JP2016137452A - Han-based propellant decomposition catalyst and manufacturing method thereof and one liquid thruster using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、比表面積が大きいと共に耐熱性に優れた、硝酸ヒドロキシアンモニウム(NH2OH・HNO3、以下「HAN」という。)系推進薬を分解するHAN系推進薬分解触媒及びその製造方法並びにこのHAN系推進薬分解触媒を備えた一液スラスタに関する。 The present invention relates to a HAN-based propellant decomposition catalyst for decomposing a hydroxyammonium nitrate (NH 2 OH · HNO 3 , hereinafter referred to as “HAN”)-based propellant having a large specific surface area and excellent heat resistance, and a method for producing the same. The present invention relates to a one-component thruster equipped with this HAN-based propellant decomposition catalyst.
衛星の姿勢・推進制御用の小型の推進器(以下、「スラスタ」という。)は、従来より推進薬として用いられているヒドラジンを、スラスタ内に充填されている触媒によって分解し高温ガスを発生することで推進力を発生する装置である。 A small propulsion unit (hereinafter referred to as “thruster”) for satellite attitude / propulsion control decomposes hydrazine, which has been used as a propellant, by a catalyst filled in the thruster to generate high-temperature gas. It is a device that generates propulsive force by doing.
スラスタは、推進薬を供給する推薬弁、ガス発生部、熱制御機器(ヒータ、温度センサ等)およびヒドラジン分解触媒から構成される。
ここで、ヒドラジンは、ロケット等の推力装置に用いる単一推進燃料として有用である。ヒドラジンは分解触媒で分解され、その分解に際し高温の分解ガスを発生することから、ロケットや宇宙衛星の姿勢制御用ジェットの作動に用いられる他、タービン運転用のガスの発生などに用いられてきた。
The thruster includes a propellant valve that supplies a propellant, a gas generator, a heat control device (a heater, a temperature sensor, etc.), and a hydrazine decomposition catalyst.
Here, hydrazine is useful as a single propellant for use in thrust devices such as rockets. Hydrazine is decomposed by a decomposition catalyst and generates high-temperature decomposition gas during the decomposition, so it has been used to generate gas for turbine operation in addition to the operation of attitude control jets for rockets and space satellites. .
また、ヒドラジンの分解触媒としては、主として白金族元素の触媒が用いられていた。この分解触媒を推進力発生装置やガス発生装置に使用する場合には、活性が高く、しかも触媒としての有効期間の長い特性を有する触媒が必要とされる。特にロケットエンジンで採用される高流速において自発的に点火させるには、活性の非常に高い触媒が必要とされる。 Further, as a hydrazine decomposition catalyst, a platinum group element catalyst has been mainly used. When this decomposition catalyst is used in a propulsion generator or a gas generator, a catalyst having a high activity and a long effective period as a catalyst is required. In particular, a catalyst having a very high activity is required to ignite spontaneously at a high flow rate employed in a rocket engine.
加えてヒドラジンが分解すると800℃以上の高温に達するから、何度も再点火する性能を持たせようとするならば、触媒は非常に安定でなければならない。 In addition, since hydrazine decomposes and reaches a high temperature of 800 ° C. or higher, the catalyst must be very stable if it is to have the ability to re-ignite many times.
このため、極めて活性が高く安定性にも優れた触媒として、比表面積が大きいアルミナ(Al2O3)にIr(イリジウム)等の貴金属を担持させたヒドラジン分解用触媒が知られている(例えば、特許文献1参照)。 For this reason, a hydrazine decomposition catalyst in which a noble metal such as Ir (iridium) is supported on alumina (Al 2 O 3 ) having a large specific surface area is known as an extremely active and excellent catalyst (for example, , See Patent Document 1).
このように、ヒドラジン分解触媒としては、一般に、Irは高活性ゆえに用いられ、具体的にIrをアルミナに担持した触媒が使用される。
ヒドラジンの分解反応は、次の式(1)、(2)で表される。
2N2H4 →2NH3+N2+H2 (1)
2NH3 →N2+3H2 (2)
Thus, as a hydrazine decomposition catalyst, Ir is generally used because of its high activity, and specifically, a catalyst in which Ir is supported on alumina is used.
The decomposition reaction of hydrazine is represented by the following formulas (1) and (2).
2N 2 H 4 → 2NH 3 + N 2 + H 2 (1)
2NH 3 → N 2 + 3H 2 (2)
しかし、推進薬であるヒドラジンは毒性が高いため、より毒性が低く、環境負荷が低減でき、製造、取扱いの容易な推進薬の開発が進められてきた。HAN系推進薬は毒性が低いためにヒドラジンの有力な代替候補として、現在、内外で研究が進められている。 However, since hydrazine, a propellant, has high toxicity, development of a propellant that is less toxic, can reduce environmental burden, and is easy to manufacture and handle has been promoted. Since HAN propellants have low toxicity, they are currently being studied in Japan and overseas as potential alternatives to hydrazine.
HANが触媒に供給されると次の式(3)〜(6)で表される反応が進行する。この反応は、発熱反応であり、体積増加型の反応である。
NH3OHNO3(aq)→2H2O(l)+N2(g)+O2(g) (3)
NH3OHNO3(aq)→2H2O(l)+1/2N2(g)+NO2(g又はl) (4)
NH3OHNO3(aq)→2H2O(l)+2NO(g) (5)
NH3OHNO3(aq)→2H2O(l)+N2O(g)+1/2O2(g) (6)
(式(3)〜(6)中、aqは水溶液、gはガス、lは液体を示す。)
When HAN is supplied to the catalyst, the reactions represented by the following formulas (3) to (6) proceed. This reaction is an exothermic reaction and is a volume increasing type reaction.
NH 3 OHNO 3 (aq) → 2H 2 O (l) + N 2 (g) + O 2 (g) (3)
NH 3 OHNO 3 (aq) → 2H 2 O (l) + 1 / 2N 2 (g) + NO 2 (g or l) (4)
NH 3 OHNO 3 (aq) → 2H 2 O (l) + 2NO (g) (5)
NH 3 OHNO 3 (aq) → 2H 2 O (l) + N 2 O (g) + 1 / 2O 2 (g) (6)
(In the formulas (3) to (6), aq represents an aqueous solution, g represents a gas, and l represents a liquid.)
HAN系推進薬は、毒性は低いものの、一般的には、反応性も低い。このため、液体のHAN系推進薬を触媒により分解させるためには、触媒層中の触媒を予め加熱しておくことにより、触媒を高温にして活性を高めておく必要がある。また、HAN系推進薬は燃焼ガス発生に伴う触媒の温度上昇が激しく、触媒の劣化や損耗が大きくなるという課題があった。 HAN propellants have low toxicity but generally have low reactivity. For this reason, in order to decompose a liquid HAN propellant with a catalyst, it is necessary to heat the catalyst in the catalyst layer in advance to increase the activity of the catalyst at a high temperature. In addition, the HAN propellant has a problem that the temperature of the catalyst is greatly increased due to generation of combustion gas, and the deterioration and wear of the catalyst are increased.
そこで、触媒には従来のヒドラジン推進薬向けのIrを担持したアルミナ触媒よりも、耐熱性の高い触媒が求められている。
一方、触媒の担体として使用されるアルミナを熱処理した場合、一般的にその比表面積は1000℃以上で著しく低下するため、触媒性能も低下する傾向にある(例えば、非特許文献1参照)。
Therefore, a catalyst having higher heat resistance than the conventional alumina catalyst supporting Ir for hydrazine propellant is required.
On the other hand, when alumina used as a catalyst support is heat-treated, its specific surface area generally decreases significantly at 1000 ° C. or higher, so that the catalyst performance tends to decrease (see, for example, Non-Patent Document 1).
従って、ヒドラジン系推進薬に比べ反応性が低いHAN系推進薬を衛星の姿勢・推進制御用スラスタの推進薬として使用するには、触媒層中の触媒を予め加熱しても十分に活性を維持できる耐熱性の高い触媒が求められていた。 Therefore, in order to use a HAN propellant, which is less reactive than a hydrazine propellant, as a propellant for a thruster for the attitude and propulsion control of a satellite, sufficient activity is maintained even if the catalyst in the catalyst layer is preheated. There has been a demand for a catalyst having high heat resistance.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、毒性が低いHAN系推進薬をスラスタに用いることができるように、十分な耐熱性を有しかつHAN系推進薬の分解活性も十分にあるHAN系推進薬分解触媒およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has sufficient heat resistance and has sufficient decomposition activity of the HAN propellant so that a HAN propellant having low toxicity can be used for the thruster. It is to provide a system propellant decomposition catalyst and a production method thereof.
さらに本発明の別の目的として、HAN系推進薬分解触媒を備えた一液スラスタを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a one-part thruster provided with a HAN-based propellant decomposition catalyst.
本発明者らは、従来の課題を解決すべく鋭意検討した結果、触媒担持用の担体となるアルミナにつき、γ型、θ型、α型等の各種構造の内、θ型アルミナが高い比表面積を有しかつ耐熱性にも比較的優れていること、さらにLa(ランタン)をアルミナに添加し成形した上で、Ir等の白金族元素をアルミナに担持させることで、課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of diligent investigations to solve the conventional problems, the present inventors have found that alumina, which is a carrier for supporting a catalyst, has a high specific surface area among various structures such as γ-type, θ-type, α-type, etc. It has been found that it can solve the problem by adding La (lanthanum) to alumina and forming it with platinum group elements such as Ir supported on alumina. The present invention has been completed.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、Laを含有し、かつIr等の白金族元素が担持されたθ型アルミナを含み、BET比表面積が40m2/g以上である、HAN(硝酸ヒドロキシアンモニウム)系推進薬の分解触媒に係わる発明である。さらに耐熱性をより高めるために、Laを1〜20重量%含有させるとよく、また、耐熱性についても1000℃で5時間加熱後のBET比表面積が40m2/g以上であることが好ましい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present invention relates to a decomposition catalyst for a HAN (hydroxyammonium nitrate) propellant containing θ-type alumina containing La and carrying a platinum group element such as Ir and having a BET specific surface area of 40 m 2 / g or more. It is invention concerning. Furthermore, in order to further improve the heat resistance, it is preferable to contain 1 to 20% by weight of La. Further, regarding the heat resistance, the BET specific surface area after heating at 1000 ° C. for 5 hours is preferably 40 m 2 / g or more.
また本発明は、Ir化合物を含む溶液に、Laを含有するθ型アルミナ成形体を浸漬し、浸漬されたθ型アルミナ成形体を溶液から取り出して150〜400℃に加熱するという工程を、1回あるいは複数回繰り返して行なうことで得られる、HAN系推進薬の分解触媒の製造方法に係わる発明である。 The present invention also includes a step of immersing a θ-type alumina molded body containing La in a solution containing an Ir compound, and taking out the immersed θ-type alumina molded body from the solution and heating to 150 to 400 ° C. This invention relates to a method for producing a decomposition catalyst for a HAN-based propellant obtained by repeating once or a plurality of times.
また本発明は、上記したHAN系推進薬分解触媒を備えた一液スラスタに係わる発明である。 The present invention also relates to a one-component thruster equipped with the above-described HAN propellant decomposition catalyst.
また本発明は、Laを含有し、BET比表面積40m2/g以上を有するθ型アルミナからなり、上記したHAN系推進薬分解触媒に用いられる担体に係わる発明であり、Laを含有するθ型アルミナ粉末を、成型し、焼成して、BET比表面積40m2/g以上を有する担体を製造できる。 Further, the present invention is an invention related to a carrier containing La and comprising a θ-type alumina having a BET specific surface area of 40 m 2 / g or more, which is used for the above-mentioned HAN-based propellant decomposition catalyst. Alumina powder can be molded and fired to produce a carrier having a BET specific surface area of 40 m 2 / g or more.
本発明は次のような効果を奏する。
(i)本発明に係るHAN系推進薬分解触媒に用いられる担体は、比表面積が40m2/g以上を有するθ型アルミナからなるものなので、その表面にIr等の白金族元素などを担持させることにより、高い触媒活性を有する触媒が得られる。
(ii)本発明に係る触媒は、Laを含有していることから耐熱性に優れており、スラスタ中の触媒を予め加熱しても十分に活性を維持でき、従来の推進薬と同様に衛星の姿勢・推進制御が可能となる。
The present invention has the following effects.
(I) Since the carrier used for the HAN-based propellant decomposition catalyst according to the present invention is composed of θ-type alumina having a specific surface area of 40 m 2 / g or more, a platinum group element such as Ir is supported on the surface thereof. As a result, a catalyst having high catalytic activity can be obtained.
(Ii) The catalyst according to the present invention is excellent in heat resistance because it contains La, and can maintain its activity sufficiently even if the catalyst in the thruster is preheated. Attitude / propulsion control becomes possible.
以下、本発明を、HAN系推進薬分解触媒とその製造方法、このHAN系推進薬分解触媒を備えた一液スラスタとして説明する。
<HAN系推進薬分解触媒>
本発明のHAN系推進薬分解触媒の製造方法においては、θ型構造のアルミナにLaを添加したものを原料とし、これを成形、焼成して、担体を製造して白金族元素を担体に担持する前の担体を得る。次いで、この担体をIr等の白金族元素の化合物を含む溶液に浸漬し、さらに溶液から取り出して150〜400℃に加熱するという工程を、1回あるいは複数回繰り返して行なうことで、Ir等の白金族元素が担体に担持され、本発明のHAN系推進薬分解触媒を得ることができる。
Hereinafter, the present invention will be described as a one-component thruster equipped with a HAN-based propellant decomposition catalyst, a method for producing the same, and the HAN-based propellant decomposition catalyst.
<HAN-based propellant decomposition catalyst>
In the method for producing a HAN-based propellant decomposition catalyst according to the present invention, a material in which La is added to θ-type alumina is used as a raw material, which is molded and fired to produce a carrier to carry a platinum group element on the carrier. Obtain the carrier before Next, the step of immersing this carrier in a solution containing a platinum group element compound such as Ir, taking it out of the solution and heating it to 150 to 400 ° C. is repeated once or a plurality of times, so that A platinum group element is supported on a carrier, and the HAN propellant decomposition catalyst of the present invention can be obtained.
上記のようにして得られるHAN系推進薬分解触媒は、BET比表面積が40m2/g以上であり、この高い比表面積ゆえに、HAN系推進薬の分解活性も高くなる。 The HAN-based propellant decomposition catalyst obtained as described above has a BET specific surface area of 40 m 2 / g or more, and because of this high specific surface area, the decomposition activity of the HAN-based propellant is also increased.
本発明のHAN系推進薬分解触媒は、原料粉末のθ型アルミナの結晶構造を、成形、焼成後も保持しており、高い比表面積と共に、耐熱性も有している。本発明のHAN系推進薬分解触媒はスラスタとして宇宙空間に長期に渡って滞在するとともに、軌道制御を適正に行うために、反応性がヒドラジンの分解反応と比較して弱いHAN系推進薬に対して十分に反応させるため、スラスタ中の触媒層を予め加熱しておくことが好ましい態様となる。これにより、予熱温度を維持しつつ十分な触媒活性も維持させるには、高い比表面積を有するθ型アルミナの構造を長期間維持させる必要があり、Laを添加することで耐熱性が補強できる。 The HAN-based propellant decomposition catalyst of the present invention retains the crystal structure of θ-type alumina as a raw material powder after molding and firing, and has high heat resistance as well as a high specific surface area. The HAN-based propellant decomposition catalyst of the present invention stays in space for a long time as a thruster, and in order to properly perform orbit control, the reactivity of the HAN-based propellant decomposition catalyst is weak compared to the hydrazine decomposition reaction. Therefore, it is preferable to heat the catalyst layer in the thruster in advance in order to allow sufficient reaction. Thereby, in order to maintain sufficient catalytic activity while maintaining the preheating temperature, it is necessary to maintain the structure of θ-type alumina having a high specific surface area for a long period of time, and the heat resistance can be reinforced by adding La.
La添加によりθ型アルミナが耐熱性を有することが実施例により証されるが、その添加量としては、Laを触媒重量に対し1〜20重量%の範囲で含有させるとよい。 The example demonstrates that the addition of La has the heat resistance of the θ-type alumina, but the addition amount of La is preferably in the range of 1 to 20% by weight with respect to the catalyst weight.
本発明のHAN系推進薬分解触媒は、スラスタ装置の触媒充填層に充填されるため、一定の粒径を有した成形体であることが好ましい。 Since the HAN propellant decomposition catalyst of the present invention is filled in the catalyst packed bed of the thruster device, it is preferably a molded body having a certain particle size.
Ir等の白金族元素を担持させる前の触媒担体の成形方法としては、通常この分野において用いられる方法であれば特に制限されることはなく、例えば転動造粒、押出造粒、噴霧造粒、流動造粒、圧縮造粒等の方法が用いられる。造粒にあたり必要に応じて、バインダー、造粒助剤を添加し、さらに水を加え、これらを充分混練した後、造粒機等を用いて成形すればよい。 The method for forming the catalyst carrier before supporting the platinum group element such as Ir is not particularly limited as long as it is a method usually used in this field. For example, rolling granulation, extrusion granulation, spray granulation A method such as fluid granulation or compression granulation is used. In the granulation, if necessary, a binder and a granulation aid are added, water is further added, these are sufficiently kneaded, and then molded using a granulator or the like.
成形体の粒子径としては、スラスタ装置に充填できる形状、粒子径であれば制限はなく、作業の効率性やスラスタに備えられるメッシュ(メッシュ状の隔壁部)の空隙または網目の広さ等から、0.1〜5mmの粒子径が好ましく、さらに0.5〜2mmの粒子径が好ましく、通常は1mm程度の粒子径である。 The particle size of the molded body is not limited as long as it is a shape and particle size that can be filled in the thruster device. From the efficiency of work and the size of the voids or mesh of the mesh (mesh-shaped partition wall) provided in the thruster The particle diameter of 0.1 to 5 mm is preferable, the particle diameter of 0.5 to 2 mm is more preferable, and the particle diameter is usually about 1 mm.
成形された触媒担体にIr等の白金族元素を担持させる方法としては、通常この分野において用いられる方法であれば特に制限されることはなく、例えば白金族元素の化合物の溶液に成形体である触媒担体を浸漬して白金族元素を含浸させることが挙げられる。白金族元素の化合物の溶液への浸漬時間も適宜選択すればよく、例えば数分以上浸漬すればよい。特に、減圧下で浸漬することで、担体の内部まで均一にIrを担持することができる。 The method of supporting a platinum group element such as Ir on the molded catalyst carrier is not particularly limited as long as it is a method usually used in this field. For example, a molded body of a platinum group element compound solution is used. For example, the catalyst carrier is immersed and impregnated with a platinum group element. What is necessary is just to select the immersion time to the solution of the compound of a platinum group element suitably, for example, what is necessary is just to immerse for several minutes or more. In particular, by immersing under reduced pressure, Ir can be uniformly supported up to the inside of the carrier.
含浸工程についても通常この分野において用いられる方法、回数であれば特に制限されることはなく、浸漬、乾燥、焼成(仮焼成を含み、「焼成」及び「仮焼成」は対象物を加熱することを意味する)等の一連の工程を一回又は複数回繰り返して行えばよい。 The impregnation step is not particularly limited as long as it is a method or number of times usually used in this field, and immersion, drying, and firing (including provisional firing, and “firing” and “temporary firing” are to heat an object. And the like may be repeated once or a plurality of times.
さらに原料に由来する塩素等が残留していることがあるため、50〜60℃の温水にて洗浄し、乾燥してもよい。
Ir等の白金族元素を担持させた触媒を利用する際、水素(H2)ガス等の還元性ガスの気流中で、例えば500℃程度の温度下にて、1分〜数時間通気することもできる。
Furthermore, since chlorine or the like derived from the raw material may remain, it may be washed with hot water of 50 to 60 ° C. and dried.
When a catalyst carrying a platinum group element such as Ir is used, it is aerated for 1 minute to several hours at a temperature of, for example, about 500 ° C. in a reducing gas stream such as hydrogen (H 2 ) gas. You can also.
<スラスタ>
図1に示すように、この一液スラスタ1は、HAN系推進薬を収容したタンク2と、インジェクタ(HAN系推進薬導入部)3を具備しかつこのインジェクタ3を通してタンク2から供給されるHAN系推進薬を分解して分解ガスを生じさせる触媒層4を充填したチャンバ5と、このチャンバ5で生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズル6とから主として成っており、チャンバ5のタンク2側に位置する支持棒3aとともにインジェクタ3を構成するフィードチューブ3bと、タンク2との間には、電磁弁7が配置してある。
<Thruster>
As shown in FIG. 1, the one-
チャンバ5において、インジェクタ3に隣接して配置したHAN系推進薬分散用の上流側メッシュ(メッシュ状の隔壁部)8とノズル6寄りの部分に配置した下流側メッシュ9との間の空間を触媒層収容部5Aとしている。一方、下流側メッシュ9とノズル6との間の空間は、分解ガスチャンバ5Bとしてある。
In the
触媒層4は、Laが1〜20重量%添加されたアルミナ粒子に、Irを約30重量%担持させており、通常は粒径1mm程度の触媒粒子の充填層としている。
In the
一液スラスタ1では、タンク2から供給されるHAN系推進薬を電磁弁7の開弁作動によってインジェクタ3及び上流側メッシュ8を介してチャンバ5内にパルス状に導入すると、HAN系推進薬は触媒層4と接触して分解反応が起き、チャンバ5内が定常状態となった時点で前記の反応式(3)〜(6)の分解反応が生じ、高温の窒素、酸素、酸化窒素(N2O、NO、NO2)の各ガス及び水蒸気に分解され、分解ガスチャンバ5Bで高圧に保持されたこれらの分解ガスをノズル6から噴射することで推進力を得るものとなっている。
In the one-
本発明の一液スラスタはHAN系推進薬を用いるものであり、従来のヒドラジン推進薬よりも低毒性であることから取り扱いが容易であり、従来の推進薬と同程度の推進力を維持できるという優れた性能を有する。 The one-component thruster of the present invention uses a HAN propellant and is less toxic than the conventional hydrazine propellant, so it is easy to handle and can maintain the same propulsive force as the conventional propellant. Excellent performance.
この実施形態に係る一液スラスタ1では、インジェクタ3を構成する一本のフィードチューブ3bの先端からHAN系推進薬を拡散供給するようにしているが、これに限定されるものではなく、フィードチューブ3bの先端にシャワーヘッドを装着してHAN系推進薬を複数個所から分けて供給するようにしてもよい。またフィードチューブを複数本備える構成としてもよい。
In the one-
以下、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明はこの実施例により限定して解釈されるものではない。まず、本実施例における測定方法を説明する。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is limited and interpreted by this Example. First, a measurement method in this example will be described.
(1)BET比表面積の測定
BET比表面積の測定は、クオンタクローム インストルメント社製のオートソーブ iQ ステーション 1を用い、前処理として脱気温度200℃にて処理後、77K(絶対温度)で窒素(N2)吸着法により行った。
(2)細孔容積測定
細孔容積測定は、クオンタクローム インストルメント社製の水銀ポロシメーターを用い、水銀圧入法により行った。
(3)X線回折測定
X線回折測定は、パナリティカル社製のエックス’パート プロ エムピーディー(X’Pert PRO MPD)型全自動多目的X線回折装置を用いて行った。
成形体の結晶状態を、電圧45kV、電流40mAで測定した。
触媒の結晶子径は、Ir(111)面のXRDピークを用い、以下に示すシェーラー(Scherrer)の式により求めた。
D=K × λ / (β × cosθ)
(式中、Dは結晶子の径(オングストローム)、Kはシェーラー定数(1.15)、λは使用したX線管球の波長(1.54056オングストローム)、βは結晶子の径による回折線の拡がり、θは回折角を示す。)
(4)示差熱重量分析
示差熱重量分析は、ネッチ・ジャパン社製のティージー−ディーティーエイ2000エス(TG−DTA2000S)装置を用いて行った。
試料容器およびリファレンス容器はいずれもアルミナ製とし、昇温速度は10℃/分、雰囲気として窒素ガス(N2)の100ml/分の気流にて分析した。
(5)Irの定量
触媒調製後のIr担持量を、ICP(誘導結合プラズマ(Inductively coupled plasma)法)により分析した。
(1) Measurement of BET specific surface area The BET specific surface area was measured using an
(2) Pore volume measurement The pore volume measurement was performed by mercury porosimetry using a mercury porosimeter manufactured by Quantachrome Instruments.
(3) X-ray diffraction measurement The X-ray diffraction measurement was performed using an X'Pert PRO MPD type fully automatic multipurpose X-ray diffractometer manufactured by Panalical.
The crystal state of the compact was measured at a voltage of 45 kV and a current of 40 mA.
The crystallite size of the catalyst was determined by the Scherrer equation shown below using the XRD peak of the Ir (111) plane.
D = K × λ / (β × cos θ)
(Where D is the diameter of the crystallite (angstrom), K is the Scherrer constant (1.15), λ is the wavelength of the X-ray tube used (1.54056 angstrom), β is the spread of the diffraction line depending on the diameter of the crystallite, θ Indicates a diffraction angle.)
(4) Differential thermogravimetric analysis Differential thermogravimetric analysis was performed using a TG-DTA2000S apparatus manufactured by Netch Japan.
Both the sample container and the reference container were made of alumina, the temperature increase rate was 10 ° C./min, and the atmosphere was analyzed with a nitrogen gas (N 2 ) stream of 100 ml / min.
(5) Determination of Ir The amount of Ir supported after catalyst preparation was analyzed by ICP (inductively coupled plasma method).
[実施例1] La添加θ型アルミナ成形体の製造
Ir担持触媒の担体として、Laを重量基準で、全量の3.5重量%添加したθ型アルミナの粉末を原料アルミナとして用いた。すなわち、La添加θ型アルミナ粉末中のAl、La、Oの重量比は、それぞれ、48.4重量%、3.5重量%、48.1重量%となる。
Example 1 Production of La-added θ-type Alumina Molded Body As a carrier of an Ir-supported catalyst, θ-type alumina powder added with 3.5% by weight of La based on the weight was used as raw material alumina. That is, the weight ratios of Al, La, and O in the La-added θ-type alumina powder are 48.4 wt%, 3.5 wt%, and 48.1 wt%, respectively.
原料アルミナを、平均の粒子径が1mm程度となるように加圧成形後、粉砕、分級した。成形された原料を、焼成炉にて、実施例2に示すように所定温度、所定時間加熱してLa添加θ型アルミナ成形体を得た。 The raw material alumina was pulverized and classified after pressure forming so that the average particle diameter was about 1 mm. The molded raw material was heated in a firing furnace at a predetermined temperature for a predetermined time as shown in Example 2 to obtain a La-added θ-type alumina molded body.
[実施例2] La添加θ型アルミナ成形体の製造とその耐熱性評価
実施例1において製造されたLa添加θ型アルミナ成形体の製造につき、焼成温度及び焼成時間と、BET比表面積、細孔容積及び細孔径分布との関係を検討し、表1、図2及び図3に示した。
図2において、横軸(X軸)は焼成温度(「℃」)、縦軸(Y軸)左側はBET比表面積(「m2/g」)で黒ひし形(◆)の折れ線にて示し、縦軸(Y軸)右側は細孔容積(「ml/g」)で黒四角(■)の折れ線にて示した。
図3において、細孔径分布の測定はPP(ポリプロピレン)を18重量%含有する条件で行ったものである。図中、横軸(X軸)は細孔径(「nm(ナノメーター)」)、縦軸(Y軸)は細孔容積の微分値(dV/d(log D)を示し、Vは細孔容積(「cc/g」)、Dは細孔径を示す)を示す。焼成条件は、図3(a)が1100℃で5時間、図3(b)が1200℃で5時間、図3(c)が1300℃で5時間焼成したものである。
Example 2 Production of La-added θ-type Alumina Molded Body and Evaluation of Heat Resistance Regarding the production of La-added θ-type alumina molded body produced in Example 1, firing temperature and firing time, BET specific surface area, pores The relationship between the volume and the pore size distribution was examined and shown in Table 1, FIG. 2 and FIG.
In FIG. 2, the horizontal axis (X axis) is the firing temperature (“° C.”), the left side of the vertical axis (Y axis) is the BET specific surface area (“m 2 / g”) and is shown by a black rhombus (♦) broken line, The right side of the vertical axis (Y axis) is the pore volume (“ml / g”) indicated by a black square (■) broken line.
In FIG. 3, the pore size distribution was measured under the condition of containing 18% by weight of PP (polypropylene). In the figure, the horizontal axis (X-axis) is the pore diameter (“nm (nanometer)”), the vertical axis (Y-axis) is the pore volume differential value (dV / d (log D), and V is the pore size. Volume (“cc / g”), D indicates pore diameter). The firing conditions are as shown in FIG. 3 (a) at 1100 ° C. for 5 hours, FIG. 3 (b) at 1200 ° C. for 5 hours, and FIG. 3 (c) at 1300 ° C. for 5 hours.
表1及び図2から分かるように、La添加θ型アルミナ成形体のBET比表面積及び細孔容積は、熱処理温度が高くなるとBET比表面積及び細孔容積は共にその減少量が大きくなり、1300℃で5時間の焼成条件ではBET比表面積は5m2/gまで低下した。 As can be seen from Table 1 and FIG. 2, the BET specific surface area and pore volume of the La-added θ-type alumina molded body increase both as the BET specific surface area and pore volume decrease as the heat treatment temperature increases. Under the baking conditions of 5 hours, the BET specific surface area decreased to 5 m 2 / g.
図2及び図3から分かるように、平均細孔径が20nm程度のミクロな細孔(図3(a)、図3(b)、図3(c)の各図において、左側の細孔径が小さい領域に示す。)の細孔径は、1200℃で5時間の焼成条件まではほぼ一定の細孔径を示したが、1300℃で5時間の焼成条件では細孔径は150nm程度まで増加することが確認された。一方で、細孔径が数μmのマクロな細孔(図3(a)、図3(b)、図3(c)の各図において、右側の細孔径が大きい領域に示す。)は、焼成温度が1300℃で5時間の焼成条件まで上昇しても細孔径の分布は保持された。これにより、ミクロな細孔の細孔径が増加することに伴い細孔容積は徐々に低下することが示された。
[実施例3] La添加θ型アルミナ成形体の耐熱性評価(X線回折測定)
実施例1および実施例2において製造されたLa添加θ型アルミナ成形体につき、粉末X線回折により測定し、その結果を図4に示す。
図4において、XRD回折測定ではPP(ポリプロピレン)を18重量%含有する条件で行ったものである。横軸(X軸)は回折角度(「°」)2θであり、縦軸(Y軸)は任意強度を示し、図中、白丸(○)はθ型アルミナに帰属するピークを、黒丸(●)はα型アルミナに帰属するピークを示し、焼成条件は、図4(a)が原料粉末、図4(b)が1000℃で1時間、図4(c)が1100℃で5時間、図4(d)が1200℃で5時間、図4(e)が1300℃で5時間焼成したものである。
[Example 3] Evaluation of heat resistance of La-added θ-type alumina molded body (X-ray diffraction measurement)
The La-added θ-type alumina molded bodies produced in Example 1 and Example 2 were measured by powder X-ray diffraction, and the results are shown in FIG.
In FIG. 4, the XRD diffraction measurement was performed under the condition containing 18% by weight of PP (polypropylene). The horizontal axis (X-axis) is the diffraction angle (“°”) 2θ, the vertical axis (Y-axis) indicates arbitrary intensity, and in the figure, the white circle (◯) indicates the peak attributed to θ-type alumina, and the black circle (● ) Shows a peak attributed to α-type alumina, and the firing conditions are as follows. FIG. 4 (a) is the raw material powder, FIG. 4 (b) is 1000 ° C. for 1 hour, and FIG. 4 (c) is 1100 ° C. for 5 hours. 4 (d) is fired at 1200 ° C. for 5 hours, and FIG. 4 (e) is fired at 1300 ° C. for 5 hours.
各焼成条件における結晶構造は、図4(b)および図4(c)の各図において示されるように、1100℃で5時間焼成までは図4(a)に示す原料粉末(La添加θ型アルミナ)と同じθ型であるが、図4(d)に示す1200℃で5時間焼成ではθ相とα相の混合相なり、図4(e)に示す1300℃で5時間焼成では完全にα相に転位していることが確認された。焼成温度の上昇によるアルミナ成形体の比表面積、細孔容積の低下は、アルミナのθ型からα型への相転位に起因すると考えられた。 As shown in FIGS. 4B and 4C, the crystal structure under each firing condition is the raw material powder (La-added θ-type) shown in FIG. 4A until firing at 1100 ° C. for 5 hours. It is the same θ type as alumina), but when it is fired at 1200 ° C. for 5 hours as shown in FIG. 4 (d), it becomes a mixed phase of θ phase and α phase, and when it is fired at 1300 ° C. for 5 hours as shown in FIG. It was confirmed that it was rearranged into the α phase. The decrease in the specific surface area and pore volume of the alumina molded body due to the increase in the firing temperature was thought to be due to the phase transition from the θ type to the α type of alumina.
以上の結果より、La添加θ型アルミナ原料粉末として成形、焼成することで、数μmのマクロな細孔と20nmのミクロな細孔を有し、100m2/g程度の表面積を持つ担体を調製できることが確認できた。また、この担体は、1200℃で5時間焼成という高温においても、焼成後すなわち熱処理後において40m2/g程度のBET比表面積を維持できることがわかった。よって、本担体を用いIrを担持させた触媒は、耐熱性が高く、HAN系推進薬向けスラスタの触媒として適している。 Based on the above results, a carrier having several μm macropores and 20 nm micropores and a surface area of about 100 m 2 / g is prepared by molding and firing as La-added θ-type alumina raw material powder. I was able to confirm that it was possible. It was also found that this support can maintain a BET specific surface area of about 40 m 2 / g after firing, that is, after heat treatment, even at a high temperature of firing at 1200 ° C. for 5 hours. Therefore, a catalyst in which Ir is supported using this support has high heat resistance and is suitable as a thruster catalyst for a HAN propellant.
[実施例4] Ir/La添加θ型アルミナ成形体の耐熱性評価(BET比表面積測定)
次に、活性金属であるIrを担持した触媒(Ir/La添加θ型アルミナ)の耐熱性を評価するために、触媒を高温で熱処理してBET比表面積の変化を測定した。
[Example 4] Evaluation of heat resistance of Ir / La-added θ-type alumina molded body (BET specific surface area measurement)
Next, in order to evaluate the heat resistance of a catalyst (Ir / La-added θ-type alumina) supporting Ir as an active metal, the catalyst was heat-treated at a high temperature, and the change in the BET specific surface area was measured.
担体であるLa添加θ型アルミナ成形体へのIrの担持は次のように行った。まず、塩化Ir酸水溶液(Ir濃度:0.064g―Ir/ml)を調製した。この塩化Ir酸水溶液に、分級した担体を浸漬し、エバポレーターにて減圧しながら3分間含浸させた。含浸後、Irが含浸されたLa添加θ型アルミナ成形体のサンプルを取り出し、減圧濾過を行い余剰の塩化Ir水溶液を除去した。その後、サンプルを乾燥器により乾燥した(100℃、30分)。次に電気炉中で触媒を仮焼(380℃、30分)した。触媒の含浸、乾燥、仮焼の処理を10回繰り返し、最終的に400℃(1時間)にてサンプルを焼成した。 Ir was supported on the La-added θ-type alumina molded body as a support as follows. First, a chlorinated Ir acid aqueous solution (Ir concentration: 0.064 g-Ir / ml) was prepared. The classified carrier was immersed in this aqueous solution of chlorinated Ir acid and impregnated for 3 minutes while reducing the pressure with an evaporator. After impregnation, a sample of the La-added θ-type alumina molded body impregnated with Ir was taken out and filtered under reduced pressure to remove excess Ir chloride aqueous solution. Thereafter, the sample was dried by a dryer (100 ° C., 30 minutes). Next, the catalyst was calcined (380 ° C., 30 minutes) in an electric furnace. The impregnation, drying, and calcination processes of the catalyst were repeated 10 times, and the sample was finally fired at 400 ° C. (1 hour).
焼成後のサンプル中には、原料に由来する塩素が残留しているため、この塩素を除去するために温水(50〜60℃)にてサンプルを洗浄した。洗浄量は、触媒1gに対しておおよそ0.5Lの温水とした。洗浄後のサンプルを乾燥し、その後、水素(H2)気流中で、500℃/1時間の条件で触媒を還元した。 Since chlorine derived from the raw material remains in the sample after firing, the sample was washed with warm water (50 to 60 ° C.) in order to remove this chlorine. The washing amount was approximately 0.5 L of warm water with respect to 1 g of the catalyst. The sample after washing was dried, and then the catalyst was reduced in a hydrogen (H 2 ) stream at 500 ° C./1 hour.
触媒調製後に、ICP(誘導結合プラズマ(Inductively coupled plasma)法)により分析したIrの担持量は、約40重量%であった。
図5に、合成したIr/La添加θ型アルミナ触媒と代表的なヒドラジン推進薬の分解触媒であるShell(登録商標)405触媒の比表面積と熱処理温度の関係を示した。Shell(登録商標)405触媒のBET比表面積は、1000℃の熱処理で14m2/gまで低下し、更に1100℃以上に熱処理温度を上げると10m2/g以下まで低下した。
図5において、横軸(X軸)は熱処理温度(「℃」)、縦軸(Y軸)はBET比表面積(「m2/g」)であり、黒四角(■)の折れ線はShell(登録商標)405触媒、黒三角(▲)の折れ線は合成したIr/La添加θ型アルミナ触媒によるデータを示す。
After the catalyst was prepared, the supported amount of Ir analyzed by ICP (Inductively coupled plasma method) was about 40% by weight.
FIG. 5 shows the relationship between the specific surface area of the synthesized Ir / La-added θ-type alumina catalyst and the Shell (registered trademark) 405 catalyst, which is a typical hydrazine propellant decomposition catalyst, and the heat treatment temperature. The BET specific surface area of Shell (registered trademark) 405 catalyst decreased to 14 m 2 / g by heat treatment at 1000 ° C., and further decreased to 10 m 2 / g or less by increasing the heat treatment temperature to 1100 ° C. or higher.
In FIG. 5, the horizontal axis (X axis) is the heat treatment temperature (“° C.”), the vertical axis (Y axis) is the BET specific surface area (“m 2 / g”), and the black square (■) polygonal line is Shell ( (Registered trademark) 405 catalyst, the black triangle (▲) polygonal line shows the data for the synthesized Ir / La-added θ-type alumina catalyst.
一方で、合成した触媒(図5中では「触媒B」と表記)は、熱処理温度1000℃では48m2/g、1100℃でも41m2/gと比較的高い比表面積を示すことが確認できた。更に1200℃以上まで熱処理を行うと10m2/g以下まで低下した。
以上の結果より、本発明によるIr/La添加θ型アルミナ触媒は、Shell(登録商標)405触媒に比べて高温でのBET比表面積が高いため、より高温まで触媒活性を維持できると考えられる。すなわち、HAN系推進薬向けのスラスタ触媒として適していることが確認できた。
On the other hand, it was confirmed that the synthesized catalyst (indicated as “catalyst B” in FIG. 5) had a relatively high specific surface area of 48 m 2 / g at a heat treatment temperature of 1000 ° C. and 41 m 2 / g even at 1100 ° C. . Furthermore, when it heat-processed to 1200 degreeC or more, it fell to 10 m < 2 > / g or less.
From the above results, it is considered that the Ir / La-added θ-type alumina catalyst according to the present invention has a higher BET specific surface area at a higher temperature than the Shell (registered trademark) 405 catalyst, so that the catalytic activity can be maintained up to a higher temperature. That is, it was confirmed that it was suitable as a thruster catalyst for HAN propellants.
[実施例5] 触媒反応試験(示差熱重量分析(TG−DTA分析))
以下に記載の担体A,B,Cは1000℃にて焼成した。また担体A,B,Cよりそれぞれ製造された触媒A,B,Cは、実施例4と同様にして、担体A,B,Cへそれぞれ、Irを含浸させ製造した。
また実施例5,6で用いたHAN系推進薬の組成は、HAN(硝酸ヒドロキシアンモニウム):HN(硝酸ヒドラジン):TEAN(トリエタノールアンモニウムナイトレート):水=46:23:6:25(重量%)とした。
図6に触媒反応試験を示す。
図6において、横軸(X軸)は時間(「分」)、縦軸(Y軸)左側は温度(「℃」)およびDTA(「μV(マイクロボルト)」)にて示し、縦軸(Y軸)右側はTG(「mg」)にて示し、図6(a)はHAN系推進薬、図6(b)はShell(登録商標)405(フレッシュ)、図6(c)は本発明に係る触媒A(担体A、フレッシュ)のTG−DTA分析の結果である。
図6(a)に、HAN系推進薬単独で行ったTG/DTA試験の結果を示す。図より約50℃〜100℃の間で徐々に重量減少し、その後、180℃付近より急激に重量減少を開始し、最終的に280℃付近で終了した。この結果より、HAN系推進薬が単独で分解終了する温度は、およそ280℃であることがわかった。
[Example 5] Catalytic reaction test (differential thermogravimetric analysis (TG-DTA analysis))
Carriers A, B, and C described below were fired at 1000 ° C. Catalysts A, B, and C produced from the carriers A, B, and C were produced in the same manner as in Example 4 by impregnating the carriers A, B, and C with Ir, respectively.
The compositions of the HAN propellants used in Examples 5 and 6 were HAN (hydroxyammonium nitrate): HN (hydrazine nitrate): TEAN (triethanolammonium nitrate): water = 46: 23: 6: 25 (weight) %).
FIG. 6 shows the catalytic reaction test.
In FIG. 6, the horizontal axis (X axis) is time (“minute”), the vertical axis (Y axis) is shown on the left side with temperature (“° C.”) and DTA (“μV (microvolt)”), and the vertical axis ( (Y axis) The right side is indicated by TG (“mg”), FIG. 6 (a) is a HAN propellant, FIG. 6 (b) is Shell (registered trademark) 405 (fresh), and FIG. 6 (c) is the present invention. It is the result of the TG-DTA analysis of the catalyst A (support A, fresh) according to the present invention.
FIG. 6 (a) shows the results of a TG / DTA test conducted with a HAN propellant alone. As shown in the figure, the weight gradually decreased between about 50 ° C. and 100 ° C., then started to decrease rapidly from around 180 ° C. and finally ended at around 280 ° C. From this result, it was found that the temperature at which decomposition of the HAN propellant alone ended was approximately 280 ° C.
図6(b)に、代表的なヒドラジン分解向けの商用触媒であるShell(登録商標)405触媒(フレッシュ)のTG/DTA測定結果を示す。反応は2段階で進行し、1段目は約79℃、2段目は約117℃で発熱ピークとともに急激に重量減少した。この結果は、Shell(登録商標)405触媒の存在下において、HAN系推進薬は単独の場合よりも低温で分解することを示した。 FIG. 6B shows a TG / DTA measurement result of Shell (registered trademark) 405 catalyst (fresh), which is a typical commercial catalyst for hydrazine decomposition. The reaction proceeded in two stages. The first stage was about 79 ° C., the second stage was about 117 ° C., and the weight decreased rapidly with an exothermic peak. This result showed that in the presence of Shell® 405 catalyst, the HAN propellant decomposes at a lower temperature than when it was alone.
図6(c)に、担体Aを用いて試作したIr触媒(触媒A)のTG/DTA測定結果を示す。発熱ピークは約109℃で、急激な重量減少を伴い反応は進行した。Shell(登録商標)405と異なり1段階で分解は終了した。 FIG. 6C shows a TG / DTA measurement result of an Ir catalyst (catalyst A) manufactured using the carrier A. The exothermic peak was about 109 ° C., and the reaction proceeded with rapid weight loss. Unlike Shell (registered trademark) 405, decomposition was completed in one stage.
以上の結果より、試作したIr触媒を用いることでHAN系推進薬が低温で分解できることが確認できた。 From the above results, it was confirmed that the HAN propellant can be decomposed at a low temperature by using the prototype Ir catalyst.
[実施例6] 簡易反応試験
TG/DTA測定の他に、一定温度に加熱した触媒表面に微量のHAN系推進薬を滴下し、分解挙動を観察した。アルミナ製の容器中に触媒(約10mg)を入れ、ホットスターラー上で150℃まで加熱した。触媒の温度を150℃で保持したまま、マイクロシリンジを用いてHAN系推進薬を滴下し、分解挙動を観察した。150℃でHAN系推進薬が分解しない場合は、スターラーの温度設定を上げて触媒を加熱し、HAN系推進薬が分解する挙動を観察した。温度は、アルミナ容器近傍に設置したシース型熱電対(K型)を用いて測定した。
[Example 6] Simple reaction test In addition to the TG / DTA measurement, a small amount of a HAN propellant was dropped onto the catalyst surface heated to a constant temperature, and the decomposition behavior was observed. The catalyst (about 10 mg) was placed in an alumina container and heated to 150 ° C. on a hot stirrer. While maintaining the temperature of the catalyst at 150 ° C., a HAN propellant was dropped using a microsyringe, and the decomposition behavior was observed. When the HAN propellant did not decompose at 150 ° C., the temperature of the stirrer was raised to heat the catalyst, and the behavior of the HAN propellant being decomposed was observed. The temperature was measured using a sheathed thermocouple (K type) installed in the vicinity of the alumina container.
(HAN系推進薬単独での分解挙動)
HAN系推進薬単独で試験した。HAN系推進薬は、150℃で滴下後、僅かに発泡するが分解はしなかった。温度を更に上げると、230℃位より発煙しながら発泡し、最終的に、茶色く変色しながら280℃付近で分解が終了した。実施例5のTG/DTAの結果からも、HAN系推進薬の分解終了温度は280℃程度であることが分かっており、本結果と良い整合性を示している。
(Decomposition behavior of HAN propellant alone)
HAN propellant alone was tested. The HAN propellant foamed slightly after dropping at 150 ° C., but did not decompose. When the temperature was further increased, the foaming started from about 230 ° C. while foaming, and finally the decomposition was completed at around 280 ° C. while changing the color to brown. Also from the TG / DTA result of Example 5, it is known that the decomposition end temperature of the HAN propellant is about 280 ° C., which shows good consistency with this result.
(Shell(登録商標)405触媒(フレッシュ)でのHAN系推進薬の分解試験)
Shell(登録商標)405触媒(フレッシュ)の場合、HAN系推進薬は、150℃で滴下後、直ちに激しく反応し、発火を伴い分解することが確認された。
(Decomposition test of HAN propellant with Shell (registered trademark) 405 catalyst (fresh))
In the case of Shell (registered trademark) 405 catalyst (fresh), it was confirmed that the HAN propellant reacted vigorously immediately after dropping at 150 ° C. and decomposed with ignition.
(触媒BおよびC(いずれもフレッシュ、還元済み)でのHAN系推進薬の分解試験)
それぞれ担体BおよびCを用いて試作したIrが担持された触媒BおよびCについても、HAN系推進薬分解試験を実施した。両触媒とも、試験には予め水素(H2)気流中、500℃にて還元処理したものを用いた。
(Decomposition test of HAN propellants with Catalysts B and C (both fresh and reduced))
The HAN-based propellant decomposition test was also carried out on the catalysts B and C on which Ir was made on trial using the carriers B and C, respectively. For both the catalysts, those previously reduced at 500 ° C. in a hydrogen (H 2 ) gas stream were used for the test.
触媒B(フレッシュ)において、HAN系推進薬を滴下直後に、激しく発泡と分解が始まり、極短時間で発火を伴って分解は終了した。
触媒C(フレッシュ、水素(H2)還元済み)においても、同様に、HAN系推進薬を滴下直後に、激しく発泡と反応が始まり、極短時間で発火を伴って分解は終了した。
In catalyst B (fresh), foaming and decomposition began vigorously immediately after the HAN propellant was dropped, and the decomposition was completed with ignition in a very short time.
Similarly, in the catalyst C (fresh, hydrogen (H 2 ) reduced), immediately after the HAN propellant was dropped, the foaming and reaction started vigorously, and the decomposition was completed with ignition in a very short time.
以上の結果より、試作したIrが担持された触媒は、HAN系推進薬を低温で効率良く分解できることを確認した。 From the above results, it was confirmed that the prototyped Ir-supported catalyst can efficiently decompose the HAN propellant at a low temperature.
[実施例7] Ir/La添加θ型アルミナ成形体の製造
活性金属であるIrを担持した触媒(Ir/La添加θ型アルミナ)の耐熱性を評価するために、触媒を高温で熱処理してBET比表面積及び結晶子径の変化を測定した。
[Example 7] Manufacture of Ir / La-added θ-type alumina molded body In order to evaluate the heat resistance of a catalyst carrying Ir, an active metal (Ir / La-added θ-type alumina), the catalyst was heat-treated at a high temperature. Changes in BET specific surface area and crystallite diameter were measured.
実施例1で得たLa添加θ型アルミナ成形体へのIrの担持は次のように行った。まず、塩化Ir酸水溶液(Ir濃度:0.064g―Ir/ml)を調製した。この塩化Ir酸水溶液に、分級した担体を浸漬し、エバポレーターにて減圧しながら10分間含浸させた。含浸後、Irが含浸されたLa添加θ型アルミナ成形体のサンプルを取り出し、減圧濾過を行い余剰の塩化Ir水溶液を除去した。その後、サンプルを乾燥器により乾燥した(100℃、30分)。次に電気炉中で触媒を仮焼(380℃、30分)した。触媒の含浸、乾燥、仮焼の処理をIr含浸量が触媒重量当たり20重量%(ICP(誘導結合プラズマ法)により分析)になるまで20〜40回程度繰り返し、最終的に400℃(1時間)にてサンプルを焼成した。 Ir was supported on the La-added θ-type alumina molded body obtained in Example 1 as follows. First, a chlorinated Ir acid aqueous solution (Ir concentration: 0.064 g-Ir / ml) was prepared. The classified carrier was immersed in this aqueous solution of Ir chloride chloride and impregnated for 10 minutes while reducing the pressure with an evaporator. After impregnation, a sample of the La-added θ-type alumina molded body impregnated with Ir was taken out and filtered under reduced pressure to remove excess Ir chloride aqueous solution. Thereafter, the sample was dried by a dryer (100 ° C., 30 minutes). Next, the catalyst was calcined (380 ° C., 30 minutes) in an electric furnace. The impregnation, drying, and calcination treatments of the catalyst are repeated about 20 to 40 times until the Ir impregnation amount is 20% by weight (analyzed by ICP (inductively coupled plasma method)) per catalyst weight, and finally 400 ° C. (1 hour) The sample was baked.
焼成後のサンプル中には、原料に由来する塩素が残留しているため、この塩素を除去するために温水(50〜60℃)にてサンプルを洗浄した。洗浄量は、触媒1gに対しておおよそ0.5Lの温水とした。洗浄後のサンプルを乾燥し、その後、水素(H2)気流中で、500℃/1時間の条件で触媒を還元した。 Since chlorine derived from the raw material remains in the sample after firing, the sample was washed with warm water (50 to 60 ° C.) in order to remove this chlorine. The washing amount was approximately 0.5 L of warm water with respect to 1 g of the catalyst. The sample after washing was dried, and then the catalyst was reduced in a hydrogen (H 2 ) stream at 500 ° C./1 hour.
Irを担持した触媒(Ir/γ型アルミナ)は、実施例1に記載の、La添加θ型アルミナ粉末の代わりにγ型アルミナ粉末を原料アルミナとして用いた以外は同じようにして製造した。 A catalyst supporting Ir (Ir / γ-type alumina) was produced in the same manner as described in Example 1, except that γ-type alumina powder was used as raw material alumina instead of La-added θ-type alumina powder.
試験に用いたShell(登録商標)405触媒は市販品をそのまま用いた。 As the Shell (registered trademark) 405 catalyst used in the test, a commercially available product was used as it was.
[実施例8] Ir/La添加θ型アルミナ触媒およびIr/γ型アルミナ触媒の耐熱性評価(BET比表面積)
実施例7において製造されたIr/La添加θ型アルミナ触媒およびIr/γ型アルミナ触媒につき、1000℃での熱処理時間とBET比表面積との関係を検討し、図7に示した。
[Example 8] Evaluation of heat resistance of Ir / La-added θ-type alumina catalyst and Ir / γ-type alumina catalyst (BET specific surface area)
Regarding the Ir / La-added θ-type alumina catalyst and Ir / γ-type alumina catalyst produced in Example 7, the relationship between the heat treatment time at 1000 ° C. and the BET specific surface area was examined and shown in FIG.
図7中、横軸(X軸)は熱処理時間(「時間」)、縦軸(Y軸)はBET比表面積(「m2/g」)を示す。Ir/La添加θ型アルミナ触媒(「Ir/θ-Al2O3」と表示)の結果を白三角(△)の折れ線にて、Ir/γ型アルミナ触媒(「Ir/γ-Al2O3」と表示)の結果を黒ひし形(◆)の折れ線にて示した。なお、Shell(登録商標)405触媒について熱処理しないフレッシュな場合のBET比表面積は約110m2/gであり、図7中、クロス(×)にて示した。 In FIG. 7, the horizontal axis (X axis) represents the heat treatment time (“time”), and the vertical axis (Y axis) represents the BET specific surface area (“m 2 / g”). The results of the Ir / La-added θ-type alumina catalyst (shown as “Ir / θ-Al 2 O 3 ”) are indicated by the white triangle (Δ) broken line, and the Ir / γ-type alumina catalyst (“Ir / γ-Al 2 O”) is displayed. The result of “ 3 ” is indicated by a polygonal black diamond (♦). Note that the Shell (registered trademark) 405 catalyst had a fresh BET specific surface area of about 110 m 2 / g when not heat-treated, and is indicated by a cross (×) in FIG.
図7から分かるように、Ir/La添加θ型アルミナ触媒およびIr/γ型アルミナ触媒のBET比表面積は、熱処理によりフレッシュ(処理が0時間)の場合よりも減少する。しかしながら、本発明によるIr/La添加θ型アルミナ触媒は熱処理時間が長くなっても80m2/g以上のBET比表面積を維持している。これに対しIr/γ型アルミナ触媒では熱処理時間が長くなるに従い減少し、100時間の熱処理では20m2/gを若干超える程度となっていた。このことは、本発明に係るIr/La添加θ型アルミナ触媒はIr/γ型アルミナ触媒よりも耐熱性があり、これはLa添加θ型アルミナを採用したことによるものである。 As can be seen from FIG. 7, the BET specific surface areas of the Ir / La-added θ-type alumina catalyst and the Ir / γ-type alumina catalyst are reduced by the heat treatment as compared with the case of fresh (treatment is 0 hour). However, the Ir / La-added θ-type alumina catalyst according to the present invention maintains a BET specific surface area of 80 m 2 / g or more even when the heat treatment time is increased. In contrast, the Ir / γ-type alumina catalyst decreased as the heat treatment time increased, and the heat treatment for 100 hours slightly exceeded 20 m 2 / g. This is because the Ir / La-added θ-type alumina catalyst according to the present invention has higher heat resistance than the Ir / γ-type alumina catalyst, which is due to the adoption of La-added θ-type alumina.
[実施例9] Ir/La添加θ型アルミナ触媒およびIr/γ型アルミナ触媒の耐熱性評価(結晶子径)
実施例7において製造されたIr/La添加θ型アルミナ触媒およびIr/γ型アルミナ触媒につき、1000℃での熱処理時間と結晶子径との関係を検討し、図8に示した。
[Example 9] Evaluation of heat resistance of Ir / La-added θ-type alumina catalyst and Ir / γ-type alumina catalyst (crystallite diameter)
Regarding the Ir / La-added θ-type alumina catalyst and Ir / γ-type alumina catalyst produced in Example 7, the relationship between the heat treatment time at 1000 ° C. and the crystallite diameter was examined and is shown in FIG.
図8中、横軸(X軸)は熱処理時間(「時間」)、縦軸(Y軸)は結晶子径(「オングストローム」)を示す。Ir/La添加θ型アルミナ触媒(「Ir/θ-Al2O3」と表示)の結果を白三角(△)の折れ線にて、Ir/γ型アルミナ触媒(「Ir/γ-Al2O3」と表示)の結果を黒ひし形(◆)の折れ線にて示した。 In FIG. 8, the horizontal axis (X axis) indicates the heat treatment time (“time”), and the vertical axis (Y axis) indicates the crystallite diameter (“angstrom”). The results of the Ir / La-added θ-type alumina catalyst (shown as “Ir / θ-Al 2 O 3 ”) are indicated by the white triangle (Δ) broken line, and the Ir / γ-type alumina catalyst (“Ir / γ-Al 2 O”) is displayed. The result of “ 3 ” is indicated by a polygonal black diamond (♦).
図8から分かるように、Ir/La添加θ型アルミナ触媒およびIr/γ型アルミナ触媒の結晶子径は、熱処理によりフレッシュ(処理が0時間)の場合よりも増加する。しかしながら、本発明によるIr/La添加θ型アルミナ触媒は熱処理時間が長くなっても500オングストローム程度の結晶子径を維持していた。これに対しIr/γ型アルミナ触媒では熱処理時間が長くなるに従い徐々に増加し、100時間の熱処理では700オングストローム程度にまで達した。このことは、本発明に係るIr/La添加θ型アルミナ触媒は結晶子径という結晶構造の観点からもIr/γ型アルミナ触媒よりも耐熱性があり、これはLa添加θ型アルミナを採用したことによるものである。 As can be seen from FIG. 8, the crystallite diameters of the Ir / La-added θ-type alumina catalyst and the Ir / γ-type alumina catalyst are increased by the heat treatment as compared with the case of fresh (treatment is 0 hour). However, the Ir / La-added θ-type alumina catalyst according to the present invention maintained a crystallite diameter of about 500 Å even when the heat treatment time was long. In contrast, the Ir / γ type alumina catalyst gradually increased as the heat treatment time increased, and reached about 700 angstroms in the heat treatment for 100 hours. This is because the Ir / La-added θ-type alumina catalyst according to the present invention is more heat-resistant than the Ir / γ-type alumina catalyst from the viewpoint of the crystal structure of crystallite diameter, and this employs La-added θ-type alumina. It is because.
[実施例10] 各種触媒を用いた推進薬分解試験
実施例7において製造されたIr/La添加θ型アルミナ触媒およびIr/γ型アルミナ触媒とShell(登録商標)405触媒を、図9に示す推進薬分解試験のためのバッチ式小型反応装置11を用い、各種触媒による反応開始温度をもとに評価した。
[Example 10] Propellant decomposition test using various catalysts The Ir / La-added θ-type alumina catalyst, Ir / γ-type alumina catalyst and Shell (registered trademark) 405 catalyst produced in Example 7 are shown in FIG. Using a batch type
図9に示すバッチ式小型反応装置による試験は次のように行なった。すなわち、恒温槽15には金属密閉容器16が備えられており、金属密閉容器16の中に各種の触媒と推進薬が保持されている。この熱電対19は金属密閉容器16内部用として備えられ、他方の熱電対18は恒温槽15用として備えられ、これらの熱電対18,熱電対19は、ケーブル21を介して制御手段(コンピュータ)12に接続されている。
The test by the batch type small reactor shown in FIG. 9 was performed as follows. That is, the
また金属密閉容器16は、金属密閉容器側の管22を介してバルブ14に接続され、バルブ14より圧力計側の管23を介して圧力計13に繋がっている。圧力計13は、ケーブル20を介して制御手段(コンピュータ)12に接続されている。なおバルブ14は、排気側の管24を介してガス等を外部へ排気する。
The metal
推進薬分解試験では、恒温槽15の温度を徐々に上昇させ、それと共に恒温槽15の内部の金属密閉容器16が、さらに金属密閉容器16の中の触媒と推進薬の温度も上昇する。これら、恒温槽15および金属密閉容器16の内部の温度は、恒温槽15用の熱電対18,金属密閉容器16内部用の熱電対19にて検知され、ケーブル(熱電対側)21を介して制御手段12へ送られ、記録される。また金属密閉容器16の内部に保持された触媒と推進薬の温度が上昇し、ある温度において推進薬が分解し、分解して発生したガスにより圧力が上昇する。この圧力は圧力計13により経時的に検知され、ケーブル(圧力計側)20を介して制御手段12へ送られ、記録される。
In the propellant decomposition test, the temperature of the
以上の操作を通じて、図10として恒温槽温度、触媒温度および圧力の経時変化が示された。 Through the above operation, FIG. 10 shows the time-dependent changes in the thermostat temperature, the catalyst temperature, and the pressure.
図10は、1000℃での熱処理をしていないフレッシュな各種触媒による推進薬分解試験の結果を示す。図10(a)ではIr/La添加θ型アルミナ触媒、図10(b)ではIr/γ型アルミナ触媒、図10(c)ではShell(登録商標)405触媒を用いた、推進薬分解試験の結果を示す。さらに図11として、Shell(登録商標)405触媒を大気中にて1000℃で1時間、20時間、40時間の熱処理したものを、それぞれ、図11(d)、図11(e)、図11(f)として示す。 FIG. 10 shows the results of a propellant decomposition test using various fresh catalysts that were not heat-treated at 1000 ° C. FIG. 10A shows a propellant decomposition test using an Ir / La-added θ-type alumina catalyst, FIG. 10B using an Ir / γ-type alumina catalyst, and FIG. 10C using a Shell® 405 catalyst. Results are shown. Further, as FIG. 11, Shell (registered trademark) 405 catalyst heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour, 20 hours, and 40 hours in the atmosphere is shown in FIGS. 11 (d), 11 (e), and 11, respectively. Shown as (f).
図10中、横軸(X軸)は経過時間(「秒」)、縦軸(Y軸)は温度(「℃」)であり、点線は恒温槽15に保持した熱電対(恒温槽側)18の示す温度、実線は金属密閉容器16内部に保持した熱電対19の示す温度(「温度(触媒)」と表示)、破線は圧力計13の示す圧力を表示している。
In FIG. 10, the horizontal axis (X axis) is the elapsed time (“second”), the vertical axis (Y axis) is the temperature (“° C.”), and the dotted line is the thermocouple held in the thermostat 15 (the thermostat side). The temperature indicated by 18 and the solid line indicate the temperature indicated by the
図10より分かるように、1000℃での熱処理をしていないフレッシュな触媒(図10(a)〜図10(c))では、いずれの触媒においても、圧力計13による圧力が示すように、推進薬が分解するとガスが発生して、約120℃において圧力が急激に上昇する。以降、この反応が開始し圧力が急激に上昇し始める温度を反応開始温度という。さらに反応開始温度付近においては、金属密閉容器16内部に保持した熱電対19の示す温度に極大点が認められる。これに対し、図11に示したShell(登録商標)405触媒を1000℃で1時間、20時間、40時間の熱処理したものによる推進薬分解試験の結果では、反応開始温度が、図11(d)では約130℃、図11(e)では約160℃、図11(f)では約170℃となっており、Shell(登録商標)405触媒は1000℃での熱処理により、反応開始温度が上昇すること、さらに上昇幅も熱処理時間に応じて高くなることが分かる。このことは、Shell(登録商標)405触媒は、1000℃での熱処理によりその構造が変化したため、推進薬分解反応開始がより高温になったものと解される。
As can be seen from FIG. 10, in the fresh catalyst not subjected to the heat treatment at 1000 ° C. (FIG. 10 (a) to FIG. 10 (c)), in any catalyst, as indicated by the pressure by the
図12は、以上の各種触媒を用いた推進薬分解試験の結果および、Ir/La添加θ型アルミナ触媒(「Ir/θ-Al2O3」と表示)とIr/γ型アルミナ触媒(「Ir/γ-Al2O3」と表示)については1000℃での熱処理時間による影響を示す結果(個別には図示せず)をまとめたものである。 FIG. 12 shows the results of the propellant decomposition test using various catalysts described above, and the Ir / La-added θ-type alumina catalyst (indicated as “Ir / θ-Al 2 O 3 ”) and the Ir / γ-type alumina catalyst (“ “Ir / γ-Al 2 O 3 ”) is a summary of results (not shown individually) showing the effect of heat treatment time at 1000 ° C.
図12から分かるように、Ir/La添加θ型アルミナ触媒では、1000℃での熱処理時間が0時間(フレッシュ)〜100時間にかけて、反応開始温度が、約120℃から若干上昇するものの、100時間の熱処理においても約150℃であり、あまり上昇しない。これに対し、Ir/γ型アルミナ触媒では、反応開始温度が、約120℃から経時的に上昇し、100時間の熱処理では約170℃に達した。さらに、Shell(登録商標)405触媒では、約120℃から経時的に上昇し、100時間の熱処理では180℃近くまでに達した。 As can be seen from FIG. 12, in the Ir / La-added θ-type alumina catalyst, although the heat treatment time at 1000 ° C. was 0 hours (fresh) to 100 hours, the reaction start temperature slightly increased from about 120 ° C., but 100 hours Also in the heat treatment, it is about 150 ° C. and does not rise so much. On the other hand, in the Ir / γ type alumina catalyst, the reaction start temperature increased from about 120 ° C. over time, and reached about 170 ° C. in the heat treatment for 100 hours. Furthermore, with Shell (registered trademark) 405 catalyst, the temperature increased from about 120 ° C. over time, and reached nearly 180 ° C. after 100 hours of heat treatment.
このことは、Ir/La添加θ型アルミナ触媒は耐熱性を有し、HAN分解反応の触媒活性を十分に維持できるのに対し、Ir/γ型アルミナ触媒およびShell(登録商標)405触媒では、Ir/La添加θ型アルミナ触媒ほどの耐熱性は有していないことを示すものである。特に、γ型アルミナに代えて、La添加θ型アルミナをもとに製造されたIr/La添加θ型アルミナ触媒に、上記で示すような耐熱性を有するという結果は驚くべきことである。 This is because the Ir / La-added θ-type alumina catalyst has heat resistance and can sufficiently maintain the catalytic activity of the HAN decomposition reaction, whereas the Ir / γ-type alumina catalyst and Shell (registered trademark) 405 catalyst This shows that the heat resistance is not as high as that of an Ir / La-added θ-type alumina catalyst. In particular, the result that the Ir / La-added θ-type alumina catalyst produced based on La-added θ-type alumina instead of γ-type alumina has the heat resistance as described above is surprising.
以上の結果より、本発明によるIr/La添加θ型アルミナ触媒は、Ir/γ型アルミナ触媒およびShell(登録商標)405触媒に比べ、高温においてBET比表面積、結晶子径等の構造上の安定性が高く、また高温まで触媒活性を維持できる。すなわち、HAN系推進薬向けのスラスタ触媒として適していることが確認できた。 From the above results, the Ir / La-added θ-type alumina catalyst according to the present invention has a structural stability such as a BET specific surface area and a crystallite diameter at a higher temperature than the Ir / γ-type alumina catalyst and Shell (registered trademark) 405 catalyst. The catalyst activity can be maintained up to a high temperature. That is, it was confirmed that it was suitable as a thruster catalyst for HAN propellants.
1 一液スラスタ
2 タンク
3 インジェクタ(ヒドラジン導入部)
3a 支持棒
3b フィードチューブ(インジェクタ)
4 触媒層
5 チャンバ
5A 触媒層収容部
5B 分解ガスチャンバ
6 ノズル
7 電磁弁
8 上流側メッシュ(メッシュ状の隔壁部)
9 下流側メッシュ(メッシュ状の隔壁部)
11 バッチ式小型反応装置
12 制御手段
13 圧力計
14 バルブ
15 恒温槽
16 金属密閉容器
17 触媒と推進薬
18 熱電対
19 熱電対
20 ケーブル
21 ケーブル
22 管
23 管
24 管
1 One-
4
9 Downstream mesh (mesh partition)
11 Batch type
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