JP2020023742A - Device of producing epoxy derivative, method of producing epoxy derivative, and method of producing epoxy-derivative production device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エポキシ誘導体の製造装置、エポキシ誘導体の製造方法およびエポキシ誘導体製造装置の製造方法に関する。 The present invention relates to an epoxy derivative manufacturing apparatus, an epoxy derivative manufacturing method, and an epoxy derivative manufacturing apparatus manufacturing method.
エポキシ誘導体の1つであるプロピレンオキシド(酸化プロピレン、C3H6O)は、ポリエステル等の原料として莫大な需要がある。一方で、プロピレンオキシドの合成反応は、難度の高い部分酸化反応の典型であった。 Propylene oxide (propylene oxide, C 3 H 6 O), one of the epoxy derivatives, is in enormous demand as a raw material for polyester and the like. On the other hand, the propylene oxide synthesis reaction was typical of the highly difficult partial oxidation reaction.
古くから現在に至るまで、一般にプロピレンオキシドは、クロロヒドリン法やオキシラン法で合成されている。しかしながら、クロロヒドリン法には、塩素水による装置の腐食が激しく、また大量の廃液処理が必要であるといった課題があった。また、オキシラン法には、多段階プロセスであるためにエネルギー消費が多く、また副生成物であるアルコール類が過酸化物から大量に生成されるといった課題があった。これに対し、例えば、非特許文献1には、酸化剤としての酸素と銀触媒とを用い、230℃、30気圧程度でプロピレンオキシドを合成する方法が提案されている。 From old times to the present, propylene oxide is generally synthesized by a chlorohydrin method or an oxirane method. However, the chlorohydrin method has problems that the apparatus is severely corroded by chlorine water and that a large amount of waste liquid must be treated. In addition, the oxirane method has a problem that it consumes much energy due to a multi-step process, and a large amount of alcohol as a by-product is generated from peroxide. On the other hand, for example, Non-Patent Document 1 proposes a method of synthesizing propylene oxide at 230 ° C. and about 30 atm using oxygen as an oxidizing agent and a silver catalyst.
非特許文献1に開示される合成方法は、高温高圧条件下で行われるため、酸素によるプロピレンの燃焼反応が副反応として生じる等の課題があった。本発明者らは、プロピレンオキシドを含むエポキシ誘導体の製造について鋭意検討を重ねた結果、より温和な条件下でエポキシ誘導体を製造できる新規な製造技術に想到した。 Since the synthesis method disclosed in Non-Patent Document 1 is performed under high-temperature and high-pressure conditions, there is a problem that a combustion reaction of propylene with oxygen occurs as a side reaction. The present inventors have conducted intensive studies on the production of an epoxy derivative containing propylene oxide, and as a result, have arrived at a novel production technique capable of producing an epoxy derivative under milder conditions.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、より温和な条件下でエポキシ誘導体を製造する技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and one of its objects is to provide a technique for producing an epoxy derivative under milder conditions.
本発明のある態様は、エポキシ誘導体の製造装置である。この製造装置は、固体高分子形電解ユニットと、固体高分子形電解ユニットに基質を供給する供給部と、を備える。固体高分子形電解ユニットは、基質を電解酸化してエポキシ誘導体を製造する。 One embodiment of the present invention is an apparatus for producing an epoxy derivative. This manufacturing apparatus includes a solid polymer electrolyte unit and a supply unit that supplies a substrate to the solid polymer electrolyte unit. The polymer electrolyte unit produces an epoxy derivative by subjecting a substrate to electrolytic oxidation.
本発明の他の態様は、エポキシ誘導体の製造方法である。この製造方法は、固体高分子形電解ユニットを用いて基質を電解酸化し、エポキシ誘導体を製造することを含む。 Another embodiment of the present invention is a method for producing an epoxy derivative. This production method includes producing an epoxy derivative by subjecting a substrate to electrolytic oxidation using a solid polymer electrolyte unit.
本発明の他の態様は、エポキシ誘導体製造装置の製造方法である。この製造方法は、アノード触媒層を含むアノード、カソード触媒層を含むカソード、ならびにアノードおよびカソードの間に設けられる固体高分子電解質膜を有する固体高分子形電解ユニットと、アノードに基質を供給する供給部と、を備え、固体高分子形電解ユニットが基質を電解酸化してエポキシ誘導体を製造するエポキシ誘導体製造装置の製造方法であって、PtO2に還元処理を施してPtOを調製し、PtOをアノード触媒層に含有させることを含む。 Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing an epoxy derivative manufacturing apparatus. This manufacturing method comprises: an anode including an anode catalyst layer; a cathode including a cathode catalyst layer; and a solid polymer electrolyte unit having a solid polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode; A method for producing an epoxy derivative producing apparatus in which a solid polymer electrolyte unit performs electrolytic oxidation of a substrate to produce an epoxy derivative, wherein PtO 2 is subjected to a reduction treatment to prepare PtO, Including in the anode catalyst layer.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described components, and the components and expressions of the present invention are mutually replaced between a method, an apparatus, a program, a temporary or non-temporary storage medium storing the program, a system, and the like. Is also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、より温和な条件下でエポキシ誘導体を製造することができる。 According to the present invention, an epoxy derivative can be produced under milder conditions.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第1」、「第2」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。 Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments with reference to the drawings. The embodiments are illustrative and do not limit the invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. The same or equivalent components, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and the repeated description will be omitted as appropriate. Further, the scale and shape of each part shown in each figure are set for convenience in order to facilitate the description, and are not to be construed as being limited unless otherwise noted. In addition, when terms such as “first” and “second” are used in the present specification or claims, the terms do not indicate any order or importance unless otherwise specified, and a certain configuration may be used. It is for distinguishing from the other configuration. In each of the drawings, some of the members that are not important for describing the embodiments are omitted.
図1は、実施の形態に係るエポキシ誘導体の製造装置を示す模式図である。なお、図1では、固体高分子形電解ユニットの構造を簡略化して図示している。エポキシ誘導体の製造装置10(エポキシ誘導体製造装置)は、基質を電解酸化してエポキシ誘導体を製造する装置であり、固体高分子形電解ユニット100、電力制御部20、水貯蔵槽30、基質貯蔵槽40および制御部60を主な構成として備える。以下では適宜、エポキシ誘導体の製造装置10を、単に「製造装置10」と記す。
FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus for producing an epoxy derivative according to an embodiment. In FIG. 1, the structure of the solid polymer electrolyte unit is shown in a simplified manner. The epoxy derivative production device 10 (epoxy derivative production device) is a device for producing an epoxy derivative by electrolytically oxidizing a substrate, and includes a solid
電力制御部20は、例えば、電力源の出力電圧を所定の電圧に変換するDC/DCコンバータである。電力制御部20の正極出力端子は、固体高分子形電解ユニット100のアノード(陽極)130に接続される。電力制御部20の負極出力端子は、固体高分子形電解ユニット100のカソード(負極)120に接続される。これにより、固体高分子形電解ユニット100のアノード130とカソード120との間に所定の電圧が印加される。
The
電力制御部20には、正および負極の電位検知の目的で参照極が設けられてもよい。この場合、参照極入力端子は、固体高分子電解質膜110に設けられる参照電極112に接続される。参照電極112は、固体高分子電解質膜110におけるカソード120およびアノード130から離間した領域に、固体高分子電解質膜110に接するように設けられる。参照電極112は、カソード120およびアノード130から電気的に隔離されている。
The
参照電極112は、参照電極電位に保持される。本願における参照電極電位は、可逆水素電極(RHE)に対する電位を意味するものとする(参照電極電位=0V)。なお、参照電極電位は、Ag/AgCl電極に対する電位であってもよい(参照電極電位=0.199V)。また、参照電極112は、固体高分子電解質膜110におけるアノード130側の表面に設置されることが好ましい。
The
カソード120とアノード130との間を流れる電流は、電流検出部113によって検出される。電流検出部113は、例えば従来公知の電流計で構成される。電流検出部113で検出された電流値は、制御部60に入力され、制御部60による電力制御部20の制御に用いられる。参照電極112とアノード130との間の電位差は、電圧検出部114によって検出される。電圧検出部114は、例えば従来公知の電圧計で構成される。電圧検出部114で検出された電位差の値は制御部60に入力され、制御部60による電力制御部20の制御に用いられる。なお、必要に応じて、電圧検出部114は参照電極112とカソード120との間の電位差を検出してもよい。
The current flowing between the
制御部60は、固体高分子形電解ユニット100の電位を制御する。つまり、制御部60は、カソード120および/またはアノード130の電位を所定の電位に調整する。制御部60は、ハードウェア構成としてはコンピュータのCPUやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。このことは、当業者には当然に理解されるところである。制御部60は、カソード120および/またはアノード130の電位が所定の電位となるように、電力制御部20の正極出力端子および負極出力端子の出力を制御する。
The
水貯蔵槽30には、例えばイオン交換水、純水、あるいはこれらに硫酸、硝酸、塩酸、フッ酸等の酸を加えた水溶液等(以下では適宜、「カソード液」という)が貯蔵される。水貯蔵槽30に貯蔵されたカソード液は、第1供給装置32によって固体高分子形電解ユニット100のカソード120に供給される。第1供給装置32としては、例えばギアポンプあるいはシリンダーポンプ等の各種ポンプ、または自然流下式装置等を用いることができる。
The
水貯蔵槽30とカソード120との間には、循環経路34が設けられる。循環経路34は、カソード液の流れにおけるカソード120の上流側で水貯蔵槽30とカソード120とをつなぐ往路部34aと、カソード液の流れにおけるカソード120の下流側でカソード120と水貯蔵槽30とをつなぐ復路部34bとを含む。往路部34aの途中には、第1供給装置32が設けられる。
A
カソード液は、往路部34aを介してカソード120に供給される。カソード120において未反応のカソード液と、カソード120での電極反応で生成される水素ガスと、その他の副生ガスとは、復路部34bを経て水貯蔵槽30に戻される。復路部34bの途中には気液分離手段(図示せず)が設けられ、気液分離手段によって水素ガスや副生ガスは分離される。なお、復路部34bは省略することもできる。
The catholyte is supplied to the
基質貯蔵槽40には、基質が貯蔵される。本実施の形態で用いられる基質としては、オレフィン化合物が挙げられる。オレフィン化合物は、不飽和結合を有する如何なるオレフィンであってもよい。オレフィンは、少なくとも1個の二重結合を有する。したがって、2個の二重結合を有するジエンや、3個以上の二重結合を有するオレフィンであってもよい。二重結合は、主鎖の内部にあっても末端部にあってもよい。また、オレフィンは、脂肪族化合物、環状化合物あるいは芳香族化合物であってもよい。基質の具体例としては、エチレン、プロピレン、ブテン、シクロヘキセン、スチレン等が例示される。これらの基質によって得られるエポキシ誘導体、つまりエポキシ基を有する化合物(エポキシ化合物)は、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブテンオキシド、シクロヘキセンオキシド、スチレンオキシドである。
The
基質貯蔵槽40に貯蔵された基質は、第2供給装置42によって固体高分子形電解ユニット100のアノード130に供給される。基質貯蔵槽40と第2供給装置42とは、固体高分子形電解ユニット100に基質を供給する供給部44を構成する。基質がプロピレン等の常温常圧でガス状である場合、第2供給装置42としては、例えば各種のガスフローコントローラー、または自然流下式装置等を用いることができる。
The substrate stored in the
基質貯蔵槽40とアノード130との間には、循環経路46が設けられる。循環経路46は、基質の流れにおけるアノード130の上流側で基質貯蔵槽40とアノード130とをつなぐ往路部46aと、基質の流れにおけるアノード130の下流側でアノード130と基質貯蔵槽40とをつなぐ復路部46bとを含む。往路部46aの途中には、第2供給装置42が設けられる。
A
基質は、往路部46aを介してアノード130に供給される。アノード130において基質の電解酸化により生成されたエポキシ誘導体と、未反応の基質とは、復路部46bを経て基質貯蔵槽40に戻される。復路部46bの途中には気液分離手段(図示せず)が設けられ、気液分離手段によって、アノード130で生じる副生ガスは分離される。なお、復路部46bは省略することもできる。
The substrate is supplied to the
図2は、固体高分子形電解ユニット100の概略構成を示す断面図である。本実施の形態の固体高分子形電解ユニット100は、フィルム形状の電解質膜の一方の側にアノード室を、他方の側にカソード室をそれぞれ有する固体高分子形電解槽である。より具体的には、固体高分子形電解ユニット100は、膜電極接合体102と、膜電極接合体102を挟む一対のセパレータ150a,150bとを備える。膜電極接合体102は、固体高分子電解質膜110と、カソード120と、アノード130とを有する。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the solid
固体高分子電解質膜110は、アノード130およびカソード120の間に設けられる。固体高分子電解質膜110は、プロトン伝導性を有する材料(アイオノマー)で形成される。固体高分子電解質膜110は、プロトンを選択的に伝導する一方で、カソード120とアノード130との間で物質が混合したり拡散したりすることを抑制する。また、固体高分子電解質膜110は、カソード水を透過させることができる。
The solid
固体高分子電解質膜110の厚さは、例えば5〜300μmである。固体高分子電解質膜110の厚さを5μm以上とすることで、固体高分子電解質膜110のバリア性を確保して、基質等のクロスリークの発生をより確実に抑制することができる。また、固体高分子電解質膜110の厚さを300μm以下とすることで、イオン移動抵抗が過大になることを抑制することができる。
The thickness of the solid
固体高分子電解質膜110は、プロトン伝導性を有する材料として、好ましくはパーフルオロスルホン酸を含む。例えば、固体高分子電解質膜110はパーフルオロスルホン酸のポリマーで構成される。当該ポリマーとしては、ナフィオン(登録商標)やフレミオン(登録商標)などが例示される。固体高分子電解質膜110には、多孔性のPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等の補強材が混合されてもよい。補強材を導入することで、固体高分子電解質膜110の寸法安定性を高めることができる。これにより、固体高分子電解質膜110の耐久性を向上させることができる。また、基質等のクロスオーバーを抑制することができる。
The solid
カソード120は、プロトンを還元して水素を生成する電極であり、固体高分子電解質膜110の一方の側に配置される。本実施の形態では、カソード120は固体高分子電解質膜110の一方の主表面に接するように設けられている。カソード120は、カソード触媒層122および拡散層124が積層された構造を有する。カソード触媒層122は、拡散層124よりも固体高分子電解質膜110側に配置される。
The
カソード触媒層122は、固体高分子電解質膜110の一方の主表面に接している。カソード触媒層122は、プロトンを還元するための触媒金属を含む。例えば、カソード触媒層122は、Pt、Au、Ag、Pd、Rh、Ru、FeおよびNiからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含む。触媒金属は、電子伝導性材料で構成される触媒担体によって担持される。触媒金属を触媒担体に担持させることで、カソード触媒層122の表面積を拡大することができる。また、触媒金属の凝集を抑制することができる。触媒担体に用いられる電子伝導性材料の電子伝導度は、好ましくは1.0×10−2S/cm以上である。電子伝導性材料の電子伝導度を1.0×10−2S/cm以上とすることで、カソード触媒層122に対してより確実に電子伝導性を付与することができる。
The
触媒担体としては、例えば多孔性カーボン、多孔性金属、多孔性金属酸化物のいずれかを主成分として含有する電子伝導性材料を挙げることができる。多孔性カーボンとしては、例えばケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、ファーネスブラック、バルカン(登録商標)などのカーボンブラックが挙げられる。多孔性金属としては、例えばPt黒、Pd黒、フラクタル状に析出させたPt金属などが挙げられる。多孔性金属酸化物としては、例えばTi、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wの酸化物が挙げられる。また、触媒担体には、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wなどの金属の窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、部分酸化した炭窒化物といった、多孔性の金属化合物も用いることができる。 Examples of the catalyst carrier include an electron conductive material containing, as a main component, any of porous carbon, porous metal, and porous metal oxide. Examples of the porous carbon include carbon black such as Ketjen Black (registered trademark), acetylene black, furnace black, and Vulcan (registered trademark). Examples of the porous metal include Pt black, Pd black, and Pt metal precipitated in a fractal state. Examples of the porous metal oxide include oxides of Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. In addition, porous metal compounds such as nitrides, carbides, oxynitrides, carbonitrides, and partially oxidized carbonitrides of metals such as Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W are used as catalyst carriers. Can also be used.
好ましくは、触媒金属を担持した状態の触媒担体は、アイオノマーで被覆される。これにより、カソード120のイオン伝導性を向上させることができる。アイオノマーとしては、例えばナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)などのパーフルオロスルホン酸ポリマー等を挙げることができる。カソード触媒層122の厚さは、例えば1〜100μmである。カソード触媒層122の厚さを上述の範囲とすることで、プロトンの移動抵抗の増大を抑制できる。
Preferably, the catalyst support supporting the catalyst metal is coated with an ionomer. Thereby, the ion conductivity of the
カソード触媒層122は、例えば触媒成分粉末と、触媒担体と、水等の溶媒とを混合して触媒インクを調製し、得られた触媒インクと、カーボンナノチューブ等の導電性フィラーと、バインダーとを混合して触媒ペーストを調製し、この触媒ペーストをシート状に成形することで作製することができる。なお、触媒インクを拡散層124に塗布し、乾燥後にホットプレスすることで作製することもできる。また、カソード触媒層122は、固体高分子電解質膜110上に形成してもよい。
The
拡散層124は、セパレータ150aから供給されるカソード液をカソード触媒層122に均一に拡散させる機能を担う。拡散層124を構成する材料としては、例えばカーボンの織布(カーボンクロス)、カーボンの不織布、カーボンペーパー等を挙げることができる。カーボンクロスは、数μmの径の細いカーボン繊維を数百本の束とし、この束を織布としたものである。また、カーボンペーパーは、カーボン原料繊維を製紙法にて薄膜の前駆体とし、これを焼結したものである。拡散層124の厚さは、好ましくは50〜1000μmである。
The
セパレータ150aは、固体高分子電解質膜110とは反対側のカソード120の主表面に積層される。セパレータ150aは、例えばカーボン樹脂や、Cr−Ni−Fe系、Cr−Ni−Mo−Fe系、Cr−Mo−Nb−Ni系、Cr−Mo−Fe−W−Ni系あるいはTi系などの耐食性合金で形成することができる。セパレータ150aの拡散層124側の面には、単数または複数の溝状の流路152aが設けられる。流路152aには、往路部34aおよび復路部34bが接続される。セパレータ150aと、固体高分子電解質膜110と、これらの間に配置される枠状のスペーサ126とでカソード室が画成され、カソード室にカソード触媒層122と拡散層124とが収容される。
The
カソード室の流路152aには、往路部34aを介してカソード液が流入する。カソード液は、流路152aから拡散層124に浸み込む。そして、カソード触媒層122および固体高分子電解質膜110を経由してアノード130側に流入する。未反応のカソード液は、復路部34bを介してカソード室から外部に流出し、水貯蔵槽30に戻される。流路152aの形態は、特に限定されないが、例えば直線状流路、サーペンタイン流路などを採用し得る。あるいは、セパレータ150aが多孔体層を有し、多孔体層の空隙によって流路152aが構成されてもよい。
The catholyte flows into the
アノード130は、基質を電解酸化してエポキシ誘導体を生成するための電極であり、固体高分子電解質膜110の他方の側に、すなわちカソード120が配置される側とは反対側に配置される。本実施の形態では、アノード130は固体高分子電解質膜110の他方の主表面に接するように設けられている。アノード130は、アノード触媒層132および拡散層134が積層された構造を有する。アノード触媒層132は、拡散層134よりも固体高分子電解質膜110側に配置される。
The
アノード触媒層132は、固体高分子電解質膜110の他方の主表面に接している。アノード触媒層132は、基質を酸化するための触媒金属を含む。好ましくは、アノード触媒層132は、Pt,Pd,Ir,RhおよびRuからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含む。より好ましくは、アノード触媒層132は、Ptを含む。アノード触媒層132がこれらの触媒金属を含むことで、効率よくエポキシ誘導体を生成することができる。
The
また、アノード触媒層132がPtを含む場合において、アノード触媒層132にはPtOが含まれる。例えば、アノード触媒層132をX線光電子分光分析装置(XPS)で分析したとき、Pt全体のピーク面積に対するPtO 4f7/2のピーク面積の比率が好ましくは2%以上である。アノード触媒層132において、PtはPt(金属単体)、PtO、PtO2の状態をとり得る。この中で、PtOが基質の電解酸化の主な活性点として機能すると考えられる。したがって、アノード触媒層132中のPtOの量を、PtO 4f7/2のピーク面積がPt全体のピーク面積に対して2%以上となる量とすることで、エポキシ誘導体の生成効率を高めることができる。
When the
PtOは、Ptの酸化により、またはPtO2の部分還元により生成することができる。Ptの酸化は、空気等の酸素含有ガスの存在下でPtを加熱(焼成)する気相酸化処理、または過酸化水素等の酸化剤を用いてPtを酸化する液相酸化処理によって実施することができる。PtO2の部分還元は、水素等の還元性ガスの存在下且つ所定温度下にPtO2を置く気相還元処理、またはヒドラジン、NaBH4等の還元剤を用いてPtO2を還元する液相還元処理によって実施することができる。 PtO can by oxidation of Pt, or produced by partial reduction of PtO 2. The oxidation of Pt is carried out by a gas phase oxidation treatment of heating (firing) Pt in the presence of an oxygen-containing gas such as air, or a liquid phase oxidation treatment of oxidizing Pt using an oxidizing agent such as hydrogen peroxide. Can be. Partial reduction of PtO 2 is a gas phase reduction process to put PtO 2 in the presence and under the predetermined temperature of the reducing gas such as hydrogen or hydrazine, liquid phase reduction for reducing the PtO 2 using a reducing agent such as NaBH 4 It can be implemented by processing.
好ましくは、エポキシ誘導体の製造装置10の製造方法は、PtO2に還元処理を施してPtOを調製し、PtOをアノード触媒層132に含有させることを含む。また、好ましくは、PtO2の還元処理において、還元剤が用いられる。また、好ましくは、還元剤は、ヒドラジンである。また、PtO2が100%Ptに還元される理論量を1当量とするとき、還元剤の使用量は0.1当量以上1当量未満であることが好ましい。還元剤の使用量を0.1当量以上とすることで、より確実にPtO2の部分還元を実施することができる。また、還元剤の使用量を1当量未満とすることで、有機物選択率を高めることができる。ここで、有機物選択率とは、基質の電解酸化によって生成される有機物全体に対する目的とする有機物のモル比(%)を意味する。また、気相還元処理によってPtO2を還元する場合、還元処理時の温度は50℃未満であることが好ましい。
Preferably, the method for manufacturing the epoxy
触媒金属は、電子伝導性材料で構成される触媒担体によって担持されてもよい。触媒担体としては、例えば多孔性カーボン、多孔性金属、多孔性金属酸化物を挙げることができる。好ましくは、触媒金属は、アイオノマーで被覆される。これにより、アノード130のイオン伝導性を向上させることができる。アイオノマーとしては、例えばナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)などのパーフルオロスルホン酸ポリマー等を挙げることができる。アノード触媒層132の厚さは、例えば1〜100μmである。
The catalyst metal may be supported by a catalyst carrier composed of an electron conductive material. Examples of the catalyst carrier include porous carbon, porous metal, and porous metal oxide. Preferably, the catalytic metal is coated with an ionomer. Thereby, the ionic conductivity of the
アノード触媒層132は、例えば触媒成分粉末と、バインダーとを混合して触媒ペーストを調製し、この触媒ペーストをシート状に成形することで作製することができる。なお、触媒インクを拡散層134に塗布し、乾燥後にホットプレスすることで作製することもできる。また、アノード触媒層132は、固体高分子電解質膜110上に形成してもよい。
The
拡散層134は、セパレータ150bから供給される基質をアノード触媒層132に均一に拡散させる機能を担う。拡散層134を構成する材料は、基質に対して親和性が高いことが好ましい。拡散層134を構成する材料としては、例えばカーボンの織布(カーボンクロス)、カーボンの不織布、カーボンペーパー等を挙げることができる。拡散層134の厚さは、好ましくは50〜1000μmである。
The
セパレータ150bは、固体高分子電解質膜110とは反対側のアノード130の主表面に積層される。セパレータ150bは、セパレータ150aと同様の材料で構成することができる。セパレータ150bの拡散層134側の面には、単数または複数の溝状の流路152bが設けられる。流路152bには、往路部46aおよび復路部46bが接続される。セパレータ150bと、固体高分子電解質膜110と、これらの間に配置される枠状のスペーサ136とでアノード室が画成され、アノード室にアノード触媒層132と拡散層134とが収容される。
The
アノード室の流路152bには、往路部46aを介して基質が流入する。基質は、流路152bから拡散層134に浸み込む。アノード触媒層132での電解酸化反応の生成物と未反応の基質とは、復路部46bを介してアノード室から外部に流出し、基質貯蔵槽40に戻される。流路152bの形態は、流路152aと同様である。
The substrate flows into the
固体高分子形電解ユニット100は、基質を電解酸化してエポキシ誘導体を製造する。基質としてプロピレン(C3H6)を用いた場合の固体高分子形電解ユニット100における反応は、以下の通りである。
<アノード130での電極反応>
H2O→2H++O2−
C3H6+O2−→C3H6O+2e−
<カソード120での電極反応>
2H++2e−→H2
<全反応>
C3H6+H2O→C3H6O+H2
The
<Electrode reaction at
H 2 O → 2H + + O 2-
C 3 H 6 + O 2- → C 3 H 6 O + 2e -
<Electrode reaction at
2H + + 2e − → H 2
<All reactions>
C 3 H 6 + H 2 O → C 3 H 6 O + H 2
すなわち、まずカソード120に供給されるカソード液が固体高分子電解質膜110を通過してアノード触媒層132に至る。アノード触媒層132において、カソード液中の水(H2O)からプロトン(H+)と酸素イオン(O2−)とが生成される。生成された酸素イオンは、供給部44によってアノード触媒層132に供給された基質としてのプロピレンと反応し、エポキシ誘導体としてのプロピレンオキシド(C3H6O)と電子(e−)とが生成される。
That is, first, the catholyte supplied to the
アノード触媒層132で生じるプロトンは、固体高分子電解質膜110を介してカソード120に供給される。アノード触媒層132で生じる電子は、外部回路を介してカソード120に供給される。そして、カソード触媒層122において、プロトンと電子とから水素ガス(H2)が生成される。アノード130での電極反応と、カソード120での電極反応とは並行して進行する。
Protons generated in the
固体高分子形電解ユニット100による基質の電解酸化において、制御部60は、電解酸化における電位を、好ましくは1.2V超、より好ましくは1.4V以上とする。より具体的には、制御部60は、アノード130の電位を好ましくは1.2V超、より好ましくは1.4V以上とする。これにより、より効率よくエポキシ誘導体を生成することができる。
In the electrolytic oxidation of the substrate by the
[エポキシ誘導体の製造方法]
本実施の形態に係るエポキシ誘導体の製造方法は、固体高分子形電解ユニット100を用いて基質を電解酸化し、エポキシ誘導体を製造することを含む。より具体的には、アノード130に基質が供給され、カソード120にカソード液が供給される。そして、電力制御部20によって、固体高分子形電解ユニット100のアノード130とカソード120との間に所定の電圧が印加される。その際、アノード130の電位は、好ましくは1.2V超、より好ましくは1.4V以上に制御される。
[Method for producing epoxy derivative]
The method for producing an epoxy derivative according to the present embodiment includes producing an epoxy derivative by electrolytically oxidizing a substrate using the
これにより、アノード触媒層132において、カソード120側から移動してきた水が分解されてプロトンと酸素イオンが生成される。また、生成された酸素イオンと基質とが反応してエポキシ誘導体が生成される。生成されたプロトンは、固体高分子電解質膜110を通過して、カソード120側に移動する。そして、カソード触媒層122において、プロトンから水素ガスが生成される。
As a result, in the
以上説明したように、本実施の形態に係るエポキシ誘導体の製造装置10は、固体高分子形電解ユニット100と、固体高分子形電解ユニット100に基質を供給する供給部44とを備える。固体高分子形電解ユニット100は、アノード触媒層132を含むアノード130と、カソード触媒層122を含むカソード120と、アノード130およびカソード120の間に設けられる固体高分子電解質膜110とを有する。供給部44は、アノード130に基質を供給する。そして、固体高分子形電解ユニット100は、基質を電解酸化してエポキシ誘導体を製造する。また、本実施の形態に係るエポキシ誘導体の製造方法は、固体高分子形電解ユニット100を用いて基質を電解酸化してエポキシ誘導体を製造することを含む。
As described above, the epoxy
このように、本実施の形態では固体高分子形電解ユニット100を用いてエポキシ誘導体を合成するため、酸化剤として水を用いて従来に比べ低温且つ低圧の温和な条件下で基質の電解酸化を進行させることができる。このため、副生成物の生成を抑制することができる。
As described above, in the present embodiment, since the epoxy derivative is synthesized using the
また、エポキシ誘導体の一例であるプロピレンオキシドは、従来一般的にはクロロヒドリン法やオキシラン法で合成していた。これらのプロセスでは、前述のように装置の腐食、大量の廃液処理の必要性、低いエネルギー消費効率、大量の副生成物といった課題があった。これに対し、本実施の形態では、固体高分子形電解ユニット100を用いてエポキシ誘導体を合成するため、腐食対策の必要性が低く、より簡単な装置構造でエポキシ誘導体を合成することがきる。また、廃液量を減らすことができる。また、アノード130での電極反応とカソード120での電極反応とが並行して起こるため、より簡単な工程でエポキシ誘導体を合成することができる。
In addition, propylene oxide, which is an example of an epoxy derivative, has conventionally been generally synthesized by a chlorohydrin method or an oxirane method. As described above, these processes had problems such as corrosion of the apparatus, necessity of treating a large amount of waste liquid, low energy consumption efficiency, and a large amount of by-products. On the other hand, in the present embodiment, since the epoxy derivative is synthesized using the solid
アノード触媒層132は、好ましくはPt,Pd,Ir,RhおよびRuからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含み、より好ましくはPtを含む。これにより、エポキシ誘導体をより確実に生成することができる。
The
また、アノード触媒層132がPtを含む場合、アノード触媒層132は、XPSで分析した際のPt全体のピーク面積に対するPtO 4f7/2のピーク面積の比率が好ましくは2%以上である。これにより、エポキシ誘導体の製造効率を高めることができる。
When the
また、エポキシ誘導体の製造装置10は、固体高分子形電解ユニット100の電位を制御する制御部60を備える。制御部60は、電解酸化時のアノード130の電位を1.2V超となるように制御する。これにより、エポキシ誘導体の製造効率を高めることができる。
In addition, the epoxy
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。 Hereinafter, although an example of the present invention is described, an example is only an illustration for explaining suitably the present invention, and does not limit the present invention at all.
(実施例1)
<カソード触媒インク:50wt%Pt/XC72の調製>
イオン交換水50mLに、H2[PtCl6]・6H2O水溶液(19.1mg/mL)7.85mLと、カーボンブラック(製品名:XC72、vulcan社製)150mgとを添加し、1時間撹拌した。続いて、得られた混合物を80〜90℃で加熱して水分を蒸発させた後、70℃で一晩乾燥させた。得られた固形物をH2ガスの気流下に置いて水素還元処理を施し、カソード触媒インクを得た。水素還元処理におけるH2ガスの流速は、20mL/分とした。また、150℃で1時間処理した後に、300℃で2時間処理した。
(Example 1)
<Cathode catalyst ink: Preparation of 50 wt% Pt / XC72>
7.50 mL of an aqueous solution of H 2 [PtCl 6 ] · 6H 2 O (19.1 mg / mL) and 150 mg of carbon black (product name: XC72, manufactured by vulcan) are added to 50 mL of ion-exchanged water, and stirred for 1 hour. did. Subsequently, the obtained mixture was heated at 80 to 90 ° C. to evaporate water, and then dried at 70 ° C. overnight. The obtained solid was subjected to a hydrogen reduction treatment under a stream of H 2 gas to obtain a cathode catalyst ink. The flow rate of the H 2 gas in the hydrogen reduction treatment was set to 20 mL / min. After the treatment at 150 ° C. for 1 hour, the treatment was performed at 300 ° C. for 2 hours.
<カソードの作製>
ホットプレートで60℃に温めた乳鉢に、カーボンナノチューブ(製品名:VGCF、昭和電工社製)25mgと、カソード触媒インク(50wt%Pt/XC72)25mgと、バインダーとしてのテフロン(登録商標)パウダー5mgとを投入して、これらを混練した。得られたペーストを、120℃に温めたステンレス板上でステンレスローラーを用いて圧延した。これにより、直径1.6cmで厚さ均一の円形シート状である、カソード触媒層を得た。続いて、50℃のホットプレート上に直径1.6cmの円形状の拡散層(製品名:SGL25BC、SGLカーボン社製)を載置した。そして、拡散層上にカソード触媒層を載せ、ナフィオン(登録商標)分散液(製品名:DE1021、デュポン社製)50μLとアセトン300μLとの混合溶液を、カソード触媒層に塗布した。その後、ロータリーポンプを用いて、拡散層とカソード触媒層との積層体を50℃で10分間、減圧乾燥した。以上の工程により、カソードを得た。
<Preparation of cathode>
In a mortar heated to 60 ° C. on a hot plate, 25 mg of carbon nanotubes (product name: VGCF, manufactured by Showa Denko KK), 25 mg of cathode catalyst ink (50 wt% Pt / XC72), and 5 mg of Teflon (registered trademark) powder as a binder And these were kneaded. The obtained paste was rolled on a stainless steel plate heated to 120 ° C. using a stainless steel roller. As a result, a cathode catalyst layer having a circular sheet shape having a diameter of 1.6 cm and a uniform thickness was obtained. Subsequently, a circular diffusion layer (product name: SGL25BC, manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) having a diameter of 1.6 cm was placed on a 50 ° C. hot plate. Then, the cathode catalyst layer was placed on the diffusion layer, and a mixed solution of 50 μL of Nafion (registered trademark) dispersion liquid (product name: DE1021, manufactured by DuPont) and 300 μL of acetone was applied to the cathode catalyst layer. Thereafter, the laminate of the diffusion layer and the cathode catalyst layer was dried under reduced pressure at 50 ° C. for 10 minutes using a rotary pump. Through the above steps, a cathode was obtained.
<アノードの作製>
ホットプレートで60℃に温めた乳鉢に、マッフル炉にて350℃で2時間加熱酸化処理したPt黒(田中貴金属製)70mgと、バインダーとしてのテフロン(登録商標)パウダー1mgとを投入して、これらを混練した。得られたペーストを、120℃に温めたステンレス板上でステンレスローラーを用いて圧延した。これにより、直径1.6cmで厚さ均一の円形シート状である、アノード触媒層を得た。続いて、50℃のホットプレート上に直径1.6cmの円形状の拡散層(製品名:SGL25BC、SGLカーボン社製)を載置した。そして、拡散層上にアノード触媒層を載せ、ナフィオン(登録商標)分散液(製品名:DE1021、デュポン社製)50μLとアセトン300μLとの混合溶液を、アノード触媒層に塗布した。その後、ロータリーポンプを用いて、拡散層とアノード触媒層との積層体を50℃で10分間、減圧乾燥した。以上の工程により、アノードを得た。
<Preparation of anode>
70 mg of Pt black (manufactured by Tanaka Kikinzoku) heated and oxidized at 350 ° C. for 2 hours in a muffle furnace and 1 mg of Teflon (registered trademark) powder as a binder were put into a mortar heated to 60 ° C. on a hot plate. These were kneaded. The obtained paste was rolled on a stainless steel plate heated to 120 ° C. using a stainless steel roller. Thus, an anode catalyst layer having a circular sheet shape having a diameter of 1.6 cm and a uniform thickness was obtained. Subsequently, a circular diffusion layer (product name: SGL25BC, manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) having a diameter of 1.6 cm was placed on a 50 ° C. hot plate. Then, the anode catalyst layer was placed on the diffusion layer, and a mixed solution of 50 μL of Nafion (registered trademark) dispersion liquid (product name: DE1021, manufactured by DuPont) and 300 μL of acetone was applied to the anode catalyst layer. Thereafter, the laminate of the diffusion layer and the anode catalyst layer was dried under reduced pressure at 50 ° C. for 10 minutes using a rotary pump. Through the above steps, an anode was obtained.
<固体高分子電解質膜の調製>
ナフィオン膜(製品名:nafion117、デュポン社製)を用意した。このナフィオン膜はK+型である。このため、ナフィオン膜に前処理を施して、H+型(プロトン型)に変換した。具体的には、ナフィオン膜を所定サイズで切り出し、これを3wt%H2O2水中で1時間煮沸した。これにより、ナフィオン膜に付着している有機成分を酸化除去した。この後、イオン交換水中、1M硫酸中、イオン交換水中の順で、ナフィオン膜を各1時間煮沸することで、K+をH+でイオン交換し、不純物を除去した。処理したナフィオン膜は、イオン交換水中で保存した。
<Preparation of solid polymer electrolyte membrane>
A Nafion membrane (product name: nafion 117, manufactured by DuPont) was prepared. This Nafion membrane is of the K + type. For this reason, the Nafion membrane was subjected to a pretreatment to be converted into an H + type (proton type). Specifically, the Nafion membrane was cut out in a predetermined size and boiled in 3 wt% H 2 O 2 water for 1 hour. Thus, the organic components adhering to the Nafion film were removed by oxidation. Thereafter, the Nafion membrane was boiled for 1 hour in each of ion-exchanged water, 1M sulfuric acid, and ion-exchanged water, thereby ion-exchanging K + with H + to remove impurities. The treated Nafion membrane was stored in ion-exchanged water.
<膜電極接合体の作製>
アノードを、触媒層がナフィオン膜に接するようにして、ナフィオン膜の一方の面に載置した。また、カソードを、触媒層がナフィオン膜に接するようにして、ナフィオン膜の他方の面に載置した。得られた積層体を、140℃、50MPaで10分間ホットプレスし、アノードとカソードをナフィオン膜に接着した。その後、積層体をイオン交換水に5分間浸漬し、ナフィオン膜に水を十分に染み込ませた。以上の工程により、膜電極接合体(MEA)を得た。
<Preparation of membrane electrode assembly>
The anode was placed on one side of the Nafion membrane with the catalyst layer in contact with the Nafion membrane. The cathode was placed on the other surface of the Nafion membrane such that the catalyst layer was in contact with the Nafion membrane. The obtained laminate was hot-pressed at 140 ° C. and 50 MPa for 10 minutes to bond the anode and the cathode to the Nafion membrane. Thereafter, the laminate was immersed in ion-exchanged water for 5 minutes, so that the Nafion membrane was sufficiently impregnated with water. Through the above steps, a membrane electrode assembly (MEA) was obtained.
<電解実験>
図3は、電解実験に用いた電解槽を示す模式図である。図3に示すように、作製したMEAをアノード室ANとカソード室CAとの間に挟んだ2室型電解槽を用いて、電解酸化実験を実施した。カソード室CAにイオン交換水(H2O)30mLを入れ、アノード室ANにジクロロメタン(CH2Cl2)溶液30mLおよびテフロン(登録商標)製マグネチックスターラー(図示せず)を入れた。
<Electrolysis experiment>
FIG. 3 is a schematic diagram showing an electrolytic cell used in an electrolysis experiment. As shown in FIG. 3, an electrolytic oxidation experiment was performed using a two-chamber electrolytic cell in which the produced MEA was sandwiched between an anode chamber AN and a cathode chamber CA. 30 mL of ion-exchanged water (H 2 O) was placed in the cathode chamber CA, and 30 mL of a dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) solution and a magnetic stirrer (not shown) made of Teflon (registered trademark) were placed in the anode chamber AN.
アノード室AN中の溶液をスターラーで撹拌しながら、カソード室CAおよびアノード室ANに、それぞれヘリウムガス(He)を流速(流量)40mL/分で10分間流通させた。これにより、カソード室CA内およびアノード室AN内の雰囲気をHeで置換した。その後、アノード室ANには、Heを流速40mL/分で、C3H6を流速20mL/分で10分間流通させて、アノード室AN内のHeをHeおよびC3H6の混合ガスに置換した。カソード室CAには、Heを流速40mL/分で10分間流通させた。 While stirring the solution in the anode chamber AN with a stirrer, helium gas (He) was allowed to flow through the cathode chamber CA and the anode chamber AN at a flow rate (flow rate) of 40 mL / min for 10 minutes. Thus, the atmosphere in the cathode chamber CA and the atmosphere in the anode chamber AN were replaced with He. Thereafter, He is passed through the anode chamber AN at a flow rate of 40 mL / min and C 3 H 6 at a flow rate of 20 mL / min for 10 minutes to replace He in the anode chamber AN with a mixed gas of He and C 3 H 6. did. He was allowed to flow through the cathode chamber CA at a flow rate of 40 mL / min for 10 minutes.
以上の前処理を済ませた後、アノード室ANにHeを流速10mL/分で、C3H6を流速5mL/分で流通させ、カソード室CAにHeを流速10mL/分で流通させた。そして、ポテンショスタット(P/G stat.)を用いてアノード電位を1.6Vに制御し、室温で2時間の定電位電解を実施した。 After the above pretreatment, He was passed through the anode chamber AN at a flow rate of 10 mL / min, C 3 H 6 was passed at a flow rate of 5 mL / min, and He was passed through the cathode chamber CA at a flow rate of 10 mL / min. Then, the anode potential was controlled to 1.6 V using a potentiostat (P / G stat.), And the constant potential electrolysis was performed at room temperature for 2 hours.
<液相生成物の分析>
定電位電解の終了後、アノード溶液およびコールドトラップ溶液を混合して成分を分析した。具体的には、標準物質である1−ブタノール(約20μmol)を含むジクロロメタン溶液0.5mLを混合溶液に加え、混合溶液中の各成分を、水素炎イオン化検出器(FID)を検出器としたガスクロマトグラフィーにより定量した。液相生成物の分析結果から、目的生成物であるプロピレンオキシド(PO)の生成量(収率)を得た。また、基質から生成された有機物全体のモル数に対するPOのモル数、つまり有機物選択率を算出した。C3H6を基質とした本実験では、検出される有機物はPOとアセトンであった。このため、本実験での有機物選択率は、POとアセトンの合計収量(モル数)に対するPOの収量(モル数)の割合に相当する。
<Analysis of liquid phase product>
After the completion of the constant potential electrolysis, the components were analyzed by mixing the anode solution and the cold trap solution. Specifically, 0.5 mL of a dichloromethane solution containing 1-butanol (about 20 μmol) as a standard substance was added to the mixed solution, and each component in the mixed solution was detected using a flame ionization detector (FID). It was quantified by gas chromatography. From the analysis result of the liquid phase product, the production amount (yield) of propylene oxide (PO) as the target product was obtained. In addition, the number of moles of PO relative to the total number of moles of organic matter generated from the substrate, that is, the organic matter selectivity was calculated. In this experiment using C 3 H 6 as a substrate, the organic substances detected were PO and acetone. For this reason, the organic substance selectivity in this experiment corresponds to the ratio of the yield of PO (mol) to the total yield of PO and acetone (mol).
<気相生成物の分析>
アノードにおける気相生成物(O2、CO2)およびカソードにおける気相生成物(CO2)は、熱伝導度型検出器(TCD)を検出器としたガスクロマトグラフィーにより定量した。
<Analysis of gas phase products>
Gas phase products of the anode (O 2, CO 2) and gas-phase products at the cathode (CO 2) was determined by gas chromatography using a thermal conductivity detector and (TCD) and the detector.
<アノード触媒層中のPtO量の分析>
アノード触媒層中のPtOの量は、X線光電子分光分析装置(XPS)で測定した。具体的には、XPSの測定結果に波形分離処理を施した後のデータにおいて、結合エネルギー74eV付近に位置するピークをPtO 4f7/2軌道のピークとし、全ピークに対する当該ピークの面積百分率を算出した。得られた面積百分率を、PtO量とした。
<Analysis of PtO amount in anode catalyst layer>
The amount of PtO in the anode catalyst layer was measured with an X-ray photoelectron spectrometer (XPS). Specifically, in the data obtained by subjecting the XPS measurement result to the waveform separation processing, the peak located near the binding energy of 74 eV is defined as the peak of the PtO 4f 7/2 orbit, and the area percentage of the peak with respect to all the peaks is calculated. did. The obtained area percentage was defined as the amount of PtO.
(実施例2)
Pt黒の加熱処理温度を300℃とした点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 2)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature of Pt black was set to 300 ° C.
(実施例3)
電解実験におけるアノード電位を1.2Vとした点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 3)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 1, except that the anode potential in the electrolysis experiment was 1.2 V.
(実施例4)
電解実験におけるアノード電位を1.4Vとした点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 4)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 1, except that the anode potential in the electrolysis experiment was 1.4 V.
(実施例5)
電解実験におけるアノード電位を1.5Vとした点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 5)
The MEA fabrication, electrolysis experiment and analysis were performed in the same manner as in Example 1, except that the anode potential in the electrolysis experiment was 1.5 V.
(実施例6)
電解実験におけるアノード電位を1.7Vとした点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 6)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 1, except that the anode potential in the electrolysis experiment was 1.7 V.
(実施例7)
所定の還元処理を施したPtO2(和光純薬社製)を、酸化処理を施したPt黒の代わりに用いた点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。還元処理は、25℃で2時間、5%水素気流下(Ar希釈)で実施した。
(Example 7)
MEA fabrication, electrolysis experiment and analysis were carried out in the same manner as in Example 1 except that PtO 2 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) subjected to a predetermined reduction treatment was used in place of oxidized Pt black. did. The reduction treatment was performed at 25 ° C. for 2 hours under a 5% hydrogen stream (Ar dilution).
(実施例8)
還元処理の温度を50℃とした点を除いて、実施例7と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 8)
Except that the temperature of the reduction treatment was set to 50 ° C., the MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 7.
(実施例9)
還元処理の温度を80℃とした点を除いて、実施例7と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 9)
Except that the temperature of the reduction treatment was 80 ° C., the MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 7.
(実施例10)
酸化処理を施してないPt黒を用いた点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 10)
MEA fabrication, electrolysis experiments and analysis were carried out in the same manner as in Example 1, except that Pt black not subjected to oxidation treatment was used.
(実施例11)
還元処理を施していないPtO2(和光純薬社製)をPt黒の代わりに用いた点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 11)
MEA fabrication, electrolysis experiments and analysis were carried out in the same manner as in Example 1 except that PtO 2 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) not subjected to reduction treatment was used instead of Pt black.
(実施例12)
Pd黒(和光純薬社製)をPt黒の代わりに用いた点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 12)
MEA fabrication, electrolysis experiments and analysis were carried out in the same manner as in Example 1, except that Pd black (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of Pt black.
(実施例13)
Ir黒(三津和化学薬品社製)をPt黒の代わりに用いた点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 13)
The MEA fabrication, electrolysis experiment and analysis were carried out in the same manner as in Example 1 except that Ir black (Mitsuwa Chemicals) was used instead of Pt black.
(実施例14)
還元剤としてのヒドラジンを用いて還元処理を施したPtO2を、酸化処理を施したPt黒の代わりに用いた点を除いて、実施例7と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。還元処理を施したPtO2は、以下のようにして得た。すなわち、50℃のイオン交換水20mL中にPtO2(和光純薬社製)を添加した。次いで、この溶液を攪拌しながら、ヒドラジン0.5当量を溶液に滴下した。当量とは、PtO2が100%Ptに還元される理論量を1当量としたときの量である。ヒドラジンの滴下後、溶液を30分間攪拌してPtO2に還元処理を施した。還元処理の後に溶液を吸引ろ過し、ろ物に減圧乾燥を施した。これにより、還元処理を施したPtO2を得た。
(Example 14)
MEA fabrication, electrolysis experiments and analysis were carried out in the same manner as in Example 7, except that PtO 2 subjected to reduction treatment using hydrazine as a reducing agent was used in place of Pt black subjected to oxidation treatment. . PtO 2 subjected to reduction treatment was obtained as follows. That is, PtO 2 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 20 mL of ion exchange water at 50 ° C. Then, while this solution was stirred, 0.5 equivalent of hydrazine was added dropwise to the solution. The equivalent is an amount when the theoretical amount of PtO 2 reduced to 100% Pt is one equivalent. After the addition of hydrazine, the solution was stirred for 30 minutes to reduce PtO 2 . After the reduction treatment, the solution was subjected to suction filtration, and the residue was dried under reduced pressure. Thus, PtO 2 subjected to a reduction treatment was obtained.
(実施例15)
電解実験におけるアノード電位を1.7Vとした点を除いて、実施例14と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 15)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 14, except that the anode potential in the electrolysis experiment was 1.7 V.
(実施例16)
電解実験におけるアノード電位を1.8Vとした点を除いて、実施例14と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 16)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 14, except that the anode potential in the electrolysis experiment was 1.8 V.
(実施例17)
ヒドラジンの滴下量を1当量とした点を除いて、実施例14と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 17)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 14, except that the amount of hydrazine dropped was 1 equivalent.
(実施例18)
ヒドラジンの滴下量を0.4当量とした点を除いて、実施例14と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 18)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 14, except that the amount of hydrazine dropped was 0.4 equivalent.
(実施例19)
ヒドラジンの滴下量を0.3当量とした点を除いて、実施例14と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 19)
MEA fabrication, electrolysis experiments and analysis were carried out in the same manner as in Example 14, except that the amount of hydrazine dropped was 0.3 equivalent.
(実施例20)
ヒドラジンの滴下量を0.1当量とした点を除いて、実施例14と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 20)
The MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were performed in the same manner as in Example 14, except that the amount of hydrazine added was changed to 0.1 equivalent.
(実施例21)
還元剤としてヒドラジンの代わりにNaBH4を1当量用い、還元処理温度を25℃とした点を除いて、実施例14と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Example 21)
MEA fabrication, electrolysis experiments and analysis were carried out in the same manner as in Example 14, except that 1 equivalent of NaBH 4 was used instead of hydrazine as the reducing agent, and the reduction treatment temperature was 25 ° C.
各実施例における、アノード触媒の種類、アノード電位、PtO量、目的生成物であるプロピレンオキシド(PO)の生成量(収率)および有機物選択率を表1に示す。 Table 1 shows the type of the anode catalyst, the anode potential, the amount of PtO, the amount of propylene oxide (PO) produced (yield), and the selectivity for organic substances in each example.
表1に示すように、実施例1〜13から、固体高分子形電解ユニットを用いた基質の電解酸化によって、プロピレンオキシド(エポキシ誘導体)を生成できることが確認された。また、実施例1,7,10〜13から、アノードが触媒金属としてPtOを含む場合に、エポキシ誘導体の生成量がより高まる傾向にあることが確認された。また、実施例1,2,7〜11から、アノード触媒層中のPtO量、つまりPtO 4f7/2のピーク面積比が2%以上、さらには2.4%以上であるとき、エポキシ誘導体の生成量が増加することが確認された。 As shown in Table 1, from Examples 1 to 13, it was confirmed that propylene oxide (epoxy derivative) can be produced by electrolytic oxidation of a substrate using a solid polymer electrolyte unit. Further, from Examples 1, 7, 10 to 13, it was confirmed that when the anode contained PtO as a catalyst metal, the production amount of the epoxy derivative tended to increase. Further, from Examples 1, 2, 7 to 11, when the amount of PtO in the anode catalyst layer, that is, the peak area ratio of PtO 4f 7/2 is 2% or more, and further 2.4% or more, the epoxy derivative It was confirmed that the production amount increased.
また、実施例1,3〜6から、アノード電位を1.2V超、さらには1.4V以上とすることで、エポキシ誘導体の生成量をより増加させられることが確認された。また、Pt黒を酸化してPtOに変換した実施例1〜6でも、PtO2を還元してPtOに変換した実施例7〜9,14〜20でも、処理温度や還元剤量、アノード電位の調整によって同程度に高い収率でエポキシ誘導体を合成できることが確認された。 In addition, from Examples 1, 3 to 6, it was confirmed that the amount of the epoxy derivative generated could be further increased by setting the anode potential to more than 1.2 V, and further to 1.4 V or more. In Examples 1 to 6 in which Pt black was oxidized and converted to PtO, and in Examples 7 to 9 and 14 to 20 in which PtO 2 was reduced to PtO, the processing temperature, the amount of reducing agent, and the anode potential It was confirmed that the epoxy derivative can be synthesized with the same high yield by the adjustment.
また、実施例7,14〜21から、PtO2の還元処理によってアノード触媒層を作製した場合に、有機物選択率が大きくなる傾向にあることが確認された。また、実施例8,9,14〜21から、還元性ガスを用いたPtO2の還元処理に比べて還元性ガスではなく還元剤を用いたPtO2の還元処理の方が、有機物選択率が大きくなる傾向にあることが確認された。また、実施例17,21から、還元剤としてヒドラジンを用いた場合に、NaBH4を用いた場合よりもPO収率が大きくなることが確認された。また、実施例14,17〜20から、還元剤の使用量が1当量未満の場合に有機物選択率が大きくなることが確認された。また、実施例7〜9から、還元性ガスを用いた還元処理の場合、還元温度を50℃未満、より好ましくは25℃以下とすることで、有機物選択率が顕著に大きくなることが確認された。 Further, from Examples 7, 14 to 21, it was confirmed that when the anode catalyst layer was produced by the reduction treatment of PtO 2 , the selectivity of organic substances tended to increase. Further, from Examples 8, 9, 14 to 21, the reduction of PtO 2 using a reducing agent instead of a reducing gas has a higher organic substance selectivity than the reduction processing of PtO 2 using a reducing gas. It was confirmed that there was a tendency to increase. Further, from Examples 17 and 21, it was confirmed that when hydrazine was used as the reducing agent, the PO yield was larger than when NaBH 4 was used. Also, from Examples 14, 17 to 20, it was confirmed that when the amount of the reducing agent used is less than 1 equivalent, the organic substance selectivity increases. In addition, from Examples 7 to 9, it was confirmed that in the case of a reduction treatment using a reducing gas, the organic substance selectivity was significantly increased by setting the reduction temperature to less than 50 ° C, more preferably 25 ° C or less. Was.
なお、当業者であれば、アノードの触媒金属としてPt、Pd、Irを用いた各実施例の結果から、RhおよびRuを触媒金属として用いた場合にも同様の結果が得られることを理解することができる。 It should be noted that those skilled in the art will understand from the results of the examples using Pt, Pd, and Ir as the anode catalyst metals that similar results can be obtained when Rh and Ru are used as the catalyst metals. be able to.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。以上の構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。 The embodiment of the invention has been described above in detail. The above-described embodiments are merely specific examples for implementing the present invention. The contents of the embodiments do not limit the technical scope of the present invention, and many design changes such as component changes, additions, and deletions are made without departing from the spirit of the invention defined in the claims. Is possible. In the above-described embodiment, such contents that can be changed in design are emphasized with notations such as “of the present embodiment” and “in the present embodiment”. The design change is allowed even for the contents without the. Any combination of the above components is also effective as an aspect of the present invention. The hatching attached to the cross section of the drawing does not limit the material to which hatching is applied.
10 エポキシ誘導体の製造装置、 44 供給部、 60 制御部、 100 固体高分子形電解ユニット、 110 固体高分子電解質膜、 120 カソード、 122 カソード触媒層、 130 アノード、 132 アノード触媒層。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記固体高分子形電解ユニットに基質を供給する供給部と、を備え、
前記固体高分子形電解ユニットは、前記基質を電解酸化してエポキシ誘導体を製造することを特徴とするエポキシ誘導体の製造装置。 A polymer electrolyte unit;
A supply unit for supplying a substrate to the solid polymer electrolyte unit,
The apparatus for producing an epoxy derivative, wherein the solid polymer electrolyte unit produces an epoxy derivative by electrolytically oxidizing the substrate.
アノード触媒層を含むアノードと、
カソード触媒層を含むカソードと、
前記アノードおよび前記カソードの間に設けられる固体高分子電解質膜と、を有し、
前記供給部は、前記アノードに前記基質を供給する請求項1に記載のエポキシ誘導体の製造装置。 The solid polymer electrolyte unit,
An anode including an anode catalyst layer;
A cathode including a cathode catalyst layer;
A solid polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode,
The apparatus of claim 1, wherein the supply unit supplies the substrate to the anode.
前記制御部は、前記電解酸化における電位を1.2V超とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のエポキシ誘導体の製造装置。 A control unit for controlling the potential of the solid polymer electrolyte unit,
The apparatus for producing an epoxy derivative according to claim 1, wherein the control unit sets the potential in the electrolytic oxidation to more than 1.2 V.
前記アノードに基質を供給する供給部と、を備え、
前記固体高分子形電解ユニットが前記基質を電解酸化してエポキシ誘導体を製造するエポキシ誘導体製造装置の製造方法であって、
PtO2に還元処理を施してPtOを調製し、前記PtOを前記アノード触媒層に含有させることを含むことを特徴とする製造方法。 An anode including an anode catalyst layer, a cathode including a cathode catalyst layer, and a solid polymer electrolyte unit having a solid polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode;
A supply unit for supplying a substrate to the anode,
A method for producing an epoxy derivative producing apparatus, wherein the solid polymer electrolyte unit electrolytically oxidizes the substrate to produce an epoxy derivative,
A production method, comprising: performing a reduction treatment on PtO 2 to prepare PtO, and including the PtO in the anode catalyst layer.
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