WO1999008785A2 - Nano-porous aluminium oxide membranes containing noble metal clusters or noble metal nanoparticles - Google Patents

Nano-porous aluminium oxide membranes containing noble metal clusters or noble metal nanoparticles Download PDF

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WO1999008785A2
WO1999008785A2 PCT/EP1998/004863 EP9804863W WO9908785A2 WO 1999008785 A2 WO1999008785 A2 WO 1999008785A2 EP 9804863 W EP9804863 W EP 9804863W WO 9908785 A2 WO9908785 A2 WO 9908785A2
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nano
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Alfred Hagemeyer
Harald Werner
Uwe Dingerdissen
Klaus KÜHLEIN
Günter Schmid
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Celanese Chemicals Europe Gmbh
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    • B01J35/59
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C67/00Preparation of carboxylic acid esters
    • C07C67/04Preparation of carboxylic acid esters by reacting carboxylic acids or symmetrical anhydrides onto unsaturated carbon-to-carbon bonds
    • C07C67/05Preparation of carboxylic acid esters by reacting carboxylic acids or symmetrical anhydrides onto unsaturated carbon-to-carbon bonds with oxidation
    • C07C67/055Preparation of carboxylic acid esters by reacting carboxylic acids or symmetrical anhydrides onto unsaturated carbon-to-carbon bonds with oxidation in the presence of platinum group metals or their compounds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J35/23

Definitions

  • the invention relates to precious metal supported catalysts, namely nano-porous aluminum oxide membranes containing precious metal clusters, processes for their production and the use thereof, in particular as a supported catalyst for vinyl acetate synthesis.
  • Precious metal catalysts have long been known per se and are widely used for numerous technical heterogeneously catalyzed oxidation and hydrogenation reactions.
  • the supported catalysts are produced by applying metal salt solutions (for example chlorides, nitrates, acetates) to the (for example oxide-ceramic) support and then reducing them with chemical reducing agents to the metals in oxidation state 0.
  • the noble metal atoms agglomerate to ia non-uniform precious metal particles with a broad particle size distribution.
  • the diameters of the nanoparticles often range from 1 to 100 nm.
  • the non-uniform size distribution of the catalytically active component has an unfavorable effect on the activity and selectivity of the catalysts.
  • the long-term behavior (“service life") of the catalysts is often unsatisfactory, since the nanoparticles are mobile on the support and grow together over time through sintering to form larger aggregates with little activity, so that the catalysts deactivate relatively quickly.
  • An improvement in the production of precious metal supported catalysts was represented by the brine impregnation technology, in which (by chemical reduction of metal salt solutions) pre-formed nanoparticles (oxidation level 0) are drawn onto the support from colloidal solution. To avoid agglomeration of the nanoparticles in solution and their precipitation, the nanoparticles are stabilized with ligands. Each nanoparticle is surrounded by a protective ligand that prevents direct contact between the metal nuclei and thereby keeps the nanoparticles in solution.
  • a major advantage of the sol coating technology is that the precious metal components are essentially already in a reduced state after the sol has been applied to the carrier. This eliminates a reduction in the active metals at high temperatures, which generally causes the noble metals to sinter together and thereby reduces the catalytic surface.
  • the prior art teaches methods for producing heterogeneous catalysts which are characterized in that nanoparticles of one or more catalytically active metals are first produced in a separate process step via a sol process and these particles are then immobilized on a support.
  • the general advantage of the sol process is the achievable dispersity of the particles and the narrow distribution of the particle diameters.
  • stabilizers or ligands are used to stabilize the metal particles
  • Stabilizers or protective colloids envelop the metal particles.
  • the ligands can be both neutral and have an electrical charge. This prevents the particles from clumping together.
  • low molecular weight stabilizers include oxygen-, phosphorus-, sulfur- or nitrogen-containing ligands as well as cationic, anionic, betaine or non-ionic surfactants.
  • Process for the production of hydrosols and organosols of, for example, palladium and Gold has been described several times, as have heterogeneous catalysts produced from it: YLLam and M.
  • EPA 0 672 765 claims the electrochemical production of i.a. Pd / Au sols using cationic, anionic, nonionic or betaine stabilizers.
  • the metal salts are reduced on the cathode of an undivided electrolysis cell.
  • the betaine-stabilized brines described there require an approximately 5-fold molar excess of stabilizer, based on the metal salt and the use of organic solvents.
  • DE 4443 701 claims shell catalysts which are said to be suitable as heterogeneous catalysts.
  • the particles are deposited in an outer shell of the carrier grain that is up to 200 nanometers thick.
  • a process for their production by means of a cation-stabilized hydrosol is also claimed.
  • DE-A-195 00 366 describes the production of Pd shell catalysts for Hydrogenation by applying the Pd as a highly diluted sol by impregnation or spraying on a support, resulting in a shell thickness of less than 5000 nanometers.
  • PVP is used as a stabilizer.
  • the sol-impregnated catalysts often have a lower activity than the conventional catalysts. Sometimes this can be compensated for by a greatly increased metal load.
  • the cause of the loss of activity lies in the too tightly adhering ligand shell, by which the nanoparticles are still surrounded after the carrier fixation and which block the active centers on the metal surface. Attempts to remove the disruptive ligand shell by extraction with solvents were unsuccessful, since large parts of the nanoparticles were washed off the support again and the ligand shell could only be removed incompletely. Only a part of the ligand molecule can be removed by hydrolysis of the ligands, the head group of the ligand adhering to the metal surface remains on the nanoparticle.
  • the nanoparticles sinter at the necessary high combustion temperatures to form larger aggregates with a non-uniform size distribution, so that the original advantage of the sol impregnation technology is nullified.
  • the object of the invention is to provide supported noble metal catalysts which are particularly suitable for oxidation and hydrogenation reactions, which have ligand-free nanoparticles with a uniform composition and narrow particle size distribution and which are characterized by high activities and Characterize selectivity and which are particularly stable against the effects of higher temperatures and are characterized by long-term stability.
  • noble metal clusters or nanoporous aluminum oxide membranes containing noble metal nanoparticles with a narrow pore radius distribution are preferably 1-500 nm and preferably has a standard deviation of the pore radius distribution of 0-20, preferably 0-10%.
  • the noble metal clusters or noble metal nanoparticles advantageously consist of palladium, platinum or binary metal alloys such as palladium-gold alloys.
  • the invention further relates to a process for the production of noble metal clusters or nanoporous aluminum oxide membranes containing noble metal nanoparticles, which is characterized in that nanoporous alumina membranes obtained with anodic oxidation and having a narrow pore radius distribution are coated with a colloidal solution of ligands, stabilized noble metal nanoparticles or clusters, dried and then in Calcined in the presence of an oxygen-containing gas.
  • the caicination advantageously takes place in the presence of air.
  • the caicination is carried out in the presence of pure oxygen.
  • Another advantageous embodiment involves calcining in the presence of ozone.
  • the caicination is preferably carried out at temperatures of 50-1200, in particular at 100-1000, particularly advantageously at temperatures of 200-1000X. It is advantageous to use aluminum oxide membranes with an average pore radius of 1-500nm and a standard deviation of
  • Pore radius distribution from 0-20%, preferably from 0-10% to use. It is advantageous to carry out the coating with monodisperse nanoparticles or clusters.
  • Palladium, platinum, binary noble metal alloys such as palladium-gold alloys are particularly suitable as noble metals in the context of the invention.
  • Another object of the invention is the use of palladium-gold noble metal clusters or gold-palladium nanoparticles containing nanoporous Aluminum oxide membranes as a catalyst for the synthesis of vinyl acetate
  • Nanoporous Alumina (Alum ⁇ na) membranes with very narrow r pore distribution can be produced by anodic oxidation of Aluminiurnoberfiachen in acidic particular diprotic acids such as sulfuric acid, oxalic acid or t ⁇ protician acids such as phosphoric acid at temperatures around 0 ° C
  • diprotic acids such as sulfuric acid, oxalic acid or t ⁇ protician acids
  • phosphoric acid at temperatures around 0 ° C
  • the anodizing takes place under precise potential and current control.
  • the pore diameter in the membrane depends directly on the applied voltage The result is a pore size of 1.4 nm per volt.
  • the pore density can vary between 10 9 to 10 12 / cm 2.
  • the variation of the pore size ranges from 1 to 500 nm.
  • the thickness of the membrane depends on the anodizing time and can be up to about 500 mm or more, for example 600 - 1000 mm.
  • Such nanoporous alumina films show excellent thermal properties
  • the resulting polymorphic starting material produces over 300 ° C g and over 800 ° C aluminum oxide.
  • the pore diameter widens somewhat, while the size of the membrane shrinks somewhat, so that the overall porosity increases
  • the surfaces of the aluminum oxide membranes can be chemically modified because they are covered with OH groups. This devatization can be used
  • Aluminum membranes can be used in various forms: a) with a closed and an open side b) with an open and semi-open side, i.e. smaller pore openings and c) bilateral pore opening.
  • the closed or semi-open side facing the aluminum is called the barrier side, the other, open, solution side.
  • Metal clusters can be inserted into the pores in various ways.
  • Vacuum induction Metal clusters and colloids can be brought into the pores from solution by applying a vacuum to one side of the membrane.
  • membrane type b) is used so that the particles get stuck in the narrowed 1-2nm pores and do not leave the pore with the solution.
  • Electrophoresis The prerequisite is that the clusters used move in an electric field, which was observed in all cases examined.
  • One side of the membrane is contacted with a metal. It can original aluminum. If the membrane has previously been detached from the aluminum, one side can subsequently be steamed or sputtered with metal. The method also works in the presence of the
  • FIG. 2 schematically shows the arrangement for the electrophoretic filling of pores.
  • Oxygen, or from (-) - chinchonidine and oxygen according to G.Schmid, M.Harms, J.-O.Malm, J.-O.Bovin, J.v. Ruitenbeck, H.W. Zandbergen, Wen T.Fu, J. Am. Chem. Soc. 115 (1993) 2046; G. Schmid, S. Emde, V. Maihack, W. Meyer-Zaika, St. Peschel, J. Mol Catal. A 107 (1996) 95; G. Schmid, V. Maihack, F. Lantermann, St. Peschel, J. Chem. Soc. Dalton Trans. (1996) 589.
  • Fig. 3 shows 18-20nm created from originally 1.5nm clusters Particles.
  • noble metal supported catalysts with a uniform particle size of the noble metal nanoparticles can optionally be loaded with further promoters and dopants and can be used for oxidation and hydrogenation reactions.
  • Clusters of different metals can be filled in during thermolysis e.g. also produce bimetallic particles.
  • Pd-Au bimetal supported catalysts produced by the method according to the invention are particularly suitable for the synthesis of vinyl acetate by gas phase oxidation of ethylene and acetic acid.
  • the catalytic conversion of ethylene, oxygen and acetic acid to vinyl acetate, the starting monomer of an economically important group of polymers, is carried out on an industrial scale in tube bundle reactors in the gas phase.
  • the heterogeneous catalysts used for this purpose contain as a catalytically active component palladium and possibly gold-containing particles which are immobilized on an inert carrier material.
  • heterogeneous catalysts consist of an inert, porous support material such as moldings, bulk material or powder and the catalytically active components which are located on the surface and in the pores of the support material.
  • the catalytically active components When producing such catalysts, it is important to form as many active centers as possible, i.e. to apply the catalytically active components in fine distribution to the support and to anchor them as firmly as possible on the outer and inner surface of the support at the locations which are accessible to the reactants.
  • the reactive centers are produced by applying a solution of compounds of the catalytically active components to the support, for example by impregnation with a solution of salts of the metals in question.
  • the compounds on the support are then converted into the catalytically active components by one or more chemical steps, for example by precipitation and reduction.
  • the particle diameters that can be achieved are above 10-20 nanometers. There is usually a relatively broad distribution of particle diameters of around 5 to 100 nanometers. The formation of larger metal particles of a few 100 to 200 nanometers is particularly undesirable. This results in a reduction in the catalytic activity infoige the reduction in the specific metal surface.
  • a cluster simplified as a cube, which consists of atoms of a metal with an assumed diameter of 0.25 nanometers, contains approximately 87% with an edge length of 1 nanometer, with one
  • the carrier often contains gold-rich domains next to districts with a balanced Pd / Au ratio.
  • An uneven distribution is one of the possible causes during the loading process and a different behavior during the fixing process.
  • supported noble metal catalysts under the usual operating conditions, i.e. loss of activity at temperatures of around 150 to 170 ° C for longer periods of operation. This loss is due among other things that the metal particles migrate on the support surface and can unite with other particles, i.e. recrystallize to form larger particles, resulting in a reduction in specific surface area. The smaller the metal particles, the more pronounced this effect. Since corresponding observations have also been made with vinyl acetate catalysts, it is desirable to reduce the rate of migration of the palladium-gold particles by embedding them in a microenvironment which interacts more intensely with the support.
  • the task was therefore to develop new Pd / Au catalysts with improved properties. their particle size, particle distribution, composition and microstructure and improved service life (long-term behavior).
  • the use of conventional brine watering technology cannot solve the problems mentioned satisfactorily.
  • the low molecular weight or polymeric compounds previously used as stabilizers or protective colloids for the preformed nanoparticles have various disadvantages.
  • the ligand stabilizers impair, for example, due to the strong interactions of their donor groups with the active metal centers catalytic interactions. For the same reason, it is difficult to separate them from the metal core after they have been applied to a carrier.
  • Polymeric protective colloids can impair the catalytic activity of the metal particles, so that their removal after fixation is desirable. In many cases this does not succeed or only incompletely.
  • bimetallic supported Pd / Au catalysts with improved properties can be obtained. their particle size, particle distribution, composition and microstructure and improved service life (long-term behavior).
  • the carrier Before, during and / or after the fixing of the brine and / or the caicination, the carrier can also be combined with further activators, in particular alkali acetates, preferably K acetate and optionally promoters, for example Zr, Ti, Cd, Ba, Cu connections.
  • further activators in particular alkali acetates, preferably K acetate and optionally promoters, for example Zr, Ti, Cd, Ba, Cu connections.
  • the metal contents of the finished catalysts have the following values:
  • the Pd content of the Pd / Au catalysts is generally 0.5 to 2.0% by weight, preferably 0.6 to 1.5% by weight.
  • the Au content of the Pd / Au catalysts is generally 0.2 to 1.0% by weight, preferably 0.3 to 0.8% by weight.
  • a preferred catalyst system also contains K acetate as an activator.
  • the K content is generally 0.5 to 4.0% by weight, preferably 1.5 to 3.0% by weight.
  • the vinyl acetate is generally prepared by passing gases containing acetic acid, ethylene and oxygen or oxygen at from 100 to 220 ° C., preferably from 120 to 200 ° C., and from 1 to 25 bar, preferably from 1 to 20 bar, over the finished catalyst, whereby unreacted components can be circulated.
  • the oxygen concentration is expediently kept below 10% by volume (based on the acetic acid-free Gas mixture).
  • Gases such as nitrogen or carbon dioxide are beneficial. Carbon dioxide is particularly suitable for dilution since it is formed in small quantities during the reaction.

Abstract

The invention relates to nano-porous aluminium oxide membranes containing noble metal clusters or noble metal nanoparticles, which membranes were obtained by anodic oxidation and have a close pore radius distribution. Production takes place by coating the membranes with a colloidal solution of ligand-stabiliized noble metal nanoparticles or clusters, by drying and then burning them in the presence of an oxygen-containing gas. The aluminium oxide membranes have an average pore radius of 1-500nm with a standard deviation of the pore radius distribution of 0-20 %, preferably 0-10 %. The aluminium oxide membranes containing noble metal clusters or nanoparticles are used to particular advantage as catalysts during synthesis in the presence of vinyl acetate.

Description

Edelmetallcluster enthaltende nano-poröse Aluminiumoxid-MembranenNano-porous aluminum oxide membranes containing precious metal clusters
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft Edelmetallträger-Katalysatoren und zwar Edelmetallcluster enthaltende nano-poröse Aluminiumoxidmembranen, Verfahren zu deren Herstellung sowie die Verwendung derselben insbesondere als Trägerkatalysator für die Vinylacetatsynthese.The invention relates to precious metal supported catalysts, namely nano-porous aluminum oxide membranes containing precious metal clusters, processes for their production and the use thereof, in particular as a supported catalyst for vinyl acetate synthesis.
Edelmetall-Katalysatoren sind an sich bereits seit längerem bekannt und werden für zahlreiche technische heterogen katalysierte Oxidations- und Hydrierreaktionen in großem Umfang eingesetzt. Konventionell erfolgt die Herstellung der Träger- Katalysatoren durch Aufbringen von Metallsalz-Lösungen (z.B. Chloride, Nitrate, Acetate) auf den (z.B. oxid-keramischen) Träger und deren anschließende Reduktion mit chemischen Reduktionsmitteln zu den Metallen in der Oxidationsstufe 0. Dabei agglomerieren die Edelmetallatome zu i.a. uneinheitlichen Edelmetallpartikeln mit breiter Partikelgrößenverteilung. Die Durchmesser der Nanopartikel reichen dabei oft von 1 bis 100nm. Die uneinheitliche Größenverteilung der katalytisch aktiven Komponente wirkt sich ungünstig auf die Aktivität und Selektivität der Katalysatoren aus. Das Langzeitverhaiten ("Standzeit") der Katalysatoren ist oft unbefriedigend, da die Nanoteilchen auf dem Träger mobil sind und im Laufe der Zeit durch Sintervorgänge zu größeren Aggregaten mit geringer Aktivität zusammenwachsen, so daß die Katalysatoren relativ rasch deaktivieren.Precious metal catalysts have long been known per se and are widely used for numerous technical heterogeneously catalyzed oxidation and hydrogenation reactions. Conventionally, the supported catalysts are produced by applying metal salt solutions (for example chlorides, nitrates, acetates) to the (for example oxide-ceramic) support and then reducing them with chemical reducing agents to the metals in oxidation state 0. The noble metal atoms agglomerate to ia non-uniform precious metal particles with a broad particle size distribution. The diameters of the nanoparticles often range from 1 to 100 nm. The non-uniform size distribution of the catalytically active component has an unfavorable effect on the activity and selectivity of the catalysts. The long-term behavior ("service life") of the catalysts is often unsatisfactory, since the nanoparticles are mobile on the support and grow together over time through sintering to form larger aggregates with little activity, so that the catalysts deactivate relatively quickly.
Eine Verbesserung in der Herstellung von Edelmetallträgerkatalysatoren stellte die Soltränktechnik dar, bei der (durch chemische Reduktion von Metallsalzlösungen) ex-situ vorgeformte Nanoteilchen (Oxidationsstufe 0) aus kolloidaler Lösung auf den Träger aufgezogen werden. Zur Vermeidung einer Agglomeration der Nanoteilchen in Lösung und deren Ausfällung sind die Nanoteilchen mit Liganden stabilisiert. Jedes Nanoteilchen ist von einer Liganden-Schutzhülle umgeben, die den direkten Kontakt der Metallkerne verhindert und dadurch die Nanoteilchen in Lösung hält. Ein wesentlicher Vorteil der Solbeschichtungstechnik besteht darin, daß die Edelmetallkomponenten nach Aufbringen des Sols auf dem Täger im wesentlichen bereits im reduzierten Zustand vorliegen. Damit entfällt eine Reduktion der Aktivmetalle bei hohen Temperaturen, die im allgemeinen ein Zusammensintern der Edelmetalle bewirkt und dadurch die katalytische Oberfläche verringert.An improvement in the production of precious metal supported catalysts was represented by the brine impregnation technology, in which (by chemical reduction of metal salt solutions) pre-formed nanoparticles (oxidation level 0) are drawn onto the support from colloidal solution. To avoid agglomeration of the nanoparticles in solution and their precipitation, the nanoparticles are stabilized with ligands. Each nanoparticle is surrounded by a protective ligand that prevents direct contact between the metal nuclei and thereby keeps the nanoparticles in solution. A major advantage of the sol coating technology is that the precious metal components are essentially already in a reduced state after the sol has been applied to the carrier. This eliminates a reduction in the active metals at high temperatures, which generally causes the noble metals to sinter together and thereby reduces the catalytic surface.
Der Stand der Technik lehrt Methoden zur Herstellung von heterogenen Katalysatoren, die sich dadurch auszeichnen, daß man zunächst über einen Sol- Prozeß Nanopartikel eines oder mehrerer katalytisch aktiver Metalle in einer separaten Verfahrensstufe erzeugt und diese Partikel anschließend auf einem Träger immobilisiert. Der generelle Vorteil der Sol-Verfahren besteht in der erzielbaren Dispersität der Partikel und in der engen Verteilung der Partikeldurchmesser.The prior art teaches methods for producing heterogeneous catalysts which are characterized in that nanoparticles of one or more catalytically active metals are first produced in a separate process step via a sol process and these particles are then immobilized on a support. The general advantage of the sol process is the achievable dispersity of the particles and the narrow distribution of the particle diameters.
Allgemeine Darstellungen dieser Methode finden sich u.a. in (a) B.C.Gates, L.Guzci, H.Knözinger, Metal Clusters in Catalysis, Elsevier, Amsterdam, 1986; (b) J.S.Bradley in Clusters and Colloids, VCH, Weinheim 1994, S. 459-544.General representations of this method can be found among others in (a) B.C. Gates, L.Guzci, H.Knözinger, Metal Clusters in Catalysis, Elsevier, Amsterdam, 1986; (b) J.S. Bradley in Clusters and Colloids, VCH, Weinheim 1994, pp. 459-544.
Bei nanopartikel-gestützen Synthesen von heterogenen Katalysatoren benutzt man zur Stabilisierung der Metallpartikel sog. Stabilisatoren oder Liganden oderIn nanoparticle-based syntheses of heterogeneous catalysts, so-called stabilizers or ligands or are used to stabilize the metal particles
Schutzkolloide, insbesondere dann, wenn man weiterverarbeitbare Sole mit einer Metallkonzentration von 0,1% oder höher benötigt. Stabilisatoren oder Schutzkolloide umhüllen die Metallpartikel. Die Liganden können sowohl neutral sein als auch eine elektrische Ladung besitzen. Dadurch wird das Zusammenballen der Partikel verhindert.Protective colloids, especially if you need processable brine with a metal concentration of 0.1% or higher. Stabilizers or protective colloids envelop the metal particles. The ligands can be both neutral and have an electrical charge. This prevents the particles from clumping together.
Als Beispiele für niedermolekulare Stabilisatoren sind u.a. Sauerstoff-, Phospor-, Schwefel- oder Stickstoff-haltige Liganden sowie kationische, anionische, betainische oder nichtionische Tenside zu nennen. Als polymere Schutzkolloide sind u.a. Polyacrylsäure, Polyvinylalkohol oder Poly-(N-vinylpyrrolidon) eingesetzt worden. Verfahren zur Erzeugung von Hydrosolen und Organosolen von z.B. Palladium und Gold sind mehrfach beschrieben worden, ebenso daraus hergestellte heterogene Katalysatoren: Y.L.Lam und M.Boudart, Journal of Catalysis 1977, 50, 530-540 beschreiben eine Synthese von Pd/Au Partikeln von 2-4,5 Nanometer, bei welcher man ausgehend von (Au(en)2)3+- und (Pd(NH3)4))2+ Salzen zunächst durch lonenaustausch eine Verknüpfung mit den sauren Gruppen einesExamples of low molecular weight stabilizers include oxygen-, phosphorus-, sulfur- or nitrogen-containing ligands as well as cationic, anionic, betaine or non-ionic surfactants. Polyacrylic acid, polyvinyl alcohol or poly (N-vinylpyrrolidone), inter alia, have been used as polymeric protective colloids. Process for the production of hydrosols and organosols of, for example, palladium and Gold has been described several times, as have heterogeneous catalysts produced from it: YLLam and M. Boudart, Journal of Catalysis 1977, 50, 530-540 describe a synthesis of Pd / Au particles of 2-4.5 nanometers, in which one starts from ( Au (en) 2 ) 3+ and (Pd (NH 3 ) 4 )) 2+ salts are first linked by ion exchange with the acidic groups of one
Kieselsäureträgers herstellt und die fixierten Metallsalze anschließend reduziert.Manufactures silica carrier and then reduces the fixed metal salts.
J.B.Michel und J.T.Schwarz in Catalyst Preparation Science IV, Elsevier Science Publishers, New York 1987, 669-687 beschreiben die aufeinanderfolgende Reduktion bzw. die Koreduktion von Palladium- und Goldsalzen unter Verwendung von Natriumeitrat als Reduktionsmittel und gleichzeitig als Stabilisator. Dabei wurden Palladium-auf-Gold oder Gold-auf-Palladium Partikel bzw. Pd/Au-Legierungspartikel erhalten. Die erhaltenen Kolloide wurden auf Kohleträgern immobilisiert.J.B. Michel and J.T. Schwarz in Catalyst Preparation Science IV, Elsevier Science Publishers, New York 1987, 669-687 describe the sequential reduction or coreduction of palladium and gold salts using sodium citrate as a reducing agent and at the same time as a stabilizer. Palladium-on-gold or gold-on-palladium particles or Pd / Au alloy particles were obtained. The colloids obtained were immobilized on carbon carriers.
G.Schmid et al. Chem. Eur. J. 1996, 2, 1099-1103 beschreiben schalenförmige, bimetallische Pd/Au-Kolloide im Größenbereich von 20-56 Nanometer, die mit Hilfe der Keim-Wachstumsmethode hergestellt wurden. Als Stabilisatoren kamen sulfonierte Triphenylphosphan- und Natriumsulfanilat-Liganden zum Einsatz. Die erhaltenen Partikel wurden auf Titandioxidträgern immobilisiert.G. Schmid et al. Chem. Eur. J. 1996, 2, 1099-1103 describe bowl-shaped, bimetallic Pd / Au colloids in the size range of 20-56 nanometers, which were produced using the seed growth method. Sulfonated triphenylphosphane and sodium sulfanilate ligands were used as stabilizers. The particles obtained were immobilized on titanium dioxide supports.
EPA 0 672 765 beansprucht die elektrochemische Herstellung von u.a. Pd/Au-Solen unter Verwendung von kationischen, anionischen, nichtionischen oder betainischen Stabilisatoren. Bei diesem Verfahren erfolgt die Reduktion der Metallsalze an der Kathode einer ungeteilten Elektrolysezelle. Die dort beschriebenen betain- stabilisierten Sole erfordern einen etwa 5-fachen molaren Überschuß an Stabilisator bezogen auf das Metallsalz und die Anwendung von organischen Lösungsmitteln.EPA 0 672 765 claims the electrochemical production of i.a. Pd / Au sols using cationic, anionic, nonionic or betaine stabilizers. In this process, the metal salts are reduced on the cathode of an undivided electrolysis cell. The betaine-stabilized brines described there require an approximately 5-fold molar excess of stabilizer, based on the metal salt and the use of organic solvents.
DE 4443 701 beansprucht Schalenkatalysatoren, die sich als heterogene Katalysatoren eignen sollen. Dabei werden die Partikel in einer bis 200 Nanometer dicken, äußeren Schale des Trägerkorns abgelagert. Ferner wird ein Verfahren zu ihrer Herstellung mittels eines kation-stabilisierten Hydrosols beansprucht. DE-A-195 00 366 beschreibt die Herstellung von Pd-Schalenkatalysatoren für Hydrierungen, indem man das Pd als hochverdünntes Sol durch Tränkung oder durch Aufsprühen auf einen Träger aufbringt, wobei eine Schalendicke von weniger als 5000 Nanometer resultiert. Als Stabilisator wird PVP eingesetzt.DE 4443 701 claims shell catalysts which are said to be suitable as heterogeneous catalysts. The particles are deposited in an outer shell of the carrier grain that is up to 200 nanometers thick. A process for their production by means of a cation-stabilized hydrosol is also claimed. DE-A-195 00 366 describes the production of Pd shell catalysts for Hydrogenation by applying the Pd as a highly diluted sol by impregnation or spraying on a support, resulting in a shell thickness of less than 5000 nanometers. PVP is used as a stabilizer.
Wenn man auch mit der Soltränktechnik Metallpartikel und Legierungen von relativ einheitlicher Zusammensetzung und enger Größenverteilung auf Trägern aufbringen kann, so weisen die Sol-getränkten Katalysatoren oft eine geringere Aktivität als die konventionellen Katalysatoren auf. Bisweilen kann man dies durch eine stark erhöhte Metallbeladung ausgleichen.If metal particles and alloys of relatively uniform composition and narrow size distribution can also be applied to supports using the sol impregnation technique, the sol-impregnated catalysts often have a lower activity than the conventional catalysts. Sometimes this can be compensated for by a greatly increased metal load.
Die Ursache der Aktivitätseinbuße liegt in der allzu fest haftenden Ligandenhülle , von der die Nanoteilchen auch nach der Trägerfixierung noch umgeben sind und die die aktiven Zentren auf der Metalloberfläche blockieren. Versuche zur Entfernung der störenden Ligandenhülle durch Extraktion mit Lösungsmitteln waren nicht erfolgreich, da große Teile der Nanopartikel wieder vom Träger gewaschen wurden und die Ligandenhülle nur unvollständig entfernt werden konnte. Durch Hydrolyse der Liganden kann nur ein Teil des Ligandenmoleküls entfernt werden, die an der Metalloberfläche haftende Kopfgruppe des Liganden verbleibt auf dem Nanoteilchen. Bei einer Oxidation der Ligandenhülle mit Sauerstoff, Luft oder Ozon sintern die Nanoteilchen bei den notwendigen hohen Verbrennungstemperaturen zu größeren Aggregaten mit uneinheitlicher Größenverteilung, so daß der ursprüngliche Vorteil der Soltränktechnik wieder zunichte gemacht wird.The cause of the loss of activity lies in the too tightly adhering ligand shell, by which the nanoparticles are still surrounded after the carrier fixation and which block the active centers on the metal surface. Attempts to remove the disruptive ligand shell by extraction with solvents were unsuccessful, since large parts of the nanoparticles were washed off the support again and the ligand shell could only be removed incompletely. Only a part of the ligand molecule can be removed by hydrolysis of the ligands, the head group of the ligand adhering to the metal surface remains on the nanoparticle. If the ligand shell is oxidized with oxygen, air or ozone, the nanoparticles sinter at the necessary high combustion temperatures to form larger aggregates with a non-uniform size distribution, so that the original advantage of the sol impregnation technology is nullified.
Obwohl bereits eine ganze Reihe von Edelmetallkatalysatoren auf den verschiedensten Trägern bekannt sind, besteht noch ein Bedürfnis nach verbesserten Edelmetallträgerkatalysatoren, die vielseitig verwendbar und insbesondere für die Synthese von Vinylacetat einsetzbar sind.Although a whole series of noble metal catalysts on a wide variety of supports are already known, there is still a need for improved noble metal supported catalysts which can be used in a variety of ways and in particular can be used for the synthesis of vinyl acetate.
Aufgabe der Erfindung ist es, Edelmetallträgerkatalysatoren zur Verfügung zu stellen, die sich besonders gut für Oxidations- und Hydrierungsreaktionen eignen, die Liganden-freie Nanoteilchen mit einheitlicher Zusammensetzung und enger Partikelgrößenverteilung aufweisen und die sich durch hohe Aktivitäten und Selektivität auszeichnen und die insbesondere gegenüber Einwirkungen von höheren Temperaturen stabil sind und sich durch Langzeitstabilität auszeichnen.The object of the invention is to provide supported noble metal catalysts which are particularly suitable for oxidation and hydrogenation reactions, which have ligand-free nanoparticles with a uniform composition and narrow particle size distribution and which are characterized by high activities and Characterize selectivity and which are particularly stable against the effects of higher temperatures and are characterized by long-term stability.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Edelmetallcluster oder Edelmetallnanoteilchen enthaltende nanoporöse Aluminiumoxidmembranen mit enger Porenradienverteilung. Der mittlere Porenradius der nanoporösen Aluminiumoxidmembranen beträgt vorzugsweise 1-500nm und weist vorzugsweise eine Standardabweichung der Porenradienverteilung von 0-20, vorzugsweise von 0- 10% auf. Die Edelmetallcluster bzw. Edelmetallnanoteilchen bestehen vorteilhaft aus Palladium, Platin oder binären Metallegierungen wie Palladium-Gold-Legierungen.This object is achieved by noble metal clusters or nanoporous aluminum oxide membranes containing noble metal nanoparticles with a narrow pore radius distribution. The average pore radius of the nanoporous aluminum oxide membranes is preferably 1-500 nm and preferably has a standard deviation of the pore radius distribution of 0-20, preferably 0-10%. The noble metal clusters or noble metal nanoparticles advantageously consist of palladium, platinum or binary metal alloys such as palladium-gold alloys.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Edelmetallclustern oder Edelmetallnanoteilchen enthaltenden nanoporösen Aluminiumoxidmembranen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man durch anodische Oxidation erhaltene nanoporöse Aluminiumoxidmembranen mit enger Porenradienverteilung mit einer kolloidalen Lösung von Liganden stabilisierten Edelmetallnanopartikeln oder -clustern beschichtet, trocknet und anschließend in Gegenwart eines Sauerstoff enthaltenden Gases calciniert. Die Caicinierung findet vorteilhaft in Gegenwart von Luft statt. In einem weiteren vorteilhaften Verfahren gemäß der Erfindung wird die Caicinierung in Gegenwart von reinem Sauerstoff durchgeführt. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform beinhaltet das Calcinieren in Gegenwart von Ozon. Die Caicinierung wird vorzugsweise bei Temperaturen von 50-1200 insbesondere bei 100-1000, besonders vorteilhaft bei Temperaturen von 200-1000X durchgeführt. Es ist vorteilhaft, Aluminiumoxidmembranen mit einem mittleren Porenradius von 1-500nm und einer Standardabweichung derThe invention further relates to a process for the production of noble metal clusters or nanoporous aluminum oxide membranes containing noble metal nanoparticles, which is characterized in that nanoporous alumina membranes obtained with anodic oxidation and having a narrow pore radius distribution are coated with a colloidal solution of ligands, stabilized noble metal nanoparticles or clusters, dried and then in Calcined in the presence of an oxygen-containing gas. The caicination advantageously takes place in the presence of air. In a further advantageous process according to the invention, the caicination is carried out in the presence of pure oxygen. Another advantageous embodiment involves calcining in the presence of ozone. The caicination is preferably carried out at temperatures of 50-1200, in particular at 100-1000, particularly advantageously at temperatures of 200-1000X. It is advantageous to use aluminum oxide membranes with an average pore radius of 1-500nm and a standard deviation of
Porenradienverteilung von 0-20%, vorzugsweise von 0-10% zu verwenden. Es ist vorteilhaft, die Beschichtung mit monodispersen Nanopartikeln oder Clustern durchzuführen. Als Edelmetalle sind besonders im Rahmen der Erfindung geeignet Palladium, Platin, binäre Edelmetallegierungen wie Palladium-Gold-Legierungen.Pore radius distribution from 0-20%, preferably from 0-10% to use. It is advantageous to carry out the coating with monodisperse nanoparticles or clusters. Palladium, platinum, binary noble metal alloys such as palladium-gold alloys are particularly suitable as noble metals in the context of the invention.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von Palladium- Gold- Edelmetallclustem bzw. Gold-Palladium-Nanoteilchen enthaltenden nanoporösen Aluminiumcxidmembranen als Katalysator für die Synthese von VinylacetatAnother object of the invention is the use of palladium-gold noble metal clusters or gold-palladium nanoparticles containing nanoporous Aluminum oxide membranes as a catalyst for the synthesis of vinyl acetate
Nanoporöse Aluminiumoxid (Alumιna)-Membranen mit sehr enger Porenverteilung können hergestellt werden durch anodische Oxidation von Aluminiurnoberfiachen in Sauren insbesondere diprotischen Sauren wie Schwefelsaure, Oxalsäure oder tπprotischen Sauren wie Phosphorsaure bei Temperaturen um 0°C Details der Membranhersteiluπg finden sich in J W Diggle et al Chem REv 69 (1969) 365, M.M Lohrengel, Mater Science and Engineering 6 (1993) 241 , J P O'Sullivan et al , Proceediπgs of the Royal Society of London 317 (1970) 511 , H Masuda et al , Science 268 (1995) 1466, C Martin et al , Science 266 (1994) 1961 , H Masuda et al , Thin Solid Films (1993) 1 , H Moskovits et al , IEEE Transitioπ oπ Electron Devices 43 (1996) 1646 Im allgemeinen bildet ein Blech aus hochreinem Aluminium die Anode in einer elektrochemischen Zelle Das Anodisieren verlauft unter genauer Potential- und Stromkontrolle Der Poreπdurchmesser in der Membran hangt direkt von der angelegten Spannung ab, wobei erfahrungsgemäß pro Volt angelegter Spannung 1 ,4nm Porenweite resultiert Die Poreπdichte kann zwischen 109 bis 1012/cm2 variieren Eine Atomic Force Microscopy Aufnahme eines planaren Schnittes durch eine bei 40 V gebildete Membran ist in Abb 1 gezeigtNanoporous Alumina (Alumιna) membranes with very narrow r pore distribution can be produced by anodic oxidation of Aluminiurnoberfiachen in acidic particular diprotic acids such as sulfuric acid, oxalic acid or tπprotischen acids such as phosphoric acid at temperatures around 0 ° C Details of the Membranhersteiluπg found in JW Diggle et al Chem REv 69 (1969) 365, MM Lohrengel, Mater Science and Engineering 6 (1993) 241, JP O'Sullivan et al, Proceediπgs of the Royal Society of London 317 (1970) 511, H Masuda et al, Science 268 (1995 ) 1466, C Martin et al, Science 266 (1994) 1961, H Masuda et al, Thin Solid Films (1993) 1, H Moskovits et al, IEEE Transitioπ oπ Electron Devices 43 (1996) 1646 In general, a sheet of highly pure Aluminum the anode in an electrochemical cell. The anodizing takes place under precise potential and current control. The pore diameter in the membrane depends directly on the applied voltage The result is a pore size of 1.4 nm per volt. The pore density can vary between 10 9 to 10 12 / cm 2. An atomic force microscopy image of a planar section through a membrane formed at 40 V is shown in FIG. 1
Aus Abb 1 wird deutlich, daß sich die gleichförmigen Poren wie nahezu parallel verlaufende Kanäle tief in die Membranen erstreckenIt is clear from Fig. 1 that the uniform pores, like almost parallel channels, extend deep into the membranes
Die Variation der Porenweite reicht von 1 bis 500nm Die Dicke der Membran hangt von der Anodisieruπgsdauer ab und kann großenordnungsmaßig bis ca 500mm oder mehr z B 600 - 1000mm betragen Solche nanoporösen Alumina-Filme zeigen hervorragende thermische Eigenschaften Sie können ohne gravierende Strukturveränderung bis 1000°C erhitzt werden Dabei entsteht aus dem polymorphen Ausgangsmateπal über 300°C g- und über 800°C a-Aluminiumoxid Dabei erweitert sich der Porendurchmesser etwas, wahrend die Große der Membran etwas schrumpft, so daß die Gesamtporositat zunimmtThe variation of the pore size ranges from 1 to 500 nm. The thickness of the membrane depends on the anodizing time and can be up to about 500 mm or more, for example 600 - 1000 mm. Such nanoporous alumina films show excellent thermal properties The resulting polymorphic starting material produces over 300 ° C g and over 800 ° C aluminum oxide. The pore diameter widens somewhat, while the size of the membrane shrinks somewhat, so that the overall porosity increases
Die Oberflachen der Aluminiumoxid-Membranen können wegen der Bedeckung mit OH-Gruppen chemisch modifiziert werden Diese Deπvatisierung kann benutztThe surfaces of the aluminum oxide membranes can be chemically modified because they are covered with OH groups. This devatization can be used
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP werden, um beispielsweise die Oberfläche zu hydrophobieren.CORRECTED SHEET (RULE 91) ISA / EP for example to make the surface hydrophobic.
Aluminium-Membranen können in verschiedener Form benutzt werden: a) mit einer geschlossenen und einer offenen Seite b) mit einer offenen und halboffenen Seite, d.h. kleineren Porenöffnungen und c) beidseitiger Porenöffnung.Aluminum membranes can be used in various forms: a) with a closed and an open side b) with an open and semi-open side, i.e. smaller pore openings and c) bilateral pore opening.
Es hängt von der beabsichtigten Weiterverwendung ab, welche Modifikationen man wählt. Die dem Aluminium zugewandte geschlossene oder halboffene Seite wird Barriereseite, die andere, offene, Lösungsseite genannt.Which modifications you choose depends on the intended reuse. The closed or semi-open side facing the aluminum is called the barrier side, the other, open, solution side.
Metallcluster können auf verschiedene Art in die Poren eingeführt werden.Metal clusters can be inserted into the pores in various ways.
a) Vakuum-Induktion Metallcluster und -kolloide können aus Lösung in die Poren gebracht werden, indem auf der einen Seite der Membran ein Vakuum angelegt wird. Hierzu wird Membrantyp b) verwendet, damit die Teilchen in den verengten 1-2nm großen Poren hängenbleiben und nicht mit der Lösung die Pore wieder verlassen.a) Vacuum induction Metal clusters and colloids can be brought into the pores from solution by applying a vacuum to one side of the membrane. For this purpose, membrane type b) is used so that the particles get stuck in the narrowed 1-2nm pores and do not leave the pore with the solution.
b) Tauchverfahrenb) immersion process
Durch Eintauchen einer Membran in eine Clusterlösung wird diese durch Kapillarkräfte in die Poren gezogen. Als Lösungsmittel können je nach Ligandhülle der Cluster organische oder wäßrige Lösungen dienen. Membranen mit engen Poren (< 10nm) werden mehr Cluster absorbieren als solche mit größeren Poren. Vorteilhaft ist das vorherige Evakuieren der Poren.When a membrane is immersed in a cluster solution, it is drawn into the pores by capillary forces. Depending on the ligand shell of the cluster, organic or aqueous solutions can be used as solvents. Membranes with narrow pores (<10nm) will absorb more clusters than those with larger pores. It is advantageous to evacuate the pores beforehand.
c) Elektrophorese Voraussetzung ist, daß die benutzten Cluster in einem elektrischen Feld wandern, was jedoch in allen untersuchten Fällen beobachet wurde. Eine Seite der Membran wird mit einem Metall kontaktiert. Dies kann das ursprüngliche Aluminium sein. Ist die Membran zuvor vom Aluminium abgelöst worden, so kann eine Seite nachträglich mit Metall bedampft oder besputtert werden. Die Methode funktioniert auch in Gegenwart derc) Electrophoresis The prerequisite is that the clusters used move in an electric field, which was observed in all cases examined. One side of the membrane is contacted with a metal. It can original aluminum. If the membrane has previously been detached from the aluminum, one side can subsequently be steamed or sputtered with metal. The method also works in the presence of the
Barriereschicht. Abb. 2 zeigt schematisch die Anordnung zur elektrophoretischen Füllung von Poren.Barrier layer. Fig. 2 schematically shows the arrangement for the electrophoretic filling of pores.
Mit Hilfe der Methoden 2a-c ist es somit möglich, lösliche Cluster in membranartiges, nanoporöses Aluminiumoxid zu bringen.With the help of methods 2a-c it is possible to bring soluble clusters into membrane-like, nanoporous aluminum oxide.
Zur Füllung der Aluminium-Membranen wurden folgende Palladium- und Platincluster verwendet:The following palladium and platinum clusters were used to fill the aluminum membranes:
1.8nm Pt-Cluster; Ligandhülle aus phen* und Sauerstoff nach G.Schmid, B.Morun, J.-O. Malm, Angew. Chem. 101 (1989) 772; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 28 (1989) 778. 2.2nm, 3.0nm und 3.6nm Pd-Cluster; Ligandhülle aus 1 ,10-Phenanthrolin und1.8nm Pt cluster; Ligand shell made of phen * and oxygen according to G. Schmid, B. Morun, J.-O. Malm, Angew. Chem. 101 (1989) 772; Appl. Chem. Int. Ed. Engl. 28 (1989) 778. 2.2nm, 3.0nm and 3.6nm Pd clusters; Ligand shell made of 1, 10-phenanthroline and
Sauerstoff, oder aus (-)-Chinchonidin und Sauerstoff nach G.Schmid, M.Harms, J.- O.Malm, J.-O.Bovin, J.v.Ruitenbeck, H.W.Zandbergen, Wen T.Fu, J. Am. Chem. Soc. 115 (1993) 2046; G.Schmid, S.Emde, V.Maihack, W.Meyer-Zaika, St.Peschel, J.Mol Catal.A 107 (1996) 95; G.Schmid, V.Maihack, F.Lantermann, St.Peschel, J. Chem. Soc. Dalton Trans. (1996) 589.Oxygen, or from (-) - chinchonidine and oxygen according to G.Schmid, M.Harms, J.-O.Malm, J.-O.Bovin, J.v. Ruitenbeck, H.W. Zandbergen, Wen T.Fu, J. Am. Chem. Soc. 115 (1993) 2046; G. Schmid, S. Emde, V. Maihack, W. Meyer-Zaika, St. Peschel, J. Mol Catal. A 107 (1996) 95; G. Schmid, V. Maihack, F. Lantermann, St. Peschel, J. Chem. Soc. Dalton Trans. (1996) 589.
Nach dem Füllen wird getrocknet und sodann in Gegenwart von Sauerstoff z.B. in einem Ofen calciniert. Die besonderen Möglichkeiten dieser Cluster gefüllten Membranen bestehen jedoch darin, sie auf Temperaturen bis 1000°C erhitzen zu können. Die Cluster, welche ihre Ligandhülle durch die Oxidation verloren haben, vereinigen sich zu größeren Partikeln, deren Durchmesser durch die Porenweite bestimmt wird. Auf diese Weise gelingt es somit, katalytisch aktive Metallteilchen gut definierter Größe in dem Trägermaterial zu erzeugen. Da die Porenweite z.B. zwischen 1 und 500nm variiert werden kann, ergibt sich ein breites Spektrum genau einstellbarer Teilchengrößen.After filling it is dried and then in the presence of oxygen e.g. calcined in an oven. However, the special possibilities of these clusters filled with clusters are that they can be heated to temperatures of up to 1000 ° C. The clusters, which have lost their ligand shell due to the oxidation, combine to form larger particles, the diameter of which is determined by the pore size. In this way it is possible to produce catalytically active metal particles of a well-defined size in the carrier material. Since the pore size e.g. can be varied between 1 and 500nm, there is a wide range of precisely adjustable particle sizes.
Abb. 3 zeigt aus ursprünglich 1 ,5nm großen Clustern entstandene 18-20nm Teilchen.Fig. 3 shows 18-20nm created from originally 1.5nm clusters Particles.
Diese Edelmetallträgerkatalysatoren mit einheitlicher Partikelgröße der Edelmetall- Nanoteilchen können ggf. mit weiteren Promotoren und Dotierungen beladen werden und für Oxidations- und Hydrierreaktionen eingesetzt werden. DurchThese noble metal supported catalysts with a uniform particle size of the noble metal nanoparticles can optionally be loaded with further promoters and dopants and can be used for oxidation and hydrogenation reactions. By
Einfüllen von Clustern unterschiedlicher Metalle lassen sich bei der Thermolyse z.B. auch bimetallische Teilchen erzeugen.Clusters of different metals can be filled in during thermolysis e.g. also produce bimetallic particles.
Nach der erfindungsgemäßen Methode hergestellte Pd-Au Bimetall- Trägerkatalysatoren eignen sich insbesondere für die Vinylacetatsynthese durch Gasphasenoxidation von Ethylen und Essigsäure.Pd-Au bimetal supported catalysts produced by the method according to the invention are particularly suitable for the synthesis of vinyl acetate by gas phase oxidation of ethylene and acetic acid.
Die katalytische Umsetzung von Ethylen, Sauerstoff und Essigsäure zu Vinylacetat, dem Ausgangsmonomeren einer wirtschaftlich bedeutenden Gruppe von Polymeren, wird großtechnisch in Rohrbündelreaktoren in der Gasphase durchgeführt. Die dafür in großem Umfange benutzten heterogenen Katalysatoren enthalten als katalytisch aktiven Bestandteil Palladium- und ggf. Gold-haltige Partikel, die auf einem inerten Trägermaterial immobilisiert sind.The catalytic conversion of ethylene, oxygen and acetic acid to vinyl acetate, the starting monomer of an economically important group of polymers, is carried out on an industrial scale in tube bundle reactors in the gas phase. The heterogeneous catalysts used for this purpose contain as a catalytically active component palladium and possibly gold-containing particles which are immobilized on an inert carrier material.
Im allgemeinen bestehen heterogene Katalysatoren aus einem inerten, porösen Trägermaterial wie Formkörper, Schüttgut oder Pulver und den katalytisch aktiven Komponenten, die sich auf der Oberfläche und in den Poren des Trägermaterials befinden. Bei der Herstellung solcher Katalysatoren kommt es darauf an, möglichst viele aktive Zentren zu bilden, d.h. die katalytisch wirksamen Komponenten in feiner Verteilung auf den Träger aufzubringen und auf der äußeren und inneren Oberfläche des Trägers an den Stellen, welche den Reaktanden zugänglich sind, möglichst fest zu verankern.In general, heterogeneous catalysts consist of an inert, porous support material such as moldings, bulk material or powder and the catalytically active components which are located on the surface and in the pores of the support material. When producing such catalysts, it is important to form as many active centers as possible, i.e. to apply the catalytically active components in fine distribution to the support and to anchor them as firmly as possible on the outer and inner surface of the support at the locations which are accessible to the reactants.
Die Raum-Zeit-Ausbeute und die Lebensdauer von Pd/Au-Katalysatoren üben einen starken Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit des Vinylacetat-Prozesses aus. Die gegenwärtig besten Katalysatoren erfüllen jedoch die Anforderungen bezügl. des Umsatzes, der Selektivität und des Langzeitverhaltens nur unzureichend. So liegen z.B. die Umsätze in den meisten Fällen nur bei etwa 10%. Daneben treten die Kosten des Katalysators selbst, die durch den Einsatz großer Mengen an den teuren Edelmetallen Palladium und Gold bestimmt werden.The space-time yield and the lifetime of Pd / Au catalysts exert a strong influence on the economy of the vinyl acetate process. However, the currently best catalysts meet the requirements. of sales, selectivity and long-term behavior are insufficient. For example, in most cases sales are only around 10%. In addition, the Cost of the catalyst itself, which is determined by the use of large quantities of the expensive precious metals palladium and gold.
Bei den bisher bekannten Verfahren zur Hersteilung von Katalysatoren für den Vinylacetat-Prozeß erzeugt man die reaktiven Zentren durch Beaufschlagung des Trägers mit einer Lösung von Verbindungen der katalytisch wirksamen Komponenten, beispielsweise durch Tränken mit einer Lösung von Salzen der betreffenden Metalle. Anschließend überführt man die Verbindungen auf dem Träger durch einen oder mehrere chemische Schritte, beispielsweise durch Fällung und Reduktion, in die katalytisch wirksamen Komponenten.In the previously known processes for the preparation of catalysts for the vinyl acetate process, the reactive centers are produced by applying a solution of compounds of the catalytically active components to the support, for example by impregnation with a solution of salts of the metals in question. The compounds on the support are then converted into the catalytically active components by one or more chemical steps, for example by precipitation and reduction.
Ein wesentlicher Grund für den hohen Edelmetallbedarf beruht auf dem bisher vorwiegend angewandten Tränkverfahren, wobei es zu gewissen nachteiligen Erscheinungen kommen kann, wie im folgenden erläutert werden soll.An important reason for the high need for precious metals is based on the impregnation process which has been predominantly used up to now, and certain disadvantageous phenomena can occur, as will be explained below.
Häufig kann man beobachten, daß bei der chemischen Umwandlung der Palladium- und Goldverbindungen auf dem Träger die erzielbaren Partikeldurchmesser oberhalb 10-20 Nanometer liegen. Man findet meistens eine relativ breite Verteilung der Partikeldurchmesser von etwa 5 bis 100 Nanometer. Besonders unerwünscht ist die Bildung von größeren Metallpartikeln von einigen 100 bis 200 Nanometer. Dadurch erfolgt eine Erniedrigung der katalytischen Aktivität infoige der Verringerung der spezifischen Metalloberfläche. Dies läßt sich an folgendem Bespiel veranschaulichen: ein vereinfacht als Würfel gedachter Cluster, welcher aus Atomen eines Metalls mit einem angenommenen Durchmesser von 0,25 Nanometer besteht, enthält näherungsweise bei einer Kantenlänge von 1 Nanometer 87%, bei einerIt can often be observed that during the chemical conversion of the palladium and gold compounds on the carrier, the particle diameters that can be achieved are above 10-20 nanometers. There is usually a relatively broad distribution of particle diameters of around 5 to 100 nanometers. The formation of larger metal particles of a few 100 to 200 nanometers is particularly undesirable. This results in a reduction in the catalytic activity infoige the reduction in the specific metal surface. This can be illustrated by the following example: a cluster, simplified as a cube, which consists of atoms of a metal with an assumed diameter of 0.25 nanometers, contains approximately 87% with an edge length of 1 nanometer, with one
Kantenlänge von 2,5 Nanometer 49% und bei einer Kantenlänge von 10 Nanometer 0,14% Oberflächenatome.Edge length of 2.5 nanometers 49% and with an edge length of 10 nanometers 0.14% surface atoms.
Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Schwierigkeit, das Palladium und das Gold in homogener Verteilung auf dem Träger abzuscheiden. In der Praxis findet man auf dem Träger häufig goldreiche Domänen neben Bezirken mit ausbalanciertem Pd/Au Verhältnis. Als mögliche Ursachen kommen dabei eine ungleichmäßige Verteilung beim Beladevorgang sowie ein unterschiedliches Verhalten beim Fixiervorgang in Betracht.Another problem arises from the difficulty of depositing the palladium and the gold in a homogeneous distribution on the support. In practice, the carrier often contains gold-rich domains next to districts with a balanced Pd / Au ratio. An uneven distribution is one of the possible causes during the loading process and a different behavior during the fixing process.
Es ist ferner bekannt, daß Edelmetallkatalysatoren auf einem Träger unter den üblichen Betriebsbedingungen, d.h. bei Temperaturen von etwa 150 bis 170°C bei längerer Betriebsdauer einen Aktivitätsverlust erleiden. Dieser Verlust beruht u.a. darauf, daß die Metallpartikel auf der Trägeroberfläche wandern und sich mit anderen Partikeln vereinigen können, d.h. unter Ausbildung größerer Teilchen rekristallisieren, was eine Verringerung der spezifischen Oberfläche zur Folge hat. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter je kleiner die Metallpartikel sind. Da man entsprechende Beobachtungen auch bei Vinylacetat-Katalysatoren gemacht hat, ist es wünschenswert, die Wanderungsgeschwindigkeit der Palladium-Gold-Partikel durch die Einbettung in eine mit dem Träger in verstärkter Wechselwirkung stehende Mikroumgebung herabzusetzen.It is also known that supported noble metal catalysts under the usual operating conditions, i.e. loss of activity at temperatures of around 150 to 170 ° C for longer periods of operation. This loss is due among other things that the metal particles migrate on the support surface and can unite with other particles, i.e. recrystallize to form larger particles, resulting in a reduction in specific surface area. The smaller the metal particles, the more pronounced this effect. Since corresponding observations have also been made with vinyl acetate catalysts, it is desirable to reduce the rate of migration of the palladium-gold particles by embedding them in a microenvironment which interacts more intensely with the support.
Um die aus den vorstehend geschilderten Gründen verursachten Aktivitätsverluste zu kompensieren, war man in der Praxis bis heute gezwungen, die Beaufschlagung des Trägers an Edelmetallen entsprechend zu erhöhen. Der Erhöhung des Edelmetallgehaltes sind jedoch Grenzen gesetzt, da die Metallpartikel bei höheren Beladungen um so leichter agglomerieren.In order to compensate for the loss of activity caused by the reasons outlined above, in practice it has been forced to increase the exposure of the wearer to precious metals accordingly. However, there are limits to the increase in the precious metal content, since the metal particles agglomerate all the more easily with higher loads.
Es stellte sich somit die Aufgabe, neue Pd/Au-Katalysatoren zu entwickeln mit verbesserten Eigenschaften bezügl. ihrer Partikelgröße, Partikelverteilung, Zusammensetzung und MikroStruktur und verbesserter Standzeit (Langzeitverhalten).The task was therefore to develop new Pd / Au catalysts with improved properties. their particle size, particle distribution, composition and microstructure and improved service life (long-term behavior).
Auch die Anwendung der konventionellen Soltränktechnik kann die genannten Probleme nicht zufriedenstellend lösen. Die bisher als Stabilisatoren oder Schutzkolloide für die vorgeformten Nanoteilchen verwendeten niedermolekularen oder polymeren Verbindungen besitzen verschiedene Nachteile. Die Liganden- Stabilisatoren beeinträchtigen beispielsweise aufgrund von starken Wechselwirkungen ihrer Donorgruppen mit den aktiven Metalizentren dessen katalytische Interaktionen. Aus demselben Grund ist auch ihre Abtrennung von dem Metallkern nach dem Aufbringen auf einen Träger schwierig. Polymere Schutzkolloide können die katalytische Wirksamkeit der Metallpartikel beeinträchtigen, so daß ihre Entfernung nach der Fixierung wünschenswert ist. Dies gelingt in vielen Fällen nicht oder nur unvollständig.The use of conventional brine watering technology cannot solve the problems mentioned satisfactorily. The low molecular weight or polymeric compounds previously used as stabilizers or protective colloids for the preformed nanoparticles have various disadvantages. The ligand stabilizers impair, for example, due to the strong interactions of their donor groups with the active metal centers catalytic interactions. For the same reason, it is difficult to separate them from the metal core after they have been applied to a carrier. Polymeric protective colloids can impair the catalytic activity of the metal particles, so that their removal after fixation is desirable. In many cases this does not succeed or only incompletely.
Durch die vorliegende Erfindung werden die genannten Nachteile überwunden. Nach der erfindungsgemäßen Methode können bimetallische Pd/Au- Trägerkatalysatoren mit verbesserter Eigenschaften bezügl. ihrer Partikelgröße, Partikelverteilung, Zusammensetzung und MikroStruktur und verbesserter Standzeit (Langzeitverhalten) erhalten werden.The disadvantages mentioned are overcome by the present invention. According to the method of the invention, bimetallic supported Pd / Au catalysts with improved properties can be obtained. their particle size, particle distribution, composition and microstructure and improved service life (long-term behavior).
Der Träger kann vor, während und/oder nach der Fixierung der Sole und/oder der Caicinierung noch mit weiteren Aktivatoren, insbesondere Alkali-Acetaten, vorzugsweise K-Acetat und ggf. Promoteren, beispielsweise Zr-, Ti-, Cd-, Ba, Cu- Verbindungen, beladen werden.Before, during and / or after the fixing of the brine and / or the caicination, the carrier can also be combined with further activators, in particular alkali acetates, preferably K acetate and optionally promoters, for example Zr, Ti, Cd, Ba, Cu connections.
Die Metallgehalte der fertigen Katalysatoren haben folgende Werte:The metal contents of the finished catalysts have the following values:
Der Pd-Gehalt der Pd/Au-Katalysatoren beträgt im allgemeinen 0.5 bis 2.0 Gew.-%, vorzugsweise 0.6 bis 1.5 Gew.-%. Der Au-Gehalt der Pd/Au-Katalysatoren beträgt im allgemeinen 0.2 bis 1.0 Gew.-%, vorzugsweise 0.3 bis 0.8 Gew.-%.The Pd content of the Pd / Au catalysts is generally 0.5 to 2.0% by weight, preferably 0.6 to 1.5% by weight. The Au content of the Pd / Au catalysts is generally 0.2 to 1.0% by weight, preferably 0.3 to 0.8% by weight.
Ein bevorzugtes Katalysatorsystem enthält neben Pd und Au noch K-Acetat als Aktivator. Der K-Gehalt beträgt im allgemeinen 0.5 bis 4.0 Gew.-%, vorzugsweise 1.5 bis 3.0 Gew.-%.In addition to Pd and Au, a preferred catalyst system also contains K acetate as an activator. The K content is generally 0.5 to 4.0% by weight, preferably 1.5 to 3.0% by weight.
Die Herstellung des Vinylacetats erfolgt im allgemeinen durch Leiten von Essigsäure, Ethylen und Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen von 100 bis 220°C, vorzugsweise 120 bis 200°C, und bei Drucken von 1 bis 25 bar, vorzugweise 1 bis 20 bar, über den fertigen Katalysator, wobei nicht umgesetzte Komponenten im Kreis geführt werden können. Zweckmäßig hält man die Sauerstoffkonzentration unter 10 Vol.-% (bezogen auf das essigsäurefreie Gasgemisch). Unter Umständen ist jedoch auch eine Verdünnung mit inerten. Gasen wie Stickstoff oder Kohlendioxid vorteilhaft. Besonders Kohlendioxid eignet sich zu Verdünnung, da es in geringen Mengen während der Reaktion gebildet wird. The vinyl acetate is generally prepared by passing gases containing acetic acid, ethylene and oxygen or oxygen at from 100 to 220 ° C., preferably from 120 to 200 ° C., and from 1 to 25 bar, preferably from 1 to 20 bar, over the finished catalyst, whereby unreacted components can be circulated. The oxygen concentration is expediently kept below 10% by volume (based on the acetic acid-free Gas mixture). However, dilution with inert substances is also possible . Gases such as nitrogen or carbon dioxide are beneficial. Carbon dioxide is particularly suitable for dilution since it is formed in small quantities during the reaction.

Claims

Patentansprüche claims
1. Edelmetallcluster oder Edelmetallnanoteilchen enthaltende nano-poröse Aluminiumoxidmembranen mit enger Porenradienverteilung.1. Noble metal clusters or nano-porous aluminum oxide membranes containing noble metal nanoparticles with a narrow pore radius distribution.
2. Edelmetallcluster oder Edelmetallnanoteilchen enthaltende nano-poröse Aluminiumoxidmembranen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Porenradius 1-500nm und eine Standardabweichung der Porenradienverteilung von 0-20%, vorzugsweise von 0-10% aufweist.2. Noble metal clusters or noble metal nanoparticles containing nano-porous aluminum oxide membranes according to claim 1, characterized in that the mean pore radius 1-500nm and a standard deviation of the pore radius distribution of 0-20%, preferably 0-10%.
3. Edelmetallcluster oder Edelmetallnanoteilchen enthaltende nano-poröse Aluminiumoxidmembranen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Cluster oder Nanoteilchen als Edelmetall Platin, Palladium oder Palladium und Gold enthalten.3. Noble metal clusters or noble metal nanoparticles containing nano-porous aluminum oxide membranes according to claim 1 or 2, characterized in that the clusters or nanoparticles contain platinum, palladium or palladium and gold as the noble metal.
4. Verfahren zur Hersteilung von Edelmetallcluster oder Edelmetallnanoteilchen enthaltenden nano-porösen Aluminiumoxidmembranen, dadurch gekennzeichnet, daß man durch anodische Oxidation erhaltene nano-poröse Aluminiumoxidmembranen mit enger Porenradienverteilung mit einer kolloidalen Lösung von ligandenstabilisierten Edelmetallnanopartikeln oder4. A process for the production of noble metal clusters or nano-porous alumina membranes containing noble metal nanoparticles, characterized in that nano-porous alumina membranes obtained with anodic oxidation and having a narrow pore radius distribution with a colloidal solution of ligand-stabilized noble metal nanoparticles or
Cluster beschichtet, trocknet und anschließend in Gegenwart eines Sauerstoff enthaltenden Gases calciniert.Cluster coated, dried and then calcined in the presence of an oxygen-containing gas.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Caicinierung in Gegenwart von Luft durchführt.5. The method according to claim 4, characterized in that one carries out the caicination in the presence of air.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Caicinierung in Gegenwart von reinem Sauerstoff durchführt.6. The method according to claim 4, characterized in that one carries out the caicination in the presence of pure oxygen.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Caicinierung in Gegenwart von Ozon durchführt. 7. The method according to claim 4, characterized in that one carries out the caicination in the presence of ozone.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Caicinierung bei Temperaturen von 50-1200X, vorzugsweise bei 100-1000°C durchgeführt.8. The method according to at least one of claims 4 to 7, characterized characterized in that the caicination is carried out at temperatures of 50-1200X, preferably at 100-1000 ° C.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Caicinierung bei 200 bis 1000°C durchführt.9. The method according to claim 8, characterized in that one carries out the caicination at 200 to 1000 ° C.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man Aluminiumoxidmembranen mit einem mittleren Porenradius von 1-500nm und einer Standardabweichung der Porenradienverteilung von 0-20%, vorzugsweise von 0-10% verwendet.10. The method according to at least one of claims 4 to 9, characterized in that one uses aluminum oxide membranes with an average pore radius of 1-500nm and a standard deviation of the pore radius distribution of 0-20%, preferably of 0-10%.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man als Edelmetall Platin, Palladium oder Gold und Palladium verwendet.11. The method according to at least one of claims 4 to 10, characterized in that platinum, palladium or gold and palladium are used as the noble metal.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß monodisperse, kolloidale Lösungen verwendet.12. The method according to at least one of claims 4 to 11, characterized in that monodisperse, colloidal solutions are used.
13. Verwendung der Edelmetallcluster oder Edelmetallnanoteilchen enthaltenden nano-porösen Aluminiumoxidmembranen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bzw. hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 12 als Katalysator bei der Synthese von Vinylacetat. 13. Use of the nano-porous aluminum oxide membranes containing noble metal clusters or noble metal nanoparticles according to one of claims 1 to 4 or produced by a process according to one of claims 4 to 12 as a catalyst in the synthesis of vinyl acetate.
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