使用離子束處理由氧化鈰制成的粉末的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的主題是通過(guò)離子束處理基于氧化鈰的粉末、尤其是基于氧化鈰的促進(jìn)劑 的方法,旨在增加促進(jìn)劑表面和內(nèi)部的氧的流動(dòng)性、降低用于還原促進(jìn)劑的溫度、增加與所 述促進(jìn)劑相關(guān)的反應(yīng)的產(chǎn)量并減少其促進(jìn)催化能力的催化劑的量。
【背景技術(shù)】
[0002] 應(yīng)記得,在催化作用中,促進(jìn)劑是通常以粉末形式提供的化合物,其增加催化劑的 催化能力,而其本身不具有固有的催化能力。
[0003] 基于氧化鈰的促進(jìn)劑應(yīng)理解為是指包含至少一個(gè)鈰原子和一個(gè)氧原子的促進(jìn)劑。 該促進(jìn)劑家族以其儲(chǔ)存并釋放氧的能力而眾所周知,并尤其用于機(jī)動(dòng)車(chē)消聲器中?;谘?化鈰的促進(jìn)劑作為涉及Ce4+/Ce3+對(duì)的氧化/還原反應(yīng)的氧的儲(chǔ)庫(kù)。例如,它們可以通過(guò)加 寬空氣/燃料調(diào)節(jié)窗增加三元催化沉積效力。
[0004] 多年來(lái),與環(huán)境有關(guān)的問(wèn)題已經(jīng)大規(guī)模增加。主要問(wèn)題之一是由機(jī)動(dòng)車(chē)引起的大 氣污染。為了限制機(jī)動(dòng)車(chē)的污染,尤其是一氧化碳(C0)、碳?xì)浠衔铮℉C)和氮氧化物(NOx) 的排放,汽車(chē)已經(jīng)逐漸配備催化轉(zhuǎn)化器。后者的作用是將有害的污染分子(C0、HC和NOx) 轉(zhuǎn)化為無(wú)毒實(shí)體(C02、NjP Η 20):這是"三元"催化。最近幾年,氧化鈰-氧化鋯固體溶液似 乎在以氧化鈰為代價(jià)的三元催化劑制劑中占優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出高的氧儲(chǔ)存能力且能經(jīng) 受高溫處理。然而,在低溫條件下啟動(dòng)引擎期間使用催化轉(zhuǎn)化器的條件使得進(jìn)一步改進(jìn)這 些氧化物在低溫下的氧化還原作用效率成為必要,事實(shí)上甚至是強(qiáng)制的。對(duì)Ce-Sn-Ο三元 系統(tǒng)的最新研究表明燒綠石型Ce2Sn207-Ce2Sn 20s氧化物也表現(xiàn)出氧儲(chǔ)存性質(zhì)。
[0005] 該導(dǎo)致需要處理基于氧化鈰的粉末、尤其是為基于氧化鈰的粉末形式的促進(jìn)劑的 方法,其在低溫下顯示出改進(jìn)的氧化還原效率,優(yōu)選地,根據(jù)可以容易地在工業(yè)規(guī)模上操作 的方法,使得能夠以大量和合理的成本提出這種粉末,尤其是促進(jìn)劑。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的是提出一種用于生產(chǎn)粉末形式的氧化鈰促進(jìn)劑的方法,其相對(duì)便 宜,且其可以獲得對(duì)應(yīng)于眾多應(yīng)用要求的粉末量。
[0007] 因此,本發(fā)明提供一種通過(guò)離子束處理氧化鈰粉末、尤其是粉末形式的氧化鈰促 進(jìn)劑的方法,其中:
[0008] -在處理期間將粉末混合一次或多次;
[0009] -離子束的離子選自下組元素:氦(He)、硼(B)、碳(〇、氮(N)、氧(0)、氖(Ne)、氬 (Ar)、氣(Kr)和氣(Xe);
[0010] -離子的加速電壓大于或等于10kV且小于或等于1000kV ;
[0011] -粉末的溫度小于或等于1/3,其中是所述粉末的熔點(diǎn)并用開(kāi)氏溫標(biāo)表示;
[0012] -在處理結(jié)束時(shí)每單位待處理粉末重量的累積總離子劑量選擇為1016個(gè)離子/克 粉末至1022個(gè)離子/克粉末,從而降低用于還原基于氧化鈰的粉末的溫度。
[0013] 在本發(fā)明上下文中,"混合(to mix) "或"混合(mixing) "應(yīng)理解為是指攪拌粉末 以便混合其中的顆粒的事實(shí)。
[0014] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式,在處理結(jié)束時(shí)每單位待處理粉末重量的累積總離子劑量為 1〇18個(gè)離子/克粉末至10 2°個(gè)離子/克粉末。
[0015] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式,粉末設(shè)置為粉末層的形式,且根據(jù)重復(fù)性的束外 (out-of-beam)方法,將粉末層混合一次或多次,所述束外方法例如在于,在各處理之前,將 粉末并入處理區(qū)域的一個(gè)點(diǎn),然后用細(xì)刷的方式再次將其鋪展在相同的鋪展表面。該鋪展 的粉末的平均厚度基本上等于其重量除以其密度和其鋪展表面積之積。鑒于通過(guò)粉末中的 離子覆蓋的距離有限(其可以小于粉末的鋪展厚度),期望將該鋪展操作重復(fù)若干次,從而 使得位于不受束影響的深層的顆粒具有足夠高的概率能夠至少一次暴露于束。該混合方法 不受限制;例如,它可能可以選擇另一種在束下通過(guò)振動(dòng)裝置(碗、盤(pán)等)的連續(xù)混合方法, 所述振動(dòng)裝置在處理期間將粉末收集、混合并暴露于束。
[0016] 根據(jù)一個(gè)可以確保最優(yōu)混合的實(shí)施方式,粉末的混合重復(fù)最小次數(shù),以確保大量 粉末顆粒已經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)上進(jìn)行處理,從而獲得降低還原溫度的效果。發(fā)明人已經(jīng)能夠用實(shí)驗(yàn) 方法證實(shí)改最小次數(shù)對(duì)應(yīng)于以下規(guī)則:最小次數(shù)約等于表面上鋪展的粉末厚度除以粉末中 被離子束覆蓋的距離;該次數(shù)必須大于或等于2以防止負(fù)面的邊緣效應(yīng)。通過(guò)離子覆蓋的 距離可以通過(guò)開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售以促進(jìn)或進(jìn)行這種計(jì)算的軟件來(lái)估計(jì),例如,諸如尤其由James F. Ziegler 開(kāi)發(fā)的以名稱(chēng)"SRIM"( "The Stopping and Range of Ions in Matter")和 "TRIM"( "The Transport of Ions in Matter")銷(xiāo)售的軟件。
[0017] 如上所示,根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式,粉末在束下通過(guò)在處理期間振動(dòng)它(例如振動(dòng) 碗或盤(pán))而混合,使得粉末顆粒能夠位于深層,以具有上升到表面的大概率,從而在處理期 間至少一次暴露于束。可以認(rèn)為,處理持續(xù)時(shí)間取決于用固定強(qiáng)度的束處理給定量的粉末 (用克表示)所需的總離子劑量。期望處理充分有效以使得能夠處理大量顆粒,從而在最優(yōu) 條件下獲得期望效果。對(duì)于高強(qiáng)度,換句話說(shuō)對(duì)于相當(dāng)短的處理時(shí)間,期望有利于非常有效 且因此昂貴的混合工具(例如超聲波混合工具)從而使得粉末顆粒具有較大的概率至少一 次暴露于束。另一方面,如果粉末的混合證明由于使用便宜的工具而過(guò)度緩慢,可以預(yù)期降 低束強(qiáng)度并因此增加處理時(shí)間從而使得粉末顆粒具有暴露于束的較大概率。一些顆粒過(guò)度 暴露于束可能反映差的混合,這通過(guò)過(guò)度劑量可以損害期望的最優(yōu)效果,損害本身可以保 持不暴露于任何處理的其他顆粒。
[0018] 發(fā)明人已經(jīng)能夠建立離子束的兩個(gè)相關(guān)參數(shù),其可以通過(guò)本發(fā)明方法獲得期望效 果:離子的加速電壓和相對(duì)于待處理粉末量(以克表示)的處理劑量(用離子數(shù)表示),即 在處理結(jié)束時(shí)每單位待處理粉末重量的累積總劑量。
[0019] 粉末的處理程度可以與通過(guò)各種變化的工具(尤其根據(jù)非限制性形式,上述的兩 個(gè)實(shí)例)進(jìn)行的混合的效力有關(guān)。對(duì)于與粉末量(以克表示)有關(guān)的處理劑量(用離子數(shù) 表示),"粉末的處理程度"表示相對(duì)于起始粉末顆粒的總數(shù),已經(jīng)至少一次暴露于束的粉末 顆粒數(shù)的比例。例如,對(duì)于90%的程度,據(jù)估計(jì)10%顆粒由于在處理期間保持在不受離子 束影響的深層中而沒(méi)有暴露于束。90%剩余的顆粒暴露至少一次、實(shí)際上甚至若干次。0% (粉末不暴露)至趨于100% (從未實(shí)現(xiàn),因?yàn)椴还苋绾?,統(tǒng)計(jì)學(xué)存在不確定性)的這種處 理程度構(gòu)成了量化粉末混合效力的特征量。該處理程度對(duì)應(yīng)于待處理粉末顆粒暴露一次、 實(shí)際上甚至若干次的概率。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明方法的一種實(shí)施方式,處理后基于氧化鈰的粉末由經(jīng)處理或未處理的 顆粒組成,各顆粒被處理一次或多次,部分或完全覆蓋其整個(gè)表面,厚度不超過(guò)由離子覆蓋 的距離,從而增加體表和體內(nèi)氧的流動(dòng)性以降低用于還原所述粉末的溫度。
[0021] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式,對(duì)于相對(duì)于給定量的粉末的固定離子劑量,粉末所需的處理 程度大于或等于10%。根據(jù)一種實(shí)施方式,粉末所需的處理程度大于或等于50%且不超過(guò) 80%。因此期望效果可以用相對(duì)可接受的處理次數(shù)來(lái)提高。
[0022] 通常但非限制性地,基于氧化鈰的粉末由不同形狀(其可以近似為球形)和尺寸 的顆粒組成。尺寸分布可以通過(guò)粒徑分析來(lái)建立,所述粒徑分析是天然或分級(jí)材料的最終 組分集合的尺寸的統(tǒng)計(jì)分布的研究。粒徑分析是可以測(cè)定組成集合的組分尺寸分布的操作 的組合。基于氧化鈰的粉末通常由顆粒組成,其尺寸可以為lOmii到5微