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?通量粉末原?層沉積（PALD）技術在工業催化劑中的應?

復納科技 2023-12-19 | 閱讀：644

據統計，95% 的商業化學品在其制造過程的某個階段需要使??種或多種催化劑。多相催化劑對于?油煉制、塑料制造、?品和?物燃料?產以及許多化學制造?藝?關重要。

盡管許多工業催化過程已經取得了顯著的進展，但這些催化材料的活性中心結構均質性較差，可能會導致不同的反應并產生不需要的副產物。此外，活性位點的不均勻性也使得催化性能與特定催化結構聯系起來極其困難。因此，催化劑成分和結構的調控對提升催化劑性能有積極意義。

原子層沉積技術（ALD ）提供了?個創造表?活性催化劑位點的?式，能夠創造出傳統合成?法?法實現的?性能催化劑。該技術已被證明具有成本效益，并可以顯著提升催化劑的性能。

PART 01

關于 ALD 以及 PALD 技術

原子層沉積（ALD）是一種氣相催化劑合成技術，其原理基于兩種前驅體蒸汽交替進樣并在限制載體表面上發生分子層面上的“自”反應，實現目標材料在載體表面上的精準沉積。利用其分子層面上的“自”反應特性，并通過改變沉積周期數、層次和種類等方法可以實現對催化劑活性位結構的原子級精細控制，為人們提供了一種催化劑“自下而上”精細可控合成型的新策略。

ALD 工藝示意圖

利用原子層沉積方法在粉末表面構筑涂層的方式被稱為 —— 粉末 / 顆粒原子層沉積（PALD）。使用該法可以制備金屬單質，金屬氧化物，氮化物，硫化物，磷酸鹽，多元化合物以及有機聚合物等涂層。Forge Nano 經過多年研發，已開發出成熟的商業化 PALD 工藝。

針對粉末材料較大的比表面積，傳統的原子層沉積方法效率低，處理量少且包覆不均勻。采用流化床或旋轉床的方式可以實現 ALD 工藝過程中的粉末分散，保證前驅體的有效利用，獲得均勻保形的涂層。

PALD 能解決傳統平面 ALD 造成的包覆不均勻缺陷

PART 02

PALD 技術提升催化劑性能

ALD 涂層的作?是多??的，???可以提?催化劑的選擇性和使?壽命，從?提?催化劑的性能。另???可有效減少?屬催化劑的析出或燒結，從?避免反應的?表?積和性能的下降。

ALD 對催化劑的增益效果：

1 減少?屬納?顆粒析出

2 更?的催化活性

3 降低熱分解

4 減少活性組分燒結

5 鈍化包覆，催化劑壽命 100% 增加

6 更強的反應選擇性

當然，ALD 在先進催化劑的制造中有很多應用，但在工業催化劑的制造中有三種基礎的作用：

1 制備??表?積載體負載活性催化劑

2 ALD 襯底涂層可以提?催化劑的選擇性和壽命

3 ALD 涂層限制熱降解，提?選擇性

在工業催化劑中 ALD 的三種工藝

PALD 的幾個常見應用場景：全包覆鈍化，活性組分，催化劑殼層

1、 ALD 表?活性位點構筑

PALD 已被?于在超??表?積基底載體上沉積 Pd、Pt、Ni、Rh、Fe、Ir 和 Ru 等催化劑材料。催化劑材料的?表?能允許其在基底上形成?的“島嶼”顆粒，實現了活性材料?分散，同時保持超低負載以降低材料成本。與濕法化學合成技術不同，PALD 可覆蓋催化劑載體上超?縱橫?的孔隙，實現均勻沉積。此外，PALD 可以制造“核殼”結構催化劑。

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ALD 技術使 Pt 顆粒在基底上分散開來

使用 Forge Nano 包覆后的催化劑（左）

未包覆的催化劑（右）

2、ALD 構筑襯底支撐涂層

使? ALD 在活性催化劑內側構筑界?層也有助于更?的使?壽命和熱穩定性。在不影響孔隙??和形態的情況下在基底表?沉積薄膜，可以改變表?酸/堿特性，并防?活性催化劑溶解到基底材料中。?個案例便是，與未包覆的?氧化硅或氧化鋁的催化劑相?，ALD 內部涂層?撐的沉積提?了丙烷氧化脫氫的催化活性、壽命和選擇性。

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3、ALD 防護涂層

ALD 可以有效地將均勻的薄膜沉積在催化劑上，同時還可以提?催化性能。在?溫反應條件下，沉積Al2O3、TiO2、NbOx、NiO、ZrO2 或 Co3O4 等薄膜可以保護催化劑的完整性，同時抑制?屬粒?的降解、燒結和析出。?如，氧化鋁 ALD 涂層保留并增強了 Pd 納?顆粒的催化活性，同時在 500℃ 條件下依然能有效防?其燒結。