Partícula de nanocompuesto y proceso para preparar la misma.

una partícula de nanocompuesto que comprende:

(a) nanopartículas de dióxido de titanio;

(b) nanopartículas de óxido de metal seleccionadas del grupo consistente de dióxido de circonio, dióxido de cerio, óxido de hafnio, óxido de estaño, óxido de niobio y óxido de tántalo; y

(c) un estabilizante de superficie seleccionado del grupo consistente de dióxido de silicio, óxido de aluminio, pentóxido de fósforo, silicato de aluminio y fosfato de aluminio,

en donde las nanopartículas de óxido de metal se forman tratando hidrotérmicamente un óxido de metal hidratado amorfo en presencia de nanopartículas de dióxido de titanio.

Partícula de nanocompuesto y proceso para preparar la misma Descripción ANTECEDENTES DE LA INVENCION

El dióxido de titanio es ampliamente usado como un catalizador y/o soporte de catalizador par amuchas aplicaciones, incluyendo química de oxidación, hidrotratamiento, reacciones Claus, fotocatálisis, oxidación total de compuestos orgánicos volátiles, y reacciones DeNOx. El uso del dióxido de titanio como un soporte de catalizados para la reducción catalítica selectiva del NOx se enseña en, por ejemplo, las Patentes U.S. Nº 4.929.586 y

5.137.855. Aunque la forma cristalina del dióxido de titanio (anatasa, rutilo, y brookita) pueden ser útiles para aplicaciones catalizadoras, se prefiere típicamente la anatasa, ver por ejemplo Patentes U.S: Nº 5.330.953 y

6.576.589.

Desafortunadamente, el dióxido de titanio es térmicamente inestable cuando se emplea en aplicaciones a altas temperaturas, como DeNOx. A altas temperaturas, las nanopartículas de dióxido de titanio tienden a conglutinarse, lo que reduce su área de superficie y porosidad. Además, la anatasa puede convertirse al menos parcialmente a la forma de rutilo menos favorable a temperatura alta.

Se han empleado un número de estrategias para solventar estos problemas. Un enfoque ha sido añadir un segundo óxido de metal. Por ejemplo, la Patente U.S. Nº 5.021.392 divulga un soporte de óxido binario (Dióxido de titanio-zirconia) que está formado de la coprecipitación de sales de titanio y zirconio para formar hidrosol que es envejecido para producir el soporte de óxido binario. La Patente U.S. Nº 5.922.294 enseña un método para hacer un óxido mixto por co-hidrólisis de una mezcla de alcóxidos de titanio y alúmina. La Publicación de Solicitud U.S. Nº 2003/0103889 divulga un método para hacer un compuesto de dióxido de titanio-sílice que se prepara combinando el dióxido de titanio con un sol de sílice. Cuando el segundo óxido de metal se incorpora en la celosía de dióxido de titanio para formar un óxido mixto único homogéneo, la celosía de cristal y las propiedades catalíticas del dióxido de titanio son típicamente afectadas.

Otro enfoque para solventar el problema de la inestabilidad térmica es la aplicación de un recubrimiento al dióxido de titanio. Por ejemplo, la Patente U.S. Nº 5.330.953 divulga formar dos recubrimientos de partículas en dióxido de titanio que incluye un primer recubrimiento que comprende óxidos de aluminio, silicio, zirconio y lantano y un segundo recubrimiento de fosfato. Además, la Patente U.S. Nº 5.652.192 divulga un método hidrotérmico de hacer una nanopartícula de dióxido de titanio recubierta con sulfato. El método emplea tratamiento hidrotérmico de una mezcla de precursores de dióxido de titanio y sulfato para hacer nanopartículas de dióxido de titanio recubiertas con sulfato en forma cristalina. Un problema con este enfoque es que el recubrimiento puede afectar a las propiedades catalíticas del dióxido de titanio.

La US 2006/025301 A1 divulga un método para producir óxidos de metal nanométricos, estables térmicamente y de alta área superficial multicomponente.

La EP0997193 A1 divulga molduras basadas en óxido mixto producido pirogénicamente que comprenden al menos dos materiales seleccionados del grupo de SiO2, Al2O3, TiO2 y ZrO2.

En resumen, se necesitan una nueva partícula de nanocompuesto de dióxido de titanio y procesos para hacerlas. Las partículas de nanocompuesto particularmente valiosas habrían mejorado la estabilidad térmica para aplicaciones catalíticas.

RESUMEN DE LA INVENCION

La invención es una partícula de nanocompuesto y un proceso para su producción. La partícula de nanocompuesto comprende nanopartículas de dióxido de titanio, nanopartículas de óxido de metal, y un estabilizante de superficie. Las nanopartículas de óxido de metal son dióxido de circonio, dióxido de cerio, óxido de hafnio, óxido de estaño, óxido de niobio y/o óxido de tántalo. El estabilizante de superficie es dióxido de silicio, óxido de aluminio, pentóxido de fósforo, silicato de aluminio y/o fosfato de aluminio. Las nanopartículas de óxido de metal se forman tratando hidrotérmicamente un óxido de metal hidratado amorfo en presencia de las nanopartículas de dióxido de titanio.

La partícula de nanocompuesto se prepara primero formando un lodo que comprende nanopartículas de dióxido de titanio, al menos un precursor de óxido de metal soluble y un solvente, seguido por la precipitación del precursor de óxido de metal soluble para formar un lodo que comprende nanopartículas de dióxido de titanio, oxido de metal hidratado amorfo y el solvente. El lodo es después tratado hidrotérmicamente para convertir el óxido de metal hidratado amorfo a nanopartículas de óxido de metal y producir la partícula de nanocompuesto que comprende nanopartículas de óxido de titanio y nanopartículas de óxido de metal. Se añade un estabilizante de superficie antes o inmediatamente después del tratamiento hidrotérmico.

Sorprendentemente, la partícula de nanocompuesto muestra estabilidad térmica mejorada y es un soporte de catalizador activo para el proceso de DeNOx.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

La partícula de nanocompuesto de la invención comprende nanopartículas de dióxido de titanio, al menos una nanopartícula de óxido de metal, y un estabilizante de superficie.

Las nanopartículas de dióxido de titanio de la invención tienen un tamaño de cristalito medio de menos de 200 nm, preferiblemente de 1 a 100 nm, y más preferiblemente de 2 a 20 nm. Las nanopartículas de dióxido de titanio pueden estar en la fase de brookita, anatasa o rutilo. Sin embargo, es prefiere que las nanopartículas de dióxido de titanio sean predominantemente anatasa, como se determina por patrones de difracción de rayos X. Por predominantemente anatasa, se entiende que las nanopartículas sean al menos 95 por ciento anatasa, y más preferiblemente más del 98 por ciento anatasa. El área de superficie específica de las nanopartículas de dióxido de titanio es típicamente de alrededor de 10 a alrededor de 300 m2/g, preferiblemente de 20 a 200m2/g.

Las nanopartículas de dióxido de titanio adecuadas se pueden obtener de Millennium Chemicals (TIONA® G1) o Kerr McGee (Tronox® Hydrate Paste) . Las nanopartículas de dióxido de titanio también se pueden preparar por un proceso conocido en la técnica. Los procesos para preparar nanopartículas de dióxido de titanio son bien conocidos en la técnica. Ver, por ejemplo, la Patente U.S. Nº 4.012.338.

La partícula de nanocompuesto comprende al menos una nanopartícula de óxido de metal, La nanopartícula de óxido de metal ayuda a mejorar la estabilidad térmica de las nanopartículas de dióxido de titanio. Las nanopartículas de óxidos de metal adecuadas poseen bajos coeficientes de expansión térmica, buena resistencia mecánica, y estabilidad térmica a temperatura elevadas. Las nanopartículas de óxido de metal de la invención incluyen nanopartículas de dióxido de circonio, dióxido de cerio, óxido de hafnio, óxido de estaño, óxido de niobio, óxido de tántalo, y mezclas de los mismos. Las nanopartículas de óxido de metal preferidas son el dióxido de zirconio y el dióxido de cerio, y las más preferidas son las nanopartículas de dióxido de zirconio. Las nanopartículas de óxido de metal de la invención tienen un tamaño de cristalito medio menor de 200 nm, preferiblemente de 1 a 50 nm y más preferiblemente de 2 a 10 nm.

La partícula de nanocompuesto también contiene un estabilizante de superficie. Los estabilizantes de superficie de la invención incluyen dióxido de silicio, óxido de aluminio, pentóxido de fósforo, silicato de aluminio y fosfato de aluminio. Más preferiblemente, el estabilizante de superficie es dióxido de silicio o óxido de aluminio.

La partícula de nanocompuesto contiene preferiblemente de un 50 a un 95 por ciento en peso de dióxido de titanio, de un 2 a un 48 por ciento en peso de óxido de metal, y de un 2 a un 20 por ciento en peso del estabilizante de superficie. Más preferiblemente, la partícula de nanocompuesto contiene de un 60 a un 90 por ciento en peso de dióxido de titanio, de un 4 a un 40 por ciento en peso de óxido de metal, y de un 4 a un 15 por ciento en peso del estabilizante de superficie.

La partícula de nanocompuesto de la invención muestra estabilidad térmica aumentada. Preferiblemente, la partícula de nanocompuesto tiene un área de superficie mayor de 60 m2/g después de ser calcinada a 800º C durante 6 horas.

Las nanopartículas de óxido de metal de la partícula de nanocompuesto se forman tratando hidrotérmicamente un... [Seguir leyendo]

1. una partícula de nanocompuesto que comprende:

(a) nanopartículas de dióxido de titanio;

(b) nanopartículas de óxido de metal seleccionadas del grupo consistente de dióxido de circonio, dióxido de cerio, óxido de hafnio, óxido de estaño, óxido de niobio y óxido de tántalo; y

(c) un estabilizante de superficie seleccionado del grupo consistente de dióxido de silicio, óxido de aluminio, pentóxido de fósforo, silicato de aluminio y fosfato de aluminio, en donde las nanopartículas de óxido de metal se forman tratando hidrotérmicamente un óxido de metal hidratado amorfo en presencia de nanopartículas de dióxido de titanio.

2. El nanocompuesto de la reivindicación 1 en donde las nanopartículas de óxido de metal son dióxido de circonio.

3. Un catalizador que comprende la partícula de nanocompuesto de la reivindicación 1 y al menos un componente metálico que comprende un metal seleccionado del grupo consistente de platino, oro, plata, paladio, cobre, tungsteno, molibdeno, vanadio, hierro, rodio, níquel, manganeso, cromo, cobalto, y rutenio.

4. El catalizador de la reivindicación 3 en donde el componente metálico es seleccionado del grupo consistente de trióxido de tungsteno y pentóxido de vanadio.

5. El catalizador de la reivindicación 4 que comprende de un 0, 1 a un 10 por ciento en peso de pentóxido de vanadio y de un 4 a un 20 por ciento en peso de trióxido de tungsteno.

6. Un proceso que comprende poner en contacto un flujo de residuos que contiene óxidos de nitrógeno con el catalizador de la reivindicación 4 para reducir la cantidad de óxidos de nitrógeno en el flujo de residuos.

7. Un proceso para preparar una partícula de nanocompuesto que comprende:

(a) formar un lodo que comprende nanopartículas de dióxido de titanio, al menos un precursor de óxido de metal soluble y un solvente;

(b) precipitar el precursor de óxido de metal soluble para formar un lodo que comprende nanopartículas de dióxido de titanio, un óxido de metal hidratado amorfo y el solvente;

(c) tratar hidrotérmicamente el lodo del paso (b) para convertir el óxido de metal hidratado amorfo a nanopartículas de óxido de metal; y

(d) calcinar opcionalmente la partícula de nanocompuesto, en donde se añade un estabilizante de superficie antes o inmediatamente después del tratamiento hidrotérmico.

8. El proceso de la reivindicación 7 en donde el tratamiento hidrotérmico se realiza a una temperatura que varía de 60º C a 250º C y una presión que varía de (240 kPa a 3550 kPa (20 a 500 psig) .

9. La partícula de nanocompuesto de la reivindicación 1 o el proceso de la reivindicación 7 en donde las nanopartículas de dióxido de titanio son predominantemente anatasa.

10. El proceso de la reivindicación 7 en donde el precursor de óxido de metal soluble es seleccionado del grupo consistente de compuestos de circonio, cerio, aluminio, hafnio, estaño y niobio.

11. El proceso de la reivindicación 7 en donde el estabilizante de superficie es seleccionado del grupo consistente de dióxido de silicio amorfo, haluros o alcóxidos de silicio y aluminio, y fosfato de aluminio.

12. La partícula de nanocompuesto de la reivindicación 1 o el proceso de la reivindicación 7 en donde la partícula de nanocompuesto comprende de un 50 a un 95 por ciento en peso de dióxido de titanio, de un 2 a un 48 por ciento en peso de nanopartículas de óxido de metal, y de un 2 a un 20 por ciento en peso de estabilizante de superficie.

13. El proceso de la reivindicación 7 que comprende además añadir al menos un componente metálico que comprende un metal seleccionado del grupo consistente de platino, oro, plata, paladio, tungsteno, vanadio, molibdeno y cobre.

14. El proceso de la reivindicación 13 en donde el componente metálico es seleccionado del grupo consistente de paratungstato de amonio y pentóxido de vanadio.

15. El proceso de la reivindicación 14 en donde la partícula de nanocompuesto comprende de un 0, 1 a un 10 por ciento en peso de pentóxido de vanadio y de un 4 a un 20 por ciento en peso de trióxido de tungsteno.

16. La partícula de nanocompuesto de la reivindicación 1 o el proceso de la reivindicación 7 en donde la partícula de nanocompuesto tiene un área de superficie mayor de 60 m2/g después de ser calcinada a 800º C durante 6 horas.

17. El proceso de la reivindicación 7 en donde el solvente es agua.