JP2009131741A - Selective oxidation catalyst - Google Patents

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Kenji Tabata
研二 田畑
Tateaki Yashima
建明 八嶋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a selective oxidation catalyst capable of producing 2 or above number of C hydrocarbon. <P>SOLUTION: The selective oxidation catalyst used in the production of 2 or above number of C hydrocarbon is constituted by supporting an organic cyclic compound, which contains an element of the Group XIV, on the surface of tin oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、選択的酸化触媒及びその製造方法、特に炭化水素を生成する選択的酸化触媒に関するものである。   The present invention relates to a selective oxidation catalyst and a method for producing the same, and more particularly to a selective oxidation catalyst for producing hydrocarbons.

二十世紀に入り、自動車や航空機などの輸送機器の飛躍的増加に伴うガソリン、軽油などの燃料需要の増加に対して、石油産業は中心的な役割を果たしてきた。しかし、石油自体限りある資源であるため、石油代替燃料の開発が望まれている。当該石油代替燃料としては、例えば木材などからエタノール(エチルアルコール)やメタノール(メチルアルコール)、食用油などからメチルエステルなどを作り、これを輸送機器用燃料として利用する、いわゆる“バイオ燃料”や、C1化学などのGTL技術(Gas To Liquid)等が本命の技術と注目され,世界的に研究開発が行われている。   In the 20th century, the oil industry has played a central role in response to the increase in demand for fuels such as gasoline and light oil accompanying the dramatic increase in transportation equipment such as automobiles and aircraft. However, since oil itself is a limited resource, development of alternative fuels for oil is desired. As the petroleum substitute fuel, for example, ethanol (ethyl alcohol) or methanol (methyl alcohol) from wood or the like, methyl ester or the like from edible oil, etc., which is used as a fuel for transportation equipment, so-called “biofuel”, GTL technology (Gas To Liquid) such as C1 chemistry is attracting attention as a favorite technology, and research and development are being conducted worldwide.

なかでも、GTL技術は、一酸化炭素と水素との混合ガスである合成ガスを使用して、メタノールを製造し、ジメチルエーテルを介してガソリンの原料になる炭化水素、特にオレフィン類を製造する多段階反応を利用するものや、一酸化炭素と水素との混合ガスである合成ガスから触媒反応を用いて液体炭化水素を合成する一連の過程であるフィッシャー・トロプシュ反応(FT法)を利用するものなどがあり、合成ガスは天然ガス,バイオマス,石炭,ゴミ等を原料として簡単に製造できるという利点があるため、GTL技術の開発は特に資源の無い国にとっては国家戦略ともなりうる。   In particular, GTL technology is a multi-stage process that produces methanol using synthesis gas, which is a mixed gas of carbon monoxide and hydrogen, and produces hydrocarbons, especially olefins, that are used as gasoline feedstock via dimethyl ether. Those that use the reaction, those that use the Fischer-Tropsch reaction (FT method), which is a series of processes for synthesizing liquid hydrocarbons using a catalytic reaction from synthesis gas, which is a mixed gas of carbon monoxide and hydrogen, etc. Since synthetic gas has the advantage that it can be easily produced using natural gas, biomass, coal, garbage, etc. as a raw material, the development of GTL technology can be a national strategy especially for countries without resources.

かかるGTL技術としての例は、以下説明する特許文献1〜3が挙げられる。特許文献1では、タングステン酸担持ジルコニアなどの酸化物超強酸に、マンガンとナトリウムなどの遷移金属化合物およびアルカリ金属化合物を担持させた触媒について開示されている(特許文献1 「0007」、「0008」、「0012」、および実施例1)。   Examples of such GTL technology include Patent Documents 1 to 3 described below. Patent Document 1 discloses a catalyst in which a transition metal compound such as manganese and sodium and an alkali metal compound are supported on an oxide superacid such as tungstic acid-supported zirconia (Patent Documents 1 “0007” and “0008”). , "0012" and Example 1).

特許文献2では、リチウム/硫酸根担持ジルコニア触媒、リチウム/硫酸スズ触媒などのリチウム化合物担持酸化物超強酸(特許文献2 段落「0031」〜「0032」に記載の表)について開示されている。   Patent Literature 2 discloses lithium compound-supported oxide super strong acids (tables described in paragraphs “0031” to “0032” in Patent Literature 2) such as lithium / sulfate radical-supporting zirconia catalyst and lithium / tin sulfate catalyst.

特許文献3では、ナトリウムなどのアルカリ金属をマグネシウムなどのアルカリ土類金属の酸化物に担持させた触媒について開示されている。
特開平11−253806号公報 特開平10−101585号公報 特公平6−69969号公報
Patent Document 3 discloses a catalyst in which an alkali metal such as sodium is supported on an oxide of an alkaline earth metal such as magnesium.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-253806 JP-A-10-101585 Japanese Patent Publication No. 6-69969

しかし、特許文献1および2の触媒では、少量のC3、C4およびベンゼンだけ検出されているだけで(特許文献1 段落「0032」、特許文献2「0033」)、C3以上の炭化水素の収率については検討もされておらず、特許文献1および2の触媒の有効性については不明確である。また特許文献3の触媒では、C2の炭化水素のみが生成されるだけであって、C3以上の炭化水素が生成されていない。   However, in the catalysts of Patent Documents 1 and 2, only small amounts of C3, C4 and benzene are detected (Patent Document 1, paragraph “0032”, Patent Document 2 “0033”), and the yield of hydrocarbons of C3 or higher is obtained. However, the effectiveness of the catalysts of Patent Documents 1 and 2 is unclear. Further, in the catalyst of Patent Document 3, only C2 hydrocarbons are generated, and C3 or higher hydrocarbons are not generated.

さらに、これまでに知られているGTL技術のメタンからC3以上の炭化水素を作製する方式は以下の:
(1)メタンの水蒸気改質反応で合成ガス(CO+H)を作製(反応温度800℃、触媒:ニッケル)し、(2)当該合成ガスからメタノールを作製(反応温度250〜300℃、反応圧5〜10MPa、触媒Cu/ZnO)し、(3)当該メタノールからC3,C4の作製(反応温度400〜500℃,触媒:ゼオライト)するという三段階の複雑なステップが必要であった。
In addition, the known methods for producing C3 and higher hydrocarbons from methane using GTL technology are as follows:
(1) Preparation of synthesis gas (CO + H 2 ) by steam reforming reaction of methane (reaction temperature 800 ° C., catalyst: nickel), (2) Preparation of methanol from the synthesis gas (reaction temperature 250 to 300 ° C., reaction pressure) 5 to 10 MPa, catalyst Cu / ZnO), and (3) production of C3 and C4 from the methanol (reaction temperature 400 to 500 ° C., catalyst: zeolite) required three complicated steps.

また、上記多段階で作製したC3,C4などの製品は石油のクラッキングで作製したものに比較し、コスト的に不利である。一方、最近の石油価格の高騰により、C3,C4製品価格も高いものとなっているため、資源豊富なメタンからC3,C4を作製するコストのかからない新しい方式が求められている。   In addition, products such as C3 and C4 produced in multiple stages are disadvantageous in terms of cost compared to those produced by petroleum cracking. On the other hand, since the price of C3 and C4 products has been increased due to the recent rise in oil prices, a new method that does not cost to produce C3 and C4 from resource-rich methane is required.

したがって本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、炭素数2以上の炭化水素を生成しうる触媒を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a catalyst capable of producing a hydrocarbon having 2 or more carbon atoms.

そこで本発明では、第14族元素を含む有機環状化合物を酸化スズの表面に担持させてなる、炭化水素の生成に用いるメタンの選択的酸化触媒を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a selective oxidation catalyst for methane used for producing hydrocarbons, in which an organic cyclic compound containing a Group 14 element is supported on the surface of tin oxide.

本発明の第14族元素を含む有機環状化合物を酸化スズの表面に担持させてなる触媒、特にGe/SnO触媒を用いるとメタンと酸素から一段の反応で炭化水素、特にオレフィン類(C3、C4炭化水素)を合成することができる。 When a catalyst formed by supporting an organic cyclic compound containing a Group 14 element of the present invention on the surface of tin oxide, particularly a Ge / SnO 2 catalyst, hydrocarbons, particularly olefins (C3, C4 hydrocarbons) can be synthesized.

本発明の第一は、第14族元素を含む有機環状化合物を酸化スズの表面に担持させてなる、炭化水素の生成に用いるメタンの選択的酸化触媒である。   The first of the present invention is a methane selective oxidation catalyst used for the production of hydrocarbons, comprising an organic cyclic compound containing a Group 14 element supported on the surface of tin oxide.

触媒として酸化スズを用いることにより、低温で高いメタン酸化活性の効果が得られ、さらには第14族元素を含む有機環状化合物を当該酸化スズの表面に担持させることで、酸化スズ表面の解離酸素の移動を抑制することができると考えられる。   By using tin oxide as a catalyst, an effect of high methane oxidation activity can be obtained at a low temperature. Furthermore, by disposing an organic cyclic compound containing a group 14 element on the surface of tin oxide, dissociated oxygen on the surface of tin oxide. It is thought that the movement of can be suppressed.

換言すると、メタンからプロトンを一つ引き抜く反応式(1)が律速反応となるが、その後の反応は酸素がある限りカスケード反応のように反応式(2)〜(4)が次々に進行し、最終的にはメタンは一酸化炭素に変化してしまう(図12参照)。また、図13にSnO((110)面)表面の酸素原子の状態を示す。また、図14にSnOステップにおけるCOの酸化および吸着の状態を示す。また、図15にSnO((110)面)におけるCOの酸化および吸着の状態を示す。 In other words, the reaction formula (1) in which one proton is extracted from methane is a rate-limiting reaction, but as long as oxygen is present, the reaction formulas (2) to (4) proceed in succession like a cascade reaction. Eventually, methane changes to carbon monoxide (see FIG. 12). FIG. 13 shows the state of oxygen atoms on the SnO 2 ((110) plane) surface. FIG. 14 shows the state of oxidation and adsorption of CO in the SnO 2 step. FIG. 15 shows the state of CO oxidation and adsorption on SnO 2 ((110) plane).

しかし、第14族元素を含む有機環状化合物を酸化スズの表面に担持させることにより酸化スズ表面に存在する解離酸素の移動が抑制されるため、メタンからプロトンを引き抜かれたメチルラジカルに酸化スズ表面に存在する解離酸素が反応する確率が極端に下がり、L−H機構により炭素数2以上の炭化水素が生成しやすくなると考えられる。   However, since the transfer of dissociated oxygen present on the surface of tin oxide is suppressed by supporting an organic cyclic compound containing a group 14 element on the surface of tin oxide, the surface of tin oxide is converted to methyl radicals from which protons are extracted from methane. It is considered that the probability that the dissociated oxygen present in the reaction reacts extremely decreases, and hydrocarbons having 2 or more carbon atoms are easily generated by the LH mechanism.

また、図16〜図17でSnO上の吸着酸素の移動(図16)とGe置換SnO上の吸着酸素の移動(図17)とを示す。さらに、図19〜20で酸化スズ表面様子を示す図である。 Also shows the movement of adsorbed oxygen on the SnO 2 in FIGS. 16 17 movement of adsorbed oxygen on (Fig. 16) and Ge substituted SnO 2 (Figure 17). Furthermore, it is a figure which shows a tin oxide surface state in FIGS.

本発明に係る炭化水素は、炭素数2以上4以下の炭化水素が好ましく生成され、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブテン、イソブチレン、アセチレン、ブタジエンがより好ましく生成され、炭素数2以上のオレフィン類、すなわち、エチレン、プロピレン、ブテン、イソブチレン、ブタジエンなどがさらによりに好ましく生成され、中でも炭素数3および4のプロピレン、ブテン、イソブチレン、ブタジエンなどの炭化水素が特に好ましく生成される。   The hydrocarbon according to the present invention is preferably a hydrocarbon having 2 to 4 carbon atoms, more preferably ethane, propane, butane, ethylene, propylene, butene, isobutylene, acetylene, butadiene, and 2 or more carbon atoms. Olefins, that is, ethylene, propylene, butene, isobutylene, butadiene and the like are more preferably produced, and hydrocarbons such as propylene, butene, isobutylene and butadiene having 3 and 4 carbon atoms are particularly preferably produced.

本発明に係る酸化スズの表面に形成された第14族元素を含む有機環状化合物は、当該有機環状化合物の内部にガス取り込み空間を有することが好ましい。   The organic cyclic compound containing a Group 14 element formed on the surface of tin oxide according to the present invention preferably has a gas intake space inside the organic cyclic compound.

すなわち、第14族元素を含む有機環状化合物は、当該有機環状化合物の内部にガス取り込み空間を有することにより、本発明に係る酸化スズの表面に形成された第14族元素を含む有機環状化合物が“ホスト”に、ガス、例えばメタンが“ゲスト”としての役割を果たし、当該有機環状化合物の内部(空間)にメタンなどのガスが入り込み、直接メタンなどのガスが酸化スズに添着や吸着することができる。   That is, the organic cyclic compound containing a Group 14 element has a gas intake space inside the organic cyclic compound, so that the organic cyclic compound containing a Group 14 element formed on the surface of tin oxide according to the present invention Gas, such as methane, acts as a “guest” in the “host”, and gas such as methane enters the interior (space) of the organic cyclic compound, and the gas such as methane directly attaches and adsorbs to tin oxide. Can do.

本発明に係る第14族元素を含む有機環状化合物が、例えば、下記化学式(A)で示す構造を有する場合におけるガス取り込み空間は、向き合う酸素原子−酸素原子間の距離が2.566Å、向き合うゲルマニウム原子−ゲルマニウム原子間の距離が2.486Å、隣接するゲルマニウム間の距離が1.154Åである細孔である(図2参照)。   In the case where the organic cyclic compound containing a Group 14 element according to the present invention has a structure represented by the following chemical formula (A), for example, the gas intake space has a distance between facing oxygen atoms-oxygen atoms of 2.566 mm, facing germanium The pores have an atom-germanium atom distance of 2.486Å and an adjacent germanium distance of 1.154Å (see FIG. 2).

また、図27にゲルマニウム量と全細孔容積との関係を示す結果を示す。   FIG. 27 shows the results showing the relationship between the amount of germanium and the total pore volume.

本発明に係るガス取り込み空間は、いわゆる細孔であり、当該ガス取り込み空間の直径(取り込み空間の最大長さの平均値)は、好ましくは0.1〜5nm、より好ましくは0.2〜1nm、さらにより好ましくは0.2〜0.8nmであり、特に好ましくは0.2〜0.5nmである。   The gas intake space according to the present invention is so-called pores, and the diameter of the gas intake space (average value of the maximum length of the intake space) is preferably 0.1 to 5 nm, more preferably 0.2 to 1 nm. Still more preferably, it is 0.2-0.8 nm, Most preferably, it is 0.2-0.5 nm.

ガス取り込み空間が0.1nm未満だとメタン含有ガス中のメタン分子を取り込み空間内部に取り入れることができず、5nm超だとガス取り込み空間が大きいため既に存在している取り込み空間内部の解離酸素の数が多くなるためである。   If the gas uptake space is less than 0.1 nm, methane molecules in the methane-containing gas cannot be taken into the uptake space, and if it exceeds 5 nm, the gas uptake space is large, so the dissociated oxygen inside the uptake space already exists. This is because the number increases.

さらに、本発明に係るガス取り込み空間の直径は、公知の方法で測定することができ測定方法は特に制限されるものではないが、例えば、TEM(透過型電子顕微鏡)、SEM(走査型電子顕微鏡)、X線回折、などを用いることが好ましいと考えられるが、本発明の出願時の技術では、正確に当該直径を測定することができず、実際にはシュミレーション(密度汎関数法 CASTEP)とSEMとを併用して、ガス取り込み空間の直径を算出している。また、本明細書における「ガス取り込み空間の直径」は、透過型電子顕微鏡像から代表サンプルについて数〜数10視野中に観察されるガス取り込み空間を測定する方法が挙げられる。なお、この測定方法では観察するサンプルや視野によってガス取り込み空間の直径に有意差が生じる。   Further, the diameter of the gas intake space according to the present invention can be measured by a known method, and the measuring method is not particularly limited. For example, TEM (transmission electron microscope), SEM (scanning electron microscope) ), X-ray diffraction, and the like are considered preferable. However, the technique at the time of filing of the present invention cannot accurately measure the diameter, and in fact, simulation (density functional method CASTEP) The diameter of the gas intake space is calculated in combination with SEM. In addition, the “diameter of the gas intake space” in the present specification includes a method of measuring the gas intake space observed in several to several tens of fields for a representative sample from a transmission electron microscope image. In this measurement method, a significant difference occurs in the diameter of the gas intake space depending on the sample to be observed and the visual field.

本発明の酸化スズの表面に形成された第14族元素を含む有機環状化合物のガス取り込み空間は透過型電子顕微鏡像の8視野中に観察されるガス取り込み空間の最大直径をすべて測定し、その直径の中央値をガス取り込み空間の直径とする条件で行なっている。   The gas uptake space of the organic cyclic compound containing the Group 14 element formed on the surface of the tin oxide of the present invention measures all the maximum diameters of the gas uptake space observed in 8 fields of the transmission electron microscope image, The measurement is performed under the condition that the median diameter is the diameter of the gas intake space.

また、本発明に係る酸化スズの表面に形成された第14族元素を含む有機環状化合物は、環状のエネルギー障壁に区画されたメタンガス含有ガス取り込み空間を有し、かつ酸素が前記エネルギー障壁を越えられないことが好ましい。   Moreover, the organic cyclic compound containing a Group 14 element formed on the surface of tin oxide according to the present invention has a gas intake space containing methane gas that is partitioned by a cyclic energy barrier, and oxygen exceeds the energy barrier. Preferably not.

上記説明したように、低温でメタン酸化活性の高い酸化スズを触媒として利用している。また、一般的に、酸化スズの表面では最表面において酸素が解離して、解離酸素となって自由に酸化スズ表面上を移動している。ただし酸化スズ表面では、解離酸素が自由に動くと、この酸素により、活性化されたメタンが逐次的に酸化されることとなる。実際、酸化スズをそのまま触媒として用いると生成物はすべて二酸化炭素となる。本発明者らはこのような逐次酸化を抑制する可能性について計算化学を用いて調べた結果、酸化スズの表面スズイオンの一部が、14族元素、例えばゲルマニウムイオンに置換すると酸素の表面移動が抑制される可能性があることを見出した。このシミュレーションの結果から活性な酸化スズ表面にナノメータレベルの細孔(ガス取り込み空間)を有する環状ゲルモキサンを均一に担持するとゲルマニウム酸化物で区切られた酸化スズのナノ反応場が出来、ゲルマニウム酸化物を乗り越えて、一つのナノサイズ反応場の外から酸化スズ表面を酸素が移動してくることはないのではないかと考えている。すなわち、ナノサイズ酸化スズ反応場に吸着したメタンの酸化に関わる酸素イオンの数を減少できるのではないかと考えている。その結果、メタンの逐次酸化でのメタノール収率が改善されるのではないかと期待される。このようにして作製したGe/SnO触媒は表面にナノサイズレベルの細孔を持つことになる。同時にこれまでの研究者の報告で酸化スズ表面にシリカを担持すると表面の固体酸性が増大することが知られている。そのため、本発明者らは酸化スズの表面にゲルマニウム化合物を担持した場合にも固体酸性が強くなるのではないかと考えている。これらの二点はメタンからC3、C4化合物を作製するのに効果的であると考えている。 As described above, tin oxide having high methane oxidation activity at low temperature is used as a catalyst. In general, on the surface of tin oxide, oxygen is dissociated on the outermost surface, and is dissociated oxygen and freely moves on the surface of tin oxide. However, when the dissociated oxygen moves freely on the surface of tin oxide, the activated methane is sequentially oxidized by this oxygen. In fact, if tin oxide is used as a catalyst as it is, the product is all carbon dioxide. The present inventors investigated the possibility of suppressing such sequential oxidation using computational chemistry. As a result, when a part of surface tin ions of tin oxide was replaced with a group 14 element such as germanium ions, the surface migration of oxygen was reduced. We found that there is a possibility of being suppressed. From the results of this simulation, when a cyclic germanium having a nanometer level pore (gas intake space) is uniformly supported on the surface of active tin oxide, a nano-reaction field of tin oxide separated by germanium oxide can be formed. Overcoming this, I think that oxygen may not move on the surface of tin oxide from outside a single nanosize reaction field. In other words, it is thought that the number of oxygen ions involved in the oxidation of methane adsorbed on the nanosize tin oxide reaction field can be reduced. As a result, it is expected that the methanol yield in the sequential oxidation of methane will be improved. The Ge / SnO 2 catalyst thus prepared has nano-sized pores on the surface. At the same time, it is known from the reports of previous researchers that the surface solid acidity increases when silica is supported on the surface of tin oxide. For this reason, the present inventors believe that solid acidity may be enhanced even when a germanium compound is supported on the surface of tin oxide. These two points are considered to be effective for producing C3 and C4 compounds from methane.

また、酸化スズ表面において、解離酸素が自由に動く際のエネルギー(300〜400℃雰囲気において10〜20Kcal/mol前後)と、メタンからプロトンを引き抜くエネルギー(300〜400℃雰囲気において15Kcal/mol前後)がほぼ同じ程度であるのに対して、例えば、酸化スズ表面に化学式(A)の構造を有する有機環状ゲルマニウム化合物を形成させると、解離酸素が当該酸化ゲルマニウム化合物上の移動に要するエネルギー(70Kcal/mol前後)は解離酸素が自由に動く際のエネルギーと比べて遥かに大きいため、解離酸素は当該ゲルマニウム酸化物を超えてナノ反応場(ガス取り込み空間)内に侵入することが難しい。そのため、有機環状ゲルマニウム化合物の環の内部であるガス取り込み空間を通って、有機環状ゲルマニウム化合物の下に存在する酸化スズのナノ反応場に吸着したメタンの酸化に関わる酸素イオンの数を減少できると考えられる。   In addition, the energy at which dissociated oxygen moves freely on the tin oxide surface (around 10 to 20 Kcal / mol in an atmosphere of 300 to 400 ° C.) and the energy for extracting protons from methane (around 15 Kcal / mol in an atmosphere of 300 to 400 ° C.) For example, when an organic cyclic germanium compound having the structure of the chemical formula (A) is formed on the surface of tin oxide, energy required for transfer of dissociated oxygen on the germanium oxide compound (70 Kcal / Therefore, it is difficult for the dissociated oxygen to enter the nano-reaction field (gas intake space) beyond the germanium oxide because the dissociated oxygen is much larger than the energy when the dissociated oxygen moves freely. Therefore, the number of oxygen ions involved in the oxidation of methane adsorbed in the nano-reaction field of tin oxide existing under the organic cyclic germanium compound can be reduced through the gas intake space inside the ring of the organic cyclic germanium compound. Conceivable.

したがって、酸化スズ表面の解離酸素の持つエネルギーは、酸化スズの表面に形成された第14族元素を含む有機環状化合物によって形成されたエネルギー障壁より小さいためガス取り込み空間に侵入できないものと考えられえる。   Therefore, it can be considered that the energy of dissociated oxygen on the surface of tin oxide cannot enter the gas intake space because it is smaller than the energy barrier formed by the organic cyclic compound containing the Group 14 element formed on the surface of tin oxide. .

また、本発明に係る触媒は、酸化スズ、第14族元素を含む有機環状化合物を含み、必要によりさらにMn原子を有する化合物を含むことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the catalyst which concerns on this invention contains the compound which has an organic cyclic compound containing a tin oxide and a 14th group element, and also has a Mn atom if needed.

当該Mn原子の有する化合物は、Mn原子そのものであっても、Mn原子を含む化合物であってもよく、本発明に係る触媒は、酸化スズとマンガンとの固溶体の表面に第14族元素を含む有機環状化合物が形成されていることが好ましい。   The compound possessed by the Mn atom may be a Mn atom itself or a compound containing a Mn atom, and the catalyst according to the present invention contains a Group 14 element on the surface of a solid solution of tin oxide and manganese. It is preferable that an organic cyclic compound is formed.

本発明に係る酸化スズとマンガンとの固溶体は、市販のものを使用しても合成したものを使用してもよいが、当該固溶体を合成で得る場合、ゾル−ゲル法でMn原子の有する化合物前駆体を酸化スズの前駆体と同時に溶剤に添加することにより、スズとマンガンは固溶体を形成し、NOなしで炭素数2以上の炭化水素、特に炭素数2の炭化水素を製造することができる。   The solid solution of tin oxide and manganese according to the present invention may be a commercially available product or a synthesized solution. When the solid solution is obtained by synthesis, a compound having Mn atoms by a sol-gel method. By adding the precursor to the solvent simultaneously with the tin oxide precursor, tin and manganese form a solid solution, and it is possible to produce hydrocarbons having 2 or more carbon atoms, particularly hydrocarbons having 2 carbon atoms, without NO. .

本発明に係る酸化スズとマンガンとの固溶体におけるMn原子の量は、スズ原子に対して1〜15質量%が好ましく、5〜15質量%がより好ましく、5〜10質量%が特に好ましい。   The amount of Mn atoms in the solid solution of tin oxide and manganese according to the present invention is preferably 1 to 15% by mass, more preferably 5 to 15% by mass, and particularly preferably 5 to 10% by mass with respect to tin atoms.

1質量%未満だと系中のマンガン原子が少なすぎるためドーピングされたマンガン原子の効果を期待できず、15質量%超だと酸化スズとマンガンとの固溶体を形成することが困難になるからである。   If it is less than 1% by mass, the effect of the doped manganese atom cannot be expected because there are too few manganese atoms in the system, and if it exceeds 15% by mass, it becomes difficult to form a solid solution of tin oxide and manganese. is there.

本発明に係る触媒全体における酸化スズの量は、85〜95質量%が好ましく、85〜90質量%がより好ましい。   The amount of tin oxide in the entire catalyst according to the present invention is preferably 85 to 95% by mass, and more preferably 85 to 90% by mass.

本発明に係る酸化スズに対する第14族元素を含む有機環状化合物の担持量は、第14族元素換算で酸化スズに対して0.5〜10質量%が好ましく、1〜7.5質量%がより好ましく、1.5〜7.5質量%が特に好ましい。   The supported amount of the organic cyclic compound containing a Group 14 element with respect to tin oxide according to the present invention is preferably 0.5 to 10% by mass, and 1 to 7.5% by mass with respect to tin oxide in terms of Group 14 element. More preferred is 1.5 to 7.5% by mass.

本発明に係る酸化スズに対する第14族元素を含む有機環状化合物の担持量が、0.5質量%未満だと14族元素を含む有機環状化合物が酸化スズの表面全体を被覆できず、10質量%超だと活性点のある酸化スズの表面積が少なくなり活性能が減少するからである。   If the supported amount of the organic cyclic compound containing the Group 14 element with respect to tin oxide according to the present invention is less than 0.5% by mass, the organic cyclic compound containing the Group 14 element cannot cover the entire surface of the tin oxide. This is because if the content exceeds%, the surface area of tin oxide having active sites is reduced and the activity is reduced.

本発明に係る第14族元素換算の算出方法は、EDX、WDXなどのEPMA、ICP、ESCA、SIMS、などの公知の手法が用いられ、特に制限されることはない。   The group 14 element conversion calculation method according to the present invention uses known methods such as EPMA such as EDX and WDX, ICP, ESCA and SIMS, and is not particularly limited.

本発明に係る触媒は、どのような形状のものでもよく特に制限されることがないが、例えば、粉末状、ペレット状、棒状、タブレット状、膜状などが挙げられ、公知の担体に本発明に係る触媒を担持させてもよく、その担持方法については特に制限されるものではない。   The catalyst according to the present invention may have any shape and is not particularly limited, and examples thereof include powder, pellets, rods, tablets, and membranes. The catalyst according to the above may be supported, and the supporting method is not particularly limited.

本発明に係る触媒の大きさは、当該触媒を使用する方法によって適宜選択されるものであるが、例えば、本発明に係る触媒を、後述する実施例のように粉末状のものを固定床流通式反応装置に使用する場合の粒子径は、200〜300nmが好ましい。本発明に係る触媒の粒子径は、公知の方法で測定することができ測定方法は特に制限されるものではないが、例えば、TEM(透過型電子顕微鏡)、SEM(走査型電子顕微鏡)、X線回折などを用いることが好ましく、本発明では、TEM(透過型電子顕微鏡)、X線回折を用いて測定している。   The size of the catalyst according to the present invention is appropriately selected depending on the method of using the catalyst. For example, the catalyst according to the present invention is distributed in the form of a powder as in the examples described later. As for the particle diameter when using for a type | formula reaction apparatus, 200-300 nm is preferable. The particle diameter of the catalyst according to the present invention can be measured by a known method, and the measurement method is not particularly limited. For example, TEM (transmission electron microscope), SEM (scanning electron microscope), X It is preferable to use line diffraction or the like, and in the present invention, measurement is performed using TEM (transmission electron microscope) and X-ray diffraction.

なお、本発明に係る触媒は一次粒子、二次粒子、または一次粒子および二次粒子の集合体であってもよく、上記触媒の大きさは、一次粒子および二次粒子の混合物の平均の大きさであるため、上記触媒の粒子径は、一次粒子および二次粒子の混合物の平均の粒子径である。   The catalyst according to the present invention may be primary particles, secondary particles, or an aggregate of primary particles and secondary particles, and the size of the catalyst is an average size of a mixture of primary particles and secondary particles. Therefore, the particle diameter of the catalyst is an average particle diameter of a mixture of primary particles and secondary particles.

本発明に係る触媒のBET比表面積は、20〜35m/gが好ましく、当該比表面積は、公知のBET比表面積測定方法に従って測定した値を用いることができる。例えば、N−BET比表面積が挙げられる。当該N−BET比表面積はまず試料を試料管に入れ、真空排気し表面の清浄処理を行い、その後の試料重量を測定する。再び装置に吸着セルを取りつけ、試料を液体窒素温度(約77K)にまで冷却しセル内に窒素ガスを送り込む。試料表面に窒素ガスが吸着し、吹きこむガスの量を増やしていくと試料表面はガス分子で覆われていく。そしてガス分子が多重に吸着していく様子を圧力の変化に対する吸着量の変化としてプロットする。このグラフから試料表面にだけ吸着したガス分子吸着量をBET吸着等温式より求める。窒素分子はあらかじめ吸着占有面積がわかっているのでガス吸着量より試料の表面積を測定することができる。 The BET specific surface area of the catalyst according to the present invention is preferably 20 to 35 m 2 / g, and a value measured according to a known BET specific surface area measuring method can be used as the specific surface area. For example, N 2 BET specific surface area. The N 2 -BET specific surface area is obtained by first putting a sample into a sample tube, evacuating it, cleaning the surface, and then measuring the weight of the sample. The adsorption cell is attached to the apparatus again, the sample is cooled to the liquid nitrogen temperature (about 77 K), and nitrogen gas is sent into the cell. When nitrogen gas is adsorbed on the sample surface and the amount of gas blown is increased, the sample surface is covered with gas molecules. The state in which the gas molecules are adsorbed in a multiple manner is plotted as a change in the adsorption amount with respect to a change in pressure. From this graph, the adsorption amount of gas molecules adsorbed only on the sample surface is obtained from the BET adsorption isotherm. The surface area of the sample can be measured from the amount of adsorbed gas because the adsorption occupation area of nitrogen molecules is known in advance.

本発明に係る有機環状化合物は、環状の構造を持つものであれば特に制限されることはなく、例えば、下記の化学式(3)のようなランダム構造の有機環状化合物であっても、規則性のある縮合構造(網の目状)や、三次元構造、すなわち、Mが3個の酸素と結合し、酸素は2個のMと結合しているセスキ骨格、例えば、シルセスキオキサンなどで表現される立体構造(T8、T10、T12)のものでもよい。   The organic cyclic compound according to the present invention is not particularly limited as long as it has a cyclic structure. For example, even if the organic cyclic compound has a random structure as shown in the following chemical formula (3), the regularity A three-dimensional structure, that is, a sesqui skeleton in which M is bonded to three oxygens and oxygen is bonded to two Ms, for example, silsesquioxane, etc. The thing of the three-dimensional structure (T8, T10, T12) expressed may be sufficient.

上記式(3)中においてRは、それぞれ独立であって、炭素数1〜10個のアルキル基あり、Mは、それぞれ独立であって、ケイ素原子、ゲルマニウム原子、およびスズ原子からなる群から選択される少なくとも一つの原子であることが好ましい。   In the formula (3), each R is independent and is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and each M is independent and is selected from the group consisting of a silicon atom, a germanium atom, and a tin atom. Preferably, the atom is at least one atom.

本発明に係る第14族元素を含む有機環状化合物は、下記の化学式(1):   The organic cyclic compound containing a Group 14 element according to the present invention has the following chemical formula (1):

(上記式中において、R、R、およびRは、それぞれ独立して、炭素数1〜10個のアルキル基であり、
は、それぞれ独立して、単結合、または炭素数1〜10のアルキル基であり、
は、それぞれ独立して、単結合、水素原子、ハロゲン原子、水酸基、またはカルボキシル基であり、
、R、およびRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、水酸基、カルボキシル基であり、
Mは、それぞれ独立でして、ケイ素原子、ゲルマニウム原子、およびスズ原子からなる群から選択される少なくとも一つの原子であり、
rは、1〜10の整数であり、
n、m、l、およびpは、それぞれ独立して、0〜4の整数であって、かつ、n+m+l+p=3以上16以下の整数である)で示される化合物、および下記の化学式(2):
(In the above formula, R 3 , R 5 , and R 7 are each independently an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
Each R 1 is independently a single bond or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms;
Each R 8 is independently a single bond, a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, or a carboxyl group;
R 2 , R 4 , and R 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, or a carboxyl group,
M is each independently at least one atom selected from the group consisting of a silicon atom, a germanium atom, and a tin atom;
r is an integer of 1 to 10,
n, m, l and p are each independently an integer of 0 to 4 and n + m + l + p = an integer of 3 to 16, and the following chemical formula (2):

(上記式(2)中においてRは、それぞれ独立であって、炭素数1〜10個のアルキル基あり、
Mは、それぞれ独立でして、ケイ素原子、ゲルマニウム原子、およびスズ原子からなる群から選択される少なくとも一つの原子であり、かつ上記化学式(2)中のMは3個の酸素と結合し、酸素は2個のMと結合しているセスキ骨格を有する構造であって、かつ下記T単位:
(In the formula (2), each R 9 is independent and has an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
M is each independently at least one atom selected from the group consisting of a silicon atom, a germanium atom, and a tin atom, and M in the chemical formula (2) binds to three oxygens; Oxygen has a structure having a sesqui skeleton bonded to two M, and has the following T unit:

を4〜12有する化合物からなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。 Is preferably at least one selected from the group consisting of compounds having 4 to 12.

本発明に係る化学式(1)の式中Mは、それぞれ独立であって、ケイ素原子、ゲルマニウム原子、およびスズ原子からなる群から選択される少なくとも一つの原子であることが好ましく、ケイ素原子、ゲルマニウム原子であることがさらにより好ましく、ゲルマニウム原子であることが特に好ましい。   In the formula of the chemical formula (1) according to the present invention, each M is independent and is preferably at least one atom selected from the group consisting of a silicon atom, a germanium atom, and a tin atom. Even more preferred is an atom, and especially preferred is a germanium atom.

本発明に係る化学式(1)の式中のR、R、およびRは、それぞれ独立であって、R、R、およびRは、炭素数1〜10個のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜4個のアルキル基であることがより好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソプロピル基、t−ブチル基などが挙げられる。 In the formula of the chemical formula (1) according to the present invention, R 3 , R 5 , and R 7 are each independent, and R 3 , R 5 , and R 7 are each an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. Preferably, it is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and specific examples include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isopropyl group, and a t-butyl group.

本発明に係る化学式(1)の式中のRは、それぞれ独立して、単結合、または炭素数1〜10のアルキル基であることが好ましく、単結合、または炭素数1〜4個のアルキル基であることがより好ましく、具体的には、単結合、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソプロピル基、t−ブチル基などが挙げられる。 In the formula of the chemical formula (1) according to the present invention, each R 1 is preferably independently a single bond or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and is preferably a single bond or 1 to 4 carbon atoms. An alkyl group is more preferable, and specific examples include a single bond, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isopropyl group, and a t-butyl group.

本発明に係る化学式(1)の式中のRは、それぞれ独立して、単結合、水素原子、ハロゲン原子、水酸基、またはカルボキシル基であることが好ましく、単結合、水酸基であることがより好ましい。 R 8 in the chemical formula (1) according to the present invention is preferably independently a single bond, a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, or a carboxyl group, and more preferably a single bond or a hydroxyl group. preferable.

本発明に係る化学式(1)の式中のR、R、およびRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、水酸基、カルボキシル基であることが好ましく、水酸基であることがより好ましい。 R 2 , R 4 , and R 6 in the chemical formula (1) according to the present invention are each independently preferably a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, or a carboxyl group, and more preferably a hydroxyl group. preferable.

本発明に係る化学式(1)の式中のrは、それぞれ独立して、1〜10の整数であることが好ましく、本発明係る化学式(1)の式中のrは、本発明に係る有機環状化合物の繰り返し単位を示すものであり、1〜10の整数であることが好ましく、rが2の場合は、二量体、rが3の場合は三量体・・・と帰納法的に有機環状化合物の繰り返し単位が連結する構造になる。また、rが2の場合は、化学式(1)の式中のR、またはRのいずれか一つが単結合である。 It is preferable that r in the formula of the chemical formula (1) according to the present invention is independently an integer of 1 to 10, and r in the formula of the chemical formula (1) according to the present invention is an organic according to the present invention. Represents a repeating unit of a cyclic compound, preferably an integer of 1 to 10. When r is 2, it is a dimer, when r is 3, it is a trimer. It becomes the structure where the repeating unit of an organic cyclic compound connects. In addition, when r is 2, any one of R 1 and R 8 in the chemical formula (1) is a single bond.

本発明に係る化学式(1)の式中のn、m、l、およびpは、それぞれ独立して、各ユニットの繰り返し単位であり、n、m、l、およびpそれぞれは0〜4の整数であって、かつ、n+m+l+p=3以上16以下の整数であることが好ましく、n+m+l+p=3以上12以下の整数であることがより好ましく、4以上12以下の整数であることが特に好ましい。   N, m, l, and p in the formula of the chemical formula (1) according to the present invention are each independently a repeating unit of each unit, and each of n, m, l, and p is an integer of 0 to 4 In addition, n + m + l + p = an integer of 3 to 16 is preferable, n + m + l + p = an integer of 3 to 12 is more preferable, and an integer of 4 to 12 is particularly preferable.

本発明に係る化学式(2)中においてRは、それぞれ独立であって、炭素数1〜10個のアルキル基あることが好ましく、炭素数1〜4個のアルキル基であることがより好ましく、具体的には、単結合、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソプロピル基、t−ブチル基などが挙げられる。 In the chemical formula (2) according to the present invention, each R 9 is independent and preferably an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, more preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, Specific examples include a single bond, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isopropyl group, and a t-butyl group.

本発明に係る化学式(2)中において、当該化学式(2)中のMは3個の酸素と結合し、酸素は2個のMと結合しているセスキ骨格であり、T単位が4〜12であることが好ましく、6〜12であることがより好ましく、6〜10であることが特に好ましい。   In the chemical formula (2) according to the present invention, M in the chemical formula (2) is bonded to three oxygens, oxygen is a sesqui skeleton bonded to two Ms, and the T unit is 4 to 12 It is preferable that it is, it is more preferable that it is 6-12, and it is especially preferable that it is 6-10.

本発明に係る化学式(2)中のMは3個の酸素と結合し、酸素は2個のMと結合しているセスキ骨格とは、例えば、以下の立方体形状ものがあり、下記の化学式(4)ではT単位が8である。   In the chemical formula (2) according to the present invention, M is bonded to three oxygens, and the sesqui skeleton in which oxygen is bonded to two Ms includes, for example, the following cubic shape, and the following chemical formula ( In 4), the T unit is 8.

上記式(4)中においてRは、それぞれ独立して炭素数1〜10個のアルキル基あることが好ましく、炭素数1〜4個のアルキル基であることがより好ましく、具体的には、単結合、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソプロピル基、t−ブチル基などが挙げられる。Mは、それぞれ独立であって、炭素原子、ケイ素原子、ゲルマニウム原子、スズ原子、および鉛原子からなる群から選択される少なくとも一つの原子であることが好ましく、例えば上記化学式(3)中のMが、ケイ素である場合はT8のシルセスキオキサンなどと称されるものである。   In the above formula (4), each R is preferably independently an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, more preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. Examples include a bond, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an isopropyl group, and a t-butyl group. M is independent and is preferably at least one atom selected from the group consisting of a carbon atom, a silicon atom, a germanium atom, a tin atom, and a lead atom. For example, M in the chemical formula (3) Is silicon, it is called T8 silsesquioxane or the like.

一般的に、第14族元素のいずれか一つと酸素との結合(例えば、第14族元素がケイ素の場合はシロキサン結合など)である「−M−O−」で主鎖が構成されるものは、以下の4つの基で表すことができる。   Generally, the main chain is composed of “—M—O—” which is a bond between any one of the group 14 elements and oxygen (for example, a siloxane bond when the group 14 element is silicon). Can be represented by the following four groups.

また上記化学式(4)は、T8であり、本発明に係る第14族元素を含む有機環状化合物としては上記化学式(4)以外のT6、T10、T12なども好適に使用することができる。なお、上記M単位、D単位、T単位、およびQ単位のそれぞれの式中のMは、化学式(1)と同様の条件であり、上記Ra、Rb、およびRcは、炭素数1〜10個のアルキル基であり、当該アルキル基は化学式(1)と同様の条件であるためここでは省略する。
「触媒の製造方法」
本発明の第二は、第14族元素を含む有機環状化合物を酸化スズ表面に担持させ、かつ焼成処理および/または乾燥処理工程を行なった後、当該有機環状化合物担持酸化スズよりなる粉末を得ることを特徴とする、炭素数2以上の炭化水素の生成に用いるメタンの選択的酸化触媒の製造方法である。
Moreover, said Chemical formula (4) is T8, T6, T10, T12 other than the said Chemical formula (4) etc. can be used suitably as an organic cyclic compound containing the group 14 element concerning this invention. In the formulas of the M unit, D unit, T unit, and Q unit, M is the same condition as in the chemical formula (1), and the Ra, Rb, and Rc have 1 to 10 carbon atoms. The alkyl group is the same as in the chemical formula (1), and is omitted here.
"Catalyst production method"
In the second aspect of the present invention, an organic cyclic compound containing a Group 14 element is supported on the surface of tin oxide, and after a firing treatment and / or a drying treatment step, a powder made of the organic cyclic compound-supported tin oxide is obtained. This is a method for producing a selective oxidation catalyst for methane used for producing hydrocarbons having 2 or more carbon atoms.

本発明に係る酸化スズは、市販のものを使用しても合成したものを使用してもよい。本発明に係る酸化スズの合成法としては公知の方法を使用することができ特に制限されることはないが、例えば、テトラエトキシ錫 Sn (OC、テトラ―i―プロポキシ錫 approx. Sn (O−i−C、テトラ―n―ブトキシ錫 Sn (O−n−Cなどの酸化スズの前駆体を不活性ガス(Ar、He、Neなど)雰囲気下で溶剤に添加して、攪拌混合し完全に溶解させた0.1〜125g/lの濃度の溶液を調製した後、1〜10日間かけてドライアップする。次いで乾燥機を用いて60℃〜100℃、3日〜7日間乾燥させた。その後、600〜1000℃で空気中6〜48時間焼成後、冷却して酸化スズを得ることができる。また、上記酸化スズの前駆体は、単独で用いても混合して用いてもよい。なお、前記溶液は溶解すればよいため、特に制限されない。 The tin oxide according to the present invention may be a commercially available one or a synthesized one. As a method for synthesizing tin oxide according to the present invention, a known method can be used and is not particularly limited. For example, tetraethoxytin Sn (OC 2 H 5 ) 4 , tetra-i-propoxytin approx . Sn (O-i-C 3 H 7) 4, tetra -n- butoxy tin Sn (O-n-C 4 H 9) 4 precursor of tin oxide, such as an inert gas (Ar, He, Ne, etc.) A solution having a concentration of 0.1 to 125 g / l, which is added to a solvent under an atmosphere and stirred and mixed to be completely dissolved, is dried up for 1 to 10 days. Subsequently, it was dried using a dryer at 60 ° C to 100 ° C for 3 days to 7 days. Then, after baking in the air at 600-1000 degreeC for 6 to 48 hours, it can cool and can obtain a tin oxide. The tin oxide precursors may be used alone or in combination. In addition, since the said solution should just melt | dissolve, it does not restrict | limit in particular.

さらに、酸化スズ中にMn原子を含む化合物を添加する場合、すなわち酸化スズとマンガンとの固溶体を形成させる場合は、上記酸化スズの前駆体とともに酸化スズの前駆体に対して5〜20質量%になるように、Mn原子を含む化合物またはそれらの前駆体を上記不活性ガス雰囲気下で上記溶剤に添加する。   Furthermore, when adding a compound containing Mn atoms in tin oxide, that is, when forming a solid solution of tin oxide and manganese, 5 to 20% by mass with respect to the tin oxide precursor together with the tin oxide precursor. Then, a compound containing Mn atoms or a precursor thereof is added to the solvent under the inert gas atmosphere.

上記Mn原子を含む化合物またはそれらの前駆体としては、酸化スズとマンガンとの固溶体を形成させることができるものであれば特に制限されることはなく、例えばテトライソプロポキシマンガンなどが挙げられる。   The compound containing Mn atom or a precursor thereof is not particularly limited as long as it can form a solid solution of tin oxide and manganese, and examples thereof include tetraisopropoxy manganese.

上記溶剤としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール、脱水メタノール、脱水エタノール、脱水プロパノール、脱水イソプロパノールなどの脱水アルコール、THF、アセトンなどが挙げられる。   Examples of the solvent include lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol and isopropanol, dehydrated alcohols such as dehydrated methanol, dehydrated ethanol, dehydrated propanol and dehydrated isopropanol, THF and acetone.

本発明に係る第14族元素を含む有機環状化合物を担持した酸化スズの調製方法は、固相法、液相法、または気相法や、第14族元素を含む有機環状化合物を溶剤に添加した溶液を直接酸化スズの表面に塗布して乾燥(60〜100℃)・焼成(600〜1000℃)する方法など挙げられるが、特に制限されるものではない。   The preparation method of tin oxide carrying an organic cyclic compound containing a Group 14 element according to the present invention includes a solid phase method, a liquid phase method, or a gas phase method, and an organic cyclic compound containing a Group 14 element is added to a solvent. Although the method of apply | coating the prepared solution directly to the surface of tin oxide and drying (60-100 degreeC) and baking (600-1000 degreeC) etc. are mentioned, It does not restrict | limit in particular.

本発明に係る第14族元素を含む有機環状化合物有機環状化合物を有機溶媒溶液として用い、不活性ガス雰囲気下に酸化スズに担持させ、600〜1000℃で焼成処理することよりなることが好ましく、700〜1000℃で焼成処理することよりなることがより好ましく、700〜900℃で焼成処理することよりなることが特に好ましい。   An organic cyclic compound containing a group 14 element according to the present invention is preferably used as an organic solvent solution, supported on tin oxide under an inert gas atmosphere, and calcined at 600 to 1000 ° C. More preferably, it comprises baking at 700 to 1000 ° C., particularly preferably baking treatment at 700 to 900 ° C.

本発明の第14族元素を含む有機環状化合物を担持した酸化スズは、固相法、液相法、または気相法やその他の方法で担持させることができ、中でも液相法が好ましい。   The tin oxide carrying the organic cyclic compound containing the Group 14 element of the present invention can be carried by a solid phase method, a liquid phase method, a gas phase method or other methods, and the liquid phase method is preferred among them.

以下、本発明に係る第14族元素を含む有機環状化合物を担持した酸化スズの調製方法の好適な例(液相法、いわゆるゾルゲル法)を説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, preferred examples (liquid phase method, so-called sol-gel method) for preparing tin oxide carrying an organic cyclic compound containing a Group 14 element according to the present invention will be described, but the scope of the present invention is limited to these. It is not something.

本発明に係る酸化スズ(必要により当該酸化スズ中のスズに対してMn原子を1〜15質量%含有してもよい。)を、不活性ガス雰囲気下で溶剤に添加して、攪拌混合し完全に溶解させた0.1〜125g/lの濃度の溶液を調製した後、さらにこの溶液に第14族元素を含む有機環状化合物の前駆体を所定量添加し、攪拌混合して酸化スズ(必要によりMnを1〜15質量%含有)、および第14族元素を含む有機環状化合物の前駆体を含有する溶液を調整する。次いで、さらに攪拌しながら1〜10日間かけてドライアップする。次いで乾燥機を用いて、60℃〜100℃、3日〜7日間乾燥させた後、600〜1000℃で空気中6〜48時間焼成後、冷却して第14族元素を含む有機環状化合物を担持した酸化スズを得ることができる。   The tin oxide according to the present invention (optionally containing 1 to 15% by mass of Mn atoms with respect to tin in the tin oxide) is added to the solvent under an inert gas atmosphere, and the mixture is stirred and mixed. After preparing a completely dissolved solution having a concentration of 0.1 to 125 g / l, a predetermined amount of a precursor of an organic cyclic compound containing a Group 14 element was added to the solution, and the mixture was stirred and mixed to produce tin oxide ( If necessary, a solution containing 1-15% by mass of Mn) and a precursor of an organic cyclic compound containing a Group 14 element is prepared. Subsequently, it dries up over 1-10 days, stirring further. Next, using a dryer, after drying at 60 ° C. to 100 ° C. for 3 to 7 days, firing at 600 to 1000 ° C. in the air for 6 to 48 hours, and then cooling to obtain an organic cyclic compound containing a Group 14 element A supported tin oxide can be obtained.

本発明に係る第14族元素を含む有機環状化合物の前駆体としては、酸化スズ表面に形成する第14族元素を含む有機環状化合物によって適宜選択されるものであるが、例えば、酸化スズ表面にケイ素を含む有機環状化合物を形成する場合は、公知のシランカップリング剤を使用することができ特に制限されることはなく、Xa−Si(ORg)で表されるシランカップリング剤などが好ましく、具体的にはSi(CO)、Si(CHO)CH、Si(CO)、Si(CO)、Si(CO)等挙げられ、上記Xa−Si(ORg)において、Rgは、それぞれにおいて、同一でも、一部同一でも、すべて異なっていても良く、メチル、エチル、プロピル、ブチル、シクロヘキシル、ヘキシル、オクチル、フェニル、ベンジル、ナフチル、メトキシ、エトキシ、プロポキシ等であり、これらの炭化水素基は分岐していても直鎖状であってもよく、Xaは、炭素数1〜10のアルキル基(メチル、エチル、プロピル、ブチル、シクロヘキシル、ヘキシル、オクチルなど)、メチルアクリレート基、アクリレート基、エポキシ基(グリシジル基)、アミノ基、ヒドロキシアミノ基、ビニル基、アセチレン基、カルボニル基、ジカルボニル基、酸無水物基、アルデヒド基、イソシアネート基、メルカプト基、アルキルメルカプト基、クロロ基、ブロモ基、フルオロ基、ヨード基、ホルムアミド基、アセトアミド基、シアノ基、アミド基、イミド基、水酸基、オキサゾリン基、等の反応性基およびこれらの基が炭化水素基に置換した置換アルキル、置換アルケニル基等が挙げられる。 The precursor of the organic cyclic compound containing a Group 14 element according to the present invention is appropriately selected depending on the organic cyclic compound containing a Group 14 element formed on the tin oxide surface. In the case of forming an organic cyclic compound containing silicon, a known silane coupling agent can be used and is not particularly limited, and a silane coupling agent represented by Xa-Si (ORg) 3 is preferable. Specifically, Si (C 2 H 5 O) 3 C 2 H 5 , Si (CH 3 O) 3 CH 3 , Si (C 3 H 7 O) 3 C 3 H 7 , Si (C 4 H 9 O ) 3 C 4 H 9 , Si (C 2 H 5 O) 4, etc., and in the above Xa-Si (ORg) 3 , Rg may be the same, partially the same, or all different. , Methyl, et Til, propyl, butyl, cyclohexyl, hexyl, octyl, phenyl, benzyl, naphthyl, methoxy, ethoxy, propoxy and the like, and these hydrocarbon groups may be branched or linear, and Xa is C1-C10 alkyl group (methyl, ethyl, propyl, butyl, cyclohexyl, hexyl, octyl, etc.), methyl acrylate group, acrylate group, epoxy group (glycidyl group), amino group, hydroxyamino group, vinyl group, acetylene Group, carbonyl group, dicarbonyl group, acid anhydride group, aldehyde group, isocyanate group, mercapto group, alkyl mercapto group, chloro group, bromo group, fluoro group, iodo group, formamide group, acetamide group, cyano group, amide group Reactivity of imide group, hydroxyl group, oxazoline group, etc. And these groups substituted with substituted alkyl hydrocarbon group include substituted alkenyl groups.

また、酸化スズ表面にゲルマニウムを含む有機環状化合物を形成する場合は、Xa−Ge(ORg)で表される前駆体などが好ましく、具体的にはGe(CO)、Ge(CHO)CH、Ge(CO)、Ge(CO)、Ge(CO)等挙げられ、上記Xa−Ge(ORg)において、Rgは、それぞれにおいて、同一でも、一部同一でも、すべて異なっていても良く、メチル、エチル、プロピル、ブチル、シクロヘキシル、ヘキシル、オクチル、フェニル、ベンジル、ナフチル、メトキシ、エトキシ、プロポキシ等であり、これらの炭化水素基は分岐していても直鎖状であってもよく、Xaは、炭素数1〜10のアルキル基(メチル、エチル、プロピル、ブチル、シクロヘキシル、ヘキシル、オクチルなど)、メチルアクリレート基、アクリレート基、エポキシ基(グリシジル基)、アミノ基、ヒドロキシアミノ基、ビニル基、アセチレン基、カルボニル基、ジカルボニル基、酸無水物基、アルデヒド基、イソシアネート基、メルカプト基、アルキルメルカプト基、クロロ基、ブロモ基、フルオロ基、ヨード基、ホルムアミド基、アセトアミド基、シアノ基、アミド基、イミド基、水酸基、オキサゾリン基、等の反応性基およびこれらの基が炭化水素基に置換した置換アルキル、置換アルケニル基等が挙げられる。 Moreover, when forming the organic cyclic compound containing germanium on the surface of tin oxide, a precursor represented by Xa-Ge (ORg) 3 is preferable, and specifically Ge (C 2 H 5 O) 3 C 2. H 5, Ge (CH 3 O ) 3 CH 3, Ge (C 3 H 7 O) 3 C 3 H 7, Ge (C 4 H 9 O) 3 C 4 H 9, Ge (C 2 H 5 O) 4 In the above Xa-Ge (ORg) 3 , Rg may be the same, partly the same or all different, and methyl, ethyl, propyl, butyl, cyclohexyl, hexyl, octyl, phenyl , Benzyl, naphthyl, methoxy, ethoxy, propoxy, etc., and these hydrocarbon groups may be branched or linear, and Xa is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms (methyl, ethyl, Propyl, butyl, cyclohexyl, hexyl, octyl, etc.), methyl acrylate group, acrylate group, epoxy group (glycidyl group), amino group, hydroxyamino group, vinyl group, acetylene group, carbonyl group, dicarbonyl group, acid anhydride Product group, aldehyde group, isocyanate group, mercapto group, alkyl mercapto group, chloro group, bromo group, fluoro group, iodo group, formamide group, acetamide group, cyano group, amide group, imide group, hydroxyl group, oxazoline group, etc. Examples thereof include a reactive group and a substituted alkyl or substituted alkenyl group in which these groups are substituted with a hydrocarbon group.

また、酸化スズ表面にスズを含む有機環状化合物を形成する場合は、例えば、Xa−Sn(ORg)で表される前駆体など、具体的にはSn(CO)、Sn(CHO)CH、Sn(CO)、Sn(CO)、Sn(CO)等挙げられ、テトラエトキシ錫 Sn (OC、テトラ―i―プロポキシ錫 approx. Sn (O−i−C、テトラ―n―ブトキシ錫 Sn (O−n−Cなどと共に混合して用いてもよく、上記Xa−Ge(ORg)において、RgはおよびXaは上記と同様であるためここでは省略する。 Moreover, when forming the organic cyclic compound containing tin on the tin oxide surface, for example, a precursor represented by Xa-Sn (ORg) 3 , specifically Sn (C 2 H 5 O) 3 C 2 H 5, Sn (CH 3 O ) 3 CH 3, Sn (C 3 H 7 O) 3 C 3 H 7, Sn (C 4 H 9 O) 3 C 4 H 9, Sn (C 2 H 5 O) 4 Tetraethoxytin Sn (OC 2 H 5 ) 4 , tetra-i-propoxytin approx. It may be used in combination with Sn (Oi-C 3 H 7 ) 4 , tetra-n-butoxytin Sn (On-C 4 H 9 ) 4, etc. In the above Xa-Ge (ORg) 3 , Rg, and Xa are the same as above, and are omitted here.

また、上記第14族元素を含む有機環状化合物の前駆体は、単独で用いても混合して用いてもよい。さらに、上記溶剤は、酸化スズの好適な合成法で用いたものと同様のものを使用できるためここでは省略する。   Moreover, the precursor of the organic cyclic compound containing the said group 14 element may be used independently or may be mixed and used. Furthermore, since the said solvent can use the thing similar to what was used by the suitable synthesis method of tin oxide, it abbreviate | omits here.

本発明に係る第14族元素を含む有機環状化合物を担持した酸化スズの調製方法として上記の好適な例で説明した以外に気相法を用いることができ、当該気相法は公知の方法を用いることができ特に制限されることはなく、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの物理気相法などで用いられるように、低圧力下で第14族元素を含む有機環状化合物を加熱し、蒸発もしくは昇華させることにより、酸化スズ表面上に形成する方法などが挙げられる。   A gas phase method other than those described in the above preferred examples can be used as a method for preparing tin oxide carrying an organic cyclic compound containing a Group 14 element according to the present invention. There is no particular limitation, and for example, an organic ring containing a group 14 element under a low pressure as used in a physical vapor phase method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, or an ion plating method. Examples include a method of forming a compound on a tin oxide surface by heating and evaporating or sublimating the compound.

本発明の第三は、本発明に係る触媒の存在下にメタンおよび分子状酸素を含有する原料ガスを400〜700℃の温度で反応させることよりなる炭化水素の製造方法である。また、前記原料ガスは500〜700℃の温度で反応させることが好ましく、前記原料ガスは500〜600℃の温度で反応させることがより好ましい。   The third aspect of the present invention is a method for producing hydrocarbons comprising reacting a raw material gas containing methane and molecular oxygen at a temperature of 400 to 700 ° C. in the presence of the catalyst according to the present invention. Moreover, it is preferable to make the said raw material gas react at the temperature of 500-700 degreeC, and it is more preferable to make the said raw material gas react at the temperature of 500-600 degreeC.

本発明に係る触媒である第14族元素を含む有機環状化合物が表面に形成された酸化スズ(必要により当該酸化スズ中のスズに対してMn原子を1〜15質量%含有してもよい。)を、触媒の活性成分として使用する場合、担体などに担持させて用いても、そのまま用いてもよくその使用方法は制限されるものではなく、例えば本発明に係る触媒が粉末のものである場合は、必要によりペレット状、球状、リング状、不定形状に成形することにより触媒が得られる。   Tin oxide formed on the surface of an organic cyclic compound containing a Group 14 element, which is a catalyst according to the present invention (If necessary, Mn atoms may be contained in an amount of 1 to 15% by mass with respect to tin in the tin oxide. ) As an active component of the catalyst, it may be used as it is supported on a carrier, or may be used as it is, and its usage is not limited. For example, the catalyst according to the present invention is a powder. In some cases, the catalyst can be obtained by molding into pellets, spheres, rings, or irregular shapes as necessary.

「オレフィンの製造方法」
上記の方法で得られる触媒は、メタン含有ガスからCおよび/またはCの炭素数2以上の炭化水素の製造に使用される。例えば、分子状酸素含有ガスを含有するメタンに必要により、一酸化窒素、および不活性ガスを添加してなる原料ガスと、触媒層に通過させ、400〜700℃、好ましくは500〜600℃の温度で空間速度20000〜100000h−1の条件下で反応させることが好ましい。
"Olefin production method"
The catalyst obtained by the above method is used for the production of C 3 and / or C 4 hydrocarbons having 2 or more carbon atoms from a methane-containing gas. For example, if necessary for methane containing a molecular oxygen-containing gas, it is passed through a raw material gas to which nitrogen monoxide and an inert gas are added and a catalyst layer, and is 400 to 700 ° C., preferably 500 to 600 ° C. It is preferable to make it react on condition of space velocity 20000-100,000h- 1 at temperature.

なお、本明細書における転化率および選択率は次の定義による。   In addition, the conversion rate and selectivity in this specification are based on the following definition.

また、本発明に係るメタン含有ガスは、メタン、酸素を含み、さらに必要によりNO、Heを含むガスであり、メタン含有ガス全体の質量に対してメタンガスが好ましくは50〜70質量%含有、メタン含有ガス全体の質量に対して酸素ガスが好ましくは20〜30質量%含有、メタン含有ガス全体の質量に対して3%のNOが含むHeガスが好ましくは0〜22質量%含有したものである。   The methane-containing gas according to the present invention is a gas containing methane and oxygen, and further containing NO and He as necessary. The methane gas is preferably contained in an amount of 50 to 70% by mass with respect to the total mass of the methane-containing gas. The oxygen gas is preferably contained in an amount of 20 to 30% by mass with respect to the total mass of the contained gas, and the He gas containing 3% of NO with respect to the mass of the entire methane-containing gas is preferably contained in an amount of 0 to 22% by mass. .

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

「触媒調製法」
1)酸化スズの合成
Sn(O−i−C 25gを秤量した後、Ar雰囲気グローブボックス中の脱水エタノール500 mlを入れたビーカーに入れ、攪拌混合し、完全に溶解させた。次いで完全に溶解した後、グローブボックスから取り出し、空気中で混合しながら7日間かけてドライアップした。さらに乾燥機を用いて3日間乾燥させた。その後、700℃で空気中24時間焼成後、冷却し、酸化スズサンプル(表面積31.6m/g)とした。
"Catalyst preparation method"
1) Synthesis of tin oxide After weighing 25 g of Sn (Oi-C 3 H 7 ) 4 , it was put into a beaker containing 500 ml of dehydrated ethanol in an Ar atmosphere glove box, and stirred and mixed to be completely dissolved. . Subsequently, after completely dissolving, it was taken out from the glove box and dried up for 7 days while mixing in air. Furthermore, it was dried for 3 days using a dryer. Then, after baking in the air at 700 degreeC for 24 hours, it cooled and it was set as the tin oxide sample (surface area 31.6m < 2 > / g).

2)ゲルマニウム担持酸化スズ(0.75 wt% Ge/SnO)の合成
上記のように作製した酸化スズサンプル5gを秤量した後、Ar雰囲気グローブボックス中の脱水エタノール100 mlを入れたビーカーに添加した。さらにこの混合溶液にGe(CO)を1.10 ml入れ、攪拌混合した。次いで、グローブボックス中で十分に攪拌混合した後、大気中にビーカーを取り出し、さらに攪拌しながら3〜7日かけてドライアップした。その後、乾燥機を用いて1日間、乾燥した。その後700℃で空気中24時間焼成後、冷却し、ゲルマニウム担持酸化スズサンプルとした。
2) Synthesis of germanium-supported tin oxide (0.75 wt% Ge / SnO 2 ) After weighing 5 g of the tin oxide sample prepared as described above, it was added to a beaker containing 100 ml of dehydrated ethanol in an Ar atmosphere glove box. did. Further, 1.10 ml of Ge (C 2 H 5 O) 3 C 2 H 5 was added to this mixed solution and mixed with stirring. Next, after sufficiently stirring and mixing in the glove box, the beaker was taken out into the atmosphere and further dried for 3 to 7 days while stirring. Then, it dried for 1 day using the dryer. Then, after baking in the air at 700 ° C. for 24 hours, the sample was cooled to obtain a germanium-supported tin oxide sample.

また、ゲルマニウム担持酸化スズであるゲルモキサン触媒(0.25 wt% Ge/SnO)の合成法をフローチャーで示す(図4)。 Also shows synthesis of germoxane catalyst is germanium-bearing tin oxide (0.25 wt% Ge / SnO 2 ) to a flow chart (FIG. 4).

「TOF−MASS測定」
上記「触媒調製法」の欄で調製したように、ゲルマニウム担持酸化スズサンプルに用いたEtGe(OEt)のTOF−MASS測定を行なった。その結果を図3に示す。
"TOF-MASS measurement"
As prepared in the column of “Catalyst Preparation Method”, TOF-MASS measurement of EtGe (OEt) 3 used for the germanium-supported tin oxide sample was performed. The result is shown in FIG.

なお、上記EtGe(OEt)は、EtGe(OEt)を脱水エタノールに溶解させてゲル状のものをサンプルにした。 The EtGe (OEt) 3 was a gel-like sample prepared by dissolving EtGe (OEt) 3 in dehydrated ethanol.

図3に示すように、TOF−MASSの実験結果から、溶液中においてEtGe(OEt)が脱水反応していることが確認された。7日間の攪拌反応とドライアップの後、テトラシノールと同様にSnO表面上にテトラゲルマノールが被覆されていると考えられる。SnO表面上のテトラゲルマノールのサイズからゲルモキサンの単層の量を算出したものを1MLとした。 As shown in FIG. 3, it was confirmed from the experimental results of TOF-MASS that EtGe (OEt) 3 was dehydrated in the solution. After the stirring reaction and dry-up for 7 days, it is considered that tetragermanol is coated on the SnO 2 surface in the same manner as tetracinol. The amount of the germanium monolayer calculated from the size of tetrageranol on the SnO 2 surface was defined as 1 ML.

「SEMおよびHRTEM測定」
上記ゲルマニウム担持酸化スズであるゲルモキサン触媒(0.25 wt% Ge/SnO)のSEM(コメント:機械名、製造会社などわかれば記載してください。)を使用したSEM像を図5に示し、HRTEMを用いたHRTEM像を図6に示す。
"SEM and HRTEM measurement"
FIG. 5 shows an SEM image using a SEM (comment: if you know the machine name, manufacturer, etc.) of the germanium-supported tin oxide germanium catalyst (0.25 wt% Ge / SnO 2 ). An HRTEM image using HRTEM is shown in FIG.

かかる結果から本発明のゲルマニウム担持酸化スズ(0.25 wt% Ge/SnO)の表面には、ガス取り込み空間である細孔が無数に存在することが確認される。 From these results, it is confirmed that the surface of the germanium-supported tin oxide (0.25 wt% Ge / SnO 2 ) of the present invention has innumerable pores as gas intake spaces.

「固定床流通式反応装置を用いたゲルマニウム担持酸化スズ触媒による炭素数2以上の炭化水素の製造方法」
図7は7.5 wt%Ge/SnOサンプルを用いたメタン選択酸化反応の結果である。また、図8はC、C2成分の選択率を拡大したものである。
“Method for producing hydrocarbons having 2 or more carbon atoms using a germanium-supported tin oxide catalyst using a fixed-bed flow reactor”
FIG. 7 shows the results of a methane selective oxidation reaction using a 7.5 wt% Ge / SnO 2 sample. FIG. 8 is an enlarged view of the selectivity of the C 3 H 6 and C2 components.

ゲルマニウム担持酸化スズ(7.5 wt%Ge/SnOサンプル)触媒(粉末状)0.3gを石英ウールに挟むようにして石英管中に挿入し固定床流通式反応装置を用いて、メタン含有ガス(反応ガス)はCH:O:NO=2:1:0.5、トータル流量は285ml/minの条件で炭素数2以上の炭化水素を製造した。これによると723Kではメタン転化率2.3%であり、Cの選択率は約3%であった。 A germanium-supported tin oxide (7.5 wt% Ge / SnO 2 sample) catalyst (powder) 0.3 g was inserted into a quartz tube so as to be sandwiched between quartz wool, and a methane-containing gas ( The reaction gas was CH 4 : O 2 : NO = 2: 1: 0.5, and a hydrocarbon having 2 or more carbon atoms was produced under the conditions of a total flow rate of 285 ml / min. According to this, at 723 K, the methane conversion was 2.3%, and the selectivity for C 3 H 6 was about 3%.

なお、図11において触媒不存在下における気相反応を示す。また図22にCHOH転化率の変化を示す結果を示す。 FIG. 11 shows a gas phase reaction in the absence of a catalyst. FIG. 22 shows the results showing the change in the CH 3 OH conversion rate.

「ガスクロマトグラフィーよる分析」
上記製造方法により得られたガスを、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した。その結果を図9に示す。CO、COはTCD(島津製作所 GC8A カラム ガスクロバック54 4m)を使用し、その他はFID(G14A カラム SHINカーボン 2m)を用いた。
"Analysis by gas chromatography"
The gas obtained by the above production method was analyzed using gas chromatography. The result is shown in FIG. As CO and CO 2 , TCD (Shimadzu Corporation GC8A Column Gas Chro back 54 4 m) was used, and for others, FID (G14A column SHIN carbon 2 m) was used.

また、図29にガスクロマトグラフィーを用いて分析した結果を示す。
「XRD測定」
図20にXRD測定による結果を示す。
FIG. 29 shows the results of analysis using gas chromatography.
"XRD measurement"
FIG. 20 shows the result of XRD measurement.

(比較例)
「固定床流通式反応装置を用いたSnO触媒およびGeO触媒による選択性」
上記1)の酸化スズの合成で得られたSnO触媒と、GeO触媒(和光純薬社製)を用いて実施例と同様の固定床流通式反応装置を用いて、メタン55.6容量%、酸素ガス27.7容量%、一酸化窒素0.5容量%およびヘリウム16.2容量%を含む混合ガスを240ml/minの流量で流通させ、温度で反応させてメタンの酸化活性(メタン転化率)とプロピレンなどの生成物の選択率を調べたところ、図10に示す結果が得られた。なお、このときの各生成物の分析は、ガスクロマトグラフィーを用いて行なった。
(Comparative example)
"Selectivity with SnO 2 catalyst and GeO 2 catalyst using fixed bed flow reactor"
Using the same fixed bed flow reactor as in the Examples using SnO 2 catalyst obtained by the synthesis of tin oxide of 1) and GeO 2 catalyst (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 55.6 volumes of methane %, Oxygen gas 27.7 vol%, nitric oxide 0.5 vol% and helium 16.2 vol% are circulated at a flow rate of 240 ml / min and reacted at temperature to react with the oxidation activity of methane (methane The conversion rate) and the selectivity of the product such as propylene were examined. The results shown in FIG. 10 were obtained. In addition, the analysis of each product at this time was performed using the gas chromatography.

天然ガスを供給しているガス会社の発熱量調整に必要なプロパンガスを石油会社から購入しなくても、自社内で作製できる。プロパン、プロピレンを石油から合成している化学会社が資源豊富で価格の安定しているメタンからC3炭化水素を作製できる。   Propane gas, which is necessary for adjusting the calorific value of a gas company that supplies natural gas, can be produced in-house without purchasing it from an oil company. A chemical company that synthesizes propane and propylene from petroleum can produce C3 hydrocarbons from methane, which is abundant and stable in price.

図1は、酸化スズの表面に第14族元素を含む有機環状化合物を担持させた模式図である。FIG. 1 is a schematic view in which an organic cyclic compound containing a Group 14 element is supported on the surface of tin oxide. 本発明の第14族元素を含む有機環状化合物の一例の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of an example of the organic cyclic compound containing the 14th group element of this invention. 本発明の第14族元素を含む有機環状化合物の一例であるゲルマニウム化合物のTOF−MASSの実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of TOF-MASS of the germanium compound which is an example of the organic cyclic compound containing the group 14 element of this invention. 本発明の酸化スズと第14族元素を含む有機環状化合物との触媒の一例であるゲルモキサン触媒の実験方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the experimental method of the germanium catalyst which is an example of the catalyst of the tin oxide of this invention, and the organic cyclic compound containing a Group 14 element. 本発明の酸化スズと第14族元素を含む有機環状化合物との触媒の一例であるゲルモキサン触媒のSEM像である。It is a SEM image of a germoxane catalyst which is an example of the catalyst of the tin oxide of this invention and the organic cyclic compound containing a 14th group element. 本発明の酸化スズと第14族元素を含む有機環状化合物との触媒の一例であるゲルモキサン触媒のHRTEM像である。It is a HRTEM image of the germanium catalyst which is an example of the catalyst of the tin oxide of this invention, and the organic cyclic compound containing a Group 14 element. 本実施例における選択性と温度との関係を示す実験結果である。It is an experimental result which shows the relationship between the selectivity and temperature in a present Example. 本実施例における選択性と温度との関係を示す実験結果である。It is an experimental result which shows the relationship between the selectivity and temperature in a present Example. 本実施例におけるガスクロマトグラフィーの実験結果を示す。The experimental result of the gas chromatography in a present Example is shown. 比較例であるSnO、GeO単独酸化物のメタン酸化活性と生成物の選択性の実験結果を示す図である。It is a diagram showing a is SnO 2, GeO 2 alone oxide selectivity of the experimental results of methane oxidation activity and the product of Comparative Example. 触媒不存在下における気相反応を示す実験結果である。It is an experimental result which shows the gas phase reaction in the absence of a catalyst. 本発明の出願時において考えられる反応機構を示す図である。It is a figure which shows the reaction mechanism considered at the time of the application of this invention. SnO((110)面)表面の酸素原子の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a state of oxygen atoms of the SnO 2 ((110) plane) surface. SnOステップにおけるCOの酸化および吸着の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the oxidation and adsorption state of CO in SnO 2 step. SnO((110)面)におけるCOの酸化および吸着の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state of oxidation and adsorption of CO in SnO 2 ((110) plane). SnO上の吸着酸素の移動を示す図である。Is a diagram illustrating the movement of adsorbed oxygen on the SnO 2. Ge置換SnO上の吸着酸素の移動を示す図である。Ge is a diagram illustrating the movement of adsorbed oxygen on the substituted SnO 2. 酸化スズ表面様子を示す図である。It is a figure which shows the tin oxide surface state. 酸化スズ表面様子を示す図である。It is a figure which shows the tin oxide surface state. 本発明の実験結果(選択率と温度との関係)を示す図である。It is a figure which shows the experimental result (relationship between a selectivity and temperature) of this invention. XRD測定の結果を示す。The result of a XRD measurement is shown. 反応温度とメタノールの転化率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between reaction temperature and the conversion rate of methanol. dV/drとr/nmとの関係を示す図である。It is a diagram showing a relationship between dV p / dr p and r p / nm. MP法によるGe/SnOの測定結果を示す。The measurement results of Ge / SnO 2 by the MP method. フォーメイション比と温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between formation ratio and temperature. 本発明の実験結果(選択率と温度との関係)を示す図である。It is a figure which shows the experimental result (relationship between a selectivity and temperature) of this invention. ゲルマニウム量と全細孔容積との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the amount of germanium and total pore volume. 本発明の実験結果(選択率と温度との関係)を示す図である。It is a figure which shows the experimental result (relationship between a selectivity and temperature) of this invention. 本実施例におけるガスクロマトグラフィーの実験結果を示す。The experimental result of the gas chromatography in a present Example is shown. 本発明の実験結果(選択率と温度との関係)を示す図である。It is a figure which shows the experimental result (relationship between a selectivity and temperature) of this invention.

Claims (7)

第14族元素を含む有機環状化合物を酸化スズの表面に担持させてなる、炭素数2以上の炭化水素の生成に用いるメタンの選択的酸化触媒。   A selective oxidation catalyst for methane, which is used for producing a hydrocarbon having 2 or more carbon atoms, comprising an organic cyclic compound containing a Group 14 element supported on the surface of tin oxide. 前記酸化スズの表面に形成された第14族元素を含む有機環状化合物は、当該有機環状化合物の内部にメタン含有ガスを取り込むガス取り込み空間を有することを特徴とする、請求項1に記載の触媒。   2. The catalyst according to claim 1, wherein the organic cyclic compound containing a Group 14 element formed on the surface of the tin oxide has a gas intake space for taking a methane-containing gas into the organic cyclic compound. . 前記第14族元素を含む有機環状化合物は、下記の化学式(1):
(上記式中において、R、R、およびRは、それぞれ独立して、炭素数1〜10個のアルキル基であり、
は、それぞれ独立して、単結合、または炭素数1〜10のアルキル基であり、
は、それぞれ独立して、単結合、水素原子、ハロゲン原子、水酸基、またはカルボキシル基であり、
、R、およびRは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、水酸基、カルボキシル基であり、
Mは、それぞれ独立して、ケイ素原子、ゲルマニウム原子、およびスズ原子からなる群から選択される少なくとも一つの原子であり、
rは、1〜10の整数であり、
n、m、l、およびpは、それぞれ独立して、0〜4の整数であって、かつ、n+m+l+p=3以上16以下の整数である)で示される化合物、および下記の化学式(2):
(上記式(2)中においてRは、それぞれ独立であって、炭素数1〜10個のアルキル基あり、
Mは、それぞれ独立でして、ケイ素原子、ゲルマニウム原子、およびスズ原子からなる群から選択される少なくとも一つの原子であり、かつ上記化学式(2)中のMは3個の酸素と結合し、酸素は2個のMと結合しているセスキ骨格を有する構造であって、かつ下記T単位:
を4〜12有する)化合物からなる群から選択される少なくとも一つである、請求項1または2に記載の触媒。
The organic cyclic compound containing the Group 14 element has the following chemical formula (1):
(In the above formula, R 3 , R 5 , and R 7 are each independently an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
Each R 1 is independently a single bond or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms;
Each R 8 is independently a single bond, a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, or a carboxyl group;
R 2 , R 4 , and R 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, or a carboxyl group,
M is each independently at least one atom selected from the group consisting of a silicon atom, a germanium atom, and a tin atom;
r is an integer of 1 to 10,
n, m, l and p are each independently an integer of 0 to 4 and n + m + l + p = an integer of 3 to 16, and the following chemical formula (2):
(In the formula (2), each R 9 is independent and has an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
M is each independently at least one atom selected from the group consisting of a silicon atom, a germanium atom, and a tin atom, and M in the chemical formula (2) binds to three oxygens; Oxygen has a structure having a sesqui skeleton bonded to two M, and has the following T unit:
The catalyst according to claim 1 or 2, which is at least one selected from the group consisting of compounds having 4 to 12).
前記酸化スズに対する第14族元素を含む有機環状化合物の担持量が第14族元素換算で0.5〜10質量%である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の触媒。   The catalyst of any one of Claims 1-3 whose load of the organic cyclic compound containing the 14th group element with respect to the said tin oxide is 0.5-10 mass% in conversion of 14th group element. 第14族元素を含む有機環状化合物を酸化スズ表面に担持させ、かつ焼成処理および/または乾燥処理工程を行なった後、当該有機環状化合物担持酸化スズよりなる粉末を得ることを特徴とする、炭素数2以上の炭化水素の生成に用いるメタンの選択的酸化触媒の製造方法。   Carbon obtained by supporting an organic cyclic compound containing a Group 14 element on the surface of tin oxide and performing a firing treatment and / or a drying treatment step, and then obtaining a powder comprising the organic cyclic compound-supported tin oxide. A method for producing a selective oxidation catalyst for methane used for the production of hydrocarbons of several or more. 前記第14族元素を含む有機環状化合物を有機溶媒溶液として用い、不活性ガス雰囲気下に酸化スズに担持させ、600〜1000℃で焼成処理することよりなる、請求項3に記載の方法。   The method according to claim 3, comprising using an organic cyclic compound containing the Group 14 element as an organic solvent solution, supporting tin oxide in an inert gas atmosphere, and performing a baking treatment at 600 to 1000 ° C. 5. 請求項1〜3のいずれか一つに記載の触媒の存在下にメタンおよび分子状酸素を含有する原料ガスを400〜700℃の温度で反応させることよりなる炭素数2以上の炭化水素の製造方法。   Production of a hydrocarbon having 2 or more carbon atoms, comprising reacting a raw material gas containing methane and molecular oxygen in the presence of the catalyst according to any one of claims 1 to 3 at a temperature of 400 to 700 ° C. Method.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH01143839A (en) * 1987-10-17 1989-06-06 British Petroleum Co Plc:The Conversion of methane to higher hydrocarbon
JPH0748579A (en) * 1991-05-21 1995-02-21 Inst Fr Petrole Production of liquid hydrocarbon from natural gas in presence of catalyst based on zeolite and gallium

Patent Citations (2)

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