JP2012200674A - Ruthenium-supported catalyst fiber and method for producing the same - Google Patents

Ruthenium-supported catalyst fiber and method for producing the same Download PDF

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Koichiro Toyama
宏一郎 陶山
Hiroyuki Yamaoka
裕幸 山岡
Yoshikatsu Harada
義勝 原田
Teruaki Fujii
輝昭 藤井
Sadayoshi Suhara
貞義 須原
Shinichiro Otani
慎一郎 大谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst fiber having high strength and a sintering-resistant property, and a method for producing the same.SOLUTION: The invention relates to silica-based composite oxide fiber composed of an oxide phase (first phase) mainly made of a silica ingredient and a metal oxide phase (second phase) composed of a metal other than silica. The proportion of presence of one or more metallic elements of the metal oxides constituting the metal phase (second phase) slantingly increases toward the surface of the fiber. The metal oxide phase (second phase) is formed of particles of the constituent metal. Mesopores having an average diameter of 2-30 nm and extending from the surface of the fiber toward the interior of the fiber are formed among the particles of the constituent metal. Particles of metallic ruthenium (Ru) having an average diameter of 0.5-25.0 nm are supported in the mesopores.

Description

本発明は、優れた力学的特性を有する、シリカ基複合酸化物繊維に形成されたメソポア(細孔)中にルテニウム粒子が担持された触媒繊維、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a catalyst fiber in which ruthenium particles are supported in mesopores (pores) formed in a silica-based composite oxide fiber having excellent mechanical properties, and a method for producing the catalyst fiber.

ルテニウムは優れた触媒能を持つ元素であり、不均一系では種々の酸化還元反応の、均一系では炭素-炭素結合の形成や環化反応、ラジカル反応の触媒となることが知られている。   Ruthenium is an element having excellent catalytic ability, and is known to be a catalyst for various oxidation-reduction reactions in heterogeneous systems, and for the formation of carbon-carbon bonds, cyclization reactions, and radical reactions in homogeneous systems.

中でも、不均一系では水素還元触媒、炭化水素などの改質触媒、CO除去触媒、塩素製造用触媒など、工業的に採用されている例も多い。その為、初期の触媒活性だけでなく、活性の維持、触媒毒への耐性などといった総合的な性能向上と共に、触媒調製工程も短い方が好ましく、簡便に高性能の触媒を調製できることが望まれている。   Among them, in heterogeneous systems, there are many examples that are industrially employed such as hydrogen reduction catalysts, reforming catalysts such as hydrocarbons, CO removal catalysts, and catalysts for producing chlorine. For this reason, not only the initial catalyst activity but also the overall performance improvement such as maintaining the activity and resistance to the catalyst poison, etc., it is preferable that the catalyst preparation process is short, and it is desirable that a high-performance catalyst can be easily prepared. ing.

金属ルテニウム担持触媒は、還元反応に活性を示し、例えば水素還元の高活性な触媒としてよく用いられている。その内の一つである、サバチエ反応は下記反応式1で示されるようにCOを水素により還元し水とCHを生成する反応である。
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (反応式1)
A metal ruthenium-supported catalyst shows activity in a reduction reaction, and is often used as a highly active catalyst for hydrogen reduction, for example. One of them, the Sabatier reaction, is a reaction in which CO 2 is reduced with hydrogen to form water and CH 4 as shown in the following reaction formula 1.
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (Scheme 1)

この反応は、国際宇宙ステーションのような閉鎖空間における生命維持技術を確立する上で大変重要な位置づけにある、空気再生システムの構築に実用可能な反応として注目されている。しかしながら、この反応を高効率で行うには反応系を300℃以上にする必要がある上、反応自体が発熱反応である為に温度制御も必要となる。このように、エネルギーや物資に限りがある閉鎖空間で行う上で安全面やコスト面に問題を抱えており、この反応を低温化・高効率化できる触媒の開発が望まれている。   This reaction is attracting attention as a practical reaction for constructing an air regeneration system, which is very important in establishing life support technology in a closed space such as the International Space Station. However, in order to carry out this reaction with high efficiency, it is necessary to set the reaction system to 300 ° C. or higher, and temperature control is also necessary because the reaction itself is an exothermic reaction. As described above, there are problems in terms of safety and cost when performing in a closed space where energy and materials are limited, and development of a catalyst that can lower the temperature and increase the efficiency of this reaction is desired.

これまでの研究により、ルテニウムの担体にTiOを用いた場合、サバチエ反応の高活性な触媒として働くことが明らかにされている。しかし、多くの場合研究の対象となっているTiOは粉末であるため、実際に触媒として用いる場合には、TiO粉末を担持する構造体を必要とする。例えば非特許文献1ではセラミックウールと混合することで、非特許文献2ではアルミナボールに担持されて用いられている。しかしながら、このような場合では使用に伴いTiO粉末の脱落が起こりうるために、粉塵がシステムのトラブルになりやすい宇宙空間では実用に耐えない。その為、金属の担体自身が高強度な構造体であることが望まれている。 Previous studies have shown that when TiO 2 is used as the ruthenium support, it acts as a highly active catalyst for the Sabatier reaction. However, since TiO 2 which is the object of research in many cases is a powder, when actually used as a catalyst, a structure supporting TiO 2 powder is required. For example, Non-Patent Document 1 is used by mixing with ceramic wool, and Non-Patent Document 2 is used by being supported on an alumina ball. However, in such a case, the TiO 2 powder may fall off with use, so that it cannot be put into practical use in outer space where dust is likely to cause a system trouble. Therefore, it is desired that the metal carrier itself has a high strength structure.

特許文献1には、優れた力学的特性を有する、触媒担体として利用可能なシリカ基複合酸化物繊維及びそれを用いた触媒繊維の製造方法が記されている。高強度な繊維状の触媒を用いれば、上記問題を解決することができる。   Patent Document 1 describes a silica-based composite oxide fiber that has excellent mechanical properties and can be used as a catalyst carrier, and a method for producing a catalyst fiber using the same. If a high-strength fibrous catalyst is used, the above problem can be solved.

国際公開WO2008/114597号公報International Publication WO2008 / 114597

日本航空宇宙学会 第54回宇宙科学技術連合講演会講演集 2F0P「サバチエ反応による二酸化炭素還元の低温化に関する研究」Proceedings of the 54th Space Science and Technology Conference of the Japan Aerospace Society 2F0P “Study on Low Temperature Carbon Dioxide Reduction by Sabachie Reaction” 日本航空宇宙学会 第49回宇宙科学技術連合講演会講演集 1C02「空気再生・水分解システムの技術立証」Proceedings of the 49th Space Science and Technology Conference of the Japan Aerospace Society 1C02 “Technical Proof of Air Regeneration and Water Splitting System”

しかしながら、この方法で作成したルテニウム担持触媒のルテニウムのほとんどは原料に用いた化合物かあるいは酸化物、水酸化物の状態で存在しており、サバチエ反応のような還元反応の触媒に用いる為には金属ルテニウムへの還元という工程が必要となる上、還元時にはルテニウム粒子のシンタリングが懸念される。さらに、こうして作製された金属ルテニウム担持触媒繊維においては、金属ルテニウム粒子は原料に用いたルテニウム化合物が吸着された場所に生成するため、供したルテニウム化合物濃度が高い場合などにはルテニウムが繊維の細孔部以外にも多く担持されることになり、ルテニウムのシンタリングが起こりやすく触媒活性低下の原因となりうる。金属粒子の担持方法としては、金属粒子と担体とを混合する方法が知られているが、この方法では金属粒子は担体表面にも担持されてしまい、耐シンタリング性は高くない。   However, most of the ruthenium supported ruthenium catalyst prepared by this method exists in the state of the compound used as the raw material, oxide, or hydroxide, so that it can be used as a catalyst for reduction reaction such as Sabatier reaction. A process of reduction to metallic ruthenium is required, and sintering of ruthenium particles is a concern during reduction. Further, in the metal ruthenium-supported catalyst fiber thus prepared, the metal ruthenium particles are generated at the place where the ruthenium compound used as the raw material is adsorbed. Therefore, when the provided ruthenium compound concentration is high, the ruthenium is a fine fiber. A large amount other than the hole is supported, and ruthenium sintering is likely to occur, which may cause a decrease in catalytic activity. As a method for supporting metal particles, a method of mixing metal particles and a carrier is known. However, in this method, the metal particles are also supported on the surface of the carrier, and the sintering resistance is not high.

そこで本発明は、担持後の還元処理を必要とせず、かつルテニウムのシンタリングを防ぐことが可能な、シリカ基複合酸化物繊維の細孔内に選択的に金属ルテニウムが担持された触媒繊維及びその製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a catalyst fiber in which metal ruthenium is selectively supported in the pores of the silica-based composite oxide fiber, which does not require a reduction treatment after loading, and can prevent ruthenium sintering. It aims at providing the manufacturing method.

以上の目的を達成するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、犠牲剤及びルテニウムを含むルテニウム含有溶液に、シリカ基複合酸化物繊維を接触させながら光を照射することにより、金属ルテニウムが細孔内に担持された触媒繊維を製造できることを見出した。すなわち、本発明は、主として化1により表される主鎖骨格を有する数平均分子量200〜10,000のポリカルボシランを有機金属化合物で修飾した構造を有する変性ポリカルボシラン、又は前記変性ポリカルボシランと有機金属化合物との混合物である、紡糸原液を得る第1工程と、前記紡糸原液から紡糸繊維を得る第2工程と、前記紡糸繊維を酸化雰囲気中で加熱処理することによって、不融化繊維を得る第3工程と、前記不融化繊維を酸化雰囲気中で焼成することによって、シリカ基複合酸化物繊維を得る第4工程と、前記シリカ基複合酸化物繊維の表面側に処理を施すことで表面近傍のシリカを除去してメソポアを形成する第5工程と、犠牲剤及びルテニウムを含むルテニウム含有溶液に、前記シリカ基複合酸化物繊維を接触させながら光を照射する第6工程と、を備えたことを特徴とする触媒繊維の製造方法である。   In order to achieve the above object, as a result of intensive studies, the present inventors have irradiated a ruthenium-containing solution containing a sacrificial agent and ruthenium while irradiating the silica-based composite oxide fiber with light. It has been found that catalyst fibers in which metal ruthenium is supported in pores can be produced. That is, the present invention mainly relates to a modified polycarbosilane having a structure in which a polycarbosilane having a main chain skeleton represented by Chemical Formula 1 and having a number average molecular weight of 200 to 10,000 is modified with an organometallic compound, or the modified polycarbosilane. A first step of obtaining a spinning dope, which is a mixture of a silane and an organometallic compound, a second step of obtaining a spun fiber from the spinning dope, and heat-treating the spun fiber in an oxidizing atmosphere, thereby infusible fiber A third step of obtaining a silica-based composite oxide fiber by firing the infusible fiber in an oxidizing atmosphere, and a treatment on the surface side of the silica-based composite oxide fiber. The silica-based composite oxide fiber is contacted with a ruthenium-containing solution containing a sacrificial agent and ruthenium in a fifth step of removing silica in the vicinity of the surface to form mesopores. A method for producing a catalyst fiber comprising: the sixth step of irradiating light, a while.

Figure 2012200674
(但し、式中のRは水素原子、低級アルキル基又はフェニル基を示す。)
Figure 2012200674
(However, R in the formula represents a hydrogen atom, a lower alkyl group or a phenyl group.)

また、本発明は、シリカ成分を主体とする酸化物相(第1相)とシリカ以外の金属からなる金属酸化物相(第2相)との複合酸化物相からなるシリカ基複合酸化物繊維であって、前記金属酸化物相(第2相)を構成する金属酸化物の少なくとも1以上の金属元素の存在割合が繊維表面に向かって傾斜的に増大しており、前記金属酸化物相(第2相)は、それを構成する金属が粒子状に形成され、その粒子間に繊維表面から繊維内部に向かう平均細孔径が2〜30nmのメソポアが形成され、前記メソポア中に平均粒子径が0.5〜25.0nmの金属ルテニウム粒子が担持されていることを特徴とする触媒繊維である。   The present invention also provides a silica-based composite oxide fiber comprising a composite oxide phase of an oxide phase (first phase) mainly composed of a silica component and a metal oxide phase (second phase) made of a metal other than silica. And the presence ratio of at least one or more metal elements of the metal oxide constituting the metal oxide phase (second phase) increases in a gradient toward the fiber surface, and the metal oxide phase ( In the second phase), the metal constituting it is formed in particles, mesopores having an average pore diameter of 2 to 30 nm from the fiber surface to the inside of the fiber are formed between the particles, and the average particle diameter is in the mesopores. The catalyst fiber is characterized in that metal ruthenium particles of 0.5 to 25.0 nm are supported.

以上のように、本発明によれば、担持後の還元処理を必要とせず、かつルテニウムのシンタリングを防ぐことが可能な、金属状態のルテニウムがシリカ基複合酸化物繊維の細孔内に選択的に担持された触媒繊維及びその製造方法を提供することができる。   As described above, according to the present invention, the ruthenium in a metal state is selected in the pores of the silica-based composite oxide fiber, which does not require a reduction treatment after loading and can prevent ruthenium sintering. Supported catalyst fiber and a method for producing the same can be provided.

本発明に係る触媒繊維を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the catalyst fiber which concerns on this invention. 製造例1において得られたチタニア/シリカ繊維のSTEM写真である。2 is a STEM photograph of titania / silica fibers obtained in Production Example 1. (A)実施例1において得られたルテニウム担持チタニア/シリカ繊維および(B)比較例1おいて得られたルテニウム担持チタニア/シリカ繊維のESCA測定スペクトルである。(A) It is the ESCA measurement spectrum of the ruthenium carrying | support titania / silica fiber obtained in Example 1, and (B) the ruthenium carrying titania / silica fiber obtained in the comparative example 1. 実施例1において得られたルテニウム担持チタニア/シリカ繊維のSTEM写真である。2 is a STEM photograph of the ruthenium-supporting titania / silica fiber obtained in Example 1.

本発明に係る触媒繊維は、特許文献1に記載の触媒繊維をさらに処理することにより、触媒繊維に形成されたメソポア中にルテニウム(Ru)粒子を担持したものである。   The catalyst fiber according to the present invention is one in which ruthenium (Ru) particles are supported in mesopores formed on the catalyst fiber by further processing the catalyst fiber described in Patent Document 1.

本発明に係る触媒繊維において、シリカ成分を主体とする酸化物相(第1相)は、非晶質であっても結晶質であってもよい。第1相は、シリカと固溶体又は共融点化合物を形成し得る金属元素又は金属酸化物を含有していてもよい。シリカと固溶体を形成し得る金属元素としては、例えば、チタンが挙げられる。シリカと固溶体を形成し得る金属酸化物の金属元素としては、例えば、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、バリウム、カルシウム、ホウ素、亜鉛、ニッケル、マンガン、マグネシウム、及び鉄が挙げられる。   In the catalyst fiber according to the present invention, the oxide phase (first phase) mainly composed of the silica component may be amorphous or crystalline. The first phase may contain a metal element or metal oxide that can form a solid solution or a eutectic compound with silica. An example of a metal element that can form a solid solution with silica is titanium. Examples of the metal element of the metal oxide that can form a solid solution with silica include aluminum, zirconium, yttrium, lithium, sodium, barium, calcium, boron, zinc, nickel, manganese, magnesium, and iron.

酸化物相(第1相)は、本発明に係る触媒繊維の内部相を形成しており、力学的特性を負担する重要な役割を演じている。触媒繊維全体に対する第1相の存在割合は98〜40質量%であることが好ましい。触媒繊維表面に、メソポアを効果的に形成し、且つ、高い力学的特性をも発現させるためには、第1相の存在割合を50〜95質量%の範囲内に制御することが好ましい。   The oxide phase (first phase) forms the internal phase of the catalyst fiber according to the present invention, and plays an important role in bearing the mechanical properties. The ratio of the first phase to the entire catalyst fiber is preferably 98 to 40% by mass. In order to effectively form mesopores on the surface of the catalyst fiber and to exhibit high mechanical properties, it is preferable to control the presence ratio of the first phase within the range of 50 to 95% by mass.

金属酸化物相(第2相)を構成する金属酸化物は、本発明に係る触媒繊維の表層にメソポアを形成させる上で重要な役割を演じるものである。触媒繊維の表層部を構成する第2相の存在割合は、2〜60質量%が好ましく、その効果を十分に発揮させ、同時に高強度をも発現させるには、5〜50質量%の範囲内に制御することが好ましい。   The metal oxide constituting the metal oxide phase (second phase) plays an important role in forming mesopores on the surface layer of the catalyst fiber according to the present invention. The proportion of the second phase constituting the surface layer part of the catalyst fiber is preferably 2 to 60% by mass, and in order to exhibit its effect sufficiently and at the same time to develop high strength, it is within the range of 5 to 50% by mass. It is preferable to control.

金属酸化物相(第2相)を構成する金属酸化物は、半導体材料であって、そのバンドギャップに相当する波長の光を照射したときに励起し、電子−正孔対を形成する材料である必要があり、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、カドミウム(Cd)、鉛(Pb)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ジルコニウム(Zn)及びタングステン(W)のうち少なくとも1以上の酸化物又は複合酸化物である。このうち、チタニア、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、及びジルコニアなどが好適に用いられる。   The metal oxide composing the metal oxide phase (second phase) is a semiconductor material that is excited when irradiated with light having a wavelength corresponding to the band gap to form an electron-hole pair. Need to be, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), cobalt (Co), copper (Cu), zinc (Zn), barium (Ba), strontium (Sr), Cadmium (Cd), lead (Pb), iron (Fe), nickel (Ni), aluminum (Al), gallium (Ga), germanium (Ge), indium (In), tin (Sn), zirconium (Zn) and It is at least one oxide or composite oxide of tungsten (W). Of these, titania, barium titanate, strontium titanate, zirconia, and the like are preferably used.

本発明に係る触媒繊維において、第2相を構成する金属酸化物の少なくとも1以上の金属元素の存在割合の傾斜は、触媒繊維表面から500nmの深さで存在することが好ましい。   In the catalyst fiber according to the present invention, the inclination of the abundance ratio of at least one metal element of the metal oxide constituting the second phase is preferably present at a depth of 500 nm from the surface of the catalyst fiber.

本発明に係る触媒繊維において、メソポアの大きさは第2相を構成する金属酸化物の粒子サイズによって制御される。メソポアを化学反応場として用いるためには、メソポアの平均細孔径が2〜30nmであり、5〜20nmであることが好ましい。メソポアの平均細孔径は、ガス吸着法を用いて測定することができる。   In the catalyst fiber according to the present invention, the size of the mesopores is controlled by the particle size of the metal oxide constituting the second phase. In order to use mesopores as a chemical reaction field, the mesopores have an average pore diameter of 2 to 30 nm, preferably 5 to 20 nm. The average pore diameter of mesopores can be measured using a gas adsorption method.

本発明に係る触媒繊維においては、メソポア中に金属ルテニウム粒子が担持されている。担持されたルテニウム粒子が金属状態で存在するかは、ESCAによって測定できる。ルテニウム粒子の平均粒子径は、0.5〜25nmであり、1〜15nmであることが好ましく、1〜5nmであることがさらに好ましい。平均粒子径は、TEMを用い測定することができる。ルテニウム粒子の大きさは、メソポアの細孔径によって制限される。担持されたルテニウム粒子の質量は、触媒繊維に対して、0.01〜2.0質量%であることが好ましく、0.1〜0.5質量%であることがさらに好ましい。担持されたルテニウム粒子の質量は、ICP−AESによって測定することができる。   In the catalyst fiber according to the present invention, metal ruthenium particles are supported in the mesopores. Whether the supported ruthenium particles exist in a metallic state can be measured by ESCA. The average particle diameter of the ruthenium particles is 0.5 to 25 nm, preferably 1 to 15 nm, and more preferably 1 to 5 nm. The average particle diameter can be measured using TEM. The size of the ruthenium particles is limited by the pore size of the mesopores. The mass of the supported ruthenium particles is preferably 0.01 to 2.0 mass%, more preferably 0.1 to 0.5 mass%, based on the catalyst fiber. The mass of the supported ruthenium particles can be measured by ICP-AES.

本発明に係る触媒繊維においては、前記メソポア中に担持されている前記ルテニウム粒子の数が、前記メソポア中の単位表面積あたり6x1013個/m以上であることが好ましい。ルテニウム粒子の数は、STEM写真から目視によって数えることにより算出することができる。 In the catalyst fiber according to the present invention, the number of the ruthenium particles supported in the mesopore is preferably 6 × 10 13 particles / m 2 or more per unit surface area in the mesopore. The number of ruthenium particles can be calculated by counting visually from the STEM photograph.

本発明に係る触媒繊維は、以下の第1工程乃至第6工程によって、好適に製造される。   The catalyst fiber according to the present invention is preferably produced by the following first to sixth steps.

(第1工程)
第1工程においては、まず、シリカ基複合酸化物繊維の出発原料として使用する数平均分子量1,000〜50,000の変性ポリカルボシランを製造する。この変性ポリカルボシランの製造方法は、特開昭56−74126号に記載された方法と類似しているが、その中に記載されている官能基の結合状態を注意深く制御する必要がある。これについて以下に概説する。
(First step)
In the first step, first, a modified polycarbosilane having a number average molecular weight of 1,000 to 50,000 used as a starting material for silica-based composite oxide fibers is produced. The method for producing this modified polycarbosilane is similar to the method described in JP-A-56-74126, but it is necessary to carefully control the bonding state of the functional groups described therein. This is outlined below.

出発原料である変性ポリカルボシランは、主として化2により表される主鎖骨格を有する数平均分子量200〜10,000のポリカルボシランと、一般式M(OR’)n又はMR’’m(Mは金属元素、R’は炭素原子数1〜20を有するアルキル基又はフェニル基、R’’はアセチルアセトナート、m及びnは1より大きい整数を示す。)を基本構造とする有機金属化合物とから誘導される。   The modified polycarbosilane, which is a starting material, is composed of a polycarbosilane having a main chain skeleton represented by Chemical Formula 2 and having a number average molecular weight of 200 to 10,000, and a general formula M (OR ′) n or MR ″ m ( M is a metal element, R ′ is an alkyl group or phenyl group having 1 to 20 carbon atoms, R ″ is acetylacetonate, and m and n are integers greater than 1.) And is derived from.

Figure 2012200674

(但し、式中のRは水素原子、低級アルキル基又はフェニル基を示す。)
Figure 2012200674

(However, R in the formula represents a hydrogen atom, a lower alkyl group or a phenyl group.)

本発明に係る傾斜組成を有する触媒繊維を製造するためには、上記有機金属化合物の一部のみがポリカルボシランと結合を形成するような、緩慢な反応条件を選択する必要がある。そのためには、不活性ガス中、280℃以下、好ましくは、250℃以下の温度で反応させる必要がある。この反応条件では、上記有機金属化合物はポリカルボシランと反応したとしても、1官能性重合体として結合(すなわち、ペンダント状に結合)しており、大幅な分子量の増大は起こらない。この有機金属化合物が一部結合した変性ポリカルボシランは、ポリカルボシランと有機金属化合物との相溶性を向上させる上で重要な役割を演じる。   In order to produce a catalyst fiber having a gradient composition according to the present invention, it is necessary to select a slow reaction condition such that only a part of the organometallic compound forms a bond with polycarbosilane. For that purpose, it is necessary to make it react in inert gas at the temperature of 280 degrees C or less, Preferably, it is 250 degrees C or less. Under these reaction conditions, even if the organometallic compound reacts with polycarbosilane, it binds as a monofunctional polymer (that is, binds in a pendant form) and does not significantly increase the molecular weight. The modified polycarbosilane in which the organometallic compound is partially bonded plays an important role in improving the compatibility between the polycarbosilane and the organometallic compound.

2官能基以上の多くの官能基が結合した場合は、ポリカルボシランの橋掛け構造が形成されると共に、顕著な分子量の増大が認められる。この場合、反応中に急激な発熱と溶融粘度の上昇が起こる。一方、上述のように1官能基しか反応せず、未反応の有機金属化合物が残存している場合には、反対に溶融粘度の低下が観察される。   When many functional groups of two or more functional groups are bonded, a crosslinked structure of polycarbosilane is formed and a marked increase in molecular weight is observed. In this case, a sudden exotherm and a rise in melt viscosity occur during the reaction. On the other hand, when only one functional group reacts as described above and an unreacted organometallic compound remains, conversely, a decrease in melt viscosity is observed.

本発明に係る触媒繊維の製造においては、未反応の有機金属化合物を意図的に残存させる条件を選択することが望ましい。本発明においては、主として上記変性ポリカルボシランと、未反応状態の有機金属化合物又は2〜3量体程度の有機金属化合物とが共存したものを出発原料として用いるが、変性ポリカルボシランのみでも、極めて低分子量の変性ポリカルボシラン成分が含まれる場合は、同様に出発原料として使用することができる。得られた変性ポリカルボシラン、あるいは変性ポリカルボシランと低分子量の有機金属化合物を混合して紡糸原液を得る。   In the production of the catalyst fiber according to the present invention, it is desirable to select conditions for intentionally leaving the unreacted organometallic compound. In the present invention, mainly the modified polycarbosilane and an unreacted organometallic compound or an organometallic compound of about 2 to 3 trimmers are used as starting materials, but only the modified polycarbosilane alone, If a very low molecular weight modified polycarbosilane component is included, it can be used as a starting material as well. The obtained modified polycarbosilane or the modified polycarbosilane and a low molecular weight organometallic compound are mixed to obtain a spinning dope.

(第2工程)
第1工程で得られた変性ポリカルボシラン、あるいは変性ポリカルボシランと低分子量の有機金属化合物の紡糸原液(以下、前駆体という場合がある。)を溶融させて原液を造り、場合によってはこれをろ過してミクロゲル、不純物等の紡糸に際して有害となる物質を除去し、これを通常用いられる合成繊維紡糸用装置により紡糸する。紡糸する際の紡糸原液の温度は原料の変性ポリカルボシランの軟化温度によって異なるが、50〜200℃の温度範囲が有利である。上記紡糸装置において、必要に応じてノズル下部に加湿加熱筒を設けてもよい。尚、繊維径は、ノズルからの吐出量と紡糸機下部に設置された高速巻き取り装置の巻き取り速度を変えることにより調整される。また、メルトブロー法あるいはスパンボンド法により、ノズルから吐出した繊維を巻き取らずに直接フェルト形状に成型してもよい。
(Second step)
A stock solution is prepared by melting the spinning solution of the modified polycarbosilane obtained in the first step or the modified polycarbosilane and a low molecular weight organometallic compound (hereinafter sometimes referred to as a precursor). Is filtered to remove substances that are harmful when spinning, such as microgels and impurities, and this is spun by a commonly used apparatus for spinning synthetic fibers. The temperature of the spinning dope during spinning varies depending on the softening temperature of the raw material modified polycarbosilane, but a temperature range of 50 to 200 ° C. is advantageous. In the above spinning apparatus, a humidification heating cylinder may be provided below the nozzle as necessary. The fiber diameter is adjusted by changing the discharge amount from the nozzle and the winding speed of a high-speed winding device installed at the lower part of the spinning machine. Alternatively, the fiber discharged from the nozzle may be directly molded into a felt shape by a melt blow method or a spun bond method.

前記溶融紡糸の他に、第1工程で得られた変性ポリカルボシラン、あるいは変性ポリカルボシランと低分子量の有機金属化合物の紡糸原液を、例えばベンゼン、トルエン、キシレンあるいはその他変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物を溶融することのできる溶媒に溶解させ、原液を造り、場合によってはこれをろ過してマクロゲル、不純物等紡糸に際して有害な物質を除去した後、前記紡糸原液を通常用いられる合成繊維紡糸装置により乾式紡糸法により紡糸し、巻き取り速度を制御して目的とする繊維を得ることができる。   In addition to the melt spinning, the modified polycarbosilane obtained in the first step, or the spinning stock solution of the modified polycarbosilane and the low molecular weight organometallic compound, for example, benzene, toluene, xylene or other modified polycarbosilane and low A molecular weight organometallic compound is dissolved in a solvent that can be melted to prepare a stock solution. In some cases, this is filtered to remove harmful substances such as macrogels and impurities. Spinning can be performed by a dry spinning method using a spinning device, and the winding speed can be controlled to obtain a target fiber.

第2工程においては、必要に応じて、合成繊維紡糸装置に紡糸筒を取り付け、紡糸筒内の雰囲気をベンゼン、トルエン、及びキシレン等のうち少なくとも1以上の気体との混合雰囲気とするか、又は、空気、不活性ガス、熱空気、熱不活性ガス、スチーム、アンモニアガス、炭化水素ガス、及び有機ケイ素化合物ガスのいずれかの雰囲気とすることによって、紡糸筒内における紡糸繊維の固化を制御することができる。   In the second step, if necessary, a spinning cylinder is attached to the synthetic fiber spinning device, and the atmosphere in the spinning cylinder is a mixed atmosphere with at least one gas of benzene, toluene, xylene, or the like, or , Air, inert gas, hot air, hot inert gas, steam, ammonia gas, hydrocarbon gas, and organosilicon compound gas to control the solidification of the spinning fiber in the spinning cylinder be able to.

(第3工程)
第3工程においては、第2工程で得られた紡糸繊維を酸化雰囲気中、張力又は無張力の作用下で予備加熱し、前記紡糸繊維の不融化を行う。第3工程は、第4工程の焼成の際に繊維が溶融せず、且つ、隣接繊維と接着しないことを目的に行うものである。処理温度及び処理時間は組成によって異なり、特に制限はないが、一般に、処理温度は50〜400℃、処理時間は数時間〜30時間である。また、上記の酸化雰囲気中には、水分、窒素酸化物、オゾン等、紡糸繊維の酸化力を高めるものが含まれていてもよい。また、酸化雰囲気中の酸素分圧を意図的に変えてもよい。第1工程で用いる出発原料中に含まれる低分子量物の割合によっては、紡糸繊維の軟化温度が50℃を下回る場合もあり、その場合は、あらかじめ上記の処理温度よりも低い温度で、繊維表面の酸化を促進する処理を施してもよい。
(Third step)
In the third step, the spun fiber obtained in the second step is preheated in an oxidizing atmosphere under the action of tension or no tension to infusibilize the spun fiber. The third step is performed for the purpose of preventing the fibers from melting and adhering to the adjacent fibers during the firing in the fourth step. The treatment temperature and treatment time vary depending on the composition and are not particularly limited, but in general, the treatment temperature is 50 to 400 ° C., and the treatment time is several hours to 30 hours. The oxidizing atmosphere may contain water, nitrogen oxide, ozone, or the like that enhances the oxidizing power of the spun fiber. Further, the oxygen partial pressure in the oxidizing atmosphere may be changed intentionally. Depending on the proportion of low molecular weight substances contained in the starting material used in the first step, the softening temperature of the spun fiber may be lower than 50 ° C. In that case, at the temperature lower than the above treatment temperature in advance, the fiber surface You may give the process which accelerates | stimulates oxidation of this.

本発明に係る触媒繊維においては、第2工程及び第3工程の際に、出発原料中に含まれている低分子量化合物の繊維表面への移行(ブリードアウト)が進行して、目的とする傾斜組成の下地が形成されるものと考えられる。   In the catalyst fiber according to the present invention, during the second step and the third step, the transition (bleed out) of the low molecular weight compound contained in the starting material to the fiber surface proceeds, and the target inclination It is thought that the foundation of the composition is formed.

(第4工程)
第4工程においては、第3工程で得られた不融化繊維を酸化雰囲気中、張力又は無張力の作用下、好ましくは500〜1800℃で焼成することによって、シリカ成分を主体とする酸化物相(第1相)と、シリカ以外の金属からなる金属酸化物相(第2相)との複合酸化物相からなり、第2相を構成する金属酸化物の少なくとも1以上の金属元素の存在割合が繊維表面に向かって傾斜的に増大しており、第2相は、それを構成する金属が粒子状に形成されているシリカ基複合酸化物繊維を作製する。第4工程における焼成温度が、第2相を構成する金属の粒子サイズに影響を及ぼす。すなわち、焼成温度を高くすると、第2相を構成する金属の粒子サイズは大きくなる。第2相を構成する金属の粒子サイズによってメソポアの大きさが制御されるため、焼成温度の選択は、目的とするメソポアの大きさに応じて行われる。第4工程において、不融化繊維中に含まれる有機物成分は基本的に酸化されるが、選択する条件によって、炭素や炭化物として繊維中に残存する場合もある。このような状態でも、目的とする機能に支障を来たさない場合はそのまま使用されるが、支障を来たす場合には、更なる酸化処理が施される。その際は、目的とする傾斜組成及び結晶構造に問題が生じない処理温度及び処理時間が選択されなければならない。
(4th process)
In the fourth step, the infusible fiber obtained in the third step is calcined in an oxidizing atmosphere under the action of tension or no tension, preferably at 500 to 1800 ° C., whereby an oxide phase mainly composed of a silica component. (1st phase) and the metal oxide phase (2nd phase) which consists of metals other than a silica, and the abundance ratio of at least 1 or more metal element of the metal oxide which comprises a 2nd phase Increases in a slope toward the fiber surface, and the second phase produces silica-based composite oxide fibers in which the metal constituting the second phase is formed in the form of particles. The firing temperature in the fourth step affects the particle size of the metal constituting the second phase. That is, when the firing temperature is increased, the particle size of the metal constituting the second phase is increased. Since the size of the mesopores is controlled by the size of the metal particles constituting the second phase, the selection of the firing temperature is performed according to the size of the target mesopores. In the fourth step, the organic component contained in the infusible fiber is basically oxidized, but depending on the conditions to be selected, it may remain in the fiber as carbon or carbide. Even in such a state, when the target function is not hindered, it is used as it is. However, when the target function is hindered, further oxidation treatment is performed. In that case, the processing temperature and processing time which do not cause a problem in the target gradient composition and crystal structure must be selected.

(第5工程)
第5工程においては、第4工程で得られたシリカ基複合酸化物繊維の表面側に処理を施すことで表面近傍のシリカを除去し、繊維表面にメソポアを形成させる。このシリカを除去する方法に、特に制限はなく、物理的方法及び化学的方法を用いることができる。その例として、減圧高温下でシリカを蒸発させる方法、及び酸を用いてシリカを溶出させる方法などが挙げられる。特に、第4工程で得られたシリカ基複合酸化物繊維を、2質量%のフッ化水素水溶液に10分程度、あるいは10質量%の水酸化ナトリウム水溶液に12時間程度浸漬することによってシリカを除去する方法が好適である。
(5th process)
In the fifth step, the surface side of the silica-based composite oxide fiber obtained in the fourth step is treated to remove silica in the vicinity of the surface, and mesopores are formed on the fiber surface. There is no restriction | limiting in particular in the method of removing this silica, A physical method and a chemical method can be used. Examples thereof include a method of evaporating silica under reduced pressure and high temperature, and a method of eluting silica using an acid. In particular, silica is removed by immersing the silica-based composite oxide fiber obtained in the fourth step in a 2% by mass hydrogen fluoride aqueous solution for about 10 minutes or in a 10% by mass sodium hydroxide aqueous solution for about 12 hours. Is preferred.

(第6工程)
第6工程においては、犠牲剤及びルテニウムを含むルテニウム含有溶液(電析溶液)に、シリカ基複合酸化物繊維を接触させながら光を照射することにより、シリカ基複合酸化物繊維のメソポア内にルテニウム粒子を担持させて、触媒繊維を作製する。ルテニウムが含まれる液に犠牲剤を加えたルテニウム含有溶液にシリカ基複合酸化物繊維を接触させながら、第2相を構成する金属酸化物のバンドギャップに相当するエネルギー以上のエネルギーを有する光を照射することによって、金属酸化物の還元サイト(光の非照射面、つまりメソポア内部)に選択的に、ルテニウム粒子を担持することができる。
(6th process)
In the sixth step, the ruthenium-containing solution (electrodeposition solution) containing the sacrificial agent and ruthenium is irradiated with light while bringing the silica-based composite oxide fiber into contact with the ruthenium in the mesopores of the silica-based composite oxide fiber. The catalyst fibers are produced by supporting the particles. Irradiating light having energy equal to or higher than the band gap of the metal oxide constituting the second phase while bringing the silica-based composite oxide fiber into contact with a ruthenium-containing solution obtained by adding a sacrificial agent to a liquid containing ruthenium. By doing so, ruthenium particles can be selectively supported on the reduction site of the metal oxide (non-light-irradiated surface, that is, inside the mesopore).

ルテニウム含有溶液中のルテニウム化合物としては、RuCl、RuCl水和物などのルテニウム塩化物、KRuCl、〔RuCl3−、KRuClなどのクロロルテニウム酸塩、〔RuCl(HO)2−、〔RuCl(HO)などのクロロルテニウム酸塩水和物、KRuOなどのルテニウム酸の塩、RuOCl、RuOCl、RuOClなどのルテニウムオキシ塩化物、KRuOCl10、CsRuOClなどのルテニウムオキシ塩化物の塩、〔Ru(NH2+、〔Ru(NH3+、〔Ru(NHO〕2+などのルテニウムアンミン錯体、〔Ru(NHCl〕2+、〔Ru(NH〕Cl、〔Ru(NH〕Cl、〔Ru(NH〕Brなどのルテニウムアンミン錯体の塩化物、臭化物、RuBr、RuBr水和物などのルテニウム臭化物、その他のルテニウム有機アミン錯体、ルテニウムアセチルアセトナート錯体、Ru(CO)、Ru(CO)12などのルテニウムカルボニル錯体、[RuO(OCOCH(HO)] OCOCH水和物、Ru(RCOO)Cl(R=炭素数1−3のアルキル基)などのルテニウム有機酸塩、K〔RuClNO)〕、〔Ru(NH(NO)〕Cl、〔Ru(OH)(NH(NO)〕(NO、 Ru(NO)(NOなどのルテニウムニトロシル錯体、ルテニウムホスフィン錯体などの化合物などがあげられる。好ましいルテニウム化合物としては、 RuCl、RuCl水和物などのルテニウム塩化物、 RuBr、RuBr水和物などのルテニウム臭化物などハロゲン化ルテニウム化合物があげられる。更に好ましくは、塩化ルテニウム水和物があげられる。 Ruthenium compounds in the ruthenium-containing solution include ruthenium chlorides such as RuCl 3 and RuCl 3 hydrate, chlororuthenates such as K 3 RuCl 6 , [RuCl 6 ] 3− and K 2 RuCl 6 , [RuCl 5 (H 2 O) 4 ] 2− , [RuCl 2 (H 2 O) 4 ] + and other chlororuthenate hydrates, ruthenium acid salts such as K 2 RuO 4 , Ru 2 OCl 4 and Ru 2 OCl 5 Ruthenium oxychlorides such as Ru 2 OCl 6 , ruthenium oxychloride salts such as K 2 Ru 2 OCl 10 and Cs 2 Ru 2 OCl 4 , [Ru (NH 3 ) 6 ] 2+ , [Ru (NH 3 ) 6 ] 3+ , [Ru (NH 3 ) 5 H 2 O] 2+ and other ruthenium ammine complexes, [Ru (NH 3 ) 5 Cl] 2+ , [Ru (NH 3 ) Ruthenium such as chlorides, bromides, RuBr 3 , RuBr 3 hydrates of ruthenium ammine complexes such as 6 ] Cl 2 , [Ru (NH 3 ) 6 ] Cl 3 , [Ru (NH 3 ) 6 ] Br 3 Bromides, other ruthenium organic amine complexes, ruthenium acetylacetonate complexes, ruthenium carbonyl complexes such as Ru (CO) 5 , Ru 3 (CO) 12 , [Ru 3 O (OCOCH 3 ) 6 (H 2 O) 3 ] OCOCH trihydrate, Ru 2 (RCOO) 4 ruthenium organic acid salt such as Cl (R = alkyl group of 1-3 carbon atoms), K 2 [RuCl 5 NO)], [Ru (NH 3) 5 (NO ) ] Cl 3, [Ru (OH) (NH 3) 4 (NO) ] (NO 3) 2, Ru ( NO) (NO 3) 3 ruthenium nitrosyl complexes such as ruthenium And compounds such as phosphine complex. Preferred ruthenium compounds, RuCl 3, RuCl ruthenium chloride such as 3 hydrate, RuBr 3, RuBr 3 ruthenium bromide such as halogenated ruthenium compounds such as hydrates and the like. More preferred is ruthenium chloride hydrate.

犠牲剤としては、例えば、ギ酸、水素化ナトリウム、ヒドラジン及びアルコールなどの電子供与体を挙げることができ、アルコールであることが好ましく、経済性や取扱いの安全性の面からメタノール、エタノールであるであることがさらに好ましい。   Examples of the sacrificial agent include electron donors such as formic acid, sodium hydride, hydrazine, and alcohol. Alcohol is preferable, and methanol and ethanol are preferable from the viewpoint of economy and safety of handling. More preferably it is.

ルテニウム含有溶液中のルテニウムの濃度としては、目的とする担持量に応じて調整することができ、ルテニウム化合物がルテニウム含有溶液に溶け得る範囲であれば特に制限はなく、1.0〜50.0ppmの範囲であることが好ましく、5.0〜15.0ppmの範囲であることがさらに好ましい。1.0ppmより少ない場合、所望の触媒活性が得難く、50.0ppmを超えても更なる活性の増大が得られ難いので不経済である。   The concentration of ruthenium in the ruthenium-containing solution can be adjusted according to the target loading, and is not particularly limited as long as the ruthenium compound can be dissolved in the ruthenium-containing solution, and is 1.0 to 50.0 ppm. It is preferable that it is the range of this, and it is still more preferable that it is the range of 5.0-15.0 ppm. If it is less than 1.0 ppm, it is difficult to obtain the desired catalyst activity, and even if it exceeds 50.0 ppm, it is difficult to obtain a further increase in activity, which is uneconomical.

ルテニウム含有溶液中の犠牲剤の濃度としては、ルテニウム化合物の種類と光の照射時間に応じて調整することができ、犠牲剤添加によりルテニウム化合物がルテニウム含有溶液に不溶とならない範囲であれば特に制限はない。犠牲剤濃度が高い程、照射時間の短縮が期待できる。   The concentration of the sacrificial agent in the ruthenium-containing solution can be adjusted according to the type of ruthenium compound and the irradiation time of light, and is particularly limited as long as the ruthenium compound does not become insoluble in the ruthenium-containing solution by adding the sacrificial agent. There is no. The higher the sacrificial agent concentration, the shorter the irradiation time can be expected.

照射する光の波長は、前述の通り、第2相を構成する金属酸化物のバンドギャップに相当するエネルギー以上のエネルギーを有する光であれば、特に制限は無い。例えば、第2相がアナターゼ型のチタニアの場合、バンドギャップは3.2eVであるので、これに相当するエネルギー、すなわち387nm以下の波長を用いることができる。光の強度についても特に制限は無いが、光の強度が2.5mW/cm〜7.0mW/cmの範囲であれば、安定した触媒活性の上昇を期待できるため好ましい。この範囲は市販のランプで容易に達成できる為、経済性にも優れる。 As described above, the wavelength of the irradiated light is not particularly limited as long as the light has energy equal to or higher than the energy corresponding to the band gap of the metal oxide constituting the second phase. For example, when the second phase is anatase type titania, the band gap is 3.2 eV, and therefore, energy corresponding to this, that is, a wavelength of 387 nm or less can be used. The light intensity is not particularly limited, but the light intensity in the range of 2.5 mW / cm 2 to 7.0 mW / cm 2 is preferable because stable catalytic activity can be expected to increase. Since this range can be easily achieved with a commercially available lamp, it is also economical.

以下に、実施例を挙げて本発明に係るシリカ基複合酸化物繊維からなる高性能触媒繊維をさらに詳しく説明するが、本発明は、下記の実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することができる。   In the following, the high-performance catalyst fiber composed of the silica-based composite oxide fiber according to the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples at all. Changes can be made without departing from the spirit of the present invention.

(参考例1:ポリカルボシランの製造)
容量5リットルの三口フラスコに、無水トルエン2.5リットル及び金属ナトリウム400gを入れ、窒素ガス気流下、トルエンの沸点まで加熱し、ジメチルジクロロシラン1リットルを1時間かけて滴下した。滴下終了後、10時間加熱還流して、沈殿物を生成させた。この沈殿物をろ過し、メタノール、次いで水を用いて洗浄して、白色粉末のポリジメチルシラン420gを得た。水冷還流器を備えた三口フラスコ中に、得られたポリジメチルシラン250gを入れ、窒素ガス気流下、420℃で30時間加熱反応させて数平均分子量が1200のポリカルボシランを得た。
(Reference Example 1: Production of polycarbosilane)
A three-neck flask with a capacity of 5 liters was charged with 2.5 liters of anhydrous toluene and 400 g of metallic sodium, heated to the boiling point of toluene under a nitrogen gas stream, and 1 liter of dimethyldichlorosilane was added dropwise over 1 hour. After completion of the dropwise addition, the mixture was heated to reflux for 10 hours to produce a precipitate. The precipitate was filtered and washed with methanol and then with water to obtain 420 g of white powder of polydimethylsilane. In a three-necked flask equipped with a water-cooled refluxing apparatus, 250 g of the obtained polydimethylsilane was put and reacted by heating at 420 ° C. for 30 hours under a nitrogen gas stream to obtain polycarbosilane having a number average molecular weight of 1200.

(製造例1)
参考例1の方法によって合成されたポリカルボシラン50gに、トルエン100g及びテトラブトキシチタン50gを加え、100℃で1時間予備加熱した後、150℃まで緩やかに昇温してトルエンを留去させて、そのまま5時間反応させた後、更に250℃まで昇温し、5時間反応させて変性ポリカルボシランを合成した。この変性ポリカルボシランに、意図的に低分子量有機金属化合物を共存させる目的でテトラブトキシチタン5gを加えて、変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物との混合物(紡糸原液)を得た。
(Production Example 1)
To 50 g of polycarbosilane synthesized by the method of Reference Example 1, 100 g of toluene and 50 g of tetrabutoxytitanium were added, preheated at 100 ° C. for 1 hour, and then slowly heated to 150 ° C. to distill off the toluene. Then, after reacting for 5 hours as it was, the temperature was further raised to 250 ° C. and reacted for 5 hours to synthesize modified polycarbosilane. To this modified polycarbosilane, 5 g of tetrabutoxytitanium was intentionally added for the purpose of coexistence of a low molecular weight organometallic compound to obtain a mixture (spinning stock solution) of the modified polycarbosilane and the low molecular weight organometallic compound.

得られた変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物との混合物をトルエンに溶解させた後、ガラス製の紡糸装置に仕込み、内部を十分に窒素置換してから昇温してトルエンを留去させて、180℃で溶融紡糸を行った。得られた紡糸繊維を、空気中、段階的に150℃まで加熱し不融化させた後、空気中、900〜1300℃で1時間焼成し、チタニア/シリカ繊維を得た。この繊維を2質量%のフッ化水素水溶液に10分間浸漬することによって繊維表面のシリカを除去し、メソポア構造のチタニア/シリカ繊維(平均直径:10μm)を得た。図2に、焼成温度1200℃におけるメソポア構造のチタニア/シリカ繊維のSTEM写真を示す。   After the resulting mixture of modified polycarbosilane and low molecular weight organometallic compound was dissolved in toluene, it was charged into a glass spinning device, the interior was thoroughly purged with nitrogen, and the temperature was raised to distill off the toluene. Then, melt spinning was performed at 180 ° C. The obtained spun fiber was heated to 150 ° C. stepwise in air and infusible, and then fired in air at 900 to 1300 ° C. for 1 hour to obtain titania / silica fiber. The silica on the fiber surface was removed by immersing the fiber in a 2% by mass hydrogen fluoride aqueous solution for 10 minutes to obtain a titania / silica fiber (average diameter: 10 μm) having a mesopore structure. FIG. 2 shows a STEM photograph of titania / silica fibers having a mesopore structure at a firing temperature of 1200 ° C.

製造例1において得られたチタニア/シリカ繊維は、X線回折の結果、非晶質シリカ及びアナターゼのチタニアからなっていた。また、蛍光X線分析の結果、シリカが78質量%、チタニアが22質量%であった。さらに、EPMA(X線マイクロ・アナライザ)により構成原子の分布状態を測定したところ、繊維の最外周部から1μmの領域でTi/Si(モル比)=0.90〜0.94、最外周から3〜4μmの領域でTi/Si(モル比)=0.12〜0.15、中心部でTi/Si(モル比)=0.03〜0.04であり、繊維表面に向ってチタンが増大する傾斜組成になっていることが確認された。   As a result of X-ray diffraction, the titania / silica fiber obtained in Production Example 1 was composed of amorphous silica and anatase titania. As a result of the fluorescent X-ray analysis, silica was 78% by mass and titania was 22% by mass. Further, when the distribution state of the constituent atoms was measured by EPMA (X-ray microanalyzer), Ti / Si (molar ratio) = 0.90 to 0.94 in the region of 1 μm from the outermost periphery of the fiber, from the outermost periphery. Ti / Si (molar ratio) = 0.12 to 0.15 in the region of 3 to 4 μm, Ti / Si (molar ratio) = 0.03 to 0.04 in the center, and titanium is directed toward the fiber surface. It was confirmed that the composition had an increasing gradient composition.

(実施例1)
製造例1において得られたチタニア/シリカ繊維2.41gを縦550mm×横380mm×高さ25mm、厚さ3.3mmのガラス容器に入れ、塩化ルテニウム(III)・n水和物24.9mgを超純水50g、エタノール750gの混合溶媒に溶かし、電析溶液(ルテニウム濃度:12.0ppm)に浸漬し、ブラックライトを5.5mW/cmの強度で4時間照射(電析反応)した。照射後、ガラス容器から繊維を取り出し、水洗、さらに乾燥を行うことによって、実施例1に係る触媒繊維を得た。ESCAにおいて、Ru(Metal)に由来する280.7eVのピークを示した(図3(A))。このことから、担持されたルテニウムは金属状態をとることが分かった。ICP−AESの結果から、実施例1に係る触媒繊維のルテニウム担持量は0.4質量%(対触媒繊維)であった。また、STEM写真(図4)から、担持されたルテニウムは、触媒繊維表面のメソポア内のみに存在していることが分かった。メソポア内のルテニウムは耐シンタリング性に優れる。また、いずれのルテニウムも粒径は1〜3nm程度でチタニア層に高分散で担持されており、触媒として理想的な構造を示した。
Example 1
2.41 g of titania / silica fiber obtained in Production Example 1 was placed in a glass container having a length of 550 mm × width of 380 mm × height of 25 mm and a thickness of 3.3 mm, and 24.9 mg of ruthenium (III) chloride / n hydrate was added. It was dissolved in a mixed solvent of 50 g of ultrapure water and 750 g of ethanol, immersed in an electrodeposition solution (ruthenium concentration: 12.0 ppm), and irradiated with black light at an intensity of 5.5 mW / cm 2 for 4 hours (electrodeposition reaction). After irradiation, the fiber was taken out from the glass container, washed with water, and further dried to obtain a catalyst fiber according to Example 1. In ESCA, a peak of 280.7 eV derived from Ru (Metal) was shown (FIG. 3A). From this, it was found that the supported ruthenium is in a metal state. From the results of ICP-AES, the amount of ruthenium supported by the catalyst fiber according to Example 1 was 0.4% by mass (vs. catalyst fiber). Moreover, it was found from the STEM photograph (FIG. 4) that the supported ruthenium exists only in the mesopores on the surface of the catalyst fiber. Ruthenium in the mesopore has excellent sintering resistance. Each ruthenium had a particle size of about 1 to 3 nm and was supported on the titania layer in a highly dispersed state, and showed an ideal structure as a catalyst.

(比較例1)
犠牲剤であるエタノールを加えず、超純水800gを溶媒とした以外は、実施例1と同様にして、比較例1に係る触媒繊維を得た。ESCAにおいて、Ru3+,Ru4+に由来するものと考えられる282.1eVにピークを示した(図3(B))。このことから、金属状態ではなくイオン種の塩を形成していることが分かった。
(Comparative Example 1)
A catalyst fiber according to Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that ethanol as a sacrificial agent was not added and 800 g of ultrapure water was used as a solvent. ESCA showed a peak at 282.1 eV, which is considered to be derived from Ru 3+ and Ru 4+ (FIG. 3B). From this, it was found that a salt of an ionic species was formed instead of a metal state.

Claims (6)

主として化1により表される主鎖骨格を有する数平均分子量200〜10,000のポリカルボシランを有機金属化合物で修飾した構造を有する変性ポリカルボシラン、又は前記変性ポリカルボシランと有機金属化合物との混合物である、紡糸原液を得る第1工程と、
前記紡糸原液から紡糸繊維を得る第2工程と、
前記紡糸繊維を酸化雰囲気中で加熱処理することによって、不融化繊維を得る第3工程と、
前記不融化繊維を酸化雰囲気中で焼成することによって、シリカ基複合酸化物繊維を得る第4工程と、
前記シリカ基複合酸化物繊維の表面側に処理を施すことで表面近傍のシリカを除去してメソポアを形成する第5工程と、
犠牲剤及びルテニウムを含むルテニウム含有溶液に、前記シリカ基複合酸化物繊維を接触させながら光を照射する第6工程と、
を備えたことを特徴とする触媒繊維の製造方法。
Figure 2012200674
(但し、式中のRは水素原子、低級アルキル基又はフェニル基を示す。)
A modified polycarbosilane having a structure in which a polycarbosilane having a main chain skeleton represented by Chemical Formula 1 and having a number average molecular weight of 200 to 10,000 is modified with an organometallic compound, or the modified polycarbosilane and an organometallic compound, A first step of obtaining a spinning dope that is a mixture of
A second step of obtaining a spun fiber from the spinning dope;
A third step of obtaining an infusible fiber by heat-treating the spun fiber in an oxidizing atmosphere;
A fourth step of obtaining a silica-based composite oxide fiber by firing the infusible fiber in an oxidizing atmosphere;
A fifth step of forming mesopores by removing the silica in the vicinity of the surface by treating the surface side of the silica-based composite oxide fiber;
A sixth step of irradiating the ruthenium-containing solution containing the sacrificial agent and ruthenium with light while contacting the silica-based composite oxide fiber;
A method for producing a catalyst fiber, comprising:
Figure 2012200674
(However, R in the formula represents a hydrogen atom, a lower alkyl group or a phenyl group.)
前記犠牲剤がメタノール又はエタノールであることを特徴とする請求項1記載の触媒繊維の製造方法。   The method for producing a catalyst fiber according to claim 1, wherein the sacrificial agent is methanol or ethanol. 前記ルテニウム含有溶液の前記ルテニウムの濃度が1.0〜50.0ppmであることを特徴とする請求項1又は2記載の触媒繊維の製造方法。   The method for producing a catalyst fiber according to claim 1 or 2, wherein a concentration of the ruthenium in the ruthenium-containing solution is 1.0 to 50.0 ppm. 前記光の強度が2.5〜7.0mW/cmであることを特徴とする請求項1乃至4いずれか記載の触媒繊維の製造方法。 5. The method for producing a catalyst fiber according to claim 1, wherein the light intensity is 2.5 to 7.0 mW / cm 2 . シリカ成分を主体とする酸化物相(第1相)とシリカ以外の金属からなる金属酸化物相(第2相)との複合酸化物相からなるシリカ基複合酸化物繊維であって、
前記金属酸化物相(第2相)を構成する金属酸化物の少なくとも1以上の金属元素の存在割合が繊維表面に向かって傾斜的に増大しており、前記金属酸化物相(第2相)は、それを構成する金属が粒子状に形成され、その粒子間に繊維表面から繊維内部に向かう平均細孔径が2〜30nmのメソポアが形成され、前記メソポア中に平均粒子径が0.5〜25.0nmの金属ルテニウム(Ru)粒子が担持されていることを特徴とする触媒繊維。
A silica-based composite oxide fiber comprising a composite oxide phase of an oxide phase (first phase) mainly composed of a silica component and a metal oxide phase (second phase) comprising a metal other than silica,
The presence ratio of at least one or more metal elements of the metal oxide constituting the metal oxide phase (second phase) increases in a slope toward the fiber surface, and the metal oxide phase (second phase) The metal constituting it is formed into particles, and mesopores having an average pore diameter of 2 to 30 nm from the fiber surface to the inside of the fiber are formed between the particles, and the average particle diameter is 0.5 to 4 in the mesopores. A catalyst fiber, wherein metal ruthenium (Ru) particles of 25.0 nm are supported.
前記メソポア中に担持されている前記金属ルテニウム粒子の数が、前記メソポア中の単位表面積あたり6x1013個/m以上であることを特徴とする請求項6記載の触媒繊維。 7. The catalyst fiber according to claim 6, wherein the number of the metal ruthenium particles supported in the mesopore is 6 × 10 13 particles / m 2 or more per unit surface area in the mesopore.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018035767A (en) * 2016-09-01 2018-03-08 ダイハツディーゼル株式会社 Internal combustion engine
US11633722B2 (en) * 2020-09-30 2023-04-25 Uchicago Argonne, Llc Catalyst for water splitting
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