引言

据统计，95% 的商业化学品在其制造过程的某个阶段需要使⽤⼀种或多种催化剂。多相催化剂对于⽯油炼制、塑料制造、⻝品和⽣物燃料⽣产以及许多化学制造⼯艺⾄关重要。

尽管许多工业催化过程已经取得了显著的进展，但这些催化材料的活性中心结构均质性较差，可能会导致不同的反应并产生不需要的副产物。此外，活性位点的不均匀性也使得催化性能与特定催化结构联系起来极其困难。因此，催化剂成分和结构的调控对提升催化剂性能有积极意义。

原子层沉积技术（ALD ）提供了⼀个创造表⾯活性催化剂位点的⽅式，能够创造出传统合成⽅法⽆法实现的⾼性能催化剂。该技术已被证明具有成本效益，并可以显著提升催化剂的性能。

PART 01  关于 ALD 以及 PALD 技术 

原子层沉积（ALD）是一种气相催化剂合成技术，其原理基于两种前驱体蒸汽交替进样并在限制载体表面上发生分子层面上的“自”反应，实现目标材料在载体表面上的精准沉积。利用其分子层面上的“自”反应特性，并通过改变沉积周期数、层次和种类等方法可以实现对催化剂活性位结构的原子级精细控制，为人们提供了一种催化剂“自下而上”精细可控合成型的新策略。

原子层沉积ALD 工艺示意图

利用原子层沉积方法在粉末表面构筑涂层的方式被称为 —— 粉末 / 颗粒原子层沉积（PALD）。使用该法可以制备金属单质，金属氧化物，氮化物，硫化物，磷酸盐，多元化合物以及有机聚合物等涂层。Forge  Nano 经过多年研发，已开发出成熟的商业化 PALD 工艺。

针对粉末材料较大的比表面积，传统的原子层沉积方法效率低，处理量少且包覆不均匀。采用流化床或旋转床的方式可以实现 ALD 工艺过程中的粉末分散，保证前驱体的有效利用，获得均匀保形的涂层。

PALD 能解决传统平面 ALD 造成的包覆不均匀缺陷

PART 02  PALD 技术提升催化剂性能

ALD 涂层的作⽤是多⽅⾯的，⼀⽅⾯可以提⾼催化剂的选择性和使⽤寿命，从⽽提⾼催化剂的性能。另⼀⽅⾯可有效减少⾦属催化剂的析出或烧结，从⽽避免反应的⽐表⾯积和性能的下降。

ALD 对催化剂的增益效果：

当然，ALD 在先进催化剂的制造中有很多应用，但在工业催化剂的制造中有三种基础的作用：

在工业催化剂中 ALD 的三种工艺

PALD 的几个常见应用场景：全包覆钝化，活性组分，催化剂壳层

1、 ALD 表⾯活性位点构筑 

PALD 已被⽤于在超⾼⽐表⾯积基底载体上沉积 Pd、Pt、Ni、Rh、Fe、Ir 和 Ru 等催化剂材料。催化剂材料的⾼表⾯能允许其在基底上形成⼩的“岛屿”颗粒，实现了活性材料⾼分散，同时保持超低负载以降低材料成本。与湿法化学合成技术不同，PALD 可覆盖催化剂载体上超⾼纵横⽐的孔隙，实现均匀沉积。此外，PALD 可以制造“核壳”结构催化剂。 

ALD 技术使 Pt 颗粒在基底上分散开来

使用 Forge Nano 包覆后的催化剂（左）未包覆的催化剂（右）

2、ALD 构筑衬底支撑涂层  

使⽤ ALD 在活性催化剂内侧构筑界⾯层也有助于更⻓的使⽤寿命和热稳定性。在不影响孔隙⼤⼩和形态的情况下在基底表⾯沉积薄膜，可以改变表⾯酸/碱特性，并防⽌活性催化剂溶解到基底材料中。⼀个案例便是，与未包覆的⼆氧化硅或氧化铝的催化剂相⽐，ALD 内部涂层⽀撑的沉积提⾼了丙烷氧化脱氢的催化活性、寿命和选择性。

3、ALD 防护涂层 

ALD 可以有效地将均匀的薄膜沉积在催化剂上，同时还可以提⾼催化性能。在⾼温反应条件下，沉积Al₂O₃、TiO₂、NbO_x、NiO、ZrO₂ 或 Co₃O₄  等薄膜可以保护催化剂的完整性，同时抑制⾦属粒⼦的降解、烧结和析出。⽐如，氧化铝 ALD 涂层保留并增强了 Pd 纳⽶颗粒的催化活性，同时在 500℃ 条件下依然能有效防⽌其烧结。

通过 PALD 技术，可以实现催化剂粉末材料表⾯的涂层或活性位点制备。⽆论是在化⼯品催化或典型的制氢 / 燃料 电池中，纳⽶级催化剂存在烧结或者浸出的问题。使⽤ ALD 技术可以在典型的如 Pd / Al₂O₃ 催化剂表⾯构筑涂层，可避免催化剂的烧结与浸出，从⽽使实现稳定的芳烃氢化反应。

关于 Forge Nano

Forge Nano 是全球唯一可提供从原子层沉积粉末包覆（PALD）研发到工业规模化生产“端到端”服务的美国公司，致力于为全球各大电池材料生产商提供最先进的粉末包覆技术设备服务。自成立以来，包括：大众汽车，LG 化学，三井金属，SBI 集团等先后投资，已成为该领域的独角兽企业。

Forge  Nano 流化床原子层沉积系统

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参考文献  Reference

【1】Lu Z, Tracy R W, Abrams M L, et al. Atomic Layer Deposition Overcoating Improves Catalyst Selectivity and Longevity in Propane Dehydrogenation[J]. ACS Catalysis, 2020, 10(23): 13957-13967.

【2】Hengwei WANG,Junling LU. Atomic Layer Deposition: A Gas Phase Route to Bottom-up Precise Synthesis of Heterogeneous Catalyst[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34(12), 1334-1357. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804201

【3】Wrobleski J. T. ; Boudart M. Catal. Today 1992, 15, 349.

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