JP2005279596A - 金属担持ナノ炭素繊維触媒及びその製造方法 - Google Patents

金属担持ナノ炭素繊維触媒及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 触媒反応速度が最大になるサイズの触媒金属粒子、すなわち、nmオーダーのサイズの触媒金属粒子を担持した触媒と、その製造方法を提供する。
【解決手段】 カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、またはコイン積層型ナノグラファイト等のナノ炭素繊維からなる担体と、この担体に担持されたnmオーダーのサイズの触媒金属粒子とからなる。触媒金属は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金の何れかまたはそれらの組合わせでなる。ナノ炭素繊維の径はナノサイズであるため、担持される触媒金属の粒径はnmオーダーのサイズとなり、最も触媒反応速度が大きいサイズとなる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、ナノサイズの金属触媒がナノ炭素繊維に担持された、金属担持ナノ炭素繊維触媒及びその製造方法に関する。
水素ガス、または、水素と一酸化炭素の合成ガスは、メタン等の低級炭化水素、メタノール、または、エタノール等のアルコール類を熱分解して、あるいは、酸素、水蒸気又は二酸化炭素等の酸化剤を使用して分解することにより生成している。これらの分解反応には触媒が用いられ、触媒には主に、アルミナやシリカ等の金属酸化物を担体とし、この担体に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)等の8族遷移金属元素を主成分とする触媒成分を担持させた、所謂金属担持触媒が使用されている。
従来、遷移金属触媒を金属酸化物担体に担持するには、含浸法が用いられている。例えば、遷移金属の硝酸塩が含有された溶液、あるいは、遷移金属アミン錯体が含有された溶液に担体を含浸することにより、担体表面に遷移金属を分散、付着させ、続いて、乾燥により溶媒を除去し、焼成により遷移金属を強固に担持する。
また、触媒金属の単位量あたりの触媒反応速度を高めるため、γ−アルミナ等の多孔質な担体を用い、担体の微細な穴に触媒金属を分散させることによって触媒金属の比表面積を高め、触媒反応速度を高めている。
しかしながら、触媒能力向上への化学産業界の要求は留まるところを知らず、多孔質担体の微細な穴を利用して触媒金属を分散させる方法では、これ以上の触媒反応速度の向上が見込めない状況にある。
K. Nakagawa, T. Hashida, C. Kajita, N. Ikenaga, T. Kobayashi, M. Nishitani-Gamo, T. Suzuki, and T. Ando, "Diamond-supported metal catalyst: A novel medium for hydrogen production from methanol decomposition", 2002, Catalysis Letters, Vol.80, pp.161-164 特願2003−072472号 特願2003−070804号
上記課題に鑑み本発明者らは、触媒反応速度の向上を実現すべく、鋭意、研究を重ねた結果、触媒金属の単位量あたりの触媒反応速度は触媒金属の粒径に依存し、その最適のサイズはnm(ナノメーター)オーダー、すなわち、クラスターサイズであることを見出した(非特許文献1参照)。本発明者らは、この事実に基づき、nmオーダーの触媒金属粒子を担持した触媒の実現を目指した。
しかしながら、従来の金属化合物の溶液を用いた含浸法による金属の担持方法では、触媒金属のサイズを最適に制御することはできない。すなわち、含浸法により、多孔質担体に触媒金属を分散させた段階では、触媒金属は原子レベルのサイズで多孔質担体の細孔に付着しているが、溶媒の除去工程や、残留する硝酸を分解除去し、触媒金属を触媒担体に強く結合させる焼成工程において、金属原子がその熱エネルギーにより容易に細孔表面を移動して凝集し、最適サイズよりも大きな粒径の触媒金属粒子が形成されてしまう。
このように、従来の多孔質担体を用いた溶媒含浸法では、触媒反応速度が最大になるサ
イズの触媒金属粒子を形成できないという課題がある。
上記課題に鑑み本発明は、触媒反応速度が最大になるサイズの触媒金属粒子、すなわち、nmオーダーのサイズの触媒金属粒子を担持した触媒を提供することを目的とする。また、その製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の触媒金属担持ナノ炭素繊維触媒は、ナノ炭素繊維からなる担体と、この担体に担持されたnmオーダーのサイズの触媒金属粒子とからなることを特徴とする。
上記ナノ炭素繊維からなる担体は、好ましくは、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、コイン積層型ナノグラファイトの何れかまたはそれらの組合わせでなる。ナノ炭素繊維は、好ましくは、10nm以下の径を有する。
また、触媒金属は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金の何れかまたはそれらの組合わせでなる。
上記構成によれば、触媒金属はナノ炭素繊維表面に担持され、ナノ炭素繊維の径はナノサイズであるため、担持されるた触媒金属の粒径はnmオーダーのサイズとなり、従って、最も触媒反応速度が大きいサイズとなる。
また、本発明の金属担持ナノ炭素繊維触媒の製造方法は、ナノ炭素繊維を触媒金属の金属塩を含む溶液に含浸する工程と、含浸した状態で溶媒を蒸発する工程と、溶媒を蒸発して得たナノ炭素繊維を焼成する工程と、焼成したナノ炭素繊維を還元雰囲気中で熱処理する工程とから成ることを特徴とする。
この方法によれば、ナノ炭素繊維を触媒金属の金属塩を含む溶液に含浸し、含浸した状態で溶液の溶媒を蒸発することによって、ナノ炭素繊維の表面に触媒金属原子が高い分散度で付着した触媒前駆体が得られる。触媒前駆体を焼成すると、残留する酸が分解、蒸発すると共に、ナノ炭素繊維の表面に触媒金属粒子が強固に担持される。焼成したナノ炭素繊維を還元雰囲気中で熱処理することにより、触媒金属粒子が活性化され、金属担持ナノ炭素繊維触媒が製造される。
この方法によれば、nmオーダーの径のナノ炭素繊維を用いるので、触媒金属粒子の径がnmオーダーになり、触媒反応速度が著しく増大する。
ナノ炭素繊維としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、コイン積層型ナノグラファイトの何れかまたはそれらの組合わせを用いることができる。
また、触媒金属としては、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金の何れかまたはそれらの組合わせを用いることができる。
本発明の触媒は、触媒金属粒子の粒径がnmオーダーであるので、触媒金属の単位量あたりの触媒反応速度が従来の触媒に比べて高い。また、本発明の方法によれば、触媒金属粒子の粒径がnmオーダーの金属触媒を製造することができる。
以下、本発明の金属担持ナノ炭素繊維触媒、及びその製造方法を図面を参照して詳細に説明する。
初めに、本発明の触媒に用いるナノ炭素繊維について説明する。
図1は、本発明の触媒に用いるナノ炭素繊維の一例であるコイン積層型ナノグラファイトの走査型電子顕微鏡像である。図において、白い繊維状の線が不規則な網の目状に配列しているのがわかる。この白い線はコイン積層型ナノグラファイトの繊維であり、径は約8nmである。
触媒金属は、この繊維の表面に担持され、下記に詳しく説明するように、触媒金属の粒径は約2nmである。
本発明の触媒に用いるカーボンナノチューブや、カーボンナノフィラメントの像は示さないが、nmオーダーの径の繊維が不規則な網の目状に配列している点は、図1と共通する。
カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、あるいはコイン積層型ナノグラファイト等のナノ繊維は、現状では市販されておらず、手に入りにくいのが現状である。従って、これらのナノ繊維の製造方法の一例を下記に説明する(詳しくは特許文献1及び2を参照)。
初めにカーボンナノチューブの製造方法を説明する。
カーボンナノチューブは、例えば、以下の方法によって製造することができる。粒径が1〜10nmのダイヤモンドを担体として、ニッケル、コバルト又は鉄を触媒金属として担持した触媒の下で、炭化水素を分解することによって製造できる。ダイヤモンドは市販の人工ダイヤモンドで良く、また、触媒金属を担持する前に、ダイヤモンド表面を酸化することが望ましい。炭化水素は、炭素数が1〜30の炭化水素であれば良く、メタン、エタン、プロパンなどの飽和炭化水素の他、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの不飽和炭化水素でも良い。
ニッケルを触媒金属とし、炭化水素としてメタンを用いた場合には、触媒を約600℃に保ち、メタンガス流量を約20cm3 /分とし、約60分の反応時間で得られる。
このようにして製造したカーボンナノチューブの一端には、触媒として用いたダイヤモンド粒が強固に付着している。カーボンナノチューブの他端は、閉口端または開口端とすることができるが、触媒の担体としては、他端が閉口端であることが好適である。
また、粒径が10〜15nmのダイヤモンドを担体とすると、一端には触媒として用いたダイヤモンド粒が強固に付着し、その他端には閉口端または開口端とを有する二層カーボンナノチューブが得られる。触媒の担体としては、その他端が閉口端であることが好適である。
さらに、粒径が15〜100nmのダイヤモンドを担体とすると、一端には触媒として用いたダイヤモンド粒が強固に付着し、その他端には閉口端または開口端を有する三層以上のカーボンナノチューブが得られる。触媒の担体としては、その他端が閉口端であることが好適である。
次に、カーボンナノフィラメントの製造方法について説明する。
カーボンナノフィラメントとは、炭素繊維の構造が中空状でないカーボンナノファイバーのうち、特にその径がおおよそ10nm以下の径のものを指す。
ところで、平面状のグラファイト層が積層されてなる構造体は、ナノグラファイトと呼ばれている。一方、傘状又はカップ状のグラファイトが積層して成る構造体は、カーボンナノフィラメントと呼ばれている。カーボンナノフィラメントは、例えば、粒径が100〜500nmのダイヤモンドを担体として、カーボンナノチューブと同様に、ニッケル、コバルト、又は鉄を触媒金属として担持した触媒の下で、炭化水素を分解することによって製造できる。ここで、ダイヤモンドや炭化水素は、上記カーボンナノチューブの製造方法で説明したものが使用できる。
パラジウムを触媒金属とし、炭化水素としてメタンを用いた場合には、触媒を約600℃に保ち、メタンガス流量を約20cm3 /分とし、約60分の反応時間で得られる。
次に、コイン積層型ナノグラファイトの製造方法について説明する。
コイン積層型グラファイト繊維は、例えば以下の方法によって製造することができる。
粒径が数〜数百nmのダイヤモンドを担体として、パラジウム又はロジウムを触媒金属として担持した触媒の下で、炭化水素を分解することによって製造できる。ここで、ダイヤモンドや炭化水素は上記カーボンナノチューブの製造方法で説明したものが使用できる。パラジウムを触媒金属とし、炭化水素としてメタンを用いた場合には、触媒を約600℃に保ち、メタンガス流量を約20cm3 /分とし、約60分の反応時間で得られる。
次に、本発明の金属担持ナノ炭素繊維触媒の製造方法を説明する。
初めに、触媒となる金属の金属塩と、金属塩の溶媒とを加えた溶液を調製する。次に、この溶液中にナノ炭素繊維を含浸する。適切な時間含浸した後、溶液中にナノ炭素繊維を含浸した状態で溶媒を蒸発させる。これにより、触媒金属原子がナノ炭素繊維表面に高い分散度で付着した触媒前駆体が得られる。次に、触媒前駆体を窒素などの不活性ガス中、あるいは、大気中で焼成する。例えば、大気中の場合は、400〜800℃で3〜5時間の条件が好ましい。焼成温度が400℃より低いと残留している硝酸などの不純物を十分に除去できず、触媒活性を発現しないか又は低下させる。焼成温度は800℃程度まで上昇させることもできる。しかしながら、800℃を越える高温は、ナノ炭素繊維と触媒金属とが反応し、触媒金属と炭素からなるグラファイトが形成され、触媒活性を失う恐れがあるので望ましくない。
次に、触媒活性を付与するために還元処理を行う。還元処理は、還元ガス中で行い、例えば、水素などの還元ガスの流気中で行なえばよい。還元温度は、300〜500℃が適当であり、300℃より低いと十分に金属を還元できず、また、800℃以上の高い還元温度は、ナノ炭素繊維の一部が触媒金属と反応し、触媒金属と炭素からなるグラファイトが形成され、触媒活性を失う恐れがあるので望ましくない。
次に、実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
約8nm径のコイン積層型ナノグラファイトを担体として、触媒金属としてニッケルを用いて、次のようにして金属担持ナノ炭素繊維触媒を作製した。
硝酸ニッケルの飽和水溶液に所定量のコイン積層型ナノグラファイトを加え、一夜放置後、水を蒸発させて乾燥した。乾燥後、触媒前駆体を400〜500℃の窒素ガス中で焼成し、硝酸及び残留する硝酸ニッケルを除去した。次に、300〜500℃の水素ガス中で還元して、触媒金属がニッケルであり、担体のナノ炭素繊維がコイン積層型ナノグラファイトである、ニッケル担持コイン積層型ナノグラファイト触媒を作製した。なお、この触媒に含まれるNiの担持量は、ニッケル及び担体であるコイン積層型ナノグラファイトの合計質量を基準にして、5質量%であった。
実施例1の硝酸ニッケルに代えて酢酸パラジウムを用いた以外は、実施例1と同様にして、触媒金属がパラジウムであり、担体のナノ炭素繊維がコイン積層型ナノグラファイトである、パラジウム担持コイン積層型ナノグラファイト触媒を作製した。
コイン積層型ナノグラファイト繊維に代えて、約5〜10nm径のカーボンナノチューブを用いた。実施例1と同様にして、触媒金属がニッケルであり、担体のナノ炭素繊維がカーボンナノチューブである、ニッケル担持カーボンナノチューブ触媒を作製した。
次に、比較例について説明する。
シリカ(SiO2 )に硝酸ニッケル水溶液を含浸させ、乾燥の後、大気雰囲気中で500℃、2時間の焼成を行い、5質量%のニッケルが担持されたニッケル担持シリカ触媒(比較例1とする)を得た。
さらに、上記担体のシリカに代えて、ジルコニア(ZrO2 )、活性炭、セリア(CeO2 )、チタニア(TiO2 )、アルミナ(Al2 3 )、及びマグネシア(MgO)を担体とした触媒、すなわち、ニッケル担持ジルコニア触媒(比較例2とする)、ニッケル担持活性炭触媒(比較例3とする)、ニッケル担持セリア触媒(比較例4とする)、ニッケル担持チタニア触媒(比較例5とする)、ニッケル担持アルミナ触媒(比較例6とする)、及びニッケル担持マグネシア触媒(比較例7とする)を比較例1と同様な方法で作製した。
次に、上記実施例の金属担持ナノ炭素繊維触媒と比較例の金属担持維触媒の諸特性について比較した。
図2は、実施例1のニッケル担持コイン積層型ナノグラファイト触媒の透過型電子顕微鏡(TEM)像を示す図である。図において、樹枝状の構造体はコイン積層型ナノグラファイト繊維であり、樹枝状の構造体に分布した白い粒子はニッケル粒子である。この図から、ニッケル粒子の平均粒径は2.2nmであることがわかる。
同様にTEM像を用いて、比較例の触媒について平均粒径を求めた。図3は実施例(1及び2)と比較例(1〜6)の、ニッケル粒子の平均粒径を比較する図である。この図から、比較例の粒径は2.2nmであるのに対し、実施例の粒径は約5倍大きい、10.3nmであることがわかる。
この結果から、本発明の金属担持ナノ炭素繊維触媒は、従来の触媒に比べて触媒金属の粒径が小さく、典型的には、数nmであることがわかる。この現象は、炭素繊維が約8nmと細いため、炭素繊維の表面の曲率半径が極めて小さく、金属原子が凝集しにくくなるためと考えられる。
次に、実施例と比較例のメタノール分解活性を比較した。
図4は、メタノール分解活性の測定に用いたメタノール分解反応装置を模式的に示す図である。図において、メタノール分解反応装置20は、触媒反応部21と、触媒反応部21に、触媒反応によって分解されるガスを供給するガス供給部30と、触媒反応によって生成するガスを回収するガス回収部50等から構成されている。触媒反応部21は、本発明の金属担持ナノ炭素繊維触媒22が収容される反応容器23と、反応容器23を加熱する電気炉などからなる加熱手段24と、加熱手段24の温度制御を行う温度調節機25とからなる。ここで、温度調節機25が、電気配線25a及び測温用熱電対25bを介して加熱手段24と接続されている。
また、ガス供給部30は、キャリアーガスであるアルゴンガス31のアルゴンガス供給部32と、メタノール供給部33とからなり、メタノール供給部33はメタノール蒸発器34から蒸発したメタノールガス34aを吸引するポンプ35から成る。アルゴンガス31は、ストップ弁36、ガス流量調整用のニードル弁37、アルゴンガス流量計38、逆止弁39,40を介して反応容器23に供給される。また、メタノール蒸発器34から蒸発したメタノールガス34aは、ポンプ35に吸引されて、逆止弁41を介して反応容器23に供給される。
反応ガス回収部50は、反応容器23に接続される回収用配管51と、未反応のメタノールを回収するトラップ52を有し、反応容器23から流れ出たガスのうち、未反応のメタノールはトラップ52で回収され、反応生成ガス53が分離される。反応生成ガス53は、図示しないガス分析装置に供給されて、その成分が分析される。
ここで、回収用配管51は、回収用配管51内で未反応のメタノールガスが凝縮しないようにリボンヒーターなどの回収用配管加熱手段54により加熱する。未反応のメタノールガスは、氷水などの冷媒55を用いたトラップ52により回収され、反応容器23で発生した反応生成ガス53だけが、ガス分析装置に供給される。
次に、上記メタノール分解反応装置20を用いて、実施例の触媒及び比較例の触媒のメタノール分解活性を比較した。
実施例及び比較例の各触媒は、粉末のままでそれぞれ0.2gを反応管22に充填し、反応に供した。供給ガスの組成は、メタノール/アルゴン=3の混合比で、総流量40cm3 /分の流量で供給した。反応生成ガスをオンラインガスクロマトグラフにより定量分析し、メタノール添加率、すなわち、供給したメタノールのモル数に対する、生成した一酸化炭素と水素のモル数の比を求めた。
図5は、実施例1及び比較例1のメタノール転化率の反応温度依存性を示す図である。図において、縦軸はメタノール転化率(%)を示し横軸は反応温度(℃)を示している。図から、低温領域においては、実施例1のニッケル担持コイン積層型ナノグラファイト触媒のメタノール転化率は、比較例1のニッケル担持シリカ触媒の転化率に比べて2倍以上大きいことがわかる。また、高温領域においては、実施例1と比較例1のメタノール転化率は互いに接近し、350℃でほぼ同等となることがわかる。
低温領域において実施例1の触媒反応速度が大きいのは、実施例1のニッケル担持コイン積層型ナノグラファイト触媒のニッケルの平均粒子径が2.2nmであり、比較例1の場合の10.3nmと比較して、顕著に平均粒子径が小さく、メタノールの分解反応で高い触媒活性をもたらしているからである。
また、高温領域において実施例1と比較例1の触媒反応速度が同等になるのは、この温度領域においては、触媒反応速度の温度依存性が、触媒の粒径依存性よりも強くなるためである。
図6は、実施例1〜3の触媒、及び比較例1〜7の触媒の、反応温度300℃におけるメタノール転化率を比較する図である。図から明らかなように、実施例1〜3の触媒のメタノール転化率は、それぞれ、95.1%、94.6%、89.6%であり、メタノール転化率が極めて大きいことがわかる。
また、比較例1〜4の触媒のメタノール転化率は、それぞれ78.4%、69.9%、60.9%、51.8%であり、比較例5の触媒のメタノール転化率は、14.1%で実施例の6分の1以下であり、比較例6及び7の触媒ではメタノール転化率が0%であり、本発明の触媒は、従来のいずれの触媒と比べても、メタノール転化率が大きいことがわかる。
上記結果から、本発明の金属担持ナノ炭素繊維触媒は、従来の触媒より、特に低温において触媒反応速度が大きいことがわかる。
本発明の金属担持ナノ炭素繊維触媒を用いれば、従来の触媒に比べて、触媒反応速度が大きいので、例えば、水素や、水素と一酸化炭素の合成ガスを、メタン等の低級炭化水素や、メタノールやエタノール等のアルコール類から生成する化学反応工程に触媒として用いれば、水素や水素と一酸化炭素の合成ガスの製造コストを下げることができる。
本発明の触媒に用いるナノ炭素繊維の一例であるコイン積層型ナノグラファイトの走査型電子顕微鏡像である。 実施例1のニッケル担持コイン積層型ナノグラファイト触媒の透過型電子顕微鏡(TEM)像を示す図である。 実施例(1及び2)と比較例(1〜6)の、ニッケル粒子の平均粒径を比較する図である。 メタノール分解活性の測定に用いたメタノール分解反応装置を模式的に示す図である。 実施例1及び比較例1のメタノール転化率の反応温度依存性の図である。 実施例1〜3の触媒、及び比較例1〜7の触媒の、反応温度300℃におけるメタノール転化率を比較する図である。
符号の説明
20:メタノール分解反応装置
21:触媒反応部
22:金属担持ナノ炭素繊維触媒
23:反応容器
24:反応容器加熱手段
25:温度調節機
25a:電気配線
25b:測温用熱電対
30:ガス供給部
31:アルゴンガス
32:アルゴンガス供給部
33:メタノールガス供給部
34:メタノール蒸発器
34a:メタノールガス
35:ポンプ
36:ストップ弁
37:ニードル弁
38:アルゴンガス流量計
39,40,41:逆止弁
50:反応ガス回収部
51:回収用配管
52:トラップ
53:反応生成ガス
54:回収用配管加熱手段
55:冷媒

Claims (7)

  1. ナノ炭素繊維からなる担体と、この担体に担持されたnmオーダーのサイズの触媒金属粒子とからなることを特徴とする、金属担持ナノ炭素繊維触媒。
  2. 前記ナノ炭素繊維からなる担体は、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、コイン積層型ナノグラファイトの何れかまたはそれらの組合わせでなることを特徴とする、請求項1に記載の金属担持ナノ炭素繊維触媒。
  3. 前記ナノ炭素繊維からなる担体の径は、10nm以下であることを特徴とする、請求項2に記載の金属担持ナノ炭素繊維触媒。
  4. 前記触媒金属粒子は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金の何れかまたはそれらの組合わせであることを特徴とする、請求項1に記載の金属担持ナノ炭素繊維触媒。
  5. ナノ炭素繊維を、触媒金属の金属塩を含む溶液に含浸する工程と、含浸した状態で溶媒を蒸発する工程と、溶媒を蒸発して得たナノ炭素繊維を焼成する工程と、焼成したナノ炭素繊維を還元雰囲気中で熱処理する工程とより成ることを特徴とする、金属担持ナノ炭素繊維触媒の製造方法。
  6. 前記ナノ炭素繊維は、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、コイン積層型ナノグラファイトの何れかまたはそれらの組合わせでなることを特徴とする、請求項5に記載の金属担持ナノ炭素繊維触媒の製造方法。
  7. 前記触媒金属は、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金の何れかまたはそれらの組合わせでなることを特徴とする、請求項5に記載の金属担持ナノ炭素繊維触媒の製造方法。
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