JP2019030827A - パラジウム−ルテニウム複合微粒子を用いた触媒およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
<2> 前記前駆体溶液に含まれるパラジウム化合物のパラジウムと、ルテニウム化合物のルテニウムとの量比(パラジウム:ルテニウム)が、99:1〜1:99である前記<1>記載の触媒を製造する方法。
<3> 前記前駆体溶液の溶媒が、ケトン系溶媒、低級アルコール系溶媒、および芳香族炭化水素溶媒からなる群から選択される少なくとも1以上の溶媒である前記<1>または<2>記載の触媒を製造する方法。
<4> 前記前駆体溶液の溶媒が、アセトン、メチルエチルケトン、メタノール、エタノール、ベンゼン、トルエン、およびキシレンからなる群から選択される少なくとも1以上の溶媒である前記<3>記載の触媒を製造する方法。
<5> 前記パラジウム化合物が、パラジウムの塩化物塩、硝酸塩、アンモニウム塩、有機酸塩、および金属錯体からなる群から選択される少なくとも1以上の化合物である前記<1>〜<4>のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
<6> 前記ルテニウム化合物が、ルテニウムの塩化物塩、硝酸塩、アンモニウム塩、有機酸塩、および金属錯体からなる群から選択される少なくとも1以上の化合物である前記<1>〜<4>のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
<7> 前記含浸工程が、超臨界状態の高圧流体により含浸させるものである前記<1>〜<6>のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
<8> 前記高圧流体が、二酸化炭素である前記<7>記載の触媒を製造する方法。
<9> 前記多孔質体が、多孔性シリカ、多孔性配位高分子、ゼオライト、多孔性アルミナ、多孔性アルミナシリカ、多孔性ジルコニア、およびガリウム酸化物多孔質体からなる群から選択されるいずれかの多孔質体である前記<1>〜<8>のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
<10> 前記還元工程が、水素雰囲気下で100℃以上300℃以下に加熱する還元である前記<1>〜<9>のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
<12> 前記パラジウム−ルテニウム複合微粒子のパラジウムとルテニウムとの量比(パラジウム:ルテニウム)が、99:1〜1:99である前記<11>記載の触媒。
<13> 前記多孔質体が、多孔性シリカ、多孔性配位高分子、ゼオライト、多孔性アルミナ、多孔性アルミナシリカ、多孔性ジルコニア、およびガリウム酸化物多孔質体からなる群から選択される少なくとも1以上の多孔質体である前記<11>または前記<12>記載の触媒。
<14> SEM−EDXまたはHAADF−STEMで観察したとき、粒子径が200nmを超えるパラジウム−ルテニウム複合微粒子が、0.5個/μm2以下である前記<11>〜<13>のいずれかに記載の触媒。
また、本発明は、パラジウム−ルテニウム複合微粒子が多孔質体に分散担持された触媒に関する。
本発明に関するパラジウム−ルテニウム複合微粒子が多孔質体に分散担持された触媒は、一酸化炭素の酸化反応などに対する触媒活性が高い触媒である。本発明の製造方法によればパラジウム−ルテニウム複合微粒子が多孔質体の細孔内に分散担持される。これにより、優れた触媒活性を有する触媒を得ることができる。
さらに、その複合微粒子は、多孔質体の内部にまで分散担持され、多孔質体の細孔により比表面積が大きい優れた触媒活性を奏する触媒を得ることができることを見出した。本発明はこのような知見に基づく触媒およびその製造方法に関する。
本発明の触媒の製造方法は、パラジウム化合物およびルテニウム化合物を含有する前駆体溶液を調製する溶液調製工程を有する。本発明の前駆体溶液は、パラジウム化合物およびルテニウム化合物を含有する溶液である。なお、本願において溶液とは、溶質が溶媒に溶解したものに加えて、分散した懸濁液の状態も含む概念として溶液と呼ぶ。また、この溶液の溶解や分散に用いられる液体を溶媒と呼ぶ。
本発明に用いるパラジウム化合物は、パラジウムが前駆体溶液中に溶解する化合物である。このパラジウム化合物は、溶液中でその化合物をなしていた陰イオンや錯体が前駆体溶液の溶媒と共に乾燥することで除去しやすいものが好ましい。またパラジウム化合物は、本発明の触媒の製造方法における水素還元処理などの還元工程により金属パラジウムを生成可能なものが好ましい。
本発明に用いるルテニウム化合物は、ルテニウムが前駆体溶液中に溶解する化合物である。このルテニウム化合物は、溶液中でその化合物をなしていた陰イオンや錯体が前駆体溶液の溶媒と共に乾燥することで除去しやすいものが好ましい。またルテニウム化合物は、本発明の触媒の製造方法における水素還元処理などの還元工程により金属ルテニウムを生成可能なものが好ましい。
本発明の前駆体溶液の溶媒は、パラジウム化合物およびルテニウム化合物を溶解や分散させることができる溶媒を適宜用いることができる。この溶媒としては、ケトン系溶媒および、低級アルコール系溶媒、芳香族炭化水素溶媒からなる群から選択されるいずれかの溶媒が好ましく用いられる。本発明におけるケトン系溶媒の溶媒は、R-C(=O)-R´(R、R´は炭化水素からなる側鎖)の構造式で表される有機化合物のうち、20℃大気圧下で液体のものである。本発明における低級アルコール溶媒の溶媒は、炭素数1〜6の炭化水素の水素原子をヒドロキシ基(−OH)で置き換えた有機化合物のうち、20℃大気圧下で液体のものである。本発明における芳香族炭化水素の溶媒は、単環あるいは複数の環(縮合環)を有し構成される炭化水素のうち、20℃大気圧下で液体のものである。
本発明の前駆体溶液におけるパラジウム化合物及びルテニウム化合物の溶質濃度は、0.001g/L以上1.0g/L以下であることが好ましい。この溶質濃度は、前駆体溶液中の、パラジウム化合物とルテニウム化合物との総量としての濃度で設定する。このような溶質濃度の前駆体溶液を用いて製造することで、多孔質体に溶液中の金属イオンが侵入し微粒子を形成しやすく触媒活性に優れた触媒を得ることができる。この溶質濃度の下限は、0.005g/L以上がより好ましく、0.010g/L以上がより好ましい。この溶質濃度の上限は、0.5g/L以下がより好ましく、0.2g/L以下がより好ましい。
本発明の前駆体溶液におけるパラジウム化合物のパラジウムと、ルテニウム化合物のルテニウムとの量比(パラジウム:ルテニウム)は、99:1〜1:99であることが好ましい。この量比は、パラジウム(Pd)元素相当としてのモル量と、ルテニウム(Ru)元素相当としてのモル量との比で求められる。このような比率のパラジウムとルテニウムとを含むことで、パラジウム−ルテニウム複合微粒子としての触媒活性を示すことができる。また、この量比は本発明の触媒のパラジウム−ルテニウム複合微粒子中の量比としてもこの範囲であることが好ましい。
本発明の触媒の製造方法は、多孔質体と前駆体溶液を接触させ多孔質体に前駆体溶液を含浸させた前駆体含浸多孔質を得る含浸工程を有する。前駆体溶液を接触させることで、多孔質体にパラジウム元素と、ルテニウム元素とが溶媒中に溶解(分散)した状態で含浸される。この多孔質体内に含浸されたパラジウム元素とルテニウム元素とは、パラジウム元素とルテニウム元素とが前駆体溶液中の量比に基づいた比率で複合化した状態の微粒子サイズで分散される。
本発明の触媒の製造方法において、含浸工程は、超臨界状態の高圧流体により含浸させるものであることが好ましい。この超臨界流体とは、物質固有の臨界点を超えた流体のことであり、その臨界点を超えた圧力を加えても液化しない非凝縮性の気体である。超臨界状態の高圧流体を用いることで、多孔質体の内部にまで前駆体溶液が含浸されやすくなる。
本発明の触媒には多孔質体が用いられる。この多孔質体は、パラジウム−ルテニウム複合微粒子が担持される場となる細孔(メソポーラス孔等)を有するものである。本発明の触媒に用いられる多孔質体は、多孔性シリカ、多孔性配位高分子、ゼオライト、多孔性アルミナ、多孔性アルミナシリカ、多孔性ジルコニア、およびガリウム酸化物多孔質体からなる群から選択される少なくとも1以上の多孔質体であることが好ましい。また多孔質体には、各種金属元素等の酸化物や窒化物、酸窒化物の多孔質体を用いることもできる。この各種金属元素等としては、典型金属元素や、遷移金属元素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素を単独の元素または適宜組み合わせた元素のものを用いることができる。多孔質体は単独の材質の多孔質体でもよく、複数の材質の多孔質体を組み合わせて利用してもよい。このような多孔質体は、超臨界状態の高圧流体に接触してもその細孔を維持し、比表面積が大きい触媒に適した形状としやすい。
この多孔性シリカは、二酸化ケイ素(シリカ)のゲルを構成成分とするもので、網目状構造の貫通孔と骨格中の微細孔の二段階のポア構造を持つ無機多孔体素材である。この多孔性シリカは、一般的に貫通孔径は0.1〜50μm程度の範囲で制御され、細孔径は100nm以下程度の範囲で制御される。また多孔性シリカの主な物性は一般に、細孔容積は1.5cm3/g以下、比表面積は5〜800m2/g、空隙率はおよそ40〜95%、密度0.1〜0.6g/cm3である。また耐熱温度が大気圧下で800℃と優れている。一般的には界面活性剤を鋳型としたゾルゲル法により製造される。本発明においては、パラジウム−ルテニウム複合微粒子の担持性、本発明の触媒の製造工程における超臨界状態の高圧流体による処理前後の形状安定性、還元処理時の加熱温度への耐性等の観点から、多孔性シリカを多孔質体として好ましく用いることができる。
本発明の多孔質体には多孔性配位高分子を用いることができる。本発明に用いる多孔性配位高分子は、有機配位子と金属イオンからなる均一の細孔を持つ物質である。多孔性配位高分子は、例えば、多孔性配位高分子を溶媒中で合成する多孔性配位高分子の合成工程により合成することができる。
本発明の触媒の製造方法は、細孔維持された多孔性配位高分子を得る工程を有するものとしてもよい。この工程は、合成工程で合成される多孔性配位高分子を超臨界二酸化炭素により乾燥することで細孔維持された多孔性配位高分子を得る乾燥工程を有する。前述したような溶媒を用いた合成工程により得られる多孔性配位高分子は、合成直後は溶媒と共存状態にある。多孔性配位高分子に有効物質を含浸させるためには、この溶媒を取り除く必要がある。この溶媒を取り除くにあたり、溶媒除去後にも多孔性配位高分子が細孔を維持するように、本発明においては、超臨界流体である超臨界二酸化炭素により乾燥を行うことができる。
本発明の触媒の製造方法は、前駆体含浸多孔質を還元する還元工程を有する。この還元により、前駆体含浸多孔質の多孔質内部に分散担持されたパラジウム−ルテニウム複合微粒子は触媒活性を示すものとなり、本発明の触媒が得られる。
本発明の還元工程は、パラジウム−ルテニウム複合微粒子を還元することができる条件で適宜還元することができる。この還元においては、触媒活性に優れたものを得るための反応時間を考慮して加熱による処理を行なうことができる。
また、この加熱時の処理温度は高温とするほど還元が速やかに行われるため、100℃以上とすることが好ましい。この温度は、120℃以上や、150℃以上とすることもできる。一方で、温度が高すぎる場合、多孔質体が加熱により変形する恐れがあるため300℃以下とすることが好ましい。この温度は、280℃以下や、250℃以下とすることもできる。
本発明の触媒は、パラジウム−ルテニウム複合微粒子が多孔質体に分散担持された触媒である。この触媒は、パラジウムとルテニウムとの複合微粒子により、ロジウム様の触媒活性を示す。
本発明におけるパラジウム−ルテニウム複合微粒子とは、パラジウムとルテニウムとが原子サイズの大きさで複合化し合金化等した微粒子である。この複合化は、例えばHAADF−STEMのように元素を特定し観察できる分析手法により微粒子を観察した時、微粒子の1〜10nm程度の範囲にパラジウムとルテニウムとが共に確認できることをもって複合化していると判断できる。
[HAADF−STEM]:日本電子社製広電圧超高感度原子分解能電子顕微鏡「JEM−ARM200CF」を用いて、高角度散乱暗視野走査透過電子顕微鏡(HAADF−STEM)像の観察および元素マッピング、EDXスペクトルの取得を行った。
[TEM]:日本電子社製広電圧超高感度原子分解能電子顕微鏡「JEM−ARM200CF」を用いて、TEM観察を行った。TEM観察用の試料は、試料をエポキシ樹脂に包埋した後、Leica社製ウルトラミクロトームにて薄膜試料を作成して観察した。
CO:O2:He(体積比 2:20:78)の混合ガスを、触媒0.1g配置したガラスサンド(直径0.71〜0.99mm)25gを充填したステンレス管(直径3/4インチ、長さ8.5cm)に、100mL/分の流速で流通させ、触媒に接触した流出ガス中のCO濃度から、以下の計算を行いCO酸化による転換率(CO conversion)(%)を求めることで、触媒活性を評価した。なお、CO濃度は、ガスクロマトグラフ(島津製作所GC−8A)により決定した。
CO転換率=[(COの反応前のピーク面積)−(COの反応後のピーク面積)]/COの反応前のピーク面積
(金属化合物原料)
・パラジウム化合物
「Pd(OAc)2」:酢酸パラジウム(東京化成工業社製:純度>98%)
・ルテニウム化合物
「Ru(acac)3」:トリス(2,4−ペンタンジオナト)ルテニウム(III)(tris(2,4-pentanedionato)-ruthenium(III))(Aldrich社製:純度>97%)
「多孔性シリカ(1)」:株式会社エスエヌジー社製粒状モノリス(ゾルゲル法により調製したシリカモノリス、SEM観察により測定した貫通孔径ピーク2μm、窒素吸着法により観察した細孔径が2〜10nm(平均細孔4.4nm)、細孔容積0.64cm3・g-1、BET比表面積590m2・g-1)
「多孔性配位高分子(1)」:多孔性配位高分子MIL−101(Cr)
「MIL−101(Cr)」は、テレフタル酸と硝酸Crを原料として、水熱合成法により調製した。具体的には、水に対しテレフタル酸、硝酸クロム酸(III)、フッ化水素を用いて、水:テレフタル酸:硝酸クロム酸(III):フッ化水素を、200(36mL):1(996mg, 2.0mmol):1(2400mg,2.0mmol):1(1.2mL,2.0mmol)の比率でテフロン(登録商標)製容器に仕込んだ。
次に、耐圧のステンレスジャケットで密封し220℃の条件下で水熱条件下にて8時間反応させ合成した。これを60℃のエタノールに2時間つけ洗浄を3回繰り返し、さらにフッ化アンモニウム(1M)に24時間つけた。次に60℃の水に2時間つけ洗浄を3回繰り返し、減圧加熱処理によって乾燥を行なってMIL−101(Cr)を得た。
[実施例1]
Pd(OAc)2およびRu(acac)3を用いて、以下のように多孔性シリカ(1)に担持させた触媒(1)の製造を行った。
溶媒としてアセトンを用いて、「Pd(OAc)2」1g/L、および「Ru(acac)3」1g/Lを含む、溶質濃度2g/Lの前駆体溶液(1)を調製した。
前駆体溶液30mLと、多孔質体として乳鉢により粉砕(篩により20〜62μmに分級)した多孔性シリカ(1)0.3gを容積50cm3の耐圧容器に入れ、この容器に、超臨界状態の二酸化炭素を20MPa、50℃にて5mL/minにて注入し、24時間静置して、多孔質体への前駆体溶液の含浸処理を実施して、前駆体含浸多孔質体を得た。また、超臨界状態の二酸化炭素を十分な時間流通していることから、前駆体含浸多孔質体の前駆体溶液の溶媒も除去され乾燥された状態で得られた。
含浸・乾燥が完了し、耐圧容器の圧力・温度が常温・常温に戻った後、耐圧容器からパラジウム−ルテニウム複合微粒子が担持された前駆体含浸多孔質体(1)を得た。
前駆体含浸多孔質体(1)を水素雰囲気下(H2:He=50体積部:50体積部)で、200℃に加熱した状態で4時間静置し、前駆体含浸多孔質体(1)に担持されたパラジウム−ルテニウム複合微粒子を還元処理した。この還元処理を経て触媒(1)を得た。
図6において、「Pd+Ru」は本発明に係る触媒(1)であり、「Ru」はRu単独の触媒であり、「Pd」はPd単独の触媒であり、「Rh」はRh単独の触媒である。
実施例1に準じて、Pd(OAc)2およびRu(acac)3を用いて、多孔性配位高分子(1)にパラジウム−ルテニウム複合微粒子を担持させた触媒(2)の製造を行った。この触媒(2)は、多孔性シリカ(1)に代えて多孔性配位高分子(1)を用いた以外は、実施例1と同様に製造したものである。触媒(2)の評価結果の概要を以下に示す。
Claims (14)
- パラジウム化合物およびルテニウム化合物を含有する前駆体溶液を調製する溶液調製工程と、
多孔質体と前記前駆体溶液を接触させ前記多孔質体に前記前駆体溶液を含浸させた前駆体含浸多孔質を得る含浸工程と、
前記前駆体含浸多孔質を還元する還元工程とを有する
パラジウム−ルテニウム複合微粒子が担持された触媒を製造する方法。 - 前記前駆体溶液に含まれるパラジウム化合物のパラジウムと、ルテニウム化合物のルテニウムとの量比(パラジウム:ルテニウム)が、99:1〜1:99である請求項1記載の触媒を製造する方法。
- 前記前駆体溶液の溶媒が、ケトン系溶媒および、低級アルコール系溶媒、芳香族炭化水素溶媒からなる群から選択される少なくとも1以上の溶媒である請求項1または2記載の触媒を製造する方法。
- 前記前駆体溶液の溶媒が、アセトン、メチルエチルケトン、メタノール、エタノール、ベンゼン、トルエン、およびキシレンからなる群から選択される少なくとも1以上の溶媒である請求項3記載の触媒を製造する方法。
- 前記パラジウム化合物が、パラジウムの塩化物塩、硝酸塩、アンモニウム塩、有機酸塩、および金属錯体からなる群から選択される少なくとも1以上の化合物である請求項1〜4のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
- 前記ルテニウム化合物が、ルテニウムの塩化物塩、硝酸塩、アンモニウム塩、有機酸塩、および金属錯体からなる群から選択される少なくとも1以上の化合物である請求項1〜4のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
- 前記含浸工程が、超臨界状態の高圧流体により含浸させるものである請求項1〜6のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
- 前記高圧流体が、二酸化炭素である請求項7記載の触媒を製造する方法。
- 前記多孔質体が、多孔性シリカ、多孔性配位高分子、ゼオライト、多孔性アルミナ、多孔性アルミナシリカ、多孔性ジルコニア、およびガリウム酸化物多孔質体からなる群から選択される少なくとも1以上の多孔質体である請求項1〜8のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
- 前記還元工程が、水素雰囲気下、100℃以上300℃以下で行う還元である請求項1〜9のいずれかに記載の触媒を製造する方法。
- パラジウム−ルテニウム複合微粒子が多孔質体に分散担持された触媒。
- 前記パラジウム−ルテニウム複合微粒子のパラジウムとルテニウムとの量比(パラジウム:ルテニウム)が、99:1〜1:99である請求項11記載の触媒。
- 前記多孔質体が、多孔性シリカ、多孔性配位高分子、ゼオライト、多孔性アルミナ、多孔性アルミナシリカ、多孔性ジルコニア、およびガリウム酸化物多孔質体からなる群から選択される少なくとも1以上の多孔質体である請求項11または12記載の触媒。
- SEM−EDXまたはHAADF−STEMで観察したとき、粒子径が200nmを超えるパラジウム−ルテニウム複合微粒子が、0.5個/μm2以下である請求項11〜13のいずれかに記載の触媒。
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