JP2005082423A - Zirconia-based oxide and solid acid catalyst - Google Patents

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幸一 瀬川
Takemasa Nakagawa
剛正 中川
Toshio Nakatani
利雄 中谷
Kimio Ouchi
公夫 大内
Satoshi Watanabe
智 渡辺
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a zirconia-based oxide higher in acid strength and acid content and more excellent in high-temperature stability. <P>SOLUTION: The zirconia-based oxide is an oxide containing zirconium, aluminum, and sulfur. The zirconium and the aluminum are contained in such amounts that the former accounts for 92.0 to 99.6 mol% (as zirconium oxide), and the latter accounts for 0.4 to 8.0 mol% (as aluminum oxide), provided that the total is 100 mol%. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、新規なジルコニア系酸化物及び固体酸触媒に関する。   The present invention relates to a novel zirconia-based oxide and a solid acid catalyst.

酸化ジルコニウムに硫酸イオンを担持させることにより、強い固体酸性が発現されることは、すでに知られている(非特許文献1〜2)。   It has already been known that strong solid acidity is expressed by supporting sulfate ions on zirconium oxide (Non-patent Documents 1 and 2).

この固体酸性を利用して各種の触媒として利用することも知られている。例えば、酸化ジルコニウムに各種の金属元素を組合せた材料が、アルキル化反応等の固体酸触媒あるいは排ガス浄化用触媒として利用することが提案されている(特許文献1〜3)。   It is also known to use this solid acidity as various catalysts. For example, it has been proposed that a material in which various metal elements are combined with zirconium oxide is used as a solid acid catalyst such as an alkylation reaction or an exhaust gas purification catalyst (Patent Documents 1 to 3).

しかしながら、硫酸イオンを酸化ジルコニウムに担持させた場合、異性化反応用の触媒として利用するための重要な活性点であるルイス酸の酸強度及び酸量が不十分である。しかも、従来の硫酸イオン担持ジルコニアは、比較的低温(約600℃)で硫酸イオンの分解が起こり、触媒活性が低減ないしは失活するという問題がある。
特開平1−245854号公報 特開平2−71840号公報 特開平4−341325号公報 荒田、日野「固体超強酸の調製とその表面性質および触媒作用」、表面、vol.19、No.2(1981) 荒田「固体超強酸この10年」、触媒、vol.31、No.7、p.512−517(1989)
However, when sulfate ions are supported on zirconium oxide, the acid strength and acid amount of Lewis acid, which are important active sites for use as a catalyst for isomerization reaction, are insufficient. Moreover, the conventional sulfate ion-supported zirconia has a problem that the sulfate ion is decomposed at a relatively low temperature (about 600 ° C.), and the catalytic activity is reduced or deactivated.
JP-A-1-245854 Japanese Patent Laid-Open No. 2-71840 JP-A-4-341325 Arata, Hino, “Preparation of Solid Superacids and Their Surface Properties and Catalysis”, Surface, vol. 19, no. 2 (1981) Arata “Solid Super Strong Acid This Decade”, Catalyst, vol. 31, no. 7, p. 512-517 (1989)

従って、本発明の主な目的は、より高い酸強度・酸量を有するとともに、より高温安定性に優れたジルコニア系酸化物を提供することにある。   Accordingly, a main object of the present invention is to provide a zirconia-based oxide having a higher acid strength and an acid amount and an excellent high-temperature stability.

本発明者は、従来技術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定組成をもつ酸化物が上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies in view of the problems of the prior art, the present inventor has found that an oxide having a specific composition can achieve the above object, and has completed the present invention.

すなわち、本発明は、下記のジルコニア系酸化物及び固体酸触媒に係る。   That is, the present invention relates to the following zirconia oxide and solid acid catalyst.

1. ジルコニウム、アルミニウム及び硫黄を含有する酸化物であって、
当該ジルコニウム及びアルミニウムが、酸化ジルコニウムとして92.0〜99.6モル%及び酸化アルミニウムとして0.4〜8.0モル%の合計100モル%となる割合で含まれていることを特徴とするジルコニア系酸化物。
1. An oxide containing zirconium, aluminum and sulfur,
Zirconia characterized in that the zirconium and aluminum are contained in a proportion of 92.0 to 99.6 mol% as zirconium oxide and 0.4 to 8.0 mol% as aluminum oxide in a total of 100 mol%. Oxides.

2. 硫黄が、酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムの合計100モル%に対して、硫酸イオンとして0.5〜30.0モル%含有されている前記項1記載のジルコニア系酸化物。   2. The zirconia oxide according to Item 1, wherein sulfur is contained in an amount of 0.5 to 30.0 mol% as sulfate ions with respect to 100 mol% in total of zirconium oxide and aluminum oxide.

3. 前記項1又は2に記載のジルコニア系酸化物からなる固体酸触媒。   3. 3. A solid acid catalyst comprising the zirconia oxide according to item 1 or 2.

4. 前記項1又は2に記載のジルコニア系酸化物からなる異性化反応用触媒。   4). Item 3. An isomerization reaction catalyst comprising the zirconia oxide according to item 1 or 2.

5. 前記項1又は2に記載のジルコニア系酸化物からなるパラフィン系炭化水素異性化反応用触媒。   5). 3. A paraffinic hydrocarbon isomerization catalyst comprising the zirconia oxide according to item 1 or 2.

6. n−ブタンからi−ブタンへの異性化反応のために用いられる、前記項1又は2に記載のジルコニア系酸化物からなる異性化反応用触媒。   6). Item 3. An isomerization reaction catalyst comprising the zirconia-based oxide according to Item 1 or 2, which is used for an isomerization reaction from n-butane to i-butane.

本発明では、所定の比率で酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムとを複合化させることによって、Zr原子上の正電荷を高めることにより、Zr原子上に発現するルイス酸の強度を高めることができる。   In the present invention, the strength of the Lewis acid expressed on the Zr atom can be increased by increasing the positive charge on the Zr atom by combining zirconium oxide and aluminum oxide at a predetermined ratio.

硫酸を担持した酸化ジルコニウム(ジルコニア)上での固体酸性の発現メカニズムは、図1に示すようなモデルで示すことができる。Zr原子上にルイス酸点が与えられ、また表面水酸基によりブレンステッド酸点が与えられる。一般に、超強酸性と呼ばれる酸性を示す酸点はルイス酸点と考えられており、Zr原子上の正電荷を高めることはルイス酸点の酸性度を高める上で最も直接的かつ効率的な方法である。   The mechanism of solid acidity on zirconium oxide (zirconia) supporting sulfuric acid can be shown by a model as shown in FIG. Lewis acid points are given on Zr atoms, and Bronsted acid points are given by surface hydroxyl groups. In general, the acid point showing acidity called super strong acid is considered to be a Lewis acid point, and increasing the positive charge on the Zr atom is the most direct and efficient method for increasing the acidity of the Lewis acid point. It is.

本発明では、酸化アルミニウムを複合化させることにより、図2に示すモデルのように、Zr原子上の正電荷が高められる。この事実は、図3に示すように、結合エネルギーの変化を調べること(XPSによるケミカルシフトの観察)により実証される。図3の結果は、後記の実施例で合成された酸化物の焼成温度による結合エネルギーの違いを示している。特に、873K(=600℃)で焼成された酸化物のうちSAZ3及びSAZ5が強い結合エネルギーを示すことがわかる。   In the present invention, by combining aluminum oxide, the positive charge on the Zr atom is increased as in the model shown in FIG. This fact is demonstrated by examining the change in binding energy (observation of chemical shift by XPS) as shown in FIG. The results in FIG. 3 show the difference in binding energy depending on the firing temperature of the oxide synthesized in the examples described later. In particular, it can be seen that among the oxides fired at 873 K (= 600 ° C.), SAZ3 and SAZ5 exhibit strong binding energy.

本発明では、酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムを複合化することにより、酸化ジルコニウムの結晶成長を抑制し、高い比表面積を確保することにより、酸量を高めることができる。図4には、後記の実施例の酸化物におけるアルミニウム含有割合の違いによる結晶成長の抑制効果の違いを示す。所定のアルミニウムが存在することによって、結晶成長が抑制されていることがわかる。   In the present invention, the amount of acid can be increased by combining zirconium oxide and aluminum oxide to suppress the crystal growth of zirconium oxide and to secure a high specific surface area. In FIG. 4, the difference in the inhibitory effect of the crystal growth by the difference in the aluminum content rate in the oxide of the below-mentioned Example is shown. It can be seen that the presence of the predetermined aluminum suppresses crystal growth.

また、本発明による複合化により、Zr原子上の正電荷を高めることができる結果、担持された硫酸イオンがより高温(特に600℃以上の高温)まで安定して存在させることができる。   Further, the composite charge according to the present invention can increase the positive charge on the Zr atom. As a result, the supported sulfate ion can be stably present at a higher temperature (in particular, a high temperature of 600 ° C. or higher).

本発明の酸化物によれば、所定の割合で酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムが複合化されている上、硫酸イオンが存在していることから、比較的高い酸強度及び酸量を高温まで維持することができる。このため、本発明酸化物は、特に固体酸触媒として有効である。例えば、有機合成の分野における異性化反応、アルキル化反応、加水分解反応等の触媒として応用することも可能である。   According to the oxide of the present invention, zirconium oxide and aluminum oxide are complexed at a predetermined ratio, and since sulfate ions exist, relatively high acid strength and acid amount can be maintained up to a high temperature. Can do. Therefore, the oxide of the present invention is particularly effective as a solid acid catalyst. For example, it can be applied as a catalyst for isomerization reaction, alkylation reaction, hydrolysis reaction and the like in the field of organic synthesis.

1.ジルコニア系酸化物
本発明のジルコニア系酸化物は、ジルコニウム、アルミニウム及び硫黄を含有する酸化物であって、当該ジルコニウム及びアルミニウムが、酸化ジルコニウムとして92.0〜99.6モル%及び酸化アルミニウムとして0.4〜8.0モル%の合計100モル%となる割合で含まれていることを特徴とする。
1. Zirconia-based oxide The zirconia-based oxide of the present invention is an oxide containing zirconium, aluminum and sulfur, and the zirconium and aluminum are 92.0 to 99.6 mol% as zirconium oxide and 0 as aluminum oxide. It is characterized in that it is contained in a proportion of 100 to 100 mol% in total of 4 to 8.0 mol%.

本発明の酸化物は、基本的には、酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムとの混合酸化物である。   The oxide of the present invention is basically a mixed oxide of zirconium oxide and aluminum oxide.

ジルコニウム及びアルミニウムの含有割合は、それぞれ酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムとしてその合計量100モル%として、通常は酸化ジルコニウム:酸化アルミニウム=92.0〜99.6モル%:0.4〜8.0モル%、好ましくは酸化ジルコニウム:酸化アルミニウム=92.5〜99.3モル%:0.7〜7.5モル%、より好ましくは酸化ジルコニウム:酸化アルミニウム=93.2〜98.8モル%:1.2〜6.8モル%とする。酸化アルミニウムとしての含有割合が8.0モル%を超える場合には転化率が低下し、0.4モル%未満の場合にはSO4の分解温度が低下するので好ましくない。 The content ratios of zirconium and aluminum are respectively zirconium oxide and aluminum oxide as a total amount of 100 mol%, and usually zirconium oxide: aluminum oxide = 92.0 to 99.6 mol%: 0.4 to 8.0 mol% Zirconium oxide: aluminum oxide = 92.5-99.3 mol%: 0.7-7.5 mol%, more preferably zirconium oxide: aluminum oxide = 93.2-98.8 mol%: 1. 2 to 6.8 mol%. When the content ratio as aluminum oxide exceeds 8.0 mol%, the conversion rate decreases, and when it is less than 0.4 mol%, the decomposition temperature of SO 4 decreases, which is not preferable.

硫黄(硫酸根)の含有割合は、本発明酸化物の組成、用途・使用方法等に応じて適宜決定できるが、酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムの合計100モル%に対して(すなわち外掛けで)、硫酸イオンとして0.5〜30.0モル%(特に5.0〜15.0モル%)含有されていることが望ましい。かかる範囲の硫黄が含まれる場合には、より良好な固体酸性等を発揮することができる。   The content ratio of sulfur (sulfate radical) can be appropriately determined according to the composition of the oxide of the present invention, usage, usage, etc., but with respect to a total of 100 mol% of zirconium oxide and aluminum oxide (that is, as an outer shell), It is desirable to contain 0.5 to 30.0 mol% (especially 5.0 to 15.0 mol%) of sulfate ions. When sulfur in such a range is contained, better solid acidity and the like can be exhibited.

本発明の酸化物は、本発明の効果を妨げない範囲内で、他の成分(例えば希土類元素等)又は不可避不純物が含まれていても良い。   The oxide of the present invention may contain other components (for example, rare earth elements) or unavoidable impurities within a range not impeding the effects of the present invention.

本発明酸化物は、種々の用途に応用できるものであるが、とりわけ触媒(固体酸触媒)として有用である。従って、従来の固体酸触媒が使用されている反応、例えば異性化反応、アルキル化反応、重合反応等に好適に用いることができる。特に、本発明酸化物は、パラフィン系炭化水素の異性化反応(例えば、n−ブタンからi−ブタンへの異性化)の触媒としても適している。
2.ジルコニア系酸化物の製造方法
本発明の酸化物の製法は、本発明に規定される所定の組成が得られる限り特に制限されず、液相法、固相法等の公知の方法に準じて実施することができる。
The oxide of the present invention can be applied to various uses, but is particularly useful as a catalyst (solid acid catalyst). Therefore, it can be suitably used for reactions in which a conventional solid acid catalyst is used, for example, isomerization reaction, alkylation reaction, polymerization reaction and the like. In particular, the oxide of the present invention is also suitable as a catalyst for isomerization reaction of paraffinic hydrocarbons (for example, isomerization of n-butane to i-butane).
2. Production method of zirconia-based oxide The production method of the oxide of the present invention is not particularly limited as long as the predetermined composition defined in the present invention is obtained, and is performed according to a known method such as a liquid phase method or a solid phase method. can do.

例えば、a)ジルコニウムイオン及びアルミニウムイオンを含む混合溶液を用いて共沈法により得られた沈殿物に硫酸イオン含有溶液を含浸させた後、得られた含浸体を焼成する方法、b)ジルコニウム化合物(水酸化ジルコニウム、塩基性ジルコニウム塩等)にアルミニウムイオン含有溶液を含浸させ、さらに硫酸イオン含有溶液を含浸させた後、得られた含浸体を焼成する方法等が挙げられる。   For example, a) a method in which a precipitate obtained by coprecipitation using a mixed solution containing zirconium ions and aluminum ions is impregnated with a sulfate ion-containing solution, and then the obtained impregnated body is fired, b) a zirconium compound Examples include a method of impregnating an aluminum ion-containing solution (zirconium hydroxide, basic zirconium salt, etc.) and further impregnating a sulfate ion-containing solution, and then firing the obtained impregnated body.

本発明では、特に上記a)の方法によって好適に本発明酸化物を得ることができる。   In the present invention, the oxide of the present invention can be suitably obtained particularly by the method a).

上記a)の方法に従って製造する場合、上記混合溶液は、ジルコニウム及びアルミニウムの可溶性塩をそれぞれ用い、これを適当な溶媒(好ましくは水)に溶解させることによってそれぞれ調製することができる。   In the case of producing according to the method a), the mixed solution can be prepared by respectively using soluble salts of zirconium and aluminum and dissolving them in a suitable solvent (preferably water).

ジルコニウムの可溶性塩としては、例えばジルコニウムの塩化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等が挙げられる。より具体的には、酸塩化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、酢酸ジルコニウム、硫酸ジルコニウム等が使用できる。   Examples of the soluble salt of zirconium include zirconium chloride, nitrate, sulfate, acetate, and the like. More specifically, zirconium oxychloride, zirconium nitrate, zirconium acetate, zirconium sulfate and the like can be used.

また、アルミニウムの可溶性塩としては、例えば塩化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等が挙げられる。より具体的には、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム等が使用できる。   Examples of the soluble salt of aluminum include chlorides, nitrates, sulfates and acetates. More specifically, aluminum nitrate, aluminum acetate or the like can be used.

本発明では、これらのジルコニウム及びアルミニウムの塩は、無水物及び水和物のいずれも使用することができる。   In the present invention, any of these anhydrides and hydrates can be used as these zirconium and aluminum salts.

混合溶液の調製は、ひとつの溶媒にジルコニウムの可溶性塩とアルミニウムの可溶性とを添加することによって混合溶液を調製しても良いし、あるいはジルコニウムの可溶性塩の溶液とアルミニウムの可溶性塩の溶液とを別々に調製した後、両溶液を混合することによって混合溶液を調製しても良い。   The mixed solution may be prepared by adding a soluble zirconium salt and an aluminum soluble salt to one solvent, or a zirconium soluble salt solution and an aluminum soluble salt solution. After preparing separately, you may prepare a mixed solution by mixing both solutions.

混合溶液におけるジルコニウム及びアルミニウムの濃度は、本発明酸化物の含有割合となるようにジルコニウムとアルミニウムとの割合が調節されていれば特に限定されない。すなわち、酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムの割合が上記含有割合となるように濃度を調節すれば良い。   The concentration of zirconium and aluminum in the mixed solution is not particularly limited as long as the ratio of zirconium and aluminum is adjusted so as to be the content ratio of the oxide of the present invention. That is, the concentration may be adjusted so that the ratio of zirconium oxide and aluminum oxide becomes the above content ratio.

さらに、本発明酸化物に第三成分を含有させる場合は、混合溶液中に第三成分のイオンを含むようにすれば良い。例えば、第三成分を含む化合物(例えば無機酸塩、有機酸塩等)の形態で混合溶液に添加したり、あるいは予め第三成分の溶液を調製し、これを混合溶液に添加すれば良い。   Furthermore, when the third component is contained in the oxide of the present invention, the mixed solution may contain ions of the third component. For example, it may be added to the mixed solution in the form of a compound containing a third component (for example, an inorganic acid salt, an organic acid salt, etc.), or a third component solution may be prepared in advance and added to the mixed solution.

次いで、混合溶液から沈殿物を形成させる。例えば、アルカリ剤(アンモニア水、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸アンモニウム等)の添加により、混合溶液のpHをアルカリ領域(好ましくはpH7〜9)に調整することによってジルコニウム及びアルミニウムを含有する水酸化物として沈殿物を生成させる。アルカリ剤は、通常は水溶液として添加することが好ましい。水溶液の濃度は、pHの調整等ができる限り特に制限されないが、通常5〜30重量%程度、好ましくは20〜25重量%とすれば良い。   Next, a precipitate is formed from the mixed solution. For example, by adding an alkali agent (ammonia water, sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, ammonium carbonate, etc.), the pH of the mixed solution is adjusted to an alkaline region (preferably pH 7-9), thereby adjusting zirconium and aluminum. A precipitate is formed as the contained hydroxide. The alkaline agent is usually preferably added as an aqueous solution. The concentration of the aqueous solution is not particularly limited as long as the pH can be adjusted, but is usually about 5 to 30% by weight, preferably 20 to 25% by weight.

生成した沈殿物は、ろ過、遠心分離等の公知の方法に従って固液分離した後、必要に応じて水洗すれば良い。さらに、必要に応じて、150℃以下の温度で乾燥させても良い。   The generated precipitate may be solid-liquid separated according to a known method such as filtration or centrifugation, and then washed with water as necessary. Furthermore, you may dry at the temperature of 150 degrees C or less as needed.

得られた沈殿物に硫酸イオン含有溶液を含浸させる。硫酸イオン含有溶液は、硫酸又は可溶性硫酸塩の溶液(好ましくは水溶液)を好適に使用することができる。可溶性硫酸塩としては、例えば硫酸アンモニウム、その他硫酸水素アンモニウム等を用いることができる。硫酸イオン含有溶液の硫酸イオン濃度は限定的でないが、通常は5.0〜20.0重量%とすれば良い。また、沈殿物に対する硫酸イオン含有溶液の含浸量は、得られる酸化物中の硫黄含有量が、前記の硫酸イオンとしての含有量となるように適宜調整すれば良い。   The obtained precipitate is impregnated with a sulfate ion-containing solution. As the sulfate ion-containing solution, a solution of sulfuric acid or a soluble sulfate (preferably an aqueous solution) can be suitably used. As the soluble sulfate, for example, ammonium sulfate and other ammonium hydrogen sulfate can be used. The sulfate ion concentration of the sulfate ion-containing solution is not limited, but is usually 5.0 to 20.0% by weight. Moreover, what is necessary is just to adjust suitably the impregnation amount of the sulfate ion containing solution with respect to a precipitate so that the sulfur content in the oxide obtained may become said content as a sulfate ion.

本発明では、必要に応じて、硫酸イオン含有溶液を含浸させた後、含浸された沈殿物を150℃以下で乾燥しても良い。   In the present invention, if necessary, after impregnating the sulfate ion-containing solution, the impregnated precipitate may be dried at 150 ° C. or lower.

上記含浸の後、焼成を行うことにより、本発明酸化物を得ることができる。焼成温度は限定的でないが、一般的には400〜800℃、好ましくは500〜700℃とすれば良い。焼成時間は、焼成温度等により適宜決定すれば良い。また、焼成雰囲気は、大気中、酸化性雰囲気等のいずれであっても良い。   The oxide of the present invention can be obtained by firing after the impregnation. The firing temperature is not limited, but is generally 400 to 800 ° C, preferably 500 to 700 ° C. The firing time may be appropriately determined depending on the firing temperature or the like. Further, the firing atmosphere may be either air or an oxidizing atmosphere.

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to these examples.

実施例1
酸塩化ジルコニウム水溶液(Zrを酸化ジルコニウムとして99.2
g含有)及び硝酸アルミニウム水溶液(Alを酸化アルミニウムとして0.8g含有)を混合し、25%アンモニア水でpH8に調節し、2時間攪拌することにより、複合水酸化物ゲルを生成させた。これを固液分離した後、固形分を2000gの水で洗浄した。得られたゲルを100℃で一夜間乾燥し、複合水酸化物を得た。複合水酸化物に硫酸アンモニウム水溶液(Sを4.5g含有)を含浸させた後、110℃で乾燥させた。得られた乾燥物を650℃で焼成することにより、酸化物(SAZ1)を得た。
Example 1
Zirconium oxychloride aqueous solution (99.2 with Zr as zirconium oxide)
g) and an aqueous aluminum nitrate solution (containing 0.8 g of Al as aluminum oxide), adjusted to pH 8 with 25% aqueous ammonia, and stirred for 2 hours to produce a composite hydroxide gel. After solid-liquid separation, the solid content was washed with 2000 g of water. The obtained gel was dried at 100 ° C. overnight to obtain a composite hydroxide. The composite hydroxide was impregnated with an aqueous ammonium sulfate solution (containing 4.5 g of S) and then dried at 110 ° C. The obtained dried product was fired at 650 ° C. to obtain an oxide (SAZ1).

実施例2
酸塩化ジルコニウム水溶液(Zrを酸化ジルコニウムとして97.5g含有)及び硝酸アルミニウム水溶液(Alを酸化アルミニウムとして2.5g含有)を用いたほかは、実施例1と同様にして酸化物(SAZ2)を得た。
Example 2
An oxide (SAZ2) was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aqueous zirconium oxychloride solution (containing 97.5 g of Zr as zirconium oxide) and an aqueous aluminum nitrate solution (containing 2.5 g of Al as aluminum oxide) were used. It was.

実施例3
酸塩化ジルコニウム水溶液(Zrを酸化ジルコニウムとして95.8g含有)及び硝酸アルミニウム水溶液(Alを酸化アルミニウムとして4.2g含有)を用いたほかは、実施例1と同様にして酸化物(SAZ5)を得た。
Example 3
An oxide (SAZ5) was obtained in the same manner as in Example 1, except that an aqueous solution of zirconium oxychloride (containing 95.8 g of Zr as zirconium oxide) and an aqueous solution of aluminum nitrate (containing 4.2 g of Al as aluminum oxide) were used. It was.

比較例1
酸塩化ジルコニウム水溶液(Zrを酸化ジルコニウムとして91.6g含有)及び硝酸アルミニウム水溶液(Alを酸化アルミニウムとして8.4g含有)を用いたほかは、実施例1と同様にして酸化物(SAZ10)を得た。
Comparative Example 1
An oxide (SAZ10) was obtained in the same manner as in Example 1, except that an aqueous solution of zirconium oxychloride (containing 91.6 g of Zr as zirconium oxide) and an aqueous solution of aluminum nitrate (containing 8.4 g of Al as aluminum oxide) were used. It was.

比較例2
酸塩化ジルコニウム水溶液(Zrを酸化ジルコニウムとして82.9g含有)及び硝酸アルミニウム水溶液(Alを酸化アルミニウムとして17.1g含有)を用いたほかは、実施例1と同様にして酸化物(SAZ20)を得た。
Comparative Example 2
An oxide (SAZ20) was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aqueous zirconium oxychloride solution (containing 82.9 g of Zr as zirconium oxide) and an aqueous aluminum nitrate solution (containing 17.1 g of Al as aluminum oxide) were used. It was.

比較例3
酸塩化ジルコニウム水溶液(Zrを酸化ジルコニウムとして100g含有)を用い、かつ、硝酸アルミニウム水溶液を使用しないほかは、実施例1と同様にして酸化物(SAZ0)を得た。
Comparative Example 3
An oxide (SAZ0) was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aqueous solution of zirconium oxychloride (containing 100 g of Zr as zirconium oxide) was used and an aqueous aluminum nitrate solution was not used.

試験例1
各実施例及び比較例の酸化物を用い、各種の物性を調べた。各酸化物の組成、SO4分解温度、結合エネルギー、転化率及び選択率を表1に示す。
Test example 1
Various physical properties were examined using the oxides of the examples and comparative examples. Table 1 shows the composition, SO 4 decomposition temperature, bond energy, conversion rate and selectivity of each oxide.

Figure 2005082423
(1)結合エネルギーの変化
各酸化物におけるZr3d5/2の結合エネルギーの変化を焼成温度(673K、873K及び1073K)ごとにそれぞれ調べた。測定装置は、アルバック・ファイ社製「PHI 5800 ESCA SYSTEM」を使用した。その結果を図3に示す。
(2)結晶成長抑制効果
アルミニウムの含有割合による結晶成長の抑制効果を調べた。各酸化物を焼成温度(873K、973K及び1073K)ごとにX線回折分析を行った。その結果を図4に示す。図4に示すように、アルミニウム添加量の増加に伴い高温でもテトラゴナル相が維持されていることから、本発明品が高温まで結晶成長が抑制されていることがわかる。
(3)熱分解温度
アルミニウムの含有割合による硫酸イオンの熱分解温度の変化を調べた。測定装置は、理学電機株式会社「Thermo Plus 2 TG8120」を用いた。その結果を図5に示す。アルミニウムの添加によりSO4の脱離に伴う重量減少が高温側にシフトしていることからSO4の熱安定性が向上していることがわかる。
(4)S=O間の振動の観察
IRによりSO4のピークの観察を行った。その結果を図6に示す。アルミニウムの担持によりS=O間のピ−ク位置が低角側にシフトしていることが確認できる。このことからS=O間の結合力が強まることによりジルコニウム上の電子が引き寄せられ、その結果としてジルコニウムの正電荷が高まっていることがわかる。
(5)ルイス酸点及びブレンステッド酸点の測定
ピリジン吸着IRによりルイス酸点及びブレンステッド酸点の測定を行った。測定は、873Kで前処理したものについて、373K及び573Kの温度下でそれぞれ行った。その結果を図7に示す。図7より、アルミニウムを添加したSAZは573K熱処理後でも酸点に起因するピリジンのピーク強度が大きいことから高温での酸点の熱安定性に優れることがわかる。特にSAZ5及びSAZ3が安定なことがわかる。
(6)触媒活性及び初期活性
各酸化物の存在下でn−ブタンからi−ブタンへの転化反応を行い、その転化率及び選択率を調べた。反応装置は、固定床流通式の反応装置を用いた。反応条件は、温度338K ・圧力0.1MPaとし、n−ブタンの供給量を0.25ml/minとして、触媒活性の経時変化を測定した。その結果を図8に示す。
Figure 2005082423
(1) Change in bond energy The change in bond energy of Zr3d 5/2 in each oxide was examined for each firing temperature (673K, 873K, and 1073K). As a measuring apparatus, “PHI 5800 ESCA SYSTEM” manufactured by ULVAC-PHI was used. The result is shown in FIG.
(2) Crystal growth inhibitory effect The crystal growth inhibitory effect by the aluminum content was investigated. Each oxide was subjected to X-ray diffraction analysis at each firing temperature (873K, 973K, and 1073K). The result is shown in FIG. As shown in FIG. 4, since the tetragonal phase is maintained even at high temperatures as the amount of aluminum added increases, it can be seen that the crystal growth of the product of the present invention is suppressed to high temperatures.
(3) Thermal decomposition temperature The change in the thermal decomposition temperature of sulfate ion according to the aluminum content was examined. As a measuring apparatus, Rigaku Corporation “Thermo Plus 2 TG8120” was used. The result is shown in FIG. It can be seen that the thermal stability of SO 4 is improved because the weight loss accompanying the desorption of SO 4 is shifted to the high temperature side due to the addition of aluminum.
(4) Observation of vibration between S = O The peak of SO 4 was observed by IR. The result is shown in FIG. It can be confirmed that the peak position between S = O is shifted to the low angle side due to the loading of aluminum. From this, it can be seen that electrons on zirconium are attracted by increasing the binding force between S = O, and as a result, the positive charge of zirconium is increased.
(5) Measurement of Lewis acid point and Bronsted acid point The Lewis acid point and Bronsted acid point were measured by pyridine adsorption IR. The measurement was carried out at a temperature of 373K and 573K for the sample pretreated at 873K. The result is shown in FIG. From FIG. 7, it can be seen that SAZ added with aluminum is excellent in thermal stability of acid sites at high temperatures since the peak intensity of pyridine due to acid sites is large even after heat treatment at 573K. In particular, it can be seen that SAZ5 and SAZ3 are stable.
(6) Catalytic activity and initial activity A conversion reaction from n-butane to i-butane was carried out in the presence of each oxide, and the conversion rate and selectivity were examined. As the reaction apparatus, a fixed bed flow type reaction apparatus was used. The reaction conditions were a temperature of 338 K, a pressure of 0.1 MPa, a supply amount of n-butane of 0.25 ml / min, and the change in catalyst activity with time was measured. The result is shown in FIG.

また、図9にアルミナ添加比率と初期活性(転化率)との関係を示す。これより、アルミナ添加量0.7〜7.5mol%で特に高い転化率が得られることがわかる。   FIG. 9 shows the relationship between the alumina addition ratio and the initial activity (conversion rate). From this, it can be seen that a particularly high conversion can be obtained with an alumina addition amount of 0.7 to 7.5 mol%.

酸点が発現する様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that an acid point expresses. アルミニウムの含有による効果を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the effect by containing of aluminum. アルミニウムの添加による結合エネルギーの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the binding energy by addition of aluminum. アルミニウムの添加による結晶成長の抑制効果(焼成温度873K、973K及び1073K)を示す図である。It is a figure which shows the inhibitory effect (baking temperature 873K, 973K, and 1073K) of the crystal growth by addition of aluminum. アルミニウムの添加による硫酸イオンの熱分解温度の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the thermal decomposition temperature of a sulfate ion by addition of aluminum. IRによるSO4のピーク位置を観察した結果を示す図である。It is a diagram showing a result of observation of the peak position of the SO 4 by IR. ピリジン吸着IRによるルイス酸点及びブレンステッド酸点の測定結果(373K及び573K)を示す図である。It is a figure which shows the measurement result (373K and 573K) of the Lewis acid point and Bronsted acid point by pyridine adsorption IR. 実施例及び比較例で得られた酸化物の触媒活性試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the catalytic activity test of the oxide obtained by the Example and the comparative example. アルミニウム(酸化アルミニウム換算)の添加比率と初期活性(転化率)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the addition ratio of aluminum (in aluminum oxide conversion), and initial stage activity (conversion rate).

Claims (4)

ジルコニウム、アルミニウム及び硫黄を含有する酸化物であって、
当該ジルコニウム及びアルミニウムが、酸化ジルコニウムとして92.0〜99.6モル%及び酸化アルミニウムとして0.4〜8.0モル%の合計100モル%となる割合で含まれていることを特徴とするジルコニア系酸化物。
An oxide containing zirconium, aluminum and sulfur,
Zirconia characterized in that the zirconium and aluminum are contained in a proportion of 92.0 to 99.6 mol% as zirconium oxide and 0.4 to 8.0 mol% as aluminum oxide in a total of 100 mol%. Oxides.
硫黄が、酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムの合計100モル%に対して、硫酸イオンとして0.5〜30.0モル%含有されている請求項1記載のジルコニア系酸化物。 The zirconia-based oxide according to claim 1, wherein sulfur is contained in an amount of 0.5 to 30.0 mol% as sulfate ions with respect to 100 mol% in total of zirconium oxide and aluminum oxide. 請求項1又は2に記載のジルコニア系酸化物からなる固体酸触媒。 A solid acid catalyst comprising the zirconia-based oxide according to claim 1. 請求項1又は2に記載のジルコニア系酸化物からなる異性化反応用触媒。 A catalyst for isomerization reaction comprising the zirconia-based oxide according to claim 1 or 2.
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