JP2003226905A - 酸化非敏感性ポリマーによって安定化された貴金属コロイド、不均一系貴金属触媒、貴金属コロイド溶液の製造方法、および貴金属コロイドまたはこれらの溶液の使用 - Google Patents
酸化非敏感性ポリマーによって安定化された貴金属コロイド、不均一系貴金属触媒、貴金属コロイド溶液の製造方法、および貴金属コロイドまたはこれらの溶液の使用Info
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Abstract
できる酸化非感受性貴金属コロイドを提供する。 【解決手段】 置換基を有していてもよい、表面に対し
て配位結合されたスルホン酸基またはホスホン酸基を含
有する一つまたはそれ以上の酸化非感受性ポリマーで、
貴金属コロイドを安定化させることによって達成され
る。
Description
マーで安定化した貴金属コロイドに関する。
切な大きさの範囲での直径を有する金属粒子が存在する
系である。極めて微粉化された金属自体は、コロイド状
金属と呼称される。これは、それ自体で存在するか、連
続相中に分散されるか、または相において広範囲で吸着
されていてもよい。溶剤中のその分散液は、金属コロイ
ド溶液と呼称される。
る。通常は、金属塩を、安定化剤の存在下で溶液中の金
属に還元する。これらの安定化剤は、金属との共有結合
を形成することが可能な物質であり、これによって凝集
から形成された金属粒子を保護する。形成されたコロイ
ド粒子の粒度および粒度分布のような特性は、還元剤、
保護リガンドおよびその量、溶剤および金属塩中に存在
するアニオンの選択によって影響されうる。
安定化剤、たとえばポリビニルピロリドン、ポリビニル
ピリジン、ポリビニルメチルケトン、ポリビニルアルコ
ール、ポリビニルアセテート、ポリアクリレート、アル
キルセルロースおよびヒドロキシアルキルセルロースの
存在下で、一連の還元剤、たとえば亜リン酸塩、次亜リ
ン酸塩、ボラン、アスコルビン酸、ヒドラジンおよびホ
ルムアルデヒドを用いて、パラジウム塩を還元すること
による、パラジウムコロイド溶液の製造が開示されてい
る。
l.,Angewandte Chemie 103
(1991)、第1344頁〜第1346頁において、
有機相中での第6族〜第11族の元素の金属コロイドの
製造が記載されている。金属塩は、THF中に懸濁さ
れ、かつ、テトラアルキルアンモニウム ヒドロトリオ
ルガノボラートによって還元されている。この方法で形
成されたアンモニウム塩は、形成された金属粒子のため
の保護コロイドとして作用され、したがって、特別な安
定化剤の添加を必要としない。
5nmの粒径を有する溶剤−安定化された遷移金属コロ
イドを製造するための方法が開示されており、この場
合、遷移金属塩、たとえば、PdCl2、Pd(OA
c)2、Pd(acac)2、Ni(OAc)2、Fe
(aca)2、Fe(OAc)3、PtCl2、Pt
(OAc)2、RhCl3、Rh(OAc)3、Co
(OAc)2、Cu(OAc) 2、AgOAcまたはA
g2CO3は、極性溶剤、たとえば、有機カルボネー
ト、カルボキサミド、スルホンアミドまたは尿素誘導
体、好ましくはプロピレンカルボネート中で、アルコー
ル、たとえばイソプロパノールまたはメタノールによっ
て還元される。
ドは、触媒として広範囲に使用される。特に金属コロイ
ド粒子の小さい粒径が本明細書中では好ましく、それと
いうのも触媒の可能な表面積が、粒子直径に対して反比
例で増加するためである。したがって、触媒の活性は、
通常は触媒的に活性の金属粒子の粒度に関連する。金属
コロイドは、自由な、支持されていない形で使用するこ
とができる。その後に金属コロイドは生成物溶液から、
たとえば膜濾過によって分離される。しかしながら、さ
らに金属コロイドは、触媒としての使用のための触媒支
持体上で不動化することができる。
ande Cheime 103(1991)、第13
44頁〜第1346頁には、不飽和化合物、たとえば一
酸化炭素、C−C−、C−O−、C−N−多重結合系の
水素化および芳香族化合物の水素化の触媒としての支持
金属コロイドの使用が挙げられており、かつ、天然生成
物、たとえば大豆油の選択的水素化のための触媒として
の、遊離PdおよびNiコロイドの使用が挙げられてい
る。
属コロイドは、反応環境中において安定でなければなら
ない。これは、液相中の有機化合物の水素化においては
問題ではない。しかしながら、酸素または他の酸化剤が
反応環境において存在する場合、たとえば、酸素または
過酸化水素を用いての有機または無機化合物の部分的酸
化の際に、コロイドを安定化させるポリマーの分解が生
じうる。安定化剤の酸化分解はコロイドの分解を引き起
こし、その際、コロイドは反応領域中で沈殿し、その結
果触媒的に不活性になる。
非導電性の基板表面を金属被覆で被覆する方法が開示さ
れており、この場合、この方法は、基板表面をパラジウ
ムコロイド溶液で処理するものである。パラジウムコロ
イドは、保護コロイド、たとえば、ポリビニルピロリド
ン、ポリビニルピリジン、ポリビニルメチルメトン、ポ
リビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリアク
リル酸、ポリエチレングリコール、ポリイミンまたはア
ルキルセルロースおよびヒドロキシアルキルセルロース
によって安定化される。パラジウムコロイド溶液は、被
覆工程において酸素と密に接触する傾向にある。コロイ
ドの酸素敏感性を減少させるために、この文献では、還
元剤、たとえば、金属次亜リン酸塩および亜リン酸塩、
アルカリ金属ホウ化水素、モノアルキルアミノボラン、
ジアルキルアミノボラン、トリアルキルアミノボラン、
アスコルビン酸、ヒドラジン、ヒドロキシルアミンまた
はホルムアルデヒドを、パラジウムコロイド溶液に添加
することを示唆している。酸素は、安定化ポリマーの代
わりにこれらを酸化する。ここで記載したような電気化
学的な方法の場合には、これは、使用される金属コロイ
ドの酸化感受性の問題に対しての適した溶液であっても
よい。しかしながら、触媒酸化反応がコロイドの存在下
で実施されるべき場合には、還元剤の存在は、反応の過
程において著しい影響を及ぼす。
の過酸化水素の直接的合成中で生じる。本明細書中にお
いて、反応媒体中で溶解された酸素および形成された過
酸化水素は、酸化作用を有する。これらの酸化剤は、通
常過酸化水素の安定化のために使用されるハロゲン化物
イオンの存在下で特にアグレッシブな作用を有する。
ewande Cheime 103(1991)
反応のための触媒として使用することができる酸化非感
受性貴金属コロイドを提供することである。
粒子を含有する、酸化非感受性ポリマーで安定化された
貴金属コロイドによって達成されることが見出され、こ
の場合、これは、その表面に対して配位結合されたスル
ホン酸基またはホスホン酸基を含有する一つまたはそれ
以上の酸化非感受性ポリマーを有しており、その際、前
記ポリマーは、スルホン化、部分フッ素化またはフッ素
化ポリスチレン、スルホン化、部分スルホン化またはフ
ッ素化アルキレン−スチレンコポリマー、スルホン化、
過フッ素化アルキレン−アルキレンオキシドコポリマ
ー、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリアリーレ
ンオキシド、スルホン化ポリアリーレンエーテルスルホ
ン、スルホン化ポリアリーレンエーテルケトン、スルホ
ン化ポリフェニレン、スルホン化ポリフェニレンスルフ
ィドおよびホスホン化アリーレンオキシドおよびホスホ
ン化ポリベンズイミダゾールであり、この場合、前記ポ
リマーは、さらに置換基を有していてもよい。
−スチレンコポリマーは、たとえば、構造単位(I)ま
たは(II)である:
Rai Manufacturing Corpor
ation、USAからのRaipore(R) R−
1010の名称で、およびChlorine Engi
neering Corporation,Japan
からのRaymion(R)の名称で入手可能である。
は、たとえば、構造単位(III)を含有するスルホン
化ポリテトラフルオロスチレンである:
チレンは、構造単位(IIIa)によって架橋されてい
てもよい:
オキシドコポリマーは、たとえば、構造単位(IV)お
よび(V)を含有している:
ont、USAからNafion( R)の名称およびA
sahi Chemicals,JapanからAci
plex−S(R)の名称で得ることが可能である。
は、たとえば、式(VI)の反復単位を含有する:
例えば式(VII)および(VIII)の反復単位を含
有する:
ケトンは、たとえば、式(IX)の反復単位を含有す
る:
たとえば、式(Xa)〜(Xc)の反復単位を含有す
る:
は、ポリフェニレン、ポリフェニレンスルフィド、スル
ホン化ポリスチレンであり、この場合、これは、ジビニ
ルベンゼンによって架橋されていてもよく、さらにスル
ホン化された直鎖かまたは架橋されたフェノール−ホル
ムアルデヒド樹脂であってもよい。
発明によって使用されたポリマーの全構造の例示的、典
型的な部分に関するものである。
は、前記に示されたスルホン化、部分フッ素化、フッ素
化または過フッ素化ポリマー、さらには、ホスホン酸基
を含有するポリマーである。特に好ましくは、過フッ素
化アルキレン−アルキレンオキシドコポリマ−、たとえ
ば、Nafion(R)の名称で得ることが可能なポリ
マーである。
化非感受性安定化ポリマーの存在下で、貴金属塩の溶液
を、一つまたはそれ以上の還元剤と反応させることによ
って製造される。この目的のために、たとえば、還元剤
の溶液は、貴金属塩の溶液と混合され、その際、これは
付加的に安定化ポリマーを含有する。貴金属塩として、
還元剤を用いて、金属性の貴金属コロイドに還元するこ
とができるすべての可溶化塩を使用することが可能であ
る。例は、貴金属の塩化物、硫酸塩、硝酸塩、リン酸
塩、ピロリン酸塩、シアン化物およびフルオロホウ酸塩
であり、さらには、その有機性塩、たとえば、蟻酸塩、
酢酸塩、コハク酸塩、リンゴ酸塩、乳酸塩、クエン酸
塩、アスコルビン酸塩、シュウ酸塩、ベンゾイック酸塩
およびバニリン酸塩、さらにはたとえば貴金属のアミン
錯体、ハロゲン化物錯体および貴金属と有機性錯化剤と
の錯体である。
ナ、ロジウム、ルテニウムおよびイリジウムである。
ラチナであり、この場合、これは、一般にはパラジウム
(II)塩およびプラチナ(II)塩として使用され
る。硝酸塩およびカルボン酸塩、たとえばパラジウム
(II)およびプラチナ(II)の酢酸塩が好ましい。
させてもよい。
ドを得るために、第III主族および第IV主族の一つ
またはそれ以上の他の適切な金属塩、たとえばガリウ
ム、ゲルマニウム、錫および鉛、および遷移金属、たと
えばレニウム、銅、ニッケル、コバルト、マンガン、ク
ロムおよびモリブデンを同時に使用することも可能であ
る。
タノールおよびアルデヒド、たとえばホルムアルデヒド
である。
性の溶剤中で行われてもよい。製造は、たとえば、水性
溶剤中で行われてもよく、その際、還元剤は、溶解され
た形で存在する。しかしながら、さらに、非水性溶剤を
使用することも可能であり、この場合、還元剤が存在す
る。例としては、アルコール、酢酸、THF、エーテルお
よびホルムアルデヒドである。本発明の好ましい実施態
様において、製造は、溶剤としての還元剤中で実施され
る。同時に溶剤であってもよい好ましい還元剤は、エタ
ノールおよびホルムアルデヒドである。
ましい場合には、他の金属塩、安定化ポリマーおよび還
元剤を含有する溶液の攪拌によって、0〜95℃、好ま
しくは30〜90℃で、10〜200分、好ましくは3
0〜150分に亘って実施する。
の添加によってこの方法で製造される貴金属コロイド溶
液から沈殿され、引き続いて単離することができる。適
した極めて非極性の溶剤は、たとえば、炭素原子5〜1
0個を有する脂肪族、芳香族および脂環式炭化水素であ
る。特に、沈殿剤としての石油エーテルの添加は、有用
であることが見出されている。沈殿した貴金属コロイド
は、常用の機械的分離方法によって、たとえば濾過また
は遠心分離によって単離されてもよい。本発明のポリマ
ー安定化貴金属コロイドは、固体の形であっても空気に
対して安定であり、したがって、これらを単離した後に
空気中で乾燥させることができる。
イドは、触媒として使用することができる。この目的の
ために、貴金属塩の還元によって得られた貴金属コロイ
ド溶液を、直接使用することができる。さらに、単離さ
れた貴金属コロイドは、液体媒体中に再分散され、貴金
属コロイド溶液を形成する。さらに、本発明の貴金属コ
ロイドは支持体に塗布されてもよい。
〜10nm、好ましくは1〜5nmの範囲であってもよ
い。
イドは、さらにそれを支持体に塗布することによって、
不均一系触媒を製造するために使用することができる。
可能な支持体は、すべての常用の支持体であり、たとえ
ば、酸化セラミック、好ましくはAl2O3、Si
O2、ZrO2、TiO2およびこれらの混合酸化物、
炭素、ゼオライトおよびシリカライトである。支持体
は、触媒活性および焼結安定性を増加させるための促進
剤を含有していてもよい。
されていてもよい。この目的のために、支持体は、貴金
属コロイド溶液で、たとえば、溶液を用いて支持体に噴
霧することによってかまたは溶液中に支持体を浸漬する
ことによって含浸される。含浸に引き続いて乾燥工程を
おこなってもよい。しかしながら、さらに貴金属コロイ
ドは、単離された貴金属コロイドを支持体と一緒に乾燥
混合することによって支持体に塗布されてもよい。
と安定化ポリマーとの質量比は、一般には60:1〜
1:60、好ましくは30:1〜1:30である。
の触媒として使用されてもよい。本明細書中において、
貴金属コロイドは、溶液または不均一系触媒として支持
体上で使用されてもよい。好ましい酸化反応は、アント
ラキノン工程かまたは類似の工程によるもの、および直
接的合成、すなわち、液体または気体媒体中の貴金属コ
ロイド上での酸素と水素との直接的反応の双方による元
素からの過酸化水素の合成である。
電池中、特にPEM燃料電池またはDMFC燃料電池中
で電気触媒として使用することができる。この目的のた
めに、貴金属コロイド、好ましくは本発明によるプラチ
ナコロイドは、カーボンブラック(たとえば、Vulc
anXC72、Cabat,Inc.からのもの)と組
み合わせる。
る:
(R) 750mgおよびエタノール 75mlを、5
00mlの四つ口フラスコ中に入れ、Pd(MO 3)2
としてのパラジウム 75mgをエタノール25ml中
に溶解し、添加した。生じる溶液は最初は透明であり、
冷却下で明褐色である。これを室温で4時間に亘って攪
拌した。4時間が経過した後に、溶液は黒色になり、か
つ形成されたパラジウムコロイドによって混濁した。
これは、Pd 0.6g/lを含有していた。コロイド
状溶液を安定化させるために、蒸留水の添加によって容
量を二倍にし、かつエタノールを水浴上でゆっくりと留
去した。これによって、パラジウムコロイドを水性の安
定した溶液に変換した。
較のために、PVP−安定化パラジウムコロイドを、種
々の文献中に示されているようにして製造した。この目
的のために、3gのパラジウム含有量および400ml
の水を有するPd(NO3)2水溶液 50mlを、2
lのフラスコ中に入れた。ポリビニルピロリドン 3g
の水溶液 50mlを、この溶液に添加した。エタノー
ル 500mlをその後に添加し、なおも透明な溶液を
沸騰するまで加熱した。連続して3時間に亘って還流下
で攪拌した。この溶液を冷却し、生じるゾルを水で1l
にし、かつエタノールをゆっくりと水浴上で留去した。
生じる溶液を、水で1lにした。
造したNafion( R)−安定化パラジウムコロイド
溶液 1mlを、30質量%のH2O2溶液2mlと混
合した。H2O2を添加してすぐに、過酸化水素の水と
酸素への分解が生じ、激しいガス発生が開始された。分
解反応の後に、Nafion(R)−安定化パラジウム
コロイドは溶液中で非電荷のコロイド状に分散された形
で存在した。
VP−安定化パラジウムコロイド溶液 1mlを、30
質量%濃度のH2O2溶液 約2mlと混合した。ガス
発生が弱まった後に、パラジウムコロイドは、試験容器
の底部で凝集した形で存在していた。
Claims (9)
- 【請求項1】 ポリマー表面に配位されたスルホン酸基
またはホスホン酸基を含有する、一つまたはそれ以上の
酸化非敏感性ポリマーを有する貴金属粒子を含有する、
酸化非敏感性ポリマーで安定化された貴金属コロイドに
おいて、ポリマーが、スルホン化、部分フッ素化または
フッ素化ポリスチレン、スルホン化、部分スルホン化ま
たはフッ素化アルキレン−スチレンコポリマー、スルホ
ン化、過フッ素化アルキレン−アルキレンオキシドコポ
リマー、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリアリ
ーレンオキシド、スルホン化ポリアリーレンエーテルス
ルホン、スルホン化ポリアリーレンエーテルケトン、ス
ルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリフェニレンス
ルフィドおよびホスホン化されたアリーレンオキシドお
よびホスホン化ポリベンズイミダゾールから成る群から
選択され、その際、前記ポリマーはさらに置換基を有し
ていてもよい、酸化非敏感性ポリマーで安定化された貴
金属コロイド。 - 【請求項2】 貴金属がパラジウムまたはプラチナであ
る、請求項1に記載の貴金属コロイド。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の貴金属コロイ
ドを含有する、貴金属コロイド溶液。 - 【請求項4】 支持体上に、請求項1または2に記載の
貴金属コロイドを含有する、不均一系貴金属触媒。 - 【請求項5】 支持体が、Al2O3、SiO2,Zr
O2、TiO2およびこれらの混合酸化物、炭素、ゼオ
ライトおよびシリカライトから成る群から選択される、
請求項4に記載の不均一系貴金属触媒。 - 【請求項6】 貴金属コロイド溶液を製造するための方
法において、スルホン化、部分フッ素化またはフッ素化
ポリスチレン、スルホン化、部分スルホン化またはフッ
素化アルキレン−スチレンコポリマー、スルホン化、過
フッ素化アルキレン−アルキレンオキシドコポリマー、
スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリアリーレンオ
キシド、スルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン、
スルホン化ポリアリーレンエーテルケトン、スルホン化
ポリフェニレン、スルホン化ポリフェニレンスルフィド
およびホスホン化アリーレンオキシドおよびホスホン化
ポリベンズイミダゾールから成る群から選択され、その
際、これらのポリマーはさらに置換基を有していてもよ
い、一つまたはそれ以上の酸化非敏感性の安定化ポリマ
ーの存在下で、一つまたはそれ以上の貴金属塩溶液と、
一つまたはそれ以上の還元剤とを反応させる、貴金属コ
ロイド溶液を製造するための方法。 - 【請求項7】 請求項1または2に記載の貴金属コロイ
ド、請求項3に記載の貴金属コロイド溶液、または請求
項4または5に記載の不均一系触媒の、接触酸化反応の
ための触媒としての使用。 - 【請求項8】 過酸化水素の合成のための、請求項7に
記載の使用。 - 【請求項9】 燃料電池中での電気触媒としての、請求
項1または2に記載の貴金属コロイドの使用。
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