JP3485622B2 - アンモニア合成触媒およびアンモニア合成方法 - Google Patents

アンモニア合成触媒およびアンモニア合成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は窒素と水素からアンモニ
アを合成するのに適した触媒に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、アンモニアを合成するには鉄を主
成分とし、アルミナ、酸化カリウム等を助触媒として添
加した鉄触媒系が採用されているが、この触媒のアンモ
ニア合成活性は低温では発揮されず、そのために工業装
置における操業反応温度は平衡論上の不利にもかかわら
ず400〜500℃の高温を利用せざるを得ない。その
ため鉄系触媒を用いる現存のアンモニア製造法において
は反応ガスの再循環比を大きくとり、空間速度を高くす
ることが必要であり、これに伴う動力、熱伝達等の運転
経費の増大は著しい。
【0003】本発明者らは、さきに鉄、ルテニウム、オ
スミウム、およびコバルトからなる8族遷移金属のいず
れかと、アルカリ金属とを活性炭、あるいは多孔質炭素
に担持させたアンモニア合成触媒を提供した(特公昭5
4−37592号公報)。このアンモニア合成触媒は、
活性炭に担持した8族金属触媒にアルカリ金属を添加し
て調製され、200℃のような低温でもアンモニアを合
成することができるものである。その後、この触媒系に
ついてアルカリ金属に代えてアルカリ金属塩を使用し、
触媒担体として特定の表面積を有するグラファイト含有
炭素を使用するアンモニア製造方法(特公昭59−16
816号公報)が報告され、また、本発明者らも塩化ル
テニウムとアルカリ金属塩とをアルミナ担体に担持さ
せ、一酸化炭素、水による被毒の少ないアンモニア合成
触媒(Journal of Catalysis, 92, 296-304(1985), 同
305-311 (1985) )を報告した。
【0004】また、本発明者らはルテニウムカルボニ
ル、ルテニウムアセチルアセトナート等の塩素を含まな
いルテニウム化合物を出発原料とするルテニウム触媒の
調製方法(特開平2−258066号公報)を提案し
た。さらに、本発明者らはルテニウムをアルミナ担体に
担持し、促進剤として希土類元素を添加した触媒(Jour
nal of Catalysis, 136, 118-125 (1992) )、およびル
テニウムを希土類酸化物上に担持した触媒(特願平4-23
4560)を提案した。本発明者らは触媒性能の向上を鋭意
検討した結果、本願発明を完成したものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明はルテニウム系
触媒を用いてアンモニアを合成する方法において、高活
性を示す新規な触媒を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は第1成分として
ルテニウム、第2成分としてアルカリ金属、アルカリ土
類金属および希土類元素よりなる群から選ばれる1種以
上の元素を含み、該成分がフラーレンと共存した状態に
あるアンモニア合成触媒である。また、本発明は第1成
分としてルテニウム、第2成分としてアルカリ金属、ア
ルカリ土類金属および希土類元素よりなる群から選ばれ
る1種以上の元素を含み、該成分がフラーレンと共存し
た状態にある触媒を使用することを特徴とする、窒素と
水素からのアンモニア合成方法である。
【0007】本発明で使用されるフラーレンは化学式C
60、C70、C76、C78、C84、C90、C96等で表示され
る炭素巨大分子である。入手の容易さからC60ないしC
70が使用される例が多いが、これらに限定されるもので
はない。本発明の範囲を限定するものではないが、本発
明者らはフラーレンとルテニウムが共存した状態にある
触媒が有効である理由を次のように考えている。従来担
体として用いられてきた活性炭は表面にカルボニル基、
カルボキシル基等の電子吸引基を多く有することが知ら
れており、この上にルテニウムを担持してもそれ自体活
性はない(Journal of Catalysis, 27, 424 (1972))。
フラーレン等の炭素クラスターはこれらの基を含まない
純粋な炭素巨大分子であり、担体の表面に固定すること
により、電気的に中性かつ導電性の高い表面を作ること
ができる。このような表面上ではルテニウムの電子が電
子吸引基に奪われることがなく、促進剤として加えたア
ルカリ金属、アルカリ土類金属または希土類元素の酸化
物から与えられる電子をルテニウム上に有効に移すこと
ができ、触媒活性が向上すると考えられる。
【0008】フラーレンの製造法としては炭素質原料を
高温に加熱、蒸発する方法が知られているが、本発明に
おいてはフラーレンの製造方法は特に限定されない。フ
ラーレンは液体クロマトグラムによって分離精製するこ
とができ、必要に応じてC60のみ、C70のみなど単独
で、あるいは混合物の形で使用される。
【0009】第1成分としてルテニウム、第2成分とし
てアルカリ金属、アルカリ土類金属および希土類元素よ
りなる群から選ばれる1種以上の元素を含むもの、およ
びフラーレンからなる組成物はそのままでもアンモニア
合成触媒となりうるが、触媒として必要な機械的強度を
得るためにマグネシア、シリカ、アルミナ、シリカ−ア
ルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化セリウム等の無機
担体上にルテニウム、前記の第2成分、およびフラーレ
ンを担持し、触媒とすることが好ましい。また、活性炭
上にルテニウム、前記の第2成分、およびフラーレンを
担持し、触媒とすることも本発明の範囲に含まれる。担
体へのフラーレンの担持は、アルカリ金属、アルカリ土
類金属または希土類元素の担持に先だって、あるいは同
時に、あるいは後に行うことができる。また、担体への
フラーレンの担持はルテニウムの担持に先だって、同時
に、あるいは後に行うことができる。前もってルテニウ
ムをフラーレンに付加させ、しかるのちにこの付加物を
機械的強度を有する担体上に担持する方法は、ルテニウ
ムとフラーレンとの接触を確実にすることができて好ま
しい方法である。
【0010】フラーレンへのルテニウムの付加は、溶媒
中で行う。原料として使用されるルテニウム化合物は塩
化ルテニウム、ルテニウムカルボニル錯体、ルテニウム
アセチルアセトナート、ルテニウムシアン酸カリウム、
ルテニウム酸カリウム、酸化ルテニウム、硝酸ルテニウ
ム等であるが、塩素を含有しないルテニウム化合物が好
ましく、なかでもルテニウムカルボニル錯体の使用が特
に好ましい。これらのルテニウム化合物はアセトン、テ
トラヒドロフラン等の極性有機溶媒、またはトルエン等
に溶解させてフラーレンに付加させる。フラーレンに対
するルテニウムの重量比は0.05〜5倍、好ましくは
0.2〜1倍である。この付加物を担体に担持するに
は、トルエン等を溶媒とした含浸法により行う。ルテニ
ウム担持量はルテニウム金属として担体に対して0.1
〜20wt%、好ましくは1〜5wt%である。担持量
0.1wt%以下では触媒活性が低く、担持量20wt
%以上では担持量を増やしてもアンモニア合成活性の向
上が認められず、高価なルテニウムを無駄に使用するこ
ととなり、意味がない。
【0011】ルテニウムおよびフラーレンを含む触媒は
アルカリ金属を添加することによって活性化される。ア
ルカリ金属としてはナトリウム、カリウム、ルビジウ
ム、セシウムが使用されるが、特にセシウムを用いた場
合に活性化の効果が顕著である。アルカリ金属の添加は
アルカリ金属化合物の水溶液に担体を浸漬することによ
って行われる。
【0012】また、ルテニウムおよびフラーレンを含む
触媒は希土類化合物を添加することによっても活性化さ
れる。本発明でいう希土類元素とは、元素番号57のラ
ンタンから元素番号71のルテチウムまでである。これ
らの希土類元素は単独で、あるいは混合して使用するこ
とができる。希土類元素の添加は硝酸塩等の水溶性の塩
を担体に含浸担持し、次いで水素、窒素等の気流中で分
解することによって行われる。あるいは、酸化セリウム
等の希土類酸化物を直接担体として使用することもで
き、これも本発明の範囲に含まれる。
【0013】本発明の触媒は、真空排気、および/また
は水素還元処理を行う。真空排気は50℃〜600℃、
好ましくは150℃〜550℃で行う。水素還元処理は
真空排気に引き続いて、あるいは真空排気を省略して単
独で実施することができる。水素還元温度は100℃〜
700℃、好ましくは300℃〜600℃、さらに好ま
しくは400〜550℃である。水素還元の時間は、通
常0.1〜50時間、好ましくは1〜20時間である。
本発明の触媒においては、水素還元処理を行うことによ
ってそのアンモニア合成活性が飛躍的に向上する。
【0014】アンモニア合成反応は窒素と水素の混合ガ
スを触媒上で反応させることにより行う。アンモニア合
成反応における反応条件は、平衡論上低温高圧が望まし
いが、本発明の触媒は反応温度100℃〜550℃、好
ましくは300℃〜500℃である。また、反応圧力は
1〜300気圧である。空間速度は、通常1000〜1
00000/Hrである。水素と窒素のモル比は1:1
〜5:1の範囲で選択されるが、化学量論比である3:
1あるいはこれより窒素過剰側の条件が好ましい。以
下、本発明の効果を実施例により説明する。実施例にお
いては、例えばSiO2に担持したCs2OをCs2O/SiO2 のよう
に表記する。
【0015】
【実施例】
実施例1 C60のトルエン溶液とC60と等モルのルテニウムカルボ
ニルRu3(CO)12 のトルエン溶液を混合し、24hr攪拌し
てRu3(CO)12/C60付加物を調製した。C60に対するルテ
ニウム金属重量比は0.42倍であった。一方、水に浸
漬させたシリカに炭酸セシウムCs2CO3水溶液を添加し、
攪拌後蒸発により水を除去して Cs2CO3/SiO2を得た。こ
のCs2CO3/SiO2 を500℃で熱処理し、炭酸セシウムを
酸化セシウムCs2Oに変換させてCs2O/SiO2 を調製した。
次いでCs2O/SiO2 をトルエンに浸漬し、前記Ru3(CO)12/
60付加物のトルエン溶液と混合し、溶媒を除去するこ
とによってRu3(CO)12-Cs2O/C60/SiO2を調製した。ルテ
ニウム担持量はRuとして2wt%、ルテニウムとセシ
ウムのモル比は1:1であった。得られた触媒を閉鎖循
環系反応装置に1g充填し、450℃で真空排気処理を
行った。引き続いて窒素と水素の混合ガス(N2 :15
cc/min、H2 :45cc/min)で460、500、または
540℃の各温度で水素還元処理を行った。その後、同
一ガス流量で反応温度350〜500℃で活性測定を行
った。反応成績は触媒1g、1Hr当たりのアンモニア
生成モル数で表現した。反応結果を表1に示す。
【0016】比較例1 水に浸漬させた活性炭に炭酸セシウムCs2CO3水溶液を混
合し、攪拌後蒸発により水を除去して Cs2CO3/活性炭を
得た。この Cs2CO3/活性炭を500℃で熱処理し、 Cs2
O/活性炭を調製した。得られた Cs2O/活性炭をトルエン
に浸漬し、次いでRu3(CO)12 のトルエン溶液と混合し、
溶媒を除去することによってRu3(CO)12-Cs2O/ 活性炭が
得られた。ルテニウム担持量はRuとして2wt%、ル
テニウムとセシウムのモル比は1:1であった。得られ
た触媒1gを実施例1と同様にして450℃で真空排気
処理、450℃で水素還元処理を行った。その後、反応
温度400〜450℃で実施例1と同様に活性測定を行
った。反応結果を表1に示す。
【0017】比較例2 C60を添加しない他は実施例1と全く同様にしてRu3(C
O)12-Cs2O/SiO2 を調製した。得られた触媒を実施例1
と同様にして450℃で真空排気処理、460℃で水素
還元処理を行った。その後、反応温度400〜460℃
で実施例1と同様に活性測定を行った。反応結果を表1
に示す。
【0018】
【表1】 表1 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 反応温度 NH3 合成速度 [℃] [μmol/g・Hr] ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 実施例1 460℃、2Hr水素処理 400 1246 450 2620 500℃、2Hr水素処理 350 302 400 1138 450 2461 500 2842 540℃、2Hr水素処理 350 270 400 663 450 1729 500 2564 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 比較例1 450℃、2Hr水素処理 400 60 450 200 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 比較例2 460℃、2Hr水素処理 400 139 420 417 460 978 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
【0019】
【発明の効果】表1から、本発明の触媒は比較例の触媒
に比べてアンモニア合成活性が高いことが明らかであ
る。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1成分としてルテニウム、第2成分と
    してアルカリ金属、アルカリ土類金属および希土類元素
    よりなる群から選ばれる1種以上の元素を含み、該成分
    がフラーレンと共存した状態にあるアンモニア合成触
    媒。
  2. 【請求項2】 第2成分がアルカリ金属であることを特
    徴とする請求項1記載のアンモニア合成触媒。
  3. 【請求項3】 担体上に前記第1成分、第2成分および
    フラーレンを担持してなることを特徴とする請求項1ま
    たは請求項2記載のアンモニア合成触媒。
  4. 【請求項4】 第1成分としてルテニウム、第2成分と
    してアルカリ金属、アルカリ土類金属および希土類元素
    よりなる群から選ばれる1種以上の元素を含み、該成分
    がフラーレンと共存した状態にある触媒を使用すること
    を特徴とする、窒素と水素からのアンモニア合成方法。
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