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在微小中空金属球内表面配置催化剂，防止热凝聚提高尾气净化性能 2011/02/24 00:00 打印 E-mail [table=230][tr][td]  [/td][/tr][tr][td]图1：Metallic Cell的外观直径约0.01mm的中空球体，有裂缝状孔洞。[/td][/tr][/table] 日本物质材料研究机构开发出了能够提高尾气催化性能的微小中空金属球“Metallic Cell”（图1）[sup]*1[/sup]。使用铂（Pt）的Metallic Cell试制品性能约为传统材料的10倍（热凝聚耐受性），实用化后有望减少贵金属的使用量。 *1：本研究接受了日本文部科学省“世界顶级研究基地形成（WPI）项目”的援助。由日本物质材料研究机构半导体材料中心及国际纳米结构研究中心的研究组实施。 PS粒子气化冲破金属覆膜 Metallic Cell是直径为0.01mm左右的中空球体，为中空结构，表面有1处长0.001mm左右的裂口。也就是说，Metallic Cell并不密闭，除外表面外，内表面也与外界相通。 合成方法的流程如下（图2）。首先，在常温·常压的酒精溶剂中，通过化学还元的方式，使Pt覆膜在市售的聚苯乙烯（PS）微细粉末表面。具体方法是在溶解有Pt盐（H[sub]2[/sub]PtCl[sub]6[/sub]）和还元剂肼的酒精溶剂中掺入相当于盐的约1/3（质量比）的PS粉末，静置数小时[sup]*2 [/sup]。 *2：实际析出后，在60℃的温度下干燥12小时，去除多余溶剂。 [table=430][tr][td]  [/td][/tr][tr][td]图2：Metallic Cell的制造流程在PS粒子的整个表面析出金属覆膜后，加热至500℃，使PS气化。当PS气体从金属覆膜内部冲出后，金属覆膜部分破裂，出现孔洞。[/td][/tr][/table] 然后，把表面形成有Pt覆膜的PS粉末在大气中加热到500℃。此时，PS气化膨胀，Pt覆膜部分破裂出现孔洞。转化成气体的PS（PS气体）从孔洞喷出，只保留像壳一样的覆膜，形成中空金属球[sup]*3[/sup]。 *3：使PS气化后进行了了清洗。 这种合成方法除了Pt外，覆膜材料还可以采用铑（Rd）和钯（Pd）等用作催化剂的贵金属，以及铁（Fe）和铜（Cu）等金属，氧化铝（Al[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] ）等氧化物。而且还能够实现使用多种物质的多层结构。 此次试制的Metallic Cell是在PS粒子周围析出Pt的单层结构，使用不同物质进行多次析出还可以形成多层结构的Metallic Cell（图3）。例如在内表面和外表面配置金属催化剂，在中间层配置维持强度的材料，或是在内表面和外表面配置性质各异的物质。 [table=430][tr][td]  [/td][/tr][tr][td]图3：Metallic Cell的变化通过增加金属覆膜析出的次数，可以制成多层结构的Metallic Cell。形成双层结构后，内表面和外表面可以配置不同特性的催化剂，进一步形成3层结构后，中间层可以作为维持强度的结构材料。[/td][/tr][/table] 内表面不受热凝聚影响 在Metallic Cell的用途中，被寄予厚望的是尾气催化剂材料。原因是Metallic Cell对于造成尾气催化剂性能劣化的原因之一——热凝聚的耐受性高。传统催化剂一旦发生热凝聚，外表面附着Pt的球体会相互接触，从而导致催化活性点[sup]*4[/sup]减少，催化剂活性下降[sup]*5[/sup]。而Metallic Cell即使外表面接触，内表面依然能够保持隔离状态。 *4：催化活性点 在构成金属催化剂表面的原子中，对催化反应起主要作用的原子。催化剂材料一般是单位质量的催化活性点越多活性越高。 *5：尾气用催化剂一般是在球状支撑材料（基材）的表面上附着贵金属粒子。除了支撑材料会相互凝聚，使位于接触部的贵金属粒子丧失活性之外，贵金属粒子在支撑材料表面上的凝聚现象也时有发生。 实际上，在以Metallic Cell为尾气催化剂的一氧化碳（CO）氧化反应实验中，Metallic Cell实现了约10倍的热凝聚耐受性。具体方法是把使用Pt试制的Metallic Cell（Pt单层型）和仅在PS粉末上附加Pt覆膜的传统型（使用气化前的PS粉末模拟）催化剂分别取等量，观察其在高温（125℃）环境下的氧化反应（图4）。由此可以观察到Metallic Cell内表面的效果。 [table=430][tr][td]  [/td][/tr][tr][td]图4：催化性能的比较图中比较了使用等量Pt时，CO氧化量（摩尔数）的时间变化。纵轴表示氧化CO的累积量，曲线的斜率表示单位时间氧化的CO的量。[/td][/tr][/table]实验刚一开始催化能力（单位时间氧化的CO的摩尔数＝曲线的斜率）便出现了差异。这是因为，不同于只在球体表面反应的传统型，Metallic Cell在外表面和内表面都参与反应。表面积约为传统型的2倍。 随着反应时间的延长（热凝聚进行），催化能力之差进一步扩大。Metallic Cell曲线的斜率在60分钟附近仍未出现大的波动，而传统型的斜率逐渐缩小。在实验中，Metallic Cell在60分钟以内的催化能力是传统型的10倍以上。 传统型为了弥补热凝聚造成的催化剂活性下降，事先导入了过多的催化活性点。也就是使用了超过必需的Pt等稀有金属。因此，如果使用Metallic Cell提高热凝聚耐受性，很有希望削减其使用量。 Metallic Cell“优势在于其形状能够为球体内表面附加功能”（日本物质材料研究机构的有贺克彦）。例如由外表面吸收光线，在内表面使其反应等。有贺还表示“希望大家提出催化剂以外的应用创意”，其应用范围的扩大值得期待。（记者：中山 力） ■日文原文：微小な中空金属球の内面に触媒を配置、熱凝集を防ぎ排ガス浄化性能を向上 |
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铁虫 (小有名气)
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