Fig. 1 Analyse STEM-EDX de nanoparticules d'alliages ternaires en solution solide. Évaluation de l'état de la solution d'alliage. Les particules de taille 10 nm sont un support, et les particules de 1 à 2 nm adhérant au support sont des nanoparticules d'alliage en solution solide. Dans l'image de distribution des éléments, les trois éléments sont colorés en rouge, bleu, et vert, et les particules qui sont mélangées de manière complètement uniforme sont représentées en blanc.
Dans les programmes stratégiques de recherche fondamentale JST, Furuya Metal et le professeur Hiroshi Kitagawa, École supérieure des sciences, Université de Kyoto, ont développé une technologie de production de masse qui permet la synthèse en continu de particules d'alliage solide-solution de plusieurs nm, ce qui était auparavant difficile à réaliser. Avec cette technologie, nous avons réussi à réaliser une synthèse stable et continue de nanoparticules d'alliage en solution solide de classe 1 nm et de leurs catalyseurs supportés, qui étaient difficiles à obtenir en utilisant des méthodes générales de réaction de réduction en phase liquide (Fig. 1).
Dans les méthodes conventionnelles, lorsque nous essayons de produire en masse des nanoparticules d'alliage solide-solution, la méthode de mélange des éléments n'est pas uniforme et la distribution granulométrique est élargie, rendant difficile la synthèse en continu avec une bonne qualité et stabilité. Afin de réaliser la technologie de production de masse, nous avons récemment développé un système de production à flux continu (Fig. 2) qui applique la méthode de synthèse solvothermique et l'a présenté à Furuya Metal Co., Ltd. Cet équipement permet une production continue tout en maintenant la qualité des nanoparticules d'alliage en solution solide, et nous visons une production de masse basée sur cette configuration d'équipement.
Fig. 2 Schéma de principe d'un équipement de fabrication solvothermique en flux continu. La solution dans laquelle la matière première et le support sont fortement dispersés, et l'agent réducteur chauffé à l'aide du réchauffeur sont mélangés dans le réacteur à haute température et haute pression, et les ions métalliques sont réduits en atomes métalliques sur le support. Après ça, les atomes de métal se développent sur le support en même temps que l'alliage, mais la solution mélangée est refroidie rapidement, et l'agrégation de particules est supprimée. Par conséquent, nous pouvons synthétiser un catalyseur avec des nanoparticules d'alliage solide-solution de classe 1 nm supportées sur un support.
Les nanoparticules d'alliage en solution solide nouvellement développées par ce dispositif de synthèse sont un nouvel alliage composé de métaux impossibles à mélanger. Par ailleurs, il est bien connu dans de nombreux domaines de recherche, y compris la science catalytique, que les propriétés physiques et chimiques des alliages changent radicalement en se réduisant à l'échelle nanométrique. Les nanoparticules d'alliage en solution solide sont considérées comme des catalyseurs innovants qui purifient divers gaz d'échappement et convertissent efficacement les matières premières en produits chimiques de base et en énergie. Par conséquent, ils contribueront grandement à la réalisation d'une société durable dans le domaine de la purification de l'environnement et des technologies de fabrication émettant moins de dioxyde de carbone.
En réalité, il est déjà en cours d'évaluation en tant que catalyseur de purification des gaz d'échappement pour les automobiles et les catalyseurs de processus chimiques et nous encourageons sa mise en œuvre dans la société en collaboration avec des entreprises nationales et étrangères et des instituts de recherche.
Fig. 3 Comparaison des performances de purification des oxydes d'azote (NOx). Les alliages A et B sont des nanoparticules d'alliages ternaires en solution solide dans lesquelles trois types d'éléments sont mélangés. A et B ont des types d'éléments différents. L'alliage C est un alliage binaire de nanoparticules en solution solide mélangées à deux types d'éléments.
La figure 3 montre les résultats d'un test de performance de purification des oxydes d'azote (NOx) contenus dans un gaz d'échappement automobile. Nous avons réussi à développer un catalyseur bon marché qui est de loin supérieur au rhodium (Rh), qui est actuellement utilisé comme le meilleur catalyseur, et qui montre une activité à basse température. Les catalyseurs de purification des gaz d'échappement automobiles sont bons pour les performances de purification des gaz d'échappement dans la plage de température d'environ 600 ° C, et il y a eu une forte demande d'amélioration des performances de purification des gaz d'échappement lorsque le moteur n'est pas immédiatement réchauffé (démarrage à froid) après son démarrage. Les réglementations sur les émissions de gaz d'échappement pour les automobiles sont de plus en plus strictes d'année en année, et même à un tel démarrage à froid, il est indispensable d'améliorer l'activité basse température qui satisfasse aux normes réglementaires. Dans l'évaluation de la figure 3, l'activité du catalyseur Rh a également été évaluée à titre de comparaison; cependant, la réaction de l'alliage A synthétisé à l'aide de cette technologie a démarré à basse température d'environ 50°C. La conversion de NOx à 160°C des nanoparticules d'alliage solide-solution était plus de sept fois supérieure à celle de Rh, indiquant qu'il est innovant.
En appliquant davantage cette technologie, il est prévu de développer de nouveaux matériaux de nanoparticules d'alliage en solution solide qui étaient difficiles à fabriquer, et l'utilisation pratique de matériaux de nanoparticules d'alliage en solution solide qui étaient dépourvus de technologie de production de masse.
