JP2005518326A - アルミナのミネラル相及びセリウム、チタン又はジルコニウムオキシドの粒子及び随意にこれらの粒子中の固溶体状の元素を含むメソポーラス化合物、その製法及びその使用 - Google Patents

アルミナのミネラル相及びセリウム、チタン又はジルコニウムオキシドの粒子及び随意にこれらの粒子中の固溶体状の元素を含むメソポーラス化合物、その製法及びその使用 Download PDF

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Abstract

発明は、アルミナのミネラル相を含み、その中にセリウム、チタン又はジルコニウム化合物の少なくとも一部結晶性の粒子が分散される秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物に関する。発明の化合物は、それの化学的コンシステンシーが、不均質性領域が多くて100nmであるようなものであることを特徴とする。発明は、また、該粒子中に少なくとも一種の元素Mを固溶体状で含む上述した秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物にも関する。その上に、発明は、秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物を調製する方法にも関する。発明の物質は、例えば触媒作用の分野で使用することができる。

Description

本発明の主題は、アルミナのミネラル相、及びセリウム、チタン又はジルコニウムオキシドの粒子を含む均質なメソ構造化(mesostructured)化合物である。
発明は、また、該粒子中に少なくとも一種の元素Mを固溶体状で含む該秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物にも関する。
発明は、また、該秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物を調製するプロセスにも関する。
用語の厳密な意味において、メソポーラス化合物と呼ばれるものは、構造内に、ゼオライト−タイプ材料のミクロ細孔のサイズと巨視的細孔のサイズとの間の中間サイズを保有する細孔を有する固形分である。
一層正確にいうと、「メソポーラス化合物」なる表現は、基本的に、具体的に「メソ細孔」なる用語によって意味される2〜50nmからなる平均直径を有する細孔を含む化合物を表わす。典型的には、これらの化合物は、非晶質シリカ−タイプ又はパラ結晶性化合物であって、細孔が全体的にランダム様式で分布され、極めて広い細孔サイズ分布を有するものである。
そのような化合物の説明に関しては、特に非特許文献1又はまた非特許文献2も挙げることができる。
他方、「構造化」化合物と呼ばれるものは、それらとしては、組織された構造を有する化合物であり、かつ一層正確にいうと、X線又は中性子拡散タイプの放射拡散図において少なくとも1つの拡散ピークを有することを特徴とする化合物である。そのような拡散図並びにそれらを得る方法は、特に非特許文献3に記載されている。
Science,220巻、365〜371頁(1983) Journal of Chemical Society,Faraday Transations,1,81巻、545〜548頁(1985) Small Angle X−Rays Scattering(Glatter and Kratky−Academic Press London−1982)
このタイプの図において観察される拡散ピークは、検討化合物に特徴的な反復距離に関連させることができ、本記載の残りにおいて、それを構造化システムの「立体反復期間」と呼ぶことにする。
これらの定義に基づけば、「メソ構造化化合物」とは、2〜50nmからなる立体反復期間を保有する構造化化合物を意味する。そのような物質中に存在する組織された構造を本明細書中「メソ構造」と呼ぶことにする。
秩序メソポーラス化合物は、それらとしては、メソ構造化化合物の特別の場合を構成する。これらは、実際、それらの構造に存在するメソ細孔の組織された立体配置を保有し、かつ従って拡散図においてピークが出現することに関連する立体反復期間を有効に有するメソポーラス化合物である。
ミネラル相を含む秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物は、良く知られており、かつ極めて有用であり、特に触媒作用、吸着化学又は膜分離の分野で極めて有用である。
特に、アルミナのミネラル相を含み、その中にセリウム、チタン又はジルコニウム化合物の少なくとも一部結晶性の粒子が分散される秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物は、触媒作用の分野で極めて有用である。また、それらをこれらの異なる用途に最良に適応させるために、それらをこれらの異なる分野におけるそれらの有効性を向上させるために改変しようとする試みがなされてきた。
アルミナのミネラル相を含み、その中にミネラル粒子が分散される秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物は、実際完全には化学的に均質なものではなく、よって産業上の要求を十分に満足するものではない。
発明の目的は、また、アルミナのミネラル相を含み、その中にミネラル粒子が分散され及び随意に該粒子中に少なくとも一種の元素Mを固溶体状で含む秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物であって、該メソ構造化化合物は良好な化学的均質性を有するものを提案するにある。
このために、本発明は、第一の変形に従えば、アルミナのミネラル相を含み、その中にセリウム、チタン又はジルコニウム化合物の少なくとも一部結晶性の粒子が分散される秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物であって、不均質性領域が多くて100nm2であるような化学的均質性を有することを特徴とする化合物を提案する。
発明は、また、該化合物を調製するプロセスをも提案する。
本発明に従う化合物の利点は、それらの均質性が大きいのに加えて、これらの化合物が温度およそ600℃まで、700℃を越える温度までさえ熱安定であることである。この安定性は、あらかじめ500℃で焼成した化合物の表面積と比較することによって測定する。これは、化合物に上述した温度において6時間熱処理を施す際に、メソ構造化特性の保存に加えて、比表面積の比較的良好な維持が観測される、すなわち熱処理した後に、該化合物のBET比表面積が一般に60%を越える率で変化せず、この率は、好ましくは50%以下、有利には40%以下のままであることを意味する。ここでいうBET比表面積の変化率は、(Si−Sf)/(Si)比によって計算し、ここで、「Si」は、500℃で熱処理した後に測定されるBET比表面積を表し;「Sf」は、600℃又は700℃で熱処理した後に測定されるBET比表面積を表わす。
その上に、更に改良された性質を有する物質、例えば改良された還元性を有する物質についての要求も存在する。
このタイプの「ドープト」物質と呼ばれるもの、すなわちオキシド粒子に、該粒子を形成する金属元素と異なる金属元素を該粒子の結晶性網状組織内に固溶体状で含むものを得ようとする試みがなされてきた。実際、現在寸法の極めて小さい(特に、寸法が10nmよりも小さいセリウムオキシド、チタンオキシド、ジルコニウムオキシドタイプの)金属オキシド粒子をどのようにして合成するかは知られているが、他方、どのようにしてそのような粒子を、それらの中に金属元素を固溶体状で組み込むことによってドープするか、或はドープトオキシドを、テクスチャリングプロセスにおけるそれらの使用が、アルミナの相において熱安定なメソ構造を得ることになるために、十分に小さい寸法を有する及び/又は適した表面積を有する粒子の形態で直接合成するかも知られていない。
本発明の第二の目的は、これらの要求を満足する「ドープト」物質と呼ばれるそのようなものを得ることである。
このために、本発明は、第二の変形に従えば、アルミナのミネラル相を含み、その中にセリウム、チタン又はジルコニウム化合物の少なくとも一部結晶性の粒子が分散され、不均質性領域が多くて100nm2であるような化学的均質性を有する秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物であって、粒子が該粒子中に少なくとも一種の元素Mを固溶体状で含むことを特徴とする化合物を提案する。
発明は、また、該ドープト化合物を調製するプロセスをも提案する。
これより、予期されないことに、ドーピング金属カチオンをメソ構造化物質の粒子中に固溶体状で一体化することを比較的低い温度で実施することができることを立証した。
その上に、発明のドープト物質は、有利には、安定化された比表面積、高い酸素貯蔵容量(OSC)及び改良された還元性を有する。
加えて、発明のこの第二の変形に従う化合物の利点は、それらの均質性が大きいのに加えて、これらの化合物が温度およそ600℃まで、650℃を越える温度までさえ熱安定であることである。
この安定性は、上に示した通りにあらかじめ500℃で焼成した化合物の表面積と比較することによって測定する。
本発明のその他の利点及び特徴は、下記の記載及び単に例示として挙げ、限定するものでない例を読む際に明らかになるものと思う。
比表面積とは、記載の全体について、定期の「The Journal of the American Chemical Society、60、309(1938)」に記載されているBRUNAUER−EMMETT−TELLERメソッドを基にして確立されたASTM規格D3663−78に従って窒素吸着によって求める。
最終的に、第一の変形に従えば、発明の主題は、アルミナのミネラル相を含み、その中にセリウム、チタン又はジルコニウム化合物の少なくとも一部結晶性の粒子が分散される秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物であって、不均質性領域が多くて100nm2であるような化学的均質性を有することを特徴とする秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物である。
アルミナのミネラル相又はマトリックスに関し、アルミナとは、アルミニウムヒドロキシドAl(OH)3、アルミニウムオキシヒドロキシドAlO(OH)又はアルミニウムオキシドAl23を意味する。セリウム、チタン又はジルコニウム化合物の少なくとも一部結晶性の粒子がこのミネラル相内に分散される。これらのセリウム、チタン又はジルコニウム粒子は、ナノメートル寸法の粒子である。
本明細書中で、ミネラル相又はマトリックスは、それが含有するナノメートル寸法の粒子のすべてを包含するものでないことに留意されよう。この場合に、ミネラル相は、粒子であって、それらの表面積の少なくとも一部がこうしてミネラル相に接近可能でありかつミネラル相から放出される粒子の間のバインダーとして作用する。これより、粒子の少なくともいくつかは、物質の、特に気相による接近容易な内部空間を構成する多孔部分に接触する。従って、記載の残りにおいて、「結合相」なる用語を時にはミネラル相に関係して用いることにする。
「ナノメートル寸法の粒子」とは、本発明の意味の範囲内で、好ましくは球状の又は等方性の形態学の粒子であって、それらの母集団の少なくとも50%が、平均直径1〜10nm、好ましくは大きくて6nmを有し、これらの粒子のできれば,単分散性粒度分布を有する粒子を意味する。ここで及び記載の残りについて、粒子のサイズは、透過電子鏡検法(TEM)によって測定する。
特に、「ナノメートル寸法の粒子」なる用語は、また、発明に従えば、強度に異方性のロッドタイプ粒子を表すこともでき、但し、これらの粒子の母集団の少なくとも50%について、平均の横断直径は1〜10nmからなりかつ長さは100nmを越えず、これらの粒子のできれば,単分散性粒度分布を有する。
好ましくは、アルミナマトリックス内に分散される粒子は、直径3〜5nm程度を有する粒子である。粒子のセリウム、チタン又はジルコニウム化合物は、主にオキシドである。
また、結合用ミネラル相は、それ自体、また、ナノメートル寸法の粒子の収集によって構成することもできることに留意されよう。この場合に、アルミナの粒子は、セリウム、チタン又はジルコニウム化合物の粒子の直径よりも小さな直径、例えば1〜5nmを有するのが好ましい。
従って、発明の化合物の構造に関し、その構造は、結合相の離散した領域及びナノメートル寸法の粒子よって構成されると説明することができるミネラル壁を有する。有利には、ミネラル壁は、ナノメートル寸法の粒子の領域の厚さに比べて薄い厚さを保有する結合相の領域によって構成されることができる。
これらのミネラル壁は、細孔容積を、セリウム、チタン又はジルコニウム化合物のナノメートル寸法の粒子の表面積の、気相又は液相による接近容易性によって限界を定める。
発明の物質中に存在するセリウム、チタン又はジルコニウム元素の化合物に基づくナノメートル寸法の粒子は、少なくとも一部結晶性の粒子であって、それらの内で、金属オキシドが通常好ましくは容積により30〜100%の範囲の結晶度を有するものである。発明の物質のナノメートル寸法の粒子内に存在する所定の金属オキシドの容積による結晶度は、対応するオキシドの吸収係数について調整した、発明に従う化合物のサンプルについてX線回折によって測定する回折ピークの面積対完全に結晶化された状態の該オキシドの対照サンプルについて測定する同じ回折ピークの面積の比によって計算することができる。
ミネラル相内にこれらの一部結晶化された粒子が存在することは、発明のメソ構造化化合物又は物質に、それらの細孔の網状組織の秩序配置に加えて、通常少なくとも容積により10%に等しい、好ましくは少なくとも容積により30%に等しい総括結晶度を与え、この容積による総括結晶度は、上記の方法に従い粒子について実験的に求めた容積による結晶度に、該粒子によって占められる物質の容積による分率を掛けることによって計算する。なお一層特に、本発明に従う化合物は、容積による総括結晶度少なくとも50%、なお一層好ましくは少なくとも60%を有する。
発明の意味の範囲内の「メソ構造化物質の結晶度」とは、構造の壁に特有の結晶度を意味し、これは、総括的に、アルミナのミネラル相又は結合相の結晶度及びこの結合相に含まれるナノメートル寸法の粒子の結晶度の両方を考慮に入れる。この点については、従って、発明の意味の範囲内で、物質の結晶度は、特に回折によって(例えば広角のX線回折によって)検出可能な顕微鏡的組織化に相当し、これは、特に物質のメソ構造によって一層巨視的なレベルで提示される秩序と区別されるはずであることを強調しなければならない。
先に定義したナノメートル寸法の粒子を一体化させた本発明のメソ構造化物質のミネラル相は、それとしてはアルミナによって構成される非晶質又は一部結晶性のミネラル相を構成する。
一層特に、該化合物は、不均質性領域が多くて25nm2であるような化学的均質性を有する。
不均質性領域が多くてx nm2であるような化学的均質性とは、少なくともx nm2の表面積にわたる化学的均質性を有する化合物を意味する。例えば、不均質性領域が多くて100nm2であるような化学的均質性とは、超ミクロトームなセクション上の少なくとも10nm×10nmの表面積にわたる化学的均質性を有する化合物を意味する。これは、100nm2の異なる表面積の間の発明の化学組成に差異が無いことを意味する。
これらの均質性特性は、TEM−EDS分折によって求める。一層特に、不均質性領域は、超ミクロトームなセクション上で透過電子鏡検法(TEM)を使用してエネルギー分散分光分折(EDS)地図作製法によって測定した。これらの分折は、300KV光源を装着した顕微鏡(確認するため)によって実施した、超ミクロトームなセクションは、厚さ80nm+又は−20nmを保有する。
発明の第二の変形に従えば、発明の物質は、ドーピング元素を含有することができる。この元素は、第一の実施態様に従う元素M、及び/又は第二の実施態様に従う元素M’にすることができる。元素Mは、物質を構成する粒子、すなわちセリウム、ジルコニウム及び/又はチタンオキシド中で固溶体状である。この元素Mは、粒子の結晶構造内で、通常固体挿入及び/又は置換溶液中カチオン状態である。
粒子内で固溶体状の元素とは、この元素が、特徴としてホスト結晶性網状組織の役割を果たす粒子の結晶性オキシド内に、挿入及び/又は置換カチオンの容量で、カチオンとして存在することを意味し、元素Mの該カチオンは、通常厳密にオキシド中に存在する金属カチオンの合計量の50モル−%よりも少ない量に相当する、すなわち固溶体状で一体化されるカチオンは、好ましくはそれが固溶体状で一体化される金属オキシドを構成するカチオンに対して少数カチオンであるが、元素M中のこのカチオンのレベルは、所定の場合には50%に達することが可能である。固溶体状のカチオンを一体化させる結晶性オキシドは、結晶性オキシドの構造を純な状態で保つが、メッシュのパラメーターへのわずかな変更が、例えばVegard’s Lawに従って観測可能である。従って、固溶体状のカチオンを一体化させる結晶性オキシドは、通常、純な混合オキシドのX線回折図と同様なX線回折図を、一層大きな又は一層小さなピークシフトで有する。
通常、元素Mは、希土類及び遷移金属から選び、該粒子内に固溶体状のカチオン形態で一体化させることができる。しかし、金属Mは、一層詳細に言えば、粒子の金属オキシドであって、粒子内に固溶体状で一体化されるものの性質に応じて選ぶことができる。オキシド内に固溶体状で導入することができる金属Mの量は、該金属Mの性質及び該オキシドを構成する元素の性質に依存することに留意されよう。
それで、粒子をセリウムオキシドで構成する時に、固溶体状で存在する元素Mは、通常セリウムと異なる希土類から選ぶことができる。この場合に、金属Mは、一層特にランタン、イットリウム、ネオジム、プラセオジム、ジスプロシウム及びユウロピウムにすることができる。元素Mは、また、セリウムのオキシド内に固溶体状のカチオン形態で一体化させることができる遷移金属、特にジルコニウム、マンガン及びチタンから選ぶこともできる。ドーピング金属Mがジルコニウム又はセリウム以外の希土類を表わす時に、固溶体に一体化させることができる金属Mのカチオンの量は、M/Ceモル比が大きくて1になるような値に相当することができる。固溶体に一体化させることができるチタンの量は、Ti/Ceモル比が大きくて0.5になるような値に相当することができる。
粒子がジルコニウムオキシドによって構成される時は、固溶体で存在する金属Mは、セリウム及びセリウム以外の希土類から選ぶことができる。この場合に、Mは、有利には、ランタン、イットリウム、ネオジム、プラセオジム、ジスプロシウム又はユウロピウムにすることができる。Mは、また、ジルコニウムオキシド内に固溶体状のカチオン形態で一体化させることができる遷移金属から選ぶこともできる。ドーピング金属Mがセリウム又は別の希土類を表わす時に、固溶体で一体化させることができる金属Mのカチオンの量は、M/Zrモル比が大きくて1になるような値に相当することができる。
粒子がチタンオキシドによって構成される時は、固溶体にカチオン状態で存在する金属Mは、チタンオキシド内に固溶体で一体化させることができる希土類、遷移金属から選ぶことができる。金属Mは、一層特にマンガン、スズ、バナジウム、ニオブ、モリブデン又はアンチモンにすることができる。
最後に、特定の実施態様に従えば、元素Mは、セリウム、チタン、ジルコニウム、マンガン、ランタン、プラセオジム及びネオジムから選び、該元素Mは粒子のオキシド(セリウム、ジルコニウム又はチタンのオキシド)を構成する元素と異なる。
発明の第二の変形の第二の一層特定の実施態様に従えば、化合物は、化合物の該粒子が表面上の少なくとも一部に少なくとも一種の元素M’を含むことを特徴とする。
元素M’は、マンガン、又はアルカリもしくはアルカリ土類金属にすることができる。
この元素M’は、金属カチオン及び/又は金属M’又はアルカリもしくはアルカリ土類金属をベースにしたクラスター及び/又はこれらの同じ元素のクリスタライトの形態にすることができ、これらのカチオン又はクラスター又はクリスタライトは、物質を構成するオキシド粒子の表面の少なくとも一部、又は表面全体にさえ分散、好ましくは均質に分散される。
アルカリとは、周期表のIA族の元素を意味する。
ここで及び記載の残りでいう元素の周期表は、Supplement to Bulletin of the Societe Chimique de France,No.1(1966年1月)に発表されたものである。
アルカリの中で、ナトリウム又はカリウムを一層特に挙げることができる。
アルカリ土類とは、周期表のIIA族の元素を意味する。これは、この場合に一層特にバリウムにすることができる。
最後に、元素M’はマンガンにすることができる。
発明の第二の変形のこの特定の実施態様が、いくつかの元素M’を特に同じ族内から又は異なる族の間で選ぶ元素と組み合わせて含む物質に及ぶのはもちろんのことである。一層特に、マンガンをアルカリもしくはアルカリ土類元素と組み合わせて存在させることができ、なお一層特に、マンガンをカリウムと組み合わせることができる。
発明のこの特定の実施態様に従えば、元素M’は、物質中に塩の形態で存在する。この場合に、塩は、特にクロリド、スルフェート又はカーボネートにすることができる。
別のこの特定の実施態様に従えば、元素M’は、物質中にヒドロキシド又はオキシド又はまたオキシヒドロキシドの形態で存在する。
しかし、元素M’は、また、同じ物質中に一度に塩、ヒドロキシド、オキシド又はオキシヒドロキシドの形態で存在することもできる。
元素M’は、最後に非晶質又は結晶化された形態で存在することができる。
クリスタライトは、例えばアナターゼ形態のTiO2のクリスタライト、ZrO2のクリスタライトにすることができる。
上に記載した金属M’をベースにしたクリスタライトは、通常平均サイズ500nm以下、好ましくは200nm以下を有する。これらのクリスタライトは、平均サイズ少なくとも2nmを有するのが普通である。
金属M’をベースにした「クラスター」とは、少なくとも酸化0の状態又は一層高い酸化の状態の金属M’の原子を含む、寸法が2nmよりも小さい、好ましくは1nmよりも小さい多原子のエンティティを意味する(典型的には、これらは金属M’のオキシド及び/又はヒドロキシド種をベースにしたクラスターであり、例えば多原子のエンティティであって、それらの内で金属M’のいくつかの原子が−O−又は−OH−ブリッジによって相互接続され、金属M’の原子の各々は1つ以上の−OH基に結合されることができるものである)。この変形は、特に、金属M’がジルコニウム、マンガン、又はまた希土類(特に、ランタン、イットリウム、ネオジム、プラセオジム、ジスプロシウム又はユウロピウム)である場合に使用することができる。
マンガンをアルカリもしくはアルカリ土類元素と組み合わせる場合の特定の変形に従えば、これらの元素は、発明の物質中に化学結合された形態で存在することができる。これは、マンガンと他の元素との間にそれらの間の反応から生じた化学結合が存在することを意味し、これらの2種の元素は、簡単な混合物の場合のように簡単に並置されない。これより、マンガン元素及びその他の元素は、化合物又は混合オキシドタイプ相の形態で存在することができる。この化合物又はこの相は、特にAxMnyO2+δ(1)式(式中、Aは他の元素(アルカリもしくはアルカリ土類)を表し、0.5≦y/x≦6)によって表わすことができる。(1)式の相又は化合物の例として、ベルナダイト、ホランダイト、ロマネチャイト又はサイロメレン、バーネスサイト、轟石、ブセライト又はリチオフォライトタイプのものを挙げることができる。化合物は、随意に水和される。化合物は、その上にCdl2-タイプラメラ構造を有することができる。ここで、(1)式は、例示として挙げるものであり、化合物が異なる式を有するとしても本発明の範囲を超えるものでない、但し、もちろんマンガン及びその他の元素が化学的に十分に結合されることを条件とする。
アルカリもしくはアルカリ土類金属のカチオン、クラスター及び/又はクリスタライトを、丁度上に記載した通りに物質を構成するオキシドの表面上分散させる時に、この形態のこの金属の量を、構成するオキシド及び金属M’のモルに対するモルで表して、2〜30%にするのが普通であり、4〜25%にするのが好ましい。
発明の第一の変形において記載した発明に従う化合物の特性、一層特に均質性は、また、第二の変形に従う化合物についても当てはまる。
好適な実施態様では、発明に従う化合物は、アルミナのミネラル相であって、その中にドープされた又はドープされないセリウムの粒子が分散されるものを含むことができる。この場合に、アルミナ及びセリウムは、原子比Ar=Al/(Ce+Al)が多くて50%、好ましくは多くて25%になるような量で存在する。
ドープされた又はドープされない発明に従う化合物は、メソ構造化構造であって、それの化合物の壁の総括厚さが2〜10nmからなるものを保有するのが有利である。
ドープされた又はドープされない発明に従う化合物は、2〜12nm、好ましくは3〜9nmからなるサイズを有する細孔を含むメソポーラス構造を保有するのが有利である。
発明に従うドープされた又はドープされない化合物は、少なくとも局部に、下記:
P63/mmc三次元六方対象、P6mm二次元六方対象、Ia3d、Im3m又はPn3m三次元立方対象のメソポーラスメソ構造;或は
ベシキュラー又はラメラ−タイプメソ構造、
バーミキュラー−タイプメソ構造
から選ぶメソ構造を1つ又はそれ以上有する細孔を固体であるのが有利である。
これらの異なる対称及び構造の定義に関しては、例えばChemical Materials,9巻、12号、2685〜2686頁(1997)又はまたNature,398巻、223〜226頁(1997)又はまたScience,269巻、1242〜1244頁(1995)を参照することができる。
他方、発明の第一の変形に従う化合物は、6時間にわたる500℃のか焼温度について650m2/cm3よりも大きな良好な温度安定性及び高い比表面積を有する。m2/cm3で表すこの比表面積は、通常m2/gで測定する表面積に複合物質の密度を掛けることによって得る。化合物であって、それのナノメートル寸法の粒子がセリウム化合物をベースにするものについて、この比表面積は、100〜500m2/gからなるのが好ましい。
他方、発明の第二の変形に従う化合物は、6時間にわたる400℃のか焼温度について650m2/cm3よりも大きな、好ましくは900m2/cm3よりも大きな、なお一層好ましくは1200m2/cm3よりも大きな良好な温度安定性及び高い比表面積を有する。m2/cm3で表すこの比表面積は、通常m2/gで測定する表面積に複合物質の密度を掛けることによって得る。化合物であって、それのナノメートル寸法の粒子がセリウム化合物をベースにするものについて、この比表面積は、100〜300m2/gからなるのが好ましい。
アルミナの結合相及びセリウムオキシド粒子によって構成されかつMがチタンであるドープト物質の特定の場合には、この比表面積は、少なくとも100m2/g、一層特に少なくとも125m2/g、なお一層特に150m2/gになることができる。
発明のドープト物質の細孔容積は、通常少なくとも0.10cm3/g、一層特に少なくとも0.15cm3/g、なお一層特に少なくとも0.20cm3/gである。
セリウムオキシド粒子をベースにする発明の第二の変形に従う物質の利点の内の一つは、それらの還元性である。発明に従う物質のこの「還元性」は、物質を水素で処理しかつ下記の総括反応に従い、初めに存在する酸化状態IVのセリウムの、熱処理した後に得られる物質中の酸化状態IIIのセリウムへの転化レートを分析することによって立証することができる:
2CeO2+H2→Ce23+H2
発明に従うドープト物質の還元性特性は、これより特に、下記に記載する「TPR」プロトコルと呼ばれるものの終わりに測定する転化レート定量化することができる:
シリカ反応装置を装着したAltamira AMI−1−タイプ装着に、テストすべき固体100mgのサンプルを周囲温度(通常15℃〜25℃)において、水素10容積%を有する水素/アルゴン混合物のガス状流れ流量30mL/分下で入れる。
温度を一定の温度上昇勾配10℃/分で上げて900℃にする。70mA熱伝導率検出器を使用して、周囲温度におけるベースラインから900℃におけるベースラインへの水素シグナルがない表面から物質によって収集される水素の量を求める。
かかるテストの終わりに、初めに存在するセリウムIV種の転化のレート少なくとも30%が測定されるのが普通であり、この転化レートは、少なくとも40%であるのが有利であり、少なくとも50%に等しいのが一層好ましい。
その上に、上記のプロトコルによって求めるセリウムの還元ピークは、温度高くて450℃、好ましくは高くて400℃、なお一層好ましくは375℃を中心に置くことに留意すべきである。
発明に従うプロセスを今説明することにする。
発明の第一の変形に従う生成物を調製するプロセスは、下記の段を含む:
1)下記を含む水性混合物を形成し:
アルミナのコロイド状分散液;
少なくとも一種のテクスチャリング剤;
セリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液であって、セリウム、チタン又はジルコニウム化合物が、X−A−Y式(式中:
a)Xは、コロイド状分散液のセリウム、チタン又はジルコニウム化合物のカチオンを錯化する官能基であり;
b)Aは、線状又は枝分れしたアルキルタイプ基であり;
c)Yは、アミン又はヒドロキシ基である)
の界面活性剤によって官能化されるもの;
アルミナ及びセリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液は、25mS/cmよりも小さい導電率を有し;
2)上述した混合物から水を除き;
3)テクスチャリング剤を除く。
発明の第二の変形に従う生成物を調製するプロセスは、上に記載した1)〜3)段を含みかつまた上述した3)段の後に、下記の段も含む:
4)(a)先に得た物質を、元素Mの溶液であって、この元素を高くて2モル/lの濃度で有するものに接触させ;
(b)該溶液とのこの接触の後に得た物質を、温度高くて500℃で焼成し;
(c)適するならば、(a)及び(b)段を、所望のレベルの元素Mを有する物質が得られるまで繰り返す。
1段の混合物を調製するのに使用するコロイド状分散液は、特にEP特許206 906及びEP特許208 580(特にセリウムのコロイド状分散液について)、又はMaterials Letters 40(1999)52−58(特にアルミナのコロイド状分散液について)に記載されているタイプのものであるのが有利である。これらの分散液は、また、特に例えば当業者に知られている火炎中での金属塩化物の燃焼のタイプの高温合成プロセスによって得られる超微細粉末の分散液を酸処理しかつ洗浄することによって得こともできる。
発明に従って使用する分散液中のカチオンモルで表わす粒子の濃度は、1Mよりも高いのが好ましい。
アルミナのコロイド状分散液は、3〜6からなるpHを有するのが好ましい。その上に、アルミナのコロイド状分散液であって、それらの粒子又はコロイドのサイズが、1〜5nmからなるものを使用するのが好ましい。
セリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液は、粒子又はコロイドであって、それらの平均サイズが3〜8nmからなるものを保有するのが好ましい。
使用するアルミナ及びセリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液を、上述したレベルの導電率を有するために限外ろ過技術で洗浄することによって精製する。上に挙げる導電率値は、2〜5からなるpHを有しかつカチオン濃度1Mを有する分散液に関して実施した測定についてである。これらの条件下で測定したこの導電率は、これより25mS/cmよりも小さく、有利には8mS/cmよりも小さい。
(1)段の間に形成される初期媒体は、水性媒体であるが、それは、また、ヒドロ−アルコール性媒体、好ましくはこの場合、水/エタノール媒体にすることもできる。
1段の終わりに調製される混合物は、少なくとも一種のテクスチャリング剤を含む。
混合物中に存在するこのテクスチャリング剤は、界面活性剤タイプの両親媒性化合物、特にコポリマーである。この化合物の必須の特性は、それが反応混合物中で液晶相を形成することができ、それで「LCT」(Liquid Crystal Templating)テクスチャリング機構を実施することによって組織化されたメソ構造を保有するミネラルマトリックスを形成するに至ることである。
しかし、得られる壁の増大に至り、従って最終構造の安定性の向上に至る利点を有するニュートラルテクスチャリングプロセスを実施するために、発明に従うプロセスにおいて使用するテクスチャリング剤は、そのプロセスを実施する条件下で荷電されない化合物であるのが好ましい。
発明に従うテクスチャリング剤は、非イオン系コポリマータイプ界面活性剤であり、特にジブロック又はトリブロック−タイプブロックコポリマーから選ぶのが有利である。
水性媒体又はヒドロ−アルコール性媒体中で実施するプロセスの場合には、非イオン系ブロックコポリマータイプテクスチャリング剤を使用するのが好ましく、特にZhao等によりJournal of the Chemical Society,120巻、6024〜6036頁(1998)に記載されかつBASFによりPluronic(登録商標)の総称商品名で販売されているもののタイプのPEO−PPO−PEOとして知られる(また(EO)x−(PO)y−(EO)zとも呼ばれる)ポリ(エチレンオキシド)−ポリ(プロピレンオキシド)−ポリ(エチレンオキシド)トリブロックコポリマーを使用するのが一層好ましい。有利には、また、AldrichによりBrij(登録商標)又はTween(登録商標)なる商品名で販売されているグラフトされたポリ(エチレンオキシド)(EO)xyのような非イオン系界面活性剤;FlukaによりSpan(登録商標)なる商品名で販売されているソルビタンタイプの非イオン系界面活性剤も使用することができる。
テクスチャリング剤は、また、ポリ(エチレンオキシド)−ポリ(イソプロペン)ブロックコポリマー又はポリ(エチレンオキシド)−ポリ(イソピレン)ブロックコポリマーにすることもできる。
発明に従えば、セリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液は、セリウム、チタン又はジルコニウム化合物が、X−A−Y式の界面活性剤によって官能化されることを特徴とするものである。界面活性剤は、また、分散液内に遊離の形態で見出すこともできる。
この界面活性剤は、Aが線状又は枝分れしたアルキルタイプ基であり、随意に置換され、該基は、例えば炭素原子1〜12、好ましくは2〜8を含むことができる有機化合物である。
官能基Xは、セリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液のコロイドの金属カチオンを錯化する官能基である。官能基を錯化するとは、コロイドのカチオン、例えばセリウムカチオンと界面活性剤との間の錯化結合を形成するのを可能にする官能基を意味する。この官能基は、例えばホスホネート−PO3 2-、ホスフェート−PO4 2-、カルボキシレート−CO2 -、又はスルフェート−SO4 2-、又はスルホネート−SO3 2タイプの官能基にすることができる。
官能基Yは、アミン又はヒドロキシ官能基である。それは、−NH2、−NHR2、又は−NR32、又は−NH4 -のアミン官能基にすることができ、R2及びR3タイプは、同じであり又は異なり、水素又は炭素原子1〜8を含むアルキル基を表す。それは、また、OH官能基にすることもできる。OH官能基を有する薬剤の中で、例えばグリコール酸、グルコン酸、乳酸、ヒドロキシ安息香酸、グリセロールホスフェートジナトリウムを挙げることができる。
発明に特に適した界面活性剤の中で、アミノ酸、一層特に脂肪族アミノ酸を挙げることができる。特に、R−CH(NH2)−COOH構造(ここで、Rは脂肪族ラジカルである)を有するタンパク質を構成するアミノ酸を挙げることができる。例として、ロイシン、アラニン、バリン、イソロイシン、グリシン及びリシンを挙げることができる。
発明に従う好適な界面活性剤は、アミノヘキサン酸である。
この分散液の化合物を官能化するのに用いる官能基の量は、Rb比によって表わすのが有利であり、Rb比は、下記式によって求める。
Figure 2005518326
Rb比は、0.1〜0.5からなるのが有利である。
セリウム、チタン又はジルコニウム化合物の官能化は、該化合物の分散液を界面活性剤に接触させることによって実施するのが好ましい。
発明の好適な変形に従えば、アルミナの出発コロイド状分散液もまた、アルミナのコロイドが、セリウム、ジルコニウム又はチタン化合物のコロイド状分散液の界面活性剤と同じ又は異なるX−A−Yタイプの界面活性剤によって官能化されることができる分散液にすることもできる。
遊離の界面活性剤分子の除去は、限外ろ過洗浄によって実施するのが好ましい。
発明に従うプロセスの1)段の混合物の形成は、簡単に混合物の構成成分、すなわちアルミナの分散液、テクスチャリング剤及び上記の方法に従って官能化するコロイド状分散液を接触させることによって実施する。この簡単な接触は、水性又はヒドロアルコール性媒体中で行う。
1)段を実施するための条件は、1)段の終わりに有利には大きくて25mS/cmである導電率(カチオン濃度1Mで測定する)を保有する混合物を得ることを可能にするようなものである。混合物の導電率(同じ条件下測定する)が大きくて8mS/cmになるのが好ましい。
そのような導電率を得るためには、この導電率を有するコロイド状分散液を選ぶことになる。
コロイド状分散液及びテクスチャリング剤は、比:
Figure 2005518326
が好ましくは0.1〜0.6、一層特に0.1〜0.4になるような量で使用する。
コロイドの容積とは、分散液中に存在するコロイドの質量をコロイドの理論密度で割ることによって得られる値を意味し、テクスチャリング剤の容積とは、テクスチャリング剤の質量をテクスチャリング剤の理論密度で割ることによって得られる値を意味する。
プロセスの第二段は、出発混合物から水を少なくとも一部除くことからなる。この段は、野外で又はヒュームフード下で、好ましくは周囲温度で蒸発させることによって実施することができる。蒸発は、有利には厚さが5mmよりも小さい薄い層で実施することができる。高温凍結乾燥もまた実施することができる。
発明の化合物を調製するプロセスの第三段は、テクスチャリング剤を除くことからなる。
この段は、特に熱処理によって実施することができる。この場合に、熱処理は、有利には、物質を劣化させないように、0.2〜3℃/分からなる温度上昇プロフィルに従って実施するのが有利であり、0.5〜2℃/分からなる温度上昇プロフィルに続いて実施するのが好ましい。この温度上昇は、テクスチャリング剤の除去を可能にする温度まで実施するのが普通であり、300〜600℃からなる温度まで実施するのが好ましい。
他方、テクスチャリング剤の除去は、また、溶媒による同伴によって実施することもできる。溶媒による同伴は、好ましくは非荷電の両親媒性化合物を利用することによって助成され、これは、このタイプの除去を可能にする程に弱いテクスチャリング剤−マトリックス相互作用を誘発する。
有利には、3段の終わりに得られる固体に、その上に更なる熱処理、特にか焼を施すことができる。この随意の更なる熱処理の目的は、得られる物質の結晶性を増大させ、かつニトレートアニオン及び界面活性剤のような不純物を除くことである。
プロセスの第四段は、プロセスの先の段で得られた物質を元素Mの溶液に接触させることからなる。
発明に従うプロセスの場合に使用する元素Mの溶液は、この元素Mの塩をベースにした水溶液であるのが普通である。ニトレート、スルフェート又はクロリドのような無機酸の塩を選ぶことができる。有機酸の塩、特に飽和脂肪族カルボン酸の塩又はヒドロキシカルボン酸の塩もまた選ぶことができる。例として、ホルメート、アセテート、プロピオネート、オキサレート又はシトレートを挙げることができる。しかし、金属Mのカチオンを錯化された状態で含む水性又はヒドロ−アルコール性溶液、或はまた金属Mのアルコキシドを含む溶液、通常無水の有機溶媒媒体中の溶液を使用することが可能である。
元素Mがチタンである時は、一層特に酸性にしたヒドロアルコール性媒体中のチタンアルコキシドを使用することができる。
物質に接触させる溶液は、高くて2M、好ましくは高くて1.2Mであるこの元素Mの濃度を有する。濃度が一層高くなると、粒子を構成するオキシド中に元素Mの固溶体を形成するのを防ぐのを危うくする。
接触は、出発メソ構造化物質を、元素Mを含む溶液内に浸漬し、次いで得られた物質に遠心分離を施すことによって実施することができる。通常、遠心分離は、2000〜5000rpmで、通常30分を超えない期間実施する。
特定の実施態様に従えば、元素Mとセリウム、チタン又はジルコニウム化合物との接触は、乾燥含浸によって行う。乾燥含浸は、含浸させるべき生成物に、含浸させるべき物質の細孔容積に等しい容積の元素Mの水溶液を加えることからなる。
次いで、プロセスの第四段の(a)段階の終わりに得られる固体にか焼を施す。このか焼段(第四段の(b)段階)は、本質的に固溶体状の元素Mのカチオンを、粒子を構成するオキシド内に少なくとも一部一体化させることを実現することを意図する。このために、このか焼は、少なくとも300℃に等しい温度で行い、この温度は少なくとも350℃に等しいのが好ましいが、高くて400℃であるが好ましく、高くて500℃であるのが有利である。元素Mのカチオンを粒子のオキシド内に一体化させるためにそれ以上温度を高くすることを要しない。この点については、本発明のプロセスは、驚くべきことに固体挿入及び/又は置換溶液中の金属カチオンを低い温度で粒子の金属オキシド内に一体化させることを可能にし、このことは特に極めて大きな比表面積を有するメソ構造化物質を得ることを可能にすることを強調しなければならない。特に有利な様式では、か焼段は、固体に15〜95℃からなる初期温度から350〜1000℃からなる最終温度への温度勾配を、有利には0.5〜2℃/分からなる温度上昇でかつ可変期間、通常1〜24時間からなる可変期間の間1つ以上の中間温度保持段、好ましくは350〜600℃からなる中間温度保持段で施すことによって実施することができる。
随意に、発明の調製プロセスは、か焼段4)(b)の前に、乾燥段を含むことができる。この事前乾燥は、できるだけ遅く実施し、特にイオン交換を助成するようにするのが普通である。このために、乾燥は、15〜80℃からなる温度で実施するのが最もしばしばであり、50℃よりも低い、又は40℃でさえよりも低い温度で実施するのが好ましく、周囲温度で実施するのが有利である。この乾燥は、物質中に存在する化合物に応じて、不活性雰囲気(窒素、アルゴン)下で又は酸化雰囲気(空気、酸素)下で実施することができる。金属Mをアルコキシドの形態で物質中に導入する場合では、乾燥は、水の存在しない雰囲気下で実施するのが有利である。
特に有利な実施態様に従えば、発明のプロセスは、4)(a)及び4)(b)段の後に、先のサイクルの終わりに得られる固体に関して実施する4)(a)及び4)(b)タイプの段を実施して接触/か焼にもたらす続くサイクルを1つ以上含むことができる。接触/か焼にもたらす逐次サイクルをいくつか有するこのタイプのプロセスを実施することによって、固溶体状の元素Mをオキシドの粒子内に極めて良好に組み入れることが達成される。これらのサイクルを、所望のレベルの元素Mを有する物質が得られるまで繰り返す。また、別のMタイプドーピング元素を使用して接触/か焼にもたらすサイクルをいくつも実施することを意図することも可能であり、それにより固溶体状のいくつかの金属元素でドープされたオキシドによって構成される物質を得ることが可能である。
金属M’又はアルカリもしくはアルカリ土類金属のカチオン、クラスター及び/又はクリスタライトを、物質を構成するオキシド粒子の表面上に分散させる上記の変形に従う物質を調製するのに、この元素(M’又はアルカリもしくはアルカリ土類)の溶液を高い濃度、例えば少なくとも1.5Mで使用し及び/又は固溶体の形態の物質を構成するオキシドにこの元素を飽和させた後に、この溶液に接触させる段を繰り返す。M’を含有するこれらの物質を調製するプロセスは、元素Mを含有する物質の調製について記載したのと同じであり、上記した1、2、3及び4段を含む。
最後に、発明は、また、発明に従う秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物及び発明に従うプロセスによって得られる生成物の、触媒又は触媒担体、特に自動車後燃焼用触媒又は触媒担体としての使用にも関する。
下記の例は、発明を例示するものであり、発明の範囲を制限するものではない。
例1:(Al/Ce)比=(0.1/0.9)モル及びΦ=0.2を有するアルミナAl 2 3 のマトリックス中のセリウムナノ粒子の化合物の調製
1−a)ナノメートル寸法の結晶化されたセリウムオキシド粒子の水性コロイド状分散液の調製
セリウムオキシドのコロイド状分散液を、特許出願EP208 580の例1に記載される手順に続いて調製する。セリウム水和物含有量は、65質量%である。脱ミネラル水300gを再分散性(redispersable)セリウム水和物500gに加える。次いで、Ultraturax分散を4500rpmで15分間実施する。分散液を4500rpmで15分間遠心分離する。湿ったペレットが回収される。脱ミネラル水200gをこの湿ったペレットに加え、水を加えた後の分散液全容積を300mlにする。15分間Ultraturax均質化した後に、分散液を4500rpmで45分間遠心分離する。ペレットが回収される。
脱ミネラル水を再びこの湿ったペレットに全容積600mlまで加える。均質化した後に、目にはっきりしたコロイド状分散液が得られ、これを限外ろ過によって濃縮して330mlにする。これをミネラル水に容積600mlまで吸収させる。これを濃縮して200mlにする。
密度1.92の分散液を燃焼することによって減量を求めた後に、CeO2のモル濃度は、5.69M又は2.95モル/kgである。
CeO2ナノ粒子の表面の官能化を下記の通りに実施する:
アミノヘキサン酸30.92gを水400ml中に加えることによって調製した溶液を、前に記載した通りにして調製したコロイド状分散液400gに加える。これを周囲温度で撹拌下に16時間置く。pHは4.6である。分散液を再び、脱ミネラル水2当量容積を加えることによって限外ろ過によって洗浄する。これを濃縮して500mlにする。このようにして得られた分散液は、2.08モル/lである。
1モル/l脱ミネラル水で希釈した後に、分散液のpHは4.3であり、分散液の導電率は3.15mS/cmである。
1−b)ナノメートル寸法のアルミニウムトリヒドロキシド(Al(OH)3)の粒子の水性コロイド状分散液の調製
アルミニウムトリヒドロキシドのコロイド状分散液を下記の手順に従って調製する。
攪拌システム及びコンデンサーを装着した二重外被反応装置において、アルミニウム塩AlCl3、6H2O 121gを水150gに攪拌下で加える。溶解した後に、周囲温度で3.25M NH4OH154mlを5ml/分で加える。次いで、あらかじめ水50gに溶解した尿素45gを加える。
反応媒体を95℃に16時間保つ。
冷却して周囲温度にした後に、pHはpH6.09である。
分散液をpH調整装置に接続したpH電極を装着したビーカーに移す。分散液のpHをpH4に調整するために、塩酸を1時間かけて攪拌下で加える。これを撹拌下に更に1時間置く。
分散液をそれの4倍の容積の脱ミネラル水で3KD膜上で限外ろ過によって洗浄する。
分散液を限外ろ過によって濃縮し、アリコートを1000℃でか焼することによって乾燥エキストラクトを求めて、Alとして濃度1.1モルを示す。
Alとしての1M分散液の濃度を脱ミネラル水で希釈することによって調整する。
pHは4.65に等しく、導電率は4.5mS/cmである。透過極低温電子顕微鏡法を使用して、直径3nmを有する完全に個別化された粒子が見られる。
1−c)メソ構造化物質の調製:
水200g、次いでPluronic P123 6.10gをビーカーに注入する。このPluronic P123化合物は、BASF社からの構造式HO(CH2CH2O)20(CH2CH(CH3)O)70(CH2CH2O)20Hを有しかつ平均モル質量5750g/モルを有するトリ−ブロックブロックタイプの両親媒性コポリマーである。生成された混合物に、こうして2時間攪拌を施した。次いで、先に記載した1Mセリウムオキシドコロイド状分散液56.3ml及び先に記載した1Mアルミニウムトリヒドロキシドコロイド状分散液6.3mlを同時に加えた。攪拌を15分間続けた。
得られた分散液を、次いでガラスペトリ皿に入れ、これにヒュームフード下に20℃で5日間蒸発を施した。
乾燥生成物を、次いでアルミナ燃焼ボートに移した。生成物を、500℃において温度上昇1℃/分及び6時間の段で焼成した。
このようにして使用した両親媒性コポリマー及びコロイド状分散液の量は、Φ比=0.2を立証する。
これらの異なる段の終わりに得られる物質の透過電子顕微鏡法観測は、テクスチャーの存在を示す。
その上に、窒素BET吸着−脱着カーブの線は、単分散性細孔サイズ分布を示す。
物質の比表面積を求めて、400℃で6時間焼成した生成物について200m2/g、すなわち1360m2/cm3に等しかった。
物質の比表面積を求めて、500℃で6時間焼成した生成物について158m2/g、すなわち1075m2/cm3に等しかった。
物質の比表面積を求めて、600℃で6時間焼成した生成物について110m2/g、すなわち748m2/cm3に等しかった。
その上に、これらの異なる生成物についての平均細孔サイズを求めて、7nmに等しかった。
窒素BETにより求めた細孔容積はvp=0.33cm3/gである。X線回折を使用して、CeO2構造に特徴的な筋が観測された。
例2:(Al/Ce)比=(0.25/0.75)モル及びΦ=22を有するアルミナAl 2 3 −CeO 2 のマトリックス中のセリウムナノ粒子の化合物の調製
水200g、次いでPluronic P123 6.10gをビーカーに注入した。生成された混合物に、こうして2時間攪拌を施した。次いで、先に記載した1Mセリウムオキシドコロイド状分散液52.2及び先に記載した1Mアルミニウムトリヒドロキシドコロイド状分散液17.4mlを同時に加えた。攪拌を15分間続けた。
得られた分散液を、次いでガラスペトリ皿に入れ、これにヒュームフード下に20℃で4日間蒸発を施した。
乾燥生成物を、次いでアルミナ燃焼ボートに移した。生成物を、500℃において温度上昇1℃/分及び6時間の段で焼成した。
このようにして使用した両親媒性コポリマー及びコロイド状分散液の量は、Φ比=0.22を立証する。
これらの異なる段の終わりに得られる物質の透過電子顕微鏡法観測は、テクスチャーの存在を示す。
物質の比表面積を求めて、500℃で127m2/g、すなわち784m2/cm3に等しかった。
その上に、平均細孔サイズを求めて、9nmに等しかった。
窒素BETにより求めた細孔容積はvp=0.325cm3/gである。
例3:ジルコニウムドープトメソ構造化物質:Zr−ドープトAl(OH) 3 −CeO 2 の調製
密度1.368及び270g/lジルコニウムオキシド含有量の脱ミネラル水をZrとしてのZr(NO33の2.19M溶液54.8mlに、最終容積100cm3が得られるまで加えることによってZrとしてのZr(NO33の1.2M溶液を調製する。
溶液8.16cm3を用いて400℃で6時間焼成した上記の例1−c)で得られたメソポーラス生成物Al(OH)3−CeO2((Al:Ce)モル=(0.1:0.9)、すなわちCe66ミリモル及びAl 7.2ミリモル)12gに、事前に調製したZrとしてのジルコニウムニトレートの1.2M溶液(すなわちZr9.8ミリモル)を含浸させる。それで、(Zr/Ce)モル比は0.15に等しい。生成物を周囲温度で16時間、次いで80℃で8時間乾燥させる。次いで、生成物を、400℃の空気雰囲気下で温度上昇1℃/分及び6時間の段で焼成する。
次いで、含浸及び熱処理作業を繰り返す。それで、最終の(Zr/Ce)モル比は0.3に等しい。
X線回折を使用して、純のセリウムオキシドのスペクトルに非常に近く、ピークが極めてわずかに小さい間隔の方向にシフトし(メッシュパラメーター5.40オングストローム)かつ二次のZrO2が極めて小さい割合で存在する粒子のスペクトルが観測される。
吸着−脱着等温線をプロットすることにより、比表面積を求めて、125m2/gに等しい。
細孔直径8nmに中心を置く細孔分布が観測される。
細孔容積を求めて、0.26cm3/gに等しい。
TPRテストに従い、還元性ピークが、温度350℃に中心を置く非常に低い温度に観測される。700℃までの積算した還元性パーセンテージは64%である。
例4:プラセオジムドープトメソ構造化物質:Pr−ドープトAl(OH) 3 −CeO 2 の調製
密度1.73及び28.6%のプラセオジムオキシド含有量の脱ミネラル水を、Rhodia Terres Rares社からのPrとしてのPr(NO33の2.91M溶液51.9mlに、最終容積125cm3が得られるまで加えることによってPrとしてのPr(NO33の1.21M溶液を調製する。
溶液6.8cm3を用いて400℃で6時間焼成した上記の例1−c)で得られたメソポーラス生成物Al(OH)3−CeO2((Al:Ce)モル=(0.1:0.9)、すなわちCe55ミリモル及びAl 6ミリモル)10gに、あらかじめ調製したPrとしてのプラセオジムニトレートの1.21M溶液(すなわちPr8.23ミリモル)を含浸させる。それで、(Pr/Ce)モル比は0.15に等しい。生成物を周囲温度で16時間、次いで80℃で8時間乾燥させる。次いで、生成物を、400℃の空気雰囲気下で温度上昇1℃/分及び6時間の段で焼成する。
次いで、含浸及び熱処理作業を繰り返す。それで、最終の(Pr/Ce)モル比は0.3に等しい。
X線回折を使用して、純のセリウムオキシドのスペクトルに非常に近く、ピークが極めてわずかに大きな間隔の方向にシフトした(メッシュパラメーター5.45オングストローム)粒子のスペクトルが観測される。
吸着−脱着等温線をプロットすることにより、比表面積を求めて、112m2/gに等しい。
細孔直径7nmに中心を置く細孔分布が観測される。
細孔容積を求めて、0.29cm3/gに等しい。
例5:チタンドープトメソ構造化物質:Ti−ドープトAl(OH) 3 −CeO 2 の調製
TiO2としての23.45%のTi(OBu)420.65gをエタノール15cm3及び15M HNO38cm3中に溶解し、エタノールで15cm3までにすることにより、ブチルチタネートの酸性にした溶液を調製する。
溶液2.72cm3を用いて400℃で6時間焼成した上記の例1−c)で得られたメソポーラス生成物Al(OH)3−CeO2((Al:Ce)モル=(0.1:0.9)、すなわちCe22ミリモル)4gに、あらかじめ調製したチタン溶液(すなわちPr3.26ミリモル)を含浸させる。それで、(Pr/Ce)モル比は0.15に等しい。生成物を周囲温度で16時間、次いで80℃で8時間乾燥させる。次いで、生成物を、400℃の空気雰囲気下で温度上昇1℃/分及び6時間の段で焼成する。
X線回折を使用して、純のセリウムオキシドのスペクトルに非常に近く、ピークが極めてわずかに小さい間隔の方向にシフトした粒子のスペクトルが観測される。
吸着−脱着等温線をプロットすることにより、比表面積を求めて、165m2/gに等しい。
細孔直径7nmに中心を置く細孔分布が観測される。
細孔容積を求めて、0.32cm3/gに等しい。
例6:メソ構造化物質:Ce−ドープトAl(OH) 3 −ZrO 2 の調製
6−a)Al(OH)3の分散液の調製:
希釈を0.57モル/kgにする他は例1−a)に記載する手順に続いてAl(OH)3のコロイド状分散液を調製する。
得られたコロイド状分散液の特性は、下記である:
Alとしての濃度0.57モル/kg
導電率=11.2mS/cm
pH=4.7
6−b)カプロン酸で改質したZrO2のコロイド状分散液の調製:
Nyacolからの、ZrO220重量%を含有し、密度1.32、2.15モル/lのZrO2のコロイド状分散液を3KD膜上で限外ろ過する。水6容積で洗浄した後に、コロイド状分散液は、下記の特性を有する:pH1.84、導電率17mS/cm、濃度1.46モル/l ZrO2。コロイドは、直径およそ3nmを保有する。
1Mカプロンアミンで改質したZrO2のコロイド状分散液100cm3を、下記を混合することによって調製する:
1.46M分散液68.49cm3(すなわちZr100ミリモル)、
アミノカプロン酸3.935gを含有する溶液31.51cm3(すなわちカプロン酸30ミリモル、MW=131g)。
これを30分間撹拌下に置きかつ周囲温度で16時間静止させる。
分散液を3KD膜上で水2当量容積によって限外ろ過する。
コロイド状分散液の特性は、下記である:pH4.28、s=10.25mS/cm及びZrとして0.8モル/kg。
6−c)ナノ粒子の自己集合によるメソ構造化物質Al(OH)3−ZrO2(Al:Zr)=(0.1:0.9)モルの調製:
下記を周囲温度で混合する:
0.8モル/kgのアミノカプロン酸で改質したZrO2のコロイド状分散液55.15g(Zr45ミリモルを含有する)
Al 0.57モル/kgのAl(OH)3ゾル8.596g(Al 5ミリモルを含有する)
50g/l POE−PPO−POE(P123)溶液81.6cm3(P123 4.08gを含有する)。
これを30分間撹拌下に置く。
混合分散液を、厚さおよそ1cmの薄膜結晶用皿の中に注入する。次いで、それを周囲温度で4日間蒸発させるままにする。固体生成物を400℃で焼成する。温度上昇は1℃/分であり、及び400℃段を6時間続ける。
得られた生成物は、透過電子顕微鏡法によって示されるバーミキュラー−タイプ構造を保有する。
比表面積は186m2/gである。BET分析は、6nmに中心を置く単分散性細孔分布及び細孔容積0.22cm3/g程度を示す。
X線回折を使用して、正方晶構造に一致するZrO2結晶化の始まりを示す縞が観測される。
6−d)例6−c)で得られたメソ構造化生成物のセリウム(Ce)によるドーピング
硝酸第二セリウム溶液(Rhodia La Rochelle、特性Ce(NO34、(H+/Ce)モル=0.5及び1.86M Ce4+)68.8cm3のアリコートを脱ミネラル水で希釈して最終容積200ccにすることによって、0.64M Ce4+含浸溶液を調製する。
メソ構造化生成物(0.9ZrO2−0.1Al(OH)3)118.5gは、ZrO20.9モル及びAl(OH)30.1モルを含有する。メソ構造化生成物(0.9ZrO2−0.1Al(OH)3)1gは、Zr7.6ミリモル及びAl0.84ミリモルを含有する。
含浸は、ナノ構造化生成物1グラム当たり先に記載したCe(NO34溶液0.59cm3(すなわちCe4+0.38ミリモル)を用いて実施する。この含浸は、ペーストを周囲温度で混練することによって実施する。Ce/Zrモル比=0.05。
反応媒体を周囲温度で16時間乾燥させるままにし、次いで400℃で6時間焼成する。温度上昇は1℃/分である。
含浸、乾燥及びか焼作業を3度繰り返す。Ce/Zrモル比=0.2。
X線回折を使用して、Zr1-xCex2構造及び少量のCeO2が示される。
6−e)「TPR」評価
上記の「TPR」プロトコルを使用して、最大温度およそ375℃(主ピーク)及び550℃に向かう第二(従たる)ピークに対応する2つの還元性ピークが観測される。セリウムドープトZrO2物質は、550℃で観測される還元性ピークを発現することが想起されよう。
セリウムドープトZrO2生成物について、通常認められる還元性パーセンテージに比べて大きな、200〜650℃の間に80%の還元性パーセンテージが求められる。

Claims (34)

  1. アルミナのミネラル相を含み、その中にセリウム、チタン又はジルコニウム化合物の少なくとも一部結晶性の粒子が分散される秩序メソポーラス又はメソ構造化化合物であって、不均質性領域が多くて100nm2であるような化学的均質性を有することを特徴とする化合物。
  2. 不均質性領域が多くて25nm2であるような化学的均質性を有することを特徴とする請求項1に記載の化合物。
  3. 容積による総括結晶度少なくとも10%を有することを特徴とする先の請求項の一に記載の化合物。
  4. 容積による総括結晶度少なくとも30%を有することを特徴とする先の請求項の一に記載の化合物。
  5. 粒子がセリウムの粒子であり、アルミナ及びセリウムが、原子比Ar=Al/(Ce+Al)が多くて50%、好ましくは多くて25%であるような量で存在する先の請求項の一に記載の化合物。
  6. メソ構造化化合物の壁の総括厚さが2〜10nmからなることを特徴とする先の請求項の一に記載の化合物。
  7. ミネラル相に分散される粒子が、直径3nm〜5nmを有する粒子であることを特徴とする先の請求項の一に記載の化合物。
  8. 2〜12nm、好ましくは3〜9nmからなるサイズを有する細孔を含むことを特徴とする先の請求項の一に記載の化合物。
  9. 少なくとも局部に、下記:
    P63/mmc三次元六方対象、P6mm二次元六方対象、Ia3d、Im3m、Pn3m三次元立方対象のメソポーラスメソ構造;或は
    ベシキュラー又はラメラ−タイプメソ構造、
    バーミキュラーメソ構造
    から選ぶメソ構造を1つ又はそれ以上有することを特徴とする先の請求項の一に記載の化合物。
  10. 化合物の前記粒子が該粒子中に少なくとも一種の元素Mを固溶体状で含むことを特徴とする先の請求項の一に記載の化合物。
  11. 前記元素Mを希土類及び遷移金属から選び、前記粒子内に固溶体状のカチオン形態で一体化させることができることを特徴とする請求項10に記載の化合物。
  12. 前記元素Mをセリウム、チタン、ジルコニウム、マンガン、ランタン、プラセオジム及びネオジムから選び、該元素Mが前記粒子を構成する元素と異なることを特徴とする請求項10又は11の一に記載の粒子。
  13. セリウム化合物の粒子を含み、元素Mを希土類及びジルコニウムから選び、M/Ceモル比が大きくて1であることを特徴とする請求項10〜12の一に記載の化合物。
  14. セリウム化合物の粒子を含み、元素Mがチタンであり、Ti/Ceモル比が大きくて0.5であることを特徴とする請求項10〜13の一に記載の化合物。
  15. 化合物の前記粒子が粒子表面上の少なくとも一部に少なくとも一種の元素M’を含むことを特徴とする先の請求項の一に記載の化合物。
  16. 元素M’がマンガン、又はアルカリもしくはアルカリ土類金属になることができることを特徴とする請求項15に記載の化合物。
  17. 下記の段:
    1)下記を含む水性混合物を形成し:
    アルミナのコロイド状分散液;
    少なくとも一種のテクスチャリング剤;
    セリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液であって、セリウム、チタン又はジルコニウム化合物が、X−A−Y式(式中:
    a)Xは、コロイド状分散液のセリウム、チタン又はジルコニウム化合物のカチオンを錯化する官能基であり;
    b)Aは、線状又は枝分れしたアルキルタイプ基であり;
    c)Yは、アミン又はヒドロキシ基である)
    の界面活性剤によって官能化されるもの;
    アルミナ及びセリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液は、25mS/cmよりも小さい導電率を有し;
    2)上述した混合物から水を除き;
    3)テクスチャリング剤を除く
    を含むことを特徴とする請求項1〜9に記載の生成物を調製する方法。
  18. pHが3〜6からなるアルミナのコロイド状分散液を使用することを特徴とする請求項17に記載の方法。
  19. アルミナのコロイド状分散液であって、それらのコロイドが、1〜5nmからなるサイズを有するものを使用することを特徴とする請求項17又は18の一に記載の方法。
  20. 非イオン系コポリマータイプ界面活性剤であり、特にジブロック又はトリブロック−タイプコポリマーから選ぶテクスチャリング剤を使用することを特徴とする請求項17〜19の一に記載の方法。
  21. ポリ(エチレンオキシド)−ポリ(プロピレンオキシド)−ポリ(エチレンオキシド)トリブロックコポリマー又はグラフトされたポリ(エチレンオキシド)又はポリ(エチレンオキシド)−ポリ(イソプロペン)ブロックコポリマー又はポリ(エチレンオキシド)−ポリ(イソピレン)ブロックコポリマーから選ぶテクスチャリング剤を使用することを特徴とする請求項20に記載の方法。
  22. Rb比(Rb=官能基Xのモル数/セリウム、チタン又はジルコニウムオキシドのモル数)で表わす界面活性剤の量が、0.1〜0.5からなるセリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液を使用することを特徴とする請求項17〜21の一に記載の方法。
  23. セリウム、チタン又はジルコニウム化合物のコロイド状分散液であって、それらのコロイドの平均サイズが3〜8nmからなるものを使用することを特徴とする請求項17〜22の一に記載の方法。
  24. アミノ酸、一層特に脂肪族アミノ酸である界面活性剤を使用することを特徴とする請求項17〜23の一に記載の方法。
  25. 1)段において、1M濃度で測定した導電率が大きくて25mS/cmである混合物を形成することを特徴とする請求項17〜24の一に記載の方法。
  26. 1)段において、1M濃度で測定した導電率が大きくて8mS/cmである混合物を形成することを特徴とする請求項17〜25の一に記載の方法。
  27. コロイド状分散液及びテクスチャリング剤を、比Φ(Φ=コロイドの容積/コロイドの容積+テクスチャリング剤の容積)が、0.1〜0.6、一層特に0.1〜0.4になるような量で使用することを特徴とする請求項17〜26の一に記載の方法。
  28. 出発混合物から水を蒸発又はスプレー乾燥によって除くことを特徴とする請求項17〜27の一に記載の方法。
  29. テクスチャリング剤を、熱処理によって除くことを特徴とする請求項17〜28の一に記載の方法。
  30. セリウム、チタン又はジルコニウム化合物の官能化を、該化合物のコロイド状分散液を界面活性剤に接触させることによって実施することを特徴とする請求項17〜29の一に記載の方法。
  31. 上述した3)段の後に、また、下記の段:
    4)(a)先に得た物質を、元素Mの溶液であって、この元素を高くて2モル/lの濃度で有するものに接触させ;
    (b)該溶液とのこの接触の後に得た物質を、温度高くて500℃で焼成し;
    (c)適するならば、(a)及び(b)段を、所望のレベルの元素Mを有する物質が得られるまで繰り返す
    も含むことを特徴とする請求項10〜14に記載の化合物を調製する請求項17〜30の一に記載の方法。
  32. 元素Mとセリウム、チタン又はジルコニウム化合物との接触を乾燥含浸によって行うことを特徴とする請求項31に記載の方法。
  33. 上述した3)段の後に、また、下記の段:
    4)(a)先に得た物質を、元素M’の溶液であって、この元素を少なくとも1.5モル/lの濃度で有するものに接触させ;
    (b)該溶液とのこの接触の後に得た物質を、温度高くて500℃で焼成し;
    (c)適するならば、(a)及び(b)段を、所望のレベルの元素M’を有する物質が得られるまで繰り返す
    も含むことを特徴とする請求項15〜16に記載の化合物を調製する請求項17〜30の一に記載の方法。
  34. 請求項1〜16の一に記載の生成物及び請求項17〜33の一に記載の方法によって得られた生成物の、触媒又は触媒担体、特に自動車後燃焼用触媒又は触媒担体としての使用。
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