas de cata-lisador ocorre principalmente sobre o suporte ou sobre o co-letor. Quando a fonte de energia empregada for diferente decalor radiante, a fonte de energia pode ser escolhida talque a energia acopla-se com o suporte ou coletor, tal comoquando energia de microonda ou indução é empregada. Nesteexemplo, o vaso de reator deve ser formado a partir de ummaterial que é relativamente transparente à fonte de energi-a, especialmente quando comparado ao material do qual o su-porte ou o coletor é formado.

Similarmente, especialmente em situações quando osuporte ou o coletor está disposto fora do vaso de reatortal como quando um vaso de reator de fluxo total é empregadocom o suporte em seu terminal, onde as condições apropriadasde mistura de gás, pressão e temperatura existem de formaque a decomposição e deposição ocorram, a decomposição daporção degradável ocorre quando a porção está fluindo atra-vés do reator de fluxo-total e o vaso de reator deve sertransparente à energia empregada para decompor a porção de-gradável. Alternativamente, se ou não o coletor estiver den-tro do vaso de reator, ou fora dele, o vaso de reator podeser mantido em uma temperatura abaixo da temperatura de de-composição da porção degradável, onde o calor é a energiaempregada. Uma maneira em que o vaso de reator pode ser man-tido abaixo das temperaturas de decomposição da porção é a-través do uso de um meio de resfriamento como bobinas deresfriamento ou uma jaqueta de resfriamento. Um meio de res-friamento pode manter as paredes do vaso de reator abaixodas temperaturas de decomposição da porção degradável, aindapermite o calor passar por dentro do vaso de reator para a-quecer a porção degradável e causar a decomposição da porçãoe produção de nanoparticulas de catalisador.

Em uma modalidade alternativa que é especialmenteaplicável onde ambas as paredes do vaso de reator e dos ga-ses no vaso de reator estão geralmente igualmente suscetí-veis à energia de calor aplicada (tal como quando ambas sãorelativamente transparentes), o aquecimento das paredes dovaso de reator, quando o vaso de reator for um vaso de rea-tor de fluxo-total, em uma temperatura substancialmente maisalta do que a temperatura de decomposição da porção degradá-vel pode permitir as paredes de vaso de reator por si pró-prias agir como a fonte de calor. Em outras palavras, a ra-diação de calor das paredes de reator aquecerá os espaçosinternos do vaso de reator em temperaturas tão altas quantoa temperatura de decomposição da porção degradável. Dessemodo, a porção decompõe-se antes de impactar as paredes dovaso, formando nanoparticulas que são, em seguida, levadasjuntas com o fluxo de gás dentro do vaso de reator, especi-almente onde a velocidade de gás é realçada por um vácuo.Este método de gerar calor de decomposição dentro do vaso dereator é da mesma forma útil onde as nanoparticulas formadasa partir de decomposição da porção degradável estão sendoligadas a materiais de portador (como negro de fumo) da mes-ma forma sendo carregadas juntas com o fluxo dentro do vasode reator. A fim de aquecer as paredes do vaso de reator emuma temperatura suficiente para gerar temperaturas de decom-posição para a porção degradável dentro do vaso de reator,as parèdes do vaso de reator são preferivelmente aquecidasem uma temperatura que é significativamente mais alta que atemperatura desejada para decomposição da(s) porção(ões) de-gradável (véis) sendo alimentada(s) no vaso do reator, quepode ser a temperatura de decomposição da porção degradávelque tem a temperatura de decomposição mais alta dessas a seralimentadas no vaso de reator ou uma temperatura selecionadapara obter uma taxa de decomposição desejada para as porçõespresentes. Por exemplo, se a porção degradável que tem atemperatura de decomposição mais alta dessas a ser alimenta-das no vaso de reator for carbonila de níquel, tendo umatemperatura de decomposição de cerca de 50°C, em seguida asparedes do vaso do vaso devem ser aquecidas preferivelmentea uma temperatura tal que o porção seja aquecida em seus vá-rios (pelo menos três) milímetros das temperaturas de decom-posição das paredes do vaso do reator. A temperatura especí-fica é selecionada com base na pressão interna, composição etipo de porção, mas geralmente não é maior que cerca de250°C e é tipicamente menor que cerca de 200°C para garantirque os espaços internos do vaso de reator sejam aquecidos empelo menos 50°C.

Em todo caso, o vaso do reator, bem como os ali-mentadores, podem ser formados de qualquer material que sa-tisfaça as exigências de temperatura e pressão discutidasacima. Tais materiais incluem um metal, grafita, plásticosde alta densidade ou similares. Mais preferivelmente, o vasode reator e componentes relacionados são formados de um ma-terial transparente, tal como quartzo ou outras formas devidro, incluindo vidro robusto de alta temperatura comerci-almente disponível como materiais de Pyrex®.

O controle da natureza da porção degradável intro-duzida no vaso de reator através de cada alimentador, a taxade alimentação de cada porção degradável, e a ordem na qualespécies diferentes são alimentadas no vaso de reator (espe-cialmente quando o vaso de reator é um vaso de reator defluxo total), as partículas de catalisador produzidas podemser controladas a um grau muito maior que previamente pensa-do possível. Pretende-se que uma porcentagem significativa-mente mais alta da partícula de catalisador desejada especí-fica (referida como a partícula principal) seja produzidapor este do que por métodos convencionais. Por exemplo, seuma partícula de catalisador contendo uma relação de átomosde níquel para átomos de ferro para átomos de manganês de3:2:2 é desejada, uma porcentagem mais alta de 3:2:2 de par-tículas será produzida (quando comparada, por exemplo, 3:3:3ou 1:1:3, etc. partículas), que acredita-se ser possível u-tilizar métodos da técnica anterior.

Como notado, isto pode ser realizado através docontrole dos alimentadores que alimentam a porção degradá-vel. Utilizando o exemplo dado acima, se houver cinco ali-mentadores que se alimentam no vaso do reator, três dos ali-mentadores podem estar alimentando carbonila de níquel,Ni(CO)4, um dos alimentadores pode estar alimentando nona-carbonila de diferro, Fe2 (CO) g, e um dos alimentadores podeestar alimentando decacarbonildimanganês, Mn2(CO)i0. Quandoas carbonilas individuais são proporcionadas de uma maneirapré-determinada e decompostas na reação inventiva, as espé-cies metálicas podem ser produzidas nas relações de 3:2:2desejadas, e combinam-se para formar as partículas de cata-lisador desejadas. As porções também são proporcionadas uti-lizando a taxa de decomposição de cada porção individual pa-ra a temperatura à qual o sistema está sendo controlado.

Além disso, através da variação da taxa de alimen-tação de alimentadores individuais, mais variação ainda pode ser obtida. Em outras palavras, enquanto pode em alguns ca-sos ser possível pôr simplesmente mais alimentadores em ser-viço ou tirar alimentadores do serviço, ou utilizar combina-ções diferentes de porções degradáveis para fornecer uma am-pla variedade de partículas de catalisador que têm componen- tes construídos (ou pré-determinados), é da mesma forma pos-sível obter constituintes de partícula diferentes mudando-sea taxa de alimentação (isto é, a taxa de fluxo da porção de-gradável alimentada através de cada alimentador), para for-necer as relações diferentes de espécies metálicas. Desse modo, se três alimentadores estão alimentando carbonila deníquel, Ni(CO)4, um alimentador está alimentando nonacarbo-nila de diferro, Fe2(CO)9, e um alimentador está alimentandodecacarbonildimanganês, Mn2(CO)iO, a maioria de qualquer com-posição de ferro de níquel e manganês pode ser produzida porcontrole da taxa de fluxo de cada dentre os alimentadores emoperação.

Onde o vaso de reator é um vaso de reator de fluxototal como descrito acima, mais variação ainda é possível,especialmente se os alimentadores são organizados consecuti-vamente ao longo do comprimento do vaso de reator. Desta ma-neira, a ordem de alimentação das porções degradáveis podeser controlada, além da presença relativa de daquelas indi-viduais de várias porções degradáveis. Como um resultado, aorientação dos átomos individuais na partícula de catalisa-dor pode ser controlada. Por exemplo, através da alimentaçãode carbonila de níquel, Ni(CO)4 através dos três alimentado-res iniciais (tirados em ordem ao longo do fluxo de gás a-través do vaso do reator) seguido por um alimentador que a-limenta nonacarbonila de diferro, Fe2(CO)5, e um alimentadorque alimenta decacarbonildimanganês, Mn2 (CO) i0, uma partículaprincipal de relação de 3:2:1 pode ser produzida como discu-tido acima, mas a própria partícula terá um núcleo de níquelcom átomos de ferro e manganês organizados em torno do nú-cleo (assumindo que as porções degradáveis são decompostasquando elas fluem ao longo do vaso do reator). Adequadamen-te, não apenas pode o sistema inventivo produzir uma porcen-tagem mais alta de partículas principais do que os métodosconvencionais, mas uma orientação específica de átomos naspartículas pode ser produzida.

Desse modo, no processo da presente invenção, por-ções contendo metal degradável são alimentadas em um vaso dereator e expostas a uma fonte de energia suficiente para de-compor as porções e produzir nanopartículas de catalisador;através do controle de um ou todas da natureza da porção de-gradável introduzida no vaso de reatoratravés de cada ali-mentador, da taxa de alimentação de cada porção degradável,e da ordem na qual espécies diferentes são alimentadas novaso de reator, uma porcentagem mais alta de partículasprincipais é obtida do que previamente pensado possível.

As porções degradáveis são alimentadas em um rea-tor de sistema fechado sob vácuo ou na presença de um gásinerte; semelhantemente, as porções são alimentadas em umreator de fluxo total onde o fluxo é criado tirando-se umvácuo ou fluindo-se um gás inerte através do reator de fluxototal. A energia aplicada é suficiente para decompor a por-ção degradável no reator ou quando fluindo-se através do re-ator, e liberar o metal da porção e desse modo criar nano-partículas de catalisador que são depositadas em um suporteou em um coletor. Onde o calor é a energia utilizada paradecompor a porção degradável, temperaturas não maiores quecerca de 250°C, mais preferivelmente não maiores que cercade 200°C são requeridas para produzir nanopartículas de ca-talisador, que podem ser depositadas em seguida diretamentesobre o substrato para o qual eles são finalmente destinadosou coletados para uso posterior sem necessitar do uso departículas de portador e em um processo que requer apenassegundos e não sob condições extremas de temperatura e pres-são. Realmente, em certas modalidades, o processo inventivopode requerer menos que cerca de 5 segundos para a produçãode nanopartículas de metal.

Em uma modalidade preferida, uma pluralidade dealimentadores alimenta cujas porções degradáveis no. vaso doreator. Deste modo, todos os alimentadores podem alimentar amesma porção degradável ou alimentadores diferentes podemalimentar porções degradáveis diferentes, tal como carboni-Ias de metal adicionais, para fornecer nanoparticulas quecontêm metais diferentes tais como combinações de platina-niquel ou combinações de niquel-ferro quando desejado, emproporções determinadas pela quantidade da porção degradávelalimentada no vaso de reator. Por exemplo, por alimentaçãode porções degradáveis diferentes através de alimentadoresdiferentes, alguém pode produzir uma nanoparticula que temum núcleo de um primeiro metal, com domínios de um segundoou terceiro, etc. metal revestido neste. Realmente, comodescrito acima, alterar a porção degradável alimentada novaso de reator através de cada alimentador pode alterar anatureza e/ou constituição das nanoparticulas produzidas. Emoutras palavras, se proporções diferentes de metais queconstituem as nanoparticulas, ou orientações diferentes dosmetais que constituem as nanoparticulas são desejadas, a al-teração da porção degradável alimentada no vaso de reatoratravés de cada alimentador pode produzir tais proporçõesdiferentes ou orientações diferentes como podem variações emtemperatura ao longo do vaso.

Realmente, no caso do vaso de reator de fluxo to-tal, cada um dos alimentadores pode ser disposto em torno dacircunferência do conduíte que forma o vaso de reator apro-ximadamente no mesmo local, ou os alimentadores podem serdispostos ao longo do comprimento do conduíte para alimentaras porções degradáveis no vaso de reator em locais diferen-tes ao longo da trilha de fluxo do conduíte para fornecermais controle das nanoparticulas produzidas.Portanto, é um objetivo da presente invenção for-necer um processo para a produção de nanoparticulas de cata-lisador construídas.

É outro objetivo da presente invenção fornecer umprocesso capaz de produzir continuamente nanoparticulas decatalisador de metal não nobre construídas depositadas em umsuporte sob condições de temperatura e/ou pressão menos ex-tremas do que processos convencionais.

É ainda outro objetivo da presente invenção forne-cer um processo capaz de produzir nanoparticulas de catali-sador construídas onde a porcentagem de partículas princi-pais produzidas é maior do que previamente possível.

É um outro objetivo da presente invenção fornecerum aparato que permita a produção de nanoparticulas de cata-lisador de metal não nobre construídas.

É ainda outro objetivo da presente invenção forne-cer um aparato que permita a produção de nanoparticulas decatalisador construídas em um' processo contínuo.

Estes objetivos e outros que ficarão evidentes aotécnico versado ao ler a descrição seguinte, podem ser al-cançados através da alimentação, preferivelmente alimentaçãocontínua, pelo menos uma porção degradável selecionada apartir do grupo de compostos organometálicos, complexos demetal, compostos de coordenação de metal, e misturas destesem um vaso de reator, em que o metal é pref erivelmente ummetal não nobre, e outro onde pelo menos um da natureza daporção degradável introduzido no vaso de reator através decada alimentador, da taxa de alimentação de cada porção de-gradável, e a ordem em que as espécies diferentes são ali-mentadas no vaso de reatoré controlada; expor a porção de-gradável a uma fonte de energia suficiente para decompor aporção e produzir nanoparticulas de catalisador; e depositaras nanoparticulas de catalisador em um suporte ou coletar asnanoparticulas de catalisador em um coletor. Preferivelmen-te, a porção degradável compreende uma carbonila de metal.

Em uma modalidade vantajosa da invenção, a tempe-ratura dentro do vaso de reator não é maior que cerca de250°C. A pressão dentro do vaso de reator é preferivelmentegeralmente atmosférica, mas pressões que variam entre cercade 1 mm a cerca de 2000 mm podem ser empregadas. O vaso dereator é formado preferivelmente de um material que é rela-tivamente transparente à energia fornecida pela fonte de e-nergia, quando comparada ao suporte ou ao coletor em que asnanoparticulas de catalisador são depositadas ou coletadasou às próprias porções degradáveis, tal como onde a fonte deenergia é calor radiante. Na realidade, o suporte ou coletorpode ter incorporado nele um aquecedor de resistência, ou afonte de energia pode ser uma lâmpada de aquecimento. 0 vasode reator pode ser resfriado, tal como por um meio de res-friamento como bobinas de resfriamento ou uma jaqueta deresfriamento disposta em torno do vaso do reator.

O coletor pode ser um coletor de partícula adequa-do ciclônico ou centrífugo ou outro; o suporte pode ser umsuporte que é o substrato de uso final para as nanoparticu-las de catalisador produzidas dentro do vaso do reator, talcomo um componente de um sistema de máquina de combustão in-terna, conversor catalítico, especialmente automotivo ou umapilha termelétrica ou membrana de eletrólise ou eletrodo. 0suporte ou coletor pode estar posicionado dentro do vaso doreator. Porém, o vaso de reator pode ser um vaso de reatorde fluxo total que compreende um conduite, caso em que o su-porte ou coletor pode ser disposto externo ao vaso de reatorou dentro do vaso do reator.

Deve ser entendido que tanto a descrição geralprecedente quanto a seguinte descrição detalhada apresentamas modalidades da invenção, e estão destinadas a forneceruma avaliação ou estrutura para entender a natureza e cará-ter da invenção como é reivindicada. Os desenhos acompanhan-tes são incluídos para fornecer um outro entendimento e sãoincorporados em e constituem uma parte desta especificação.Os desenhos ilustram várias modalidades da invenção, e jun-tos com a descrição servem para explicar os princípios e o-perações da invenção.

Fig. 1 é uma vista do plano lateral de um aparatopara a produção de nanopartículas de catalisador que utili-zam um vaso de reator de "sistema fechado" de acordo com oprocesso da presente invenção.

Fig. 2 é uma vista do plano lateral de uma modali-dade alternativa do aparato da Fig. 1.

Fig. 3 é uma vista do plano lateral de um aparatopara a produção de nanopartículas de metal utilizando um va-so de reator de "fluxo total" de acordo com a presente in-venção .Fig. 4 é uma modalidade alternativa do aparato daFig. 3.

Fig. 5 é outra modalidade alternativa do aparatoda Fig. 3, utilizando um suporte externo para o vaso de rea-tor de fluxo total.

Melhor Modo Para Realizar a Invenção

Referindo-se agora aos desenhos, um aparato noqual o processo inventivo para a produção de nanoparticulasde metal pode ser praticado é geralmente designado pelo nu-merai 10 ou 100. Nas Figs. 1 e 2, o aparato 10 é um sistemafechado que compreende o vaso de reator fechado 20 conside-rando que nas Figs. 3-5, o aparato 100 é um aparato de rea-ção de fluxo total que compreende o vaso de reator de fluxototal 120.

Será notado que Figs. 1-5 mostram o aparato 10,100 em uma certa orientação. Porém, será reconhecido que ou-tras orientações são igualmente aplicáveis para o aparato10, 100. Por exemplo, quando sob vácuo, o vaso de reator 20pode estar em qualquer orientação quanto à eficácia. Igual-mente, no vaso de reator de fluxo total 120, o fluxo de gásde portador inerte e porções degradáveis ou o fluxo de por-ções degradáveis quando tirados por um vácuo nas Figs. 3-5pode estar em qualquer direção ou orientação particular eainda pode ser eficaz. Além disso, os termos "acima", "abai-xo", "direita" e "esquerda" quando utilizados aqui referem-se à orientação do aparato 10, 100 mostrado nas Figs. 1-5.

Referindo-se agora às Figs. 1 e 2, como discutidoacima, aparato 10 compreende um vaso de reator de sistemafechado 20 formado de qualquer material adequado para o pro-pósito e capaz de resistir as condições exigentes para a re-ação proceder internamente incluindo condições de temperatu-ra e/ou pressão. Vaso do reator 20 inclui um orifício de a-cesso 22 para fornecer um gás inerte tal como argônio parapreencher os espaços internos do vaso de reator 20 , o gásinerte sendo fornecido por uma bomba convencional ou similar(não mostrado). Semelhantemente, como ilustrado na Fig. 2, oorifício 22 pode ser utilizado para fornecer um vácuo nosespaços internos do vaso de reator 20 utilizando uma bombaá vácuo ou dispositivo similar (não mostrado). Para a reaçãoproceder bem sucedidamente sob vácuo no vaso de reator 20 ,não é necessário que uma condição a vácuo extrema seja cria-da. Pressões bastante negativas não menores que cerca de 1mm, preferivelmente não menores que cerca de 250 mm, são to-das que são requeridas.

O vaso de reator 20 tem disposto nele um suporte30 que pode ser ligado diretamente ao vaso de reator 20 oupode ser posicionado nas pernas 32a e 32b dentro de vaso dereator 20. O vaso de reator 20 da mesma forma compreendeuma abertura selável mostrada em 24 para permitir o vaso dereator 20 ser aberto depois que a reação é concluída pararemover o suporte 30. O fechamento 24 pode ser um fechamentoatravessado ou um fechamento por pressão ou outros tipos desistemas de fechamento, contanto que eles sejam suficiente-mente escassos de ar para manter o gás inerte ou o nível de-sejado de vácuo dentro de vaso de reator 20.Aparato 10 também compreende pelo menos um alimen-tador 40, e preferivelmente uma pluralidade de alimentadores40a e 40b, para alimentar os reagentes, mais especificamentea porção degradável, no vaso de reator 20 . Como ilustradonas Figs. 1 e 2, dois alimentadores 40a e 40b são forneci-dos, embora seja antecipado que outros alimentadores podemser empregados dependendo da natureza da porção/porções de-gradável (veis ) introduzida(s) no vaso 20 e, especialmente,nas nanoparticulas de catalisador de produto final deseja-das. Alimentadores 40a e 40b podem ser alimentados atravésde aparato de bombeamento adequado para a porção degradáveltal como bombas venturi ou similares (não mostradas).

Como ilustrado na Fig. 1, o aparato 10 também com-preende uma fonte de energia capaz de causar a decomposiçãoda porção degradável. Nas modalidades ilustradas na Fig. 1,a fonte de energia compreende uma fonte de aquecimento, talcomo uma lâmpada de aquecimento 50, embora outras fontes deaquecimento radiantes também possam ser empregadas. Alémdisso, como discutido acima, a fonte de energia pode ser umafonte de energia eletromagnética, tal como luz infraverme-lha, visível ou ultravioleta, energia de microondas, ondaseletromagnéticas ou outras formas de energia, visto que fi-caria familiar ao técnico versado, contanto que a energiaempregada seja capaz de causar a decomposição da fração de-gradável.

Em uma modalidade, a fonte de energia pode forne-cer energia que é preferencialmente capaz de acoplar-se aosuporte 30 para facilitar o depósito das nanoparticulas decatalisador produzidas por decomposição da porção degradávelsobre o suporte 30. Porém, onde uma fonte de energia tal co-mo calor é empregada, a qual da mesma forma aqueceria o vasode reator 20, pode ser desejável resfriar o vaso de reator20 utilizando-se, por exemplo, tubos de resfriamento 52(mostrados parcialmente desprendidos) tal que o vaso de rea-tor 20 é mantido em uma temperatura abaixo da temperaturade decomposição da porção degradável. Deste modo, a porçãodegradável não se decompõe nas superfícies do vaso de reator20 mas de preferência no suporte 30.

Em uma modalidade alternativa ilustrada na Fig. 2,suporte 30 propriamente dito compreende a fonte de energiapara decomposição da porção degradável. Por exemplo, um a-quecedor de resistência acionado através da conexão 34 podeser incorporado no suporte 30 tal que apenas o suporte 30está na temperatura de decomposição da porção degradável,tal que a porção degradável se decompõe no suporte 30 e as-sim produz nanopartículas de catalisador depositadas no su-porte 30. Igualmente, outras formas de energia para decompo-sição da porção degradável podem ser incorporadas no suporte30.

Suporte 30 pode ser formado de qualquer materialsuficiente por ter depósito nele de nanopartículas de cata-lisador produzidas por decomposição da porção degradável,tal como o óxido de alumínio ou outros componentes de umconversor catalítico automotivo (ou outra máquina de combus-tão interna), ou o eletrodo ou membrana de uma pilha terme-létrica ou célula de eletrólise. Realmente, onde a fonte deenergia é por si mesma embutida em ou associada com o supor-te 30, a deposição seletiva das nanoparticulas de metal ca-taliticas pode ser obtida para aumentar a eficiência da rea-ção catalitica e reduzir as ineficiências ou colocação demetal catalitico perdido. Em outras palavras, a fonte de e-nergia pode ser embutida dentro do suporte 30 no padrão de-sejado para deposição do metal de catalisador, tal que a de-posição do metal de nano-escala de catalisador pode ser co-locada onde a reação catalitica é desejada. Em uma modalida-de, suporte 30 pode ser revestido com um revestimento adesi-vo ou um fluoroelastômero, que pode ser utilizado para darpropriedades alternativas ao suporte 30. Alternativamente, osuporte 30 pode ser substituído por um dispositivo de cole-ção para coleção das nanoparticulas de metal produzidas, talcomo um coletor ciclônico ou centrífugo (não mostrado).

Em outra modalidade da invenção, como ilustradonas Figs. 3-5, o aparato 100 compreende um vaso de reator defluxo total 120 que inclui um orifício, denotado 122, parafornecer um gás inerte ou retirar um vácuo do vaso de reator120 para desse modo criar o fluxo para as porções degradá-veis ser reagidas para produzir nanoparticulas de catalisa-dor. Além disso, o aparato 100 inclui alimentadores 140a,140b, 140c que podem ser dispostos em torno da circunferên-cia do vaso de reator 102, como mostrado na Fig. 5, ou, naalternativa, consecutivamente ao longo do comprimento do va-so de reator 120, como mostrado nas Figs. 3 e 4.

Aparato 100 da mesma forma compreende o suporte130 sobre ou em que nanoparticulas de catalisador são depo-sitadas. Suporte 130 pode ser posicionado nas pernas 132a e132b ou, no caso de uma fonte de energia ser incorporada nosuporte 130, como um aquecedor de resistência, o controle einstalação elétrica para a fonte de energia no suporte 130podem ser fornecidos através da linha 134, como ilustrado naFig. 4. O suporte 130 pode ser revestido com um revestimentoadesivo ou um fluoroelastômero, que pode ser utilizado paradar propriedades alternativas ao suporte 130. Alternativa-mente, suporte 130 pode ser substituído por um dispositivode coleção para. coleção das nanopartículas de metal produzi-das, tal como um coletor ciclônico ou centrífugo (não mos-trado).

Como ilustrado nas Figs. 3 e 4, quando o suporte130 está disposto dentro do vaso de reator de fluxo total120, um orifício 124 é da mesma forma fornecido para remoçãodo suporte 130 com nanopartículas de catalisador depositadasnele. Além disso, o orifício 124 deve ser estruturado talque permite o gás inerte alimentado através do orifício 122e que flui através do vaso de reator 120 emergir o vaso dereator 120 (como mostrado na Fig. 3). O orifício 124 podemser selado da mesma maneira como o fechamento 24 discutidoacima com respeito ao aparato de sistema fechado 10. Em ou-tras palavras, orifício 124 pode ser selado através de umfechamento atravessado ou fechamento por pressão ou outrostipos de estruturas de fechamento visto que ficariam famili-ares ao técnico versado.

Como ilustrado na Fig. 5, entretanto, o suporte130 pode ser disposto externamente ao vaso de reator 120 noaparato de reator de fluxo total 100. Nesta modalidade, ovaso de reator de fluxo total 120 compreende um orifício 124através do qual o suporte 130 como nanoparticulas de catali-sador é depositado no suporte 130. Deste modo não é mais ne-cessário ganhar acesso ao vaso de reator 120 para remover osuporte 130 tendo nanoparticulas de catalisador depositadasnele. Além disso, durante o choque das porções degradáveispara formar as nanoparticulas de catalisador no suporte 130,orifício 126 ou suporte 130 pode ser ajustado para fornecerum choque em nanoparticulas de catalisador produzidas emcertas áreas específicas do suporte 130. Isto é especialmen-te útil nas circunstâncias onde o suporte 130 compreende osubstrato de uso final para as nanoparticulas de catalisadortal como o componente de um conversor catalítico ou eletrodopara pilhas termelétricas. Desse modo, as nanoparticulas decatalisador são apenas depositadas onde desejado e, eficiên-cia e diminuição de metal catalítico perdido são. facilita-das .

Como discutido acima, o vaso de reator 20, 120 po-de ser formado de qualquer material adequado para uso na re-ação fornecida, ele pode resistir a temperatura e/ou pressãoà qual a decomposição da porção degradável ocorre. Por exem-plo, o vaso de reator deve ser capaz de resistir temperatu-ras até cerca de 250°C onde o calor é a energia utilizadapara decompor a porção degradável. Embora muitos materiaissejam antecipados como sendo adequados, incluindo metais,plásticos, cerâmicas e materiais tal como grafita, preferi-velmente vasos do reator 20, 120 são formados de um materialtransparente para fornecer observação da reação quando esti-ver procedendo. Desse modo, o vaso de reator 20, 120 é pre-ferivelmente formado de quartzo ou um vidro tal como materi-al de marca Pyrex® disponível de Corning, Inc. of Corning,New York.

Na prática da invenção, um fluxo de um gás inertetal como argônio ou um vazio é retirado do vaso de reator 20120 e uma corrente de porções degradáveis é alimentada novaso de reator 20, 120 por alimentadores 40a, 40b, 140a,140b, 140c, em que pelo menos um da natureza da porção de-gradável introduzida no vaso de reator através de cada ali-mentador, a taxa de alimentação de cada porção degradável, ea ordem na qual espécies diferentes são alimentadas no vasode reator são controladas. As porções degradáveis podem serqualquer metal que contém a porção tal como um composto or-ganometálico, um complexo ou um composto de coordenação, talcomo uma carbonila de metal que pode ser decomposta por e-nergia nas condições de decomposição desejadas de pressão etemperatura. Por exemplo, se o calor é a fonte de energia, aporção degradável deve ser submetida à decomposição e produ-ção de nanopartículas de metal em temperaturas não maioresque 250°C, mais preferivelmente não maiores que 200°C. Ou-tros materiais, tal como oxigênio, podem da mesma forma seralimentados no reator 20, 120 para parcialmente oxidar asnanopartículas de metal produzidas por decomposição da por-ção degradável, para proteger as nanopartículas da degrada-ção. Ao contrário, um material redutor tal como hidrogêniopode ser alimentado no reator 20, 120 para moderar ou redu-zir a oxidação das nanoparticulas de catalisador.

A energia para decomposição da porção degradável éem seguida fornecida à porção degradável dentro de vaso dereator 20 , 120 através de, por exemplo, lâmpada de aqueci-mento 50, 150. Se desejado, o vaso de reator 120 pode damesma forma ser resfriado resfriando-se as bobinas 52, 152para evitar o depósito de nanoparticulas de catalisador so-bre a superfície do vaso de reator 20 , 120 ao invés do su-porte 30, 130. Nanoparticulas de catalisador produzidas peladecomposição das porções degradáveis são, em seguida, depo-sitadas sobre o suporte 30, 130 para uso.

Desse modo, a presente invenção fornece um meiofácil para produzir nanoparticulas de catalisador que têmuma porcentagem alta de partículas principais, e, de fato,que têm uma orientação pré-determinada, sem a necessidade deextremos de temperatura e pressão requeridas por processosda técnica anterior. Além disso, quando um aparato de "fluxototal" é utilizado, o processo é da mesma forma contínuo,fornecendo economias desejadas de escala.

Todas as patentes, pedidos de patente e publica-ções citados referidos aqui estão incorporados através dereferência.

A invenção que é, desse modo, descrita ficará evi-dente que pode ser variada de muitas maneiras. Tais varia-ções não devem ser consideradas como uma divergência do es-pírito e escopo da presente invenção e todas as tais modifi-cações visto que ficariam evidentes por alguém versado natécnica são pretendidas ser incluídas dentro do escopo dasseguintes reivindicações.

Claims (19)

1. Processo, para produzir partículas de catalisa-dor de nano-escala, CARACTERIZADO pelo fato de compreender:a) alimentação de pelo menos uma porção degradávelselecionada a partir do grupo que consiste em compostos or-ganometálicos, complexos de metal, compostos de coordenaçãode metal e misturas destes em um vaso do reator, em que anatureza da porção degradável introduzida no vaso do reatoratravés de cada alimentador, a taxa de alimentação de cadaporção degradável, ou a ordem em que espécies diferentes sãoalimentadas no vaso do reator é controlada;b) exposição da porção degradável a uma fonte deenergia suficiente para degradar a porção e produzir partí-culas de catalisador de nano-escala; ec) deposição das partículas de catalisador de na-no-escala em um suporte ou coleta das partículas de catali-sador de nano-escala em um coletor.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de compreender a alimentação contí-nua de pelo menos uma porção degradável selecionada a partirdo grupo que consiste em compostos organometálicos, comple-xos de metal, compostos de coordenação de metal e misturasdestes em um vaso do reator.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o controle da natureza daporção degradável introduzida no vaso do reator através decada alimentador, da taxa de alimentação de cada porção de-gradável, ou da ordem em que espécies diferentes são alimen-tadas no vaso do reator permite a pré-determinação dos cons-tituintes ou orientação das partículas principais produzi-das .

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a porção degradável compreen-de um metal não nobre.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a pelo menos uma porção de-gradável compreende uma carbonila de metal.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO pelo fato de que a carbonila de metal compre-ende uma carbonila de metal não nobre.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a temperatura dentro do vasodo reator não é superior a cerca de 250°C.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADO pelo fato de que um vácuo é mantido dentro dovaso do reator não inferior a cerca de 1 mm.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADO pelo fato de que uma pressão não superior acerca de 2000 mm é mantida com o vaso do reator.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o vaso do reator é formado apartir de um material que é relativamente transparente à e-nergia fornecida pela fonte de energia, quando comparado aocoletor ou às porções degradáveis.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a fonte de energia compreendeuma fonte de calor.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o suporte ou o coletor temincorporado nele um aquecedor de resistência.

13. Processo, de acordo com a reivindicação 11,CARACTERIZADO pelo fato de que a fonte de energia compreendeuma lâmpada de aquecimento.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 13,CARACTERIZADO pelo fato de também compreender resfriar o va-so do reator.

15. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o suporte é o substrato deuso final para as partículas de metal de nano-escala produ-zidas.

16. Processo, de acordo com a reivindicação 15,CARACTERIZADO pelo fato de que o suporte compreende um com-ponente de um conversor catalítico de motor de combustão in-terna.

17. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o suporte ou o coletor é po-sicionado dentro do vaso do reator.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que oxigênio é alimentado no vasodo reator para parcialmente oxidar as partículas de metal denano-escala produzidas por decomposição da porção degradável.

19. Processo, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que um material redutor é alimen-tado no vaso do reator para reduzir o potencial para oxida-ção da porção degradável.