JP2019166482A - Pd−Ruナノ複合粒子担持体、CO酸化触媒およびPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、Pdナノ粒子とRuナノ粒子とを、適正な微細析出形態で、担体上に担持することにより、高い活性を有するPd−Ruナノ複合粒子担持体等を提供する。を提供すること。【解決手段】本発明のPd−Ruナノ複合粒子担持体1は、担体2と、担体2上に、微細析出物として担持された複数のPdナノ粒子3と、Pdナノ粒子3の表面上に、Pdナノ粒子3よりも小さな粒子径をもつ超微細析出物として形成された複数のRuナノ粒子4とを有する。また、本発明のPd−Ruナノ複合粒子担持体1の製造方法は、担体2上に、Pd金属またはPd化合物からなる複数の第1ナノ粒子3Aを析出させる第1工程と、第1ナノ粒子3Aよりも小さな粒子径をもつ、Ru金属またはRu化合物からなる複数の第2ナノ粒子4Aを、第1ナノ粒子3Aの表面上に析出させる第2工程とを含む。【選択図】図1
Description
本発明は、Pd−Ruナノ複合粒子担持体、CO酸化触媒およびPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法に関する。
白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)などの貴金属は、高い触媒活性をもつことが知られており、排ガス処理用触媒や燃料電池の電極用触媒として利用されている。また、排ガス処理用触媒は、高温使用環境下だけではなく、エンジン始動時のような低温でも排ガス処理を可能にするため、低温使用環境下でも高い活性を有することが必要である。しかしながら、これらの貴金属は、いずれも高価であることから、できるだけ少ない使用量で触媒活性が得られることが望ましい。
また、平均粒子径が1μm未満、特に1〜100nmである粒子は、ナノ粒子と呼ばれ、特に、貴金属のナノ粒子は、例えば10μm以上の大きな平均粒子径をもつ一般的な貴金属粒子に比べて、比表面積が大きく、触媒活性が優れていることが知られている。また、2種類以上の金属からなる複合金属ナノ粒子は、それぞれの元素の性質を併せ持つだけではなく、新規な特性を発現することが期待されている。
例えば、特許文献1および非特許文献1には、粒径を制御するため、保護剤として機能するPVP(ポリ(N−ビニル−2−ピロリドン))を、還元剤および溶媒として機能するトリエチレングリコールに溶解させることによって溶液(1)を調製するとともに、テトラクロロパラジウム酸カリウム([K2PdCl4])と塩化ルテニウム([RuCl3・nH2O])を水に溶解させて調整した水溶液(2)を調製した上で、200℃に加熱した溶液(1)に水溶液(2)を噴霧することによって混合液を作製し、この混合液を、室温まで放冷させた後に遠心分離によって、平均粒径が10nm程度の合金微粒子を、混合溶液から分離して得る方法が開示されている。この製造方法によれば、従来の製法では、相分離して合金にはならないとされていたパラジウム(Pd)とルテニウム(Ru)を原子レベルで混ざった新規の合金ナノ粒子を製造することができ、かかるPd−Ru合金ナノ粒子は、一酸化炭素の転化率が50%に達するときの温度(T50)が、単一金属のPd粒子やRu粒子よりも低くなって、より低い温度での使用環境下でも高い触媒活性が得られるとしている。
しかしながら、特許文献1および非特許文献1の製造方法は、Pd−Ru合金粒子を合成する際に、溶液(1)の加熱や、溶液(1)に対する水溶液(2)の噴霧が必要であり、加えて、粒径を制御するための保護剤(PVP)も必要であるなど、合成プロセスが複雑であるという問題がある。
加えて、上記Pd−Ru合金粒子を触媒として使用する場合には、上記Pd−Ru合金粒子を水に投入した分散液に、アルミナ担体を加え、撹拌し、液をロータリーエバポレータに移し、減圧下で60℃に加熱、乾燥して粉体とし、粉砕した後に円盤状に成形し、破砕し、篩にかけることにより、アルミナ担体に担持された触媒として調製されるものであって、触媒製造プロセスも非常に複雑である。
また、担体上に金属微粒子を担持させる他の方法としては、例えば、含浸法が挙げられる。この方法は、金属塩の水溶液中に担体を含浸させ、その後、乾燥や焼成工程を経ることによって、担体上の金属塩を分解して金属微粒子担持体を作製する方法である。
含浸法は、Pdなどの単一金属の微粒子を析出させて担体上に担持する場合には適した方法であるが、PdとRuなどの2種以上の金属を析出させて複合金属ナノ粒子を担体上に担持する場合には、粒子径が大きくなる傾向があり、触媒活性を発現するために必要な比表面積を効果的に増加させることができないことから、例えば、粒子径が10nm以下の複合金属ナノ粒子の作製には適さない。また、含浸法で析出させたPdとRuは、一般には、金属同士で相分離して固溶体を形成することが難しい。さらに、含浸法で作製したPdとRuの複合金属粒子は、特許文献1で作製したPd−Ru合金粒子に比べて触媒活性が劣るという問題がある。
北川宏、"人工ロジウムの開発に成功 〜価格は1/3に、性能はロジウムを凌駕〜"、[online]平成26年1月22日、京都大学等、[平成30年3月5日検索]、インターネット<URL: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20140122/index.html>
本発明の目的は、Pdナノ粒子とRuナノ粒子とを、適正な微細析出形態で、担体上に担持することにより、高い活性を有するPd−Ruナノ複合粒子担持体を提供する。
また、本発明の別の目的は、Pdナノ粒子とRuナノ粒子の析出工程を、順次適正に行なうことにより、担体上に、適正な微細析出形態でPd−Ruナノ複合粒子を担持することができるPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法を提供する。
さらに、本発明の他の目的は、従来の含浸法で製造されたPd−Ru複合粒子に比べて、一酸化炭素の転化率が50%に達するときの温度(T50)が低くなって、より低い温度の使用環境下であっても、高い触媒活性が得られるCO酸化触媒を提供する。
上記課題を解決するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)担体と、該担体上に、微細析出物として担持された複数のPdナノ粒子と、該Pdナノ粒子の表面上に、前記Pdナノ粒子よりも小さな粒子径をもつ超微細析出物として形成された複数のRuナノ粒子とを有することを特徴とするPd−Ruナノ複合粒子担持体。
(2)Pdナノ粒子の平均粒子径が、100nm以下であり、Ruナノ粒子の平均粒子径が、10nm未満である上記(1)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。
(3)前記担体が、セラミックス、高分子材料または炭素材料である上記(1)または(2)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。
(4)前記担体が、アルミナ、シリカ、ジルコニアまたはゼオライトである上記(3)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体を用いたCO酸化触媒。
(6)担体上に、Pd金属またはPd化合物からなる複数の第1ナノ粒子を析出させる第1工程と、該第1ナノ粒子よりも小さな粒子径をもつ、Ru金属またはRu化合物からなる複数の第2ナノ粒子を、前記第1ナノ粒子の表面上に析出させる第2工程とを含むことを特徴とするPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。
(7)前記第1工程は、前記担体を、Pd化合物またはPdイオンを含む溶液で濡らした後に、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なうことを含む、上記(6)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。
(8)前記第2工程は、前記担体上に担持される前記第1ナノ粒子の表面を、Ru化合物またはRuイオンを含む溶液で濡らした状態で光を照射した後に、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なうことを含む、上記(6)または(7)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。
(1)担体と、該担体上に、微細析出物として担持された複数のPdナノ粒子と、該Pdナノ粒子の表面上に、前記Pdナノ粒子よりも小さな粒子径をもつ超微細析出物として形成された複数のRuナノ粒子とを有することを特徴とするPd−Ruナノ複合粒子担持体。
(2)Pdナノ粒子の平均粒子径が、100nm以下であり、Ruナノ粒子の平均粒子径が、10nm未満である上記(1)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。
(3)前記担体が、セラミックス、高分子材料または炭素材料である上記(1)または(2)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。
(4)前記担体が、アルミナ、シリカ、ジルコニアまたはゼオライトである上記(3)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体を用いたCO酸化触媒。
(6)担体上に、Pd金属またはPd化合物からなる複数の第1ナノ粒子を析出させる第1工程と、該第1ナノ粒子よりも小さな粒子径をもつ、Ru金属またはRu化合物からなる複数の第2ナノ粒子を、前記第1ナノ粒子の表面上に析出させる第2工程とを含むことを特徴とするPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。
(7)前記第1工程は、前記担体を、Pd化合物またはPdイオンを含む溶液で濡らした後に、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なうことを含む、上記(6)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。
(8)前記第2工程は、前記担体上に担持される前記第1ナノ粒子の表面を、Ru化合物またはRuイオンを含む溶液で濡らした状態で光を照射した後に、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なうことを含む、上記(6)または(7)に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。
本発明によれば、担体と、担体上に、微細析出物として担持された複数のPdナノ粒子と、Pdナノ粒子の表面上に、Pdナノ粒子よりも小さな粒子径をもつ超微細析出物として形成された複数のRuナノ粒子とを有することによって、従来の含浸法で製造されたPd−Ru複合粒子に比べて、粒子径が小さくなるとともに、Ruナノ粒子がPdナノ粒子の表面上に優先析出した、いわゆるタンデム型のPd−Ruナノ複合粒子の析出形態をとることから、Pdナノ粒子とRuナノ粒子の界面がPdナノ粒子の表面に多数存在し、これらのPdナノ粒子とRuナノ粒子の界面が活性点となる結果、高い活性をもつPd−Ruナノ複合粒子担持体の提供が可能になった。
なお、本発明のPd−Ruナノ複合粒子担持体をCO酸化触媒として用いれば、従来の含浸法で製造されたPd−Ru複合粒子に比べて、一酸化炭素の転化率が50%に達するときの温度(T50)が低くなり、その結果、より低い温度の使用環境下であっても、高い触媒活性が得られる。
さらに、本発明のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法は、担体上に、Pd金属またはPd化合物からなる複数の第1ナノ粒子を析出させる第1工程と、該第1ナノ粒子よりも小さな粒子径をもつRu金属またはRu化合物からなる複数の第2ナノ粒子を、前記第1ナノ粒子の表面上に析出させる第2工程とを別個に分けて順次行なうことによって、上述した高い活性をもつPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造を、複雑な製造プロセスを採用することなく、簡単な工程だけで行うことができる。
<Pd−Ruナノ複合粒子担持体>
次に、本発明に従うPd−Ruナノ複合粒子担持体の実施形態について図面を参照しながら以下で説明する。図1は、本実施形態のPd−Ruナノ複合粒子担持体の表面の一部だけを拡大して模式的に示したものである。
次に、本発明に従うPd−Ruナノ複合粒子担持体の実施形態について図面を参照しながら以下で説明する。図1は、本実施形態のPd−Ruナノ複合粒子担持体の表面の一部だけを拡大して模式的に示したものである。
図示した本実施形態のPd−Ruナノ複合粒子担持体1は、担体2と、担体2上に、微細析出物として担持された複数のPdナノ粒子3と、これら複数のPdナノ粒子3の各々の表面上に、Pdナノ粒子3よりも小さな粒子径をもつ超微細析出物として形成された複数のRuナノ粒子4とを有する。すなわち、Pd−Ruナノ複合粒子担持体1は、1個のPdナノ粒子3と複数個のRuナノ粒子4とで構成されたPd−Ruナノ複合粒子7の複数個が担体2上に担持された構造を有している。
Pd−Ruナノ複合粒子7は、Pdナノ粒子3を、担体2上に析出させるが、Ruナノ粒子4は、担体2上にはほとんど析出させずに、Pdナノ粒子3の表面上に優先析出させた、いわゆるタンデム型の析出形態(粒子上に粒子が析出する析出形態)を有している。このようなタンデム型の析出形態を有するPd−Ruナノ複合粒子7は、これまでには存在しなかった新規な構造を有するものである。
そして、本実施形態のPd−Ruナノ複合粒子担持体1は、新規なタンデム型の析出形態のPd−Ruナノ複合粒子7を有することによって、Pdナノ粒子3の表面上に多数存在する、Pdナノ粒子3とRuナノ粒子4との界面が活性点となる結果、高い活性を発現することができる。
Pdナノ粒子3の平均粒子径は、できるだけ小さくすること、好ましくは、100nm以下とすることが好ましく、より好ましくは20nm以下、さらに好ましくは10nm以下とする。Pdナノ粒子3の粒子径は、小さくするほど、担体2上に、より多くのPdナノ粒子3を析出(担持)させることが可能になり、それに伴って、Ruナノ粒子4の析出が可能なPdナノ粒子3の総表面積も増加する結果、活性点となるPdナノ粒子3とRuナノ粒子4との界面の存在個数(または延在長さの合計)も増加するからである。なお、Pdナノ粒子3の平均粒子径の下限値は、Pdナノ粒子3が小さすぎると、Pdナノ粒子3の表面上にRuナノ粒子4が析出し難くなって、活性点となる、Pdナノ粒子3とRuナノ粒子4とで形成される界面の存在個数(または延在長さの合計)が不足する傾向があることから、3nm以上とすることが好ましい。
Ruナノ粒子4の平均粒子径は、Pdナノ粒子3の表面上に、多くのRuナノ粒子4を析出させることが、Pdナノ粒子3とRuナノ粒子4とで形成される界面の存在個数を増加させることになるため、できるだけ小さくすること、具体的には10nm以下とすることが好ましく、より好ましくは5nm以下、さらに好ましくは1nm以下とする。
なお、ここでいう「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Pd−Ruナノ複合粒子担持体1を撮像した写真から、Pd−Ruナノ複合粒子7を構成する各ナノ粒子3、4ごとに、少なくとも100個以上の粒子径を測定し、測定した粒子径から算出した平均値である。TEMの観察倍率は、特に限定はしないが、例えば、100000倍〜500000倍の範囲とすることが好ましい。
なお、ここでいう「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Pd−Ruナノ複合粒子担持体1を撮像した写真から、Pd−Ruナノ複合粒子7を構成する各ナノ粒子3、4ごとに、少なくとも100個以上の粒子径を測定し、測定した粒子径から算出した平均値である。TEMの観察倍率は、特に限定はしないが、例えば、100000倍〜500000倍の範囲とすることが好ましい。
加えて、本発明でいう「微細析出物」とは、例えば、平均粒径が100nm以下の析出物をいい、また、「超微細析出物」とは、微細析出物よりも小さな粒子径をもち、かつ例えば、平均粒径が10nm以下の析出物をいうこととする。
Pd−Ruナノ複合粒子担持体1は、Pdナノ粒子3の質量割合が0.1〜10.00質量%であることが好ましく、Ruナノ粒子4の質量割合が0.01〜5.00質量%であることが好ましい。また、Pdナノ粒子3とRuナノ粒子4の存在割合は、質量比で5:1〜1:2の範囲であることが好ましい。
Pd−Ruナノ複合粒子担持体1は、Pdナノ粒子3の質量割合が0.1〜10.00質量%であることが好ましく、Ruナノ粒子4の質量割合が0.01〜5.00質量%であることが好ましい。また、Pdナノ粒子3とRuナノ粒子4の存在割合は、質量比で5:1〜1:2の範囲であることが好ましい。
担体2は、Pdナノ粒子3を担持(析出)できる表面性状を有していればよく、特に限定はないが、例えば、より多くのPdナノ粒子3を担持できるようにする点で、比表面積が大きくなる多孔質体を用いることが好ましい。また、担体2の形状は、Pd−Ruナノ複合粒子7を担持できる形状であればよく、粒状、板状、ハニカム状など種々の形状が挙げられる。さらに、担体2は、使用用途や製造条件にもよるが、200℃以上の耐熱性を有していることがより好ましい。
担体2の材質としては、例えば、セラミックス材料、高分子材料、炭素材料などが挙げられる。
セラミックス材料としては、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(ゼオライト)、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が挙げられる。
高分子材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン、プラスチック、ゴム、化学繊維が挙げられる。
炭素材料としては、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が挙げられる。本実施形態では、これらの担体2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。
<CO酸化触媒>
本発明のPd−Ruナノ複合粒子担持体1は、CO酸化触媒として用いれば、従来の含浸法で製造されたPd−Ru複合粒子に比べて、一酸化炭素の転化率が50%に達するときの温度(T50)が低くなるため、より低い温度の使用環境下であったとしても、高い触媒活性を発現することができる。
本発明のPd−Ruナノ複合粒子担持体1は、CO酸化触媒として用いれば、従来の含浸法で製造されたPd−Ru複合粒子に比べて、一酸化炭素の転化率が50%に達するときの温度(T50)が低くなるため、より低い温度の使用環境下であったとしても、高い触媒活性を発現することができる。
<Pd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法>
次に、本発明に従うPd−Ruナノ複合粒子担持体1の代表的な製造方法の例を説明する。
本発明のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法は、担体上に、Pd金属またはPd化合物からなる複数の第1ナノ粒子を析出させる第1工程と、第1ナノ粒子よりも小さな粒子径をもつRu金属またはRu化合物からなる複数の第2ナノ粒子を、第1ナノ粒子の表面上に析出させる第2工程とで主に構成されている。
次に、本発明に従うPd−Ruナノ複合粒子担持体1の代表的な製造方法の例を説明する。
本発明のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法は、担体上に、Pd金属またはPd化合物からなる複数の第1ナノ粒子を析出させる第1工程と、第1ナノ粒子よりも小さな粒子径をもつRu金属またはRu化合物からなる複数の第2ナノ粒子を、第1ナノ粒子の表面上に析出させる第2工程とで主に構成されている。
第1工程は、担体上に複数の第1ナノ粒子を析出させる工程であって、担体の表面を、Pd化合物またはPdイオンを含有する溶液(以下、単に「Pd含有溶液」という。)で濡らした後に、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なう工程を含んでいる。
図2は、本実施形態のPd−Ruナノ複合粒子担持体1の製造方法を示したフロー図である。図2に示す第1工程は、担体2をPd含有溶液中に浸漬または担体2の表面にPd含有溶液を塗布して、担体2にPd含有溶液を含浸させる工程(Pd含浸工程S1)と、担体2に含浸させたPd含有溶液中のPd成分を、例えば酸化パラジウムの第1ナノ粒子3Aの形で担体2上に析出させるために、乾燥や焼成を行なう工程(乾燥・焼成工程S2)とで構成されている。
Pd含有溶液としては、Pd化合物またはPdイオンを含有する溶液であればよく、特に限定はしないが、例えばテトラクロロパラジウム酸アンモニウム水溶液、硝酸パラジウム水溶液等が挙げられる。また、Pd含有溶液の溶媒は、水だけには限定されず、有機溶媒を用いることもできる。また、第1工程は、Pd含浸工程S1に代えて、共沈法を用いたPd共沈工程に変更することもできる。
乾燥・焼成工程S2は、乾燥や焼成の処理雰囲気については特に限定する必要はなく、例えば、空気中で行なうことができる。また、乾燥温度は50〜100℃の範囲とし、焼成温度は150〜550℃の範囲とすることが好ましい。加えて、乾燥工程を行なわずに焼成工程だけを行なってもよい。
第2工程は、第1ナノ粒子3Aよりも小さな粒子径をもつ、Ru金属またはRu化合物からなる複数の第2ナノ粒子4Aを、第1ナノ粒子3Aの表面上に析出させる工程であって、担体2上に担持される第1ナノ粒子3Aの表面を、Ru化合物またはRuイオンを含有する溶液(以下、単に「Ru含有溶液」という。)で濡らした状態で光を照射した後に、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なう工程を含んでいる。
図2に示す第2工程は、第1工程を行なった後の担体2を、Ru含有溶液中に入れて、好適には撹拌等により分散させた状態で光を照射する工程(Ru含有溶液中での光照射工程S3)と、遠心分離することによって、生成したPd−Ruナノ複合粒子担持体1の前駆体1Aを、Ru含有溶液から分離する工程(遠心分離工程S4)と、担体2上のナノ複合粒子7の前駆体7A(第1ナノ粒子3Aおよび第2ナノ粒子4A)をPd−Ruナノ複合粒子7に還元等の処理を行うため、乾燥や焼成を行なう工程(乾燥・焼成工程S5)とで構成されている。
本発明では、特に、Ru含有溶液中での光照射工程S3を行なうことによって、担体2に担持されている、Pd金属またはPd化合物からなる複数の第1ナノ粒子3Aの表面上で、光照射に起因したプラズモン共鳴を生じさせ、Ru含有溶液中のRuイオンまたはRu化合物から、Ru金属、あるいは水酸化ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどのRu化合物からなる第2ナノ粒子4Aが、第1ナノ粒子3Aの表面上に生成し、その後、乾燥・焼成工程S5を行なうことによって、担体2上に担持されている第1ナノ粒子3Aと、第1ナノ粒子3Aの表面上に生成した第2ナノ粒子4Aとが、それぞれ、結果として、Pd金属とRu金属になり、それによって、担体2上にPd−Ruナノ複合粒子7を担持したPd−Ruナノ複合粒子担持体1を製造することができる。このとき、Pd−Ruナノ複合粒子7を構成するPdナノ粒子3とRu粒子4の界面が活性点となっているものと考えられる。
Ru含有溶液としては、Ru化合物またはRuイオンを含有する溶液であればよく、特に限定はしないが、例えばルテニウムアセチルアセトナート水溶液、塩化ルテニウム水溶液等が挙げられ、特にルテニウムアセチルアセトナート水溶液を用いることが好ましい。なお、Ru含有溶液として、ルテニウムアセチルアセトナート水溶液を用いる場合には、Ru成分が、ルテニウムアセチルアセトナート水溶液中では錯体(錯イオン)の形で存在しているため、光を照射しても、Ru金属や、水酸化ルテニウムや酸化ルテニウム等の金属化合物が生成しにくいことから、少量の過酸化水素を添加して、Ru錯イオンの形を壊すことが、Ru金属またはRu化合物の生成を促進する点で好ましい。また、Ru含有溶液の溶媒は、水だけには限定されず、有機溶媒を用いることもできる。
Ru含有溶液中での光照射工程S3において、照射する光としては、第1ナノ粒子3Aの表面上で生じるプラズモンの光吸収率は、紫外光(波長域:225〜400nm)が最も高く、そこから高波長側(可視光域)に向かうにつれてなだらかに低下していくことから、紫外光を含む光を用いることが、光照射時間を短くできる点で好ましいが、可視光(波長:400〜780nm)だけであっても、プラズモンの光吸収は生じることから、本発明では、紫外光領域から可視光領域までの波長範囲の光を照射できることが好ましい。照射する光の好適な波長域は、例えば225〜600nmの範囲である。
光源としては、例えば水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、LEDなどが挙げられ、特に、超高圧水銀ランプを用いることが好ましい。光の照射強度としては、5mW/cm2以上であることが、照射時間を短時間(例えば30分以内)にできる点で好ましい。
遠心分離工程S4は、Ru含有溶液から、Pd−Ruナノ複合粒子担持体1またはその前駆体1Aを分離して回収する工程であって、公知の遠心分離装置を用いて行うことができる。
乾燥・焼成工程S5は、担体2に担持されている、Pdナノ粒子3または第1ナノ粒子3Aと、Ruナノ粒子4または第2ナノ粒子4Aを、それぞれ、金属である、Pdナノ粒子3とRuナノ粒子4の状態に揃えるための処理であって、乾燥・焼成工程S5では、乾燥・焼成工程S5を行なう前の状態が、第1ナノ粒子3Aおよび第2ナノ粒子4Aの一部または全部が金属の状態になっていない場合には、第1ナノ粒子3Aおよび第2ナノ粒子4Aを金属に還元するため、水素ガス雰囲気中にて150〜500℃、1〜5時間の条件で焼成工程を行なうことが好ましい。
また、乾燥・焼成工程S5を行なう前に、担体上に、既に金属の状態である、Pdナノ粒子3とRuナノ粒子4が生成されていて、還元処理を行う必要がない場合には、大気中で乾燥や焼成を行なってもよい。また、乾燥工程を省略し、焼成工程のみを行うこともできる。乾燥温度は、例えば50〜100℃範囲、焼成は、例えば焼成温度が150〜500℃の範囲、焼成時間が1〜5時間であることが好ましい。
尚、上述したところは、この発明の実施形態の例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
次に、本発明の効果をさらに明確にするために、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(本発明例1)
アルミナ粉末(住友化学工業株式会社製、商品名:NK−124)からなる担体1gを、担体に対しパラジウム金属量が0.5質量%であるテトラクロロパラジウム酸アンモニウム((NH4)2PdCl4)水溶液5mlに混入し、撹拌によって溶液中に担体を分散させ、エバポレーターにより含浸させた(Pd含浸工程S1)。
次いで、65℃で乾燥を行なった後に、空気中にて500℃、5時間の焼成を行い、担体上に酸化パラジウムからなる複数の第1ナノ粒子を析出させた(乾燥・焼成工程S2)。
その後、第1ナノ粒子を析出させた担体を、担体に対し、ルテニウム金属量が0.1質量%であるルテニウムアセチルアセトナート水溶液15mlに溶かし、さらに、1mlの過酸化水素水を添加し、撹拌させ、超高圧水銀ランプ(ウシオ電機、商品名:XS、500W)の光を30分照射し、担体上に析出した第1ナノ粒子の表面上に、水酸化ルテニウムまたは酸化ルテニウムからなる第2ナノ粒子を析出させて、Pd−Ruナノ複合粒子担持体の前駆体を形成する。
その後、Pd−Ruナノ複合粒子担持体の前駆体が分散したルテニウムアセチルアセトナート水溶液を、遠心分離装置(株式会社久保田製作所製、商品名:3700)を用いて遠心分離することによって、前駆体をルテニウムアセチルアセトナート水溶液から分離した(遠心分離工程S4)。
分離したPd−Ruナノ複合粒子担持体の前駆体は、その後、水素ガス雰囲気中で200℃、1時間の焼成を行ない、Pd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した(乾燥・焼成工程S5)。
アルミナ粉末(住友化学工業株式会社製、商品名:NK−124)からなる担体1gを、担体に対しパラジウム金属量が0.5質量%であるテトラクロロパラジウム酸アンモニウム((NH4)2PdCl4)水溶液5mlに混入し、撹拌によって溶液中に担体を分散させ、エバポレーターにより含浸させた(Pd含浸工程S1)。
次いで、65℃で乾燥を行なった後に、空気中にて500℃、5時間の焼成を行い、担体上に酸化パラジウムからなる複数の第1ナノ粒子を析出させた(乾燥・焼成工程S2)。
その後、第1ナノ粒子を析出させた担体を、担体に対し、ルテニウム金属量が0.1質量%であるルテニウムアセチルアセトナート水溶液15mlに溶かし、さらに、1mlの過酸化水素水を添加し、撹拌させ、超高圧水銀ランプ(ウシオ電機、商品名:XS、500W)の光を30分照射し、担体上に析出した第1ナノ粒子の表面上に、水酸化ルテニウムまたは酸化ルテニウムからなる第2ナノ粒子を析出させて、Pd−Ruナノ複合粒子担持体の前駆体を形成する。
その後、Pd−Ruナノ複合粒子担持体の前駆体が分散したルテニウムアセチルアセトナート水溶液を、遠心分離装置(株式会社久保田製作所製、商品名:3700)を用いて遠心分離することによって、前駆体をルテニウムアセチルアセトナート水溶液から分離した(遠心分離工程S4)。
分離したPd−Ruナノ複合粒子担持体の前駆体は、その後、水素ガス雰囲気中で200℃、1時間の焼成を行ない、Pd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した(乾燥・焼成工程S5)。
(本発明例2)
本発明例1と同様な方法でPdナノ粒子の質量割合が0.5質量%、Ruナノ粒子の質量割合が0.2質量%であるPd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した。
本発明例1と同様な方法でPdナノ粒子の質量割合が0.5質量%、Ruナノ粒子の質量割合が0.2質量%であるPd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した。
(本発明例3)
本発明例1と同様な方法でPdナノ粒子の質量割合が0.5質量%、Ruナノ粒子の質量割合が0.3質量%であるPd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した。
本発明例1と同様な方法でPdナノ粒子の質量割合が0.5質量%、Ruナノ粒子の質量割合が0.3質量%であるPd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した。
(本発明例4)
本発明例1と同様な方法でPdナノ粒子の質量割合が0.5質量%、Ruナノ粒子の質量割合が0.4質量%であるPd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した。
本発明例1と同様な方法でPdナノ粒子の質量割合が0.5質量%、Ruナノ粒子の質量割合が0.4質量%であるPd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した。
(本発明例5)
本発明例1と同様な方法でPdナノ粒子の質量割合が0.5質量%、Ruナノ粒子の質量割合が0.5質量%であるPd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した。
本発明例1と同様な方法でPdナノ粒子の質量割合が0.5質量%、Ruナノ粒子の質量割合が0.5質量%であるPd−Ruナノ複合粒子担持体を作製した。
(比較例1)
アルミナ粉末(住友化学工業株式会社製、商品名:NK−124)からなる担体1gを、担体に対し、パラジウム金属量が0.5質量%であるテトラクロロパラジウム酸アンモニウム((NH4)2PdCl4)水溶液5mlに溶かし、撹拌によって溶液中に担体を分散させ、エバポレーターにより含浸させた。次いで、65℃で乾燥を行なった後に、空気中にて500℃、5時間の焼成を行い、担体上に酸化パラジウムを担持させて、Pd粒子担持体を作製した。
アルミナ粉末(住友化学工業株式会社製、商品名:NK−124)からなる担体1gを、担体に対し、パラジウム金属量が0.5質量%であるテトラクロロパラジウム酸アンモニウム((NH4)2PdCl4)水溶液5mlに溶かし、撹拌によって溶液中に担体を分散させ、エバポレーターにより含浸させた。次いで、65℃で乾燥を行なった後に、空気中にて500℃、5時間の焼成を行い、担体上に酸化パラジウムを担持させて、Pd粒子担持体を作製した。
(比較例2)
アルミナ粉末(住友化学工業株式会社製、商品名:NK−124)からなる担体1gを、担体に対し、ルテニウム金属量が0.5質量%であるルテニウムアセチルアセトナート水溶液5mlに混入し、撹拌によって溶液中に担体を分散させ、エバポレーターにより含浸させた。次いで、65℃で乾燥を行なった後に、空気中にて500℃、5時間の焼成を行い、担体上に酸化ルテニウムを担持させて、Ru粒子担持体を作製した。
アルミナ粉末(住友化学工業株式会社製、商品名:NK−124)からなる担体1gを、担体に対し、ルテニウム金属量が0.5質量%であるルテニウムアセチルアセトナート水溶液5mlに混入し、撹拌によって溶液中に担体を分散させ、エバポレーターにより含浸させた。次いで、65℃で乾燥を行なった後に、空気中にて500℃、5時間の焼成を行い、担体上に酸化ルテニウムを担持させて、Ru粒子担持体を作製した。
(比較例3)
アルミナ粉末(住友化学工業株式会社製、商品名:NK−124)からなる担体1gを、担体に対し、パラジウム金属量が0.5質量%であるテトラクロロパラジウム酸アンモニウム((NH4)2PdCl4)水溶液5mlとルテニウム金属量0.5wt%のルテニウムアセチルアセトナート水溶液5mlの混合液に混入し、撹拌によって溶液中に担体を分散させ、エバポレーターにより含浸させた。次いで、65℃で乾燥を行なった後に、空気中にて500℃、5時間の焼成を行い、担体上に酸化パラジウム及び酸化ルテニウムを担持させる。
アルミナ粉末(住友化学工業株式会社製、商品名:NK−124)からなる担体1gを、担体に対し、パラジウム金属量が0.5質量%であるテトラクロロパラジウム酸アンモニウム((NH4)2PdCl4)水溶液5mlとルテニウム金属量0.5wt%のルテニウムアセチルアセトナート水溶液5mlの混合液に混入し、撹拌によって溶液中に担体を分散させ、エバポレーターにより含浸させた。次いで、65℃で乾燥を行なった後に、空気中にて500℃、5時間の焼成を行い、担体上に酸化パラジウム及び酸化ルテニウムを担持させる。
[評価]
作製した各粒子担持体をCO酸化触媒として使用してCO酸化試験を行い、使用温度(50〜150℃の範囲)で10℃ごとにCO転化率(CO供給量に対し、反応により消失したCOの割合)を測定し、測定したCO転化率により触媒活性(CO酸化触媒活性)を評価した。CO酸化試験の条件は、10mgのCO酸化触媒に対して、200ppmのCOと5%O2を含むN2ガスを、20ml/minの流量で供給することにより行なった。図3に、本発明例1、3および5と比較例1〜3について、測定したCO転化率と使用温度の関係をプロットした図を示す。
作製した各粒子担持体をCO酸化触媒として使用してCO酸化試験を行い、使用温度(50〜150℃の範囲)で10℃ごとにCO転化率(CO供給量に対し、反応により消失したCOの割合)を測定し、測定したCO転化率により触媒活性(CO酸化触媒活性)を評価した。CO酸化試験の条件は、10mgのCO酸化触媒に対して、200ppmのCOと5%O2を含むN2ガスを、20ml/minの流量で供給することにより行なった。図3に、本発明例1、3および5と比較例1〜3について、測定したCO転化率と使用温度の関係をプロットした図を示す。
図3に示す結果から、本発明例1は、一酸化炭素の転化率が50%に達するときの温度(T50)は、本発明例1が102℃、本発明例3が85℃、本発明例5が88℃であり、いずれも、従来の含浸法で作製した、比較例1(Pd粒子担持体)の116℃や、比較例2(Ru粒子担持体)の123℃よりも低温側にあり、低温使用環境下での触媒活性が高いことがわかる。
また、本発明例1、3および5で比較すると、Pd/Ruの質量割合が0.5質量%/0.3質量%である本発明例3のT50の数値が、最も低温側に位置し、低温での触媒活性が最も高かった。
なお、Pd/Ruの質量割合が0.5質量%/0.1質量%である本発明例1は、T50の数値が、含浸法で作製された、Pd/Ruの質量割合が0.5質量%/0.5質量%である比較例3(Pd−Ru粒子担持体)と同等レベルであったが、Ru金属の担持(析出)量が、比較例3の1/5であり、高価なRu使用量の低減が図れていた。
なお、Pd/Ruの質量割合が0.5質量%/0.1質量%である本発明例1は、T50の数値が、含浸法で作製された、Pd/Ruの質量割合が0.5質量%/0.5質量%である比較例3(Pd−Ru粒子担持体)と同等レベルであったが、Ru金属の担持(析出)量が、比較例3の1/5であり、高価なRu使用量の低減が図れていた。
次に、本発明例1〜5および比較例1〜3について、10〜70%のCO転化率のデータを用い、アレニウスプロットの傾きから求めた活性化エネルギーをプロットした結果を図4に示す。
図4に示す結果から、含浸法で作製され、合金化されていない、Pd/Ruの質量割合が0.5質量%/0.5質量%である比較例3(Pd−Ru粒子担持体)は、活性化エネルギーが80kJ/molであるのに対し、本発明例1〜5は、いずれも活性化エネルギーが70kJ/mol以下と低いことがわかる。両者の活性化エネルギーの差に関して考察すれば、本発明例1〜5は、担体に担持されたPd−Ruナノ複合粒子の少なくとも一部、すなわち、Pdナノ粒子とRuナノ粒子の界面が活性点となる結果、比較例3に比べて、活性化エネルギーが小さくなり、CO酸化反応が起こりやすくなる結果、低温での触媒活性が高くなったものと考えられる。
また、図5(a)および図5(b)は、本発明例5のPd−Ruナノ複合粒子担持体のHAADF−STEM画像であって、図5(a)が倍率40000倍、図5(b)が倍率400000倍で撮像したものであり、図5(c)は、図5(b)の画像を線図で書き表したものであり、また、図6(a)は、含浸法で製造した比較例3のPd−Ru複合粒子担持体のHAADF−STEM画像(倍率40000倍)であり、図6(b)は、図6(a)の画像を線図で書き表したものである。
本発明例5のPd−Ruナノ複合粒子担持体は、図5から明らかなように、2nm程度の粒子径をもつRuナノ粒子が、10nm程度の粒子径をもつPdナノ粒子の表面上に多数析出していることがわかる。なお、本発明1〜4のPd−Ruナノ複合粒子担持体についても、本発明例5と同様にHAADF−STEM画像を撮像し、本発明例5と同様のサイズおよび形状をもつPd−Ruナノ複合粒子担持体が得られていることも確認した。
一方、含浸法で作製した比較例3のPd−Ru粒子担持体は、図6から明らかなように、100nm程度と大きな粒子径をもつ複数個のRu粒子と、100nm程度と大きな粒子径をもつPd粒子が混在していて、Pd−Ru粒子の平均粒子径が400nm程度とかなり大きいことがわかる。
1 Pd−Ruナノ複合粒子担持体
1A Pd−Ruナノ複合粒子担持体の前駆体
2 担体
3 Pdナノ粒子
3A 第1ナノ粒子
4 Ruナノ粒子
4A 第2ナノ粒子
5 光源
6 Ru含有溶液
7 Pd−Ruナノ複合粒子
7A Pd−Ruナノ複合粒子の前駆体
1A Pd−Ruナノ複合粒子担持体の前駆体
2 担体
3 Pdナノ粒子
3A 第1ナノ粒子
4 Ruナノ粒子
4A 第2ナノ粒子
5 光源
6 Ru含有溶液
7 Pd−Ruナノ複合粒子
7A Pd−Ruナノ複合粒子の前駆体
Claims (8)
- 担体と、
該担体上に、微細析出物として担持された複数のPdナノ粒子と、
該Pdナノ粒子の表面上に、前記Pdナノ粒子よりも小さな粒子径をもつ超微細析出物として形成された複数のRuナノ粒子と
を有することを特徴とするPd−Ruナノ複合粒子担持体。 - Pdナノ粒子の平均粒子径が、100nm以下であり、
Ruナノ粒子の平均粒子径が、10nm未満である請求項1に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。 - 前記担体が、セラミックス、高分子材料または炭素材料である請求項1または2に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。
- 前記担体が、アルミナ、シリカ、ジルコニアまたはゼオライトである請求項3に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体を用いたCO酸化触媒。
- 担体上に、Pd金属またはPd化合物からなる複数の第1ナノ粒子を析出させる第1工程と、
該第1ナノ粒子よりも小さな粒子径をもつ、Ru金属またはRu化合物からなる複数の第2ナノ粒子を、前記第1ナノ粒子の表面上に析出させる第2工程と
を含むことを特徴とするPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。 - 前記第1工程は、前記担体を、Pd化合物またはPdイオンを含む溶液で濡らした後に、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なうことを含む、請求項6に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。
- 前記第2工程は、前記担体上に担持される前記第1ナノ粒子の表面を、Ru化合物またはRuイオンを含む溶液で濡らした状態で光を照射した後に、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なうことを含む、請求項6または7に記載のPd−Ruナノ複合粒子担持体の製造方法。
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CN110813320A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-02-21 | 中国科学技术大学 | 一种碳载钯基合金催化剂、其制备方法及催化制备苯乙烯的应用 |
CN112923804A (zh) * | 2021-03-03 | 2021-06-08 | 上栗县金信出口烟花制造有限公司 | 一种高安全性环保型硝酸盐类烟花及其制作方法 |
-
2018
- 2018-03-23 JP JP2018056966A patent/JP2019166482A/ja active Pending
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CN110813320B (zh) * | 2019-11-28 | 2022-05-13 | 中国科学技术大学 | 一种碳载钯基合金催化剂、其制备方法及催化制备苯乙烯的应用 |
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