Fig. 1 Analisi STEM-EDX di nanoparticelle di lega ternaria in soluzione solida. Valutazione dello stato della soluzione della lega. Le particelle di dimensioni di 10 nm sono un vettore, e le particelle da 1 a 2 nm che aderiscono al supporto sono nanoparticelle di lega in soluzione solida. Nell'immagine di distribuzione degli elementi, i tre elementi sono colorati di rosso, blu, e verde, e le particelle che sono completamente mescolate uniformemente sono rappresentate in bianco.
Nei programmi di ricerca strategica di base del JST, Furuya Metal e il professor Hiroshi Kitagawa, Scuola di specializzazione in scienze, Università di Kyoto, hanno sviluppato una tecnologia di produzione di massa che consente la sintesi continua di diverse particelle di lega in soluzione solida nm, che in precedenza era stato difficile da raggiungere. Con questa tecnologia, siamo riusciti a ottenere una sintesi stabile e continua di nanoparticelle di lega in soluzione solida di classe 1 nm e dei loro catalizzatori supportati, che erano difficili da ottenere utilizzando metodi generali di reazione di riduzione in fase liquida (Fig. 1).
Nei metodi convenzionali, quando proviamo a produrre in serie nanoparticelle di lega in soluzione solida, il metodo di miscelazione degli elementi non è uniforme e la distribuzione granulometrica è ampliata, rendendo difficile sintetizzare continuamente con una buona qualità e stabilità. Al fine di realizzare la tecnologia di produzione di massa, abbiamo recentemente sviluppato un sistema di produzione a flusso continuo (Fig. 2) che applica il metodo di sintesi solvotermica e lo abbiamo presentato a Furuya Metal Co., Ltd. Questa apparecchiatura consente la produzione continua mantenendo la qualità delle nanoparticelle in lega a soluzione solida, e puntiamo alla produzione di massa basata su questa configurazione dell'attrezzatura.
Fig. 2 Schema schematico delle apparecchiature di produzione a flusso continuo solvotermico. La soluzione in cui la materia prima e il supporto sono altamente dispersi, e l'agente riducente riscaldato utilizzando il riscaldatore vengono miscelati nel reattore ad alta temperatura e alta pressione, e gli ioni metallici sono ridotti ad atomi metallici sul supporto. Dopo di che, gli atomi di metallo crescono sul supporto contemporaneamente alla lega, ma la soluzione mista viene raffreddata rapidamente, e l'aggregazione delle particelle è soppressa. Di conseguenza, possiamo sintetizzare un catalizzatore con nanoparticelle di lega in soluzione solida di classe 1 nm supportate su un supporto.
Le nanoparticelle di lega a soluzione solida recentemente sviluppate da questo dispositivo di sintesi sono una nuova lega composta da metalli che era impossibile mescolare insieme. Per di più, è ben noto in molti campi di ricerca, inclusa la scienza catalitica, che le proprietà fisiche e chimiche delle leghe cambiano drasticamente riducendosi alla nanoscala. Le nanoparticelle in lega a soluzione solida sono considerate catalizzatori innovativi che purificano vari gas di scarico e convertono in modo efficiente le materie prime in prodotti chimici di base ed energia. Perciò, contribuiranno notevolmente alla realizzazione di una società sostenibile nella purificazione ambientale e nelle tecnologie di produzione che emettono meno anidride carbonica.
Infatti, è già in fase di valutazione come catalizzatore per la purificazione dei gas di scarico per automobili e catalizzatori di processi chimici e stiamo promuovendo la sua implementazione nella società in collaborazione con aziende e istituti di ricerca nazionali ed esteri.
Fig. 3 Confronto delle prestazioni di purificazione degli ossidi di azoto (NOx). Le leghe A e B sono nanoparticelle di lega in soluzione solida ternaria in cui sono mescolati tre tipi di elementi. A e B hanno diversi tipi di elementi. La lega C è una nanoparticelle di lega a soluzione solida binaria mescolata con due tipi di elementi.
La Fig. 3 mostra i risultati di un test delle prestazioni di purificazione per gli ossidi di azoto (NOx) contenuti nei gas di scarico di un'automobile. Siamo riusciti a sviluppare un catalizzatore economico che è di gran lunga superiore al rodio (Rh), che è attualmente utilizzato come miglior catalizzatore, e che mostra attività a basse temperature. I catalizzatori per la purificazione dei gas di scarico automobilistici sono buoni per le prestazioni di purificazione dei gas di scarico nell'intervallo di temperatura intorno a 600 ° C, e c'è stata una grande richiesta di miglioramento delle prestazioni di purificazione dei gas di scarico quando il motore non viene riscaldato immediatamente (avviamento a freddo) dopo l'avvio. Le normative sulle emissioni di scarico per le automobili sono diventate più severe di anno in anno, e anche a un inizio così freddo, è essenziale migliorare l'attività a bassa temperatura che soddisfa gli standard di regolazione. Nella valutazione della Fig. 3, per confronto è stata valutata anche l'attività del catalizzatore Rh; però, la reazione della lega A sintetizzata con questa tecnologia è iniziata a bassa temperatura di circa 50°C. La conversione di NOx a 160°C delle nanoparticelle di lega in soluzione solida è stata più di sette volte superiore a quella di Rh, indicando che è innovativo.
Applicando ulteriormente questa tecnologia, si prevede lo sviluppo di nuovi materiali di nanoparticelle in lega a soluzione solida che erano difficili da fabbricare, e l'uso pratico di materiali di nanoparticelle in lega a soluzione solida che erano stati privi di tecnologia di produzione di massa.
