JP2016163879A - 担持触媒の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、ナノ粒子としてRu粒子、Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子が担持体に担持された担持触媒を安全、かつ、簡便に量産でき、ナノ粒子の担持体への担持量を調整できる担持触媒の製造方法を提供することである。【解決手段】本発明に係る担持触媒の製造方法は、ナノ粒子としてRu粒子、Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子が担持体に担持された担持触媒の製造方法において、少なくとも、前記Ru粒子の合成原料となるRu化合物、前記Pd−Ru合金粒子の合成原料となるRu化合物及びPd化合物、前記Ag−Rh合金粒子の合成原料となるAg化合物及びRh化合物、又は、前記Au−Rh合金粒子の合成原料となるAu化合物及びRh化合物と、前記担持体と、炭素数が2以上の還元性をもつ有機溶媒と、を用いて前記ナノ粒子を合成するとともに、該ナノ粒子を前記担持体に担持させる工程1を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、ナノ粒子としてRu粒子、Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子が担持体に担持された担持触媒の製造方法に関する。
従来、化学反応触媒又は燃料電池などでは、カーボン系の担体にナノ粒子を担持した不均一系触媒が用いられている。また、ボイラー又は排ガスの浄化などでは、セラミックス系の担体にナノ粒子を担持した不均一系触媒が用いられている。不均一系触媒に用いるナノ粒子として(fcc)Ruナノ粒子が開示されている(例えば、特許文献1、又は非特許文献1を参照。)。また、Pd−Ru合金ナノ粒子が開示されている(例えば、特許文献2、非特許文献2を参照。)。非特許文献1又は2では、(fcc)Ruナノ粒子又はPd−Ru合金ナノ粒子を担体に担持して不均一系触媒として使用する場合、ナノ粒子を合成・精製した後に、得られたナノ粒子を担体に担持している。
WO2013/038674号公報 WO2014/045570号公報
J.Am.Chem.Soc.,2013,135(15),pp5493−5496 J.Am.Chem.Soc.,2014,136(5),pp1864−1871
従来、ナノ粒子の精製方法には、遠心分離法が用いられているが、使用する溶媒量に対して得られるナノ粒子が非常に少ない。また、遠心分離法でナノ粒子との親和性を調整するために用いられる溶媒は引火点の低いものが多く、大量に取り扱うことが不向きであった。このように、ナノ粒子を合成・精製後、得られたナノ粒子を担体に担持させる従来の方法は、多量のナノ粒子を安定、かつ、簡便に得ることができず、担持触媒の量産化は現実的ではなかった。
本発明の目的は、ナノ粒子としてRu粒子、Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子が担持体に担持された担持触媒を安全、かつ、簡便に量産でき、ナノ粒子の担持体への担持量を調整できる担持触媒の製造方法を提供することである。
本発明に係る担持触媒の製造方法は、ナノ粒子としてRu粒子、Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子が担持体に担持された担持触媒の製造方法において、少なくとも、前記Ru粒子の合成原料となるRu化合物、前記Pd−Ru合金粒子の合成原料となるRu化合物及びPd化合物、前記Ag−Rh合金粒子の合成原料となるAg化合物及びRh化合物、又は、前記Au−Rh合金粒子の合成原料となるAu化合物及びRh化合物と、前記担持体と、炭素数が2以上の還元性をもつ有機溶媒と、を用いて前記ナノ粒子を合成するとともに、該ナノ粒子を前記担持体に担持させる工程1を有することを特徴とする。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記ナノ粒子がRu粒子であり、前記工程1が、前記Ru化合物と、前記担持体と、前記有機溶媒と、を含有する混合物を作製した後に加熱する工程であることが好ましい。fcc構造を有するRu粒子を担持させた担持触媒を得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記Ru粒子は、fcc構造を有していることが好ましい。hcp構造を有するRu粒子を担持させた触媒と比較し、異なる触媒活性を得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記Ru化合物はRu有機化合物であることが好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記Ru有機化合物は、ジケトナート又はアセテートを含有する化合物であることが好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記Ru化合物はRu(acac)又は酢酸Ruであることが好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記ナノ粒子がPd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子、又は、Au−Rh合金粒子であり、前記工程1が、前記担持体と前記有機溶媒とを含有する混合物を加熱する工程1aと、(1)前記Pd化合物、前記Ru化合物及び純水、(2)前記Ag化合物、前記Rh化合物及び純水、又は、(3)前記Au化合物、前記Rh化合物及び純水を含有する混合物を作製する工程1bと、前記工程1aの前記混合物と前記工程1bの混合物とを混合する工程1cと、を有することが好ましい。固溶体を形成したPd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子、又は、Au−Rh合金粒子を担持させた担持触媒を得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子、又は、Au−Rh合金粒子は、固溶体を形成していることが好ましい。触媒活性のより高い担持触媒を得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記Ru化合物及び前記Pd化合物はRu塩化物及びPd塩化物であることが好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記Ag化合物及び前記Rh化合物はAg硝酸塩及びRh酢酸塩であることが好ましい。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記Au化合物及び前記Rh化合物はAu塩化物及びRh塩化物であることが好ましい。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記有機溶媒の沸点は100℃以上であることが好ましい。取り扱い性に優れる。また、担持触媒をより安全に得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記有機溶媒は、多価アルコール、ブタノール、イソブタノール、エトキシエタノール、ジメチルホルムアミド、キシレン、N−メチルピロリジノン、ジクロロベンゼン、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチルラクテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル及びポリエチレングリコールモノメチルエーテルの中から選ばれる1種以上であることが好ましい。担持触媒をより安全、かつ、より効率的に得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記多価アルコールは、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール及びブチレングリコールの中から選ばれる1種以上であることが好ましい。担持触媒をより安全、かつ、より効率的に得ることができる。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記担持体は、カーボン若しくはセラミックスのいずれか一方又は両方である形態を包含する。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記担持体は、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、カルシア、マグネシア、チタニア、セリア、ジルコニア、セリアジルコニア、ランタナ、ランタナアルミナ、酸化スズ、酸化タングステン、アルミノシリケート、アルミノホスフェート、ボロシリケート、リンタングステン酸、ヒドロキシアパタイト、ハイドロタルサイト、ペロブスカイト、コージェライト、ムライト、シリコンカーバイド、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンナノホーンの中から選ばれる1種以上である形態を包含する。
本発明に係る担持触媒の製造方法では、前記工程1において、高分子保護材を更に用いることが好ましい。ナノ粒子の粒子径を制御することができる。
本発明は、ナノ粒子としてRu粒子、Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子が担持体に担持された担持触媒を安全、かつ、簡便に量産でき、ナノ粒子の担持体への担持量を調整できる担持触媒の製造方法を提供することができる。
実施例1AのTEM像である。 実施例2AのTEM像である。 実施例1AのXRDパターンである。 実施例2AのXRDパターンである。 実施例1BのTEM像である。 実施例1BのXRDパターンである。 実施例1Bの昇温XRDパターンである。 実施例1BのSTEM像である。 実施例1BのEDSマッピングである。 実施例4BのSTEM像である。 実施例4BのEDSマッピングである。 実施例4BのTEM像である。 実施例5BのSTEM像である。 実施例5BのEDSマッピングである。 実施例5BのTEM像である。
次に本発明について実施形態を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。本発明の効果を奏する限り、実施形態は種々の変形をしてもよい。
本実施形態に係る担持触媒の製造方法は、ナノ粒子としてRu粒子、Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子が担持体に担持された担持触媒の製造方法において、少なくとも、Ru粒子の合成原料となるRu化合物、又は、Pd−Ru合金粒子の合成原料となるRu化合物及びPd化合物、Ag−Rh合金粒子の合成原料となるAg化合物及びRh化合物、又は、Au−Rh合金粒子の合成原料となるAu化合物及びRh化合物と、担持体と、炭素数が2以上の還元性をもつ有機溶媒と、を用いてナノ粒子を合成するとともに、ナノ粒子を担持体に担持させる工程1を有する。
本実施形態に係る担持触媒の製造方法は、ナノ粒子の合成とナノ粒子の担持体への担持とを同時に行う工程1が、例えば非特許文献1又は2に記載されたような従来の製造方法と異なる点である。ナノ粒子の合成とナノ粒子の担持体への担持とを同時に行うことで、従来の製造方法と比較して製造工程を少なくすることができる。さらに、従来の製造方法のように遠心分離法を用いる必要がない。このため、担持触媒を安全、かつ、簡便に量産できる。また、合成時の金属濃度を調節できるため、ナノ粒子の担持体への担持量を調整できる。本明細書において、ナノ粒子とは、平均粒子径が100nm以下の微細粒子をいう。ナノ粒子の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)によって得られた粒子像から少なくとも30個以上、より好ましくは100個以上の粒子の粒子径を計測し、その平均を求めることによって算出した値である。TEMの観察倍率は、特に限定されないが、例えば、80000倍、120000倍、150000倍又は200000倍であることが好ましい。ナノ粒子の平均粒子径の下限は、特に限定されないが、1nm以上であることが好ましく、0.5nm以上であることがより好ましい。
次に、工程1で用いる各物質について説明する。
(ナノ粒子の合成原料)
ナノ粒子がRu粒子であるとき、合成原料はRu化合物である。Ru化合物はRu有機化合物であることが好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。Ru有機化合物は、ジケトナート又はアセテートを含有する化合物であることが好ましい。ジケトナートを含有するRu有機化合物は、例えば、トリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)(以降、Ru(acac)という。)である。アセテートを含有するRu有機化合物は、例えば、酢酸ルテニウム(以降、酢酸Ruという。)である。
ナノ粒子がPd−Ru合金粒子であるとき、合成原料はRu化合物及びPd化合物である。Ru化合物は、例えば、Ru塩化物又はRu窒化物である。Pd化合物は、例えば、Pd塩化物又はPd窒化物である。このうち、Ru化合物及びPd化合物はRu塩化物及びPd塩化物であることが好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。Ru塩化物は、例えば、塩化ルテニウム(III)n水和物又は塩化ルテニウム(IV)n水和物である。また、Ru化合物として、ルテニウム酸ナトリウムを用いてもよい。Pd塩化物は、例えば、テトラクロロパラジウム酸カリウム(II)である。また、Pd化合物として、ジニトロジアンミンパラジウム(II)を用いてもよい。
ナノ粒子がAg−Rh合金粒子であるとき、合成原料はAg化合物及びRh化合物である。Ag化合物は、例えば、Ag硝酸塩又はAg酢酸塩である。Rh化合物は、例えば、Rh硫酸塩、Rh酢酸塩又はRh硝酸塩である。このうち、ナノ粒子の合成原料となる化合物は、Ag硝酸塩及びRh酢酸塩であることがより好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。
ナノ粒子がAu−Rh合金粒子であるとき、合成原料はAu化合物及びRh化合物である。Au化合物は、例えば、Au塩化物又はAu硝酸塩である。Rh化合物は、例えば、Rh塩化物、Rh酢酸塩又はRh硝酸塩である。このうち、ナノ粒子の合成原料となる化合物は、Au塩化物及びRh塩化物であることがより好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。Au塩化物は、例えば、テトラクロロ金(III)酸四水和物である。Rh塩化物は、例えば、塩化ロジウム(III)三水和物である。
(担持体)
担持体は、カーボン若しくはセラミックスのいずれか一方又は両方である形態を包含する。セラミックスは、例えば、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、カルシア、マグネシア、チタニア、セリア、ジルコニア、セリアジルコニア、ランタナ、ランタナアルミナ、酸化スズ、酸化タングステン、アルミノシリケート、アルミノホスフェート、ボロシリケート、リンタングステン酸、ヒドロキシアパタイト、ハイドロタルサイト、ペロブスカイト、コージェライト、ムライト又はシリコンカーバイドである。カーボンは、例えば、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ又はカーボンナノホーンである。本実施形態では、これらの担持体の中から1種だけを使用するか、又は2種以上を併用してもよい。2種以上を併用する場合は、セラミックスから2種以上を組合せて用いるか、カーボンから2種以上を組合せて用いるか、又はセラミックスから1種以上及びカーボンから1種以上を組合せて用いてもよい。より好ましくは、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、ジルコニア、活性炭及びカーボンブラックの中から選ばれる1種以上を用いる。
(有機溶媒)
有機溶媒は、炭素数が2以上であり、還元性をもつ。有機溶媒の炭素数は、4以上であることがより好ましい。有機溶媒の炭素数の上限は、特に限定されないが、常温において液体であることがより好ましい。
有機溶媒の沸点は100℃以上であることが好ましい。取り扱い性に優れる。また、担持触媒をより安全に得ることができる。有機溶媒の沸点は、160℃以上であることがより好ましい。有機溶媒の沸点の上限は、特に限定されないが、担持触媒から溶媒をより容易に除去できる点で、300℃以下であることが好ましく、290℃以下であることがより好ましい。
有機溶媒は、多価アルコール、ブタノール、イソブタノール、エトキシエタノール、ジメチルホルムアミド、キシレン、N−メチルピロリジノン、ジクロロベンゼン、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチルラクテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル及びポリエチレングリコールモノメチルエーテルの中から選ばれる1種以上であることが好ましい。担持触媒をより安全、かつ、より効率的に得ることができる。このうち、多価アルコールがより好ましい。
多価アルコールは、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール及びブチレングリコールの中から選ばれる1種以上であることが好ましい。このうち、トリエチレングリコールがより好ましい。担持触媒をより安全、かつ、より効率的に得ることができる。
(高分子保護材など)
工程1において、高分子保護材を更に用いてもよい。高分子保護材を用いることで、ナノ粒子の粒子径を制御することができる。高分子保護材は、例えば、ポリビニルピロリドン(PVP)である。
次に、工程1について、ナノ粒子がRu粒子である形態(第一実施形態)、及びナノ粒子がPd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子である形態(第二実施形態)に分けてそれぞれ説明する。
(第一実施形態)
第一実施形態に係る担持触媒の製造方法では、ナノ粒子がRu粒子であり、工程1が、Ru化合物と、担持体と、有機溶媒と、を含有する混合物を作製した後に加熱する工程であることが好ましい。
工程1では、まず、Ru化合物と、担持体と、有機溶媒と、を含有する混合物を作製する。混合物中のRu化合物の濃度は、125mM(mmol/l)以下であることが好ましく、100mM(mmol/l)以下であることがより好ましい。また、Ru化合物と担持体との割合は、担持触媒中のRu粒子の担持量が所定の範囲となるように調整する。担持触媒中のRu粒子の担持量は、0.001〜60質量%であることが好ましい。ここで、担持量は、乾燥状態の担持触媒の質量に対するナノ粒子の質量の割合であり、例えば高周波誘導結合プラズマ発光分光分析又は原子吸光分光光度分析で測定することができる。
混合物の作製にあたり、Ru化合物及び担持体を有機溶媒中に懸濁させた後、例えば超音波などの分散機を用いて分散させることが好ましい。本発明は、各物質の添加順は特に限定されない。
次いで、混合物を加熱する。加熱方法は、特に限定されず、例えば、オイルバス、マントルヒーター、ブロックヒーター若しくは熱媒循環式ジャケットなどの外部加熱方式、又はマイクロ波照射方式である。加熱温度は、100〜300℃であることが好ましく、180〜230℃であることがより好ましい。目的とする加熱温度に到達させるまでの昇温速度は、4℃/分以上であることが好ましく、6℃/分以上であることがより好ましい。昇温速度を所定の範囲とすることで、fcc構造を有するRu粒子を形成することができる。また、目的とする加熱温度で保持する時間は、使用する化合物の種類、混合物の液量又は加熱温度などに依存するが、例えば、10〜300分であることが好ましく、120〜240分であることがより好ましい。
第一実施形態の工程1では、Ru化合物が有機溶媒によって還元され、担持体の表面でRu粒子の核生成及び粒成長が起こる。そして、Ru粒子が担持体に担持された担持触媒が得られる。このRu粒子はfcc構造を有している。Ru粒子がfcc構造を有することで、hcp構造を有するRu粒子を担持させた触媒と比較し、異なる触媒活性を得ることができる。Ru粒子の結晶構造は、例えば、X線回折パターン(XRDパターン)によって確認できる。Ru粒子の平均粒子径は、30nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましい。Ru粒子の平均粒子径の下限は、特に限定されないが、1nm以上であることが好ましい。
工程1の後、担持触媒を溶媒から分離精製することが好ましい。担持触媒を分離精製する方法は、特に限定されないが、例えば、温度が下がった混合物をろ過し、洗浄・乾燥する方法である。
工程1において高分子保護材を用いる場合、高分子保護材は、混合物に含有させることが好ましい。工程1において高分子保護材を用いると、担持触媒の外表面に高分子保護材が存在する。一方、工程1において高分子保護材を用いなかった場合、担持触媒の外表面に高分子保護材が存在しない。また、ナノ粒子と担持体との間に高分子保護材が介在しないことが好ましい。担持触媒が高分子保護材を含有するか否かは、例えば、X線回折パターン(XRDパターン)によって確認できる。例えば高分子保護材がPVPであるとき、室温でλ=CuKαの測定条件で測定したXRDパターンにおいて、10°付近にPVP由来のパターンの有無によって確認することができる。
(第二実施形態)
第二実施形態に係る担持触媒の製造方法では、ナノ粒子がPd−Ru合金粒子であり、工程1が、担持体と有機溶媒とを含有する混合物を加熱する工程1aと、Pd化合物、Ru化合物及び純水を含有する混合物を作製する工程1bと、工程1aの混合物と工程1bの混合物とを混合する工程1cと有することが好ましい。
工程1aでは、まず、担持体と有機溶媒とを含有する混合物を作製する。混合物の作製にあたり、担持体を有機溶媒中に懸濁させた後、例えば超音波などの分散機を用いて分散させることが好ましい。
次いで、混合物を加熱する。加熱方法は、特に限定されず、例えば、オイルバス、マントルヒーター、ブロックヒーター若しくは熱媒循環式ジャケットなどの外部加熱方式、又はマイクロ波照射方式である。加熱温度は、100〜300℃であることが好ましく、180〜230℃であることがより好ましい。
工程1bでは、Pd化合物、Ru化合物及び純水を含有する混合物を作製する。混合物は、Pd化合物及びRu化合物が純水に溶解した溶液であるか、又はPd化合物及びRu化合物が純水に分散した分散液であってもよい。このうち、混合物は、Pd化合物及びRu化合物が純水に溶解した溶液であることがより好ましい。Pd化合物とRu化合物との割合は、得られるPd−Ru合金粒子においてRuとPdとの原子比が所定の範囲となるように調整する。Ru:Pdが原子比で0.1:0.9〜0.9:0.1の範囲であることが特に好ましい。合金の原子比は、例えば、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析又は原子吸光分光光度分析で測定することができる。
工程1cでは、工程1aの混合物を前記した加熱温度に保ちながら、工程1aの混合物と工程1bの混合物とを混合する。混合方法は、特に限定されないが、工程1aの混合物に、工程1bの混合物を噴霧する方法であることが好ましい。工程1cでは、工程1aの混合物と工程1bの混合物とを混合後、加熱状態を保持することが好ましい。混合液の全量を混合後、加熱状態を保持する時間は、5〜60分であることが好ましく、10〜30分であることがより好ましい。
Ru化合物及びPd化合物の合計量と担持体の量との割合は、担持触媒中のPd−Ru合金粒子の担持量が所定の範囲となるように調整する。担持触媒中のPd−Ru合金粒子の担持量は、0.001〜60質量%であることが好ましい。ここで、担持量は、乾燥状態の担持触媒の質量に対するナノ粒子の質量の割合であり、例えば高周波誘導結合プラズマ発光分光分析又は原子吸光分光光度分析で測定することができる。
第二実施形態の工程1では、Ru化合物及びPd化合物が有機溶媒によって還元され、担持体の表面でPd−Ru合金粒子の核生成及び粒成長が起こる。そして、Pd−Ru合金粒子が担持体に担持された担持触媒が得られる。溶解法ではPd−Ru合金粒子中のRu含有量が10〜90原子%ではPd−Ru合金の固溶体を形成しないが、本実施形態ではPd−Ru合金の固溶体を形成することができる。Pd−Ru合金粒子が固溶体を形成していることで、触媒活性がより高まる。より好ましくは、Pd−Ru合金粒子が固溶体の単相を形成している。Pd−Ru合金粒子の状態は、例えば、走査透過電子顕微鏡法(STEM)を用いたエネルギー分散型蛍光X線分析法(EDS)の元素マッピングによって確認できる。Pd−Ru合金粒子の平均粒子径は、30nm以下であることが好ましく、20nm以下であることがより好ましい。Pd−Ru合金粒子の平均粒子径の下限は、特に限定されないが、1nm以上であることが好ましい。
また、第二実施形態に係る担持触媒の製造方法では、ナノ粒子がAg−Rh合金粒子、であり、工程1が、担持体と有機溶媒とを含有する混合物を加熱する工程1aと、Ag化合物、Rh化合物及び純水を含有する混合物を作製する工程1bと、工程1aの混合物と工程1bの混合物とを混合する工程1cと、を有することが好ましい。各工程は、工程1bの混合物に混合させる材料がAg化合物及びRh化合物であること以外は、ナノ粒子がPd−Ru合金粒子である場合と基本的な作業は同じである。
Ag−Rh合金粒子の平均粒子径は、20nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましい。Ag−Rh合金粒子の平均粒子径の下限は、特に限定されないが、0.5nm以上であることが好ましい。
また、第二実施形態に係る担持触媒の製造方法では、ナノ粒子がAu−Rh合金粒子、であり、工程1が、担持体と有機溶媒とを含有する混合物を加熱する工程1aと、Au化合物、Rh化合物及び純水を含有する混合物を作製する工程1bと、工程1aの混合物と工程1bの混合物とを混合する工程1cと、を有することが好ましい。各工程は、工程1bの混合物に混合させる材料がAu化合物及びRh化合物であること以外は、ナノ粒子がPd−Ru合金粒子である場合と基本的な作業は同じである。
Au−Rh合金粒子の平均粒子径は、20nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましい。Au−Rh合金粒子の平均粒子径の下限は、特に限定されないが、0.5nm以上であることが好ましい。
工程1cの後、担持触媒を溶媒から分離精製することが好ましい。担持触媒を分離精製する方法は、特に限定されないが、例えば、温度が下がった混合物をろ過し、洗浄・乾燥する方法である。
工程1において高分子保護材を用いる場合、高分子保護材は、工程1aの混合物に含有させるか、工程1bの混合物に含有させるか、又は工程1aの混合物及び工程1bの混合物の両方に含有させてもよい。工程1において高分子保護材を用いた場合、担持触媒の外表面に高分子保護材が存在する。一方、工程1において高分子保護材を用いなかった場合、担持触媒の外表面に高分子保護材が存在しない。また、ナノ粒子と担持体との間に高分子保護材が介在しないことが好ましい。
以降、実施例を示しながら本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は実施例に限定して解釈されない。
(実施例1A)
フラスコにトリエチレングリコール(以下、TEG)を125mL投入した。トリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)(以下、Ru(acac))を1.9918g(5mmol)と活性炭(FAM−50、日本エンバイロケミカルズ社製)を4.5031gとを秤とり前記TEG中に添加し、超音波で30min分散して混合液を作製した。この混合液を6℃/分の昇温速度で200℃まで加熱し、200℃で3hr加熱撹拌し、その後冷却した。冷却した混合液を減圧ろ過し、固体成分(濾物)をエタノールで十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、担持触媒を得た。
(実施例2A)
フラスコにTEGを40mL投入した。Ru(acac)を1.9920g(5mmol)と活性炭(FAM−50)を4.5022gとを秤とり前記TEG中に添加し、超音波で30min分散して混合液を作製した。この混合液を6℃/分の昇温速度で200℃まで加熱し、200℃で3hr加熱撹拌し、その後冷却した。冷却した混合液を減圧ろ過し、固体成分(濾物)をエタノールで十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、担持触媒を得た。
(実施例3A)
フラスコにTEGを185mL投入した。Ru(acac)を5.9056g(14.8mmol)とケッチェンブラック(EC300J、ライオン社製)とを4.5022g秤とり前記TEG中に添加し、超音波で30minの間分散して混合液を作製した。この混合液を6℃/分の昇温速度で200℃まで加熱し、200℃で3hr加熱撹拌し、その後冷却した。冷却した混合液を減圧ろ過し、固体成分(濾物)をエタノールで十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、担持触媒を得た。
(実施例4A)
フラスコにTEGを125mL投入した。Ru(acac)を0.9869g(2.5mmol)と活性炭(FAM−50)を4.7496gとを秤とり前記TEG中に添加し、超音波で30minの間分散して混合液を作製した。この混合液を6℃/分の昇温速度で200℃まで加熱し、200℃で3hr加熱撹拌し、その後冷却した。遠心分離を用いて冷却後の混合液から固体成分を沈降させ上澄みを除去し、固体成分をエタノールで十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、担持触媒を得た。
(Ru粒子の平均粒子径)
実施例1A及び実施例2Aの担持触媒をTEMでそれぞれ倍率150000倍、200000倍で観察し、得られた粒子像から100個の粒子の粒子径を計測し、その平均を求め、Ru粒子の平均粒子径とした。図1に実施例1AのTEM像を、図2に実施例2AのTEM像を示す。実施例1Aの平均粒子径は3.34nm、実施例2Aの平均粒子径は3.14nmであった。また、図1及び図2から、凝集した粒子の存在は確認されなかった。
(結晶状態)
実施例1A及び実施例2Aの担持触媒について、XRD測定を行った。XRD測定条件は、室温でλ=CuKαである。図3に実施例1AのXRDパターンを、図4に実施例2AのXRDパターンを示す。図3において、Ruのパターンは(fcc)Ruのパターンを示しており、Ru粒子がfcc構造を有することが確認できた。図4において、Ruのパターンは(fcc)Ruのパターン及び(hcp)Ruのパターンを含むことが示されていた。
(実施例1B)
フラスコに純水を50mL投入した。塩化ルテニウム(III)n水和物(以下、RuCl・nHO)を0.1177gとテトラクロロパラジウム酸カリウム(II)(以下、KPdCl)を0.1635gとを秤とり前記純水に添加して溶解した水溶液を作製した。また、活性炭(FAM−50、日本エンバイロケミカルズ社製)を1.15g秤とりトリエチレングリコール(以下、TEG)100mL中に添加し、超音波で分散して混合液を作製した。この混合液を205℃に加熱し、混合液の温度が200℃以上を保持した条件で前記水溶液を霧状に添加した。水溶液の全量を添加終了後15min加熱保持し、その後冷却した。冷却後の混合液を減圧ろ過し、固体成分(濾物)をHO及びエタノールを用いて十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、目的のPd−Ru合金担持触媒を得た。
(実施例2B)
フラスコに純水を50mL投入した。RuCl・nHOを0.0582gとKPdClを0.0779gとを秤とり前記純水に添加して溶解した水溶液を作製した。また、活性炭(FAM−50)を0.959g秤とりTEG100mL中に添加し、超音波で分散して混合液を作製した。この混合液を205℃に加熱し、混合液の温度が200℃以上を保持した条件で前記水溶液を霧状に添加した。水溶液の全量を添加終了後15min加熱保持し、その後冷却した。遠心分離を用いて冷却後の混合液から固体成分を沈降させ上澄みを除去し、固体成分をHO及びエタノールを用いて十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、目的のPd−Ru合金担持触媒を得た。
(実施例3B)
フラスコに純水を50mL投入した。RuCl・nHOを0.3535gとKPdClを0.4917gとを秤とり前記純水に添加して溶解した水溶液を作製した。また、ケッチェンブラック(EC300J、ライオン社製)を0.7023g秤とりTEG100mL中に添加し、超音波で分散して混合液を作製した。この混合液を205℃に加熱し、混合液の温度が200℃以上を保持した条件で前記水溶液を霧状に添加した。水溶液の全量を添加終了後15min加熱保持し、その後冷却した。遠心分離を用いて冷却後の混合液から固体成分を沈降させ上澄みを除去し、固体成分をHO及びエタノールを用いて十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、目的のPd−Ru合金担持触媒を得た。
(Pd−Ru合金粒子の平均粒子径)
実施例1Bの担持触媒をTEMで倍率150000倍で観察し、得られた粒子像から100個の粒子の粒子径を計測し、その平均を求め、図5に実施例1BのTEM像を示す。実施例1Bの平均粒子径は、6.71nmであった。また、図5から、凝集した粒子の存在は確認されなかった。
(合金の状態)
実施例1Bの担持触媒について、XRD測定及び昇温XRD測定を行った。XRD測定条件は、室温でλ=CuKαである。昇温XRD測定条件は、室温、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃で、λ=0.58Åである。図6に実施例1BのXRDパターンを示す。図7に実施例1Bの昇温XRDパターンを示す。図6及び図7からPd−Ru合金ナノ粒子が合成されたことが確認できた。また、実施例1Bの担持触媒について、STEM測定を行った。図8に実施例1BのSTEM像を、図9に実施例1BのEDSマッピングを示す。図8からPd−Ru合金粒子が担持体上に形成されていることが確認できた。また、図9はPdとRuとの固溶限界を超えた混合比でPdとRuとが混合した粒子を形成していることを示しており、Pd−Ru合金が固溶体を形成していることが確認できた。図9では、元素マッピングをグレー階調に処理した画像を示したが、元素マッピングはグレー調に処理する前のカラー画像によって、より正確に表現される。
(実施例4B)
フラスコに純水40mL投入した。Ag(NO)を0.0852gとRh(CHCOOH)を0.1402gとを秤とり前記純水に添加して溶解した水溶液を作製した。また、アルミナ(Sasol North America社製)を5.2670g秤とりエチレングリコール(以下、EG)300mL中に添加し、超音波で分散して混合液を作製した。この混合液を180℃に加熱し、混合液の温度が175℃以上を保持した条件で前記水溶液を霧状に添加した。水溶液の全量を添加終了後10min加熱保持し、その後冷却した。遠心分離を用いて冷却後の混合液から固体成分を沈降させ上澄みを除去し、固体成分をHO及びエタノールを用いて十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、目的のAg−Rh合金担持触媒を得た。
(合金の状態)
実施例4Bの担持触媒について、STEM測定を行った。図10に実施例4BのSTEM像を、図11に実施例4BのEDSマッピングを示す。図10からAg−Rh合金粒子が担持体上に形成されていることが確認できた。また、図11はAgとRhとの固溶限界を超えた混合比でAgとRhとが混合した粒子を形成していることを示しており、Ag−Rh合金が固溶体を形成していることが確認できた。図11では、元素マッピングをグレー階調に処理した画像を示したが、元素マッピングはグレー調に処理する前のカラー画像によって、より正確に表現される。
(Ag−Rh合金粒子の粒子径)
実施例4Bの担持触媒をTEMで倍率120000倍で観察し、得られた粒子像から30個の粒子径を計測し、その平均を求め、図12に実施例4BのTEM像を示す。実施例4Bの平均粒子径は、8.11nmであった。また、図12から凝集した粒子の存在は確認されなかった。
(実施例5B)
フラスコに純水20mL投入した。HAuCl・4HOを0.0214gとRhCl・3HOを0.0144gとを秤とり前記純水に添加して溶解した水溶液を作製した。また、アルミナ(PURALOX SCFa140/L3 Sasol社製)を0.7301g秤とりEG200mL中に添加し、超音波で分散した混合液を作製した。この混合液を180℃に加熱し、混合液の温度が175℃以上を保持した条件で前記水溶液を霧状に添加した。水溶液の全量を添加終了後10min加熱保持し、その後冷却した。遠心分離を用いて冷却後の混合液から固体成分を沈降させ上澄みを除去し、固体成分をHO及びエタノールを用いて十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、目的のAu−Rh合金担持触媒を得た。
(合金の状態)
実施例5Bの担持触媒について、STEM測定を行った。図13に実施例5BのSTEM像を、図14に実施例5BのEDSマッピングを示す。図13からAu−Rh合金粒子が担持体上に形成されていることが確認できた。また、図14はAuとRhとの固溶限界を超えた混合比でAuとRhとが混合した粒子を形成していることを示しており、Au−Rh合金が固溶体を形成していることが確認できた。図14では、元素マッピングをグレー階調に処理した画像を示したが、元素マッピングはグレー調に処理する前のカラー画像によって、より正確に表現される。
(Au−Rh合金粒子の粒子径)
実施例5Bの担持触媒をTEMで倍率80000倍で観察し、得られた粒子像から30個の粒子径を計測し、その平均を求め、図15に実施例5BのTEM像を示す。実施例5Bの平均粒子径は、5.54nmであった。また、図15から凝集した粒子の存在は確認されなかった。

Claims (17)

  1. ナノ粒子としてRu粒子、Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子又はAu−Rh合金粒子が担持体に担持された担持触媒の製造方法において、
    少なくとも、前記Ru粒子の合成原料となるRu化合物、前記Pd−Ru合金粒子の合成原料となるRu化合物及びPd化合物、前記Ag−Rh合金粒子の合成原料となるAg化合物及びRh化合物、又は、前記Au−Rh合金粒子の合成原料となるAu化合物及びRh化合物と、前記担持体と、炭素数が2以上の還元性をもつ有機溶媒と、を用いて前記ナノ粒子を合成するとともに、該ナノ粒子を前記担持体に担持させる工程1を有することを特徴とする担持触媒の製造方法。
  2. 前記ナノ粒子がRu粒子であり、
    前記工程1が、前記Ru化合物と、前記担持体と、前記有機溶媒と、を含有する混合物を作製した後に加熱する工程であることを特徴とする請求項1に記載の担持触媒の製造方法。
  3. 前記Ru粒子は、fcc構造を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の担持触媒の製造方法。
  4. 前記Ru化合物はRu有機化合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の担持触媒の製造方法。
  5. 前記Ru有機化合物は、ジケトナート又はアセテートを含有する化合物であることを特徴とする請求項4に記載の担持触媒の製造方法。
  6. 前記Ru化合物はRu(acac)又は酢酸Ruであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の担持触媒の製造方法。
  7. 前記ナノ粒子がPd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子、又は、Au−Rh合金粒子であり、
    前記工程1が、前記担持体と前記有機溶媒とを含有する混合物を加熱する工程1aと、(1)前記Pd化合物、前記Ru化合物及び純水、(2)前記Ag化合物、前記Rh化合物及び純水、又は、(3)前記Au化合物、前記Rh化合物及び純水を含有する混合物を作製する工程1bと、前記工程1aの前記混合物と前記工程1bの混合物とを混合する工程1cと、を有することを特徴とする請求項1に記載の担持触媒の製造方法。
  8. 前記Pd−Ru合金粒子、Ag−Rh合金粒子、又は、Au−Rh合金粒子は、固溶体を形成していることを特徴とする請求項1又は7に記載の担持触媒の製造方法。
  9. 前記Ru化合物及び前記Pd化合物はRu塩化物及びPd塩化物であることを特徴とする請求項1、7又は8に記載の担持触媒の製造方法。
  10. 前記Ag化合物及び前記Rh化合物はAg硝酸塩及びRh酢酸塩であることを特徴とする請求項1、7又は8に記載の担持触媒の製造方法。
  11. 前記Au化合物及び前記Rh化合物はAu塩化物及びRh塩化物であることを特徴とする請求項1、7又は8に記載の担持触媒の製造方法。
  12. 前記有機溶媒の沸点は100℃以上あることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一つに記載の担持触媒の製造方法。
  13. 前記有機溶媒は、多価アルコール、ブタノール、イソブタノール、エトキシエタノール、ジメチルホルムアミド、キシレン、N−メチルピロリジノン、ジクロロベンゼン、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチルラクテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル及びポリエチレングリコールモノメチルエーテルの中から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一つに記載の担持触媒の製造方法。
  14. 前記多価アルコールは、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール及びブチレングリコールの中から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項13に記載の担持触媒の製造方法。
  15. 前記担持体は、カーボン若しくはセラミックスのいずれか一方又は両方であることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一つに記載の担持触媒の製造方法。
  16. 前記担持体は、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、カルシア、マグネシア、チタニア、セリア、ジルコニア、セリアジルコニア、ランタナ、ランタナアルミナ、酸化スズ、酸化タングステン、アルミノシリケート、アルミノホスフェート、ボロシリケート、リンタングステン酸、ヒドロキシアパタイト、ハイドロタルサイト、ペロブスカイト、コージェライト、ムライト、シリコンカーバイド、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンナノホーンの中から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1〜15のいずれか一つに記載の担持触媒の製造方法。
  17. 前記工程1において、高分子保護材を更に用いることを特徴とする請求項1〜16のいずれか一つに記載の担持触媒の製造方法。
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