JP4566537B2 - シリカ系メソ多孔体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
ケイ酸塩に界面活性剤を導入して多孔体前駆体を得る第1の工程と、
前記多孔体前駆体に含まれる前記界面活性剤由来の成分及びNa原子を除去し、ケイ素原子及び酸素原子を主成分として骨格が形成されているシリカ系材料からなりかつNa原子の含有量が100ppm以下であるシリカ系メソ多孔体を得る第2の工程と、
Al、Fe、Ga、Ti、Zr、Sn、V、Cr及びRuからなる群から選択される少なくとも一つの金属のイオンを含有する溶液を前記シリカ系メソ多孔体に接触せしめ、前記金属イオンを前記シリカ系メソ多孔体の細孔内に導入する第3の工程と、
熱水及び/又は熱水蒸気を前記シリカ系メソ多孔体に接触せしめ、前記金属原子の含有量が800ppm以上でありかつ前記金属原子の91モル%以上が骨格内に導入されているシリカ系メソ多孔体を得る第4の工程と、
を含むことを特徴とする方法である。
本発明のシリカ系メソ多孔体は、ケイ素原子及び酸素原子を主成分として骨格が形成されているシリカ系材料からなるシリカ系メソ多孔体であって、Na原子の含有量が100ppm以下であり、かつ、Al、Fe、Ga、Ti、Zr、Sn、V、Cr及びRuからなる群から選択される少なくとも一つの金属原子の含有量が800ppm以上であり、前記金属原子の91モル%以上が前記骨格内に導入されていることを特徴とするものである。
本発明のシリカ系メソ多孔体の製造方法においては、先ず、ケイ酸塩に界面活性剤を導入して多孔体前駆体を得る(第1の工程)。
(i)焼成処理に先立って、多孔体前駆体を洗浄液(好ましくはイオン交換水)で十分に洗浄し、多孔体前駆体に含まれるNa原子をできるだけ低減させる((i)の洗浄処理のみの場合は100ppm以下に低減させる)。
(ii)焼成処理の後に、多孔体前駆体を洗浄液(好ましくは濃度0.01〜1Nの酸水溶液)で十分に洗浄し、多孔体前駆体に含まれるNa原子を100ppm以下に低減させる。
(シリカ系メソ多孔体Aの合成)
イオン交換水81.14kg、アーカード10-W35(ライオン社製、成分:デシルトリメチルアンモニウムブロミド)6.22kg、1号ケイ酸ソーダ12.64kgを室温で68時間攪拌した後、得られた混合液を24時間放置した。次いで、上記混合液を室温で再び1時間攪拌した後、上記混合液を1L/min、2N-HClを250ml/minの速度で流通せしめて混合し、混合後の反応液をそのまま1時間、攪拌速度5000rpmで攪拌した。このときの反応液のpHは9.5であった。このようにして得られた分散液から固形生成物をろ過により回収し、50リットルのイオン交換水で5回洗浄した後、45℃に48時間保持して乾燥せしめて多孔体前駆体の粉末を得た。続いて、得られた粉末を日本電磁測器社製の高精度成形装置を用いてCIP成型し、粉砕して粒度を0.15〜0.35mmに調整した後に、以下のイオン交換処理及び焼成処理によって界面活性剤成分の除去を行った。すなわち、得られた多孔体前駆体の粒子60gをカラムに入れ、1N-HCl/メタノール混合溶液200gを30分掛けてゆっくり流し、最後にメタノール200gを流した後、70℃で真空乾燥し、更に560℃で6時間焼成して添加金属を含有していないシリカ系メソ多孔体Aを得た。得られたシリカ系メソ多孔体Aの中心細孔直径は1.4nmであった。
イオン交換水893.8g、アーカード10-W35 69.9g、1号ケイ酸ソーダ136.4gを70℃で3時間攪拌した後、得られた混合液に2N-HClを滴下して混合液のpHを9.25に調整した。得られた反応液をそのまま3時間保持した。なお、その途中で反応液のpHを8.48に再調整した。このようにして得られた分散液から固形生成物をろ過により回収し、1リットルのイオン交換水で5回洗浄した後、45℃に48時間保持して乾燥せしめて多孔体前駆体の粉末を得た。続いて、得られた粉末を日本電磁測器社製の高精度成形装置を用いてCIP成型し、粉砕して粒度を0.15〜0.35mmに調整した後に、560℃で6時間焼成して界面活性剤成分の除去を行い、添加金属を含有していないシリカ系メソ多孔体Bを得た。得られたシリカ系メソ多孔体Bの中心細孔直径は1.4nmであった。
前記のイオン交換水とアーカード10-W35と1号ケイ酸ソーダとを攪拌する温度を65℃としたこと以外はシリカ系メソ多孔体Bの合成方法と同様にして添加金属を含有していないシリカ系メソ多孔体Cを得た。得られたシリカ系メソ多孔体Cの中心細孔直径は1.4nmであった。
0.94gの硝酸アルミニウムをイオン交換水10mLに溶解させて得られた溶液に5gのシリカ系メソ多孔体Aを分散せしめ、その状態で室温で10時間保持した。次いで、そのシリカ系メソ多孔体を室温で15時間乾燥せしめた。続いて、このようにして得られたシリカ系メソ多孔体1gを密閉容器に入れてイオン交換水10mLに分散せしめ、80℃のオーブン中で7日間保持した後、シリカ系メソ多孔体をろ過により回収し、室温で15時間保持して乾燥せしめて実施例1のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
0.94gの硝酸アルミニウムをイオン交換水5mLに溶解させて得られた溶液に10gのシリカ系メソ多孔体Aを分散せしめ、このように浸漬させた状態で室温で10時間保持した。次いで、そのシリカ系メソ多孔体を室温で15時間乾燥せしめた。続いて、このようにして得られたシリカ系メソ多孔体1gをシャーレに広げて80℃で湿度90%に保ったオーブン中で48時間保持した後、シリカ系メソ多孔体を70℃の真空乾燥機内に15時間保持して乾燥せしめて実施例2のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
3.76gの硝酸アルミニウム9水和物をイオン交換水1000mLに溶解させて得られた溶液に100gのシリカ系メソ多孔体Bを混合し、密閉容器中において50℃で20時間保持した。次いで、この分散液からシリカ系メソ多孔体をふるいにより回収し、45℃の熱風乾燥機にて12時間保持して乾燥せしめた。続いて、このようにして得られたシリカ系メソ多孔体を再び550℃で6時間焼成した後、シリカ系メソ多孔体2gを密閉容器に入れてイオン交換水20mLに分散せしめ、80℃のオーブン中で5日間保持した後、シリカ系メソ多孔体をろ過により回収し、室温で12時間保持して乾燥せしめて実施例3のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
硝酸アルミニウム9水和物の量を18.8gとしたこと以外は実施例3と同様にして実施例4のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
18.8gの硝酸アルミニウム9水和物をイオン交換水1000mLに溶解させて得られた溶液に100gのシリカ系メソ多孔体Bを混合し、密閉容器中において50℃で20時間保持した。次いで、この分散液からシリカ系メソ多孔体をふるいにより回収し、45℃の熱風乾燥機にて12時間保持して乾燥せしめた。続いて、このようにして得られたシリカ系メソ多孔体に100℃で10時間の加熱処理を施した後、シリカ系メソ多孔体2gをシャーレに広げて80℃で湿度90%に保ったオーブン中で78時間保持した後、シリカ系メソ多孔体を70℃の真空乾燥機内に15時間保持して乾燥せしめて実施例5のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
硝酸アルミニウム9水和物の量を75.2gとしたこと以外は実施例3と同様にして実施例6のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
硝酸アルミニウム9水和物の量を188gとしたこと以外は実施例3と同様にして実施例7のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
0.05mol/Lの硝酸第二鉄(Fe(NO3)3)水溶液15mLに1.5gのシリカ系メソ多孔体Cを分散せしめ、このように浸漬させた状態で50℃で20時間保持した。次いで、この分散液からシリカ系メソ多孔体をろ過により回収し、再び550℃で6時間焼成した後、得られたシリカ系メソ多孔体をシャーレに広げて80℃で湿度90%に保ったオーブン中で48時間保持した後、シリカ系メソ多孔体を70℃で真空乾燥せしめて実施例8の鉄含有シリカ系メソ多孔体を得た。
550℃で6時間の焼成処理に代えて100℃で6時間の加熱処理を施したこと以外は実施例8と同様にして実施例9の鉄含有シリカ系メソ多孔体を得た。
0.05mol/Lの硝酸第二鉄(Fe(NO3)3)水溶液15mLに代えて0.05mol/Lのシュウ酸チタンアンモニウム((NH4)2<TiO(C2O4)2>)水溶液15mLを用いたこと以外は実施例8と同様にして実施例10のチタン含有シリカ系メソ多孔体を得た。
シリカ系メソ多孔体Cの量を3.0gとし、シュウ酸チタンアンモニウム水溶液の量を30mLとし、550℃で6時間の焼成処理に代えて100℃で6時間の加熱処理を施したこと以外は実施例10と同様にして実施例11のチタン含有シリカ系メソ多孔体を得た。
0.05mol/Lの硝酸第二鉄(Fe(NO3)3)水溶液15mLに代えて0.05mol/Lの硫酸アルミニウム(Al2(SO4)3)水溶液15mLを用いたこと以外は実施例8と同様にして実施例12のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
シリカ系メソ多孔体Cの量を3.0gとし、硫酸アルミニウム水溶液の量を30mLとし、550℃で6時間の焼成処理に代えて100℃で6時間の加熱処理を施したこと以外は実施例12と同様にして実施例13のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
0.05mol/Lの硝酸第二鉄(Fe(NO3)3)水溶液15mLに代えて0.05mol/Lの硝酸ジルコニル(ZrO(NO3)2)水溶液15mLを用い、焼成処理の時間を8時間としたこと以外は実施例8と同様にして実施例14のジルコニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
シリカ系メソ多孔体Cの量を4.5gとし、硝酸ジルコニル水溶液の量を45mLとし、550℃で8時間の焼成処理に代えて100℃で8時間の加熱処理を施したこと以外は実施例14と同様にして実施例15のジルコニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
イオン交換水3840g、アーカード10-W35 294g、1号ケイ酸ソーダ598.5g、アルミン酸ナトリウム14.671gを70℃で1時間攪拌した後、得られた混合液に2N-HClを滴下して40分かけて混合液のpHを8.5に調整した。得られた反応液を、pHを8.5に調整しながら2時間養生した。このようにして得られた分散液から固形生成物をろ過により回収し、イオン交換水で伝導度が100μS以下になるまで洗浄した後、脱水して45℃の熱風乾燥機にて24時間保持して乾燥せしめて多孔体前駆体の粉末を得た。続いて、得られた粉末を日本電磁測器社製の高精度成形装置を用いてCIP成型し、粉砕して粒度を0.15〜0.35mmに調整した後に、560℃で6時間焼成して界面活性剤成分の除去を行い、比較例1のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。得られたシリカ系メソ多孔体の中心細孔直径は1.3nmであった。
アルミン酸ナトリウム14.671gに代えて硝酸アルミニウム9水和物28.0555gを用い、2N-HClの滴下に要した時間を60分としたこと以外は比較例1と同様にして比較例2のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。得られたシリカ系メソ多孔体の中心細孔直径は1.3nmであった。
前述の実施例4において550℃で6時間焼成したシリカ系メソ多孔体を、続いての熱水処理を施すことなくそのまま比較例3のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体として用いた。
前述の実施例5において100℃で10時間の加熱処理を施したシリカ系メソ多孔体を、続いての熱水蒸気処理を施すことなくそのまま比較例4のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体として用いた。
硝酸アルミニウム9水和物の量を5.611gとしたこと以外は比較例2と同様にして比較例5のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
硝酸アルミニウム9水和物の量を112.22gとしたこと以外は比較例2と同様にして比較例6のアルミニウム含有シリカ系メソ多孔体を得た。
前述のシリカ系メソ多孔体Aをそのまま比較例7の添加金属を含有していないシリカ系メソ多孔体として用いた。
前述のシリカ系メソ多孔体Bをそのまま比較例8の添加金属を含有していないシリカ系メソ多孔体として用いた。
前述のシリカ系メソ多孔体Cをそのまま比較例9の添加金属を含有していないシリカ系メソ多孔体として用いた。
実施例3、4、6、7並びに比較例1、2、5、6のシリカ系メソ多孔体におけるNa原子の含有量及びAl原子の含有量を、セイコー電子工業社製、商品名:SAS7500を用いた原子吸光光度法又は島津製作所社製、商品名:ICPS−2000を用いた高周波プラズマ分光分析法によって測定した。得られた結果を表1に示す。
実施例4並びに比較例1、2、3、4のシリカ系メソ多孔体においてAl原子が骨格内に十分に導入されているか否か、また骨格内に導入されているAl原子の比率について27Al-NMRの測定により確認した。なお、かかる測定は、Bruker製MSL−300WBを用いて、回転数2500、パルス間隔3秒にて行った。実施例4並びに比較例1、2、3、4のシリカ系メソ多孔体で得られた27Al-NMRの測定結果をそれぞれ図1〜5に示す。また、27Al−NMRの測定結果から求めた、(i)骨格内に導入されていない酸素6配位Alに対応するピーク面積に対する骨格内に導入されている酸素4配位Alに対応するピーク面積の比率{(酸素4配位Alピーク面積)/(酸素6配位Alピーク面積)}、並びに、(ii)全Al原子のうち骨格内に導入されているAl原子の割合、を表2に示す。
実施例4、5並びに比較例3、4のシリカ系メソ多孔体について25℃での水蒸気吸着等温線を測定し、Al原子が骨格内に十分に導入されているか否かを確認した。すなわち、先ず、試料(シリカ系メソ多孔体)0.5gをイオン交換水20mLに分散させて30分間超音波処理を行った後に1晩静置し、次いでろ過により水分を除去した後に一昼夜自然乾燥させ、更に25℃で10-2〜10-3mmHgで3時間真空排気して十分に乾燥せしめた。次いで、このようにして前処理された試料について、日本ベル社製、商品名:BELSORP18を用いて25℃での水蒸気吸着等温線を測定した。得られた結果を図6〜7に示す。
実施例1、2並びに比較例1、2、7のシリカ系メソ多孔体を80℃の熱水に5日間浸漬せしめ、この耐熱水性試験の前後の各シリカ系メソ多孔体のBET比表面積をユアサアイオニクス社製、商品名:オートソーブ1−AGによって測定した。得られた結果を表3に示す。なお、比表面積の低下率の値は下記式:
{((耐熱水性試験前の値)−(耐熱水性試験後の値))/(耐熱水性試験前の値)}×100=比表面積の低下率(%)
により算出した。
実施例3、4、5、6、7並びに比較例1、2、8のシリカ系メソ多孔体を80℃で湿度90%の水蒸気雰囲気中に48時間晒し、この耐熱水蒸気性試験後の各シリカ系メソ多孔体のX線回折(XRD)パターンを理学電機社製、商品名:RINT2200を用いて測定した。得られた結果を図8に示す。また、前記の耐熱水蒸気性試験後における実施例4、5、6、7並びに比較例1、2、8のシリカ系メソ多孔体について、前記吸着等温線測定と同様にして25℃での水蒸気吸着等温線を測定した。得られた結果を図9〜10に示す。
実施例8〜15並びに比較例9のシリカ系メソ多孔体を80℃で湿度90%の水蒸気雰囲気中に48時間晒し、この耐熱水蒸気性試験の前後の各シリカ系メソ多孔体のXRDパターンを前記耐熱水蒸気性の評価1と同様にして測定した。耐熱水蒸気性試験前のXRDパターンを図11及び図13に、耐熱水蒸気性試験後のXRDパターン(実施例8、10、12、13、15及び比較例9のみ)を図12及び図14に示す。
アンモニア昇温脱離(TPD)法は、強い揮発性の塩基性気体であるアンモニアが試料上の酸点に吸着する特性があることを利用し、アンモニアを吸着させた試料を昇温してその際の脱離ピークを測定する方法であり、これによって固体酸点の量及び強度が評価できる。
Claims (5)
- ケイ素原子及び酸素原子を主成分として骨格が形成されているシリカ系材料からなるシリカ系メソ多孔体であって、Na原子の含有量が100ppm以下であり、かつ、Al原子の含有量が800ppm以上6310ppm以下であり、前記Al原子の91モル%以上が前記骨格内に導入されており、
ケイ酸塩に界面活性剤を導入して多孔体前駆体を得る第1の工程と、
前記多孔体前駆体に含まれる前記界面活性剤由来の成分及びNa原子を除去し、ケイ素原子及び酸素原子を主成分として骨格が形成されているシリカ系材料からなりかつNa原子の含有量が100ppm以下であるシリカ系メソ多孔体を得る第2の工程と、
Alイオンを含有する溶液を前記シリカ系メソ多孔体に接触せしめ、前記Alイオンを前記シリカ系メソ多孔体の細孔内に導入する第3の工程と、
熱水及び/又は熱水蒸気を前記シリカ系メソ多孔体に接触せしめ、前記Al原子の含有量が800ppm以上6310ppm以下でありかつ前記Al原子の91モル%以上が骨格内に導入されているシリカ系メソ多孔体を得る第4の工程と、
を含む製造方法により得られることを特徴とするシリカ系メソ多孔体。 - 27Al−NMRの測定により得られる前記骨格内に導入されている酸素4配位Alに対応するピークの面積が、前記骨格内に導入されていない酸素6配位Alに対応するピークの面積の10倍以上であることを特徴とする請求項1記載のシリカ系メソ多孔体。
- ケイ酸塩に界面活性剤を導入して多孔体前駆体を得る第1の工程と、
前記多孔体前駆体に含まれる前記界面活性剤由来の成分及びNa原子を除去し、ケイ素原子及び酸素原子を主成分として骨格が形成されているシリカ系材料からなりかつNa原子の含有量が100ppm以下であるシリカ系メソ多孔体を得る第2の工程と、
Alイオンを含有する溶液を前記シリカ系メソ多孔体に接触せしめ、前記Alイオンを前記シリカ系メソ多孔体の細孔内に導入する第3の工程と、
熱水及び/又は熱水蒸気を前記シリカ系メソ多孔体に接触せしめ、前記Al原子の含有量が800ppm以上でありかつ前記Al原子の91モル%以上が骨格内に導入されているシリカ系メソ多孔体を得る第4の工程と、
を含むことを特徴とするシリカ系メソ多孔体の製造方法。 - 27Al−NMRの測定により得られる前記骨格内に導入されている酸素4配位Alに対応するピークの面積が、前記骨格内に導入されていない酸素6配位Alに対応するピークの面積の10倍以上であることを特徴とする請求項3記載のシリカ系メソ多孔体の製造方法。
- 前記溶液が、前記Alと酸との塩の水溶液であることを特徴とする請求項3又は4記載のシリカ系メソ多孔体の製造方法。
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