JP3197020B2 - 分子ふるい炭素の製造方法 - Google Patents
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Description
ぐれた炭素材およびその製造方法に関する。更に詳しく
は、フェノール樹脂および改質剤を原料とした細孔径を
正確に制御した形状選択性のある炭素およびその製造方
法に関する。
見られないすぐれた特性、即ち比重が小さく、耐熱性、
耐薬品性、耐熱衝撃性、電気および熱伝導性、高温強
度、潤滑性および生体親和性などを有している。このこ
とから、古くから電極、耐火物、カーボンブラシ、メカ
ニカルシール、軸受などの高温構造材料や特殊機械部品
として幅広く利用されている。さらに最近の化学技術の
進歩により、電子炉用高密度黒鉛や高性能炭素繊維、生
体用バイオカーボンなど新しい機能を付与した炭素材料
が開発されている。
材料である。機能を発揮させるためには細孔組織を適切
に制御することが必要とされている。細孔組織の重要性
は以下の理由による。 (1)固体の触媒作用は表面現象であるためその活性は
第1義的には表面積に比例する。表面積を大きくかつ反
応器の運転を円滑に行うためには多孔質構造が必須であ
る。 (2)貴金属担持触媒では表面積あたりの担持率を大き
くすると金属の凝集が起こり易くなり、安定性が低下す
る。 (3)細孔径が反応する分子と同程度となると、反応す
る分子を形状、大きさで識別し特定の反応のみを起こさ
せることが可能となる。細孔径の制御による分子形状選
択性を有する触媒としてはゼオライトがその代表として
知られているが、更に耐熱性、耐薬品性等の点において
炭素材料を原料とした炭素系分子ふるい触媒用炭素材が
各方面から要望せられていた。
基本的には以下に示す4つあるいはそれらを組み合わせ
た方法で製造される。 (1)熱分解法 サランや塩化ビニリデンを制御された
条件下で熱分解する方法 (2)被覆法 活性炭や各種炭化物にピッチや樹脂を
加えて熱分解し、熱分解炭素で細孔を制御する方法。
(例えば、特開昭49−106982号公報、特開昭5
9−45914号公報など) (3)賦活法 炭化物を厳密な条件下で適度に賦活し
て細孔を拡大する方法。(例えば、特開昭53−119
5号公報など) (4)蒸着法 活性炭等を600〜900℃の温度で
ベンゼン、トルエンなどを含むガスで処理し、熱分解炭
素を細孔壁に蒸着させて細孔を縮小する方法。(例え
ば、特公昭56−130226号公報など)
り予め基本的な細孔を生成させ、次にその細孔径を目的
に合致するように微妙に調整しようとするものである。
これらの方法では基本的な細孔の生成が支配的であるた
め、原料の選定が重要であり、多くの原料の中から適切
なものを得ることは非常に困難であった。また限られた
原料の組合せしかできないため、ニーズに応じて細孔径
に制御することが出来なかったほか、細孔分布もシャー
プにできなかった。
ソフェーズ微粉末またはこれをバインダーで造粒した粒
状成形体を炭化する分子ふるい炭素の製造法が開示され
ている。これには炭素質メソフェーズ微粉末を成形する
ためのバインダーとしてフェノール樹脂を使用すること
も開示されているが、あくまで炭素質液晶のメソフェー
ズが原料であり、しかもこの分子ふるい炭素は混合ガス
分離精製用に使用するものであり、化学反応の触媒用途
については何ら触れられていない。
ノール樹脂を原料として、各目的に応じて細孔径を自由
に、しかもシャープに制御することのできる形状選択性
を有する炭素材およびその製造方法を提供することにあ
る。
解決するため鋭意検討を行った。その結果、フェノール
樹脂にアントラセン、ジヒドロアントラセン等の改質剤
を加え、炭化条件を調整することにより、精密に細孔径
が制御された形状選択性を有する炭素材が得られること
を見い出し、本発明を完成した。すなわち本発明は
ントラセン、ジヒドロアントラセン、アセナフチレンよ
りなる群より選んだ少なくとも1種の改質剤を混合して
製造した改質剤配合のフェノール樹脂を固化し、粒子径
が1.651mm〜0.540mmの範囲に粉砕した
後、炭化することを特徴とする細孔径0.3〜0.6n
mで、平均細孔径に対し0.04±0.02nmの幅の
細孔容積が占める割合が70%以上の細孔容積分布を有
し、細孔容積が0.1〜0.2cc/gである分子ふる
い炭素の製造方法であり、
で調整することにより細孔径を制御することを特徴とす
る前項1記載の分子ふるい炭素の製造方法である。
Fと略称する)又はその原料合計量80〜97重量部に
対して、ピッチ(Pと略称する)、アントラセン(AN
Tと略称する)、ジヒドロアントラセン(DHAと略称
する)、アセナフチレン(ANと略称する)、ポリビニ
ルアルコール(PVAと略称する)よりなる群より選ん
だ少なくとも1種の改質剤を20重量部以下、好ましく
は10重量部以下を添加する。フェノール樹脂への改質
剤の添加については、製造時にフェノール又はホルムア
ルデヒドに混合して添加することが好ましい。フェノー
ル樹脂はフェノールとホルムアルデヒドを1:1で混
ぜ、触媒として少量のアンモニア水を加えて、95℃程
度の温度で5時間程度放置して製造することが好まし
い。
て、細孔容積、分布を変化させることなく、細孔径を正
確に制御することができる。即ち、改質剤の添加量を多
くすることによって、細孔径を小さくすることができ
る。本発明において、平均細孔径に対し、0.04±
0.02nmの幅の細孔容積が占める割合が70%以上
の細孔容積分布を有するとは、例えば平均細孔径が0.
4nmの場合、0.34〜0.46nm又は0.38n
m〜0.42nmの範囲の細孔径容積の占める割合が、
全細孔容積の70%以上を占めることを意味する。
ールタールピッチを用い、軟化点60〜100℃、トル
エン不溶分5〜35重量%、キノリン不溶分0〜10重
量%、好ましくは、軟化点70〜90℃、トルエン不溶
分10〜15重量%、キノリン不溶分1〜3重量%を示
す中ピッチが好適である。軟化点が60℃未満のピッチ
では、炭化収率が低く、炭化時に発泡する等の問題があ
り、また100℃超のピッチでは、フェノールと混合の
際の温度条件が上昇する等の問題がある。
準フルイで10×30メッシュに粉砕する(これは10
メッシュの篩(フルイ目の開きL=1.651mm)は
通過し、30メッシュの篩上(フルイ目の開きL=0.
540mm)に残るものを意味する)。即ち、粒子径が
1.651mm〜0.540mmの範囲内に粉砕するこ
とを意味する。その後、不活性雰囲気下において、昇る
温度速度、炭化温度を正確に設定できる装置であればど
のような装置でもよいが、粉砕粒子の均一化反応とし
て、流動層型反応器等を用いるのが望ましい。
するが、好ましくは10℃/min.前後が好ましい。20
℃/min.を超えると発泡したりして細孔径の制御が困難
である。
あるが、600℃未満では細孔が充分発達せず、また1
000℃を超えると細孔径、細孔面積ともに減少し、目
的とする触媒を得ることができない。600〜1,00
0℃の温度範囲では、炭化温度の上昇に伴い、細孔径は
小さくなり、細孔容積は変化しない。
も細孔容積分布に影響を与え、高温の場合は、保持時間
が延びるにつれて、細孔容積および細孔径ともに縮小す
る。
o、Mo、Fe、Cu等の金属触媒を原料であるフェノ
ール、又はホルムアルデヒドあるいはアントラセン、ジ
ヒドロアントラセン、アセナフチレン、ポリビニルアル
コール、ピッチ等と最初から混合し炭化する混合法で
も、得られた炭化物に含浸させる含浸法でも何れでもよ
い。金属触媒を担持させる場合、混合法では、金属塩化
合物例えば硝酸ニッケルをフェノール樹脂の架橋剤であ
るホルムアルデヒドに溶解して混合すればよく、含浸法
では真空脱気した炭化物を、所定濃度の金属硝酸塩水溶
液中に浸漬すればよい。
ることにより、得られる炭素質触媒の細孔径を分布のシ
ャープさを保ったまま微妙に制御することが可能であ
る。活性炭の賦活時間、温度、水蒸気分圧などにより賦
活度を制御して、細孔径を大きくすることは従来から知
られているところであるが、この方法では分布のシャー
プさを保つことは困難であり、細孔分布がブロードにな
るのにくらべて、本発明では分布のシャープさを保った
まま細孔径を制御できる点において優れていることは明
白である。
し、Niを担持させた本発明の分子ふるい炭素質触媒を
用いたメタノールの分解反応を行ってみた所、生成物は
CO、H2 のみであり、CH4 ,H2 O,CO2 は、反
応中間体の分子の大きさが細孔径より大であるため全く
生成しなかった。これは化学反応の制御に、形状選択性
触媒を利用して、極めて有効に作用した画期的な例であ
る。
に説明するが、本発明は、この実施例に限定されるもの
ではない。
T)、ジヒドロアントラセン(DHA)、アセナフチレ
ン(AN)、ポリビニルアルコール(PVA)、コール
タールピッチ(P)の何れかの改質剤、及び硝酸ニッケ
ル水溶液を混合し、これをフェノールと1:1で混ぜ、
触媒として少量のアンモニア水を加えて、95℃で5時
間放置して、硝酸ニッケル、改質剤を混合したフェノー
ル樹脂を製造した。改質剤の添加量はフェノール樹脂の
5重量%とした。
砕して炭化した。炭化条件は窒素雰囲気中、昇温速度1
0℃/min.で炭化温度まで昇温し、15分間保持した。
炭化過程の重量減少曲線および重量減少速度を別途熱天
秤を用いて測定し、この実験値と、各成分単独で炭化す
ると仮定した計算値とを比較すると、炭化初期(200
〜500℃)で大きく異なる。これはフェノール樹脂と
改質剤の有機物との相互作用によるもので、この結果と
して、改質試料の炭化物の細孔構造はフェノール樹脂単
独炭化物の細孔構造とは異なることを示している。
スの25℃での、吸着等温線にDubinin-Astakhov式を適
用して各々のガスの極限吸着容積を求め、この極限吸着
容積がその分子径以上の容積に対応するとして求めた。
フェノール樹脂と、本発明の改質されたフェノール樹脂
の各炭化物の粒子径〜細孔容積曲線(積算値)を図1に
示す。なお図中、4.0×10−1nmの細孔容積と
は、これ以上の分子径のガスの極限吸着容積の積算値を
意味するものであり、その他のプロットも夫々その細孔
径以上の分子径のガスの吸着容積積算値である。
添加したフェノール樹脂を600℃で炭化して得られた
細孔分布である。改質剤を加えると、細孔孔が小さくな
っていることが判る。ANTを添加した物は0.4〜
0.43nmに鋭いピークを持つことが判る。
びアントラセン、ジヒドロアントラセン、アセナフチレ
ン、ポリビニルアルコール、ピッチよりなる群より選ん
だ少なくとも1種の改質剤を原料とし、原料の混合比お
よび炭化条件を調整することにより、0.3〜0.6nm
の範囲で、シャープな分布をもつ、ほぼ均一な細孔を有
する炭素系の触媒または触媒担体を得ることができる。
この触媒は形状選択性を利用したメタノール分解反応な
どの化学反応の制御に好適に使用できるものであり、そ
の炭素質の耐熱性、耐薬品性と相まって、今後の化学反
応の制御において大きな展開が期待される。
ヒドロアントラセン、アセナフチレン、ピッチの各改質
剤を添加して、600℃で炭化して得られた触媒の細孔
径〜細孔容積の細孔容積分布を示した図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 フェノール樹脂原料に、ピッチ、アント
ラセン、ジヒドロアントラセン、アセナフチレンよりな
る群より選んだ少なくとも1種の改質剤を混合して製造
した改質剤配合のフェノール樹脂を固化し、粒子径が
1.651mm〜0.540mmの範囲に粉砕した後、
炭化することを特徴とする細孔径0.3〜0.6nm
で、平均細孔径に対し0.04±0.02nmの幅の細
孔容積が占める割合が70%以上の細孔容積分布を有
し、細孔容積が0.1〜0.2cc/gである分子ふる
い炭素の製造方法。 - 【請求項2】 改質剤の量を20〜3重量部の範囲で調
整することにより細孔径を制御することを特徴とする請
求項1記載の分子ふるい炭素の製造方法。
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