Способ изготовления катализатора из нанопроволоки

Изобретение относится к нанотехнологии, может быть использовано в химической промышленности для создания эффективных катализаторов. Заключается в том, что на подложку наносят вспомогательный слой, в котором формируют ряды канавок нанометровой глубины с вертикальными стенками, наносят слой каталитического материала нанометровой толщины, поверх которого формируют маску из фоторезиста с рисунком узких полосок, расположенных поперек канавок, анизотропным травлением удаляют слой каталитического материала до вспомогательного слоя, оставляя его на боковых стенках канавок и под маской, маску удаляют. Подложки с нанопроволоками упорядоченно располагают в реакторе. Технический результат заключается в повышении выхода конечного продукта, уменьшении расхода дорогого каталитического материала и снижении газодинамического сопротивления реактора. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к нанотехнологии, может быть использовано в химической промышленности для создания эффективных катализаторов.

В настоящее время нанопроволоки находят все большее применение. Их используют при изготовлении различных электронных, оптических и магнитных устройств, при создании биологических и химических сенсоров и катализаторов. Эти применения основаны на уникальных физических свойствах различных материалов, которые проявляются при нанометровых размерах образцов.

Фундаментальное отличие наночастиц и нанопроволок от объемных материалов заключается в том, что количество атомов на их поверхности соизмеримо с числом атомов в объеме, а радиус кривизны поверхности очень мал. Общепринято, что именно эти особенности обеспечивают высокую каталитическую активность наноструктурированных катализаторов по сравнению с их аналогами на основе объемных материалов [1-3].

Ключевым моментом в гетерогенном катализе является эффективная удельная поверхность катализатора - поверхность частиц катализатора, принимающих участие в электрохимических процессах, отнесенная к массе катализатора. Именно поэтому большинство исследуемых в лабораториях и применяемых в технологии катализаторов содержат наночастицы, размер которых лежит в диапазоне 1-100 нм.

Для увеличения выхода конечного продукта синтеза скорость газового потока относительно катализатора должна быть высокой. При синтезе этилена из смеси метана с кислородом при температуре 550°C на катализаторе, использующем нанопроволоки, относительная объемная скорость газового потока должна быть не менее 20000 в час (20000 объемов газа через 1 объем реактора) [1]. Для промышленного реактора в виде колонны с наполнителем, покрытым катализатором, длиной несколько метров и сечением менее метра скорость потока должна быть несколько десятков метров в секунду, что трудно обеспечить, поэтому приходится использовать много маленьких реакторов с меньшими скоростями потока.

В качестве наполнителя обычно используют пористые вещества типа цеолита и бемита, которые покрывают тонким слоем платины [2]. В порах и трещинах этих материалов образуются наночастицы и нанопроволоки, но площадь этих нанообразований мала по отношению к площади сплошного покрытия наполнителя. Поэтому эффективность такого катализатора относительно невелика. Применение массива исключительно из нанопроволок было бы более эффективно.

Для изготовления нанопроволок в настоящее время используются разные способы: механический [4], метод селективного выращивания [5], с использованием нанодисперсных частиц катализатора роста кристалла [6], фокусированным ионным пучком [7], с использованием процесса формирования спейсера [8], стандартным фотолитографическим процессом [9] и многие другие методы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ изготовления нанопроволок, описанный в патенте [8]. Он состоит в том, что на полупроводниковую подложку наносят изолирующий слой, на поверхности которого методом фотолитографии формируют канавки с вертикальными стенками, наносят слой поликремния, который затем анизотропным травлением удаляют с горизонтальных поверхностей до изолирующего слоя, оставляя на боковых стенках канавок нанопроволоки из поликремния.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение катализатора, состоящего из подложек с активной поверхностью в виде сплошного упорядоченного массива нанопроволок, который повысит выход конечного продукта, уменьшит расход дорогого каталитического материала (например, платины) и снизит газодинамическое сопротивление реактора.

Поставленная задача решается в способе, включающем следующие шаги: нанесение на подложку вспомогательного слоя; формирование в нем методом фотолитографии и анизотропного травления рядов канавок нанометровой глубины с вертикальными стенками; нанесение на поверхность подложки и боковые стенки канавок нанометрового слоя материала, из которого будут сформированы нанопроволоки, анизотропное травление слоя материала нанопроволок до вспомогательного слоя, отличающемся тем, что в качестве материала нанопроволок используется материал, обладающий каталитической способностью, а перед анизотропным травлением на поверхности подложки методом фотолитографии формируется маска из фоторезиста, которая состоит из узких полосок, расположенных перпендикулярно канавкам.

В качестве подложки используется полированная пластина из кремния, стекла, металла или поликора. В качестве вспомогательного слоя используется двуокись кремния или нитрид кремния. В качестве материала для нанопроволок используются благородные металлы Pt, Pd, Re, Ru, Rh, Os, Ir, Ag или металлы группы Ni, Fe, Co, Cu и их оксиды.

Таким образом, отличительными признаками изобретения являются: 1) использование в качестве слоя, формирующего нанопроволоки, каталитического материала, 2) использование фоторезистивной маски при травлении слоя каталитического материала.

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач. Использование материала, обладающего каталитической способностью, собственно и обеспечивает каталитический эффект при осуществлении химических реакций. Использование фоторезистивной маски при травлении слоя каталитического материала обеспечивает формирование поперечных полосок (из того же материала, что и нанопроволоки), которые скрепляют длинные нанопроволоки, уменьшая вероятность их отслаивания от подложки при нагреве реактора и обдуве катализатора газовым потоком. Из-за разных коэффициентов термического расширения материалов длинные проводники склонны к отслаиванию от подложки, когда их ширина меньше толщины.

Использование большого количества нанопроволок, порядка 1000 на каждый мм подложки, позволяет увеличить выход конечного продукта при меньшем количестве катализатора. Использование катализатора в виде тонких плоских подложек с активной поверхностью, которые располагаются в реакторе упорядоченно под небольшим углом к газовому потоку, позволяет существенно снизить газодинамическое сопротивление реактора.

Данная совокупность общих и отличительных признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в получении катализатора в виде тонких пластин с активной поверхностью, создаваемой сеткой, состоящей из рядов нанопроволок, скрепленных поперечными полосками из того же материала. Пластины катализатора устанавливаются в реакторе упорядоченно на небольшом расстоянии одна от другой под определенным углом к газовому потоку. Оптимальное количество подложек в реакторе, расстояние между ними и угол по отношению к газовому потоку определяются экспериментально для каждого конкретного технологического процесса.

В качестве примера рассмотрим применение данного способа формирования сетки нанопроволок из платины для использования в качестве катализатора. На кремниевую подложку диаметром 100 мм осаждением наносится слой двуокиси кремния толщиной 0,5 мкм. С помощью методов фотолитографии и плазменного травления в этом слое формируются ряды канавок глубиной 20-50 нм. Ширина канавок и расстояние между ними одинаковые и равны минимальному размеру, воспроизводимому применяемым оборудованием, например, 1 мкм.

На эту подложку методом магнетронного напыления наносится слой платины толщиной 10-30 нм. Для увеличения адгезии платины к слою двуокиси кремния напыление проводится на нагретую подложку.

Поверх этого слоя наносится слой фоторезиста, который засвечивается ультрафиолетовыми лучами через фотошаблон, который использовался для формирования канавок, но повернутый на 90°, или другой шаблон с более редким расположением полосок. После засветки фоторезист обрабатывается в проявителе и задубливается. При этом формируется фоторезистивная маска, которая используется для локального удаления слоя платины в тех местах, где он не защищен слоем фоторезиста.

Проводится ионно-плазменное травление (распыление) платины ионами аргона. После травления фоторезистивная маска удаляется. На подложке образуется сетка из 1000 нанопроволок на 1 мм, скрепленных полосками шириной 1 мкм.

На фиг. 1 показан фрагмент полученной на кремниевой пластине сетки из нанопроволоки, где А-А - сечение подложки вдоль полоски, скрепляющей нанопроволоки, Б-Б - сечение подложки между полосками, скрепляющими нанопроволоки.

Практическая осуществимость данного способа обеспечивается тем, что все используемые в нем приемы по отдельности давно реализованы на практике. Положительный эффект обеспечивается большим числом нанопроволок из каталитического материала на поверхности пластин (подложек).

Источники информации

1. Патент США №8962517.

2. Патент РФ №2529680.

3. Патент РФ №2528988.

4. Патент РФ №2529458.

5. Патент РФ №2437180.

6. Патент РФ №2526066.

7. Патент РФ №2457573.

8. Патент США 8405168 В2.

9. Lee K.N., Jung S.W., Kim W.H., Lee M.H., Shin K.S., Seong W.K

Well controlled assembly of silicon nanowires by nanowire transfer method // Nanotechnology. - 2007. - №18(44): 445302. - 7 pp.

1. Способ изготовления катализатора из нанопроволок, включающий следующие шаги: нанесение на подложку вспомогательного слоя; формирование в нем методом фотолитографии и анизотропного травления рядов канавок нанометровой глубины с вертикальными стенками; нанесение на поверхность подложки и боковые стенки канавок нанометрового слоя материала, из которого будут сформированы нанопроволоки, анизотропное травление этого слоя до вспомогательного слоя, отличающийся тем, что в качестве материала нанопроволок используется материал, обладающий каталитической способностью, перед анизотропным травлением на поверхности подложки методом фотолитографии формируется маска из фоторезиста, которая состоит из узких полосок, расположенных перпендикулярно канавкам, а после анизотропного травления слоя нанопроволок маска удаляется.

2. Способ по п. 1, в котором в качестве подложки используется полированная пластина из кремния, стекла, металла или поликора.

3. Способ по п. 1, в котором в качестве вспомогательного слоя используется двуокись кремния или нитрид кремния.

4. Способ по п. 1, в котором в качестве материала, обладающего каталитической способностью, используются благородные металлы Pt, Pd, Re, Ru, Rh, Os, Ir, Ag или металлы группы Ni, Fe, Co, Cu и их оксиды.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения нанокапсул ципрофлоксацина гидрохлорида. Указанный способ характеризуется тем, что в суспензию геллановой камеди в бутаноле и 0,01 г препарата Е472с добавляют порошок ципрофлоксацина гидрохлорида, затем добавляют хлороформ, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат, при этом массовое соотношение ядро : оболочка в нанокапсулах составляет 1:3, 1:1, 1:5 или 5:1.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул вакцины «КС» от чумы свиней. Указанный способ характеризуется тем, что вакцину «КС» растворяют в петролейном эфире, затем диспергируют в суспензию натрий карбоксиметилцеллюлозы в петролейном эфире в присутствии препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1000 об/мин, далее приливают бутилхлорид, выпавший осадок нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул аминогликозидного антибиотика, выбранного из канамицина, амикацина или сульфата гентамицина. Указанный способ характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используется геллановая камедь, при этом аминогликозидный антибиотик порциями добавляют в суспензию геллановой камеди в бутаноле, содержащую препарат Е472с, при массовом соотношении аминогликозидный антибиотик:геллановая камедь 1:1 или 1:3, смесь перемешивают, затем добавляют метиленхлорид, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают, промывают метиленхлоридом и сушат, процесс осуществляют в течение 15 минут.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул резвератрола. Указанный способ характеризуется тем, что резвератрол добавляют в суспензию геллановой камеди в бутаноле в присутствии сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты при перемешивании 1000 об/мин, далее приливают этилацетат, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение оболочка : ядро в нанокапсулах составляет 3:1 или 1:5.

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу получения нанокапсул, и описывает способ получения нанокапсул унаби. Способ характеризуется тем, что в качестве ядра используется унаби, а качестве оболочки альгинат натрия, при осуществлении способа порошок ягод унаби добавляют в суспензию альгината натрия в петролейном эфире в присутствии Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1300 об/мин, далее приливают 5 мл четыреххлористого углерода в качестве осадителя, при этом массовое соотношение ядро:оболочка при пересчете на сухое вещество составляет 1:1 или 1:3, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул экстракта зеленого чая. Указанный способ характеризуется тем, что экстракт зеленого чая добавляют в суспензию хитозана в петролейном эфире в присутствии сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1300 об/мин, далее приливают ацетон, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро/оболочка в нанокапсулах составляет 1:3, 1:1 или 1:5.

Изобретение относится к области нанотехнологий и нанохимии, а точнее к цитратам металлов, и может быть использовано в парфюмерной, пищевой промышленности, в медицине, в сельском хозяйстве, в биологии и в других областях науки, промышленности и экологии.

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к способу получения наноразмерных порошков карбида кремния, покрытых углеродной оболочкой. Способ заключается в том, что смесь прекурсоров: моносилана, аргона и ацетилена, в которую ацетилен вводят в количестве 2,5-15 об.%, при начальном давлении Р0=0,105 МПа и начальной температуре Τ0=170°С подвергают термическому разложению в процессе адиабатического сжатия до образования целевого продукта.

Одноразовый многослойный полимерный предварительно заполненный контейнер для автомобильного топлива включает корпус, горловину с герметичной крышкой и средством для предотвращения повторного заполнения контейнера, устройство для переливания топлива в бак автомобиля.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике, машиностроении и т.д. Способ получения нанокомпозитного металл-керамического покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины включает нанесение ионно-лучевым распылением покрытия с необходимым процентным соотношением металлической и керамической фаз, при этом процентное соотношение металлической и керамической фаз определяют с помощью нейронной сети, для чего наносят покрытия с заданным шагом процентного соотношения фаз металл-керамика, изменяющимся в покрытии от нуля до максимума, определяют значения микротвердости нанесенных покрытий, затем на основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение, тестируют полученную нейросетевую модель путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, экспериментально измеренных факторов нейросетевой модели, включающих микротвердость металлического покрытия, микротвердость керамического покрытия, концентрацию металлической фазы в композите и микротвердость нанокомпозитного покрытия в качестве выходного параметра модели, с последующим их определением при помощи полученной нейросетевой модели и сравнения полученных теоретических данных с исходными экспериментальными значениями, затем в искусственную нейронную сеть вводят значения микротвердости металлического и керамического покрытия, их процентное соотношение в получаемом покрытии и при помощи искусственной нейронной сети рассчитывают значение микротвердости металл-керамического нанокомпозитного покрытия при введенном процентном соотношении металлической и керамической фаз.

Группа изобретений относится к пневматическим генераторам жидких аэрозольных субмикронных частиц лекарственного средства и составу указанного средства для использования в медицине для лечения заболеваний носоглотки, бронхов и легких.

Изобретение относится к нанотехнологиям в области противопожарной техники. Предлагаемое техническое решение относится к метаемым огнетушащим средствам.

Группа изобретений относится к области фармацевтической промышленности, а именно к системе доставки малорастворимых и нерастворимых в воде биологически активных веществ (БАВ) с контролируемой кинетикой высвобождения, которая представляет собой сферические наночастицы, содержащие плотное гидрофобное ядро, образованное биосовместимыми и биоразлагаемыми гидрофобными полимерами, такими как полигидроксибутират, полилактид, полигликолид, полидиоксанон, поли-ε-капралактон, полигидроксивалерат, сополимер молочной и гликолевой кислот, в которое включено малорастворимое или нерастворимое в воде БАВ, при этом гидрофобное ядро окружено гидрофильными фрагментами амфифильных полимеров, состоящих из одного фрагмента водорастворимого карбоцепного полимера с молекулярным весом Mn=1000-30000 Да и одной концевой гидрофобной группы, включающей один алифатический радикал с числом атомов углерода в углеродной цепи 9÷20, а также к способу получения такой системы доставки.

Изобретение относится к области инкапсуляции. Описан способ получения нанокапсул L-аргинина или норвалина.

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений и касается способа получения визуализирующих агентов с антистоксовой фотолюминесценцией в виде водной дисперсии полиакролеиновых частиц, содержащих наноразмерные антистоксовые фосфоры (НАФ), путем полимеризации акролеина в водно-щелочной среде, проводимой в две стадии, на первой из которых проводят осадительную полимеризацию, а на второй стадии полученный продукт подвергают дальнейшей радикальной полимеризации в присутствии водорастворимого инициатора K2S2O8, отличающегося тем, что первую стадию полимеризации проводят в присутствии НАФ в количестве 0,1-1,5 мас.% в расчете на мономер, предварительно обработанных гидроксидом тетраметиламмония, которые используют в качестве инициатора полимеризации.

Изобретение относится к области ветеринарии, в частности к способу лечения геморрагического цистита у кошек. Способ включает введение антибактериального препарата в мочевой пузырь.

Изобретение относится к фармацевтической промышленности и медицине и представляет собой лекарственный препарат противотуберкулезного действия в виде лиофилизата для перорального применения массой 2.0±0.20 г, содержащий D-циклосерин 12.5±1.25 мас.%, полимер PLGA 50/50 50±5.0 мас.%, поливиниловый спирт 12.5±1.25 мас.% и D-маннитол 25±2.5 мас.%, с содержанием D-циклосерина от 0.225 до 0.275 г, который при разбавлении водой в количестве 100±10 мл образует суспензию частиц с размером не более 800 нм, составляющих не менее 90%.

Изобретение относится к области инкапсуляции. Описан способ получения нанокапсул танина.

Изобретение относится к медицине и заключается в способе получения нанокапсул лекарственных препаратов группы цефалоспоринов, в которых в качестве оболочки используется интерферон, а в качестве ядра используются препараты группы цефалоспоринов.

Группа изобретений относится к медицине и касается медицинского устройства, вводимого в просвет части организма, для доставки лекарственного средства для лечения медицинского состояния, связанного с просветом части организма, а также способа лечения с использованием такого устройства при рН организма.
Изобретение относится к области электрохимии, а именно к способам модификации электрохимических катализаторов на углеродном носителе, применяемых для электролизеров или топливных элементов с твердым полимерным электролитом (ТПЭ).

Изобретение относится к нанотехнологии, может быть использовано в химической промышленности для создания эффективных катализаторов. Заключается в том, что на подложку наносят вспомогательный слой, в котором формируют ряды канавок нанометровой глубины с вертикальными стенками, наносят слой каталитического материала нанометровой толщины, поверх которого формируют маску из фоторезиста с рисунком узких полосок, расположенных поперек канавок, анизотропным травлением удаляют слой каталитического материала до вспомогательного слоя, оставляя его на боковых стенках канавок и под маской, маску удаляют. Подложки с нанопроволоками упорядоченно располагают в реакторе. Технический результат заключается в повышении выхода конечного продукта, уменьшении расхода дорогого каталитического материала и снижении газодинамического сопротивления реактора. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх