JP4341915B2 - Hydrogen separation material and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、水素分離材、及び水素分離材の製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、水素透過速度が高い水素分離膜を備えた水素分離材(多孔質材)、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen separator and a method for producing the hydrogen separator. More specifically, the present invention relates to a hydrogen separation material (porous material) provided with a hydrogen separation membrane having a high hydrogen permeation rate, and a method for producing the same.

多孔質セラミックス膜は、耐熱性、耐薬品性等の点において優れているため、高温におけるガス分離や各種有機溶剤混合物の分離などへの応用が図られている。膜を利用するガス分離装置は、相変化を伴わず、装置や操作の簡略化が期待でき、また連続運転が可能である等の利点を有し、省エネルギー型装置として期待されている。
このような多孔質セラミックス膜の構成要素として、高珪酸成分ガラス(例えば、バイコールガラス)が挙げられる。該ガラス製の膜は、耐熱性及び耐食性には優れている。しかし、孔径が約40オングストローム以上と大きいため、水素などの分離に用いる場合にはその分離係数が低いという欠点がある。そこで、このような高珪酸成分ガラスを支持体として、その表面に孔径のより小さな薄膜状の水素分離層を形成させることが検討されている。このような水素を選択的に透過し得る薄膜分離層の製膜法としては、ゾル・ゲル法、CVD法、水熱合成法、電極酸化法などが提案されている。これらの各方法の中でゾル・ゲル法(非特許文献1参照)又はシランや塩化物を用いたCVD法により製膜されたシリカ薄膜が高い分離性能が得られると報告されている。また、特許文献1及び3には、このような分離膜の耐久性を向上するためにシランカップリング剤によりその表面を処理する方法が開示されている。それでもなお、水素ガス分離装置として用いるにはより高い水素分離性能が求められている。
Since the porous ceramic film is excellent in terms of heat resistance, chemical resistance, etc., it is applied to gas separation at high temperature and separation of various organic solvent mixtures. A gas separation device using a membrane is expected as an energy-saving device because it does not involve phase change, can be expected to simplify the device and operation, and can be continuously operated.
As a constituent element of such a porous ceramic film, high silicate component glass (for example, Vycor glass) can be mentioned. The glass film is excellent in heat resistance and corrosion resistance. However, since the pore diameter is as large as about 40 angstroms or more, there is a disadvantage that the separation factor is low when used for separation of hydrogen and the like. Therefore, it has been studied to form a thin-film hydrogen separation layer having a smaller pore diameter on the surface of such a high silicate glass as a support. As a method for forming such a thin film separation layer that can selectively permeate hydrogen, a sol-gel method, a CVD method, a hydrothermal synthesis method, an electrode oxidation method, and the like have been proposed. Among these methods, it is reported that a silica thin film formed by a sol-gel method (see Non-Patent Document 1) or a CVD method using silane or chloride can provide high separation performance. Patent Documents 1 and 3 disclose a method of treating the surface with a silane coupling agent in order to improve the durability of such a separation membrane. Nevertheless, higher hydrogen separation performance is required for use as a hydrogen gas separator.

このため、特許文献2では、水素分離性能を高めるために、シリカゾル中に周期律表第8族金属を導入してシリカ膜を形成、又はシリカ膜を周期律表第8族金属含有溶液中に浸漬して膜に該金属を導入した水素分離材が開示されている。この周期律表第8族金属をシリカ膜に含有することによって、該金属が水素親和性に優れるために、シリカ膜に対する水素の親和性が増大し、該金属を介して細孔内壁面にて水素の拡散が活性化し、水素の選択透過性を向上することができるとされている。   For this reason, in Patent Document 2, in order to improve the hydrogen separation performance, a group 8 metal of the periodic table is introduced into the silica sol to form a silica film, or the silica film is added to the group 8 metal-containing solution of the periodic table. A hydrogen separation material in which the metal is introduced into the membrane by immersion is disclosed. By including this group 8 metal in the periodic table in the silica film, the metal has excellent hydrogen affinity, so the affinity of hydrogen to the silica film is increased, and on the inner wall surface of the pore through the metal. It is said that hydrogen diffusion is activated and hydrogen permselectivity can be improved.

特開2001−29760号公報JP 2001-29760 A 特開2001−120969号公報JP 2001-120969 A 特開2002−248326号公報JP 2002-248326 A 浅枝正司著「触媒」触媒学会発行(1994年)、第36巻、第4号、第238〜245頁Shoji Asaeda "Catalyst", Catalysis Society of Japan (1994), Vol. 36, No. 4, pp. 238-245

しかしながら、シリカ骨格内に金属粒子を導入しようとするとシリカゲル中に金属粒子を微細で均一に分散させることが困難であるため、金属粒子が凝集し、大きくなる傾向にある。このため、シリカ膜の細孔径に対する金属粒子径の比率が大きくなり、結果、細孔を一部閉塞して水素透過速度が低くなる虞がある。或いは、シリカ膜を金属溶液に浸漬することで、シリカ膜表面及び細孔内に金属粒子を導入しようとすると、金属粒子よりも大きい細孔径を有するシリカ膜、例えば、平均細孔径が1nm以上のシリカ膜を用いる必要があるため、シリカ膜自体の水素分離性能は低くなる。
そこで本発明は、かかる従来の課題を解決すべく開発されたものであり、水素分離性能、即ち、水素選択透過性及び水素透過速度の高い水素分離材及びその製造方法を提供することを目的とする。
However, if it is attempted to introduce metal particles into the silica skeleton, it is difficult to finely and uniformly disperse the metal particles in the silica gel, so that the metal particles tend to aggregate and become larger. For this reason, the ratio of the metal particle diameter to the pore diameter of the silica membrane increases, and as a result, there is a possibility that the pores are partially blocked and the hydrogen permeation rate is lowered. Alternatively, by immersing the silica film in a metal solution, when trying to introduce metal particles into the silica film surface and pores, a silica film having a larger pore diameter than the metal particles, for example, an average pore diameter of 1 nm or more Since it is necessary to use a silica membrane, the hydrogen separation performance of the silica membrane itself is lowered.
Therefore, the present invention has been developed to solve such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen separation material having a high hydrogen permselectivity and a high hydrogen permeation rate, and a method for producing the same. To do.

本発明により提供される水素分離材の製造方法は、多孔体を用意する工程と、錯体を担持する工程とを含む。ここで、多孔体用意工程では、少なくともその一部に、孔径が水素を選択的に透過し得るサイズである水素分離層(即ち、水素分離膜)を有する多孔体を用意する。また、錯体担持工程は、その多孔体の水素分離層(典型的には表面層)に、長周期型の周期表第5族、8族、9族及び10族のいずれかに属する元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を中心金属の少なくとも一つとする錯体を担持させる。そして、前記錯体担持工程中及びその後にも焼成処理を含まないことにより、前記水素分離層の外面及びその細孔内壁面に前記錯体が担持されていることを特徴とする水素分離材、を製造する方法であるThe method for producing a hydrogen separator provided by the present invention includes a step of preparing a porous body and a step of supporting a complex. Here, in the porous body preparation step, a porous body having a hydrogen separation layer (that is, a hydrogen separation membrane) having a pore size that can selectively permeate hydrogen is prepared at least in part. In addition, the complex supporting step is composed of an element belonging to any of Group 5, Group 8, Group 9 and Group 10 of the long-period type periodic table in the porous hydrogen separation layer (typically the surface layer). A complex having at least one metal element selected from the group as at least one central metal is supported . And producing a hydrogen separation material characterized in that the complex is supported on the outer surface of the hydrogen separation layer and the inner wall surface of the pores by including no firing treatment during and after the complex supporting step. It is a method to do .

かかる構成の方法では、多孔体に、錯体を担持させる。錯体は、多孔体の表面に大きく凝集することなく微細で均一に高分散させることが可能であり、その担持体の粒径が比較的小さい。このため、孔径が水素を選択的に透過し得るサイズである水素分離層を有する多孔体を用いて、金属錯体粒子を多孔体の水素分離層の外面及びその細孔内に担持させても、水素分離層(典型的には表面層)の細孔径が保持され、水素透過性に影響をほぼ与えない。このため、水素の透過速度低下が防止される。また、錯体は、長周期型の周期表第5族、8族、9族及び10族元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を中心金属の少なくとも一つとする。このような金属は、水素に対する親和性が高い。従って、本発明の方法によると、水素分離層(典型的には表面層)の細孔内における水素濃度を高め、水素透過速度が向上した水素分離材を提供することができる。   In the method having such a configuration, the complex is supported on the porous body. The complex can be finely and uniformly highly dispersed without large aggregation on the surface of the porous body, and the particle size of the carrier is relatively small. Therefore, using a porous body having a hydrogen separation layer having a pore size that can selectively permeate hydrogen, even if the metal complex particles are supported on the outer surface of the hydrogen separation layer of the porous body and in the pores, The pore diameter of the hydrogen separation layer (typically the surface layer) is maintained, and the hydrogen permeability is hardly affected. For this reason, a reduction in hydrogen permeation rate is prevented. In addition, the complex has at least one metal element selected from the group consisting of Group 5, Group 8, Group 9, and Group 10 elements of the long-period type periodic table as at least one central metal. Such a metal has a high affinity for hydrogen. Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to provide a hydrogen separation material in which the hydrogen concentration in the pores of the hydrogen separation layer (typically the surface layer) is increased and the hydrogen permeation rate is improved.

好ましくは、前記錯体の中心金属は、前記のうち、Rh、Ru、Pd、Pt、Ir、V、Ni、Co、及びFeからなる群から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。特にこのうち、前記錯体が、Pdを中心金属として含むものであることが好ましい。これら金属(特にPd)は、特に水素に対する親和性に優れ、水素透過速度を向上する効果に優れている。また、Coのような卑金属は、水素透過速度向上効果に優れているとともに、経済的である点で好ましい。   Preferably, the central metal of the complex is at least one selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd, Pt, Ir, V, Ni, Co, and Fe among the above. Among these, it is preferable that the complex contains Pd as a central metal. These metals (particularly Pd) are particularly excellent in affinity for hydrogen and excellent in the effect of improving the hydrogen permeation rate. A base metal such as Co is preferable because it is excellent in the effect of improving the hydrogen permeation rate and is economical.

ここで用いられる前記錯体は、アセタト錯体及び/又はアセチルアセトナト錯体であることが好ましい。これら錯体は、いずれも適度な反応性を発揮し、中心金属を前記多孔体の水素分離層(典型的には表面層)に容易に、微細かつ均一に担持させることができる。   The complex used here is preferably an acetate complex and / or an acetylacetonato complex. All of these complexes exhibit moderate reactivity, and the central metal can be easily and finely and uniformly supported on the hydrogen separation layer (typically the surface layer) of the porous body.

かかる方法の好ましい態様において、前記多孔体の表面層は、前記錯体担持工程前に、少なくとも前記水素分離層に対して表面活性化処理を施す。本明細書において、「表面活性化処理」とは、少なくとも水素分離層における多孔体の表面を化学的又は物理的に変化させ、その表面における錯体との反応性を活性化させ得る処理をいう。従って、かかる構成により、錯体が担持されるサイトを活性化、又は増加させ、錯体担持処理時間及び錯体担持量を制御することができる。このような表面活性化処理としては、例えば、熱処理、レーザー処理、プラズマ処理、酸処理、及び界面活性剤処理のうちのいずれかを含むことが好ましい。特にこのうち、プラズマ処理が多孔体の水素分離層にヒドロキシサイトを形成し、中心金属との配位結合を容易とするために好適である。   In a preferred embodiment of this method, the surface layer of the porous body is subjected to a surface activation treatment on at least the hydrogen separation layer before the complex supporting step. In this specification, the “surface activation treatment” refers to a treatment that can chemically or physically change at least the surface of the porous body in the hydrogen separation layer and activate the reactivity with the complex on the surface. Therefore, with such a configuration, the site where the complex is supported can be activated or increased, and the complex support treatment time and the complex support amount can be controlled. Such surface activation treatment preferably includes, for example, any one of heat treatment, laser treatment, plasma treatment, acid treatment, and surfactant treatment. Among these, the plasma treatment is particularly suitable for forming a hydroxy site in the porous hydrogen separation layer and facilitating the coordinate bond with the central metal.

また、前記錯体担持工程では、前記錯体を含有する溶液に前記多孔体を浸漬することが好ましい。単なる浸漬によって、容易に錯体を多孔体の水素分離層(典型的には表面層)に担持させることができる。また、錯体は、浸漬によっても、凝集が抑制されており、水素分離層の外面及び細孔内に高分散かつ均一に担持させることができる。   In the complex supporting step, the porous body is preferably immersed in a solution containing the complex. The complex can be easily supported on the porous hydrogen separation layer (typically the surface layer) by simple immersion. Moreover, aggregation is suppressed also by the immersion, and the complex can be highly dispersed and uniformly supported on the outer surface and pores of the hydrogen separation layer.

ここで開示される方法の好ましい形態は、前記多孔体の水素分離層がシリカで構成され、前記溶液の溶媒が有機溶剤である。シリカは、耐水性が低く、水への浸漬によって、その構造が変化して水素の分離性能が低下する虞がある。かかる構成では、シリカ製水素分離層(例えば多孔体全体がシリカであり得る)を多孔体として用いても、錯体を含有する溶液の溶媒が有機溶剤であるため、浸漬によるシリカ骨格の構造変化が防止される。このため、水素透過性に影響を与えることなく、錯体をシリカ構成部分に担持させることができる。   In a preferred embodiment of the method disclosed herein, the hydrogen separation layer of the porous body is composed of silica, and the solvent of the solution is an organic solvent. Silica has low water resistance, and its structure is changed by immersion in water, and there is a possibility that the hydrogen separation performance is lowered. In such a configuration, even if a silica hydrogen separation layer (for example, the entire porous body may be silica) is used as the porous body, the solvent of the solution containing the complex is an organic solvent. Is prevented. For this reason, the complex can be supported on the silica constituent portion without affecting the hydrogen permeability.

ここで開示される方法の他の好ましい形態は、前記多孔体の表面層がシラザンであって、前記溶液の溶媒が水である。シラザンは、シリカと異なり耐水性が高い。このため、取り扱いの容易な水を用いて、容易に金属を水素分離層に担持させることができる。   In another preferred embodiment of the method disclosed herein, the surface layer of the porous body is silazane, and the solvent of the solution is water. Silazane has high water resistance unlike silica. For this reason, the metal can be easily supported on the hydrogen separation layer using water that is easy to handle.

ここで開示される方法は、前記錯体担持工程中及びその後には、焼成処理を含まない方法である。
の方法では、錯体を多孔体水素分離層の細孔内壁及び外面と反応して結合させ、焼成処理を行わない。従って、製造コストが低減される。さらに、焼成処理による金属錯体粒子の凝集を防止し、高い水素透過速度を保持し得る。また、多孔体として、焼失され得る有機多孔体の使用が可能である。
How disclosed herein, the prior SL in the complex carrying process and then, a method including no sintering process.
The way this, complex reaction was allowed to bind to the pore inner wall and the outer surface of the porous hydrogen separation layer, does not perform the baking process. Therefore, the manufacturing cost is reduced. Furthermore, aggregation of the metal complex particles due to the firing treatment can be prevented, and a high hydrogen permeation rate can be maintained. Moreover, it is possible to use an organic porous material that can be burned out as the porous material.

また、本発明は他の側面として、前記いずれかの方法によって得られた水素分離材を提供する。かかる水素分離材は、高い水素透過速度を有し、従って、効率的に水素を分離することができる。   Moreover, this invention provides the hydrogen separation material obtained by one of the said methods as another side surface. Such a hydrogen separator has a high hydrogen permeation rate, and thus can efficiently separate hydrogen.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、多孔体及び錯体の構成、その担持方法、並びに前処理方法の構成等)以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In addition, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification (for example, the constitution of the porous body and the complex, the supporting method thereof, the constitution of the pretreatment method, etc.) and matters necessary for carrying out the present invention are as follows: It can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

本発明の水素分離材の製造方法は、水素を選択的に透過し得るサイズの孔径の水素分離層を有する多孔体(典型的には表面層として水素分離層を有する多孔体)に所定の金属を中心金属とする錯体を担持すればよく、種々の構成をその目的のために適用することができる。従って、前記錯体を担持する以外の構成にあっては、従来公知の水素分離材の製造方法にしたがって実施することができる。   The method for producing a hydrogen separation material of the present invention comprises a porous body having a hydrogen separation layer having a pore size that can selectively permeate hydrogen (typically a porous body having a hydrogen separation layer as a surface layer) and a predetermined metal. It is sufficient to support a complex having a central metal, and various structures can be applied for that purpose. Therefore, in the configuration other than carrying the complex, it can be carried out according to a conventionally known method for producing a hydrogen separator.

本発明において用いられる多孔体は、従来公知のいずれの組成から構成されるものであってもよく、特に限定されない。例えば、各種セラミック多孔体が挙げられる。多孔体を構成するセラミックとしては、シリカ、シラザン、ジルコニア、αーアルミナ、ゼオライト、窒化珪素、或いはこれらの複合物又は混合物から形成された多孔体が挙げられる。また、有機質の多孔体、例えば、ポリアミド、ポリイミドを用いることもできる。特に、採用する多孔体としては、その全体が水素を選択的に透過し得るサイズである細孔径を有する多孔質構造からなっていてもよいが、多孔体全体の機械的強度及び耐久性向上のために、機械的強度及び耐久性(例えば、耐蝕性、耐熱性、耐酸性、耐湿性)の高い細孔径の比較的大きい支持層と、水素を選択的に透過し得るサイズの細孔径を有する水素分離層とを有する積層構造体であることが好ましい。水素分離層は、表面層であることが特に好ましい。また、支持層と水素分離層との細孔径のギャップを低減するために、一層又は二層以上の中間層を有していてもよい。尚、これら支持層、水素分離層(典型的には表面層)、及び所望により中間層の組成は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。   The porous body used in the present invention may be composed of any conventionally known composition, and is not particularly limited. For example, various ceramic porous bodies are mentioned. Examples of the ceramic constituting the porous body include a porous body formed from silica, silazane, zirconia, α-alumina, zeolite, silicon nitride, or a composite or mixture thereof. An organic porous material such as polyamide or polyimide can also be used. In particular, the porous body to be adopted may be composed of a porous structure having a pore diameter that is a size that can selectively permeate hydrogen, but it improves mechanical strength and durability of the entire porous body. Therefore, it has a support layer having a relatively large pore size with high mechanical strength and durability (for example, corrosion resistance, heat resistance, acid resistance, moisture resistance) and a pore size of a size capable of selectively permeating hydrogen. A laminated structure having a hydrogen separation layer is preferable. The hydrogen separation layer is particularly preferably a surface layer. Moreover, in order to reduce the pore diameter gap between the support layer and the hydrogen separation layer, one or more intermediate layers may be provided. The composition of the support layer, the hydrogen separation layer (typically the surface layer), and optionally the intermediate layer may be the same or different.

支持層としては、水素分離材の使用目的、用途に応じて種々の気孔率又は平均細孔径をとり得るが、好ましくは気孔率が約20〜60%、より好ましくは約30〜40%程度であって、平均細孔径(水銀圧入法に基づく)が好ましくは約4〜1000nm、より好ましくは約4〜100nmである。また、支持層の厚さは、特に制限されないが、好ましくは10nm〜10000μm、より好ましくは10nm〜2000μm程度が機械的強度を保持するために望ましい。支持層は、セラミック体であることが好ましく、特に、αーアルミナ、シリカ、ジルコニアなどが機械的強度及び耐熱性などが良好であるために好適である。   The support layer can have various porosity or average pore diameter depending on the purpose and application of the hydrogen separator, but preferably the porosity is about 20 to 60%, more preferably about 30 to 40%. The average pore diameter (based on the mercury intrusion method) is preferably about 4 to 1000 nm, more preferably about 4 to 100 nm. The thickness of the support layer is not particularly limited, but is preferably about 10 nm to 10,000 μm, more preferably about 10 nm to 2000 μm in order to maintain mechanical strength. The support layer is preferably a ceramic body, and α-alumina, silica, zirconia, and the like are particularly preferable because of their good mechanical strength and heat resistance.

また、水素を選択的に透過し得るサイズの孔径を有する水素分離層における気孔率は、特に限定はされないが、好ましくは気孔率が約10〜50%、より好ましくは約15〜30%程度である。特に、孔径分布が狭く、多くの細孔が水素を選択的に透過し得るサイズであることが必要であり、平均細孔径(水銀圧入法に基づく)は、水素分子の分子径(約0.289nm)が選択的に透過するサイズに適するように、好ましくは約0.3〜10nm、より好ましくは約0.3〜5nm、さらに好ましくは0.3〜1nm、特に好ましくは0.3〜0.5nm程度である。
採用する多孔体の水素分離層は、前記いずれのセラミック又は有機質のものから構成されていてもよいが、シリカ、シラザンなどの珪素化合物、ポリイミドなどの有機化合物が好適であり、特にこのうちシリカを用いることが適当なサイズの細孔径を得ることができるために好ましい。また、水素分離層(膜)の厚さは、特に制限されないが、好ましくは10〜1000nm、より好ましくは10〜200nm程度が効率のよい良好な水素透過性を得ることができるために望ましい。
The porosity of the hydrogen separation layer having a pore size that can selectively permeate hydrogen is not particularly limited, but preferably the porosity is about 10 to 50%, more preferably about 15 to 30%. is there. In particular, it is necessary that the pore size distribution is narrow and that many pores are selectively permeable to hydrogen, and the average pore size (based on the mercury intrusion method) is the molecular size of hydrogen molecules (about 0.1. 289 nm) is preferably about 0.3 to 10 nm, more preferably about 0.3 to 5 nm, still more preferably 0.3 to 1 nm, and particularly preferably 0.3 to 0, so as to be suitable for a selectively transmitting size. About 5 nm.
The porous hydrogen separation layer to be employed may be composed of any of the above-mentioned ceramics or organic ones, but silicon compounds such as silica and silazane, and organic compounds such as polyimide are preferred, and of these, silica is particularly preferred. It is preferable to use it because a pore size having an appropriate size can be obtained. The thickness of the hydrogen separation layer (membrane) is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 nm, and more preferably about 10 to 200 nm, because it is possible to obtain efficient and good hydrogen permeability.

中間層は、これら支持層と水素分離層(好ましくは表面層)との細孔径のギャップを縮小するために、これら層の細孔径の間の平均細孔径を有するものを用いることができる。従って、中間層の平均細孔径の範囲は、用いる支持層及び表面層の平均細孔径によって異なるが、例えば、1〜100nm程度の平均細孔径(水銀圧入法に基づく)を有することができる。中間層としては、特に限定されず、前記セラミック又は有機質のものを適宜選択して用いることができるが、好ましくは、機械的強度及び耐久性(耐熱性など)が良好なαーアルミナ、γーアルミナ、シリカ、及び/又はジルコニアが挙げられる。このうち特にγーアルミナが好適である。また、その厚さは、特に制限されないが、好ましくは0.1〜1000μm、より好ましくは1〜500μm、特に好ましくは1〜100μm程度が機械的強度向上のために望ましい。
このような中間層及び水素分離層は、従来公知の種々の方法により、多孔体(支持層を構成する基材)上に形成することができ、その方法はいずれも限定されない。例えば、中間層(例えばアルミナ中間層)の形成方法としては、中間層を形成するゾル(例えば、ベーマイトゾル)を支持層にディップコーティングして支持層表面にゲル膜を形成し、これを乾燥、焼成するゾル・ゲル法、または、中間層を形成する粒子(例えば、アルミナ粒子)を分散させた溶液中に支持層をディップコーティングして支持層表面に担持させ、これを乾燥、焼成する方法が挙げられる。
In order to reduce the pore size gap between the support layer and the hydrogen separation layer (preferably the surface layer), an intermediate layer having an average pore size between the pore sizes of these layers can be used. Therefore, although the range of the average pore diameter of the intermediate layer varies depending on the average pore diameter of the support layer and the surface layer to be used, it can have an average pore diameter (based on the mercury intrusion method) of about 1 to 100 nm, for example. The intermediate layer is not particularly limited, and the ceramic or organic material can be appropriately selected and used. Preferably, α-alumina, γ-alumina having good mechanical strength and durability (heat resistance, etc.), Silica and / or zirconia can be mentioned. Of these, γ-alumina is particularly preferred. The thickness is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 1000 μm, more preferably 1 to 500 μm, and particularly preferably about 1 to 100 μm for improving the mechanical strength.
Such an intermediate layer and a hydrogen separation layer can be formed on the porous body (base material constituting the support layer) by various conventionally known methods, and the methods are not limited. For example, as a method for forming an intermediate layer (for example, alumina intermediate layer), a sol (for example, boehmite sol) for forming the intermediate layer is dip coated on the support layer to form a gel film on the surface of the support layer, and this is dried. A sol-gel method for firing, or a method in which a support layer is dip-coated in a solution in which particles forming an intermediate layer (for example, alumina particles) are dispersed and supported on the surface of the support layer, followed by drying and firing. Can be mentioned.

また、多孔体の支持層(所望により中間層を形成した場合には該中間層)上に水素分離層を形成する方法としては、例えば、水素分離層(例えばシリカ層)を形成するゾル(例えば、低級アルコキシシラン)を支持層(所望により中間層を形成した場合には該中間層)にディップコーティングして支持層(又は中間層)表面にゲル膜を形成し、これを焼成するゾル・ゲル法が挙げられる。また、ポリシラザンから水素分離膜を構成するシリカ膜を形成する方法が挙げられる。即ち、ポリシラザンは、例えば、ジハロシラン(RSiHX)或いは該ジハロシランと他のジハロシラン(RSiX)との混合物をアンモニアと反応させることによって、シラザンオリゴマーを得ることができる。尚、ここで、R、R、及びRは、互いに異なる炭化水素基又は水素であり、Xは、互いに同じであっても異なっていてもよく、ハロゲン原子、例えば、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素からなる群から選ばれる。次いで、塩基性触媒の存在下で、得られたシラザンオリゴマーを処理し、珪素原子に隣接する窒素原子の脱水素を行い、シラザンオリゴマーが相互に脱水素架橋して成るポリシラザンを形成する。このようにして得られたポリシラザン又は市販のポリシラザンを含有する溶液を支持層(所望により中間層を形成した場合には該中間層)に所望の厚さ(例えば、1〜3μm)で塗布し、乾燥及び空気(酸化性)雰囲気下において焼成することによって、シリカ膜を形成することができる。或いは、ポリシラザンから水素分離膜を構成するシラザン膜を形成する方法が挙げられる。即ち、前記のようにして得られたポリシラザン又は市販のポリシラザンを含有する溶液を支持層(所望により中間層を形成した場合には該中間層)に所望の厚さ(例えば、1〜3μm)で塗布し、乾燥及び不活性(非酸化性)雰囲気下において焼成することによって、シラザン膜を形成することができる。 Further, as a method for forming a hydrogen separation layer on a porous support layer (if the intermediate layer is formed if desired), for example, a sol for forming a hydrogen separation layer (for example, a silica layer) (for example, , Lower alkoxysilane) is dip-coated on the support layer (or intermediate layer if an intermediate layer is formed if desired) to form a gel film on the surface of the support layer (or intermediate layer), and the sol-gel is fired Law. Moreover, the method of forming the silica membrane which comprises a hydrogen separation membrane from polysilazane is mentioned. That is, for example, polysilazane can be obtained by reacting ammonia with a dihalosilane (R 1 SiHX 2 ) or a mixture of the dihalosilane and another dihalosilane (R 2 R 3 SiX 2 ). Here, R 1 , R 2 , and R 3 are different hydrocarbon groups or hydrogen, and X may be the same or different from each other, and may be a halogen atom such as fluorine, chlorine, Selected from the group consisting of bromine and iodine. Next, the resulting silazane oligomer is treated in the presence of a basic catalyst to dehydrogenate nitrogen atoms adjacent to the silicon atom to form polysilazane formed by dehydrogenative crosslinking of the silazane oligomers. A solution containing the polysilazane thus obtained or a commercially available polysilazane is applied to the support layer (if the intermediate layer is formed if desired, the intermediate layer) at a desired thickness (for example, 1 to 3 μm), A silica film can be formed by firing in a dry and air (oxidizing) atmosphere. Or the method of forming the silazane film | membrane which comprises a hydrogen separation film | membrane from polysilazane is mentioned. That is, a solution containing the polysilazane obtained as described above or a commercially available polysilazane is formed on the support layer (if the intermediate layer is formed if desired, the intermediate layer) at a desired thickness (for example, 1 to 3 μm). A silazane film can be formed by applying, baking and baking in an inert (non-oxidizing) atmosphere.

これら支持層、水素分離層、及び所望により中間層から構成される多孔体の形状は、特に限定されず、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、中空糸膜、フィルム状又はシート状であることができる。このうち特に、水素分離効率の高い中空糸膜形状であることが好ましい。
また、多孔体の水素分離層は、所望により、錯体担持工程前に表面活性化処理を施されていてもよい。このような処理としては、特に限定されず、従来公知のいずれの表面活性処理でも行い得る。例えば、熱処理、レーザー処理、プラズマ処理、酸処理、界面活性剤処理などが挙げられる。このうち特に、プラズマ処理が好ましい。多孔体の水素分離層は、表面活性化処理を施すことにより、錯体の担持処理時間や担持量を調整することができる。
The shape of the porous body composed of the support layer, the hydrogen separation layer, and if necessary, the intermediate layer is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the application. For example, it can be a hollow fiber membrane, film or sheet. Among these, a hollow fiber membrane shape with high hydrogen separation efficiency is particularly preferable.
Further, the porous hydrogen separation layer may be subjected to a surface activation treatment before the complex supporting step, if desired. Such treatment is not particularly limited, and any conventionally known surface activation treatment can be performed. For example, heat treatment, laser treatment, plasma treatment, acid treatment, surfactant treatment and the like can be mentioned. Of these, plasma treatment is particularly preferred. The porous hydrogen separation layer can be subjected to surface activation treatment to adjust the time and amount of the complex supported.

本発明の方法において用いることのできる錯体は、長周期型の周期表第5族、第8族、第9族、及び第10族の金属元素のうちの少なくとも一種の金属元素を中心金属の少なくとも一つとする。このような、中心金属としては、例えば、V、Nb、Ta、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、及びPtが挙げられる。このうち、V、Fe、Ru、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、及びPtが好ましく、Ru、Rh、Ni、Pd、及びPtがより好ましく、さらにPd及びPtが好ましく、特にPdが好ましい。
また、前記列挙した金属の他に、又は前記金属のうちで、触媒作用を有する金属を中心金属とする錯体を用いることによって、該錯体を水素生成反応などの反応性基として作用させることができる。或いは、何らかの耐久性向上作用を有する金属を中心金属とする錯体を用いると、水素分離材の耐久性を向上することができる。例えば、Ti、Zr、及び/又はTaを中心金属とする錯体を用いて、腐食性ガス及び水蒸気雰囲気中における安定性を向上することができる。
The complex that can be used in the method of the present invention contains at least one kind of metal element of Group 5, Group 8, Group 9, and Group 10 of the periodic table of the long period type at least of the central metal. One. Examples of such a central metal include V, Nb, Ta, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, and Pt. Among these, V, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, and Pt are preferable, Ru, Rh, Ni, Pd, and Pt are more preferable, Pd and Pt are more preferable, and Pd is particularly preferable.
In addition to the metals listed above or among the metals mentioned above, a complex having a catalytic metal as a central metal can be used to cause the complex to act as a reactive group such as a hydrogen generation reaction. . Alternatively, the durability of the hydrogen separation material can be improved by using a complex having a metal having some durability improving action as a central metal. For example, stability in a corrosive gas and water vapor atmosphere can be improved by using a complex having Ti, Zr, and / or Ta as a central metal.

さらに、錯体の配位子としては、従来公知のいずれのものを用いることができ、特に限定されない。例えば、acac(アセチルアセトナト)、CHCO(酢酸イオン)、bpy(ビピリジン)、phen(フェナントロリン)、エチレン、エチレンジアミン、HO(アクア)、NH(アンミン)、Cl(クロロ)、CO(カルボニル)、NO(ニトロシル)、PR(3級ホスフィン)などが挙げられる。また、単座配位子であっても、多座配位子であっても、架橋配位子であってもよい。このうち、特に水素分離層に微細かつ均一に金属を担持させやすいため、配位子が酢酸イオンであるアセタト錯体、及び/又は配位子がアセチルアセトナトであるアセチルアセトナト錯体が好ましい。 Furthermore, as a ligand of a complex, any conventionally known ligand can be used and is not particularly limited. For example, acac (acetylacetonato), CH 3 CO 2 (acetate ion), bpy (bipyridine), phen (phenanthroline), ethylene, ethylenediamine, H 2 O (aqua), NH 3 (ammine), Cl (chloro), CO (carbonyl), NO (nitrosyl), PR 3 (tertiary phosphine) and the like can be mentioned. Further, it may be a monodentate ligand, a polydentate ligand, or a bridging ligand. Of these, an acetate complex in which the ligand is an acetate ion and / or an acetylacetonato complex in which the ligand is acetylacetonate is preferable because the metal can be easily and finely supported on the hydrogen separation layer.

具体的に好適に使用可能な錯体を以下列挙する。例えば、中心金属がCoである錯体としては、コバルト2,4−ペンタジオネート、コバルトアセテートが挙げられる。中心金属がNiである錯体としては、ニッケル2,4−ペンタジオネート、ニッケルヘキサフルオロペンタジオネート、1,3−bis(ジフェニルフォスフィノ)プロパンニッケルクロライドが挙げられる。中心金属がPdである錯体としては、パラジウムヘキサフルオロペンタジオネート、パラジウム2,4−ペンタジオネート、パラジウムアセテートが挙げられる。中心金属がPtである錯体としは、プラチナム2,4−ペンタジオネート、ジメチルプラチナムシクロオクタジエン、プラチナムカーボニルシクロビニルメチルシロキサンコンプレックスが挙げられる。中心金属がRhである錯体としては、ロジウム2,4−ペンタジオネート、トリス(ジブチルサルファイド)ロジウムクロライド、トリス(トリフェニルフォスフィン)ロジウムクロライドが挙げられる。中心金属がRuである錯体としては、ルテニウム2,4一ペンタジオネート、バトフェナトロリンルテニウム、トリス(トリフェニルフォスフィン)ルテニウムジクロライドが挙げられる。中心金属がVである錯体としては、バナジウム2,4−ペンタジオネートが挙げられる。しかし、これらに限定されず、従来公知の種々の錯体を使用可能である。このうち特に、コバルト2,4−ペンタジオネート、コバルトアセテート、ニッケル2,4−ペンタジオネート、パラジウム2,4−ペンタジオネート、パラジウムアセテート、プラチナム2,4−ペンタジオネート、ロジウム2,4−ペンタジオネート、ルテニウム2,4一ペンタジオネート、バナジウム2,4−ペンタジオネート、1,3−bis(ジフェニルフォスフィノ)プロパンニッケルクロライド、トリス(トリフェニルフォスフィン)ロジウムクロライドが好ましい。さらに、コバルト2,4−ペンタジオネート、コバルトアセテート、ニッケル2,4−ペンタジオネート、パラジウム2,4−ペンタジオネート、パラジウムアセテート、プラチナム2,4−ペンタジオネート、ロジウム2,4−ペンタジオネート、ルテニウム2,4一ペンタジオネート、バナジウム2,4−ペンタジオネートがより好ましい。   Specific examples of complexes that can be suitably used are listed below. For example, the complex whose central metal is Co includes cobalt 2,4-pentadionate and cobalt acetate. Examples of the complex in which the central metal is Ni include nickel 2,4-pentadionate, nickel hexafluoropentadionate, and 1,3-bis (diphenylphosphino) propane nickel chloride. Examples of the complex whose central metal is Pd include palladium hexafluoropentadionate, palladium 2,4-pentadionate, and palladium acetate. Examples of the complex in which the central metal is Pt include platinum 2,4-pentadionate, dimethylplatinum cyclooctadiene, and platinum carbonylcyclovinylmethylsiloxane complex. Examples of the complex in which the central metal is Rh include rhodium 2,4-pentadionate, tris (dibutylsulfide) rhodium chloride, and tris (triphenylphosphine) rhodium chloride. Examples of the complex in which the central metal is Ru include ruthenium 2,4 monopentadionate, butofenatroline ruthenium, and tris (triphenylphosphine) ruthenium dichloride. Examples of the complex in which the central metal is V include vanadium 2,4-pentadionate. However, the present invention is not limited to these, and various conventionally known complexes can be used. Of these, cobalt 2,4-pentadionate, cobalt acetate, nickel 2,4-pentadionate, palladium 2,4-pentadionate, palladium acetate, platinum 2,4-pentadionate, rhodium 2,4 -Pentadionate, ruthenium 2,4 monopentadionate, vanadium 2,4-pentadionate, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane nickel chloride, tris (triphenylphosphine) rhodium chloride are preferred. Further, cobalt 2,4-pentadionate, cobalt acetate, nickel 2,4-pentadionate, palladium 2,4-pentadionate, palladium acetate, platinum 2,4-pentadionate, rhodium 2,4-penta More preferred are dionate, ruthenium 2,4 pentapentanate, and vanadium 2,4-pentadionate.

用いる錯体の質量平均分子量としては、特に限定されないが、好ましくは、100〜700程度のものを用いることができ、特に150〜600程度である。
適用可能な錯体としては、従来公知の製造方法によって合成したもの特に制限なく用いることができるが、例えば、アヅマックス株式会社、及びエヌ・イーケムキャット株式会社から容易に入手可能であり、ここから入手した錯体を好適に用いることができる。
Although it does not specifically limit as a mass average molecular weight of the complex to be used, Preferably about 100-700 can be used, Especially it is about 150-600.
As an applicable complex, those synthesized by a conventionally known production method can be used without particular limitation. For example, they can be easily obtained from Amax Co., Ltd. and N.E. A complex can be suitably used.

多孔体の水素分離層に対する錯体の担持量は、特に限定されず、用いる金属、水素分離層の平均細孔径、及び/又は水素供給圧などによって適宜選択することができる。好ましくは、水素分離層の単位体積あたり中心金属が1〜60モル/cm、より好ましくは10〜30モル/cm程度である。
錯体を多孔体の水素分離層に担持させる手段としては、特に制限されず、従来公知のいずれの手段によってもよい。例えば、錯体を含む溶液の浸漬、スプレー塗布、又はロールコーティングが挙げられる。水素分離層が多孔体の表面層である場合、特にこのうち、表面層全体に均一に担持可能で、かつ作業性の良好な浸漬が好ましい。
担持工程における処理温度は、特に限定されず、適宜選択することができるが、好ましくは室温〜200℃、より好ましくは室温〜150℃、特に好ましくは室温〜100℃程度である。このような温度範囲で処理することにより、水素分離層の外面及び細孔内壁面に錯体を均一で高分散に担持可能であるとともに、金属錯体粒子の凝集などの好ましくない挙動を抑制する。
錯体を含む溶液の溶媒としては、いずれの種類の溶媒であってもよく、例えば、水、又は有機溶剤が挙げられる。溶剤は、用いる錯体及び水素分離層の材質に応じて適宜選択することができる。特に、水素分離層がシリカで構成されている場合には、耐水性が低いために有機溶剤を適用することが好ましい。また、水素分離層がシラザン(即ち、SiN結合を主体とする化合物、例えば、ポリシラザン)で構成されている場合には、作業性の良好な水を適用することが好ましい。
The amount of the complex supported on the hydrogen separation layer of the porous body is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the metal used, the average pore diameter of the hydrogen separation layer, and / or the hydrogen supply pressure. Preferably, the central metal per unit volume of the hydrogen separation layer is 1 to 60 mol / cm 3 , more preferably about 10 to 30 mol / cm 3 .
The means for supporting the complex on the porous hydrogen separation layer is not particularly limited, and any conventionally known means may be used. For example, immersion of the solution containing the complex, spray coating, or roll coating may be mentioned. In the case where the hydrogen separation layer is a surface layer of a porous body, it is particularly preferable that the hydrogen separation layer be immersed so that it can be uniformly supported on the entire surface layer and has good workability.
The treatment temperature in the supporting step is not particularly limited and can be appropriately selected, but is preferably room temperature to 200 ° C, more preferably room temperature to 150 ° C, and particularly preferably about room temperature to 100 ° C. By treating in such a temperature range, the complex can be supported uniformly and highly dispersed on the outer surface of the hydrogen separation layer and the inner wall surface of the pores, and undesirable behavior such as aggregation of metal complex particles is suppressed.
The solvent for the solution containing the complex may be any type of solvent, and examples thereof include water and organic solvents. The solvent can be appropriately selected according to the complex to be used and the material of the hydrogen separation layer. In particular, when the hydrogen separation layer is made of silica, it is preferable to apply an organic solvent because of its low water resistance. In addition, when the hydrogen separation layer is composed of silazane (that is, a compound mainly composed of SiN bonds, such as polysilazane), it is preferable to apply water with good workability.

本発明の方法では、錯体を使用するので担持処理工程中又はその後に多孔体を焼成しなくても、金属を担持し得る。従って、錯体の担持工程中又はその後に、多孔体を焼成しないことを特徴とする未焼成タイプの水素分離材を得ることができる In the method of the present invention, since the complex is used, the metal can be supported without firing the porous body during or after the supporting treatment step. Therefore, it is possible to obtain an unfired hydrogen separation material characterized in that the porous body is not fired during or after the complex loading step .

本発明によれば、以上のようにして高い水素分離性能を有する水素分離材(膜)を得ることができる。好ましい態様において、得られた水素分離材は、150℃において、水素透過速度は、1×10−7モル・m−2・s−1・Pa−1以上、特に5×10−7モル・m−2・s−1・Pa−1以上、さらには1×10−6モル・m−2・s−1・Pa−1以上と高い性能を得ることができる。また、150℃において、水素窒素透過係数比(PH2/PN2)は、50以上、特に100以上、さらには150以上と高い性能を得ることができる。さらには、このような高い性能を100時間以上、特に500時間以上、さらには1000時間以上保持することができる。
ここで開示された方法によると、水素親和性に優れる所定の金属を、水素を選択的に透過する所定の平均細孔径を有する水素分離層に高分散に担持した水素分離材を製造することができる。このため、高い水素選択透過性及び透過速度を実現することができる。また、得られた水素分離材は、多孔体として耐久性に優れるものを選択することにより、耐久性(例えば、耐熱性、耐湿性、耐蝕性)に優れ、高温の大気中や水蒸気雰囲気下においても劣化が防止され、高い安定性を保持することができる。従って、水素が必要とされるいずれの用途においても好適に適用することができる。例えば、燃料電池、電解コンデンサなどにおける水素の供給に用いることができる。
According to the present invention, a hydrogen separation material (membrane) having high hydrogen separation performance can be obtained as described above. In a preferred embodiment, the obtained hydrogen separating material has a hydrogen permeation rate of 1 × 10 −7 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 or more, particularly 5 × 10 −7 mol · m at 150 ° C. -2 · s -1 · Pa -1 or higher, and further, high performance of 1 × 10 -6 mol · m -2 · s -1 · Pa -1 or higher can be obtained. Further, at 150 ° C., the hydrogen nitrogen permeation coefficient ratio (P H2 / P N2 ) can be as high as 50 or higher, particularly 100 or higher, and further 150 or higher. Furthermore, such high performance can be maintained for 100 hours or more, particularly 500 hours or more, and even 1000 hours or more.
According to the method disclosed herein, it is possible to produce a hydrogen separation material in which a predetermined metal excellent in hydrogen affinity is supported in a highly dispersed manner in a hydrogen separation layer having a predetermined average pore diameter that selectively permeates hydrogen. it can. For this reason, high hydrogen selective permeability and permeation speed can be realized. In addition, the obtained hydrogen separation material is excellent in durability (for example, heat resistance, moisture resistance, corrosion resistance) by selecting a porous material having excellent durability, and in a high-temperature atmosphere or a water vapor atmosphere. Deterioration is prevented, and high stability can be maintained. Therefore, it can be suitably applied to any application where hydrogen is required. For example, it can be used for hydrogen supply in fuel cells, electrolytic capacitors, and the like.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
(1)水素分離材の製造
<1−1>多孔体(シリカ表面層)の製造
支持層として、気孔率が40%、平均細孔径(水銀圧入法に基づく)が60nmの中空糸膜のα‐アルミナを用意した。
その細孔表面及び細孔内に、中間層としてγ一アルミナ薄膜を形成させた。即ち、γ‐アルミナ薄膜の形成は、ゾル・ゲル法によりアルミニウムイソプロポキシドを加水分解後、酸で解こうすることにより調製したベーマイトゾルを用いた。これを前記にて用意したα‐アルミナ支持層にディップコーティング(引上げ速度0.5〜2.0mm/秒)することによりベーマイトゲル膜を形成させ、その後室温〜60℃で一夜乾燥させた後、約400〜800℃で約5〜10時間焼成する操作を、1回以上、好適には複数回(ここでは2 回)繰り返すことにより行った。この結果、気孔率44%、平均細孔径4nmの中間層を得ることができた。或いは、γ‐アルミナ薄膜(中間層)は、γ一アルミナ粒子(粒径20〜200nm)を水に分散させ、α‐アルミナ支持層にディップコーティング(引上げ速度0.5〜2.0mm/秒)し、これを室温〜60℃で一夜乾燥させた後、約400〜800℃で約5〜10時間焼成する操作を、1回以上、一般には複数回繰り返すことによっても、形成させることができる。
次いで、得られた中間層表面に、水素分離層(表面層)としてシリカ薄膜を作成した。即ち、シリカ源をγ‐アルミナ薄膜の表面及び細孔内においてシリカ化することにより行った。担持されたシリカは、膜の表面層を薄膜状で閉塞した。シリカ源としては、テトラエトキシシラン等の低級アルコキシシランを用い、ゾル・ゲル法によりこれをエタノール中で酸を用いて加水分解させてゾルを作成し、ディップコーティング(引上げ速度0.5〜2.0mm/秒)し、焼成することでシリカ薄膜を形成させた。ここで、加水分解してシリカを生成するものであれば、シリカ源としてテトラ低級アルコキシシラン以外のものを用いてもよい。この結果、気孔率およそ21%、平均細孔径0.3〜0.5nmのシリカ表面層(水素分離層)を得ることができた。
Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
(1) Manufacture of hydrogen separator <1-1> Manufacture of porous body (silica surface layer) As a support layer, α of a hollow fiber membrane having a porosity of 40% and an average pore diameter (based on mercury intrusion method) of 60 nm -Alumina was prepared.
A γ-alumina thin film was formed as an intermediate layer on the surface and in the pores. That is, for the formation of the γ-alumina thin film, boehmite sol prepared by hydrolyzing aluminum isopropoxide by a sol-gel method and then peptizing with an acid was used. A boehmite gel film was formed by dip coating (pulling speed 0.5 to 2.0 mm / sec) on the α-alumina support layer prepared above, and then dried overnight at room temperature to 60 ° C. The operation of baking at about 400 to 800 ° C. for about 5 to 10 hours was performed by repeating one or more times, preferably a plurality of times (here, twice). As a result, an intermediate layer having a porosity of 44% and an average pore diameter of 4 nm could be obtained. Alternatively, for the γ-alumina thin film (intermediate layer), γ-alumina particles (particle size 20 to 200 nm) are dispersed in water, and dip coating is applied to the α-alumina support layer (pulling speed 0.5 to 2.0 mm / sec). Then, after drying at room temperature to 60 ° C. overnight, the operation of baking at about 400 to 800 ° C. for about 5 to 10 hours can be formed by repeating once or more, generally a plurality of times.
Next, a silica thin film was formed as a hydrogen separation layer (surface layer) on the surface of the obtained intermediate layer. That is, the silica source was silicified on the surface and pores of the γ-alumina thin film. The supported silica clogged the surface layer of the membrane with a thin film. As a silica source, a lower alkoxysilane such as tetraethoxysilane is used, and this is hydrolyzed with an acid in ethanol by a sol-gel method to prepare a sol, and dip coating (with a pulling rate of 0.5-2. (0 mm / sec) and firing to form a silica thin film. Here, as long as it hydrolyzes and produces | generates a silica, you may use things other than tetra-lower alkoxysilane as a silica source. As a result, a silica surface layer (hydrogen separation layer) having a porosity of approximately 21% and an average pore diameter of 0.3 to 0.5 nm could be obtained.

<1−2>表面活性化処理
前記<1>多孔体の製造において得られた多孔体に、プラズマ処理を10分間行った。
<1−3>錯体の担持
前記<1−1>のようにして得られた水素分離層を、80℃に加熱した以下の錯体溶液中に12時間浸漬し、前記水素分離層(シリカ層)にそれぞれ錯体を担持した。
(サンプルNo.1)パラジウム2,4−ペンタジオネート(溶媒:トルエン中1 モル%)
(サンプルNo.2)トリス(トリフェニルフォスフィン)ロジウムクロライド(溶媒:トルエン中1モル%)
(サンプルNo.3)1,3−ビス(ジフェニルフォスフィノ)プロパンニッケルクロライド(溶媒:トルエン中1モル%)
一方、前記<1−2>のようにして表面処理を行った多孔体を、以下の錯体溶液中に12時間浸漬し、前記水素分離層(シリカ層)にそれぞれ錯体を担持した。
(サンプルNo.4)パラジウム2,4−ペンタジオネート(溶媒:トルエン中1モル%)
(サンプルNo.5)コバルト2,4−ペンタジオネート(溶媒:トルエン中1モル%)
(サンプルNo.6)バナジウム2,4−ペンタジオネート(溶媒:トルエン中1モル%)
(サンプルNo.7)ルテニウム2,4−ペンタジオネート(溶媒:トルエン中1モル%)
(サンプルNo.8>パラジウムアセテート(溶媒:アセトン中1モル%)
これら得られた錯体は、80℃において3時間乾燥した。いずれも錯体担持後に加熱又は焼成処理を行わなくても水素分離層の外面及びその細孔内壁面に担持された。水素分離層の単位体積あたりに含有される中心金属は20モル/cm程度であった。また、錯体の溶媒が有機溶剤であるため、浸漬によるシリカ構造の変化が見られなかった。
<1-2> Surface Activation Treatment Plasma treatment was performed for 10 minutes on the porous body obtained in the production of <1> porous body.
<1-3> Complex support The hydrogen separation layer obtained as described in <1-1> above is immersed in the following complex solution heated to 80 ° C. for 12 hours, and the hydrogen separation layer (silica layer). Each supported a complex.
(Sample No. 1) Palladium 2,4-pentadionate (solvent: 1 mol% in toluene)
(Sample No. 2) Tris (triphenylphosphine) rhodium chloride (solvent: 1 mol% in toluene)
(Sample No. 3) 1,3-bis (diphenylphosphino) propane nickel chloride (solvent: 1 mol% in toluene)
On the other hand, the porous body subjected to the surface treatment as described in <1-2> was immersed in the following complex solution for 12 hours, and the hydrogen separation layer (silica layer) supported the respective complexes.
(Sample No. 4) Palladium 2,4-pentadionate (solvent: 1 mol% in toluene)
(Sample No. 5) Cobalt 2,4-pentadionate (solvent: 1 mol% in toluene)
(Sample No. 6) Vanadium 2,4-pentadionate (solvent: 1 mol% in toluene)
(Sample No. 7) Ruthenium 2,4-pentadionate (solvent: 1 mol% in toluene)
(Sample No. 8> palladium acetate (solvent: 1 mol% in acetone)
These obtained complexes were dried at 80 ° C. for 3 hours. All of them were supported on the outer surface of the hydrogen separation layer and the inner wall surface of the pore without heating or baking after the complex was supported. The central metal contained per unit volume of the hydrogen separation layer was about 20 mol / cm 3 . Moreover, since the solvent of the complex is an organic solvent, no change in the silica structure due to immersion was observed.

<2−1>多孔体(シラザンにより形成したシリカ又はシラザン表面層)の製造
(1)シリカ源としてテトラエトキシシランの代わりにポリシラザンを用いて、シリカ膜を形成したこと以外は、前記<1−1>多孔体の製造と同様にして多孔体を製造した。即ち、市販のポリシラザンを水中に溶解したポリシラザン溶液をγーアルミナ薄膜に厚さ1〜3μmで塗布し、60℃において3時間乾燥し、ポリシラザンから成る薄層を得た。次いで、酸化雰囲気(空気)中450℃において3時間焼成し、気孔率24%、平均細孔径0.3〜0.5nmのシリカ表面層(水素分離層)を形成した。
(2)テトラエトキシシランの代わりにポリシラザンを用い、水素分離層(表面層)としてシリカ薄膜の代わりにシラザン薄膜を形成したこと以外は、前記<1−1>多孔体の製造と同様にして多孔体を製造した。即ち、市販のポリシラザンを水中に溶解したポリシラザン溶液をγーアルミナ薄膜に厚さ1〜3μmで塗布し、60℃において3時間乾燥し、ポリシラザンから成る薄層を得た。次いで、非酸化雰囲気(Nガス)中500℃において3時間焼成し、気孔率35%、平均細孔径約0.5nmのシラザン表面層(水素分離層)を形成した。
<2−2>表面活性化処理
前記<1−2>表面活性化処理と同様にして前記<2−1>にて得られた水素分離層をそれぞれプラズマ処理した。
<2-1> Production of porous body (silica or silazane surface layer formed with silazane) (1) Except that polysilazane was used instead of tetraethoxysilane as a silica source, and the above <1- 1> A porous material was produced in the same manner as the production of the porous material. That is, a polysilazane solution obtained by dissolving a commercially available polysilazane in water was applied to a γ-alumina thin film at a thickness of 1 to 3 μm and dried at 60 ° C. for 3 hours to obtain a thin layer made of polysilazane. Subsequently, it was baked for 3 hours at 450 ° C. in an oxidizing atmosphere (air) to form a silica surface layer (hydrogen separation layer) having a porosity of 24% and an average pore diameter of 0.3 to 0.5 nm.
(2) Porous in the same manner as in the production of <1-1> porous body, except that polysilazane is used instead of tetraethoxysilane and a silazane thin film is formed instead of a silica thin film as a hydrogen separation layer (surface layer). The body was manufactured. That is, a polysilazane solution obtained by dissolving a commercially available polysilazane in water was applied to a γ-alumina thin film at a thickness of 1 to 3 μm and dried at 60 ° C. for 3 hours to obtain a thin layer made of polysilazane. Next, it was fired at 500 ° C. for 3 hours in a non-oxidizing atmosphere (N 2 gas) to form a silazane surface layer (hydrogen separation layer) having a porosity of 35% and an average pore diameter of about 0.5 nm.
<2-2> Surface Activation Treatment Each of the hydrogen separation layers obtained in <2-1> was subjected to plasma treatment in the same manner as in the <1-2> surface activation treatment.

<2−3>錯体の担持
前記<2−2>のようにして表面処理を行った(1)シリカ表面層又は(2)シラザン表面層を、以下の錯体溶液中に12時間浸漬し、水素分離層にそれぞれ錯体を担持した。
(サンプルNo.9)水素分離層:シリカ、錯体:パラジウム2,4−ペンタジオネート(溶媒:トルエン中1モル%)
(サンプルNo.10)水素分離層:シラザン、錯体:テトラアンミンジパラジウム(II)硝酸塩([Pd(NH](NO)(溶媒:水中1モル%)
これら錯体は、80℃において3時間乾燥した。錯体担持後に加熱又は焼成処理を行わなくても水素分離層の外面及びその細孔内壁面に担持された。水素分離層の単位体積あたりに含有される中心金属は20モル/cm程度であった。また、サンプルNo.9では、錯体の溶媒が有機溶剤であるため、シリカ構造に変化は見られなかった。さらに、サンプルNo.10では、錯体の溶媒が水であっても、浸漬によるシラザン構造の変化は見られなかった。
<2-3> Carrying of Complex (1) Silica surface layer or (2) Silazane surface layer subjected to surface treatment as in the above <2-2> was immersed in the following complex solution for 12 hours to produce hydrogen. Each of the separation layers supported a complex.
(Sample No. 9) Hydrogen separation layer: silica, complex: palladium 2,4-pentadionate (solvent: 1 mol% in toluene)
(Sample No. 10) Hydrogen separation layer: silazane, complex: tetraamminedipalladium (II) nitrate ([Pd (NH 3 ) 4 ] (NO 3 ) 2 ) (solvent: 1 mol% in water)
These complexes were dried at 80 ° C. for 3 hours. It was supported on the outer surface of the hydrogen separation layer and the inner wall surface of the pore without heating or baking after the complex was supported. The central metal contained per unit volume of the hydrogen separation layer was about 20 mol / cm 3 . Sample No. In No. 9, since the solvent of the complex was an organic solvent, no change was observed in the silica structure. Furthermore, sample no. In No. 10, no change in silazane structure due to immersion was observed even when the solvent of the complex was water.

<3>比較例
前記<1−1>多孔体の製造において得られた多孔体をそのまま(錯体を担持しないで)用意し、サンプルNo.11とした。
<3> Comparative Example The porous body obtained in the production of <1-1> porous body is prepared as it is (without supporting a complex). It was set to 11.

(2)水素分離性能評価試験
前記のようにして得られた水素分離材について、それぞれ水素分離性能を評価した。
評価は、図1に示すような水素透過試験装置1によって行った。即ち、水素透過試験装置1は、主に、ガス供給部3と、分離部5と、測定部7とから構成される。ガス供給部3は、水素のガスボンベ9及び窒素のガスボンベ11が備えられ、バルブ13を有するチューブ14によって分離部5と接続されている。分離部5は、外周に電気炉15が設けられ、所定の温度に加熱可能に構成されている。また、その中心部には、前記により製造された中空糸状の水素分離材17が配置され、該水素分離材17の外周からガスを供給されるとともに、内周から水素を選択的に透過して排出可能に構成されている。水素分離材17の内周は、一端が密閉されて他端が測定部7に設けられるガスクロマトグラフ18とチューブ19により接続され、排出された水素及び窒素の透過速度を測定可能に構成されている。また、水素分離材17の内周側と外周側との圧力差を測定するために、それぞれガス供給側のチューブ14及び水素排出側のチューブ19には圧力計21,23が配置されている。また、測定終了後次の測定を開始前に分離部5内部のガスを排気するために、チューブ14,19間にはガスを吸引可能な真空ポンプ25が配置されている。
電気炉15により所定の温度に分離部5を保持しつつ、ガス供給部3から、容積比約1:1の水素:窒素を水素分離材17の外周側から導入し、該膜の外周側と内周側との圧力差が0.1MPaとなるように設定した。水素分離材17を透過したガスの流量は測定部7のガスクロマトグラフ18を用いることで測定し、それぞれのガスに対する透過速度を得た。それぞれのガスに対する透過速度から、150℃及び600℃における該水素分離材17の水素‐窒素の分離における透過係数比(PH2/PN2)及び水素透過速度を求めた。これらの結果を以下の表1に示す。
(2) Hydrogen separation performance evaluation test The hydrogen separation performance of each of the hydrogen separation materials obtained as described above was evaluated.
The evaluation was performed by a hydrogen permeation test apparatus 1 as shown in FIG. That is, the hydrogen permeation test apparatus 1 mainly includes a gas supply unit 3, a separation unit 5, and a measurement unit 7. The gas supply unit 3 includes a hydrogen gas cylinder 9 and a nitrogen gas cylinder 11, and is connected to the separation unit 5 by a tube 14 having a valve 13. The separator 5 is provided with an electric furnace 15 on the outer periphery, and is configured to be heated to a predetermined temperature. In addition, the hollow fiber-shaped hydrogen separator 17 manufactured as described above is disposed at the center, and gas is supplied from the outer periphery of the hydrogen separator 17 and selectively transmits hydrogen from the inner periphery. It is configured to discharge. The inner periphery of the hydrogen separating material 17 is configured such that one end is sealed and the other end is connected to a gas chromatograph 18 provided in the measuring unit 7 and a tube 19 so that the permeation rate of discharged hydrogen and nitrogen can be measured. . Further, in order to measure the pressure difference between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the hydrogen separating material 17, pressure gauges 21 and 23 are arranged in the gas supply side tube 14 and the hydrogen discharge side tube 19, respectively. In addition, a vacuum pump 25 capable of sucking gas is disposed between the tubes 14 and 19 in order to exhaust the gas inside the separation unit 5 before starting the next measurement after the measurement is completed.
While maintaining the separation unit 5 at a predetermined temperature by the electric furnace 15, hydrogen: nitrogen having a volume ratio of about 1: 1 is introduced from the gas supply unit 3 from the outer peripheral side of the hydrogen separator 17, The pressure difference from the inner peripheral side was set to 0.1 MPa. The flow rate of the gas that permeated through the hydrogen separating material 17 was measured by using the gas chromatograph 18 of the measuring unit 7, and the permeation rate for each gas was obtained. From the permeation rates for the respective gases, the permeation coefficient ratio (P H2 / P N2 ) and hydrogen permeation rate in the hydrogen-nitrogen separation of the hydrogen separating material 17 at 150 ° C. and 600 ° C. were determined. These results are shown in Table 1 below.

Figure 0004341915
Figure 0004341915

これらの結果から、比較例のサンプルNo.11と比較して、実施例となるサンプルNO.1〜10は、いずれの水素を選択的に透過する細孔径を有する水素分離層に金属を担持しても、高い水素透過速度を同等に保持していることが判った。また、金属の担持によって、水素選択透過性が向上していることが判った。さらに、サンプルNo.11に比べてサンプルNo.1及び4は、600℃の高温においても高い水素透過係数比と水素透過速度とを保持していることが判った。そして、この優れた水素選択透過性は、実施例においては1000時間以上維持していた。一方、比較例となるサンプルNo.11では、600℃において100時間測定したところ、透過係数比及び水素透過速度ともに著しく減少し(即ち、透過係数比(PH2/PN2)は30及び水素透過速度は、0.36×10−6モル・m−2・s−1・Pa−1)、シリカ薄膜の緻密化が起こっており、高温における安定性に劣ることが判った。従って、実施例のサンプルは、高温安定性に優れていることが判った。
特に、シリカ薄膜にPdのアセチルアセトナト錯体又はアセタト錯体を担持したサンプルNo.1、4、及び8は、いずれも150以上の高い水素透過係数比と、1.0×10−6モル・m−2・s−1・Pa−1以上の高い水素透過速度を実現することができた。また、シラザン薄膜にPdのアセチルアセトナト錯体を担持したサンプルNo.10は、4.0×10−6モル・m−2・s−1・Pa−1以上の高い水素透過速度を実現することができた。
From these results, sample No. As compared with the sample No. 11, the sample NO. It was found that Nos. 1 to 10 maintained the same high hydrogen permeation rate even when a metal was supported on a hydrogen separation layer having a pore diameter that selectively permeates any hydrogen. It was also found that hydrogen permselectivity was improved by the metal loading. Furthermore, sample no. Sample No. 1 and 4 were found to maintain a high hydrogen permeation coefficient ratio and hydrogen permeation rate even at a high temperature of 600 ° C. This excellent hydrogen selective permeability was maintained for 1000 hours or more in the examples. On the other hand, Sample No. 11, when measured at 600 ° C. for 100 hours, both the permeability coefficient ratio and the hydrogen permeation rate are remarkably reduced (that is, the permeation coefficient ratio (P H2 / P N2 ) is 30 and the hydrogen permeation rate is 0.36 × 10 − 6 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 ), the silica thin film was densified, and it was found that the stability at high temperatures was poor. Therefore, it was found that the samples of the examples were excellent in high temperature stability.
In particular, sample No. 1 in which an acetylacetonato complex or acetate complex of Pd is supported on a silica thin film. 1, 4, and 8 all realize a high hydrogen permeation coefficient ratio of 150 or more and a high hydrogen permeation rate of 1.0 × 10 −6 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 or more. I was able to. Sample No. 1 in which Pd acetylacetonate complex is supported on a silazane thin film is also shown. 10 was able to realize a high hydrogen permeation rate of 4.0 × 10 −6 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 or higher.

以上、本発明の好適な実施態様を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した態様を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but these are only examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the above-described embodiments. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Moreover, the technique illustrated in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

水素分離性能を評価する装置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the apparatus which evaluates hydrogen separation performance.

符号の説明Explanation of symbols

1…水素透過試験装置
3…ガス供給部
5…分離部
7…測定部
9…水素のガスボンベ
11…窒素のガスボンベ
15…電気炉
17…水素分離材
18…ガスクロマトグラフ
21、23…圧力計
25…真空ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen permeation test apparatus 3 ... Gas supply part 5 ... Separation part 7 ... Measurement part 9 ... Hydrogen gas cylinder 11 ... Nitrogen gas cylinder 15 ... Electric furnace 17 ... Hydrogen separation material 18 ... Gas chromatograph 21, 23 ... Pressure gauge 25 ... Vacuum pump

Claims (8)

水素分離材の製造方法であって
多孔体であって、少なくともその一部に、孔径が水素を選択的に透過し得るサイズである水素分離層を有する多孔体を用意する工程と、
その多孔体の水素分離層に、長周期型の周期表第5族、8族、9族及び10族元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を中心金属の少なくとも一つとする錯体を担持させる工程と、
を含
ここで前記錯体担持工程中及びその後にも焼成処理を含まず、
前記水素分離層の外面及びその細孔内壁面に前記錯体が担持されていることを特徴とする水素分離材
製造する方法。
A method for producing a hydrogen separator, comprising:
A step of preparing a porous body having a hydrogen separation layer having a pore size that can selectively permeate hydrogen, at least part of the porous body;
The porous hydrogen separation layer carries a complex having at least one metal element selected from the group consisting of elements of Group 5, 8, 9, and 10 of the long-period periodic table as at least one central metal. A process of
Only including,
Here, no firing treatment is included during and after the complex supporting step,
A hydrogen separation material, wherein the complex is supported on an outer surface of the hydrogen separation layer and an inner wall surface of the pore ;
Method for producing a.
前記錯体が中心金属としてPdを含む、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the complex comprises Pd as a central metal. 前記錯体担持工程において、前記錯体を含有する溶液に前記多孔体を浸漬する、請求項1又は2記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein, in the complex supporting step, the porous body is immersed in a solution containing the complex. 前記多孔体の水素分離層がシリカで構成され、前記溶液の溶媒が有機溶剤である、請求項3記載の方法。   The method according to claim 3, wherein the hydrogen separation layer of the porous body is composed of silica, and the solvent of the solution is an organic solvent. 前記多孔体の水素分離層がシラザンで構成され、前記溶液の溶媒が水である、請求項3記載の方法。   The method according to claim 3, wherein the porous hydrogen separation layer is made of silazane, and the solvent of the solution is water. 前記錯体は、アセタト錯体及び/又はアセチルアセトナト錯体である、請求項1〜5のうちのいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the complex is an acetate complex and / or an acetylacetonato complex. 前記錯体担持工程前に、少なくとも前記水素分離層に対して表面活性化処理を施す、請求項1〜6のうちのいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein at least the hydrogen separation layer is subjected to a surface activation treatment before the complex supporting step. 前記表面活性化処理は、プラズマ処理を含む、請求項7記載の方法。 The surface activation treatments include plasma treatment, claim 7 Symbol mounting method.
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