整体式基材上的金属氧化物纳米棒阵列制造技术

本文公开的实施方式所述的金属氧化物纳米棒阵列结构体包括具有表面和多通道的整体式基材、与所述基材的表面结合的界面层和经由所述界面层与所述基材表面连接的金属氧化物纳米棒阵列。所述金属氧化物可包括氧化铈、氧化锌、氧化锡、氧化铝、氧化锆、氧化钴和氧化镓。所述基材可包括玻璃基材、塑料基材、硅基材、陶瓷整体材料和不锈钢整体材料。所述陶瓷可包括堇青石、氧化铝、氧化锡和二氧化钛。所述纳米棒阵列结构体可包括在各金属氧化物纳米棒上的钙钛矿壳，例如基于镧的过渡金属氧化物，或金属氧化物壳，例如氧化铈、氧化锌、氧化锡、氧化铝、氧化锆、氧化钴和氧化镓，或金属颗粒涂层，例如铂、金、钯、铑和钌。所述结构体可结合在基材的表面上，并在暴露于高速流速时抵御侵蚀。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】整体式基材上的金属氧化物纳米棒阵列政府资助本专利技术利用由美国能源部授予的合同号为DE-EE0000210的政府资助完成。美国政府对本专利技术享有一定权利。相关申请本申请要求于2011年9月28日递交的美国临时申请第61/540，221号的权益。通过引用将上述申请的全部教导并入本文。
技术介绍
陶瓷整体材料由于其对不希望的反应的高惰性、机械和热稳定性以及沿多通道的高流速而广泛用作催化剂载体。参见Satterfield, C.W.，Heterogeneous Catalysis inIndustrial Practice, 2nd Edit1n, McGraw-Hill, Inc., New York, 1991。然而，整体材料具有较低的表面积，因此在担载如贵金属纳米颗粒等催化活性材料之前或之时，通常需要高表面积的多孔氧化铝颗粒涂层来帮助增加其表面积。不幸的是，固有的非附着性颗粒类涂层可能容易因高速流速而受到侵蚀。
技术实现思路
因此，需要具有与基材表面结合的粘附层的高表面积催化剂结构体。 金属氧化物纳米棒阵列结构体包括:具有表面和多通道的整体式基材，与所述基材的表面结合的界面层，和经由所述界面层与所述基材表面连接的金属氧化物纳米棒阵列。 在一些实施方式中，金属氧化物纳米棒阵列结构体可相对于基材的表面垂直排列。在某些实施方式中，金属氧化物可以为二氧化钛(T12)，例如板钛矿二氧化钛。在其他实施方式中，金属氧化物可包括以下物质中的一种:氧化铈(CeO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化招(Al2O3)、氧化错(ZrO2)、氧化钴(Co3O4)和氧化镓(Ga2O3)。基材可包括以下基材中的至少一种:玻璃基材、塑料基材、硅基材、陶瓷整体材料和不锈钢整体材料。在一些实施方式中，陶瓷可包括以下物质中的一种:堇青石、氧化铝、氧化锡和二氧化钛。 在某些实施方式中，纳米棒阵列结构体还可以包括在各金属氧化物纳米棒上的钙钛矿ABO3 (A = La、Ba、Sr和/或Pb, B = Co、Cr、Fe、Mn或Ni)壳,例如基于镧的过渡金属氧化物LaMO3 (M = Co, Cr, Fe,Mn和Ni)，如钴酸镧锶和锰酸镧锶。在其他实施方式中，纳米棒阵列结构体还可以包括在各金属氧化物纳米棒上的金属氧化物壳，例如包括以下物质中的一种的金属氧化物:氧化铺(CeO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化招(Al2O3)、氧化错(ZrO2)、氧化钴(Co3O4)和氧化镓(Ga2O3)15在另一些其他实施方式中，纳米棒阵列结构体还可包括在各金属氧化物纳米棒上的碱性氧化物壳，例如氧化钡和/或氧化钾壳。在又一些实施方式中，纳米棒阵列结构体还可以包括在各金属氧化物纳米棒上的金属颗粒涂层，例如钼、金、钯、铑和钌。 另一实施方式是通过以下方法制造的二氧化钛纳米棒阵列结构体:将三氯化钛水溶液与饱和氯化钠混合形成前体溶液，将具有表面和多通道的整体式基材浸入前体溶液，和在相对于环境升高的压力和温度将所述基材和所述前体溶液加热足以形成经由界面层与所述基材表面连接并且相对于所述基材表面垂直排列的板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的时间。三氯化钛溶液的浓度可以为约0.0OlM?约1.0M，例如约0.15M。在一些实施方式中，加热所述基材和所述前体溶液可在高压釜中进行，并加热至约90°C?约240°C的温度，例如约180°C。加热所述基材和所述前体溶液的时间可为约4小时?约24小时。一些实施方式还可以包括在板钛矿二氧化钛纳米棒阵列上射频(RF)磁控管溅射锰酸镧锶(LSMO)纳米膜，从而在所述二氧化钛纳米棒阵列上形成LSMO壳。其它实施方式还可以包括将包含所述板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的所述基材浸入金属胶体溶液，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的板钛矿二氧化钛纳米棒阵列。所述金属可包括以下金属中的至少一种:钼、金、钯、铑和钌。另一些其它实施方式还可以包括将包含所述板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的所述基材浸入金属氢氧化物溶液，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的板钛矿二氧化钛纳米棒阵列。再一些其它实施方式还可以包括将包含所述板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的所述整体式基材浸入含有H2MCl6溶液(M = Pt、Au、Pd、Rh或Ru)的反应器，并将还原剂溶液或氢气注入所述反应器中，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的板钛矿二氧化钛纳米棒阵列。还原剂溶液可包括硼氢化钠。 又一实施方式是通过以下方法制造的纳米棒阵列结构体:将具有表面和多通道的整体式基材浸入前体溶液，和在相对于环境升高的压力和温度将所述基材和所述前体溶液加热足以形成经由界面层与所述基材表面连接的纳米棒阵列的时间。前体溶液可为金属盐水溶液，所述金属包括以下金属中的一种:铝、铈、锡、锆、钴和镓。界面层可以由与纳米棒阵列相同的材料或不同的材料制成，其可以在纳米棒生长过程之前或之中生长。 在又一实施方式中，一种制造二氧化钛纳米棒阵列的方法包括:将三氯化钛水溶液与饱和氯化钠混合形成前体溶液，将具有表面和多通道的整体式基材浸入所述前体溶液；和在相对于环境升高的压力和温度将所述基材和所述前体溶液加热足以形成经由界面层与所述基材表面连接并且相对于所述基材表面垂直排列的板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的时间。 在再一实施方式中，一种制造氧化锌纳米棒阵列的方法包括:在具有表面和多通道的整体式基材上浸涂氧化锌纳米颗粒晶种膜，将经涂覆的基材退火，和将经涂覆的基材浸入被搅拌的锌盐和弱碱(例如，六亚甲基四胺)的水溶液中足以形成经由界面层与所述基材表面连接的氧化锌纳米棒阵列的时间。经涂覆的基材可在约200°C?约500°C的温度退火。经涂覆的基材的浸入时间为约0.1小时?约100小时。一些实施方式还可以包括在氧化锌纳米棒阵列上射频(RF)磁控管溅射氧化铈纳米膜，从而形成氧化锌/氧化铈复合纳米棒阵列。其它实施方式还可以包括将包含所述氧化锌纳米棒阵列的所述基材浸入金属胶体溶液，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的氧化锌纳米棒阵列。另一些其它实施方式还可以包括将包含所述氧化锌纳米棒阵列的整体式基材浸入金属氢氧化物溶液，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的氧化锌纳米棒阵列。另一些其它实施方式还可以包括将包含所述氧化锌纳米棒阵列的所述基材浸入含有H2MCl6溶液(M=Pt、Au、Pd、Rh或Ru)的反应器，并将还原剂溶液或氢气注入所述反应器中，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的氧化锌纳米棒阵列。 在又一实施方式中，一种制造金属氧化物纳米线阵列的方法包括:由金属氯化物或金属硝酸盐和氯化钾的电解液将金属氧化物电沉积到具有表面和多通道的整体式基材上，所述金属氧化物纳米线阵列经由界面层与所述基材表面连接。金属氯化物或金属硝酸盐和氯化钾的浓度可各自独立为约0.0OlM?约1.0M0电沉积可以在约25°C?约90°C的温度进行，例如约70°C。金属氧化物可包括以下物质中的一种:氧化铈、氧化锌、二氧化钛、氧化错和氧化锡。 本专利技术的实施方式具有许多优点，包括使得催化剂结构能够具有高表面积、高热稳定性、硫中毒抵抗性和以各种方式应用的多功能催化调节能力，例如经由粘附层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属氧化物纳米棒阵列结构体，所述金属氧化物纳米棒阵列结构体包括：具有表面和多通道的整体式基材；与所述基材的表面结合的界面层；和经由所述界面层与所述基材表面连接的金属氧化物纳米棒阵列。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.28 US 61/540,2211.一种金属氧化物纳米棒阵列结构体，所述金属氧化物纳米棒阵列结构体包括: 具有表面和多通道的整体式基材； 与所述基材的表面结合的界面层；和 经由所述界面层与所述基材表面连接的金属氧化物纳米棒阵列。2.如权利要求1所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述金属氧化物纳米棒阵列相对于所述基材的表面垂直排列。3.如权利要求2所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述金属氧化物是二氧化钛(T12)。4.如权利要求3所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述二氧化钛是板钛矿二氧化钛。5.如权利要求1所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述基材包括以下基材中的至少一种:玻璃基材、塑料基材、硅基材、陶瓷整体材料和不锈钢整体材料。6.如权利要求4所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述基材是陶瓷整体材料。7.如权利要求6所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述陶瓷包括以下材料中的一种:堇青石、氧化招、氧化锡和二氧化钛。8.如权利要求1所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述金属氧化物包括以下氧化物中的一种:氧化铺(CeO2 )、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化招(Al2O3)、氧化错(ZrO2)、氧化钴(Co3O4)和氧化镓(Ga2O3)。9.如前述权利要求中任一项所述的纳米棒阵列结构体，所述纳米棒阵列结构体还包含在各金属氧化物纳米棒上的1丐钛矿ABO3 (A = La、Ba、Sr和/或Pb, B = Co、Cr、Fe、Mn或Ni)壳。10.如权利要求9所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述钙钛矿是基于镧的过渡金属氧化物 LaMO3 (M = Co、Cr、Fe、Mn 和 Ni)。11.如权利要求10所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述基于镧的过渡金属氧化物是钴酸镧锶。12.如权利要求10所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述基于镧的过渡金属氧化物是猛酸镧银。13.如权利要求1所述的纳米棒阵列结构体，所述纳米棒阵列结构体还包含在各金属氧化物纳米棒上的金属氧化物壳。14.如权利要求13所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述壳包含以下金属氧化物中的一种:氧化铺(CeO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化招(Al2O3)、氧化错(ZrO2)、氧化钴(Co3O4)和氧化镓(Ga2O3)。15.如前述权利要求中任一项所述的纳米棒阵列结构体，所述纳米棒阵列结构体还包含在各金属氧化物纳米棒上的碱性氧化物壳。16.如权利要求15所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述碱性氧化物包括以下氧化物中的至少一种:氧化钡和氧化钾。17.如前述权利要求中任一项所述的纳米棒阵列结构体，所述纳米棒阵列结构体还包含在各金属氧化物纳米棒上的金属颗粒涂层，所述金属包含以下金属中的至少一种:钼、金、钯、铑和钌。18.—种二氧化钛纳米棒阵列结构体，其通过以下方法制造: 将三氯化钛水溶液与饱和氯化钠混合形成前体溶液；将具有表面和多通道的整体式基材浸入所述前体溶液；和 在相对于环境升高的压力和温度将所述基材和所述前体溶液加热足以形成板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的时间，所述板钛矿二氧化钛纳米棒阵列经由界面层与所述基材表面连接并且相对于所述基材表面垂直排列。19.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述三氯化钛溶液的浓度为约0.0OlM ~约 1.0M020.如权利要求19所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述三氯化钛溶液的浓度为约0.15M。21.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述基材包括以下基材中的至少一种:玻璃基材、塑料基材、硅基材、陶瓷整体材料和不锈钢整体材料。22.如权利要求21所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述基材是陶瓷整体材料。23.如权利要求22所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述陶瓷包括以下材料中的一种:堇青石、氧化铝、氧化锡和二氧化钛。24.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，其中，加热所述基材和所述前体溶液在高压釜中进行。25.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，其中，将所述基材和所述前体溶液加热至约90°C~约240°C的温度。26.如权利要求25所述的纳米棒阵列结构体，其中，将所述基材和所述前体溶液加热至约180°C的温度。27.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，其中，加热所述基材和所述前体溶液的时间为约4小时~约24小时。28.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，所述纳米棒阵列结构体还包括在所述板钛矿二氧化钛纳米棒阵列上射频(RF)磁控管溅射锰酸镧锶(LSMO)纳米膜，从而在所述二氧化钛纳米棒阵列上形成LSMO壳。29.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，所述纳米棒阵列结构体还包括将包含所述板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的所述基材浸入金属胶体溶液，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的板钛矿二氧化钛纳米棒阵列。30.如权利要求29所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述金属包括以下金属中的至少一种:钼、金、钮、错和钌。31.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，所述纳米棒阵列结构体还包括将包含所述板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的所述基材浸入金属氢氧化物溶液，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的板钛矿二氧化钛纳米棒阵列。32.如权利要求31所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述金属包括以下金属中的至少一种:钼、金、钮、错和钌。33.如权利要求18所述的纳米棒阵列结构体，所述纳米棒阵列结构体还包括将包含所述板钛矿二氧化钛纳米棒阵列的所述基材浸入含有H2MCl6溶液(M = Pt、Au、Pd、Rh或Ru)的反应器，并将还原剂溶液或氢气注入所述反应器中，随后干燥所述基材，从而在所述基材上形成负载金属的板钛矿二氧化钛纳米棒阵列。34.如权利要求33所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述还原剂溶液是硼氢化钠。35.一种纳米棒阵列结构体，其通过以下方法制造: 将具有表面和多通道的整体式基材浸入前体溶液；和 在相对于环境升高的压力和温度将所述基材和所述前体溶液加热足以形成纳米棒阵列的时间，所述纳米棒阵列经由界面层与所述基材表面连接。36.如权利要求35所述的纳米棒阵列结构体，其中，所述前体溶液是金属盐水溶液，所述金属包括以下金属中的一种:铝、铈、锡、锆、钴和镓。37.一种制造二氧化钛纳米棒阵列的方法，所述方法包括: 将三氯化钛水溶液与饱和氯化钠混合形成前体溶液； 将具有表面和多通道的基材浸入所述前体溶液；和 在相对于环境升高的压力和温...

【专利技术属性】
技术研发人员：高普献，郭彦炳，张仲华，任正，
申请(专利权)人：康涅狄格大学，
类型：发明
国别省市：美国;US