JP4646077B2 - Nanoparticle catalyst embedded in porous carbon support and method for producing the same - Google Patents

Nanoparticle catalyst embedded in porous carbon support and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、活性化エネルギーを低下させ反応を促進しうるナノ粒子触媒、及びその作製方法に関する。   The present invention relates to a nanoparticle catalyst that can reduce the activation energy and promote the reaction, and a method for producing the same.

現在、粒子を数ナノオーダーまで超微粒子化することにより、バルク状態とは全く異なる化学的、電気的、光学的、磁気的又は機械的特性を発現しうることが明らかになってきている。そのため、粒子をナノオーダーまで超微粒子化して様々な特性を発現させることが試みられている。触媒粒子においても、その直径を数ナノオーダーに近づけると、このような特性の変化や表面活性点の増大により、高い触媒活性を示すことが明らかになっている。しかし、粒子を数ナノオーダーまで超微粒子化すると、表面エネルギーが非常に大きくなる。そうすると当該粒子は分散不安定となり凝集し、当該特性を消失してしまう。   At present, it has become clear that chemical, electrical, optical, magnetic, or mechanical properties that are completely different from the bulk state can be exhibited by making particles ultrafine to the order of several nanometers. Therefore, attempts have been made to develop various characteristics by making the particles ultrafine to the nano-order. It has also been clarified that catalyst particles exhibit high catalytic activity due to such a change in characteristics and an increase in surface active points when the diameter of the catalyst particles approaches several nanometers. However, when the particles are made ultrafine to the order of several nanometers, the surface energy becomes very large. In this case, the particles become unstable in dispersion and agglomerate to lose the characteristics.

そのため、特許文献1においては、中空多孔質シリカのマイクロカプセルに1次粒子径が5〜9nmである光触媒粒子を内包させている(特許文献1)。
特開2003−096399号公報
Therefore, in patent document 1, the photocatalyst particle | grains whose primary particle diameter is 5-9 nm is included in the microcapsule of hollow porous silica (patent document 1).
JP 2003-096399 A

しかしながら、マイクロカプセルの中空状部分に内包される光触媒粒子は、マイクロカプセルにより分散安定であり、被触媒物質に接触しうるが、マイクロカプセルは構造的に強度が低いシリカからなるため、マイクロカプセルは破れやすく、一旦マイクロカプセルの一部が破れると、分散不安定となり凝集し、その結果、表面の活性サイトは減少して触媒活性が低下してしまうという問題を有している。また、シリカからなるマイクロカプセルは、親水性であり、被触媒物質である有機化合物との親和性が低い。高い触媒活性を実現するには、被触媒物質をナノ触媒粒子の表面近傍に吸着あるいは濃縮しうる構造が必要である。さらに、シリカのゲル化を利用して形成された多孔質においては、細孔が大きく、当該多孔質はあらゆる大きさの被触媒物質を透過してしまう。そのため、サイズ選択的に被触媒物質を変換することができない。   However, the photocatalyst particles encapsulated in the hollow portion of the microcapsule are dispersed and stable by the microcapsule and can come into contact with the target substance. However, since the microcapsule is composed of silica having a low structural strength, It easily breaks, and once a part of the microcapsule is broken, the dispersion becomes unstable and agglomerates. As a result, there is a problem that the active sites on the surface are reduced and the catalytic activity is lowered. Moreover, the microcapsules made of silica are hydrophilic and have a low affinity with the organic compound that is the catalyst substance. In order to achieve a high catalytic activity, a structure capable of adsorbing or concentrating the catalyst material near the surface of the nanocatalyst particles is required. Furthermore, the porous material formed by utilizing the gelation of silica has large pores, and the porous material permeates the catalyst material of any size. For this reason, the catalyst material cannot be converted in a size selective manner.

したがって、本発明は、上記課題を解決するものであって、その目的とするところは、触媒活性を低下させることなく、高い機械的、熱的安定性をもち、なおかつ被触媒物質をサイズ選択的に変換しうるナノ触媒、及びその作製方法を提供することにある。   Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to have high mechanical and thermal stability without reducing the catalytic activity, and to make the catalytic substance size-selective. It is an object of the present invention to provide a nanocatalyst that can be converted into a catalyst and a production method thereof.

本発明者らは、叙上に鑑み鋭意研究を行った結果、ナノ触媒粒子の出発物質である金属イオンと微細孔を有する多孔性炭素支持体の出発物質である有機化合物とを含む溶液中に光触媒粒子を分散させ、所定の条件で光触媒粒子に励起光を照射することにより、酸化還元反応を介して、2nm以下の超微細な細孔構造を有し、被触媒物質をサイズ選択的に透過する多孔性炭素支持体に金属ナノ粒子が埋設された触媒を作製しうることを見出した。当該励起光照射により、光触媒粒子には電子と正孔とが生成され、当該電子は溶液中に含まれる金属イオンを還元しナノ触媒粒子が生成される。それと同時に、前記正孔は有機化合物を酸化して、そのラジカルが生成される。当該ラジカルは、その連鎖反応により有機高分子層が形成され、これについて所定の処理を行うことにより2nm以下の超微細なミクロ孔構造を有する網目状炭素支持体を形成しうる。当該炭素支持体はラジカル反応により形成される祖な有機高分子層を介して形成されているため、極めて大きな表面積が得られる。そのため、ナノ触媒粒子表面の活性サイトは殆ど減少せず触媒活性の低下を招かない。また、ナノ触媒粒子は、触媒作用を受けるべき被触媒物質と接触可能な状態で被触媒物質との親和性が高い炭素からなる多孔性支持体に埋設されており、そのため、被触媒物質をナノ触媒粒子の表面近傍に吸着あるいは濃縮して高い触媒活性を実現することができる。さらにはナノ触媒粒子の凝集を防止することができるため長時間使用したとしても触媒活性が低下しない。また、炭素支持体の微細孔が被触媒物質をサイズ選択的に透過する分子ふるい効果を有するため、ナノ触媒粒子上ではサイズ選択的な触媒反応が進行しうる。本発明者らは上記知見に基づき本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies in view of the above, the present inventors have found that in a solution containing a metal ion that is a starting material of nanocatalyst particles and an organic compound that is a starting material of a porous carbon support having fine pores. By dispersing photocatalyst particles and irradiating the photocatalyst particles with excitation light under predetermined conditions, it has an ultrafine pore structure of 2 nm or less through a redox reaction and selectively passes through the target substance. It has been found that a catalyst in which metal nanoparticles are embedded in a porous carbon support can be produced. By the excitation light irradiation, electrons and holes are generated in the photocatalyst particles, and the electrons reduce metal ions contained in the solution to generate nanocatalyst particles. At the same time, the holes oxidize the organic compound and generate radicals thereof. The radical forms an organic polymer layer by the chain reaction, and a predetermined treatment is performed on the organic polymer layer to form a reticulated carbon support having an ultrafine microporous structure of 2 nm or less. Since the carbon support is formed through an ancestor organic polymer layer formed by radical reaction, an extremely large surface area can be obtained. Therefore, the active sites on the nanocatalyst particle surface are hardly reduced and the catalytic activity is not lowered. In addition, the nanocatalyst particles are embedded in a porous support made of carbon having a high affinity with the catalyst material in contact with the catalyst material to be catalyzed. High catalytic activity can be achieved by adsorption or concentration near the surface of the catalyst particles. Furthermore, since the aggregation of the nano catalyst particles can be prevented, the catalytic activity does not decrease even when used for a long time. In addition, since the micropores of the carbon support have a molecular sieving effect that allows selective passage of the catalyst material, size selective catalytic reaction can proceed on the nanocatalyst particles. Based on the above findings, the present inventors have completed the present invention.

したがって、本発明に係る触媒は、微細孔を有する支持体と触媒粒子とを含む触媒であって、前記支持体は、炭素を含み、前記触媒粒子のうちの少なくとも一部分は、前記支持体に埋没していることを特徴とする。触媒粒子の表面に、複数の微細孔が繋がっており、各細孔を介して多孔性支持体の外部に連通しているため、被触媒物質が滲入可能であり、滲入した被触媒物質はナノ触媒粒子と接触可能である。また、当該ナノ触媒粒子は機械的強度が高い多孔性炭素支持体に分散して埋設されているため、ナノ触媒粒子の凝集が防止され、長期間触媒機能を非常に高い状態で維持することができる。また、炭素膜の微細孔が被触媒物質をサイズ選択的に透過する分子ふるい効果を有するため、ナノ触媒粒子上ではサイズ選択的な触媒反応が進行する。   Therefore, the catalyst according to the present invention is a catalyst including a support having fine pores and catalyst particles, wherein the support includes carbon, and at least a part of the catalyst particles is buried in the support. It is characterized by that. A plurality of fine pores are connected to the surface of the catalyst particles and communicate with the outside of the porous support through each pore, so that the catalyst substance can be infiltrated, and the infiltrated catalyst substance is nano Contact with the catalyst particles is possible. In addition, since the nanocatalyst particles are dispersed and embedded in a porous carbon support having high mechanical strength, aggregation of the nanocatalyst particles can be prevented and the catalyst function can be maintained in a very high state for a long time. it can. In addition, since the fine pores of the carbon membrane have a molecular sieving effect that allows selective passage of the catalytic substance, a size selective catalytic reaction proceeds on the nano catalyst particles.

また、本発明に係る触媒は、前記支持体が中空体であり、前記触媒粒子は、前記支持体の中空側に埋没していることを特徴とする。   The catalyst according to the present invention is characterized in that the support is a hollow body, and the catalyst particles are buried on the hollow side of the support.

また、本発明に係る触媒において、微細孔の径が、10nm以下であることが好ましい。   Moreover, in the catalyst according to the present invention, the diameter of the micropores is preferably 10 nm or less.

さらに、本発明に係る触媒において、前記触媒粒子の径が、0.5nm〜10nmであることが好ましい。   Furthermore, in the catalyst according to the present invention, the catalyst particles preferably have a diameter of 0.5 nm to 10 nm.

さらに、本発明に係る触媒において、前記多孔性支持体の形状が中空球状であって、その直径が、20nm〜2μmであることが好ましい。   Furthermore, in the catalyst according to the present invention, it is preferable that the shape of the porous support is a hollow sphere, and the diameter thereof is 20 nm to 2 μm.

また、本発明に係る触媒において、前記触媒粒子が、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)、金(Au)、銅(Cu)、及び銀(Ag)からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。   In the catalyst according to the present invention, the catalyst particles may be platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe), ruthenium (Ru), cobalt (Co), rhodium (Rh), iridium (Ir), nickel. It is preferably at least one selected from the group consisting of (Ni), gold (Au), copper (Cu), and silver (Ag).

また、本発明に係る触媒作製方法は、微細孔を有する支持体と触媒粒子とを含む触媒を製造する触媒製造方法であって、前記支持体は、炭素を含み、前記触媒粒子のうちの少なくとも一部分を前記支持体に埋める埋没工程を包含することを特徴とする。前記埋没工程は、有機化合物と金属イオンと光触媒粒子とを含む水溶液を提供する工程と、前記有機化合物から有機高分子層を生成し、金属イオンから前記触媒粒子を生成するために、前記光触媒粒子に励起光を照射する照射工程と、前記有機高分子層を炭化する炭化工程と、を包含することを特徴とする。本発明に係る方法によれば、多孔性炭素支持体の形成とナノ触媒粒子の形成とを同時に行うことができるため工程を簡略化することができる。   The catalyst production method according to the present invention is a catalyst production method for producing a catalyst comprising a support having fine pores and catalyst particles, wherein the support contains carbon, and at least of the catalyst particles. The method includes a burying step of burying a part of the support in the support. The burying step includes a step of providing an aqueous solution containing an organic compound, metal ions, and photocatalyst particles, and an organic polymer layer is generated from the organic compound, and the photocatalyst particles are generated to generate the catalyst particles from metal ions. And an irradiation step of irradiating the organic polymer layer with an excitation light, and a carbonization step of carbonizing the organic polymer layer. According to the method of the present invention, the formation of the porous carbon support and the formation of the nanocatalyst particles can be performed simultaneously, so that the process can be simplified.

本発明に係る触媒作製方法は、前記埋没工程が、前記光触媒粒子を溶解する溶解工程を包含することを特徴とする。   The catalyst preparation method according to the present invention is characterized in that the burying step includes a dissolving step of dissolving the photocatalyst particles.

また、本発明に係る触媒作製方法においては、前記光触媒粒子が、酸化チタン(TiO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO)、酸化ニオブ(Nb)、酸化タンタル(Ta)、硫化カドミウム(CdS)、硫化亜鉛(ZnS)、ビスマスバナジウム酸塩(BiVO)、アルカリ金属チタン酸塩、及びアルカリ金属ニオブ酸塩からなる群から選択される少なくとも1種からなることが好ましい。 Moreover, in the catalyst preparation method according to the present invention, the photocatalyst particles include titanium oxide (TiO 2 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 ). O 5 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), cadmium sulfide (CdS), zinc sulfide (ZnS), bismuth vanadate (BiVO 4 ), alkali metal titanate, and alkali metal niobate It is preferable to consist of at least one selected.

また、本発明に係る触媒作製方法において、前記有機化合物が、フェノール、ジヒドロキシルベンゼン、ヒドロキシルベンゼンカルボン酸、ジカルボキシルベンゼン、フタル酸塩、クレゾール、ナフトール、ジヒドロキシルナフタレン、及びビフェノールからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。   In the catalyst preparation method according to the present invention, the organic compound is selected from the group consisting of phenol, dihydroxylbenzene, hydroxylbenzenecarboxylic acid, dicarboxylbenzene, phthalate, cresol, naphthol, dihydroxylnaphthalene, and biphenol. It is preferable to contain at least one selected from the above.

さらに、本発明に係る触媒作製方法において、前記金属イオンが、Pt4+、Pt2+、Pd2+、Rh3+、Ir3+、Au3+、Cu2+、及びAgからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。 Furthermore, in the catalyst preparation method according to the present invention, the metal ion is at least one selected from the group consisting of Pt 4+ , Pt 2+ , Pd 2+ , Rh 3+ , Ir 3+ , Au 3+ , Cu 2+ , and Ag +. It is preferable to contain.

また、本発明に係る触媒作製方法において、前記の有機高分子層を炭化する際の温度が、500℃〜1000℃であることが好ましい。   Moreover, in the catalyst preparation method according to the present invention, the temperature at which the organic polymer layer is carbonized is preferably 500 ° C to 1000 ° C.

さらに、本発明に係る触媒作製方法において、前記光触媒粒子を溶解しうる溶剤が、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、及び過酸化水素からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。   Furthermore, in the catalyst preparation method according to the present invention, the solvent capable of dissolving the photocatalyst particles is selected from the group consisting of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, and hydrogen peroxide. It is preferable to include at least one selected.

また、本発明に係る別の触媒作製方法は、前記埋没工程が、基材と前記基材の表面に形成された多孔質無機酸化層とを含む構造体を提供する工程と、前記多孔質無機酸化層の下層部に第1有機高分子層を形成する第1形成工程と、前記多孔質無機酸化層の細孔内の少なくとも一部に前記触媒粒子を挿入する挿入工程と、前記第1有機高分子層の上層部に第2有機高分子層を形成する第2形成工程と、前記支持体を生成するために、前記第1有機高分子層と前記第2有機高分子層とを炭化する炭化工程と、を包含することを特徴とする。当該方法では、ゲル化による多孔質無機酸化物を雛形としているため、比較的細孔径の大きい孔が得られるが、有機高分子層を炭化しているため、超微細なマイクロ孔をも得ることができる。   Further, another catalyst preparation method according to the present invention includes a step of providing a structure in which the burying step includes a base material and a porous inorganic oxide layer formed on a surface of the base material, and the porous inorganic material. A first forming step of forming a first organic polymer layer in a lower layer portion of the oxide layer, an insertion step of inserting the catalyst particles into at least a part of pores of the porous inorganic oxide layer, and the first organic A second forming step of forming a second organic polymer layer on an upper layer of the polymer layer; and carbonizing the first organic polymer layer and the second organic polymer layer to produce the support. And carbonization step. In this method, since a porous inorganic oxide formed by gelation is used as a template, pores having a relatively large pore diameter can be obtained. However, since the organic polymer layer is carbonized, ultrafine micropores can also be obtained. Can do.

また、本発明に係る別の触媒作製方法は、前記埋没工程が、前記基材と前記多孔質無機酸化層とを溶解する溶解工程を包含することを特徴とする。   Further, another catalyst preparation method according to the present invention is characterized in that the burying step includes a dissolving step of dissolving the base material and the porous inorganic oxide layer.

また、本発明に係る別の触媒作製方法において、含浸法、化学蒸着法、若しくは水熱処理法により上記多孔質無機酸化層に有機化合物が充填されることが好ましい。   In another catalyst preparation method according to the present invention, the porous inorganic oxide layer is preferably filled with an organic compound by an impregnation method, a chemical vapor deposition method, or a hydrothermal treatment method.

また、本発明に係る別の触媒作製方法の前記多孔質層形成工程において、前記多孔質無機酸化物層を、金属アルコキシド、アルカリ金属ケイ酸塩、金属アセチルアセテート、金属硝酸塩、若しくは金属塩酸塩の加水分解・脱水縮合により形成することが好ましい。   Further, in the porous layer forming step of another catalyst preparation method according to the present invention, the porous inorganic oxide layer is made of metal alkoxide, alkali metal silicate, metal acetyl acetate, metal nitrate, or metal hydrochloride. It is preferably formed by hydrolysis / dehydration condensation.

また、本発明に係る別の触媒作製方法の前記多孔質層形成工程において、前記多孔質無機酸化物層を、アルコキシシラン、アルキル基を含むシリコンアルコキシド、ケイ酸ソーダ、チタンアルコキシド、塩化チタン、アルミニウムアルコキシド、マグネシウムアルコキシド、ランタンアルコキシド、硝酸ランタン、セリウムアルコキシド、及び硝酸セリウムからなる群から選択される少なくとも1つをゲル化し、熱処理することにより形成することが好ましい。   Further, in the porous layer forming step of another catalyst preparation method according to the present invention, the porous inorganic oxide layer is replaced with alkoxysilane, alkyl group-containing silicon alkoxide, sodium silicate, titanium alkoxide, titanium chloride, aluminum. Preferably, at least one selected from the group consisting of alkoxide, magnesium alkoxide, lanthanum alkoxide, lanthanum nitrate, cerium alkoxide, and cerium nitrate is gelled and heat-treated.

また、本発明に係る別の触媒作製方法において、前記基材が、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ランタン及び酸化セリウムからなる群から選択される少なくとも一種の酸化物を含むことが好ましい。   Further, in another catalyst preparation method according to the present invention, the base material is at least one oxide selected from the group consisting of silica, titanium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, lanthanum oxide, and cerium oxide. It is preferable to include.

また、本発明に係る別の触媒作製方法において、前記多孔質無機酸化物層が、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ランタン及び酸化セリウムからなる群から選択される少なくとも一種の酸化物を含むことが好ましい。   Further, in another catalyst preparation method according to the present invention, the porous inorganic oxide layer is at least one selected from the group consisting of silica, titanium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, lanthanum oxide, and cerium oxide. It is preferable that the oxide of this is included.

また、本発明に係る別の触媒作製方法において、前記炭素含有有機化合物が、グルコース、スクロース、フルフリルアルコール、ピロール、メソフェーズピッチ、エチレンガス、及び芳香族有機化合物からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。   In another catalyst preparation method according to the present invention, the carbon-containing organic compound is at least one selected from the group consisting of glucose, sucrose, furfuryl alcohol, pyrrole, mesophase pitch, ethylene gas, and an aromatic organic compound. Preferably it is a seed.

また、本発明に係る別の触媒作製方法において、前記第1及び第2の有機高分子層を炭化する際の温度が、500〜1000℃であることが好ましい。   Moreover, in another catalyst preparation method according to the present invention, it is preferable that a temperature at which the first and second organic polymer layers are carbonized is 500 to 1000 ° C.

また、本発明に係る別の触媒作製方法において、前記溶媒が、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、及び過酸化水素からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。   In another catalyst preparation method according to the present invention, the solvent is at least selected from the group consisting of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, and hydrogen peroxide. One type is preferable.

さらに、本発明に係るさらに別の触媒作製方法は、前記埋没工程が、基材と前記基材の表面に形成された第1有機高分子層とを含む構造体を提供する工程と、前記第1有機高分子層上に前記触媒粒子を設ける工程と、前記第1有機高分子層と前記触媒粒子との上に、第2有機高分子層を形成する第2形成工程と、前記支持体を生成するために、前記第1有機高分子層と前記第2有機高分子層とを炭化する炭化工程と、を包含することを特徴とする。当該方法でも、有機高分子層を炭化しているため、超微細なマイクロ孔をも得ることができる。   Furthermore, another catalyst preparation method according to the present invention includes a step of providing a structure in which the burying step includes a base material and a first organic polymer layer formed on a surface of the base material, A step of providing the catalyst particles on one organic polymer layer, a second forming step of forming a second organic polymer layer on the first organic polymer layer and the catalyst particles, and the support. In order to produce | generate, the carbonization process of carbonizing the said 1st organic polymer layer and the said 2nd organic polymer layer is included, It is characterized by the above-mentioned. Even in this method, since the organic polymer layer is carbonized, ultrafine micropores can be obtained.

本発明に係るさらに別の触媒作製方法は、前記埋没工程が、前記基材を溶解する溶解工程を包含することを特徴とする。   Yet another catalyst preparation method according to the present invention is characterized in that the burying step includes a dissolving step of dissolving the substrate.

また、本発明に係るさらに別の触媒作製方法において、前記基材が、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ランタン及び酸化セリウムからなる群から選択される少なくとも1種からなることが好ましい。   Further, in still another catalyst preparation method according to the present invention, the substrate is made of at least one selected from the group consisting of silica, titanium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, lanthanum oxide, and cerium oxide. It is preferable.

また、本発明に係るさらに別の触媒作製方法において、前記炭素含有有機化合物が、グルコース、スクロース、フルフリルアルコール、ピロール、メソフェーズピッチ、エチレンガス、及び芳香族有機化合物からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。   Further, in still another catalyst preparation method according to the present invention, the carbon-containing organic compound is at least selected from the group consisting of glucose, sucrose, furfuryl alcohol, pyrrole, mesophase pitch, ethylene gas, and an aromatic organic compound. One type is preferable.

また、本発明に係るさらに別の触媒作製方法において、前記ナノ触媒粒子が、Pt、Pd、Fe、Ru、Co、Rh、Ir、Ni、Au、Cu、及びAgからなる群から選択される少なくとも1種を含んで成ることが好ましい。   Further, in still another catalyst preparation method according to the present invention, the nanocatalyst particles are at least selected from the group consisting of Pt, Pd, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Au, Cu, and Ag. Preferably it comprises one.

また、本発明に係るさらに別の触媒作製方法において、前記溶媒が、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、及び過酸化水素からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。   In still another catalyst preparation method according to the present invention, the solvent is selected from the group consisting of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, and hydrogen peroxide. It is preferable that there is at least one.

本発明に係る触媒の作製方法では、光触媒作用によるラジカルの連鎖反応により発達した微細孔を有する網目状の多孔性炭素支持体を形成しうる。そのため、被触媒物質が多孔性支持体に滲入可能であり、滲入した被触媒物質はナノ触媒粒子と接触可能である。したがって、ナノ触媒粒子の活性サイトは減少せず触媒活性の低下を招かない。また、当該ナノ触媒粒子は多孔性支持体に分散して埋設されているため、ナノ触媒粒子の凝集が防止され、長期間触媒機能を非常に高い状態で維持することができる。したがって、本発明によれば、触媒活性を低下させることなく、高い機械的、熱的安定性をもち、なおかつ被触媒物質をサイズ選択的に変換しうる触媒作製方法を提供することができる。
また、本発明に係るナノ粒子系触媒では、上述のように発達した微細孔を有する網目状の多孔性炭素支持体にナノ触媒粒子が分散しているため、ナノ触媒粒子の活性サイトは減少せず触媒活性は低下しない。また、ナノ触媒粒子の凝集を防止することができる。そのため長時間使用したとしても触媒活性を高い状態に保つことができる。さらに、多孔性支持体の細孔サイズにより被触媒物質をサイズ選択的に多孔性支持体に滲入させる分子ふるい効果をもたせることができるため、ナノ触媒粒子上でサイズ選択的な触媒反応を進行させることができる。また、触媒粒子のうちの少なくとも一部分は、支持体に埋設しているため、触媒粒子のうち埋没している部分の活性サイトは減少しない。したがって、本発明によれば、触媒活性を低下させることなく、高い機械的、熱的安定性をもち、なおかつ被触媒物質をサイズ選択的に変換しうるナノ触媒を提供することができる。
In the method for producing a catalyst according to the present invention, a network-like porous carbon support having fine pores developed by a radical chain reaction by photocatalysis can be formed. Therefore, the catalyst material can be infiltrated into the porous support, and the infiltrated catalyst material can be in contact with the nanocatalyst particles. Therefore, the active sites of the nanocatalyst particles are not reduced and the catalytic activity is not lowered. Further, since the nanocatalyst particles are dispersed and embedded in the porous support, aggregation of the nanocatalyst particles can be prevented, and the catalyst function can be maintained in a very high state for a long time. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a catalyst preparation method that has high mechanical and thermal stability without reducing the catalytic activity, and that can selectively convert the catalyst material.
Further, in the nanoparticle catalyst according to the present invention, since the nanocatalyst particles are dispersed on the network-like porous carbon support having fine pores developed as described above, the active sites of the nanocatalyst particles are reduced. The catalytic activity does not decrease. Moreover, aggregation of the nano catalyst particles can be prevented. Therefore, even if it is used for a long time, the catalytic activity can be kept high. Furthermore, since the molecular sieve effect of allowing the catalytic material to permeate into the porous support in a size-selective manner can be provided by the pore size of the porous support, a size-selective catalytic reaction is allowed to proceed on the nanocatalyst particles. be able to. Moreover, since at least a part of the catalyst particles is embedded in the support, the active sites of the embedded part of the catalyst particles are not reduced. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a nanocatalyst that has high mechanical and thermal stability without reducing the catalytic activity, and that can selectively convert the catalyst material.

また、第2の方法でも、ナノ触媒粒子を炭素から成る多孔性支持体内に離間した状態で分散させることができるため、凝集による活性低下を防止することができる。さらに、多孔性支持体の細孔サイズにより被触媒物質をサイズ選択的に多孔性支持体に滲入させる分子ふるい効果をもたせることができるため、ナノ触媒粒子上でサイズ選択的な触媒反応を進行させることができる。
さらに、第3の方法でも、前記同様ナノ触媒粒子を炭素から成る多孔性支持体内に離間した状態で分散させることができるため、凝集による活性低下を防止することができる。さらに、多孔性支持体の細孔サイズにより被触媒物質をサイズ選択的に多孔性支持体に滲入させる分子ふるい効果をもたせることができるため、ナノ触媒粒子上でサイズ選択的な触媒反応を進行させることができる。
Also in the second method, the nanocatalyst particles can be dispersed in a state of being separated in the porous support body made of carbon, so that a decrease in activity due to aggregation can be prevented. Furthermore, since the molecular sieve effect of allowing the catalytic material to permeate into the porous support in a size-selective manner can be provided by the pore size of the porous support, a size-selective catalytic reaction is allowed to proceed on the nanocatalyst particles. be able to.
Further, in the third method, since the nano catalyst particles can be dispersed in the porous support body made of carbon in the same manner as described above, it is possible to prevent a decrease in activity due to aggregation. Furthermore, since the molecular sieve effect of allowing the catalytic material to permeate into the porous support in a size-selective manner can be provided by the pore size of the porous support, a size-selective catalytic reaction is allowed to proceed on the nanocatalyst particles. be able to.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態のナノ粒子触媒に関して説明する。ここでは、炭素から成る多孔性支持体が略球状の中空体である場合について説明する。しかしながら、以下に示すものは本発明の例示であって、これらに限定されるものではない。ここで、本明細書を通して、同一部材は同一の参照番号を付している。   Hereinafter, a nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the case where the porous support body which consists of carbon is a substantially spherical hollow body is demonstrated. However, the following are examples of the present invention, and the present invention is not limited to these. Here, throughout this specification, the same member has the same reference number.

(実施の形態1)
本実施の形態1に係る触媒(多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒)は、図1に示すように、ナノ触媒粒子と、当該ナノ触媒粒子を埋設して成る多孔性炭素支持体とから構成される。以下、ナノ粒子触媒の各構成について詳細に説明する。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the catalyst according to the first embodiment (a nanoparticle catalyst embedded in a porous carbon support) is composed of nanocatalyst particles and a porous carbon support in which the nanocatalyst particles are embedded. It consists of the body. Hereinafter, each configuration of the nanoparticle catalyst will be described in detail.

(多孔性炭素支持体)
本発明に係る多孔性炭素支持体1は、発達した微細孔を有する網目状の支持体であり、当該微細孔を介して支持体中通じている。当該多孔性炭素支持体1には、ナノ触媒粒子2が分散され、触媒作用を受けうる被触媒物質は網目構造から滲入し、微細孔(マイクロ孔)を介して当該前記ナノ触媒粒子2と接触する。当該多孔性炭素支持体1の表面積は、300m/g〜2000m/gであることが好ましく、1000m/g〜2000m/gであることがさらに好ましい。表面積をこのような範囲とすると、多孔性炭素支持体は非常に粗な状態となり、被触媒物質が当該支持体を容易に透過可能となる。そのため、ナノ触媒粒子が多孔性炭素支持体に接する状態で埋設されているにも拘わらず、その触媒活性は低下しない。
また、多孔性炭素支持体は、10nm以下、より好ましくは1nm以下の径を有する微細孔を含んでいることが必要である。このような開口部を無数含むことにより、被触媒物質が光触媒粒子に滲入し接触可能となる。そのため、触媒活性が低下しない。
また、当該多孔性炭素支持体は、触媒作用に影響を及ぼさない限り如何なる形状を有していてもよい。当該形状を例示すれば円柱状、球状、円錐状、板状、中空円柱状、中空球状、中空円錐状、及び棒状が挙げられる。製造上の観点からすると、当該多孔性炭素支持体の形状は中空球状であるが好ましい。
また、多孔性炭素支持体の膜厚は、2nm〜200nmであることが好ましく、更に好ましくは2nm〜50nmである。多孔性炭素支持体の膜厚がこのような範囲にあれば、十分な機械的耐性の確保と、多孔性炭素支持体内に埋没したナノ触媒粒子への被触媒物質の効率のよい拡散を両立することができる。
本発明に係る多孔性炭素支持体は、如何なる材料から構成されていてもよいが、炭素から構成されていることが好ましい。炭素は疎水的で有機物との親和性が高い。そのため、被触媒物質を吸着、濃縮しやすく被触媒物質がナノ触媒粒子に効果的に供給される。また、炭素は一般に電子過剰であるため、多孔性炭素支持体中の金属ナノ粒子の酸化が抑えられる。
(Porous carbon support)
The porous carbon support 1 according to the present invention is a network-like support having developed micropores, and communicates with the support through the micropores. On the porous carbon support 1, nano catalyst particles 2 are dispersed, and a catalytic material that can be catalyzed penetrates from the network structure and comes into contact with the nano catalyst particles 2 through micropores (micropores). To do. The surface area of the porous carbon support 1 is preferably 300m 2 / g~2000m 2 / g, still more preferably 1000m 2 / g~2000m 2 / g. When the surface area is in such a range, the porous carbon support is in a very rough state, and the catalyst material can easily pass through the support. Therefore, although the nano catalyst particles are buried in contact with the porous carbon support, the catalytic activity does not decrease.
In addition, the porous carbon support needs to include fine pores having a diameter of 10 nm or less, more preferably 1 nm or less. By including an infinite number of such openings, the material to be catalyzed penetrates into the photocatalyst particles and can be contacted. Therefore, the catalytic activity does not decrease.
The porous carbon support may have any shape as long as it does not affect the catalytic action. Examples of the shape include a columnar shape, a spherical shape, a conical shape, a plate shape, a hollow cylindrical shape, a hollow spherical shape, a hollow conical shape, and a rod shape. From the viewpoint of production, the shape of the porous carbon support is preferably a hollow sphere.
Moreover, it is preferable that the film thickness of a porous carbon support body is 2 nm-200 nm, More preferably, it is 2 nm-50 nm. If the film thickness of the porous carbon support is within such a range, both sufficient mechanical resistance and efficient diffusion of the catalyst substance to the nanocatalyst particles embedded in the porous carbon support can be achieved. be able to.
The porous carbon support according to the present invention may be composed of any material, but is preferably composed of carbon. Carbon is hydrophobic and has high affinity with organic matter. Therefore, it is easy to adsorb and concentrate the catalyst material, and the catalyst material is effectively supplied to the nanocatalyst particles. Moreover, since carbon is generally electron-excess, oxidation of the metal nanoparticles in the porous carbon support can be suppressed.

(ナノ触媒粒子)
本発明に係るナノ触媒粒子は、触媒作用を受けうる被触媒物質について反応を促進するものである。したがって、ナノ触媒粒子としては前記触媒作用を発揮しうる限り如何なるものを使用してもよい。ナノ触媒粒子の材料を例示すれば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)、金(Au)、銅(Cu)、若しくは銀(Ag)が挙げられる。また、これらの金属の中の2種以上が含まれていてもよい。また、ナノ触媒粒子としては、単体、合金、あるいは無機塩等の各種形態であってよい。
(Nano catalyst particles)
The nanocatalyst particles according to the present invention promote the reaction with respect to a catalytic material that can be catalyzed. Accordingly, any nano catalyst particles may be used as long as they can exhibit the catalytic action. Examples of nano catalyst particle materials include platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe), ruthenium (Ru), cobalt (Co), rhodium (Rh), iridium (Ir), nickel (Ni), Gold (Au), copper (Cu), or silver (Ag) can be used. Two or more of these metals may be included. The nanocatalyst particles may be in various forms such as a simple substance, an alloy, or an inorganic salt.

また、ナノ触媒粒子の直径は、触媒作用を発揮しうる大きさに設定されるが、好ましくは0.5nm〜20nm、さらに好ましくは0.5nm〜5nmである。   The diameter of the nanocatalyst particles is set to a size that can exert a catalytic action, but is preferably 0.5 nm to 20 nm, and more preferably 0.5 nm to 5 nm.

(実施の形態2)
続いて、本実施の形態2に係る触媒作製方法に関して説明する。本発明に係る触媒作製方法は、多孔性炭素支持体と該多孔性炭素支持体の表面又は内部に分散して埋設されたナノ触媒粒子とを含んでなる触媒を作製する方法であって、前記多孔性炭素支持体の出発物質である有機化合物と前記ナノ触媒粒子の出発物質である金属イオンとを含む水溶液に光触媒粒子を混合する工程と、前記光触媒粒子に励起光を照射して、光触媒作用により、光触媒粒子の少なくとも一部に有機高分子層を形成するとともに、当該有機高分子層に分散して埋設された状態でナノ触媒粒子を形成する工程と、当該有機高分子層を炭化して、炭素からなる多孔性支持体を形成する工程と、光触媒粒子を溶解しうる溶剤に当該ナノ触媒を浸漬することにより、前記光触媒粒子を溶解する工程と、を備えることを特徴とする。上述の如く、当該方法は、ナノ触媒粒子の出発物質である金属イオンと多孔性炭素支持体の出発物質である有機化合物とを含む溶液中に光触媒粒子を分散させ、所定の条件で光触媒粒子に励起光を照射することにより、酸化還元反応を介して、多孔性炭素支持体にナノ触媒粒子が離間して分散した複合体を作製しうる。図4は、当該作製方法の工程図である。当該工程図に従って、本実施の形態2に係るナノ触媒作製方法を詳細に説明する。
(Embodiment 2)
Next, the method for producing a catalyst according to the second embodiment will be described. The catalyst preparation method according to the present invention is a method of preparing a catalyst comprising a porous carbon support and nano catalyst particles dispersed and embedded on the surface or inside of the porous carbon support, A step of mixing photocatalyst particles with an aqueous solution containing an organic compound that is a starting material of a porous carbon support and a metal ion that is a starting material of the nanocatalyst particles; To form an organic polymer layer on at least a part of the photocatalyst particles, and to form the nanocatalyst particles in a state of being dispersed and embedded in the organic polymer layer, and carbonizing the organic polymer layer. And a step of forming a porous support made of carbon, and a step of dissolving the photocatalyst particles by immersing the nanocatalyst in a solvent capable of dissolving the photocatalyst particles. As described above, the method involves dispersing photocatalyst particles in a solution containing metal ions that are starting materials of nanocatalyst particles and organic compounds that are starting materials of a porous carbon support, and the photocatalyst particles are formed under predetermined conditions. By irradiating with excitation light, a composite in which nano-catalyst particles are separated and dispersed on a porous carbon support through an oxidation-reduction reaction can be produced. FIG. 4 is a process diagram of the manufacturing method. The nanocatalyst preparation method according to the second embodiment will be described in detail according to the process chart.

1)光触媒粒子の準備
まず、光触媒を含む粒子を準備する。バルク状のものを超微細化してもよいし析出沈殿法等により作製してもよい。光触媒粒子の大きさは、特に限定されるものではないが、好ましくは20nm〜2μm、さらに好ましくは20nm〜500mである。
1) Preparation of photocatalyst particles First, particles containing a photocatalyst are prepared. A bulk material may be made ultrafine or may be prepared by a precipitation method or the like. The size of the photocatalyst particles is not particularly limited, but is preferably 20 nm to 2 μm, more preferably 20 nm to 500 m.

2)有機化合物と金属イオンとの混合溶液の調製
続いて、ナノ触媒粒子となる金属(例えばPt、Pd、Rh、Ir、Au、Cu、Ag等)の出発物質である金属イオンMn+、及び多孔性炭素支持体を構成することになる有機化合物を溶液に混合し十分攪拌し、これらの混合溶液を調製する。金属イオンMn+としては、Pt4+、Pt2+、Pd2+、Rh3+、Ir3+、Au3+、Cu2+、又はAgが挙げられる。当該多孔性炭素支持体を構成することになる有機化合物として、例えばフェノール、ジヒドロキシルベンゼン(ジヒドロキシベンゼンとしては、例えば、カテコール、レゾシノール、ヒドロキノン等が挙げられる。)、ヒドロキシルベンゼンカルボン酸(ヒドロキシベンゼンカルボン酸としては、サリチル酸、4-ヒドロキシルベンゼンカルボン酸等が挙げられる。)、ジカルボキシルベンゼン(ジカルボキシルベンゼンとしては、フタル酸、テレフタル酸、イソフタル酸等が挙げられる。)、フタル酸塩、クレゾール、ナフトール、ジヒドロキシルナフタレン、若しくはビフェノールを使用する。
2) Preparation of Mixed Solution of Organic Compound and Metal Ion Subsequently, metal ions M n + which are starting materials of metals (for example, Pt, Pd, Rh, Ir, Au, Cu, Ag, etc.) that become nanocatalyst particles, and The organic compound that will constitute the porous carbon support is mixed into the solution and stirred sufficiently to prepare a mixed solution thereof. Examples of the metal ion M n + include Pt 4+ , Pt 2+ , Pd 2+ , Rh 3+ , Ir 3+ , Au 3+ , Cu 2+ , or Ag + . Examples of the organic compound that constitutes the porous carbon support include phenol, dihydroxylbenzene (examples of dihydroxybenzene include catechol, resorcinol, hydroquinone, etc.), hydroxylbenzenecarboxylic acid (hydroxybenzenecarboxylic acid). Examples of the acid include salicylic acid, 4-hydroxylbenzene carboxylic acid, etc.), dicarboxyl benzene (the dicarboxyl benzene includes phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid, etc.), phthalate, cresol, Use naphthol, dihydroxyl naphthalene, or biphenol.

3)混合
続いて、2)において作製された混合溶液に、1)において作製した光触媒粒子を投入し攪拌する。
3) Mixing Subsequently, the photocatalyst particles prepared in 1) are added to the mixed solution prepared in 2) and stirred.

4)励起光照射
続いて、混合溶液に分散された光触媒粒子を励起するため、励起光をこれに照射する(図4(a))。これにより、光触媒粒子中に電子eと正孔hとが生成する。当該電子は、2)において作製された溶液中に含まれる金属イオンMn+を還元し光触媒粒子表面にナノ触媒粒子が生成される。また、前記正孔hは、当該溶液に含まれる有機化合物Oを酸化し、無数のラジカルを生成する。特定のラジカルが有機化合物若しくは他のラジカルと無限連鎖的に反応して、光触媒粒子の表面に炭素を含む有機高分子層が形成される(図4)。例えば、当該有機化合物としてフェノールを使用する場合、具体的には、図5に示すように、フェノール分子がhにより酸化されたラジカル種が別のフェノール分子と連鎖的に反応して、架橋構造が形成されていく。当該架橋構造は、最終的に形成される多孔性炭素支持体中の2nm以下の微細孔の発現に寄与しているものと考えられる。
金属イオンの還元反応、及び有機化合物の酸化反応の両反応がある程度進むと、触媒粒子は有機高分子層に埋設され、これらの反応は進まなくなり、あるところで停止する。
上記ナノ触媒粒子は、光触媒粒子の表面付近で生成され、それと同時にナノ触媒粒子を覆うように有機高分子層が成長していく。そのため、ナノ触媒粒子は、有機高分子層内部の内壁側に比較的集中して形成されることとなる(図4(b))。このような構成であれば、最終的に得られる多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒のナノ触媒粒子が多孔性炭素支持体によって外部と隔てられるため、多孔性炭素支持体の細孔サイズによる分子ふるい効果によってサイズ選択的な触媒反応を進行できるため好ましい。
4) Excitation light irradiation Subsequently, excitation light is irradiated to excite the photocatalyst particles dispersed in the mixed solution (FIG. 4A). As a result, electrons e and holes h + are generated in the photocatalyst particles. The electrons reduce the metal ions M n + contained in the solution prepared in 2) to generate nano catalyst particles on the surface of the photo catalyst particles. Further, the holes h + oxidize the organic compound O contained in the solution to generate countless radicals. A specific radical reacts infinitely with an organic compound or another radical, and an organic polymer layer containing carbon is formed on the surface of the photocatalyst particles (FIG. 4). For example, when phenol is used as the organic compound, specifically, as shown in FIG. 5, a radical species in which a phenol molecule is oxidized by h + reacts with another phenol molecule in a chain manner to form a crosslinked structure. Will be formed. The crosslinked structure is considered to contribute to the expression of fine pores of 2 nm or less in the finally formed porous carbon support.
When both the reduction reaction of the metal ion and the oxidation reaction of the organic compound proceed to some extent, the catalyst particles are embedded in the organic polymer layer, and these reactions do not proceed and stop at some point.
The nanocatalyst particles are generated near the surface of the photocatalyst particles, and at the same time, the organic polymer layer grows so as to cover the nanocatalyst particles. Therefore, the nanocatalyst particles are formed relatively concentrated on the inner wall side inside the organic polymer layer (FIG. 4B). With such a configuration, the nanocatalyst particles of the nanoparticle catalyst embedded in the finally obtained porous carbon support are separated from the outside by the porous carbon support. This is preferable because a size selective catalytic reaction can proceed by the molecular sieving effect due to the pore size.

5)炭化処理
前記のようにして得られた粒子を500℃〜1000℃、好ましくは600℃〜900℃で炭化処理する。これにより、有機高分子層が炭化され網目状の多孔質炭素シェル(多孔性炭素支持体)が形成される(図4(c))。
5) Carbonization treatment The particles obtained as described above are subjected to carbonization treatment at 500 ° C to 1000 ° C, preferably 600 ° C to 900 ° C. Thereby, the organic polymer layer is carbonized to form a network-like porous carbon shell (porous carbon support) (FIG. 4C).

6)光触媒粒子の溶解除去
続いて、光触媒粒子を溶解しうる無機系若しくは有機系溶液で光触媒粒子を溶解、除去し、多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒(p−C/ナノ触媒粒子/C)とする(図4(d))。このような光触媒粒子を溶解しうる溶液としては、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、及び過酸化水素を含む溶液が挙げられる。当該光触媒粒子は必ずしも溶解して排出する必要はなく、光触媒粒子を多孔性炭素支持体内に残したままでもよいが、被触媒物質を効率よく拡散させるためには、光触媒粒子を全てあるいは一部を排出することがより好ましい。光触媒としては、例えば、酸化チタン(TiO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO)、酸化ニオブ(Nb)、酸化タンタル(Ta)、硫化カドミウム(CdS)、硫化亜鉛(ZnS)、ビスマスバナジウム酸塩(BiVO)、アルカリ金属チタン酸塩、及びアルカリ金属ニオブ酸塩等が挙げられる。また、これらのうち少なくとも1種以上を組み合わせてもよい。本発明においては、光触媒としては、酸化チタン(TiO)あるいは酸化亜鉛(ZnO)を使用することが好ましい。ここで、酸化チタン(TiO)は、アナターゼ型、ブルッカイト型、ルチル型等のうちいずれのタイプであってもよく、また、これらの混晶タイプのものであってもよいが、微粒子が容易に得られることなどから、アナターゼ型がより好ましい。
6) Dissolving and removing photocatalyst particles Subsequently, the nanocatalyst catalyst (p-C / nano) embedded in a porous carbon support was dissolved and removed with an inorganic or organic solution capable of dissolving the photocatalyst particles. Catalyst particles / C) (FIG. 4D). Examples of the solution capable of dissolving such photocatalyst particles include a solution containing hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, and hydrogen peroxide. The photocatalyst particles do not necessarily have to be dissolved and discharged, and the photocatalyst particles may remain in the porous carbon support. However, in order to efficiently diffuse the target substance, all or part of the photocatalyst particles may be left. More preferably, it is discharged. Examples of the photocatalyst include titanium oxide (TiO 2 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5). ), Cadmium sulfide (CdS), zinc sulfide (ZnS), bismuth vanadate (BiVO 4 ), alkali metal titanate, and alkali metal niobate. Moreover, you may combine at least 1 or more types among these. In the present invention, it is preferable to use titanium oxide (TiO 2 ) or zinc oxide (ZnO) as the photocatalyst. Here, the titanium oxide (TiO 2 ) may be any type of anatase type, brookite type, rutile type, etc., and may be a mixed crystal type of these, but fine particles are easy. Therefore, the anatase type is more preferable.

(実施の形態3)
続いて、本実施の形態3に係る多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒の作製方法に関して説明する。実施の形態3に係る多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒の作製方法では光触媒作用を利用しないで作製するが、実施の形態2に係る作製方法では光触媒作用を利用して作製する点で本実施の形態3は実施の形態2と異なる。図6は、当該作製方法の工程図である。
(Embodiment 3)
Next, a method for producing a nanoparticle catalyst embedded in a porous carbon support according to Embodiment 3 will be described. The method for producing a nanoparticle catalyst embedded in a porous carbon support according to Embodiment 3 is produced without using photocatalytic action, whereas the production method according to Embodiment 2 is produced using photocatalytic action. In this respect, the third embodiment is different from the second embodiment. FIG. 6 is a process diagram of the manufacturing method.

無機酸化物粒子の準備
まず、基材である無機酸化物粒子を準備する。無機酸化物粒子はバルク状のものを超微細化してもよいし析出沈殿法等により作製してもよい。粒子の大きさは、特に限定されるものではないが、好ましくは20nm〜2μm、さらに好ましくは20nm〜500mである。ここで、無機酸化物粒子がシリカの場合には、テトラエトキシシラン(TEOS)などのアルコキシシランをさまざまな条件で加水分解、脱水縮合させることで、サイズの異なる球状シリカ粒子が作製できる。アルコキシシランとしては、TEOSのほかテトラメトキシシラン(TMOS)やテトラブトキシシラン(TBOS)等が挙げられる。また、アルコキシシランの代わりに珪酸ソーダを原料としてもよい。シリカ以外の基材としては、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ランタン及び酸化セリウムが挙げられる。
Preparation of inorganic oxide particles First, inorganic oxide particles as a substrate are prepared. The inorganic oxide particles may be bulky ultrafine or may be produced by a precipitation method or the like. The size of the particles is not particularly limited, but is preferably 20 nm to 2 μm, more preferably 20 nm to 500 m. Here, when the inorganic oxide particles are silica, spherical silica particles having different sizes can be produced by hydrolysis and dehydration condensation of alkoxysilanes such as tetraethoxysilane (TEOS) under various conditions. Examples of the alkoxysilane include tetramethoxysilane (TMOS) and tetrabutoxysilane (TBOS) in addition to TEOS. Further, sodium silicate may be used as a raw material instead of alkoxysilane. Examples of the base material other than silica include titanium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, lanthanum oxide, and cerium oxide.

2)基材(コア)/多孔質無機酸化物層(シェル)の調製
1)で準備した基材粒子の表面を多孔質無機酸化物層で被覆したコア/シェル粒子を用意する。基材粒子とアルキルアンモニウム塩(アルキルアンモニウム塩としては、例えばセチルトリメチルアンモニウムブロミドが挙げられる。)やトリブロックコポリマー(トリブロックコポリマーとしては、例えばエチレンオキシド-プロピレンオキシド-エチレンオキシドが挙げられる。)などの界面活性剤を含む溶液中で上記アルコキシシランや、珪酸ソーダ、チタンアルコキシド、塩化チタン、アルミニウムアルコキシド、マグネシウムアルコキシド、ランタンアルコキシド、硝酸ランタン、セリウムアルコキシド、及び硝酸セリウムをゲル化し、熱処理することで作製される。
2) Preparation of base material (core) / porous inorganic oxide layer (shell) Core / shell particles in which the surface of the base material particle prepared in 1) is coated with a porous inorganic oxide layer are prepared. Base particles and an interface such as an alkylammonium salt (an example of an alkylammonium salt is cetyltrimethylammonium bromide) or a triblock copolymer (an example of a triblock copolymer is ethylene oxide-propylene oxide-ethylene oxide). Made by gelling and heat-treating the above alkoxysilane, sodium silicate, titanium alkoxide, titanium chloride, aluminum alkoxide, magnesium alkoxide, lanthanum alkoxide, lanthanum nitrate, cerium alkoxide, and cerium nitrate in a solution containing an activator. .

ここで、基材(コア)がシリカ粒子、多孔質無機酸化物層(シェル)がシリカである場合には、基材であるシリカ粒子を、例えば、TEOS等のアルコキシシランとオクタデシルトリメトキシシラン(ODTS)等のアルキル基を1つ以上含むシリコンアルコキシドを含む溶液中に懸濁させて、これらシリコンアルコキシドを加水分解および脱水縮合反応をさせて、アルキル基を含有するシリカ層でシリカ粒子基材を被覆した後、これを熱処理してアルキル基を分解除去することでも、シリカ粒子(コア)/多孔質シリカ層(シェル)が得られる。   Here, when the base material (core) is silica particles and the porous inorganic oxide layer (shell) is silica, the silica particles as the base material are, for example, alkoxysilane such as TEOS and octadecyltrimethoxysilane ( ODTS) and the like, suspended in a solution containing silicon alkoxide containing one or more alkyl groups, and hydrolyzing and dehydrating condensation reaction of these silicon alkoxides to form a silica particle substrate with a silica layer containing alkyl groups. After coating, the silica particles (core) / porous silica layer (shell) can also be obtained by heat-treating this to decompose and remove alkyl groups.

ここで、シリコンアルコキシドに含まれるアルキル基は、分子内に2つ以上あっても良く、直鎖状であってもまたは分岐状であっても良い。またアルキル基の末端や中間に官能基等を含むものでも良い。直鎖または分岐状のアルキル基の代表例として、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソアミル基、ヘキシル基、オクチル基、オクタデシルチル基等が挙げられ、含まれる官能基の代表例として、フェニル基、アミノ基、ヒドロキシル基、フルオロ基、チオール基等が挙げられる。
アルコキシシランの具体例としては、テトラメトキシシラン(TMOS)、テトラエトキシシラン(TEOS)、テトラブトキシシラン(TBOS)等が挙げられる。
Here, two or more alkyl groups contained in the silicon alkoxide may be present in the molecule, and may be linear or branched. Moreover, what contains a functional group etc. in the terminal and intermediate | middle of an alkyl group may be sufficient. Typical examples of linear or branched alkyl groups include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, isoamyl, and hexyl groups. , An octyl group, an octadecylyl group, and the like, and representative examples of functional groups included include a phenyl group, an amino group, a hydroxyl group, a fluoro group, and a thiol group.
Specific examples of the alkoxysilane include tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxysilane (TEOS), tetrabutoxysilane (TBOS) and the like.

アルキル基等の官能基を含むシリコンアルコキシドを用いた場合、官能基が残ったまま加水分解反応及び脱水縮合反応が進行する。以下にODTS(オクタデシルトリメトキシシラン、Si(OCH(C1837))の加水分解反応及び脱水縮合反応の一例を示す。
1.加水分解反応
Si(OCH(C1837)+3HO→Si(OH)(C1837)+3CHOH
2.脱水縮合反応
Si(OH)(C1837)+Si(OH)(C1837)→(C1837)(OH)Si−O−Si(OH)(C1837)+H
前記反応で形成されるオクタデシル基(C1837−)を含むSiOは、加熱によりオクタデシル基の部分が分解除去され、この部分が多孔質層の細孔となる。これにより多孔質シリカ層が形成される(図6(c))。
When a silicon alkoxide containing a functional group such as an alkyl group is used, a hydrolysis reaction and a dehydration condensation reaction proceed with the functional group remaining. Examples of hydrolysis reaction and dehydration condensation reaction of ODTS (octadecyltrimethoxysilane, Si (OCH 3 ) 3 (C 18 H 37 )) are shown below.
1. Hydrolysis reaction Si (OCH 3 ) 3 (C 18 H 37 ) + 3H 2 O → Si (OH) 3 (C 18 H 37 ) + 3CH 3 OH
2. Dehydration condensation reaction Si (OH) 3 (C 18 H 37 ) + Si (OH) 3 (C 18 H 37 ) → (C 18 H 37 ) (OH) 2 Si—O—Si (OH) 2 (C 18 H 37 ) + H 2 O
In the SiO 2 containing the octadecyl group (C 18 H 37 —) formed by the reaction, the portion of the octadecyl group is decomposed and removed by heating, and this portion becomes the pores of the porous layer. Thereby, a porous silica layer is formed (FIG. 6C).

3)有機高分子層の充填
上述の基材コア粒子の外側に多孔質無機酸化物層を備える粒子の多孔質部分に有機高分子層を充填する。充填の方法には、炭素含有有機化合物溶液中に多孔質無機酸化物層を備える粒子を加え、蒸発乾固させる含浸法、炭素含有有機化合物の蒸気を沈着させる化学蒸着法、及び炭素含有有機化合物水溶液中で水熱処理をして充填させる水熱処理法がある。ここで、炭素含有有機化合物としては、グルコース、スクロース、フルフリルアルコール、ピロール、メソフェーズピッチ、エチレンガス、及び芳香族有機化合物が挙げられる。以下に、シリカ粒子の外側に多孔質シリカ層を備える粒子の多孔質部分に水熱処理法によって有機高分子層を形成させる方法を示す。
3) Filling the organic polymer layer The organic polymer layer is filled in the porous portion of the particle having the porous inorganic oxide layer outside the base material core particle. The filling method includes an impregnation method in which particles having a porous inorganic oxide layer are added to a carbon-containing organic compound solution and evaporated to dryness, a chemical vapor deposition method in which vapor of the carbon-containing organic compound is deposited, and a carbon-containing organic compound There is a hydrothermal treatment method in which a hydrothermal treatment is performed in an aqueous solution for filling. Here, examples of the carbon-containing organic compound include glucose, sucrose, furfuryl alcohol, pyrrole, mesophase pitch, ethylene gas, and an aromatic organic compound. Hereinafter, a method of forming an organic polymer layer by a hydrothermal treatment method in a porous portion of a particle having a porous silica layer outside the silica particle will be described.

上述のシリカ粒子の外側に多孔質シリカ層を備える粒子をアミノエチルアミノプロピルトリエトキシシラン(AEAP)を含むメタノール中で室温攪拌させた後、溶液部分を除去し、真空乾燥させてA−SiO@m−SiOを作製する(図6(d))。ここで、A−SiO@m−SiOとは、シリカ粒子の外側に多孔質シリカ層を備える粒子の多孔質シリカ層の表面にアミノ基を修飾した粒子を意味する。
A−SiO@m−SiOを例えばグルコース等の炭素含有有機化合物の水溶液中で水熱処理する。前記炭素含有有機化合物の溶液は、多孔質シリカ層の細孔に入り、多孔質シリカ層の下層において、第1有機高分子層が形成される(図6(e))。
Particles having a porous silica layer on the outside of the silica particles described above were stirred at room temperature in methanol containing aminoethylaminopropyltriethoxysilane (AEAP), and then the solution portion was removed and vacuum-dried to obtain A-SiO 2. @ M-SiO 2 is produced (FIG. 6D). Here, the A-SiO 2 @ m-SiO 2, means outside particles having a modified porous silica layer porous silica layer surface amino groups of the particles having a silica particle.
A-SiO 2 @ m-SiO 2 is hydrothermally treated in an aqueous solution of a carbon-containing organic compound such as glucose. The carbon-containing organic compound solution enters the pores of the porous silica layer, and a first organic polymer layer is formed in the lower layer of the porous silica layer (FIG. 6E).

4)多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒(m−C/ナノ触媒粒子/C)の調製
得られた第1有機高分子層を充填させた基材(コア)/多孔質無機酸化物層(シェル)粒子をナノ触媒粒子の出発物質を含む溶液、例えば塩化白金酸(HPtCl)水溶液に分散させた後、蒸発乾固する。必要によっては、さらにこの粉末を水素気流下で熱処理する。これにより、前記の多孔質無機酸化物層の下層に形成された第1有機高分子層の上にナノ触媒粒子の前駆体酸化物あるいはナノ触媒粒子を配することができる(図6(f))。このようなナノ触媒粒子出発物質として、塩化白金酸(HPtCl)、塩化テトラアンミン白金([Pt(NH]Cl)、塩化パラジウム(PdCl)、硝酸パラジウム(Pd(NO)、塩化パラジウムナトリウム(PdCl・2NaCl)、酢酸パラジウム((CHCOO)Pd)、塩化鉄(FeCl)、硝酸鉄(Fe(NO)、塩化ルテニウム(RuCl)、ドデカカルボニルルテニウム(Ru(CO)12)、塩化コバルト(CoCl)、硝酸コバルト(Co(NO)、クエン酸コバルト(Co(C)、塩化ロジウム(RhCl)、硝酸ロジウム(Rh(NO)、ドデカカルボニルロジウム(Rh(CO)12)、塩化イリジウム(IrCl)、ドデカカルボニルイリジウム(Ir(CO)12)、塩化ニッケル(NiCl)、硝酸ニッケル(Ni(NO)、酢酸ニッケル((CHCOO)Ni)、塩化金酸(HAuCl)、硫酸銅(CuSO)、硝酸銅(Cu(NO)、酢酸銅((CHCOO)Cu)、硝酸銀(AgNO)、硫酸銀(AgSO)が挙げられる。このようにして得られた粉末を前記と同様の有機高分子層の充填処理、例えばグルコース水溶液中で再度水熱処理し、前記多孔質無機酸化物層の上層に第2有機高分子層を形成させる(図6(g))。これを500〜1000℃、真空中あるいは不活性ガス(窒素、アルゴンなど)中で熱処理することにより炭化した後、中心に位置する基材粒子及びその外側に形成された多孔質無機酸化物層を溶解除去する。基材および多孔質無機酸化物層を形成する材質によって異なるが、溶剤としては、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、及び過酸化水素のいずれかを含むものが挙げられる。上記のシリカ基材(コア)/多孔質シリカ(シェル)の場合であれば、フッ化水素酸水溶液、水酸化ナトリウムあるいは水酸化カリウム等のアルカリ水溶液で除去できる。必要によっては、処理後の試料を水素下、100〜500℃で加熱処理することにより埋設させた金属類を還元させてナノ触媒粒子とする。これにより、多孔性炭素支持体シェルにナノ触媒粒子が分散された多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒(m−C/ナノ触媒粒子/C)を作製することができる(図6(h))。
本実施の形態3に係る発明によれば、図2に示すような、微細孔を有する多孔性炭素支持体と、前記多孔性炭素支持体の表面又は内部に分散して埋設されたナノ触媒粒子とを含んでなる触媒を作製することができる。
4) Preparation of nanoparticle catalyst (mC / nanocatalyst particle / C) embedded in a porous carbon support Substrate (core) / porous inorganic material filled with the obtained first organic polymer layer The oxide layer (shell) particles are dispersed in a solution containing the starting material of the nanocatalyst particles, for example, an aqueous solution of chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ), and then evaporated to dryness. If necessary, this powder is further heat-treated in a hydrogen stream. Thereby, the precursor oxide of nano catalyst particles or nano catalyst particles can be arranged on the first organic polymer layer formed under the porous inorganic oxide layer (FIG. 6F). ). As such nanocatalyst particle starting materials, chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ), tetraammineplatinum chloride ([Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 ), palladium chloride (PdCl 2 ), palladium nitrate (Pd (NO 3 )) 2 ), sodium palladium chloride (PdCl 2 .2NaCl), palladium acetate ((CH 3 COO) 2 Pd), iron chloride (FeCl 3 ), iron nitrate (Fe (NO 3 ) 3 ), ruthenium chloride (RuCl 3 ) , Dodecacarbonylruthenium (Ru 3 (CO) 12 ), cobalt chloride (CoCl 2 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ), cobalt citrate (Co 3 (C 6 H 5 O 7 ) 2 ), rhodium chloride (RhCl 3), rhodium nitrate (Rh (NO 3) 3) , dodecacarbonyl rhodium (Rh 4 (CO) 12 , Iridium chloride (IrCl 3), dodecacarbonyl iridium (Ir 4 (CO) 12) , nickel chloride (NiCl 2), nickel nitrate (Ni (NO 3) 2) , nickel acetate ((CH 3 COO) 2 Ni ), chloroauric acid (HAuCl 4), copper sulfate (CuSO 4), copper nitrate (Cu (NO 3) 2) , copper acetate ((CH 3 COO) 2 Cu ), silver nitrate (AgNO 3), silver sulfate (Ag 2 SO 4 ). The powder thus obtained is filled with the same organic polymer layer as described above, for example, hydrothermally treated again in an aqueous glucose solution to form a second organic polymer layer on the porous inorganic oxide layer. (FIG. 6 (g)). After carbonizing this by heat treatment at 500 to 1000 ° C. in a vacuum or in an inert gas (nitrogen, argon, etc.), the base particle located at the center and the porous inorganic oxide layer formed outside thereof are formed. Dissolve and remove. Depending on the substrate and the material forming the porous inorganic oxide layer, the solvent may be hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, or hydrogen peroxide. Including. In the case of the above silica substrate (core) / porous silica (shell), it can be removed with an aqueous solution of hydrofluoric acid, an alkali solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide. If necessary, the treated sample is subjected to heat treatment at 100 to 500 ° C. under hydrogen to reduce the embedded metals to form nanocatalyst particles. Thereby, a nanoparticle catalyst (mC / nanocatalyst particle / C) embedded in a porous carbon support in which nanocatalyst particles are dispersed in a porous carbon support shell can be produced (FIG. 6). (H)).
According to the invention according to the third embodiment, as shown in FIG. 2, a porous carbon support having fine pores, and nano catalyst particles dispersed and embedded in the surface or inside of the porous carbon support. Can be prepared.

(実施の形態4)
続いて、本実施の形態4に係る触媒の作製方法に関して説明する。図7は、当該作製方法の工程図である。
(Embodiment 4)
Next, a method for producing a catalyst according to Embodiment 4 will be described. FIG. 7 is a process diagram of the manufacturing method.

無機酸化物粒子の準備
まず、基材である無機酸化物粒子を準備する。無機酸化物粒子はバルク状のものを超微細化してもよいし析出沈殿法等により作製してもよい。粒子の大きさは、特に限定されるものではないが、好ましくは20nm〜2μm、さらに好ましくは20nm〜500mである。ここで、無機酸化物粒子がシリカの場合には、テトラエトキシシラン(TEOS)などのアルコキシシランをさまざまな条件で加水分解、脱水縮合させることで、サイズの異なる球状シリカ粒子が作製できる。アルコキシシランとしては、TEOSのほかテトラメトキシシラン(TMOS)やテトラブトキシシラン(TBOS)等が挙げられる。また、アルコキシシランの代わりに珪酸ソーダを原料としてもよい。シリカ以外の基材としては、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ランタン及び酸化セリウムが挙げられる。
Preparation of inorganic oxide particles First, inorganic oxide particles as a substrate are prepared. The inorganic oxide particles may be bulky ultrafine or may be produced by a precipitation method or the like. The size of the particles is not particularly limited, but is preferably 20 nm to 2 μm, more preferably 20 nm to 500 m. Here, when the inorganic oxide particles are silica, spherical silica particles having different sizes can be produced by hydrolysis and dehydration condensation of alkoxysilanes such as tetraethoxysilane (TEOS) under various conditions. Examples of the alkoxysilane include tetramethoxysilane (TMOS) and tetrabutoxysilane (TBOS) in addition to TEOS. Further, sodium silicate may be used as a raw material instead of alkoxysilane. Examples of the base material other than silica include titanium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, lanthanum oxide, and cerium oxide.

2)有機高分子層による被覆
上述の基材粒子の外側に有機高分子層を被覆する。被覆の方法には、炭素含有有機化合物溶液中に基材粒子を加え、蒸発乾固させる含浸法、炭素含有有機化合物の蒸気を沈着させる化学蒸着法、及び炭素含有有機化合物水溶液中で水熱処理をして充填させる水熱処理法がある。ここで、炭素含有有機化合物としては、グルコース、スクロース、フルフリルアルコール、ピロール、メソフェーズピッチ、エチレンガス、及び芳香族有機化合物が挙げられる。以下に、シリカ粒子に水熱処理法によって有機高分子層を被覆させる方法を示す。
2) Coating with organic polymer layer An organic polymer layer is coated on the outside of the above-mentioned substrate particles. The coating method includes an impregnation method in which base particles are added to a carbon-containing organic compound solution and evaporated to dryness, a chemical vapor deposition method in which vapor of the carbon-containing organic compound is deposited, and hydrothermal treatment in an aqueous carbon-containing organic compound solution. There is a hydrothermal treatment method in which the filling is performed. Here, examples of the carbon-containing organic compound include glucose, sucrose, furfuryl alcohol, pyrrole, mesophase pitch, ethylene gas, and an aromatic organic compound. Hereinafter, a method of coating silica particles with an organic polymer layer by a hydrothermal treatment method will be described.

基材であるシリカ粒子をアミノエチルアミノプロピルトリエトキシシラン(AEAP)を含むメタノール中で室温攪拌させた後、溶液部分を除去し、真空乾燥させてA−SiOを作製する(図7(b))。ここで、A−SiOとは、シリカ粒子の表面にアミノ基を修飾した粒子を意味する。
A−SiOをグルコース水溶液中で水熱処理する。前記炭素含有有機化合物の溶液は、シリカ表面において第1有機高分子層を形成する(図7(c))。
After the silica particles as the base material were stirred at room temperature in methanol containing aminoethylaminopropyltriethoxysilane (AEAP), the solution portion was removed and vacuum-dried to produce A-SiO 2 (FIG. 7B). )). Here, the A-SiO 2, means particles having a modified amino groups on the surface of the silica particles.
A-SiO 2 is hydrothermally treated in an aqueous glucose solution. The carbon-containing organic compound solution forms a first organic polymer layer on the silica surface (FIG. 7C).

3)多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒(C/ナノ触媒粒子/C)の調製
得られた第1有機高分子層を被覆させた基材粒子をナノ触媒粒子の出発物質を含む溶液、例えばHPtCl水溶液に分散させた後、蒸発乾固する。必要によっては、さらにこの粉末を水素気流下で熱処理する。これにより、前記の多孔質無機酸化物層の下層に形成された第1有機高分子層の上にナノ触媒粒子の前駆体酸化物あるいはナノ触媒粒子を配することができる(図7(d))。このようなナノ触媒粒子出発物質として、前記同様、塩化白金酸(HPtCl)、塩化テトラアンミン白金([Pt(NH]Cl)、塩化パラジウム(PdCl)、硝酸パラジウム(Pd(NO)、塩化パラジウムナトリウム(PdCl・2NaCl)、酢酸パラジウム((CHCOO)Pd)、塩化鉄(FeCl)、硝酸鉄(Fe(NO)、塩化ルテニウム(RuCl)、ドデカカルボニルルテニウム(Ru(CO)12)、塩化コバルト(CoCl)、硝酸コバルト(Co(NO)、クエン酸コバルト(Co(C)、塩化ロジウム(RhCl)、硝酸ロジウム(Rh(NO)、ドデカカルボニルロジウム(Rh(CO)12)、塩化イリジウム(IrCl)、ドデカカルボニルイリジウム(Ir(CO)12)、塩化ニッケル(NiCl)、硝酸ニッケル(Ni(NO)、酢酸ニッケル((CHCOO)Ni)、塩化金酸(HAuCl)、硫酸銅(CuSO)、硝酸銅(Cu(NO)、酢酸銅((CHCOO)Cu)、硝酸銀(AgNO)、硫酸銀(AgSO)が挙げられる。このようにして得られた粉末を前記と同様の有機高分子層の充填処理、例えばグルコース水溶液中で再度水熱処理し、前記第1有機高分子層の上層に第2有機高分子層を形成させる(図7(e))。これを500〜1000℃、真空中あるいは不活性ガス(窒素、アルゴンなど)中で熱処理することにより炭化した後、中心に位置する基材粒子を溶解除去する。基材および多孔質無機酸化物層を形成する材質によって異なるが、溶剤としては、前記同様、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、及び過酸化水素のいずれかを含むものが上げられる。上記のシリカ基材(コア)/多孔質シリカ(シェル)の場合であれば、フッ化水素酸水溶液、水酸化ナトリウムあるいは水酸化カリウム等のアルカリ水溶液で除去できる。必要によっては、処理後の試料を水素下、100〜500℃で加熱処理することにより埋設させた金属類を還元させてナノ触媒粒子とする。これにより、多孔性炭素支持体シェルにナノ触媒粒子が分散された多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒(C/金属ナノ粒子/C)を作製することができる(図7(f))。
本実施の形態3に係る発明によれば、図3に示すような、微細孔を有する多孔性炭素支持体と、前記多孔性炭素支持体の表面又は内部に分散して埋設されたナノ触媒粒子とを含んでなる触媒を作製することができる。
3) Preparation of nanoparticle catalyst (C / nanocatalyst particle / C) embedded in a porous carbon support The base material particle coated with the obtained first organic polymer layer was used as a starting material for the nanocatalyst particle. After being dispersed in a solution containing, for example, a H 2 PtCl 6 aqueous solution, it is evaporated to dryness. If necessary, this powder is further heat-treated in a hydrogen stream. Thereby, the precursor oxide of nano catalyst particles or nano catalyst particles can be disposed on the first organic polymer layer formed under the porous inorganic oxide layer (FIG. 7D). ). As the nanocatalyst particle starting materials, as described above, chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ), tetraammineplatinum chloride ([Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 ), palladium chloride (PdCl 2 ), palladium nitrate (Pd) (NO 3 ) 2 ), sodium palladium chloride (PdCl 2 .2NaCl), palladium acetate ((CH 3 COO) 2 Pd), iron chloride (FeCl 3 ), iron nitrate (Fe (NO 3 ) 3 ), ruthenium chloride ( RuCl 3 ), dodecacarbonyl ruthenium (Ru 3 (CO) 12 ), cobalt chloride (CoCl 2 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ), cobalt citrate (Co 3 (C 6 H 5 O 7 ) 2 ) , rhodium chloride (RhCl 3), rhodium nitrate (Rh (NO 3) 3) , dodecacarbonyl rhodium (Rh 4 (C ) 12), iridium chloride (IrCl 3), dodecacarbonyl iridium (Ir 4 (CO) 12), nickel chloride (NiCl 2), nickel nitrate (Ni (NO 3) 2) , nickel acetate ((CH 3 COO) 2 Ni), chloroauric acid (HAuCl 4), copper sulfate (CuSO 4), copper nitrate (Cu (NO 3) 2) , copper acetate ((CH 3 COO) 2 Cu ), silver nitrate (AgNO 3), silver sulfate ( Ag 2 SO 4 ). The powder thus obtained is filled with the same organic polymer layer as described above, for example, hydrothermally treated again in an aqueous glucose solution to form a second organic polymer layer on the first organic polymer layer. (FIG. 7 (e)). This is carbonized by heat treatment at 500 to 1000 ° C. in a vacuum or in an inert gas (nitrogen, argon, etc.), and then the substrate particles located at the center are dissolved and removed. Although it differs depending on the material forming the base material and the porous inorganic oxide layer, the solvent may be hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, and hydrogen peroxide as described above. Things that include either are raised. In the case of the above silica substrate (core) / porous silica (shell), it can be removed with an aqueous solution of hydrofluoric acid, an alkali solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide. If necessary, the treated sample is subjected to heat treatment at 100 to 500 ° C. under hydrogen to reduce the embedded metals to form nanocatalyst particles. This makes it possible to produce a nanoparticle-based catalyst (C / metal nanoparticle / C) embedded in a porous carbon support in which nanocatalyst particles are dispersed in a porous carbon support shell (FIG. 7 (f )).
According to the invention of Embodiment 3, as shown in FIG. 3, a porous carbon support having fine pores, and nano catalyst particles dispersed and embedded in the surface or inside of the porous carbon support. Can be prepared.

(分離・回収方法)
本発明に係る多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒は、触媒反応終了後に、ろ紙等でろ過することにより、容易に反応溶液と分離できる。また、遠心分離によって沈降させて反応溶液と分離してもよい。その後、乾燥させて回収させた触媒はそのまま再使用するか、必要に応じて活性化処理を施すことで、再使用できる。また、触媒の廃棄に際して、ナノ触媒粒子が高価又は希少な元素を使用している場合でも、炭素分は熱処理によって分解。除去できるため、ナノ触媒粒子の元素が容易に回収できる。
(Separation / recovery method)
The nanoparticle catalyst embedded in the porous carbon support according to the present invention can be easily separated from the reaction solution by filtering with a filter paper or the like after completion of the catalytic reaction. Alternatively, the reaction solution may be separated by sedimentation by centrifugation. Thereafter, the dried and recovered catalyst can be reused as it is, or can be reused by performing an activation treatment as necessary. In addition, when the catalyst is discarded, even if nano catalyst particles use expensive or rare elements, the carbon content is decomposed by heat treatment. Since it can be removed, the elements of the nano catalyst particles can be easily recovered.

本請求項4に係る埋没工程を利用して触媒を作製した。
I)多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒(p−C/ナノ触媒粒子/C)の作製
1.混合溶液の調製
まず、TiO(石原産業ST21または石原産業ST41)あるいはZnO500mgを、HPtCl2.6―26μmol(0.1―1.0wt%)、フェノール200mg(2.1mmol)及び水400cmからなる混合溶液に分散させた。
A catalyst was prepared by using the burying process according to claim 4.
I) Preparation of nanoparticle catalyst (pC / nanocatalyst particle / C) embedded in a porous carbon support Preparation of mixed solution First, TiO 2 (Ishihara Sangyo ST21 or Ishihara Sangyo ST41) or ZnO 500 mg, H 2 PtCl 6 2.6-26 μmol (0.1-1.0 wt%), phenol 200 mg (2.1 mmol) and water It was dispersed in a mixed solution consisting of 400 cm 3 .

2.励起光照射
アルゴン雰囲気下で水銀ランプを当該混合溶液に照射(照射光波長290nm以上)し、TiO表面にフェノール樹脂を形成するとともに、当該フェノール樹脂内にPtナノ触媒粒子(PtNCP)を分散させた。
2. Excitation light irradiation A mercury lamp is irradiated to the mixed solution under an argon atmosphere (irradiation light wavelength: 290 nm or more) to form a phenol resin on the TiO 2 surface and to disperse Pt nanocatalyst particles (Pt NCP ) in the phenol resin. I let you.

3.ポリマーの炭化
前記粒子を回収し、真空中あるいは不活性ガス(窒素、アルゴンなど)中で700℃で6時間焼成した。これにより、フェノール樹脂からなる層を炭化し、多孔質の炭素層を形成させた。
3. Carbonization of polymer The particles were collected and calcined at 700 ° C. for 6 hours in vacuum or in an inert gas (nitrogen, argon, etc.). As a result, the layer made of the phenol resin was carbonized to form a porous carbon layer.

4.光触媒粒子の除去
上述の粒子の中心に存在する光触媒粒子を薬液に浸漬させることで除去した。ここで、中心に存在する粒子がTiOのときは、50%フッ化水素酸水溶液、ZnOのときは濃塩酸(35%)を薬液として用いた。これにより、多孔性炭素支持体にPtNCPを埋設させたナノ粒子系触媒(p−C/PtNcP/C)を作製することができた。図8は、当該触媒のTEM図であり、図9は当該触媒の断面図である。PtNCPが、多孔性炭素層のみに含まれており、また、炭素層の内壁側に比較的集中して存在していることが分かる。
4). Removal of photocatalyst particles The photocatalyst particles present at the center of the above-mentioned particles were removed by immersing them in a chemical solution. Here, a 50% hydrofluoric acid aqueous solution was used as the chemical solution when the particles present at the center were TiO 2 , and concentrated hydrochloric acid (35%) was used as the chemical solution when the particles were ZnO. As a result, a nanoparticle catalyst ( pC / PtNcP / C) in which Pt NCP was embedded in a porous carbon support could be produced. FIG. 8 is a TEM view of the catalyst, and FIG. 9 is a cross-sectional view of the catalyst. It can be seen that Pt NCP is contained only in the porous carbon layer and is relatively concentrated on the inner wall side of the carbon layer.

また、上記工程においてHPtClに変えてRhClを金属ナノ粒子の原料に用いると、図10のTEM図に示すように多孔性炭素支持体にロジウムナノ触媒粒子(RhNCP)を埋設させたナノ粒子系触媒(p−C/RhNCP/C)を作製することができた。 In addition, when RhCl 3 is used as a raw material for the metal nanoparticles instead of H 2 PtCl 6 in the above process, rhodium nano catalyst particles (Rh NCP ) are embedded in the porous carbon support as shown in the TEM diagram of FIG. In addition, a nanoparticle-based catalyst (p-C / Rh NCP / C) could be produced.

II)構造と触媒機能の評価
続いて、上述のようにして得られたp−C/ナノ触媒粒子/Cに対して、以下の実験を行った。
1.窒素吸着測定
II) Evaluation of structure and catalyst function Subsequently, the following experiment was performed on pC / nanocatalyst particles / C obtained as described above.
1. Nitrogen adsorption measurement

TiO(石原産業ST21)を光触媒粒子、HPtClを金属ナノ粒子源として用いたときに得られた直径20nmのp−C/PtNCP/Cについて吸着特性を調べた。図11に、窒素吸着等温線とそのαプロットを示す。等温線には、相対圧(p/p)が0.9付近に0.05以下吸着量の急激な増大がみられた。前者は、p−C/PtNCP/Cの中空部分の直径に相当する20nmの細孔の存在を示し、後者は、炭素支持体部分により微細な細孔が存在することを示唆する。この微細孔をαプロットにより解析した結果、炭素支持体には2nm以下の微細孔が存在することが確認された(表1)。ここで、αプロットとは、無孔性の試料を基準に微細孔の解析を行うプロットであり、測定試料に細孔がない場合、プロットは直線となり、微細孔を含む場合には、その細孔のサイズに応じてあるαの値でプロットが直線から上にずれる。図11中に示すように、p−C/PtNCP/Cではα値が0.5以下と0.5−1.0の部分でFSおよびCSと示した直線からのずれが見られ、それぞれ1nm以下と1−2nmの微細孔が存在することを表している。
また、等温線から表面積を算出すると1400m−1となり、p−C/PtNCP/Cがきわめて高い表面積を有することが確認された。
The adsorption properties of p-C / Pt NCP / C having a diameter of 20 nm were examined when TiO 2 (Ishihara Sangyo ST21) was used as photocatalyst particles and H 2 PtCl 6 was used as the metal nanoparticle source. FIG. 11 shows a nitrogen adsorption isotherm and its α s plot. In the isotherm, a rapid increase in the amount of adsorption was observed when the relative pressure (p / p 0 ) was about 0.9 or less. The former indicates the presence of 20 nm pores corresponding to the diameter of the hollow part of p-C / Pt NCP / C, and the latter suggests that finer pores are present in the carbon support part. As a result of analyzing the micropores by an α s plot, it was confirmed that the carbon support had micropores of 2 nm or less (Table 1). Here, the α s plot is a plot for analyzing micropores on the basis of a non-porous sample. When there are no pores in the measurement sample, the plot becomes a straight line. The plot deviates from a straight line at a value of α s depending on the pore size. As shown in FIG. 11, in p-C / Pt NCP / C, the α s value is 0.5 or less, and a deviation from the straight line indicated as FS and CS is seen in the portion of 0.5-1.0, It represents that micropores of 1 nm or less and 1-2 nm exist, respectively.
Further, when the surface area was calculated from the isotherm, it was 1400 m 2 g −1 , and it was confirmed that p-C / Pt NCP / C has a very high surface area.

2.触媒活性試験
続いて、上述のp−C/PtNCP/Cについて1−ヘキセン、2−ヘキセン、及びシクロヘキセンの液相での水素反応を用いて触媒活性を評価した。活性評価には、TiO(石原産業ST21)を光触媒粒子として用いて得られたPt1.4wt%のp−C/PtNCP/Cを、1.4mg(Pt0.1μmol)使用し、同様のPt量を含む活性炭(AC)の多孔表面にPt粒子を担持させた一般的な触媒(Pt/AC)と比較した。結果を表1に示す。いずれの被触媒物質でもp−C/PtNCP/Cがきわめて高い転化率を示ことが確認された。また、反応後の試料を遠心分離により分離、回収して再使用しても活性の低下がまったく見られず、良好な再使用性を有することが確認された。以上より、p−C/PtNCP/Cが優れた固体触媒としての機能を有することが明らかになった。
2. Catalytic activity test Subsequently, the catalytic activity of the above-described p-C / Pt NCP / C was evaluated using a hydrogen reaction in the liquid phase of 1-hexene, 2-hexene, and cyclohexene. For the activity evaluation, 1.4 mg (Pt 0.1 μmol) of Pt 1.4 wt% of p-C / Pt NCP / C obtained using TiO 2 (Ishihara Sangyo ST21) as photocatalyst particles was used, and the same Pt was used. It compared with the general catalyst (Pt / AC) which made Pt particle | grains carry | support on the porous surface of the activated carbon (AC) containing quantity. The results are shown in Table 1. It was confirmed that p-C / Pt NCP / C showed a very high conversion rate in any catalyst material. Moreover, even if the sample after the reaction was separated and recovered by centrifugation and reused, no decrease in activity was observed, and it was confirmed that the sample had good reusability. From the above, it was revealed that p-C / Pt NCP / C has an excellent function as a solid catalyst.

続いて、請求項6に係る埋没工程を利用して触媒を作製した。
I)多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒(m−C/ナノ触媒粒子/C)の作製
1.シリカ粒子基材の調製
500mlの三角フラスコにエタノール180.662ml、水64.818ml、アンモニア水溶液(28%)4.520ml、テトラエトキシシラン(TEOS)14.56gを加えた後、27℃、110rpmで2時間振とうさせた。この溶液を遠心分離して上澄み液を除去、得られた白色沈殿をエタノールで洗浄後、110℃で3時間真空乾燥させ、基材となるシリカ粒子を作製した。
Then, the catalyst was produced using the burial process concerning Claim 6.
I) Preparation of nanoparticle catalyst (mC / nanocatalyst particle / C) embedded in a porous carbon support Preparation of silica particle base material After adding 180.62 ml of ethanol, 64.818 ml of water, 4.520 ml of aqueous ammonia (28%), and 14.56 g of tetraethoxysilane (TEOS) to a 500 ml Erlenmeyer flask at 27 ° C. and 110 rpm. Shake for 2 hours. The solution was centrifuged to remove the supernatant, and the resulting white precipitate was washed with ethanol and then vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours to produce silica particles as a substrate.

2.シリカ(コア)/多孔質シリカ(シェル)粒子の調製
100mlの三角フラスコに、1.で調製したシリカ粒子500mgと、エタノール37ml、及び水5mlを加えた後、ホモジェナイザーで超音波を照射してシリカを分散させた。この溶液に、アンモニア水溶液(28%)1.125ml、TEOS3.215g、ODTS1.149gを加え、27℃、120rpmで2時間振とうさせた。この溶液を遠心分離して上澄み液を除去し、エタノールで洗浄した後、110℃で3時間真空乾燥させた。得られた白色粉末を550℃で6時間焼成することでシリカ粒子の外側に細孔を持つ多孔質シリカ層を形成した。
2. Preparation of silica (core) / porous silica (shell) particles In a 100 ml Erlenmeyer flask: After adding 500 mg of the silica particles prepared in step 37, 37 ml of ethanol, and 5 ml of water, the silica was dispersed by irradiating ultrasonic waves with a homogenizer. To this solution, 1.125 ml of aqueous ammonia (28%), 3.215 g of TEOS, and 1.149 g of ODTS were added, and the mixture was shaken at 27 ° C. and 120 rpm for 2 hours. The solution was centrifuged to remove the supernatant, washed with ethanol, and vacuum dried at 110 ° C. for 3 hours. The obtained white powder was baked at 550 ° C. for 6 hours to form a porous silica layer having pores outside the silica particles.

3.m−C/PtNCP/Cの調製
上述のシリカ粒子の外側に細孔を持つ多孔質シリカ層を備える粒子1.5gをメタノール24ml、AEAP568mgに分散させた後、1時間攪拌させた。この溶液を遠心分離して上澄み液を除去し、エタノールで洗浄した後、110℃で3時間真空乾燥させ、アミノ基修飾粒子(A−SiO@m−SiO)を作製した。
得られたA−SiO@m−SiO200mgを0.36Mのグルコース水溶液中で水熱処理し、得られた粉末200mgをHPtCl水溶液に加え、20分間超音波を照射した。この溶液を蒸発皿に移して蒸発乾固させた後、真空乾燥させた。この粉末を0.41Mのグルコース水溶液中で再度水熱処理した後、900℃で1.5時間真空焼成し、10vol%フッ酸水溶液で処理した。処理後の資料を水素下、300℃で2時間加熱して、Ptを還元させた。
3. Preparation of m-C / Pt NCP / C 1.5 g of particles having a porous silica layer having pores outside the above silica particles were dispersed in 24 ml of methanol and 568 mg of AEAP, and then stirred for 1 hour. The solution was centrifuged to remove the supernatant, washed with ethanol, and then vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours to produce amino group-modified particles (A-SiO 2 @ m-SiO 2 ).
200 mg of the obtained A-SiO 2 @ m-SiO 2 was hydrothermally treated in a 0.36 M glucose aqueous solution, 200 mg of the obtained powder was added to the H 2 PtCl 6 aqueous solution, and ultrasonic waves were applied for 20 minutes. This solution was transferred to an evaporating dish and evaporated to dryness, and then vacuum dried. This powder was hydrothermally treated again in a 0.41 M aqueous glucose solution, vacuum baked at 900 ° C. for 1.5 hours, and treated with a 10 vol% hydrofluoric acid aqueous solution. The treated material was heated at 300 ° C. for 2 hours under hydrogen to reduce Pt.

II)構造と触媒機能の評価
1.TEM観察
図12に得られた上述の工程で得られた試料のTEM図、図13にはこの試料を900℃真空中で熱処理した後のTEM図を示す。PtNCPが炭素高分散した中空状の炭素粒子が存在しており、熱処理を施してもPtNCPのサイズや分布にまったく変化がないことがわかる。これより、得られたm−C/PtNCP/CはPtNCPが炭素支持体に埋設された構造であり、これがきわめて高い熱安定性を有していることが確認できた。
II) Evaluation of structure and catalytic function TEM Observation FIG. 12 shows a TEM diagram of the sample obtained in the above-described step, and FIG. 13 shows a TEM diagram after heat-treating the sample in a vacuum at 900 ° C. It can be seen that there are hollow carbon particles in which Pt NCP is highly dispersed in carbon, and there is no change in the size or distribution of Pt NCP even after heat treatment. From this, it was confirmed that the obtained m-C / Pt NCP / C has a structure in which Pt NCP is embedded in a carbon support, and this has extremely high thermal stability.

2.窒素吸着測定
窒素吸着測定により、m−C/PtNCP/C中の炭素支持体の細孔構造を調べた結果、炭素支持体に、0.4−1.0nmの微細孔と3.0nmの比較的サイズの大きい細孔が発達した多孔体であることが確かめられた。また、BET法により表面積を算出すると1600m−1となり、m−C/PtNCP/Cがきわめて高い表面積を有することが確認された。
2. Nitrogen adsorption measurement As a result of investigating the pore structure of the carbon support in m-C / Pt NCP / C by nitrogen adsorption measurement, it was confirmed that the carbon support had 0.4-1.0 nm micropores and 3.0 nm It was confirmed that the porous body was developed with relatively large pores. Further, when the surface area was calculated by the BET method, it was 1600 m 2 g −1 , and it was confirmed that m-C / Pt NCP / C has a very high surface area.

3.触媒活性試験
続いて、得られたm−C/PtNCP/Cについて1−ヘキセン、4−フェニル−1−ブテン、及びtrans−スチルベンの液相での水素反応を用いて触媒活性を評価した。活性評価には、Pt5wt%のものを、1mg(Pt0.26μmol)使用し、同様のPt量を含む中空上の炭素粒子の炭素粒子の上にPt微粒子を担持させただけの試料(Pt/C)と比較した。結果を表2に示す。被触媒物質が1−ヘキセンの場合、m−C/PtNCP/CはPt/Cと同程度の高い転化率を示した。一方、4−フェニル−1−ブテンやtrans−スチルベンの水素化反応では、m−C/PtNCP/Cの活性はPt/Cに比べ大きく低下し、とくにtrans−スチルベンで顕著な活性低下がみられた。これは、m−C/PtNCP/Cでは、ナノ触媒粒子であるPtNCPが多孔性炭素支持体に埋設されているため、炭素支持体の分子ふるい効果によって、trans−スチルベンのような比較的嵩高い被触媒物質の反応が抑制する分子サイズ選択性を示したことを示す。以上より、m−C/PtNCP/Cが選択的反応を誘起する優れた固体触媒としての機能をもつことが明らかになった。
3. Catalytic activity test Subsequently, the catalytic activity of the obtained m-C / Pt NCP / C was evaluated using a hydrogen reaction in the liquid phase of 1-hexene, 4-phenyl-1-butene, and trans-stilbene. For the activity evaluation, 1 mg (Pt 0.26 μmol) of Pt 5 wt% was used, and a sample (Pt / C) in which Pt fine particles were simply supported on carbon particles of hollow carbon particles containing the same amount of Pt. ). The results are shown in Table 2. When the catalyst material was 1-hexene, m-C / Pt NCP / C showed a high conversion rate comparable to Pt / C. On the other hand, in the hydrogenation reaction of 4-phenyl-1-butene and trans-stilbene, the activity of m-C / Pt NCP / C is greatly reduced as compared to Pt / C, and especially in trans-stilbene, there is a significant decrease in activity. It was. This is because, in m-C / Pt NCP / C, nano catalyst particles, Pt NCP, are embedded in a porous carbon support, and therefore, due to the molecular sieving effect of the carbon support, It shows that the reaction of bulky catalyzed material showed molecular size selectivity to be suppressed. From the above, it was revealed that m-C / Pt NCP / C has a function as an excellent solid catalyst that induces a selective reaction.

続いて、請求項8に係る埋没工程を利用して触媒を作製した。
I)多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒(C/ナノ触媒粒子/C)の作製
1.シリカ粒子の調製
500mlの三角フラスコにエタノール180.662ml、水64.818ml、アンモニア水溶液(28%)4.520ml、テトラエトキシシラン(TEOS)14.56gを加えた後、27℃、110rpmで2時間振とうさせた。この溶液を遠心分離して上澄み液を除去、得られた白色沈殿をエタノールで洗浄後、110℃で3時間真空乾燥させ、基材となるシリカ粒子を作製した。
Then, the catalyst was produced using the burial process concerning Claim 8.
I) Preparation of nanoparticle-based catalyst (C / nanocatalyst particle / C) embedded in a porous carbon support Preparation of silica particles To a 500 ml Erlenmeyer flask were added ethanol 18.0.662 ml, water 64.818 ml, aqueous ammonia (28%) 4.520 ml, tetraethoxysilane (TEOS) 14.56 g, and then at 27 ° C. and 110 rpm for 2 hours. Shake it. The solution was centrifuged to remove the supernatant, and the resulting white precipitate was washed with ethanol and then vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours to produce silica particles as a substrate.

2.C/PtNCP/CおよびC/PdNCP/Cの調製
上述のシリカ粒子の外側に細孔を持つ多孔質シリカ層を備える粒子1.5gをメタノール24ml、AEAP568mgに分散させた後、1時間攪拌させた。この溶液を遠心分離して上澄み液を除去し、エタノールで洗浄した後、110℃で3時間真空乾燥させ、アミノ基修飾粒子(A−SiO@m−SiO)を作製した。
得られたA−SiO@m−SiO200mgを0.36Mのグルコース水溶液中で水熱処理し、得られた粉末200mgをHPtCl水溶液、あるいは(CHCOO)Pdのアセトン−エタノール(1:1)溶液に加え、20分間超音波を照射した。この溶液を蒸発皿に移して蒸発乾固させた後、真空乾燥させた。この粉末を0.41Mのグルコース水溶液中で再度水熱処理した後、900℃で1.5時間真空焼成し、10vol%フッ酸水溶液で処理した。処理後の資料を水素下、300℃で2時間加熱して、PtあるいはPdを還元させた。
2. Preparation of C / Pt NCP / C and C / Pd NCP / C 1.5 g of particles having a porous silica layer having pores outside the above silica particles were dispersed in 24 ml of methanol and 568 mg of AEAP, and then stirred for 1 hour. I let you. The solution was centrifuged to remove the supernatant, washed with ethanol, and then vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours to produce amino group-modified particles (A-SiO 2 @ m-SiO 2 ).
200 mg of the obtained A-SiO 2 @ m-SiO 2 was hydrothermally treated in a 0.36 M aqueous glucose solution, and 200 mg of the obtained powder was added to an aqueous H 2 PtCl 6 solution or (CH 3 COO) 2 Pd acetone-ethanol. In addition to the (1: 1) solution, ultrasonic waves were applied for 20 minutes. This solution was transferred to an evaporating dish and evaporated to dryness, and then vacuum dried. This powder was hydrothermally treated again in a 0.41 M aqueous glucose solution, vacuum baked at 900 ° C. for 1.5 hours, and treated with a 10 vol% hydrofluoric acid aqueous solution. The treated material was heated at 300 ° C. for 2 hours under hydrogen to reduce Pt or Pd.

II)構造と触媒機能の評価
1.TEM観察および窒素吸着測定
図14にHPtClを金属ナノ粒子源として得られた試料(C/PtNCP/C)、図15には(CHCOO)Pdを金属ナノ粒子源として得られた試料(C/PdNCP/C)のTEM図を示す。いずれも金属ナノ粒子が炭素高分散した中空状の炭素粒子が存在しており、これらが金属ナノ粒子が炭素支持体に埋設された構造であることが確認できた。
また、C/PtNCP/Cについて窒素吸着測定を行った結果、炭素支持体には、0.4−1.0nm前後の微細孔が存在し、350m−1の表面積をもつことがわかった。これにより、多孔性炭素支持体に埋設させたナノ粒子系触媒が作製できたことが確認された。
II) Evaluation of structure and catalytic function TEM observation and nitrogen adsorption measurement FIG. 14 shows a sample (C / Pt NCP / C) obtained using H 2 PtCl 6 as a metal nanoparticle source, and FIG. 15 shows (CH 3 COO) 2 Pd obtained as a metal nanoparticle source. The TEM figure of the obtained sample (C / Pd NCP / C) is shown. In both cases, hollow carbon particles in which metal nanoparticles were highly dispersed in carbon existed, and it was confirmed that these had a structure in which the metal nanoparticles were embedded in a carbon support.
Further, as a result of nitrogen adsorption measurement for C / Pt NCP / C, it was found that the carbon support had micropores around 0.4-1.0 nm and had a surface area of 350 m 2 g −1. It was. Thereby, it was confirmed that the nanoparticle catalyst embedded in the porous carbon support was able to be produced.

2.触媒活性試験
続いて、得られたC/ナノ触媒粒子/Cについて1−ヘキセン、4−フェニル−1−ブテン、及びtrans−スチルベンの液相での水素反応を用いて触媒活性を評価した。活性評価には、Ptの場合、Pt5wt%のものを、1mg(Pt0.26μmol)使用し、Pdの場合には、Pd15wt%のものを、3mg(Pd1.4μmol)使用した。また、同様のPtおよびPd量を含む中空上の炭素粒子の炭素粒子の上にPtあるいはPd微粒子を担持させただけの試料(Pt/CあるいはPd/C)を作製し、比較試料とした。表3に示すように、上述のp−C/PtNCP/Cやm−C/PtNCP/Cに比べ微細孔の発達が十分でないため、いずれの被触媒物質でも活性はPt/Cよりも低下したが、嵩高い被触媒物質の反応を抑制する分子サイズ選択性に非常に優れていた。同様の高い分子サイズ選択性は、C/PdNCP/Cによるオレフィン類の水素化反応でも見られた(表4)。これらより、C/ナノ触媒粒子/Cが高選択的反応を誘起する固体触媒であることが明らかになった。
2. Catalytic Activity Test Subsequently, the catalytic activity of the obtained C / nanocatalyst particles / C was evaluated using a hydrogen reaction in the liquid phase of 1-hexene, 4-phenyl-1-butene, and trans-stilbene. For the activity evaluation, 1 mg (Pt 0.26 μmol) of Pt 5 wt% was used in the case of Pt, and 3 mg (Pd 1.4 μmol) of Pd 15 wt% was used in the case of Pd. Further, a sample (Pt / C or Pd / C) in which Pt or Pd fine particles were merely supported on carbon particles of hollow carbon particles containing similar amounts of Pt and Pd was prepared and used as a comparative sample. As shown in Table 3, the micropores are not sufficiently developed as compared with the above-mentioned p-C / Pt NCP / C and m-C / Pt NCP / C, so that the activity of any catalyst material is higher than that of Pt / C. Although it decreased, the molecular size selectivity for suppressing the reaction of the bulky catalyst substance was very excellent. Similar high molecular size selectivity was also observed in the hydrogenation reaction of olefins with C / Pd NCP / C (Table 4). From these, it became clear that C / nanocatalyst particles / C is a solid catalyst that induces a highly selective reaction.

本発明に係るナノ触媒及びその作製方法は、水添反応プロセス、ファインケミカル合成プロセス、又は燃料電池の分野で好適に利用することができる。   The nanocatalyst and the method for producing the same according to the present invention can be suitably used in the fields of hydrogenation reaction process, fine chemical synthesis process, or fuel cell.

本発明に係る多孔性支持体−ナノ粒子系触媒の断面図である。1 is a cross-sectional view of a porous support-nanoparticle catalyst according to the present invention. 本発明に係る別の形態の多孔性支持体−ナノ粒子系触媒の断面図である。It is sectional drawing of the porous support body-nanoparticle-type catalyst of another form which concerns on this invention. 本発明に係るさらに別の形態の多孔性支持体−ナノ粒子系触媒の断面図である。It is sectional drawing of the porous support body-nanoparticle type | system | group catalyst of another form which concerns on this invention. 本発明の実施の形態2に係る製造方法の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the manufacturing method which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る製造方法で利用される有機高分子層の形成反応の一例である。It is an example of the formation reaction of the organic polymer layer utilized with the manufacturing method which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る製造方法の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the manufacturing method which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係る製造方法の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the manufacturing method which concerns on Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る製造方法により作製されたPtナノ触媒粒子を含む多孔性支持体−ナノ粒子系触媒のTEM図である。It is a TEM figure of the porous support body-nanoparticle type | system | group catalyst containing the Pt nano catalyst particle produced by the manufacturing method which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る製造方法により作製された多孔性支持体−ナノ粒子系触媒の断面図であるIt is sectional drawing of the porous support body-nanoparticle type | system | group catalyst produced with the manufacturing method which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る製造方法により作製されたRhナノ触媒粒子を含む多孔性支持体−ナノ粒子系触媒のTEM図である。It is a TEM figure of the porous support body-nanoparticle type | system | group catalyst containing the Rh nanocatalyst particle produced by the manufacturing method which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る製造方法により作製された多孔性支持体−ナノ粒子系触媒の窒素吸着等温線とそのαプロットによる解析を示した図である。It is the figure which showed the analysis by the nitrogen adsorption isotherm of the porous support body-nanoparticle type | system | group catalyst produced with the manufacturing method which concerns on Embodiment 2 of this invention, and its (alpha) s plot. 本発明の実施の形態3に係る製造方法により作製されたPtナノ触媒粒子を含む多孔性支持体−ナノ粒子系触媒のTEM図である。It is a TEM figure of the porous support body-nanoparticle system catalyst containing Pt nanocatalyst particle produced by the manufacturing method concerning Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態3に係る製造方法により作製されたPtナノ触媒粒子を含む多孔性支持体−ナノ粒子系触媒を900℃で真空加熱した後の試料のTEM図である。It is a TEM figure of a sample after carrying out vacuum heating at 900 ° C of a porous support-nanoparticle system catalyst containing Pt nanocatalyst particles produced by a manufacturing method concerning Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態4に係る製造方法により作製されたPtナノ触媒粒子を含む多孔性支持体−ナノ粒子系触媒のTEM図である。It is a TEM figure of the porous support body-nanoparticle type | system | group catalyst containing the Pt nanocatalyst particle produced by the manufacturing method which concerns on Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4に係る製造方法により作製されたPdナノ触媒粒子を含む多孔性支持体−ナノ粒子系触媒のTEM図である。It is a TEM figure of the porous support body-nanoparticle type | system | group catalyst containing the Pd nanocatalyst particle produced by the manufacturing method which concerns on Embodiment 4 of this invention.

Claims (3)

微細孔を有する中空状の支持体と触媒粒子とを含むオレフィンの水素化反応用触媒担持構造体であって、
前記支持体は、炭素からなり、
前記触媒粒子は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銅、銀からなる群から選択された又は2以上を含む粒径0.5nm〜20nmの金属ナノ粒子からなり、
上記支持体は層状の中空体であって、
前記触媒粒子は、少なくとも一部分、前記支持体の層に埋没するように前記支持体の層の内部に分散し、かつ前記支持体の微細孔の径は10nm以下である、触媒担持構造体。
A catalyst-supporting structure for an olefin hydrogenation reaction , comprising a hollow support having fine pores and catalyst particles,
The support is made of carbon;
The catalyst particles are made of platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, copper, one or metal nanoparticles having a particle diameter 0.5nm~20nm comprising two or more selected from the group consisting of silver,
The support is a layered hollow body,
The catalyst particles are at least partially, and dispersed inside of the support layer so that embedded in the layer of the support, and the diameter of the fine pores of the support is 10nm or less, the catalyst support structure.
微細孔を有する中空状の支持体と触媒粒子とを含むオレフィンの水素化反応用触媒担持構造体を製造する触媒担持構造体の製造方法であって、
前記支持体は、炭素からなり、かつ、10nm以下の微細孔径を有し、
当該方法は、
基材と前記基材の表面に形成された多孔質無機酸化層とを含む構造体を提供する工程と、
前記多孔質無機酸化層の下層部に第1有機高分子層を形成する第1形成工程と、
前記多孔質無機酸化層の細孔内の少なくとも一部に、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銅、銀からなる群から選択された1種又は2種以上を含む粒径0.5nm〜20nmの金属ナノ粒子からなる触媒粒子を挿入する挿入工程と、
前記第1有機高分子層の上層部に第2有機高分子層を形成する第2形成工程と、
前記支持体を生成するために、前記第1有機高分子層と前記第2有機高分子層とを炭化する炭化工程と、
前記基材と前記多孔質無機酸化層とを溶解する溶解工程と、
を包含する、触媒担持構造体の製造方法。
A method for producing a catalyst-supporting structure for producing a catalyst-supporting structure for a hydrogenation reaction of an olefin, comprising a hollow support having fine pores and catalyst particles,
The support is made of carbon and has a fine pore diameter of 10 nm or less,
The method is
Providing a structure comprising a substrate and a porous inorganic oxide layer formed on the surface of the substrate;
A first forming step of forming a first organic polymer layer in a lower layer portion of the porous inorganic oxide layer;
A particle size of 0.1 or more selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, copper, and silver is contained in at least a part of the pores of the porous inorganic oxide layer. An insertion step of inserting catalyst particles composed of metal nanoparticles of 5 nm to 20 nm;
A second forming step of forming a second organic polymer layer on an upper layer of the first organic polymer layer;
A carbonization step of carbonizing the first organic polymer layer and the second organic polymer layer to produce the support;
A dissolution step of dissolving the substrate and the porous inorganic oxide layer;
A method for producing a catalyst-supporting structure comprising:
微細孔を有する中空状の支持体と触媒粒子とを含むオレフィンの水素化反応用触媒担持構造体を製造する触媒担持構造体の製造方法であって、
前記支持体は、炭素からなり、かつ、10nm以下の微細孔径を有し、
当該方法は、
基材と前記基材の表面に形成された第1有機高分子層とを含む構造体を提供する工程と、
前記第1有機高分子層上に、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銅、銀からなる群から選択された1種又は2種以上を含む粒径0.5nm〜20nmの金属ナノ粒子からなる触媒粒子を設ける工程と、
前記第1有機高分子層と前記触媒粒子との上に、第2有機高分子層を形成する第2形成工程と、
前記支持体を生成するために、前記第1有機高分子層と前記第2有機高分子層とを炭化する炭化工程と
前記基材を溶解する溶解工程と、
を包含する、触媒担持構造体の製造方法。
A method for producing a catalyst-supporting structure for producing a catalyst-supporting structure for a hydrogenation reaction of an olefin, comprising a hollow support having fine pores and catalyst particles,
The support is made of carbon and has a fine pore diameter of 10 nm or less,
The method is
Providing a structure including a substrate and a first organic polymer layer formed on the surface of the substrate;
On the first organic polymer layer, a metal nanoparticle having a particle diameter of 0.5 nm to 20 nm including one or more selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, copper, and silver. Providing catalyst particles comprising particles,
A second forming step of forming a second organic polymer layer on the first organic polymer layer and the catalyst particles;
To produce the support, a carbonization step of carbonizing the first organic polymer layer and said second organic polymeric layer,
A dissolution step of dissolving the substrate;
A method for producing a catalyst-supporting structure comprising:
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