JP2006016237A - 多孔質酸化物粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の多孔質酸化物粒子の製造方法は、酸化物前駆体から多孔質酸化物粒子を製造する方法であり、酸化物前駆体と無機塩とを含む溶液を噴霧乾燥し、得られた乾燥物を酸化物前駆体から生成される酸化物の生成温度以上の温度にて熱処理し、得られた熱処理物を純水中に投入することにより、この熱処理物から無機塩を溶解除去することを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
多孔質酸化物粒子を得る方法としては、一般的には、ポリメタクリル酸メチル等の有機高分子粒子とセラミックス粒子とを混合した後、高温にて熱処理し、有機高分子を分解除去する方法が知られている。
この方法によれば、連続した空孔を有するセラミック多孔質体が得られる。
したがって、この様なセラミック多孔質体を燃料電池の電極、水素分離膜、水蒸気分離膜、酸素生成膜、ガスセンサ、排ガス除去触媒膜等に用いた場合、所望の性能を発現することが難しく、効率も悪いという問題点があった。
前記無機塩は、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を含む硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、塩化物、ヨウ化物、臭化物、フッ化物またはリン酸塩であることが好ましい。
前記熱処理物を酸性または中性の溶液に投入し、この溶液に前記熱処理物中の無機塩を溶解させることが好ましい。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
その結果、空孔径が1nm〜数十nmの連続したメソ孔を有する多孔質酸化物粒子を簡単にかつ大量に製造することができる。
まず、酸化物前駆体と無機塩とを含む溶液を作製する。
酸化物前駆体としては、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)等の希土類元素、のいずれかを含む塩酸塩、硝酸塩、硫酸塩、オキシ塩化物、金属アルコキシド、金属アセチルアセトネート、金属カルボキシレート等の金属有機化合物に、水、アンモニア水、アンモニア炭酸塩、アルカリ金属の水酸化物や炭酸塩等のアルカリ性溶液、もしくは、塩酸、硝酸等の酸を加えて中和あるいは加水分解することで得られた水酸化物あるいは含水酸化物が好適に用いられる。
無機塩は、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を含む硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、塩化物、ヨウ化物、臭化物、フッ化物またはリン酸塩であり、例えば、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム等が好適に用いられる。
ここで得られた溶液は、懸濁液または分散液であることが好ましく、この懸濁液または分散液のpHを、酸やアルカリ等のpH調整剤を用いて、酸化物前駆体の等電点のpHよりも1以上高くまたは低く調整することにより、ゾル状にしておく必要がある。
この範囲であれば、燃料電池電極、水素分離膜、水蒸気分離膜、酸素生成膜、ガスセンサ、排ガス除去触媒膜等の構成材料として有効な性能を発揮させることのできる空孔の大きさが1nm〜数十nmで、しかも比表面積が100m2/gを越えるような高比表面積の多孔質酸化物粒子を得ることができる。
また、この添加量が200重量%を越えると、1nm〜数十nmの大きさの空孔を形成することができなくなってしまい、その結果、空孔の大きさが1nm〜数十nmであり、比表面積が100m2/gを越える多孔質酸化物粒子を得ることができなくなるからである。
ここでは、酸化物前駆体溶液に無機塩溶液を加えて得られた懸濁液または分散液を、スプレードライヤー等の噴霧乾燥装置を用いて乾燥させる。
本実施形態の多孔質酸化物粒子の粒子径は、この乾燥工程により得られた乾燥物の粒子径によって決まる。すなわち、乾燥物の粒子径が多孔質酸化物粒子の粒子径にほぼ等しくなる。
例えば、サブミクロン以下の大きさの粒子を得たい場合、酸化物前駆体と無機塩とを含む溶液を超音波噴霧器を用いて霧化し、この霧化した微粒子を加熱したガラス管内に導入することにより、サブミクロン以下の大きさ乾燥粒子を得ることができる。
以上により、酸化物前駆体と無機塩とが均一に混合された乾燥粒子が作製される。
この熱処理温度は、高い方が、高い使用環境温度でも空孔の大きさや比表面積の変化が小さく、しかも耐熱性に優れた多孔質酸化物粒子が得られ易く、通常は200〜900℃程度である。
(1)リチウム塩:
LiCl(605℃)、LiI(446℃)、LiBr(550℃)、Li2CO3(618℃)。
(2)カリウム塩:
KNO3(339℃)、KCl(770℃)、KF(860℃)、KI(680℃)、KBr(730℃)、K3PO4(1340℃)、K2SO4(1069℃)、K2CO3(891℃)。
NaNO3(306℃)、NaCl(801℃)、NaI(651℃)、NaBr(747℃)、NaF(993℃)、Na2SO4(884℃)、Na2CO3(851℃)。
(4)カルシウム塩:
Ca(NO3)2(561℃)、CaCl2(772℃)、CaI2(740℃)、CaBr2(730℃)、CaSO4(1450℃)。
(5)マグネシウム塩:
Mg(NO3)2(330℃)、MgCl2(714℃)、MgI2(700℃)、MgBr2(711℃)、MgSO4(1185℃)。
Sr(NO3)2(570℃)、SrCl2(875℃)、SrI2(402℃)。
(7)バリウム塩:
Ba(NO3)2(592℃)、BaCl2(962℃)、BaI2(740℃)、BaBr2(847℃)。
この熱処理により、酸化物前駆体は酸化されて、ジルコニア(ZrO2)、セリア(CeO2)、イットリア(Y2O3)、アルミナ(Al2O3)等の酸化物粒子(熱処理物)となる。
以上により、空孔径が1nm〜数十nmの連続したメソ孔を有する多孔質酸化物粒子を作製することができる。
また、この多孔質酸化物粒子は、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)等の希土類元素、のいずれかを含むので、燃料電池電極、水素分離膜、水蒸気分離膜、酸素生成膜、ガスセンサ、排ガス除去触媒膜等の構成材料として有用である。
「メソポーラス状ジルコニア粒子の作製」
オキシ塩化ジルコニウム8水塩2615g(ZrO21000gに相当)を純水40L(リットル)に溶解させたジルコニウム塩溶液に、28%アンモニア水1050gを純水20Lに溶解させた希アンモニア水を攪拌しながら加え、ジルコニア前駆体スラリーを調整した。
次いで、電気炉を用いて、この乾燥粒子に大気中、850℃にて1時間熱処理を施し、ジルコニア前駆体を加熱脱水させてジルコニアヘ変化させた。これにより、ジルコニアと硫酸ナトリウムが混合した粒子が得られた。
「メソポーラス状ジルコニア粒子の作製」
オキシ塩化ジルコニウム8水塩2615g(ZrO21000gに相当)を純水40Lに溶解させたジルコニウム塩溶液に、28%アンモニア水1050gを純水20Lに溶解させた希アンモニア水を攪拌しながら加え、ジルコニア前駆体スラリーを調整した。
次いで、電気炉を用いて、この乾燥粒子に大気中、850℃にて1時間熱処理を施し、ジルコニア前駆体を加熱脱水させてジルコニアヘ変化させた。これにより、ジルコニアと硫酸ナトリウムが混合した粒子が得られた。
「メソポーラス状ジルコニア粒子の作製」
オキシ塩化ジルコニウム8水塩2615g(ZrO21000gに相当)を純水40Lに溶解させたジルコニウム塩溶液に、28%アンモニア水1050gを純水20Lに溶解させた希アンモニア水を攪拌しながら加え、ジルコニア前駆体スラリーを調整した。
次いで、電気炉を用いて、この乾燥粒子に大気中、850℃にて1時間熱処理を施し、ジルコニア前駆体を加熱脱水させてジルコニアヘ変化させた。これにより、ジルコニアと硫酸ナトリウムが混合した粒子が得られた。
「メソポーラス状セリア−ジルコニア粒子の作製」
オキシ塩化ジルコニウム8水塩1289gと硝酸セリウム6水塩1737gを純水40Lに溶解させたセリウム塩−ジルコニウム塩溶液に、28%アンモニア水1250gを純水20Lに溶解させた希アンモニア水を攪拌しながら加え、セリア−ジルコニア前駆体スラリーを調整した。
次いで、電気炉を用いて、この乾燥粒子に大気中、850℃にて1時間熱処理を施し、セリア−ジルコニア前駆体を加熱脱水させてセリア−ジルコニアヘ変化させた。これにより、セリア−ジルコニアと炭酸カリウムが混合した粒子が得られた。
(1)比表面積
BET法により粒子の比表面積を測定した。
(2)空孔径
BET法により測定した粒子の比表面積から空孔径を算出した。
800℃にて24時間加熱処理前後の比表面積をBET法により測定し、比表面積の変化率(%)を算出した。
これらの結果を表1に示す。
また、実施例3のメソポーラス状ジルコニア粒子の透過型電子顕微鏡(TEM)像を図1に示す。
また、比表面積の変化率が−0.4%以内であり、耐熱性に優れていることが分かった。
以上により、空孔の大きさが1nm〜数十nmであり、比表面積が100m2/gを越え、しかも耐熱性に優れた多孔質酸化物粒子を容易に得ることができることが分かった。
Claims (5)
- 酸化物前駆体から多孔質酸化物粒子を製造する方法であって、
酸化物前駆体と無機塩とを含む溶液を噴霧乾燥し、得られた乾燥物を前記酸化物前駆体から生成される酸化物の生成温度以上の温度にて熱処理し、得られた熱処理物から前記無機塩を溶解除去することを特徴とする多孔質酸化物粒子の製造方法。 - 前記酸化物前駆体は、アルミニウム、ジルコニウム、希土類元素の群から選択された1種以上を含むことを特徴とする請求項1記載の多孔質酸化物粒子の製造方法。
- 前記無機塩は、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を含む硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、塩化物、ヨウ化物、臭化物、フッ化物またはリン酸塩であることを特徴とする請求項1または2記載の多孔質酸化物粒子の製造方法。
- 前記無機塩の添加量は、前記酸化物前駆体の酸化物換算値に対して20重量%以上であることを特徴とする請求項1、2または3記載の多孔質酸化物粒子の製造方法。
- 前記熱処理物を酸性または中性の溶液に投入し、この溶液に前記熱処理物中の無機塩を溶解させることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載の多孔質酸化物粒子の製造方法。
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