JP2020089811A - 機能性構造体、触媒、エチレンガス酸化用触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する少なくとも1つの機能性物質と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記機能性物質が、Mo、Fe及びCuからなる群から選択される1種以上である第1の金属元素と、V及びCeからなる群から選択される1種以上である第2の金属元素を含み、前記担体の少なくとも前記通路に存在することを特徴とする機能性構造体。
[2]前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造の一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、かつ
前記機能性物質が、少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、[1]に記載の機能性構造体。
[3]前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、[2]に記載の機能性構造体。
[4]前記機能性物質の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、[2]又は[3]に記載の機能性構造体。
[5]前記通路の平均内径に対する前記機能性物質の平均粒径の割合が、0.1〜36であることを特徴とする、[1]〜[4]のいずれかに記載の機能性構造体。
[6]前記機能性物質の第1の金属元素が、前記機能性構造体に対して0.005質量%〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、[1]〜[5]のいずれかに記載の機能性構造体。
[7]前記機能性物質の第2の金属元素が、前記機能性構造体に対して0.00005質量%〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、[1]〜[6]のいずれかに記載の機能性構造体。
[8]前記機能性物質の平均粒径が、0.08nm〜50nmであることを特徴とする、[1]〜[7]のいずれかに記載の機能性構造体。
[9]前記拡径部の内径は、0.5nm〜50nmであることを特徴とする、[2]〜[8]のいずれかに記載の機能性構造体。
[10]前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他の機能性物質を更に備えることを特徴とする、[1]〜[9]のいずれかに記載の機能性構造体。
[11]前記担体に内在する前記少なくとも1つの機能性物質の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他の機能性物質の含有量よりも多いことを特徴とする、[10]に記載の機能性構造体。
[12]前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、[1]〜[11]のいずれかに記載の機能性構造体。
[13]前記機能性構造体は、シート状を有することを特徴とする、[1]〜[12]のいずれかに記載の機能性構造体。
[14]前記機能性物質は、金属酸化物微粒子である、[1]〜[13]のいずれかに記載の機能性構造体。
[15]前記機能性物質は、金属微粒子である、[1]〜[13]のいずれかに記載の機能性構造体。
[16][1]〜[15]のいずれかに記載の機能性構造体を含むことを特徴とする触媒。
[17][1]〜[15]のいずれかに記載の機能性構造体を含むことを特徴とするエチレンガス酸化用触媒。
図1は、本発明の実施形態に係る機能性構造体の構成を概略的に示す図であり、(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、(b)は部分拡大断面図である。なお、図1における機能性構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
これにより、機能性物質20の骨格体10内での移動がさらに規制され、機能性物質20の離脱や、機能性物質20、20同士の凝集をさらに有効に防止することができる。包接とは、機能性物質20が骨格体10に内包されている状態を指す。このとき機能性物質20と骨格体10とは、必ずしも直接的に互いが接触している必要はなく、機能性物質20と骨格体10との間に他の物質(例えば、界面活性剤等)が介在した状態で、機能性物質20が骨格体10に間接的に保持されていてもよい。
また、拡径部12は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔11a,11a同士を連通しているのが好ましい。これにより、骨格体10の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、機能性物質20の機能をより発揮させることができる。
また、機能性物質20が金属酸化物微粒子である場合、金属酸化物微粒子の第2の金属元素は、機能性構造体1に対して0.00005〜2.5質量%で含有されているのが好ましく、機能性構造体1に対して0.0005〜2.5質量%で含有されているのがより好ましく、機能性構造体1に対して0.001〜1.5質量%含有されているのがさらに好ましい。例えば、バナジウム(V)は、機能性構造体1に対して0.00005〜2.5質量%で含有されているのが好ましく、触媒構造体1に対して0.0005〜2.5質量%含有されていることがより好ましく、触媒構造体1に対して0.001〜1.5質量%含有されていることがさらに好ましい。セリウム(Ce)は、機能性構造体1に対して0.00005〜2.5質量%で含有されているのが好ましく、触媒構造体1に対して0.0005〜1.5質量%含有されていることがより好ましく、触媒構造体1に対して0.001〜0.25質量%で含有されていることがさらに好ましい。例えば、金属元素(M)がMoである場合、Mo元素の含有量(質量%)は、(Mo元素の質量)/(機能性構造体1の全元素の質量)×100で表される。
機能性構造体1は、上記のとおり、多孔質構造の骨格体10と、骨格体に内在する少なくとも1つの機能性物質20とを備える。機能性構造体1は、骨格体に内在する機能性物質20が流体と接触することにより、機能性物質20に応じた機能を発揮する。具体的に、機能性構造体1の外表面10aに接触した流体は、外表面10aに形成された孔11aから骨格体10内部に流入して通路11内に誘導され、通路11内を通って移動し、他の孔11aを通じて機能性構造体1の外部へ出る。流体が通路11内を通って移動する経路において、通路11に保持された機能性物質20と接触することによって、機能性物質20の機能に応じた反応(例えば、触媒反応)が生じる。また、機能性構造体1は、骨格体が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
図3は、図1の機能性構造体1の製造方法を示すフローチャートである。以下、骨格体に内在する機能性物質が金属酸化物微粒子である場合を例に、機能性構造体の製造方法の一例を説明する。
図3に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、機能性構造体の骨格体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
次に、準備した前駆体材料(A)に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、機能性構造体を得る。
ここでの反応メカニズムは必ずしも明らかではないが、前駆体材料(C)を原料として水熱処理を行うことにより、前駆体材料(C)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造は次第に崩れるが、前駆体材料(C)の細孔内部での金属酸化物微粒子の位置は概ね維持されたまま、構造規定剤の作用により、機能性構造体の骨格体としての新たな骨格構造(多孔質構造)が形成される。このようにして得られた機能性構造体は、多孔質構造の骨格体と、骨格体に内在する金属酸化物微粒子を備え、さらに骨格体はその多孔質構造により複数の孔が互いに連通した通路を有し、金属酸化物微粒子はその少なくとも一部分が骨格体の通路に保持されている。
また、本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料(C)を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合すること無く、前駆体材料(C)を水熱処理してもよい。
図4は、図1の機能性構造体1の変形例を示す模式図である。
図1の機能性構造体1は、骨格体10と、骨格体10に内在する機能性物質20とを備える場合を示しているが、この構成だけには限定されず、例えば、図4に示すように、機能性構造体2が、骨格体10の外表面10aに保持された他の機能性物質30を更に備えていてもよい。
[前駆体材料(A)の合成]
シリカ剤(テトラエトキシシラン(TEOS)、和光純薬工業株式会社製)と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜pH調整を行い、密閉容器内で、80〜350℃、100時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水およびエタノールで洗浄し、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1に示される種類および孔径の前駆体材料(A)を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料(A)の種類に応じて(「前駆体材料(A)の種類:界面活性剤」)以下のものを用いた。
・MCM−41:ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)(和光純薬工業株式会社製)
次に、表1に示される種類の金属酸化物微粒子を構成する金属組成に応じて、第1の金属元素および第2の金属元素を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、金属酸化物微粒子の種類に応じて(「金属酸化物微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
(第1の金属元素)
・FeOx:硝酸鉄(III)九水和物(和光純薬工業株式会社製)
・MoOx:七モリブデン酸六アンモニウム四水和物(和光純薬工業株式会社製)
・CuOx:硝酸銅(II)三水和物(和光純薬工業株式会社製)
(第2の金属元素)
・VOx:塩化バナジウム(III)(富士フイルム和光純薬(株))
・CeOx:硝酸セリウム(III)六水和物(富士フイルム和光純薬(株))
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、表1に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、80〜350℃、表1に示すpHおよび時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、100℃で12時間以上乾燥させ、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、焼成物を得た。その後、焼成物を、水素ガスの流入下で、500℃、60分間、還元処理して、表1に示す機能性構造体を得た。表1に示す骨格体と機能性物質としての金属酸化物微粒子とを有する機能性構造体を得た。
[前駆体材料(A)の合成]
実施例1と同様にして、表1に示される種類および孔径の前駆体材料(A)を得た。
次に、表1に示される、第1金属酸化物の金属元素(M1)を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。
比較例1では、MFI型シリカライトに酸化銅粉末(II)(和光純薬株式会社製)を混合し、骨格体としてのシリカライトの外表面に、機能性物質として酸化銅(II)(CuO)微粒子を付着させた機能性構造体C1を得た。機能性構造体C1は、金属を添加する工程以外は、実施例1と同様の方法で合成した。
比較例2では、酸化銅粉末(II)を酸化モリブデン(VI)粉末(和光純薬株式会社製)に代えたこと以外は、比較例1と同様の方法にて、機能性構造体C2を合成した。
比較例3では、酸化銅粉末(II)を酸化鉄粉末(III)(和光純薬株式会社製)に代えたこと以外は、比較例1と同様の方法にて、機能性構造体C3を合成した。
上記の機能性構造体について、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。
上記の機能性構造体について、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)(TITAN G2、FEI社製)を用いて、断面観察を行った。
その結果、上記実施例の機能性構造体では、ゼオライトからなる骨格体の内部に機能性物質が内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例の機能性構造体C1〜C3では、機能性物質が骨格体の外表面に付着しているのみで、骨格体の内部には存在していなかった。
また、上記実施例のうち第1の金属元素としてFeと第2の金属元素としてCeとを含有する機能性構造体について、FIB(集束イオンビーム)加工により断面を切り出し、SEM(SU8020、日立ハイテクノロジーズ社製)、EDX(X−Max、堀場製作所製)を用いて断面元素分析を行った。その結果、骨格体内部からFe元素とCe元素とが検出された。
上記TEMとSEM/EDXによる断面観察の結果から、骨格体内部に機能性物質の微粒子の存在を確認し、少なくともその主成分が鉄であることが確認された。また、セリウムも存在していることが確認された。
上記評価[A]で行った断面観察により撮影したTEM画像にて、骨格体の通路を、任意に500個選択し、それぞれの長径および短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し(N=500)、さらに内径の平均値を求めて、骨格体の通路の平均内径DFとした。また、機能性物質についても同様に、上記TEM画像から、機能性物質を、任意に500個選択し、それぞれの粒径を測定して(N=500)、その平均値を求めて、機能性物質の平均粒径DCとした。結果を表1に示す。
また、機能性物質の平均粒径及び分散状態を確認するため、SAXS(小角X線散乱)を用いて分析した。SAXSによる測定は、Spring−8のビームラインBL19B2を用いて行った。得られたSAXSデータは、Guinier近似法により球形モデルでフィッティングを行い、粒径を算出した。粒径は、第1の金属元素としてFeと第2の金属元素としてCeとを含有する機能性物質を有する機能性構造体について測定した。また、比較対象として、市販品である酸化鉄微粒子(Wako製)を還元して得た鉄微粒子をSEMにて観察、測定した。
この結果、市販品である酸化鉄微粒子を還元して得た鉄微粒子では粒径約50nm〜400nmの範囲で様々なサイズの酸化鉄微粒子がランダムに存在しているのに対し、各実施例の機能性構造体では、粒径が10nm以下の、表1における各実施例の値に応じた散乱ピークが検出された。また、SAXSの測定結果とSEM/EDXによる断面の測定結果から、骨格体内部に、粒径10nm以下の機能性物質が、粒径が揃いかつ非常に高い分散状態で存在していることが分かった。
原子数比Si/M=100(M=Mo、Fe、Cu)の添加量で、金属酸化物微粒子を骨格体内部に包接させた機能性構造体を作製し、その後、上記添加量で作製された機能性構造体の骨格体内部に包接された金属量(質量%)を測定した。
上記の機能性構造体について、機能性物質(触媒物質)がもつ触媒能(性能)を評価した。結果を表1に示す。
触媒活性は、以下の条件で評価した。
まず、機能性構造体を、常圧流通式反応装置に0.5g充填し、エチレン4μl/min、キャリアガス窒素ガス(N2)(5ml/min)を混合したガスを流通し、100〜700℃の範囲で20℃/minで昇温しながら、1時間、エチレンの酸化分解反応を行った。
反応終了後に、回収した生成ガスおよび生成液を、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC/MS)により成分分析した。なお、生成ガスの分析装置には、TRACE 1310GC(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器:熱伝導度検出器)を用い、生成液の分析装置には、TRACE DSQ(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器:質量検出器、イオン化方法:EI(イオン源温度250℃、MSトランスファーライン温度320℃、検出器:熱伝導度検出器))を用いた。
エチレンの減少が開始した(すなわち、エチレンの酸化分解反応が開始した)反応温度を求め、評価基準とした。
本実施例では、220℃未満で反応を開始した場合を、触媒活性が良好であると判定して「○」、220℃以上で反応を開始した場合を、触媒活性が劣る(不可)と判定して「×」とした。
10 骨格体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 機能性物質
30 機能性物質
DC 平均粒径
DF 平均内径
DE 内径
Claims (17)
- ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、
前記担体に内在する少なくとも1つの機能性物質と、
を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記機能性物質が、Mo、Fe及びCuからなる群から選択される1種以上である第1の金属元素と、V及びCeからなる群から選択される1種以上である第2の金属元素を含み、前記担体の少なくとも前記通路に存在することを特徴とする機能性構造体。 - 前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造の一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、かつ
前記機能性物質が、少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、請求項1に記載の機能性構造体。 - 前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、請求項2に記載の機能性構造体。
- 前記機能性物質の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、請求項2又は3に記載の機能性構造体。
- 前記通路の平均内径に対する前記機能性物質の平均粒径の割合が、0.1〜36であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記機能性物質の第1の金属元素が、前記機能性構造体に対して0.005質量%〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記機能性物質の第2の金属元素が、前記機能性構造体に対して0.00005質量%〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記機能性物質の平均粒径が、0.08nm〜50nmであることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記拡径部の内径は、0.5nm〜50nmであることを特徴とする、請求項2〜8のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他の機能性物質を更に備えることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記担体に内在する前記少なくとも1つの機能性物質の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他の機能性物質の含有量よりも多いことを特徴とする、請求項10に記載の機能性構造体。
- 前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記機能性構造体は、シート状を有することを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記機能性物質は、金属酸化物微粒子である、請求項1〜13のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 前記機能性物質は、金属微粒子である、請求項1〜13のいずれか1項に記載の機能性構造体。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載の機能性構造体を含むことを特徴とする触媒。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載の機能性構造体を含むことを特徴とするエチレンガス酸化用触媒。
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