蛋黄-壳粒子、催化剂及其制备方法
【技术领域】
[00011 本申请要求于2013年11月29日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请化.10_ 2013-0147016的优先权和权益。
[0002 ]本说明书涉及蛋黄-壳粒子、催化剂及其制备方法。
【背景技术】
[0003] 不同于疏松材料(bulk material)，因为纳米材料的特有性能，已经进行合成并使 用纳米级的金属和金属氧化物的各种研究。
[0004] 据判断，由于纳米粒子的光学性能或催化剂性能随着其尺寸、形状和结构大大改 变，因此纳米粒子结构的良好设计和合成能够有助于理解催化剂现象，这在现有疏松材料 中难以解释，而且，通过调节化学活性、特性和选择性等开发有利于特定反应的催化剂。
[0005] 具体而言，进行调节纳米粒子的粒子尺寸及其分布的研究，以便促进催化剂的更 有利合成，积极进行不引起聚集并且能够提供热稳定性的具有核-壳或蛋黄-壳（yolk-shell) 结构 的纳米结构的 研究。
【发明内容】
[0006] 技术问题
[0007] 为了提供蛋黄-壳粒子、催化剂及其制备方法而完成了本说明书。
[0008] 技术方案
[0009] 本说明书的一个不例性实施方案提供一种蛋黄-壳粒子，包括:氧化娃壳；以及设 置在氧化硅壳中的稀土金属氧化物核，其中，所述壳的至少一部分设置为与所述核在空间 上分呙。
[0010] 本说明书的另一示例性实施方案提供一种催化剂，该催化剂包含所述蛋黄-壳粒 子。
[0011] 本说明书的又一示例性实施方案提供一种制备蛋黄-壳粒子的方法，包括:在稀土 金属氧化物核的表面上形成氧化硅壳；以及通过将所述壳的至少一部分设置为与所述核在 空间上分离来形成蛋黄-壳粒子。
[0012] 有益效果
[0013] 根据本说明书的蛋黄-壳粒子在高温下具有高的烧结稳定性。
[0014] 根据本说明书的蛋黄-壳粒子具有高的催化剂性能。
[0015] 根据本说明书的蛋黄-壳粒子可以重复使用。
【附图说明】
[0016] 图1为Ce〇2@Si〇2核-壳在2500放大倍数下的透射电镜(TEM)照片；
[0017] 图2为Ce〇2@Al-SiOx蛋黄-壳在2500放大倍数下的TEM照片；
[0018] 图3为Ce〇2@Al-SiOx蛋黄-壳在40000放大倍数下的TEM照片；
[0019]图4和图5为根据本说明书的蛋黄-壳粒子的扫描电镜(SEM)照片；
[0020]图6为甲烷转化率随着时间变化的图；
[0021]图7为CH3Br的选择性随着时间变化的图；
[0022]图8为Ce02粒子在2500放大倍数下的TEM照片。
【具体实施方式】
[0023]下文中，将详细地描述本说明书。
[0024] 本说明书提供一种蛋黄-壳粒子，包括:氧化硅壳；以及设置在所述氧化硅壳中的 稀土金属氧化物核。
[0025] 所述壳的至少一部分可以设置为与所述核在空间上分离。具体而言，所述壳的至 少一部分与所述核可以在空间上彼此分离使得空间存在。
[0026] 在本说明书的一个示例性实施方案中，所述核的整个表面可以与所述壳在空间上 分离。即，设置在壳中的核可以不与壳的内表面化学结合。
[0027] 所述壳的至少一部分可以设置为与设置在氧化硅壳中的核在空间上分离，并且在 所述壳中可以设置孔洞。
[0028] 当本说明书的蛋黄-壳粒子参加化学反应时，通过设置在壳中的孔洞可以提高与 反应物的可接触性。此外，由于壳和核在空间上彼此分离来形成空间，因此，位于壳中的核 与反应物之间的接触面积会增大。
[0029] 如图4中所示，在本说明书的蛋黄-壳粒子中，所述壳的至少一部分可以设置为与 设置在氧化硅壳中的核在空间上分离，并且可以在壳中设置孔洞。
[0030] 在本说明书的示例性实施方案中，所述壳可以为氧化娃错(aluminum silica)壳。 具体而言，氧化硅铝壳可以包括AlSiOx。在这种情况下，氧化硅铝壳不仅具有简单的壳功 能，还能够作为酸催化剂参加卤代甲烷例如CH 3Br被转化为低碳烯烃类化合物的两步反应。 [0031 ] 氧化娃壳的厚度可以为10nm以上且小于500nm〇
[0032] 所述稀土金属氧化物核可以包括铈(Ce)氧化物、钪(Sc)氧化物、钇(Y)氧化物、镧 (La)氧化物、锕(Ac)氧化物、镨(Pr)氧化物、钕(Nd)氧化物、钷(Pm)氧化物、钐(Sm)氧化物、 铕(Eu)氧化物、钆(Gd)氧化物、铽(Tb)氧化物、镝(Dy)氧化物、钬(Ho)氧化物、铒(Er)氧化 物、铥(Tm)氧化物、镱(Yb)氧化物和镥(Lu)氧化物中的至少一种，或者它们的两种或更多种 的合金。
[0033] 具体而言，稀土金属氧化物核可以包括氧化铺(CeOx)。例如，氧化铺(CeOx)可以为 Ce02，在这种情况下，Ce02容易被氧化和被还原为Ce47Ce 3+并且该性能影响反应性的升高。 [0034] 稀土金属氧化物核的直径可以为0· lnm以上且小于500nm〇
[0035] 设置为在空间上彼此分离的核与壳之间的距离可以为5nm以上且小于500nm〇
[0036] 蛋黄-壳粒子的平均粒子尺寸可以为10nm以上且小于lOOOnrn。
[0037] 在本说明书中，蛋黄-壳粒子的结构为来自蛋的术语，蛋黄-壳粒子的结构指核与 壳之间具有空间的结构，正如蛋按顺序具有蛋黄、蛋白和壳的结构。
[0038]在本说明书中，由于催化反应主要发生在位于核中的稀土金属氧化物的表面上， 在调节核的稀土金属氧化物催化剂粒子的尺寸和形状然后涂布壳的情况下，容易调节核的 稀土金属氧化物粒子的活性和选择性。
[0039] 在本说明书中，壳可以通过金属氧化物例如Si02来形成以减少在苛刻反应条件下 例如高温和高压下稀土金属氧化物催化剂粒子聚集或者剥落的现象，从而提高催化剂的稳 定性。
[0040] 在本说明书中，由于催化反应发生在具有预定空间的壳的内部，因此每种金属催 化剂可以具有与在均匀环境下发生反应的相类似的效果，并且可以得到关于催化反应的更 详细信息。
[0041 ]在核-壳的情况下，由于金属氧化物包围金属催化剂粒子，难以利用金属催化剂的 整个表面。
[0042]在本说明书的蛋黄-壳粒子中，壳与核之间的化学或物理相互作用得以维持并且 能够利用催化剂的整个表面。
[0043]在本说明书的蛋黄-壳粒子中，由于为壳提供催化性能，因此壳一起参加反应，因 此催化剂粒子的反应得到改善。
[0044]在本说明书的蛋黄-壳粒子中，由于为壳提供催化性能，壳一起参加催化剂反应， 因此催化反应的步骤简化。
[0045] 本说明书提供一种包含蛋黄-壳粒子的催化剂。
[0046] 在本申请的示例性实施方案中，催化剂可以用于各种催化领域。
[0047]因为蛋黄-壳粒子的稀土金属氧化物核耐酸，因此，包含蛋黄-壳粒子的催化剂为 耐酸的催化剂，具体地包含蛋黄-壳粒子的催化剂是在pH为1以下的酸条件下充当催化剂的 催化剂。
[0048] 在不耐酸的过渡金属，例如镍、钯、银和铜，用作蛋黄-壳粒子的核的情况下，核被 酸溶解，因此核不能在酸条件下充当催化剂。
[0049] 在具有低的催化活性的金属，例如金，用作蛋黄-壳粒子的核的情况下，由于催化 活性低，催化反应速度慢，因此效率降低。
[0050] 由于作为蛋黄-壳粒子的核的贵金属(包括铂）昂贵，因此催化剂的单位性能的主 要成本高。
[0051] 例如，蛋黄-壳粒子可以在C1烃反应的氧化卤化和由甲烷气体通过直接转化制备 乙烷和乙烯的0CM(甲烷的直接氧化偶联)反应的任意一个反应中充当催化剂。
[0052]具体而言，催化剂可以用于C1烃反应的氧化卤化中。本发明的催化剂的壳包括具 有酸催化剂性能的Al-SiOx，因此催化反应的步骤简化。
[0053]本说明书的催化剂可以用作将甲烷转化为丙烯的催化剂。
[0054]具体而言，核物质可以为将甲烷转化为卤代甲烷例如溴甲烷和氯甲烷的第一步骤 催化剂，壳可以为将由第一步骤催化剂转化来的溴甲烷转化为丙烯的第二步骤催化剂。因 此，通过本说明书的催化剂可以简化催化反应的步骤。
[0055]将甲烷转化为卤代甲烷的第一步骤为供应甲烷、氧气和HBr水溶液（或HC1水溶 液），氧气和HBr水溶液(或HC1水溶液)与催化剂接触的步骤，此处，由于HBr或HC1为将甲烷 转化为CH3Br或CH 3C1所需的组分，因此，在本过程中，催化剂应该具有耐酸性能。
[0056]本说明书提供一种制备蛋黄-壳粒子的方法，包括:在稀土金属氧化物核的表面上 形成氧化硅壳；以及通过将所述壳设置为与所述核在空间上分离来形成蛋黄-壳粒子。 [0057]提供一种制备蛋黄-壳粒子的方法，其中，蛋黄-壳粒子的形成包括在壳中形成孔 洞并且将壳设置为与所述核在空间上分离来形成蛋黄-壳粒子。
[0058]在本说明书的示例性实施方案中，所述方法还可以包括在形成氧化硅壳之前，使 用稀土金属氧化物前体、表面活性剂和溶剂制备稀土金属氧化物核。
[0059]稀土金属氧化物前体的种类没有限制，但是稀土金属氧化物前体为包含稀土金属 离子或包含稀土金属离子的原子团离子的盐，可以起到提供稀土金属的作用。
[0060]包含铈(Ce)离子或包含铈离子的原子团离子作为稀土金属氧化物前体的稀土金 属氧化物前体的实例可以为 Ce(N03)3、CeCl3、CeF3、（NH4)2Ce(N0 3)6、Ce2(S〇4)3、Ce(NH4)4 (S〇4) 4、Ce (CH3COO) 3和Ce (CH3COCHCOCH3) 3 中的至少一种。
[0061 ]表面活性剂没有特别限制，只要表面活性剂可以促进稀土金属氧化物前体的分散 即可，但是其实例可以为聚乙烯吡咯烷酮（PVP)、聚甲基乙烯基醚（PMVE)、聚乙烯亚胺 (PEI)、聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯烷基苯醚中的至少一种，或者它们的衍生物。
[0062]当稀土金属氧化物前体的含量为100重量份时，表面活性剂的含量可以为10重量 份以上且为100重量份以下。具体而言，表面活性剂的含量可以为10重量份以上且为70重量 份以下。
[0063]在稀土金属氧化物核的制备中，对溶剂没有特别限制，但是其实例包括水、乙醇、 己烷、环己烷、甲苯和异丙醇中的至少一种或两种或