JP2006069864A - Nanoporous body and its production method - Google Patents

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Akira Endo
明 遠藤
Kazuhiro Yamada
和弘 山田
Yuki Inagi
由紀 稲木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an almost spherical nanoporous body having high regularity and having fine pores with a small pore size distribution, to provide a method for efficiently producing the nanoporous body at a low cost where the average pore size of the fine pores in the obtained nanoporous body can be selected in a wide range. <P>SOLUTION: In the almost spherical nanoporous body, many fine pores with pore sizes on a nanometer level are formed in a skeleton structure composed of an inorganic material. The method for producing a nanoporous body comprises: a stage (a) where, in a reaction solution containing a metal alkoxide and/or the polycondensate thereof, a surfactant and a solvent, the metal alkoxide and/or its polycondensate is hydrolyzed, so as to obtain a hydrolyzate solution; and a stage (b) where the hydrolyzate solution is atomized on a gas of 50 to 170°C flowing to a fixed direction, so as to volatilize the solvent, and, after a metal salt is incorporated into the hydrolyzate solution, the metal salt-containing hydrolyzate solution is atomized. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ナノメータレベルの微細孔を有し、吸着材、分離膜、分離反応膜、触媒及び触媒担体として用いることができるナノポーラス体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a nanoporous body having nanometer-scale micropores, which can be used as an adsorbent, a separation membrane, a separation reaction membrane, a catalyst, and a catalyst carrier, and a method for producing the same.

近年、ナノメータレベルの均一な孔径を有する微細孔が規則的に配列した構造を有する多孔体は、優れたガス吸着性を有し、各種の物質の分離機能も有することが明らかになってきた。このため、このような多孔体を製造する種々の方法が提案されている。   In recent years, it has been clarified that a porous body having a structure in which micropores having a uniform pore size of nanometer level are regularly arranged has excellent gas adsorbability and also has a function of separating various substances. For this reason, various methods for producing such a porous body have been proposed.

例えば「J. Am. Chem. Soc., 114, 10834-10843 (1992)」(非特許文献1)は、アルキルトリメチルアンモニウムからなる界面活性剤の集合体をテンプレート(鋳型)とし、沈降性シリカ、コロイダルシリカ、水ガラス、アルコキシシラン等を原料として、水熱合成法により無機材料−界面活性剤の三次元高規則性複合体を形成し、その複合体を自然乾燥した後、焼成してその中に含まれる有機物を除去することにより無機多孔体を製造する方法を記載している。界面活性剤の濃度は臨界ミセル濃度より高く液晶相の生成濃度より低い濃度、例えば25重量%とされており、溶液のpHは10〜13とアルカリ側であった。また標準的な反応温度は100℃以上と高く、反応には最短でも約2日間を要した。   For example, “J. Am. Chem. Soc., 114, 10834-10843 (1992)” (Non-Patent Document 1) uses a set of surfactants composed of alkyltrimethylammonium as a template (template), precipitated silica, Using colloidal silica, water glass, alkoxysilane, etc. as a raw material, a three-dimensional highly ordered composite of inorganic material and surfactant is formed by hydrothermal synthesis, and the composite is naturally dried and then fired. Describes a method for producing an inorganic porous material by removing organic substances contained in the material. The concentration of the surfactant was higher than the critical micelle concentration and lower than the liquid crystal phase formation concentration, for example, 25% by weight, and the pH of the solution was 10 to 13 on the alkali side. The standard reaction temperature was as high as 100 ° C. or more, and the reaction took about 2 days at the shortest.

界面活性剤を用いる多孔体の製造には、このような水熱合成法が主に用いられてきた。水熱合成法により得られた多孔体は、その他の製造方法により得られる多孔体に比べて著しく均一な孔径を有する微細孔が規則的に配列した構造を有する。しかしながら、十分なガス吸着性を有する多孔体を得るためには、さらに狭い孔径分布及び高い三次元規則性を有する必要があることが分かった。また、ガス吸着性の観点から、大きな表面積を有する球形の多孔体が望まれているが、水熱合成によると球形の多孔体を得られないという問題もある。さらに水熱合成に使用した反応液中には原料であるシリカや界面活性剤等が残留するため、正確に計量した材料を反応液に仕込んでも、所望の成分比を有する多孔体を得ることができないという問題がある。その上、水熱合成法は80℃以上の高温に長時間保持する必要があってコスト高である上、生成物を固液分離手段により分離し、洗浄することが必須であるので操作が煩雑であるという問題もある。   Such a hydrothermal synthesis method has been mainly used for the production of a porous body using a surfactant. The porous body obtained by the hydrothermal synthesis method has a structure in which micropores having a remarkably uniform pore diameter are regularly arranged as compared with porous bodies obtained by other production methods. However, it has been found that in order to obtain a porous body having sufficient gas adsorption properties, it is necessary to have a narrower pore size distribution and a high three-dimensional regularity. Further, from the viewpoint of gas adsorption, a spherical porous body having a large surface area is desired, but there is also a problem that a spherical porous body cannot be obtained by hydrothermal synthesis. Furthermore, since silica, surfactant, etc., which are raw materials, remain in the reaction solution used for hydrothermal synthesis, it is possible to obtain a porous body having a desired component ratio even when accurately weighed materials are charged into the reaction solution. There is a problem that you can not. In addition, the hydrothermal synthesis method needs to be kept at a high temperature of 80 ° C. or higher for a long time, and is costly. In addition, it is indispensable to separate and wash the product by solid-liquid separation means, and the operation is complicated. There is also the problem of being.

米国特許5922299号(特許文献1)には、シリカのプレカーサー水溶液と、アンモニウムイオンを有する界面活性剤と、酸とを混合し、界面活性剤とシリカとを規則的に配列させた後、シリカプレカーサー溶液の溶媒を揮発する工程を有するメソポーラスシリカの製造方法が記載されている。溶媒を揮発するには、例えばスプレードライ装置の水冷ノズルからプレカーサー溶液をスプレーし、発生した水滴を加熱空気中で流下させる。溶媒の揮発によって得られた不揮発性の残留物を焼成すると、メソポーラスシリカを得ることができる。   In US Pat. No. 5,922,299 (Patent Document 1), an aqueous solution of a precursor of silica, a surfactant having ammonium ions, and an acid are mixed, and the surfactant and silica are regularly arranged. A method for producing mesoporous silica having a step of volatilizing the solvent of the solution is described. In order to volatilize the solvent, for example, the precursor solution is sprayed from a water-cooling nozzle of a spray dryer, and the generated water droplets are allowed to flow down in heated air. When the non-volatile residue obtained by volatilization of the solvent is calcined, mesoporous silica can be obtained.

しかし特許文献1に記載の方法よってメソポーラスシリカを作製する場合、生成物の空孔率ばかりでなく生成物の規則性も、原料として用いる界面活性剤/シリカプレカーサーのモル比に大きく依存しまうという問題がある。例えば大きな空孔率を有するメソポーラスシリカを得ようとすると、空孔構造の規則性が低く、細孔径分布は大きくなってしまう。このようなナノポーラスシリカは吸着剤や分離材として好ましいとは言えない。また平均細孔径4nm以下であって壁厚1nm前後であるメソポーラスシリカしか作製することができず、得られるメソポーラスシリカが非常に限定的であるという問題もある。   However, when producing mesoporous silica by the method described in Patent Document 1, not only the porosity of the product but also the regularity of the product greatly depends on the molar ratio of the surfactant / silica precursor used as a raw material. There is. For example, if an attempt is made to obtain mesoporous silica having a large porosity, the regularity of the pore structure is low and the pore size distribution becomes large. Such nanoporous silica cannot be said to be preferable as an adsorbent or a separating material. Further, only mesoporous silica having an average pore diameter of 4 nm or less and a wall thickness of about 1 nm can be produced, and there is a problem that the obtained mesoporous silica is very limited.

米国特許5922299号公報US Pat. No. 5,922,299 ベック(J. S. Beck)ら、「液晶テンプレートを用いて作製した新規なメソポーラス分子篩」(A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates)、J. Am. Chem. Soc. 114, 10834-10843 (1992)JS Beck et al., “A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates”, J. Am. Chem. Soc. 114, 10834-10843 (1992 )

したがって本発明の目的は、高規則性であって、小さな孔径分布の微細孔を有する略球形のナノポーラス体、及びかかるナノポーラス体を効率よく低コストで製造する方法であって、得られるナノポーラス体の微細孔の平均孔径を幅広い範囲で選択可能な方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is a substantially spherical nanoporous body having high regularity and fine pores with a small pore size distribution, and a method for producing such a nanoporous body efficiently and at low cost, and the obtained nanoporous body It is to provide a method capable of selecting an average pore diameter of micropores in a wide range.

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、(a) 金属アルコキシド及び/又はその重縮合物と、界面活性剤と、溶媒とを含有する溶液を反応溶液中で、金属アルコキシド及び/又は前記重縮合物を加水分解した後、(b) 得られた加水分解物溶液を一定方向に流れる50〜170℃のガスにスプレードライする際に、加水分解物溶液が金属塩を含有するようにしておくと、略球形のナノポーラス体が効率よく生成することを発見し、本発明に想到した。   As a result of diligent research in view of the above object, the present inventors have obtained a solution containing (a) a metal alkoxide and / or a polycondensate thereof, a surfactant, and a solvent in a reaction solution, and the metal alkoxide and / or Alternatively, after hydrolyzing the polycondensate, (b) when the obtained hydrolyzate solution is spray-dried to a gas of 50 to 170 ° C. flowing in a certain direction, the hydrolyzate solution contains a metal salt. As a result, it was discovered that a substantially spherical nanoporous body was efficiently produced, and the present invention was conceived.

すなわち、本発明のナノポーラス体の製造方法は、無機材料からなる骨格構造中にナノメータレベルの孔径を有する微細孔が形成された略球形のナノポーラス体を製造するもので、(a) 金属アルコキシド及び/又はその重縮合物と、界面活性剤と、溶媒とを含有する反応溶液中で、前記金属アルコキシド及び/又は前記重縮合物を加水分解し、加水分解物溶液を得る工程、及び(b) 一定方向に流れる50〜170℃のガスに前記加水分解物溶液を噴霧することによりその溶媒を揮発させる工程を含み、前記加水分解物溶液が金属塩を含有するようにした後で金属塩含有加水分解物溶液を噴霧することを特徴とする。   That is, the method for producing a nanoporous body of the present invention produces a substantially spherical nanoporous body in which micropores having a nanometer-level pore diameter are formed in a skeleton structure made of an inorganic material. (A) Metal alkoxide and / or Or a step of hydrolyzing the metal alkoxide and / or the polycondensate in a reaction solution containing a polycondensate thereof, a surfactant, and a solvent to obtain a hydrolyzate solution, and (b) constant A step of volatilizing the solvent by spraying the hydrolyzate solution in a gas flowing in a direction of 50 to 170 ° C., and after the hydrolyzate solution contains a metal salt, the metal salt-containing hydrolysis The product solution is sprayed.

前記加水分解物溶液の溶媒の少なくとも一部を揮発させ、得られた濃縮液を不活性ガスと共に噴霧するのが好ましい。水溶性であって、170℃以下の沸点を有する液体を反応溶液及び加水分解物溶液の溶媒とするのが好ましい。より好ましい溶媒は、メタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、i-プロピルアルコール、ヘキサノール、n-ブチルアルコール、t-ブチルアルコール、i-ブチルアルコール、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジメトキシエタン、4-メチルジオキソラン、アセトニトリル、2-メチルテトラヒドロフラン、2-エトキシエタノール、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテル及び2-メトキシ-1-プロピルアセテートからなる群より選ばれた少なくとも一種である。   It is preferable that at least a part of the solvent of the hydrolyzate solution is volatilized and the resulting concentrated liquid is sprayed with an inert gas. It is preferable to use a liquid which is water-soluble and has a boiling point of 170 ° C. or lower as a solvent for the reaction solution and the hydrolyzate solution. More preferred solvents are methanol, ethanol, n-propyl alcohol, i-propyl alcohol, hexanol, n-butyl alcohol, t-butyl alcohol, i-butyl alcohol, tetrahydrofuran, dioxane, dimethoxyethane, 4-methyldioxolane, acetonitrile, It is at least one selected from the group consisting of 2-methyltetrahydrofuran, 2-ethoxyethanol, propylene glycol-1-monomethyl ether acetate, propylene glycol-1-monomethyl ether, and 2-methoxy-1-propyl acetate.

前記界面活性剤としては、ポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物及び/又はモノアルキル−ポリエチレンオキサイド重縮合物が好ましい。   The surfactant is preferably a polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate and / or a monoalkyl-polyethylene oxide polycondensate.

前記金属アルコキシド及び/又はその重縮合物としてはSi、Al、Ti、Zr及びGeからなる群より選ばれた少なくとも一種の金属のアルコキシド及び/又はアルコキシドの重縮合物を用いるのが好ましく、アルコキシシラン及び/又はその重縮合物を用いるのがより好ましく、テトラアルコキシシランを用いるのが特に好ましい。   As the metal alkoxide and / or polycondensate thereof, it is preferable to use an alkoxide of at least one metal selected from the group consisting of Si, Al, Ti, Zr and Ge and / or a polycondensate of alkoxide. And / or a polycondensate thereof is more preferably used, and tetraalkoxysilane is particularly preferably used.

前記反応溶液のpHを1.0〜5にするのが好ましい。前記金属塩としてはMn、Co、Ni、Fe、Cr、Mg、V、Sn、W、Ta、Nb、Hf、Pt、Pd、Ru、Rh及びIrからなる群より選択された少なくとも一種の塩を用いるのが好ましい。   It is preferable to adjust the pH of the reaction solution to 1.0 to 5. The metal salt is at least one salt selected from the group consisting of Mn, Co, Ni, Fe, Cr, Mg, V, Sn, W, Ta, Nb, Hf, Pt, Pd, Ru, Rh and Ir. It is preferable to use it.

本発明のナノポーラス体は、無機材料からなる骨格構造中にナノメータレベルの孔径を有する多数の微細孔が形成された略球形のもので、0.5〜50μmの平均粒径及び300 m2以上のBET表面積を有し、前記微細孔の隔壁の厚さが0.5〜3 nmであり、窒素吸着等温線から求めた孔径分布のピークにおける孔径が2.5〜10 nmであり、X線回折パターンにおける少なくとも一つのピークが1.5 nm以上の面間隔を有し、最大ピークの半値幅が2°以下であることを特徴とする。 The nanoporous body of the present invention has a substantially spherical shape in which a large number of micropores having nanometer-level pore sizes are formed in a skeleton structure made of an inorganic material, and has an average particle size of 0.5 to 50 μm and a BET surface area of 300 m 2 or more. The pore diameter of the pores in the pore size distribution obtained from the nitrogen adsorption isotherm is 2.5 to 10 nm, and at least one peak in the X-ray diffraction pattern Has a surface interval of 1.5 nm or more, and the half width of the maximum peak is 2 ° or less.

ナノポーラス体は下記式(1)
M1 aM2 bOh ・・・(1)
(ただし、aは1以下の正の数を示し、bは0以上1未満の数を示し、a + b = 1であり、hは1〜2.5の数を示し、M1はSi、Al、Ti、Zr及びGeからなる群より選ばれた少なくとも一種を示し、M2はMn、Co、Ni、Fe、Cr、Mg、V、Sn、W、Ta、Nb、Hf、Pt、Pd、Ru、Rh及びIrからなる群より選ばれた少なくとも一種を示す。)により表されるのが好ましい。
The nanoporous body has the following formula (1)
M 1 a M 2 b O h・ ・ ・ (1)
(However, a represents a positive number of 1 or less, b represents a number of 0 or more and less than 1, a + b = 1, h represents a number of 1 to 2.5, M 1 represents Si, Al, At least one selected from the group consisting of Ti, Zr and Ge, M 2 is Mn, Co, Ni, Fe, Cr, Mg, V, Sn, W, Ta, Nb, Hf, Pt, Pd, Ru, It is preferably represented by at least one selected from the group consisting of Rh and Ir.

本発明のナノポーラス体の製造方法では、金属アルコキシド及び/又はその重縮合物、、界面活性剤並びに酸を含有する溶液中で金属アルコキシド及び/又はその重縮合物を加水分解させ、得られる加水分解物溶液が金属塩を含有した状態でスプレードライする。この製造方法により、略球形のナノポーラス体を得ることができる。スプレードライに先立って、加水分解物溶液に強制的な流れを起こしながら減圧状態にすることにより加水分解物溶液をある程度濃縮しておくのが好ましい。加水分解物溶液を濃縮しておくことにより、スプレードライ工程を低温で行うことができるので、三次元高規則性に優れたナノポーラス体を得ることができる。   In the method for producing a nanoporous body of the present invention, a metal alkoxide and / or its polycondensate, a surfactant, and a hydrolyzate obtained by hydrolyzing the metal alkoxide and / or its polycondensate in a solution containing an acid. Spray the product solution containing metal salt. By this manufacturing method, a substantially spherical nanoporous body can be obtained. Prior to spray drying, it is preferable to concentrate the hydrolyzate solution to some extent by reducing the pressure while forcing the hydrolyzate solution to flow. By concentrating the hydrolyzate solution, the spray drying process can be performed at a low temperature, so that a nanoporous body having excellent three-dimensional regularity can be obtained.

ナノポーラス体は略球からなる粉状又は粒状であるので、大きな表面積を有する上、粉状や粒状にするために造粒等の工程を要しない。このようなナノポーラス体は優れた吸着性を有し、水、ベンゼン等の有機物の吸着剤や、触媒の担体として好適である。   Since the nanoporous body is in the form of a powder or a particle consisting of substantially spheres, it has a large surface area and does not require a step such as granulation in order to obtain a powder or a particle. Such a nanoporous body has an excellent adsorptivity, and is suitable as an adsorbent for organic substances such as water and benzene, and a catalyst carrier.

以下、発明を実施するための最良の形態により本発明を詳説する。
なお、特許請求の範囲及び本明細書中における「ナノポーラス体」とは、1cm3内に20以上の微細孔を有し、かかる微細孔の90%以上の直径が10-1〜103 nmの範囲内に属する多孔体材料である。したがって、「ナノメータレベルの孔径」とは10-1〜103 nmの範囲内の孔径を指称する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail by the best mode for carrying out the invention.
The “nanoporous body” in the claims and in the present specification has 20 or more micropores in 1 cm 3 , and 90% or more of the micropores have a diameter of 10 −1 to 10 3 nm. It is a porous material belonging to the range. Therefore, “nanometer level pore diameter” refers to a pore diameter in the range of 10 −1 to 10 3 nm.

[1] ナノポーラス体の製造方法
本発明のナノポーラス体の製造方法では、無機材料の出発物質である金属アルコキシド及び/又はその重縮合物と、テンプレートとなる界面活性剤とを含有する加水分解用溶液を使用する。
[1] Method for producing nanoporous body In the method for producing a nanoporous body of the present invention, a hydrolysis solution containing a metal alkoxide and / or a polycondensate thereof as a starting material of an inorganic material, and a surfactant as a template. Is used.

(1) 金属アルコキシド及び/又はその重縮合物
金属アルコキシド及び/又はその重縮合物はナノポーラス体の出発物質となる。好ましい金属アルコキシドの具体例として周期表のIVA及びIVB族の金属元素のアルコキシドが挙げられる。これらのうちより好ましいのは、ケイ素、アルミニウム、チタン及びジルコニウムからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属のアルコキシドである。特にケイ素を主体とする金属のアルコキシド、例えばアルコキシシランや、アルコキシシランとケイ素以外の金属のアルコキシドとの混合物が好ましい。ケイ素主体の金属アルコキシドを出発物質とすると、優れた均一性を有するナノポーラス体が得られる。優れた均一性を有するナノポーラス体は、X線回折において顕著なピークを示す。ケイ素以外の金属のアルコキシドとしては、例えばアルコキシアルミニウムが挙げられる。
(1) Metal alkoxide and / or polycondensate thereof Metal alkoxide and / or polycondensate thereof are starting materials for the nanoporous body. Specific examples of preferable metal alkoxides include alkoxides of metal elements of groups IVA and IVB of the periodic table. Of these, alkoxides of at least one metal selected from the group consisting of silicon, aluminum, titanium, and zirconium are more preferable. Particularly preferred are metal alkoxides mainly composed of silicon, such as alkoxysilanes, and mixtures of alkoxysilanes and alkoxides of metals other than silicon. When a silicon-based metal alkoxide is used as a starting material, a nanoporous body having excellent uniformity can be obtained. Nanoporous bodies with excellent uniformity show a prominent peak in X-ray diffraction. Examples of alkoxides of metals other than silicon include alkoxyaluminum.

アルコキシシランとしては、Si(OR1)4(ただし、R1は炭素数1〜6のアルキル基を表す。)により表されるテトラアルコキシシラン、及び下記式(2)
Si(OR2)c(R3)d(R4)e(R5)f ・・・(2)
(ただし、R2、R3、R4及びR5は炭素数1〜6のアルキル基を表し、cは1〜3の整数を示し、d、e及びfは0〜3の整数を示し、c + d + e + f = 4である。)により表されるアルキルアルコキシシラン、及びこれらの混合物が好ましい。テトラアルコキシシランのうち、特に好ましいのはテトラメトキシシリケート[Si(OCH3)4]、テトラエトキシシリケート[Si(OC2H5)4]である。アルキルアルコキシシランを出発物質とすると、アルキル基を有するメソポーラスシリカを作製可能である。
As the alkoxysilane, tetraalkoxysilane represented by Si (OR 1 ) 4 (wherein R 1 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms), and the following formula (2)
Si (OR 2 ) c (R 3 ) d (R 4 ) e (R 5 ) f・ ・ ・ (2)
(Wherein, R 2, R 3, R 4 and R 5 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, c is an integer of 1 to 3, d, e and f represents an integer of 0 to 3, c + d + e + f = 4)), and mixtures thereof are preferred. Of the tetraalkoxysilanes, tetramethoxysilicate [Si (OCH 3 ) 4 ] and tetraethoxysilicate [Si (OC 2 H 5 ) 4 ] are particularly preferable. When alkylalkoxysilane is used as a starting material, mesoporous silica having an alkyl group can be produced.

アルコキシアルミニウムとしては、Al(OR6)3(ただし、R6は炭素数1〜6のアルキル基を表す。)により表されるものが好ましく、特にAl(OCH3)3、Al(OC2H5)3、Al(O-iso-C3H7)3、Al(OC4H9)3が好ましい。またジ-s-ブトキシアルミノキシトリエトキシシランも好ましい。 As the alkoxyaluminum, those represented by Al (OR 6 ) 3 (wherein R 6 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms) are preferable, and in particular, Al (OCH 3 ) 3 , Al (OC 2 H 5 ) 3 , Al (O-iso-C 3 H 7 ) 3 , and Al (OC 4 H 9 ) 3 are preferred. Di-s-butoxyaluminoxytriethoxysilane is also preferred.

アルコキシチタンとしては、Ti(OR7)4(ただし、R7は炭素数1〜6のアルキル基を表す。)により表されるものが好ましく、特にTi(OCH3)4、Ti(OC2H5)4、Ti(O-iso-C3H7)4、Ti(OC4H9)4が好ましい。 As the alkoxytitanium, those represented by Ti (OR 7 ) 4 (wherein R 7 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms) are preferred, and in particular, Ti (OCH 3 ) 4 , Ti (OC 2 H 5 ) 4 , Ti (O-iso-C 3 H 7 ) 4 and Ti (OC 4 H 9 ) 4 are preferred.

ジルコニウムアルコキシドとしては、Zr(OR8)4(ただし、R8は炭素数1〜6のアルキル基を表す。)により表されるものが好ましく、特にZr(OCH3)4、Zr(OC2H5)4、Zr(O-iso-C3H7)4、Zr(OC4H9)4が好ましい。 Zirconium alkoxide is preferably represented by Zr (OR 8 ) 4 (wherein R 8 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms), and particularly Zr (OCH 3 ) 4 , Zr (OC 2 H 5 ) 4 , Zr (O-iso-C 3 H 7 ) 4 and Zr (OC 4 H 9 ) 4 are preferred.

好ましい金属アルコキシド重縮合物の例として、下記式(3)
(C2H5O)3Si[Si(C2H5O)2]n(C2H5O) ・・・(3)
(ただし、nは1以上の整数を表す。)
により表されるエチルシリケート縮合物や、下記式(4)
(CH3O)3Si[Si(CH3O)2]m(CH3O) ・・・(4)
(ただし、mは1以上の整数を表す。)
により表されるメチルシリケート縮合物が挙げられる。市販の金属アルコキシドの重縮合物を出発物質として使用しても良い。市販品の例として、多摩化学工業株式会社製のシリケート40(エチルシリケート縮合物、平均n=5)、シリケート45(エチルシリケート縮合物、平均n=6)、シリケート48(エチルシリケート縮合物、平均n=7)、Mシリケート51(メチルシリケート縮合物、平均m=4)が挙げられる。
As an example of a preferred metal alkoxide polycondensate, the following formula (3)
(C 2 H 5 O) 3 Si [Si (C 2 H 5 O) 2 ] n (C 2 H 5 O) (3)
(However, n represents an integer of 1 or more.)
An ethyl silicate condensate represented by the following formula (4)
(CH 3 O) 3 Si [Si (CH 3 O) 2 ] m (CH 3 O) (4)
(However, m represents an integer of 1 or more.)
The methyl silicate condensate represented by these is mentioned. Commercially available polycondensates of metal alkoxides may be used as starting materials. Examples of commercially available products include silicate 40 (ethyl silicate condensate, average n = 5), silicate 45 (ethyl silicate condensate, average n = 6), silicate 48 (ethyl silicate condensate, average) manufactured by Tama Chemical Co., Ltd. n = 7), M silicate 51 (methyl silicate condensate, average m = 4).

(2) 界面活性剤
界面活性剤は金属アルコキシド及び/又はその重縮合物(以下、単に「金属アルコキシド等」という)とともに溶媒に溶解し、無機多孔体の微細孔を形成するためのテンプレート(鋳型)として作用する物質である。界面活性剤としてはアルコール、金属酸化物、及び金属アルコキシド等を含む溶液中で液晶構造を形成するものであれば良い。好ましい界面活性剤としては、ノニオン界面活性剤が挙げられる。図1に示すように、溶液中で三次元高規則性をもって柱状に配列するものがより好ましい。
(2) Surfactant A surfactant is a template (template) for dissolving in a solvent together with a metal alkoxide and / or a polycondensate thereof (hereinafter simply referred to as “metal alkoxide etc.”) to form fine pores of an inorganic porous material. ). Any surfactant may be used as long as it forms a liquid crystal structure in a solution containing alcohol, metal oxide, metal alkoxide, and the like. A preferable surfactant is a nonionic surfactant. As shown in FIG. 1, those arranged in a column with three-dimensional high regularity in a solution are more preferable.

ノニオン界面活性剤としてはポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物、モノアルキル−ポリエチレンオキサイド重縮合物が好ましい。ポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物の具体例としては、BASF社製のプルロニック(登録商標)P123:(EtO)20(PrO)70(EtO)20(ただしEtOはエチレンオキサイドを示し、PrOはプロピレンオキサイドを示す。)、プルロニックP103、プルロニックP85が挙げられる。モノアルキル−ポリエチレンオキサイド重縮合物の具体例としてはピアス社製のBrij(登録商標)56:C16H33(EtO)10(ただしEOはエチレンオキサイドを示す。)が挙げられる。 The nonionic surfactant is preferably a polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate or a monoalkyl-polyethylene oxide polycondensate. Specific examples of polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensates include Pluronic (registered trademark) P123 manufactured by BASF: (EtO) 20 (PrO) 70 (EtO) 20 (where EtO represents ethylene oxide and PrO represents propylene oxide) And Pluronic P103 and Pluronic P85. Specific examples of the monoalkyl-polyethylene oxide polycondensate include Pierj's Brij (registered trademark) 56: C 16 H 33 (EtO) 10 (where EO represents ethylene oxide).

(3) 溶媒
加水分解用溶液の溶媒は、水溶性であるのが好ましい。溶媒が水溶性でないと、出発物質である金属アルコキシド及び/又はその重縮合物が水と混ざり難く、十分に加水分解することができないので好ましくない。また170℃以下の沸点を有するのが好ましい。170℃超の沸点を有する溶媒を用いると、50〜170℃で溶媒を揮発させ難すぎる。
(3) Solvent The solvent of the hydrolysis solution is preferably water-soluble. If the solvent is not water-soluble, the starting metal alkoxide and / or the polycondensate thereof is difficult to mix with water and cannot be sufficiently hydrolyzed, which is not preferable. It preferably has a boiling point of 170 ° C. or lower. If a solvent having a boiling point of more than 170 ° C is used, it is difficult to volatilize the solvent at 50 to 170 ° C.

好ましい溶媒の例としてメタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、i-プロピルアルコール、ヘキサノール、n-ブチルアルコール、t-ブチルアルコール、i-ブチルアルコール、2-エトキシエタノール、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジメトキシエタン、4-メチルジオキソラン、アセトニトリル、2-メチルテトラヒドロフラン、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテル及び2-メトキシ-1-プロピルアセテートが挙げられる。より好ましい溶媒は、一価で、かつ炭素数5以下のアルコールである。このようなアルコールを使用すると、界面活性剤が溶解し易い上、溶媒を効率よく揮発させることができる。特に好ましい溶媒の具体例としてメタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、i-プロピルアルコール、n-ブチルアルコールが挙げられる。これらのアルコールは優れた揮発性及び取り扱い性を有する上、安価である。   Examples of preferred solvents are methanol, ethanol, n-propyl alcohol, i-propyl alcohol, hexanol, n-butyl alcohol, t-butyl alcohol, i-butyl alcohol, 2-ethoxyethanol, tetrahydrofuran, dioxane, dimethoxyethane, 4- Examples include methyldioxolane, acetonitrile, 2-methyltetrahydrofuran, propylene glycol-1-monomethyl ether acetate, propylene glycol-1-monomethyl ether and 2-methoxy-1-propyl acetate. A more preferable solvent is a monovalent alcohol having 5 or less carbon atoms. When such an alcohol is used, the surfactant can be easily dissolved, and the solvent can be efficiently volatilized. Specific examples of particularly preferred solvents include methanol, ethanol, n-propyl alcohol, i-propyl alcohol, and n-butyl alcohol. These alcohols have excellent volatility and handleability and are inexpensive.

水/溶媒のモル比は0.1〜10とするのが好ましく、0.2〜10とするのがより好ましい。水/溶媒のモル比が0.1未満であると、加水分解が不十分である。10超であると水の量が多過ぎるために界面活性剤が溶解し難く、溶液の均一性が低下し過ぎる。またスプレードライする際に、乾燥器内の温度を高めに設定しなければならないので好ましくない。水/溶媒の特に好ましいモル比は0.5〜5である。   The water / solvent molar ratio is preferably 0.1 to 10, more preferably 0.2 to 10. If the water / solvent molar ratio is less than 0.1, hydrolysis is insufficient. If it exceeds 10, the amount of water is too large, so that the surfactant is hardly dissolved and the uniformity of the solution is too low. Further, when spray drying, it is not preferable because the temperature in the dryer must be set high. A particularly preferred molar ratio of water / solvent is 0.5-5.

(4) 加水分解用溶液
(a) 加水分解用溶液の組成
加水分解用溶液の組成は、得られるナノポーラス体の微細孔の孔径及び三次元高規則性に大きな影響を与える。
(4) Hydrolysis solution
(a) Composition of hydrolyzing solution The composition of the hydrolyzing solution has a great influence on the pore diameter and three-dimensional high regularity of the resulting nanoporous body.

(i) 水/金属アルコキシド(又は水/金属アルコキシド重縮合物)のモル比
出発物質として金属アルコキシドを使用する場合、水/金属アルコキシドのモル比は1〜40とするのが好ましく、2〜20とするのがより好ましい。水/金属アルコキシドのモル比が40超であると、水が多過ぎるため、金属アルコキシドの加水分解反応が速過ぎ、溶媒の揮発に伴って界面活性剤が規則的に配列する前に金属酸化物が析出する。また1未満であると水が少な過ぎるため、加水分解物の重縮合反応が遅過ぎる。
(i) Molar ratio of water / metal alkoxide (or water / metal alkoxide polycondensate) When metal alkoxide is used as the starting material, the molar ratio of water / metal alkoxide is preferably 1 to 40, and 2 to 20 Is more preferable. If the molar ratio of water / metal alkoxide is more than 40, too much water will cause the metal alkoxide hydrolysis reaction to be too fast, and the metal oxide before the surfactant is regularly arranged as the solvent evaporates. Precipitates. Moreover, since there is too little water as it is less than 1, the polycondensation reaction of a hydrolyzate is too slow.

出発物質として金属アルコキシドの重縮合物を使用する場合、金属アルコキシド縮合物に含まれるモノマー単位の数に対する水のモル数の比率(水/金属アルコキシド縮合物のモノマー単位数)が、上述の水/金属アルコキシドの好ましいモル比と同じになるようにする。換言すると、金属アルコキシド縮合物の縮合数がnであるとき、水/金属アルコキシド縮合物のモル比は1/n〜40/nであるのが好ましく、2/n〜40/nであるのがより好ましい。   When a metal alkoxide polycondensate is used as a starting material, the ratio of the number of moles of water to the number of monomer units contained in the metal alkoxide condensate (water / number of monomer units of metal alkoxide condensate) The molar ratio is preferably the same as that of the metal alkoxide. In other words, when the number of condensation of the metal alkoxide condensate is n, the water / metal alkoxide condensate molar ratio is preferably 1 / n to 40 / n, and preferably 2 / n to 40 / n. More preferred.

(ii) 界面活性剤/溶媒のモル比
界面活性剤/溶媒の好ましいモル比は、使用する界面活性剤によって異なる。界面活性剤/溶媒のモル比が好ましい範囲の下限未満であると、界面活性剤が規則的に配列する前に金属アルコキシドの加水分解が進行し、三次元高規則性をもった微細孔が得られない。上限超であると、濃度が高過ぎて界面活性剤が溶液から析出する。
(ii) Surfactant / solvent molar ratio The preferred surfactant / solvent molar ratio depends on the surfactant used. When the surfactant / solvent molar ratio is less than the lower limit of the preferred range, hydrolysis of the metal alkoxide proceeds before the surfactant is regularly arranged, and fine pores with high three-dimensional regularity are obtained. I can't. If it exceeds the upper limit, the concentration is too high and the surfactant precipitates from the solution.

アルキルポリエチレンオキサイド重縮合物を使用する場合、アルキルポリエチレンオキサイド重縮合物/溶媒のモル比は、0.002〜0.1にするのが好ましい。特に好ましいアルキルポリエチレンオキサイド重縮合物/溶媒のモル比の具体例を挙げると、界面活性剤としてBrij56を使用する場合には0.014であり、Brij30を使用する場合には0.05であり、Brij35を使用する場合には0.0043であり、Brij58を使用する場合には0.0046である。   When the alkylpolyethylene oxide polycondensate is used, the molar ratio of the alkylpolyethylene oxide polycondensate / solvent is preferably 0.002 to 0.1. A specific example of a particularly preferred alkyl polyethylene oxide polycondensate / solvent molar ratio is 0.014 when Brij56 is used as the surfactant, 0.05 when Brij30 is used, and Brij35 is used. In this case, it is 0.0043, and when using Brij58, it is 0.0046.

ポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物を使用する場合、ポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物/溶媒のモル比は、0.0005〜0.05にするのが好ましい。特に好ましいポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物/溶媒のモル比の具体例を挙げると、界面活性剤としてプルロニックP123を使用する場合には0.002であり、プルロニックP103を使用する場合には0.0022であり、プルロニックP85を使用する場合には0.001である。   When a polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate is used, the polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate / solvent molar ratio is preferably 0.0005 to 0.05. A specific example of a particularly preferred polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate / solvent molar ratio is 0.002 when using Pluronic P123 as the surfactant, and 0.0022 when using Pluronic P103, 0.001 when using Pluronic P85.

(iii) 界面活性剤/金属アルコキシド又は界面活性剤/金属アルコキシド重縮合物のモル比
界面活性剤/金属アルコキシド及び界面活性剤/金属アルコキシド重縮合物の好ましいモル比は、使用する界面活性剤によって異なる。界面活性剤/金属アルコキシドのモル比が好ましい範囲の下限未満であると、界面活性剤の量が少な過ぎるため、十分な三次元高規則性構造を有するナノポーラス体が得られない。上限超であると、ナノポーラス体がヘキサゴナル構造を取らなくなり、三次元規則性が低下する。
(iii) Molar ratio of surfactant / metal alkoxide or surfactant / metal alkoxide polycondensate The preferred molar ratio of surfactant / metal alkoxide and surfactant / metal alkoxide polycondensate depends on the surfactant used. Different. If the surfactant / metal alkoxide molar ratio is less than the lower limit of the preferred range, the amount of the surfactant is too small, so that a nanoporous body having a sufficient three-dimensional highly ordered structure cannot be obtained. If it exceeds the upper limit, the nanoporous body will not take a hexagonal structure, and the three-dimensional regularity will deteriorate.

アルキルポリエチレンオキサイド重縮合物と金属アルコキシドとを使用する場合、アルキルポリエチレンオキサイド重縮合物/金属アルコキシドのモル比は、0.02〜1にするのが好ましい。特に好ましいアルキルポリエチレンオキサイド重縮合物/金属アルコキシドのモル比の具体例を挙げると、界面活性剤としてBrij56を使用する場合には0.14であり、Brij30を使用する場合には0.5であり、Brij35を使用する場合には0.043であり、Brij58を使用する場合には0.046である。   When using an alkylpolyethylene oxide polycondensate and a metal alkoxide, the molar ratio of alkylpolyethylene oxide polycondensate / metal alkoxide is preferably 0.02 to 1. A specific example of a particularly preferred alkyl polyethylene oxide polycondensate / metal alkoxide molar ratio is 0.14 when Brij56 is used as a surfactant, 0.5 when Brij30 is used, and Brij35 is used. In the case of using Brij58, it is 0.043.

ポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物と金属アルコキシドとを使用する場合、ポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物/金属アルコキシドのモル比は、0.005〜0.5にするのが好ましい。特に好ましいポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物/溶媒のモル比の具体例を挙げると、界面活性剤としてプルロニックP123を使用する場合には0.02であり、プルロニックP103を使用する場合には0.0215であり、プルロニックP85を使用する場合には0.01である。   When polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate and metal alkoxide are used, the molar ratio of polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate / metal alkoxide is preferably 0.005 to 0.5. A specific example of the particularly preferred polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate / solvent molar ratio is 0.02 when using Pluronic P123 as the surfactant, and 0.0215 when using Pluronic P103, When using Pluronic P85, it is 0.01.

出発物質として金属アルコキシドの重縮合物を使用する場合、金属アルコキシド縮合物に含まれるモノマー単位の数に対する界面活性剤のモル数の比率(界面活性剤/金属アルコキシド縮合物のモノマー単位数)が、界面活性剤/金属アルコキシドの好ましいモル比と同じになるようにする。すなわち、金属アルコキシド縮合物の平均縮合数がnのとき、アルキルポリエチレンオキサイド重縮合物/金属アルコキシド重縮合物のモル比は0.02/n〜1/nにするのが好ましく、ポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物/金属アルコキシド重縮合物のモル比は0.005/n〜0.5/nにするのが好ましい。   When a metal alkoxide polycondensate is used as a starting material, the ratio of the number of moles of surfactant to the number of monomer units contained in the metal alkoxide condensate (surfactant / number of monomer units of metal alkoxide condensate) is The preferred molar ratio of surfactant / metal alkoxide should be the same. That is, when the average condensation number of the metal alkoxide condensate is n, the molar ratio of the alkyl polyethylene oxide polycondensate / metal alkoxide polycondensate is preferably 0.02 / n to 1 / n, and the polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate The molar ratio of condensate / metal alkoxide polycondensate is preferably 0.005 / n to 0.5 / n.

(b) 酸の添加
金属アルコキシド等及び界面活性剤を含有する溶液に酸を加え、低温で均一に混合することにより金属アルコキシド等を加水分解する。酸の種類には特に限定はなく、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸及び酢酸、酒石酸等の有機酸を使用することができる。塩酸を使用すると、焼成により完全に除去可能であるので好ましい。溶液のpHが0〜6になるように、酸を添加するのが好ましい。pHが6超であると、加水分解反応及び縮重合反応が進行し難過ぎるので好ましくない。pHが0未満であると、溶液中で金属塩及び/又は加水分解物が沈殿し易過ぎる。溶液のpHが0〜6の酸性状態であると、三次元高規則性を有するナノポーラス体が得られる。
(b) Acid addition An acid is added to a solution containing a metal alkoxide or the like and a surfactant, and the metal alkoxide or the like is hydrolyzed by mixing uniformly at a low temperature. There are no particular limitations on the type of acid, and mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, and nitric acid, and organic acids such as acetic acid and tartaric acid can be used. It is preferable to use hydrochloric acid because it can be completely removed by calcination. It is preferable to add an acid so that the pH of the solution is 0-6. A pH exceeding 6 is not preferable because the hydrolysis reaction and the condensation polymerization reaction are difficult to proceed. When the pH is less than 0, the metal salt and / or the hydrolyzate is easily precipitated in the solution. When the pH of the solution is in an acidic state of 0 to 6, a nanoporous body having three-dimensional high regularity can be obtained.

出発物質として金属アルコキシドを使用する場合、より好ましい溶液のpHは1〜4.5である。金属アルコキシド重縮合物を使用する場合、より好ましい溶液のpHは0.5〜4であり、特に好ましいpHは1.5〜3.5である。   When using a metal alkoxide as a starting material, the pH of the more preferred solution is 1 to 4.5. When a metal alkoxide polycondensate is used, the pH of the more preferable solution is 0.5 to 4, and the particularly preferable pH is 1.5 to 3.5.

(c) その他の加水分解条件
酸を添加した後、室温、常圧で10〜60分程度撹拌すると、金属アルコキシド等の加水分解反応が進行し、透明な加水分解物溶液が得られる。金属アルコキシド等の加水分解は加熱せずに行うことができるが、低温(65℃以下)であれば加熱しても良い。好適な加水分解温度は23〜60℃である。より好ましい加水分解温度は23〜40℃である。
(c) Other hydrolysis conditions After the acid is added, when the mixture is stirred at room temperature and normal pressure for about 10 to 60 minutes, the hydrolysis reaction of metal alkoxide and the like proceeds, and a transparent hydrolyzate solution is obtained. Although hydrolysis of a metal alkoxide etc. can be performed without heating, you may heat at low temperature (65 degrees C or less). The preferred hydrolysis temperature is 23-60 ° C. A more preferred hydrolysis temperature is 23 to 40 ° C.

(5) 金属塩の添加
溶媒の揮発に先立って、加水分解物溶液が金属塩を含有するようにする。具体的には金属塩を、加水分解用溶液又は加水分解物溶液に添加する。難溶性の塩を添加する場合は、加水分解前に塩酸に溶かして入れるのが好ましい。加水分解物溶液に金属塩を添加する場合、添加後に十分撹拌(例えば10〜30分)するのが好ましい。加水分解物溶液が金属塩を含有していないと、加水分解物溶液を流動するガス中に噴霧しても、(a) 加水分解物と界面活性剤の複合体が液状(又はオイル状)のままで固体にならないか、(b) 高粘性の白色固体の集合物となって略球形のナノポーラス体を得られない。加水分解物溶液が金属イオンを含有した状態で溶媒を揮発させることにより、骨格構造中に三次元高規則性を有する略球形のナノポーラス体を作製することができる。
(5) Addition of metal salt Prior to volatilization of the solvent, the hydrolyzate solution should contain a metal salt. Specifically, the metal salt is added to the hydrolysis solution or the hydrolyzate solution. When adding a hardly soluble salt, it is preferable to dissolve the salt in hydrochloric acid before hydrolysis. When adding a metal salt to the hydrolyzate solution, it is preferable to sufficiently stir (for example, 10 to 30 minutes) after the addition. If the hydrolyzate solution does not contain a metal salt, even if the hydrolyzate solution is sprayed into the flowing gas, (a) the hydrolyzate / surfactant complex is liquid (or oily) It does not become a solid as it is, or (b) a substantially spherical nanoporous body cannot be obtained as an aggregate of highly viscous white solids. By volatilizing the solvent in a state where the hydrolyzate solution contains metal ions, a substantially spherical nanoporous body having three-dimensional high regularity in the skeleton structure can be produced.

ナノポーラス体の骨格中の主成分と金属塩との比は、加水分解用溶液中の金属アルコキシド等と塩とのモル比に等しくなる。したがって加水分解用溶液が含金属イオンを含有するようにすることにより、骨格構造中に所望の量だけ主成分以外の元素を含有するナノポーラス体を作製することができる。主成分以外の元素は骨格中に規則的に組み込まれるので、ナノポーラス体の三次元高規則性は阻害されない。   The ratio between the main component and the metal salt in the skeleton of the nanoporous body is equal to the molar ratio between the metal alkoxide and the like in the hydrolysis solution and the salt. Therefore, by making the hydrolyzing solution contain metal-containing ions, a nanoporous body containing an element other than the main component in a desired amount in the skeleton structure can be produced. Since elements other than the main component are regularly incorporated into the skeleton, the three-dimensional high regularity of the nanoporous body is not inhibited.

金属塩の例としてはTi、Ge、Si、Al、Cr、Zr、Mn、Co、Ni、Fe、Mg、V、Sn、W、Ta、Nb、Hf、Pt、Pd、Ru、Rh及びIrからなる群より選択された少なくとも一種の塩が挙げられる。より好ましい金属塩の具体例として、硝酸アルミニウム、硝酸ジルコニウムが挙げられる。   Examples of metal salts include Ti, Ge, Si, Al, Cr, Zr, Mn, Co, Ni, Fe, Mg, V, Sn, W, Ta, Nb, Hf, Pt, Pd, Ru, Rh and Ir And at least one salt selected from the group consisting of: Specific examples of more preferable metal salts include aluminum nitrate and zirconium nitrate.

(6) 加水分解溶液の熟成及び濃縮
加水分解物溶液を実質的に均一に維持しながら、その溶媒の一部を揮発させ、濃縮液を得る。ここで溶液が「実質的に均一」とは、実質的に界面活性剤の自己組織化(三次元高規則化)が維持される程度に溶液が均一であることを言う。具体的には、界面活性剤の三次元高規則化の妨げにならない程度に、溶液の濃度分布や温度分布が小さく保持されていることを意味する。
(6) Aging and concentration of hydrolyzed solution While maintaining the hydrolyzate solution substantially uniform, a part of the solvent is volatilized to obtain a concentrated solution. Here, “substantially uniform” means that the solution is uniform to such an extent that the self-assembly (three-dimensional high ordering) of the surfactant is substantially maintained. Specifically, it means that the concentration distribution and temperature distribution of the solution are kept small enough not to hinder the three-dimensional high ordering of the surfactant.

加水分解物溶液を実質的に均一な状態にする方法は特に限定されず、一般的な方法をとることができる。例えば撹拌翼、撹拌子等の撹拌手段により行っても良いし、加水分解物溶液を入れた容器の回転により行っても良い。   A method for making the hydrolyzate solution substantially uniform is not particularly limited, and a general method can be adopted. For example, it may be performed by a stirring means such as a stirring blade or a stirring bar, or may be performed by rotating a container containing a hydrolyzate solution.

加水分解物溶液の温度は0〜70℃とするのが好ましく、10〜60℃とするのがより好ましい。0℃未満であると、界面活性剤の溶解度が小さ過ぎて界面活性剤が析出してしまう。70℃超であると、金属アルコキシド等の分圧が高過ぎてナノポーラス体の収率が低下する。また界面活性剤及び加水分解物の分子運動が大き過ぎて、ナノポーラス体の三次元高規則性が失われる。   The temperature of the hydrolyzate solution is preferably 0 to 70 ° C, more preferably 10 to 60 ° C. If it is less than 0 ° C., the solubility of the surfactant is too small and the surfactant is precipitated. If it exceeds 70 ° C., the partial pressure of the metal alkoxide or the like is too high, and the yield of the nanoporous body decreases. Further, the molecular motion of the surfactant and the hydrolyzate is too large, and the three-dimensional high regularity of the nanoporous body is lost.

(7) スプレードライ
一定方向に流れる50〜170℃のガスに、加水分解物の濃縮液をスプレーする。ガスの温度を170℃超とすると、溶媒の揮発が速過ぎてナノポーラス体の三次元高規則性が失われ過ぎる。ガスの温度を50℃未満とすると、溶媒を十分に除去できないため、(a) 略球形のナノポーラス体を得られない他、(b) 生成物が乾燥チャンバの壁に付着する割合が増加して、回収率が低くなり過ぎる。ガスの温度は50〜100℃にするのがより好ましく、80〜100℃にするのが特に好ましい。
(7) Spray drying Spray the hydrolyzate concentrate into a gas at 50 to 170 ° C flowing in a certain direction. If the gas temperature exceeds 170 ° C., the volatilization of the solvent is too fast and the three-dimensional high regularity of the nanoporous body is lost too much. If the temperature of the gas is less than 50 ° C, the solvent cannot be removed sufficiently. The recovery rate is too low. The temperature of the gas is more preferably 50 to 100 ° C, and particularly preferably 80 to 100 ° C.

入口と出口を有する乾燥チャンバ内でガスを一定方向に流し、その流れに平行に設置したノズルから濃縮液をスプレーするのが好ましい。乾燥チャンバ内の温度は調節可能になっており、出口付近のガス温度を入口付近より30〜80℃低く設定するのが好ましい。入口付近においては溶媒の気化熱によってガス温度は大きく低下するが、出口付近ではその影響は小さい。このため出口付近のガス温度を入口付近より30〜80℃低くしておくと、出口付近の温度と入口付近の温度が近くなる。   It is preferable to flow the gas in a certain direction in a drying chamber having an inlet and an outlet, and spray the concentrate from a nozzle installed in parallel with the flow. The temperature in the drying chamber can be adjusted, and the gas temperature near the outlet is preferably set 30 to 80 ° C. lower than the vicinity of the inlet. In the vicinity of the inlet, the gas temperature greatly decreases due to the heat of vaporization of the solvent, but the influence is small in the vicinity of the outlet. For this reason, if the gas temperature near the outlet is lowered by 30 to 80 ° C. near the inlet, the temperature near the outlet and the temperature near the inlet become close to each other.

乾燥チャンバ内では酸素濃度を低くしておく必要がある。乾燥チャンバ内の酸素濃度が高過ぎると、溶媒によっては発火及び/又は爆発が起こるおそれがあるので好ましくない。また溶媒蒸気の濃度も、常に爆発下限以下に保つのが好ましい。例えばエタノールを溶媒とて使用し、チャンバ内の温度を170℃とする場合、酸素濃度は5体積%以下にする必要があり、エタノールの蒸気濃度は4.3体積%にするのが好ましい。溶媒蒸気の濃度を低く保つ方法として、濃縮液の噴霧に先立って乾燥チャンバ内を不活性ガス雰囲気にしておき、濃縮液を不活性ガスと共に噴霧する方法が挙げられる。さらに、電気火花による引火事故を防止するため、電気接点を防電仕様にする必要がある。   It is necessary to keep the oxygen concentration low in the drying chamber. If the oxygen concentration in the drying chamber is too high, ignition and / or explosion may occur depending on the solvent, which is not preferable. Also, it is preferable to always keep the concentration of the solvent vapor below the lower limit of explosion. For example, when ethanol is used as a solvent and the temperature in the chamber is 170 ° C., the oxygen concentration needs to be 5% by volume or less, and the ethanol vapor concentration is preferably 4.3% by volume. As a method of keeping the concentration of the solvent vapor low, there is a method in which the inside of the drying chamber is made an inert gas atmosphere prior to spraying of the concentrated liquid, and the concentrated liquid is sprayed together with the inert gas. Furthermore, in order to prevent a flammable accident caused by electric sparks, it is necessary to make the electrical contacts have a protective specification.

ノズルは、濃縮液と不活性ガスとを気液混合状態で霧状に噴出可能であれば特に限定されない。一般的なノズルは0.3〜1mm程度の内径を有する細管である。ノズル背圧は0.05〜0.3 MPaとするのが好ましい。ノズル背圧が0.3 MPa超であると、濃縮液と不活性ガスとの流量バランスが崩れ過ぎ、一定範囲の大きさの液滴を安定して噴霧できない。ノズル背圧0.05 MPa未満であると、噴霧量が少なすぎてナノポーラス体の生成効率が悪すぎる。   The nozzle is not particularly limited as long as the concentrate and the inert gas can be ejected in a mist state in a gas-liquid mixed state. A general nozzle is a thin tube having an inner diameter of about 0.3 to 1 mm. The nozzle back pressure is preferably 0.05 to 0.3 MPa. When the nozzle back pressure is more than 0.3 MPa, the flow rate balance between the concentrate and the inert gas is excessively disturbed, and droplets having a certain size range cannot be stably sprayed. When the nozzle back pressure is less than 0.05 MPa, the spray amount is too small and the production efficiency of the nanoporous body is too bad.

スプレーされた濃縮液の液滴に含まれる溶媒は、数100 msec以内に揮発する。界面活性剤と金属酸化物との三次元高規則的配列は濃縮工程で完了しており、噴霧したり乾燥したりしても、この構造は失われ難くなっている。このため三次元高規則的な構造は、揮発する間に殆んど崩れない。したがって、スプレードライにより三次元高規則性を有する乾燥ナノポーラス体が生成する。   The solvent contained in the sprayed concentrated liquid droplets volatilizes within several hundred msec. The three-dimensional highly ordered arrangement of surfactant and metal oxide is completed in the concentration process, and this structure is not easily lost even when sprayed or dried. For this reason, the three-dimensional highly regular structure hardly collapses during volatilization. Therefore, a dry nanoporous body having three-dimensional high regularity is generated by spray drying.

(8) 焼成
ナノポーラス体を十分な時間焼成し、微細孔内に含まれる有機物を完全に除去する。焼成温度は350〜800℃とするのが好ましく、400〜650℃とするのがより好ましい。焼成時間は1時間以上が好ましく、1.5〜14時間がより好ましく、2〜10時間が特に好ましい。規則的に配列された界面活性剤は完全に消失するので、その部分は規則的に配列された空孔となる。このようにして、図1に示すように三次元高規則性を有するナノポーラス体が得られる。
(8) Firing The nanoporous body is fired for a sufficient time to completely remove organic substances contained in the fine pores. The firing temperature is preferably 350 to 800 ° C, more preferably 400 to 650 ° C. The firing time is preferably 1 hour or longer, more preferably 1.5 to 14 hours, and particularly preferably 2 to 10 hours. The regularly arranged surfactant completely disappears, so that part becomes regularly arranged vacancies. In this way, a nanoporous body having three-dimensional high regularity is obtained as shown in FIG.

[2] ナノポーラス体
(1) 無機材料
ナノポーラス体は下記式(6)
M1 aM2 bOh ・・・(6)
(ただし、aは1以下の正の数を示し、bは0以上1未満の数を示し、a + b = 1であり、hは1〜2.5の数を示し、M1はSi、Al、Ti、Zr及びGeからなる群より選ばれた少なくとも一種を示し、M2はMn、Co、Ni、Fe、Cr、Mg、V、Sn、W、Ta、Nb、Hf、Pt、Pd、Ru、Rh及びIrからなる群より選ばれた少なくとも一種を示す。)により表されるのが好ましい。例えばケイ素アルコキシドのみを出発物質とし、金属塩として硝酸アルミニウムのみを使用する場合、aは1であり、M2は付加されない。hは、SiとAlの合計に対する酸素の比率を示す。
[2] Nanoporous body
(1) Inorganic material Nanoporous body is represented by the following formula (6)
M 1 a M 2 b O h・ ・ ・ (6)
(However, a represents a positive number of 1 or less, b represents a number of 0 or more and less than 1, a + b = 1, h represents a number of 1 to 2.5, M 1 represents Si, Al, At least one selected from the group consisting of Ti, Zr and Ge, M 2 is Mn, Co, Ni, Fe, Cr, Mg, V, Sn, W, Ta, Nb, Hf, Pt, Pd, Ru, It is preferably represented by at least one selected from the group consisting of Rh and Ir. For example, when only silicon alkoxide is used as a starting material and only aluminum nitrate is used as a metal salt, a is 1 and M 2 is not added. h represents the ratio of oxygen to the sum of Si and Al.

(2) 形状
ナノポーラス体は略球形、又は複数の略球形の粒子が結合した形状を有する。「略球形」は球形に近似できる形状を意味し、球形の他に、歪んだ球形や、一部が欠けた球形や、扁平な球形も含まれる。本発明のナノポーラス体の一例の写真を図2に示す。略球の直径は0.5〜50μmである。ナノポーラス体のうち40質量%以上が略球形であるのが好ましく、80質量%以上が略球形であるのがより好ましい。
(2) Shape The nanoporous body has a substantially spherical shape or a shape in which a plurality of substantially spherical particles are combined. The “substantially spherical shape” means a shape that can be approximated to a spherical shape, and includes, in addition to the spherical shape, a distorted spherical shape, a partially broken spherical shape, and a flat spherical shape. A photograph of an example of the nanoporous body of the present invention is shown in FIG. The diameter of the approximate sphere is 0.5 to 50 μm. Of the nanoporous body, 40% by mass or more is preferably substantially spherical, and more preferably 80% by mass or more is substantially spherical.

ナノポーラス体は300 m2以上のBET表面積を有し、好ましいナノポーラス体は500 m2以上のBET表面積を有する。300 m2以上のBET表面積を有するナノポーラス体は、優れた吸着性を有する。BET表面積は、窒素ガス吸着量等に基づいて見積もることができる。 Nanoporous bodies have a BET surface area of 300 m 2 or more, and preferred nanoporous bodies have a BET surface area of 500 m 2 or more. A nanoporous body having a BET surface area of 300 m 2 or more has excellent adsorptivity. The BET surface area can be estimated based on the nitrogen gas adsorption amount and the like.

(3) 三次元高規則性
ナノポーラス体を形成する金属酸化物は、ナノメートルレベルの規則構造〈周期構造〉を有するのが好ましい。好ましい規則構造の例として、図1に概略的に示すヘキサゴナル構造や、3次元に連結した細孔を有するキュービック構造が挙げられる。ヘキサゴナル構造又はキュービック構造を有するナノポーラス体は、均一な孔径の細孔を有する。なお無機材料からなる骨格構造を有する限り本発明のナノポーラス体を構成する成分は限定されず、骨格以外の部分に有機物を含有しても良い。
(3) Three-dimensional high regularity The metal oxide forming the nanoporous body preferably has a nanometer-level ordered structure (periodic structure). Examples of a preferred ordered structure include a hexagonal structure schematically shown in FIG. 1 and a cubic structure having pores connected in three dimensions. A nanoporous body having a hexagonal structure or a cubic structure has pores having a uniform pore diameter. In addition, as long as it has the skeleton structure which consists of inorganic materials, the component which comprises the nanoporous body of this invention is not limited, You may contain organic substance in parts other than skeleton.

三次元規則性は、ナノポーラス体のX線回折パターンによって評価することができる。高い規則性を有するナノポーラス体はナノメートルオーダーの周期性を有するため、X線回折パターンのピークは、通常、小さい角度(2θが概ね5°以下)に現れる。得られるX線回折ピークのうち最大ピーク[第一ピークであり、ナノポーラス体の(100)面のX線回折ピーク]の半値幅が2°以下であると、三次元規則性に優れていると言える。半値幅は1.5°以下であるのが好ましく、1°以下であるのがより好ましい。   The three-dimensional regularity can be evaluated by the X-ray diffraction pattern of the nanoporous body. Since a nanoporous body having high regularity has a periodicity on the order of nanometers, the peak of the X-ray diffraction pattern usually appears at a small angle (2θ is approximately 5 ° or less). Among the obtained X-ray diffraction peaks, if the full width at half maximum of the maximum peak [the first peak and the (100) plane X-ray diffraction peak of the nanoporous body] is 2 ° or less, the three-dimensional regularity is excellent. I can say that. The full width at half maximum is preferably 1.5 ° or less, and more preferably 1 ° or less.

(4) 微細孔
(a) 孔径
本発明の方法により得られるナノポーラス体は、マイクロポーラスな多孔体及び/又はメソポーラスな多孔体である。IUPACによると、多孔体は、細孔径2nm以下のマイクロポーラス固体、細孔径2〜50 nmのメソポーラス固体及び細孔径50 nm以上のマクロポーラス固体に分類される。本明細書中、「ナノポーラス体」とは、マイクロ孔及び/又はメソ孔を有し、無機物からなる骨格を有するものを言う。ナノポーラス体の孔径は2〜10 nmであり、2〜4.0 nmであるのが好ましい。本明細書中、ナノポーラス体の孔径は、ガス吸着法により下記式(7) 及び(8)から求めた孔径分布のピークにおける孔径と定義する。またガス吸着測定は、ナノポーラス体を300℃で8時間減圧乾燥(真空脱気)した後、−196℃で行うこととする。減圧乾燥時の圧力は10-1 Pa以下とするのが好ましく、10-2 Pa以下とするのがより好ましい。
(4) Micropore
(a) Pore size The nanoporous body obtained by the method of the present invention is a microporous porous body and / or a mesoporous porous body. According to IUPAC, porous bodies are classified into microporous solids having a pore diameter of 2 nm or less, mesoporous solids having a pore diameter of 2 to 50 nm, and macroporous solids having a pore diameter of 50 nm or more. In the present specification, the “nanoporous body” refers to those having micropores and / or mesopores and having a skeleton made of an inorganic substance. The pore size of the nanoporous body is 2 to 10 nm, and preferably 2 to 4.0 nm. In the present specification, the pore size of the nanoporous body is defined as the pore size at the peak of the pore size distribution obtained from the following formulas (7) and (8) by the gas adsorption method. Gas adsorption measurement is performed at −196 ° C. after the nanoporous body is dried under reduced pressure (vacuum degassing) at 300 ° C. for 8 hours. Vacuum drying pressure during preferably not more than 10 -1 Pa, more preferably between 10 -2 Pa or less.

[rc:吸着質の毛細管凝縮が起こる微細孔の臨界半径、
t:吸着質の多分子吸着層の厚さ、
p/p0:測定温度における吸着質の圧力pと飽和蒸気圧p0との比(相対圧)、
γ:吸着質のバルク液体状態での界面張力、
Vm:吸着質のバルク液体状態でのモル体積、
δ:界面張力面に対するゼロ吸着の変位を表す定数、及び
F(t)=RT[A/t2 − B] x ln C(A、B及びCはそれぞれ系により定まる定数である。)]
[R c : critical radius of micropore where capillary condensation of adsorbate occurs,
t: thickness of the adsorbate multimolecular adsorption layer,
p / p 0 : the ratio (relative pressure) between the adsorbate pressure p and the saturated vapor pressure p 0 at the measurement temperature,
γ : Interfacial tension in the bulk liquid state of the adsorbate,
V m : molar volume of adsorbate in bulk liquid state,
δ: a constant representing the displacement of zero adsorption relative to the interfacial tension surface, and
F (t) = RT [A / t 2 −B] x ln C (A, B, and C are constants determined by the system)]

式(7) は、Broekhoff及びde Boerにより提案されたものである(Broekhoff, J. C. P., 及びde Boer, J. H., J. Catal. 10, 377 (1968))。また式(8) はKelvin式を修正したものであり、GTKB-Kelvin-Cylindrical式と呼ばれている。これはGibbs-Tolman=koening-Buffによる、表面張力が細孔の曲率の関数となると考えた場合の修正kelvin式をシリンダー状細孔に当てはめたものである。またF(t)の式において、定数A、B及びCはそれぞれナノポーラス体の系により定まり、例えばナノポーラスシリカの場合、A = 0.1399、B = 0.034、C = 10である。上述の細孔径分布評価法については、Miyata, T, Endo, A, Ohmori, T, Akiya, T, Nakaiwa, M, Journal of Colloid and Inerface Science, 262, p116, 2003に詳細に記載されている。   Equation (7) was proposed by Broekhoff and de Boer (Broekhoff, J. C. P., and de Boer, J. H., J. Catal. 10, 377 (1968)). Equation (8) is a modification of the Kelvin equation and is called the GTKB-Kelvin-Cylindrical equation. This is a modified kelvin equation for Gibbs-Tolman = koening-Buff when the surface tension is considered to be a function of the curvature of the pores. In the formula of F (t), the constants A, B, and C are respectively determined by the nanoporous body system. For example, in the case of nanoporous silica, A = 0.1399, B = 0.034, and C = 10. The aforementioned pore size distribution evaluation method is described in detail in Miyata, T, Endo, A, Ohmori, T, Akiya, T, Nakaiwa, M, Journal of Colloid and Inerface Science, 262, p116, 2003.

(b) 隔壁の厚さ
ナノポーラス体は、極めて小さな孔径を有する微細孔を有するのみならず、微細孔の隔壁も非常に薄い。隔壁の厚さは0.5〜3nm程度である。このように薄い隔壁のために、本発明の製造方法により得られるナノポーラス体は高い多孔度を有する。
(b) Thickness of the partition wall The nanoporous body not only has micropores having extremely small pore diameters, but also has very thin partition walls. The partition wall thickness is about 0.5 to 3 nm. Because of such thin partition walls, the nanoporous body obtained by the production method of the present invention has high porosity.

(5) 用途
ナノポーラス体は優れた吸着性を有するので、水や有機物の吸着剤として使用できる。例えばナノポーラス体1gあたり、0.15〜0.80 gのベンゼンを吸着することができる。また触媒の担体としても使用できる。例えばナノポーラス体にスルホン酸化合物を担持させたものは、アルデヒドやケトンのアセタール反応、酢酸フェニルのフリース(Fries)転移反応に使用することができる。ナノポーラス体は粉状又は粒状であるので、吸着剤や触媒担体として用いる場合に造粒等の必要が無く、焼成後にそのまま使用することができる。したがって吸着剤や触媒の製造が簡便であるためコスト安である他、造粒剤(バインダー)が微細孔内に詰まって、吸着能が低下するおそれがない。
(5) Applications Since the nanoporous body has excellent adsorptivity, it can be used as an adsorbent for water and organic matter. For example, 0.15 to 0.80 g of benzene can be adsorbed per 1 g of nanoporous body. It can also be used as a catalyst support. For example, a nanoporous material carrying a sulfonic acid compound can be used for acetal reaction of aldehydes and ketones, and Fries transfer reaction of phenyl acetate. Since the nanoporous body is powdery or granular, there is no need for granulation or the like when used as an adsorbent or catalyst carrier, and it can be used as it is after firing. Therefore, since the production of the adsorbent and the catalyst is simple, the cost is low, and there is no possibility that the granulating agent (binder) is clogged in the micropores and the adsorbing ability is not lowered.

本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.

実施例1
界面活性剤(Brij56)14.14 gと、エタノール(純度99.5体積%以上)69 gとを200 mLのガラスビーカーに入れ、マグネチックスターラーを使用して、常温で15分間撹拌した。次にテトラエチルオルトシリケート(純度98%)29.64 gと、硝酸アルミニウム(Al(NO3)3・9H2O)2.81 gとを溶解させた後、塩酸(1規定)27.0 gを加えて常温で20分間撹拌し、透明な加水分解物溶液を得た。
Example 1
Surfactant (Brij56) 14.14 g and ethanol (purity 99.5% by volume or more) 69 g were placed in a 200 mL glass beaker and stirred at room temperature for 15 minutes using a magnetic stirrer. Next, 29.64 g of tetraethylorthosilicate (purity 98%) and 2.81 g of aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) are dissolved, and then 27.0 g of hydrochloric acid (1N) is added, and 20 at room temperature is added. Stir for minutes to obtain a clear hydrolyzate solution.

この加水分解物溶液を500 mLナス型フラスコに移し、ロータリーエバポレータ(38 rpm)を使用して、25℃の温度及び70 hPaの減圧状態に1時間50分間保持することにより溶媒を揮発させ、加水分解物の濃縮液を得た。   This hydrolyzate solution was transferred to a 500 mL eggplant-shaped flask, and the solvent was volatilized by holding it at a temperature of 25 ° C. and a reduced pressure of 70 hPa for 1 hour 50 minutes using a rotary evaporator (38 rpm). A concentrate of the decomposition product was obtained.

スプレードライヤー(ヤマト科学製 GS310)を使用して、濃縮液を窒素ガスと共にスプレードライし、白色粉体を得た。スプレードライ工程においては、ドライヤーの噴霧ノズルは口径0.7 mmφのものを使用し、噴霧速度を4.8 g / minとし、ノズル背圧を0.075 MPaとし、チャンバの入口温度を80℃とし、窒素ガスの風圧を0.5 MPaとした。   The concentrated solution was spray-dried with nitrogen gas using a spray dryer (GS310, manufactured by Yamato Kagaku) to obtain a white powder. In the spray drying process, the spray nozzle of the dryer uses a 0.7 mmφ nozzle, the spray rate is 4.8 g / min, the nozzle back pressure is 0.075 MPa, the chamber inlet temperature is 80 ° C., and the nitrogen gas wind pressure Was 0.5 MPa.

得られた白色粉体を600℃で焼成して、界面活性剤を除去した。得られたポーラスシリカ(焼成体)を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。ポーラスシリカの走査型電子顕微鏡写真を図3に示す。図3から、ポーラスシリカは球形又は球形物が結合した形状を有することが分かった。   The obtained white powder was baked at 600 ° C. to remove the surfactant. The obtained porous silica (fired body) was observed with a scanning electron microscope (SEM). A scanning electron micrograph of porous silica is shown in FIG. From FIG. 3, it was found that the porous silica has a spherical shape or a shape in which spherical objects are bonded.

ポーラスシリカのX線回折パターン(XRD)、及び窒素ガスによる吸着等温線により細孔構造の構造規則性の評価を行った。ナノポーラスシリカのX線回折パターン及び窒素吸着等温線をそれぞれ図4及び図5に示す。図5中、●は吸着を示し、○は脱着を示す。X線回折パターンにおいて、2θが2〜6°の位置にピークが現れていたことから、ポーラスシリカがナノメートルオーダーで高い構造周期性を有することが分かった。また窒素吸着等温線からBET表面積及び細孔径(脱着量から求めた細孔分布曲線の最頻値)を計算した。BET表面積は706 m2/gであり、細孔径は2.6 nmであった。BET表面積及び細孔径からも、ポーラスシリカがナノメートルレベルの細孔構造を有することが確認された。 The structural regularity of the pore structure was evaluated by an X-ray diffraction pattern (XRD) of porous silica and an adsorption isotherm by nitrogen gas. The X-ray diffraction pattern and nitrogen adsorption isotherm of nanoporous silica are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. In FIG. 5, ● indicates adsorption, and ◯ indicates desorption. In the X-ray diffraction pattern, since a peak appeared at a position where 2θ was 2 to 6 °, it was found that porous silica has a high structural periodicity on the nanometer order. The BET surface area and pore diameter (mode value of the pore distribution curve obtained from the desorption amount) were calculated from the nitrogen adsorption isotherm. The BET surface area was 706 m 2 / g and the pore size was 2.6 nm. From the BET surface area and pore diameter, it was confirmed that the porous silica has a nanometer level pore structure.

実施例2
界面活性剤(プルロニックP123)3.45 gと、エタノール(純度99.5体積%以上)13.8 gとを100 mLのガラスビーカーに入れて撹拌した後、テトラエチルオルトシリケート(純度98%)5.928 gと、硝酸アルミニウム(Al(NO3)3・9H2O)0.562 gとを溶解させ、塩酸(1規定)5.4 gを加えて10分間撹拌し、透明な加水分解物溶液を得た。
Example 2
Surfactant (Pluronic P123) 3.45 g and ethanol (purity 99.5 vol% or more) 13.8 g were placed in a 100 mL glass beaker and stirred, then tetraethylorthosilicate (purity 98%) 5.928 g, aluminum nitrate ( Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) (0.562 g) was dissolved, hydrochloric acid (1N) (5.4 g) was added, and the mixture was stirred for 10 minutes to obtain a transparent hydrolyzate solution.

この加水分解物溶液を100 mLナス型フラスコに移し、ロータリーエバポレータ(78 rpm)を使用して、40℃の温度及び150 hPaの減圧状態に1時間保持して溶媒を揮発させ、加水分解物の濃縮液を得た。   This hydrolyzate solution was transferred to a 100 mL eggplant-shaped flask, and the solvent was volatilized by using a rotary evaporator (78 rpm) at a temperature of 40 ° C. and a reduced pressure of 150 hPa for 1 hour to volatilize the solvent. A concentrated solution was obtained.

スプレードライヤー(ヤマト科学製 GS310)を使用して、濃縮液を窒素ガスと共にスプレードライし、白色粉体を得た。スプレードライ工程においては、口径0.7 mmφのドライヤーの噴霧ノズルを使用し、噴霧速度を4.6 g / minとし、ノズル背圧を0.075 MPaとし、チャンバの入口温度を80℃とし、窒素ガスの風圧を0.5 MPaとした。   The concentrated solution was spray-dried with nitrogen gas using a spray dryer (GS310, manufactured by Yamato Kagaku) to obtain a white powder. In the spray drying process, a 0.7 mmφ dryer spray nozzle is used, the spray rate is 4.6 g / min, the nozzle back pressure is 0.075 MPa, the chamber inlet temperature is 80 ° C., and the nitrogen gas wind pressure is 0.5. MPa.

得られた白色粉体を600℃で焼成して、界面活性剤を除去し、ポーラスシリカ(焼成体)を得た。ポーラスシリカの走査型電子顕微鏡(SEM)写真を図6に示す。図6から、ポーラスシリカは球形又は球形物が結合した形状を有することが分かった。ポーラスシリカのX線回折パターン及び窒素吸着等温線をそれぞれ図7及び図8に示す。図8中、●は吸着を示し、○は脱着を示す。図7において、2θがほぼ1°の位置にピークが現れていたことから、ポーラスシリカがナノメートルオーダーで高い構造周期性を有することが分かった。また窒素吸着等温線からBET表面積及び細孔径(脱着量から求めた細孔分布曲線の最頻値)を計算したところ、それぞれ311 m2/g、5.29 nmであった。BET表面積及び細孔径からも、ポーラスシリカがナノメートルレベルの細孔構造を有することが確認された。 The obtained white powder was fired at 600 ° C. to remove the surfactant, and porous silica (fired body) was obtained. A scanning electron microscope (SEM) photograph of porous silica is shown in FIG. From FIG. 6, it was found that the porous silica has a spherical shape or a shape in which spherical objects are bonded. The X-ray diffraction pattern and nitrogen adsorption isotherm of porous silica are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. In FIG. 8, ● indicates adsorption, and ○ indicates desorption. In FIG. 7, since a peak appeared at a position where 2θ was approximately 1 °, it was found that porous silica has a high structural periodicity on the order of nanometers. The BET surface area and pore diameter (mode of the pore distribution curve obtained from the desorption amount) were calculated from the nitrogen adsorption isotherm, and were 311 m 2 / g and 5.29 nm, respectively. From the BET surface area and pore diameter, it was confirmed that the porous silica has a nanometer level pore structure.

実施例3
界面活性剤(プルロニックP103)3.68 gをエタノール、テトラエチルオルトシリケート、硝酸アルミニウム及び塩酸と混合した以外実施例2と同様にして加水分解物溶液を得、濃縮及びスプレードライした。
Example 3
A hydrolyzate solution was obtained in the same manner as in Example 2 except that 3.68 g of a surfactant (Pluronic P103) was mixed with ethanol, tetraethylorthosilicate, aluminum nitrate and hydrochloric acid, and concentrated and spray dried.

得られた白色粉体を600℃で焼成して、界面活性剤を除去し、ナノポーラスシリカ(焼成体)を得た。ナノポーラスシリカのX線回折パターンを図9に示す。図9から、ナノポーラスシリカは球形又は球形物が結合した形状を有することが分かった。ナノポーラスシリカ(焼成体)の窒素吸着等温線を図10に示す。図10中、●は吸着を示し、○は脱着を示す。図9において、2θがほぼ1°の位置にピークが現れていたことから、ポーラスシリカがナノメートルオーダーで高い構造周期性を有することが分かった。また窒素吸着等温線からBET表面積及び細孔径(脱着量から求めた細孔分布曲線の最頻値)を計算したところ、それぞれ276 m2/g、5.09 nmであった。BET表面積及び細孔径からも、ポーラスシリカがナノメートルレベルの細孔構造を有することが確認された。 The obtained white powder was baked at 600 ° C. to remove the surfactant, and nanoporous silica (baked product) was obtained. The X-ray diffraction pattern of nanoporous silica is shown in FIG. From FIG. 9, it was found that nanoporous silica has a spherical shape or a shape in which spherical objects are bonded. FIG. 10 shows a nitrogen adsorption isotherm of nanoporous silica (fired body). In FIG. 10, ● represents adsorption, and ○ represents desorption. In FIG. 9, since a peak appeared at a position where 2θ is approximately 1 °, it was found that porous silica has a high structural periodicity on the order of nanometers. Further, the BET surface area and the pore diameter (mode value of the pore distribution curve obtained from the desorption amount) were calculated from the nitrogen adsorption isotherm, and were 276 m 2 / g and 5.09 nm, respectively. From the BET surface area and pore diameter, it was confirmed that the porous silica has a nanometer level pore structure.

比較例1
界面活性剤をエタノールに入れて撹拌した後、テトラエチルオルトシリケート(純度98%)31.26 g及び塩酸を混合した以外実施例1と同様にして、加水分解物溶液を得た。
Comparative Example 1
The surfactant was put in ethanol and stirred, and then a hydrolyzate solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that 31.26 g of tetraethylorthosilicate (purity 98%) and hydrochloric acid were mixed.

加水分解物溶液を25℃の温度及び70 hPaの減圧状態で1時間20分間反応させて濃縮した後、実施例1のスプレードライ工程と同じ条件でスプレードライしたところ、スプレードライヤーの内壁に白色のペーストが付着した。これは、十分に乾燥しなかった生成物が粉状にならずに凝集したものと考えられる。内壁に付着した白色固体を採取し、500℃で焼成して界面活性剤を除去し、得られた焼成体を走査型電子顕微鏡で観察した。焼成体の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を図11に示す。図11から分かるように、硝酸アルミニウムを添加しないで作製したナノポーラス体は、略球形を有していなかった。   The hydrolyzate solution was concentrated by reacting for 1 hour and 20 minutes at a temperature of 25 ° C. and a reduced pressure of 70 hPa, and then spray-dried under the same conditions as the spray-drying process of Example 1. A paste adhered. This is considered that the product which did not fully dry was aggregated without becoming powdery. A white solid adhering to the inner wall was collected, fired at 500 ° C. to remove the surfactant, and the obtained fired body was observed with a scanning electron microscope. A scanning electron microscope (SEM) photograph of the fired body is shown in FIG. As can be seen from FIG. 11, the nanoporous body prepared without adding aluminum nitrate did not have a substantially spherical shape.

比較例2
界面活性剤(プルロニックP123)17.25 gと、エタノール(純度99.5体積%以上)69 gとを200 mLのガラスビーカーに入れて撹拌した後、テトラエチルオルトシリケート(純度98%)31.67 gと、塩酸(1規定)27.0 gとを加えて撹拌した以外実施例1と同様にして、透明な加水分解物溶液を得た。この加水分解物溶液を500 mLナス型フラスコに移し、ロータリーエバポレータ(78 rpm)を使用して、40℃の温度及び145 hPaの減圧状態で1時間反応させ、加水分解物の濃縮液を得た。
Comparative Example 2
17.25 g of a surfactant (Pluronic P123) and 69 g of ethanol (purity 99.5% by volume or more) 69 g were placed in a 200 mL glass beaker and stirred, and then 31.67 g of tetraethylorthosilicate (purity 98%) and hydrochloric acid (1 Regulation) A transparent hydrolyzate solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that 27.0 g was added and stirred. This hydrolyzate solution was transferred to a 500 mL eggplant-shaped flask and reacted at a temperature of 40 ° C. and a reduced pressure of 145 hPa for 1 hour using a rotary evaporator (78 rpm) to obtain a concentrated hydrolyzate solution. .

実施例2のスプレードライ工程と同じ条件で濃縮液をスプレードライしたところ、スプレードライヤーの内壁に白色のペーストが付着した。この白色固体を500℃で焼成して界面活性剤を除去し、得られた焼成体を走査型電子顕微鏡で観察した。焼成体の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を図12に示す。図12から分かるように、比較例1と同様に、このナノポーラス体も略球形を有していなかった。   When the concentrated solution was spray-dried under the same conditions as in the spray-drying process of Example 2, a white paste adhered to the inner wall of the spray dryer. This white solid was calcined at 500 ° C. to remove the surfactant, and the obtained calcined product was observed with a scanning electron microscope. A scanning electron microscope (SEM) photograph of the fired body is shown in FIG. As can be seen from FIG. 12, as in Comparative Example 1, this nanoporous body also did not have a substantially spherical shape.

比較例3
「Jornal of Physical Chemistry」(J.M.Kimら著、99巻、45号、16742頁、1995年)を参考にして、次のとおりメソポーラスシリカを合成した。シリカ源としてカタロイドSI-30を使用し、アルカリ源として水酸化ナトリウム及び25質量%アンモニア水溶液を使用し、界面活性剤としてセチルトリメチルアンモニウムブロマイドを使用し、シリカ源:NaOH:NH3:界面活性剤:水が6:1.5:0.15:2:250となるように水溶液を調製した。この水溶液を室温で1時間撹拌し、97℃で1日撹拌したところ、水溶液中にゲルが生成した。ゲルを含有する水溶液を室温に冷却した後、30質量%の酢酸水溶液を加えてpHを10.2に調製した。このゲル含有水溶液を97℃で1日撹拌する工程と、酢酸水溶液を加えてpH調整する工程とを3回繰り返した後、生成物をろ別し、純水で洗浄した。得られた白色の粉末を乾燥し、550℃で焼成して界面活性剤を除去した。
Comparative Example 3
Referring to “Jornal of Physical Chemistry” (JMKim et al., 99, 45, 16742, 1995), mesoporous silica was synthesized as follows. Cataloid SI-30 is used as the silica source, sodium hydroxide and 25% by mass aqueous ammonia are used as the alkali source, cetyltrimethylammonium bromide is used as the surfactant, silica source: NaOH: NH 3 : surfactant : An aqueous solution was prepared so that water was 6: 1.5: 0.15: 2: 250. When this aqueous solution was stirred at room temperature for 1 hour and stirred at 97 ° C. for 1 day, a gel was formed in the aqueous solution. The aqueous solution containing the gel was cooled to room temperature, and then a 30% by mass acetic acid aqueous solution was added to adjust the pH to 10.2. The step of stirring the gel-containing aqueous solution at 97 ° C. for 1 day and the step of adjusting the pH by adding an aqueous acetic acid solution were repeated three times, and then the product was filtered off and washed with pure water. The obtained white powder was dried and baked at 550 ° C. to remove the surfactant.

得られた焼成粉末のSEM観察を行った。SEM写真を図13に示す。この粉末は略球形でないことが分かった。   SEM observation of the obtained fired powder was performed. A SEM photograph is shown in FIG. This powder was found to be non-spherical.

比較例4
「Jornal of the American Chemical Society」(チャオら著、120号、6024〜6036頁、1998年)を参考にして、次のとおりメソポーラスシリカを合成した。界面活性剤(プルロニック P123)2.08 gと、水15.6 mLと、塩酸(2規定)62.4 gとをフラスコに入れて撹拌した後、テトラエチルオルトシリケート(純度98%)4.73 mLを加えて40℃で20時間撹拌し、80℃で24時間静置した。水溶液中の生成物はろ別した後、純水で洗浄した。得られた白色の粉末を乾燥し、500℃で焼成して界面活性剤を除去した。
Comparative Example 4
With reference to “Jornal of the American Chemical Society” (Chao et al., 120, 6024-6036, 1998), mesoporous silica was synthesized as follows. Surfactant (Pluronic P123) 2.08 g, water 15.6 mL and hydrochloric acid (2N) 62.4 g were placed in a flask and stirred. Then, tetraethylorthosilicate (purity 98%) 4.73 mL was added and added at 40 ° C for 20 minutes. The mixture was stirred for 24 hours and allowed to stand at 80 ° C. for 24 hours. The product in the aqueous solution was filtered off and washed with pure water. The obtained white powder was dried and baked at 500 ° C. to remove the surfactant.

得られた焼成粉末のSEM観察を行った。SEM写真を図14に示す。この粉末は略球形でないことが分かった。   SEM observation of the obtained fired powder was performed. A SEM photograph is shown in FIG. This powder was found to be non-spherical.

ナノポーラス体の製造原理を示す概略工程図である。It is a schematic process drawing which shows the manufacturing principle of a nanoporous body. 本発明のナノポーラス体の一例を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows an example of the nanoporous body of this invention. 実施例1のナノポーラスシリカを示す顕微鏡写真である。2 is a micrograph showing nanoporous silica of Example 1. FIG. 実施例1のナノポーラスシリカのX線回折パターンを示すグラフである。2 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of nanoporous silica of Example 1. FIG. 実施例1のナノポーラスシリカの窒素吸着等温線を示すグラフである。2 is a graph showing a nitrogen adsorption isotherm of nanoporous silica of Example 1. 実施例2のナノポーラスシリカを示す顕微鏡写真である。2 is a photomicrograph showing nanoporous silica of Example 2. 実施例2のナノポーラスシリカのX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of nanoporous silica of Example 2. 実施例2のナノポーラスシリカの窒素吸着等温線を示すグラフである。4 is a graph showing a nitrogen adsorption isotherm of nanoporous silica of Example 2. 実施例3のナノポーラスシリカのX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of nanoporous silica of Example 3. 実施例3のナノポーラスシリカの窒素吸着等温線を示すグラフである。4 is a graph showing a nitrogen adsorption isotherm of nanoporous silica of Example 3. 比較例1の多孔質シリカを示す顕微鏡写真である。2 is a photomicrograph showing porous silica of Comparative Example 1. 比較例2の多孔質シリカを示す顕微鏡写真である。5 is a photomicrograph showing porous silica of Comparative Example 2. 比較例3のメソポーラスシリカを示す顕微鏡写真である。4 is a photomicrograph showing mesoporous silica of Comparative Example 3. 比較例4のメソポーラスシリカを示す顕微鏡写真である。6 is a photomicrograph showing mesoporous silica of Comparative Example 4.

Claims (11)

無機材料からなる骨格構造中にナノメータレベルの孔径を有する微細孔が形成された略球形のナノポーラス体の製造方法であって、(a) 金属アルコキシド及び/又はその重縮合物と、界面活性剤と、溶媒とを含有する反応溶液中で、前記金属アルコキシド及び/又は前記重縮合物を加水分解し、加水分解物溶液を得る工程、及び(b) 一定方向に流れる50〜170℃のガスに前記加水分解物溶液を噴霧することによりその溶媒を揮発させる工程を含み、前記加水分解物溶液が金属塩を含有するようにした後で金属塩含有加水分解物溶液を噴霧することを特徴とする方法。   A method for producing a substantially spherical nanoporous body in which fine pores having a nanometer-level pore diameter are formed in a skeleton structure made of an inorganic material, comprising: (a) a metal alkoxide and / or a polycondensate thereof, and a surfactant; A step of hydrolyzing the metal alkoxide and / or the polycondensate in a reaction solution containing a solvent to obtain a hydrolyzate solution, and (b) a gas of 50 to 170 ° C. flowing in a certain direction. A method comprising volatilizing the solvent by spraying the hydrolyzate solution, and spraying the hydrolyzate solution containing the metal salt after the hydrolyzate solution contains the metal salt. . 請求項1に記載のナノポーラス体の製造方法において、前記加水分解物溶液の溶媒の少なくとも一部を揮発させ、得られた濃縮液を不活性ガスと共に噴霧することを特徴とする方法。   The method for producing a nanoporous body according to claim 1, wherein at least a part of the solvent of the hydrolyzate solution is volatilized, and the obtained concentrated liquid is sprayed together with an inert gas. 請求項1又は2に記載のナノポーラス体の製造方法において、水溶性であって、170℃以下の沸点を有する溶媒を用いることを特徴とする方法。   3. The method for producing a nanoporous body according to claim 1, wherein a solvent that is water-soluble and has a boiling point of 170 ° C. or lower is used. 請求項1〜3のいずれかに記載のナノポーラス体の製造方法において、前記溶媒として、メタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、i-プロピルアルコール、ヘキサノール、n-ブチルアルコール、t-ブチルアルコール、i-ブチルアルコール、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジメトキシエタン、4-メチルジオキソラン、アセトニトリル、2-メチルテトラヒドロフラン、2-エトキシエタノール、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテル及び2-メトキシ-1-プロピルアセテートからなる群より選ばれた少なくとも一種を用いることを特徴とする方法。   The method for producing a nanoporous body according to any one of claims 1 to 3, wherein the solvent is methanol, ethanol, n-propyl alcohol, i-propyl alcohol, hexanol, n-butyl alcohol, t-butyl alcohol, i- Butyl alcohol, tetrahydrofuran, dioxane, dimethoxyethane, 4-methyldioxolane, acetonitrile, 2-methyltetrahydrofuran, 2-ethoxyethanol, propylene glycol-1-monomethyl ether acetate, propylene glycol-1-monomethyl ether and 2-methoxy-1- A method comprising using at least one selected from the group consisting of propyl acetate. 請求項1〜4のいずれかに記載のナノポーラス体の製造方法において、前記界面活性剤としてポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド重縮合物及び/又はモノアルキル−ポリエチレンオキサイド重縮合物を用いることを特徴とする方法。   The method for producing a nanoporous body according to any one of claims 1 to 4, wherein a polyethylene oxide-polypropylene oxide polycondensate and / or a monoalkyl-polyethylene oxide polycondensate is used as the surfactant. . 請求項1〜5のいずれかに記載のナノポーラス体の製造方法において、前記金属アルコキシド及び/又はその重縮合物として、ケイ素、ジルコニウム、チタン及びアルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の金属のアルコキシド及び/又はアルコキシドの重縮合物を用いることを特徴とする方法。   The method for producing a nanoporous body according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal alkoxide and / or polycondensate thereof is at least one metal alkoxide selected from the group consisting of silicon, zirconium, titanium and aluminum. And / or using a polycondensate of an alkoxide. 請求項1〜5のいずれかに記載のナノポーラス体の製造方法において、前記金属アルコキシド及び/又は前記重縮合物としてアルコキシシラン及び/又はその重縮合物を用いることを特徴とする方法。   The method for producing a nanoporous body according to any one of claims 1 to 5, wherein an alkoxysilane and / or a polycondensate thereof is used as the metal alkoxide and / or the polycondensate. 請求項1〜7のいずれかに記載のナノポーラス体の製造方法において、前記反応溶液のpHを1.0〜5にすることを特徴とする方法。 The method for producing a nanoporous body according to any one of claims 1 to 7, wherein the pH of the reaction solution is adjusted to 1.0 to 5. 請求項1〜8のいずれかに記載のナノポーラス体の製造方法において、前記金属塩がTi、Ge、Si、Al、Cr、Zr、Mn、Co、Ni、Fe、Mg、V、Sn、W、Ta、Nb、Hf、Pt、Pd、Ru、Rh及びIrからなる群より選択された少なくとも一種の塩であることを特徴とする方法。   The method for producing a nanoporous body according to any one of claims 1 to 8, wherein the metal salt is Ti, Ge, Si, Al, Cr, Zr, Mn, Co, Ni, Fe, Mg, V, Sn, W, A method characterized by being at least one salt selected from the group consisting of Ta, Nb, Hf, Pt, Pd, Ru, Rh and Ir. 無機材料からなる骨格構造中にナノメータレベルの孔径を有する多数の微細孔が形成された略球形のナノポーラス体であって、0.5〜50μmの平均粒径及び300 m2以上のBET表面積を有し、前記微細孔の隔壁の厚さが0.5〜3nmであり、窒素吸着等温線から求めた孔径分布のピークにおける孔径が2.5〜10 nmであり、X線回折パターンにおける少なくとも一つのピークが1.5 nm以上の面間隔を有し、最大のX線回折ピークの半値幅が2°以下であることを特徴とするナノポーラス体。 A substantially spherical nanoporous body in which a large number of micropores having a nanometer level pore diameter are formed in a skeleton structure made of an inorganic material, having an average particle diameter of 0.5 to 50 μm and a BET surface area of 300 m 2 or more, The partition wall thickness of the micropores is 0.5 to 3 nm, the pore diameter at the peak of the pore size distribution obtained from the nitrogen adsorption isotherm is 2.5 to 10 nm, and at least one peak in the X-ray diffraction pattern is 1.5 nm or more. A nanoporous body having a surface spacing and a maximum half-value width of the maximum X-ray diffraction peak of 2 ° or less. 請求項10に記載のナノポーラス体であって、下記式(1)
M1 aM2 bOh ・・・(1)
(ただし、aは1以下の正の数を示し、bは0以上1未満の数を示し、a + b = 1であり、hは1〜2.5の数を示し、M1はSi、Al、Ti、Zr及びGeからなる群より選ばれた少なくとも一種を示し、M2はMn、Co、Ni、Fe、Cr、Mg、V、Sn、W、Ta、Nb、Hf、Pt、Pd、Ru、Rh及びIrからなる群より選ばれた少なくとも一種を示す。)により表されることを特徴とするナノポーラス体。
The nanoporous body according to claim 10, wherein the following formula (1)
M 1 a M 2 b O h・ ・ ・ (1)
(However, a represents a positive number of 1 or less, b represents a number of 0 or more and less than 1, a + b = 1, h represents a number of 1 to 2.5, M 1 represents Si, Al, At least one selected from the group consisting of Ti, Zr and Ge, M 2 is Mn, Co, Ni, Fe, Cr, Mg, V, Sn, W, Ta, Nb, Hf, Pt, Pd, Ru, A nanoporous body represented by: at least one selected from the group consisting of Rh and Ir.
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