JP2009525973A - 多孔性有無機混成体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1)金属前駆体、リガンドとして作用できる有機物及び溶媒を混合して反応物混合液を製造する段階;及び
2)前記反応物混合液にマイクロ波を照射し、100℃以上に加熱する段階。
)、アミド基(−CONH2)、スルホン酸基(−SO3H)、スルホン酸アニオン基(−SO3 −)、メタンジチオ酸基(−CS2H)、メタンジチオ酸アニオン基(−CS2 −)、ピリジン基、またはピラジン基などが挙げられる。マルチデンテートは、多孔性有無機混成体の製造方法に好適な2座配位と3座配位のような、多様な結合座を有している。より安定した有無機混成体を誘導するためには、配位できる座が二つ以上である、例えば、2座配位(bidentates)または3座配位(tridentates)の有機物が有利である。有機物としては、配位する座があれば、ビピリジン、ピラジンなどの中性有機物、テレフタレート、ナフタレンジカルボキシレート、ベンゼントリカルボキシレート、グルタル酸(glutarate)、コハク酸(succinate)などで例示できるカルボン酸のアニオンなどのアニオン性有機物はもちろん、カチオン物質も可能である。カルボン酸アニオンの場合、例えば、テレフタレートのような芳香族リングを有する他に、ギ酸のような線形のカルボン酸のアニオンはもちろん、シクロヘキシルジカーボネートのように、非芳香族リングを有するアニオンなど、如何なるものでも可能である。配位できる部位を有する有機物だけではなく、潜在的な配位部位を持って、反応条件で配位可能に変化されるものも使用可能である。 即ち、テレフタル酸のような有機酸を使用しても、反応後にはテレフタレートで金属成分と結合することができる。使用できる有機物の代表的な例としては、ベンゼンジカルボン酸、ナフタレンジカルボン酸、ベンゼントリカルボン酸、ナフタレントリカルボン酸、ピリジンジカルボン酸、ビピリジルジカルボン酸、ギ酸(formic acid )、シュウ酸(oxalic acid )、マロン酸(malonic acid )、コハク酸(succinicacid )、グルタル酸(glutaric acid )、ヘキサンジオン酸(hexanedionicacids )、ヘプタンジオン酸(heptanedionicacids ) 、またはシクロヘキシルジカルボン酸から選択される有機酸及びそれらのアニオン、ピラジン、ビピリジンなどである。なお、一つ以上の有機物を混合して使用してもよい。
テフロン(登録商標)反応器にCr(NO3)3・9H2O、HF水溶液及び1,4−ベンゼンジカルボン酸(BDCA)を加えた後、蒸留水を加えるが、反応物の最終のモル比は、Cr:HF:BDCA:H2O=1:1:1:275となるようにした。混合された反応物を、室温で超音波を照射して1分間前処理して、最大限均一な反応物になるようにして、核形成が容易になるようにした。前処理された反応物を含有したテフロン(登録商標)反応器をマイクロ波反応器(CEM社、モデル名Mars−5)に装着して、2.45GHzのマイクロ波を照射し、3分間かけて210℃に昇温させた。その後、210℃で1分間維持して反応を行った後、室温に冷却後、遠心分離、蒸留水を利用して洗浄、乾燥して、有無機混成体のクロムテレフタレート(Cr−BDCA)を得た。製造されたCr−BDCAのX線回折分析の結果、2θ値が略3.3、5.2、5.9、8.5及び9.1で特徴的な回折ピークを有し、このことから立方晶の結晶性クロムテレフタレートが得られたことが分かった。本実施例で得られたクロムテレフタレート結晶の電子顕微鏡写真は、図1に示されており、30〜40nm程度の非常に均一な粒子から構成されたことを示している。これにより、反応物の前処理を行って、マイクロ波を照射して合成することにより、非常に短い時間に、非常に効果的に有無機混成体が得られることが分かった。
実施例1において、超音波による前処理を行わず、210℃における反応時間を1分代りに2分間維持することを除いては、実施例1と同様な方法により有無機混成体を製造した。X線回折形態(図3a)から、実施例1と同様な構造の物質が得られて、電子顕微鏡写真から、40〜50nm程度の均一な特性を有する有無機混成体が得られたことが分かった。150℃の真空で脱水後、液体窒素温度で測定した窒素吸着量は、窒素相対圧0.5で(P/P0=0.5)1050mL/g(46.9mmol/g)と高く、また30℃で得られたベンゼンの吸着実験の結果、ベンゼン相対圧0.5で(P/P0=0.5)16mmol/gの非常に高い吸着量を示した。図4に窒素及びベンゼンの吸着等温線を示した。したがって、本実施例で製造されたクロムテレフタレートナノ粒子は、非常に大きい吸着容量を示し、細孔を有する結晶性の多孔性物質であることが分かって、吸着剤、触媒、触媒担体などに使用できることが分かる。
実施例2において、210℃における反応時間を2分代りに40分間維持することを除いては、実施例2と同様な方法により有無機混成体を製造した。X線回折形態(図3(b))から、実施例1と同一な構造の物質が得られたことが分かり、電子顕微鏡写真(図2)から、たとえ粒子大きさは相当増加したものの、200nm程度の均一な特性を有する有無機混成体が得られたことが分かった。
Cr(NO3)3・9H2Oの代わりにFeCl3を使用したことを除いては、実施例2と同様な方法により有無機混成体を製造した。X線回折形態から、実施例1と同一な構造の物質が得られたことが分かり、電子顕微鏡写真から、50〜100nm程度の均一な特性を有する有無機混成体が得られたことが分かった。
Cr(NO3)3・9H2Oの代わりにVCl3を使用したことを除いては、実施例2と同様な方法により有無機混成体を製造した。X線回折形態から、実施例1と同一な構造の物質が得られたことが分かり、電子顕微鏡写真から、50〜80nm程度の均一な特性を有する有無機混成体が得られたことが分かった。
テフロン(登録商標)反応器にCr(NO3)3・9H2O、HF水溶液及び1,4−ベンゼンジカルボン酸(BDCA)を加えた後、蒸留水を加えるが、反応物の最終のモル比は、Cr:HF:BDCA:H2O=1:1:1:275となるようにした。前記溶液にアルミナ基板を垂直に整列して、アルミナ基板含有反応物を含有したテフロン(登録商標)反応器をマイクロ波反応器(CEM社、モデル名Mars−5)に装着して、2.45GHzのマイクロ波を照射し、3分間かけて210℃に昇温させた。その後、210℃で30分間維持して反応を行った後、室温に冷却後、遠心分離、蒸留水を利用して洗浄、乾燥して、有無機混成体のCr−BDCAを得た。薄膜のX線回折形態は、実施例1の結果と一致した。得られた薄膜の結晶の電子顕微鏡写真は、図5に示されており、非常に均一な粒子でコーティングされたCr−BDCA/アルミナ薄膜を示している。これにより、マイクロ波照射を利用する方法は、有無機混成体薄膜を直接製造できる、非常に効果的な方法であることを確認することができた。
実施例2において、高温を得る熱源として、マイクロ波を用いて210℃で2分間反応する代わりに、典型的な電気オーブンを用いて220℃で10時間反応したことを除いては、実施例2と同様な方法により多孔性有無機混成体を製造した。X線回折分析の結果、実施例1と同一な構造の物質が得られたが、電子顕微鏡写真から、1000〜2000nm程度の様々な大きさの大きい粒子を有する有無機混成体が得られたことが分かった。
反応時間を 10時間代わり2時間維持したことを除いては、比較例1と同様な方法により、有無機混成体を製造した。製造された有無機混成体のX線回折分析の結果、結晶性を有する有無機混成体ではなく、無定形の物質が得られたことが分かった。
上述のように、本発明により、多孔性有無機混成体の製造において、マイクロ波を熱源として使用する場合、製造時間の減少、省エネルギー、反応器容量の減少などが図れて、環境的及び経済的に有利な合成法が得られる。特に、マイクロ波による合成により、500nm以下の粒子大きさを有する薄膜及びナノ粒子の有無機混成体を非常に容易に製造することができる。このような有無機混成体は、触媒、触媒担体、吸着体、気体貯蔵、イオン交換、ナノ反応器及びナノ物質の製造に活用できて、特に、ナノ粒子は、活性に優れた触媒だけではなく、センサー、光電材料及び医療用材料として使用できる。
Claims (16)
- 1)金属前駆体、リガンドとして作用できる有機物及び溶媒を混合して反応物混合液を製造する段階と、
2)前記反応物混合液にマイクロ波を照射し、100℃以上に加熱する段階と、
を含む、平均粒径が500nm以下の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 金属前駆体は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、またはBiから選択された一つ以上の金属またはその金属化合物がTi, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, またはBiから一つ以上選択された構成要素であるであることを特徴とする、請求項1に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 分子またはその混合物が、カルボン酸基、カルボン酸アニオン基、アミノ基(−NH2)、イミノ基(
)、アミド基(−CONH2)、スルホン酸基(−SO3H)、スルホン酸アニオン基(−SO3 −)、メタンジチオ酸基(−CS2H)、メタンジチオ酸アニオン基(−CS2 −)、ピリジン基、またはピラジン基から選択される一つ以上の作用基を有する有機物であることを特徴とする、請求項1に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- カルボン酸基を有する化合物は、ベンゼンジカルボン酸、ナフタレンジカルボン酸、ベンゼントリカルボン酸、ナフタレントリカルボン酸、ピリジンジカルボン酸、ビピリジルジカルボン酸、ギ酸 (formic acid )、シュウ酸(oxalic acid )、マロン酸( malonic acid) 、コハク酸 (succinic acid )、グルタル酸(glutaric acid )、ヘキサンジオン酸(hexanedionicacids )、ヘプタンジオン酸(heptanedionicacids) 、またはシクロヘキシルジカルボン酸から選択されることを特徴とする、請求項3に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 反応温度は、100〜250℃であることを特徴とする、請求項1に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 反応温度は、150〜220℃であることを特徴とする、請求項5に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 回分式反応器あるいは連続式反応器を使用することを特徴とする、請求項1に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 前記段階1)と段階2)との間に、反応物混合液に1分以上超音波を照射するか、5分以上攪拌する前処理段階をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 有無機混成体の平均粒子の大きさが、200nm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 有無機混成体の平均粒子の大きさが、100nm以下であることを特徴とする、請求項9に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 有無機混成体の平均粒子の大きさが、50nm以下であることを特徴とする、請求項10に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 有無機混成体は、クロムテレフタレート、鉄テレフタレートまたはバナジウムテレフタレートであることを特徴とする、請求項1に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 有無機混成体は、クロムテレフタレートであることを特徴とする、請求項12に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 有無機混成体は、細孔を有する立方晶のクロムテレフタレートであることを特徴とする、請求項13に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 前記多孔性有無機混成体は、薄膜またはメンブレイン形態を有することを特徴とする、請求項1に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
- 前記薄膜またはメンブレイン形態の多孔性有無機混成体は、アルミナ、シリコン、ガラス、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、耐熱性ポリマー材質、または前記材質で表面処理された基板を反応物混合液に浸漬して製造することを特徴とする、請求項15に記載の多孔性有無機混成体の製造方法。
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