JP4696299B2 - Composites of porous carbon and metal nanoparticles with sharp pore size distribution - Google Patents

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この出願の発明は、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、耐硫黄性に優れ、水素化触媒などとして有用な、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体に関するものである。   The invention of this application relates to a composite of porous carbon and metal nanoparticles having a sharp pore size distribution. More specifically, the invention of this application relates to a composite of porous carbon and metal nanoparticles having a sharp pore size distribution that is excellent in sulfur resistance and useful as a hydrogenation catalyst.

近年、石油精製プロセスにおいて、白金/ゼオライト、白金/アルミナ、白金/シリカ・アルミナなどの金属ナノ微粒子触媒/担体からなる複合体が水素化触媒として盛んに利用されている。   In recent years, composites composed of metal nanoparticle catalysts / supports such as platinum / zeolite, platinum / alumina, platinum / silica / alumina, etc. have been actively used as hydrogenation catalysts in petroleum refining processes.

触媒である白金の耐硫黄性は、白金を担持している担体の固体酸性に強く依存する。たとえば、白金から担体への電子移動が起こりやすい場合には、白金が電子不足状態になることで電子吸引性の化合物との親和性が弱まり、耐硫黄性が向上することになる。従って、担体として固体酸を用いることは、白金の耐硫黄性の向上に有効であるといえる。しかし、固体酸は、塩基性の窒素化合物による吸着被毒や炭素質析出により、白金の触媒活性を低下させやすいという欠点もあった。この触媒活性の低下は、担体の塩基性を向上させることで抑制されると報告されている(非特許文献1)。   The sulfur resistance of platinum as a catalyst strongly depends on the solid acidity of the carrier carrying platinum. For example, when electron transfer from platinum to the carrier is likely to occur, the platinum is in an electron-deficient state, so that the affinity with an electron-withdrawing compound is weakened and sulfur resistance is improved. Therefore, it can be said that the use of a solid acid as a carrier is effective in improving the sulfur resistance of platinum. However, the solid acid also has a drawback that the catalytic activity of platinum is likely to be lowered due to adsorption poisoning or carbonaceous precipitation by a basic nitrogen compound. It has been reported that this decrease in catalytic activity is suppressed by improving the basicity of the carrier (Non-patent Document 1).

また、オレフィンやジオレフィンなどの重合性の高い成分を含む石油留分の水素化では、水素添加能が十分でない場合にオレフィン等が熱重合し、炭素質が担体表面に析出する。このため、担体の細孔径分布が水素化触媒活性に及ぼす影響が、広く認識されている。すなわち、細孔径分布のブロードな担体を用いた場合には、オレフィン等が細孔内で熱重合しやすいため、細孔表面にこれらの重合物が析出するおそれがある点が指摘されている(たとえば、非特許文献2参照)。また、窒素化合物などの被毒物質も細孔内に進入しやすいため、白金が被毒されることで水素化活性が低下しやすいとされている(非特許文献3)。   In the hydrogenation of petroleum fractions containing highly polymerizable components such as olefins and diolefins, when the hydrogenation ability is not sufficient, olefins and the like are thermally polymerized, and carbonaceous matter is deposited on the surface of the carrier. For this reason, the influence of the pore size distribution of the support on the hydrogenation catalyst activity is widely recognized. That is, it is pointed out that when a broad carrier having a pore size distribution is used, olefins and the like are easily thermally polymerized in the pores, so that these polymers may be deposited on the pore surface ( For example, refer nonpatent literature 2). In addition, since poisonous substances such as nitrogen compounds are likely to enter the pores, it is said that hydrogenation activity is likely to be reduced by platinum being poisoned (Non-patent Document 3).

一方で、これまでに、細孔径の制御が容易な炭素系担体であるカーボンエアロゲルに、ナノサイズの白金微粒子を細孔構造内に担持させた複合体の作製方法が報告されている(非特許文献4〜6)。また、シャープな細孔径分布を有する多孔性カーボンクライオゲル粒子の存在も知られている(非特許文献7)。
「多孔質体の性質とその応用技術」,株式会社フジ・テクノシステム,P.576(1999) 触媒,vol. 28, No. 4, p.256(1986) 「多孔質体の性質とその応用技術」,株式会社フジ・テクノシステム,P.544(1999) "Highly dispersed platinum on carbon aerogels as supportedcatalysts for PEM fuel cell-electrodes: comparison of two different synthesispaths," J. Non-Cryst. Solids, 350(2004)88-96. "Preparation of platinum/carbon aerogel nanocomposites usinga supercritical deposition method," J. Phys. Chem. B, 108(2004)7716-7722. "Invention of the supercritical deposition of platinumnanoparticles into carbon aerogels," Micropor. Mesopor. Mat.,80(2005)11-23. "Preparation and characterization of carbon cryogelmicrospheres," Carbon, 40(2002)1345-1351
On the other hand, a method for producing a composite in which nanosized platinum fine particles are supported in a pore structure on a carbon aerogel, which is a carbon-based carrier whose pore diameter can be easily controlled, has been reported so far (non-patent) References 4-6). The existence of porous carbon cryogel particles having a sharp pore size distribution is also known (Non-patent Document 7).
"Properties of porous materials and their applied technologies", Fuji Techno System, P.576 (1999) Catalyst, vol. 28, No. 4, p.256 (1986) "Properties of porous materials and their applied technologies", Fuji Techno System, P.544 (1999) "Highly dispersed platinum on carbon aerogels as supportedcatalysts for PEM fuel cell-electrodes: comparison of two different synthesispaths," J. Non-Cryst. Solids, 350 (2004) 88-96. "Preparation of platinum / carbon aerogel nanocomposites usinga supercritical deposition method," J. Phys. Chem. B, 108 (2004) 7716-7722. "Invention of the supercritical deposition of platinum nanoparticles into carbon aerogels," Micropor. Mesopor. Mat., 80 (2005) 11-23. "Preparation and characterization of carbon cryogelmicrospheres," Carbon, 40 (2002) 1345-1351

しかしながら、非特許文献4〜6に開示されている複合体は、いずれもブロードな細孔径分布を有する炭素系担体が使用されているため、十分な耐硫黄性を持っておらず、水素化触媒として有効に使用できるものではなかった。   However, since the composites disclosed in Non-Patent Documents 4 to 6 all use a carbon-based support having a broad pore size distribution, they do not have sufficient sulfur resistance, and the hydrogenation catalyst It could not be used as effectively.

また、シャープな細孔径分布を有する多孔性カーボンゲル粒子については、ナノサイズで均一な大きさの触媒微粒子を担持させることや、その複合体については、未だ実現されていない。このように、炭素系材料としては、活性炭のように、2nm以下の領域にシャープな細孔系分布と高い比表面積を有するものは知られているものの、水素化触媒担体などとして有用となる2〜20nmの領域にシャープな細孔系分布と高い比表面積を有する炭素系材料を担体として用いた金属ナノ微粒子触媒/担体からなる複合体は実現されていないのが現状である。   In addition, with respect to porous carbon gel particles having a sharp pore size distribution, it has not been realized yet to support catalyst fine particles having a uniform size in nano size or a composite thereof. As described above, carbon-based materials, such as activated carbon, having a sharp pore distribution and a high specific surface area in a region of 2 nm or less are known, but they are useful as hydrogenation catalyst carriers 2. At present, a composite comprising a metal nanoparticle catalyst / support using a carbon-based material having a sharp pore system distribution and a high specific surface area in a region of ˜20 nm as a support has not been realized.

このため、白金等の触媒の耐硫黄性を高めることができ、炭素質析出や窒素化合物による吸着被毒が少ない、シャープな細孔径分布を有する非酸性の多孔質炭素材料を担体として用いた、耐硫黄性の触媒/担体複合体の実現が求められている。   For this reason, the sulfur resistance of a catalyst such as platinum can be improved, and a non-acidic porous carbon material having a sharp pore size distribution with less carbonaceous precipitation and adsorption poisoning by nitrogen compounds is used as a carrier. There is a need for the realization of sulfur-resistant catalyst / support composites.

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、耐硫黄性に優れた水素化触媒などとして有用な、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供することを課題としている。   Accordingly, the invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, which eliminates the problems of the prior art and is useful as a hydrogenation catalyst having excellent sulfur resistance, such as a sharp pore size distribution. It is an object of the present invention to provide a composite of porous carbon having metal and metal nano-particles.

この出願の発明者らは、担体に担持された金属ナノ微粒子の耐硫黄性の改善を種々試み、その結果、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素に金属ナノ微粒子を担持させることにより、この課題を解決できることを見出し、この出願の発明を完成するに至った。   The inventors of this application have made various attempts to improve the sulfur resistance of metal nanoparticles supported on a carrier, and as a result, the metal nanoparticles are supported on porous carbon having a sharp pore size distribution. The present inventors have found that the problem can be solved, and have completed the invention of this application.

すなわち、この出願の発明は、まず第1には、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素に、金属ナノ微粒子が担持されていることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   That is, the invention of this application is, first of all, to provide a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein metal nanoparticles are supported on porous carbon having a sharp pore size distribution. provide.

さらに、この出願の発明は、第2には、前記多孔質炭素は、全細孔容積の90%以上の細孔の径が、2〜20nmの範囲でかつ分布幅6nmの範囲に属する、シャープな細孔径分布を有していることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Further, according to the invention of this application, secondly, the porous carbon has a sharp pore diameter of 90% or more of the total pore volume belonging to a range of 2 to 20 nm and a distribution width of 6 nm. Provided is a composite of porous carbon and metal nanoparticles, characterized by having a fine pore size distribution.

第3には、前記多孔質炭素が、全細孔容積の90%以上の細孔の径が、3〜10nmの範囲で、かつ分布幅6nmの範囲に属する、シャープな細孔径分布を有することを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Third, the porous carbon has a sharp pore size distribution in which the pore diameter of 90% or more of the total pore volume is in the range of 3 to 10 nm and the distribution width is 6 nm. A composite of porous carbon and metal nanoparticles is provided.

第4には、前記多孔質炭素が、球形もしくは略球形であることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Fourth, the present invention provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein the porous carbon is spherical or substantially spherical.

第5には、前記多孔質炭素の粒径が、50nm〜2mmであることを特徴とす多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Fifth, the present invention provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein the porous carbon has a particle size of 50 nm to 2 mm.

第6には、前記多孔質炭素の粒径が、100nm〜1mmであることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Sixth, the present invention provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein the porous carbon has a particle size of 100 nm to 1 mm.

第7には、前記金属ナノ微粒子が、周期表の8族元素もしくは6A族元素のうちのいずれか1種、または2種以上のナノ微粒子の組み合わせであることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Seventh, the porous metal and the metal are characterized in that the metal nanoparticle is any one of group 8 element or group 6A element of the periodic table, or a combination of two or more kinds of nanoparticle. A composite of nanoparticles is provided.

第8には、前記金属ナノ微粒子が、8族元素のうちのいずれか1種のナノ微粒子であることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Eighth, the present invention provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein the metal nanoparticles are any one of group 8 elements.

第9には、前記金属ナノ微粒子が、前記多孔質炭素の細孔内表面に、該細孔と同程度の大きさのものが担持されていることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Ninth, a porous carbon and metal nanoparticle, wherein the metal nanoparticle is supported on the inner surface of the pore of the porous carbon by the same size as the pore Provide a complex of

第10には、前記金属ナノ微粒子の粒径が、2〜20nmであることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Tenth, the present invention provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein the metal nanoparticles have a particle size of 2 to 20 nm.

第11には、前記金属ナノ微粒子の粒径が、3〜10nmであることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Eleventh, the present invention provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein the metal nanoparticles have a particle size of 3 to 10 nm.

第12には、前記金属ナノ微粒子と多孔質炭素との重量比率が、0.5〜50%であこ
とを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。
12thly, the composite of the porous carbon and metal nanoparticle characterized by the weight ratio of the said metal nanoparticle and porous carbon being 0.5 to 50% is provided.

第13には、前記金属ナノ微粒子と多孔質炭素との重量比率が、1.0〜30%である請求項12に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   13thly provides the composite of the porous carbon and metal nanoparticle of Claim 12 whose weight ratio of the said metal nanoparticle and porous carbon is 1.0 to 30%.

第14には、フェノール類、アルデヒド類および触媒を含む水溶液をゾル−ゲル重合反応させ、そのゾル−ゲル重合反応の進行中の水溶液を界面活性剤が添加された有機溶媒中に分散して逆相乳化重合させて多孔質炭素前駆体を生成させ、前記多孔質炭素前駆体から有機溶媒を除去した後、金属前駆体溶液に含浸させて多孔質炭素前駆体に金属を担持させ、前記溶液を除去し、ついで金属を担持した多孔質炭素前駆体を熱処理することにより得られる粒子状組成物であることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Fourteenth, an aqueous solution containing phenols, aldehydes and a catalyst is subjected to a sol-gel polymerization reaction, and the aqueous solution in progress of the sol-gel polymerization reaction is dispersed in an organic solvent to which a surfactant has been added. A porous carbon precursor is produced by phase emulsion polymerization, and after removing the organic solvent from the porous carbon precursor, the metal precursor solution is impregnated to support the metal on the porous carbon precursor. A composite of porous carbon and metal nanoparticles is provided, which is a particulate composition obtained by removing and then heat-treating a porous carbon precursor carrying a metal.

第15には、前記金属前駆体が、前記金属のアンミン錯体、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩、塩化物のいずれかであることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Fifteenth, the present invention provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein the metal precursor is any one of the metal ammine complexes, nitrates, acetates, sulfates, and chlorides. .

第16には、前記金属前駆体が、前記金属のアンミン錯体、硝酸塩、塩化物のうちのいずれかであることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Sixteenth, the present invention provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles, wherein the metal precursor is any one of the metal ammine complexes, nitrates, and chlorides.

第17には、前記金属を担持した多孔質炭素前駆体を不活性雰囲気中で熱処理することにより、多孔質炭素の細孔の内表面に金属ナノ微粒子が形成されていることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を提供する。   Seventeenth, the porous carbon precursor carrying the metal is heat-treated in an inert atmosphere to form metal nanoparticles on the inner surface of the pores of the porous carbon. A composite of carbonaceous and metal nanoparticles is provided.

加えて、第18には、上記いずれかの多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体からなることを特徴とする水素化触媒をも提供する。   In addition, 18thly, the hydrogenation catalyst characterized by comprising the composite of any one of the above-mentioned porous carbon and metal nanoparticles is also provided.

この出願の発明によって、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体が提供される。この複合体は、顕著な耐硫黄性を具備しているため、たとえばガソリン留分の水素化脱硫処理などに有用な水素化触媒なども提供される。   The invention of this application provides a composite of porous carbon and metal nanoparticles having a sharp pore size distribution. Since this composite has remarkable sulfur resistance, a hydrogenation catalyst useful for, for example, hydrodesulfurization treatment of a gasoline fraction is also provided.

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。   The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.

この出願の本発明の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体(以下、単に複合体とも称する)は、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素に、金属ナノ微粒子が複合されていることを特徴としている。なお、この出願の発明において、細孔径分布がシャープであるとは、横軸に多孔質炭素の細孔直径、縦軸にその細孔容積の積算値を示した細孔径分布において、細孔直径で幅6nmの範囲に全細孔容積の90%以上が分布されていることを意味している。より限定的には、細孔系分布のピーク値に対して±3nmの範囲に全細孔容積の90%以上の細孔の径が分布されているとすることができる。すなわち、細孔直径が極めて揃っており、その細孔直径において細孔径分布曲線は極めてシャープなピークを描くことになる。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles (hereinafter also simply referred to as a composite) of the present invention of this application is characterized in that metal nanoparticles are composited with porous carbon having a sharp pore size distribution. It is said. In the invention of this application, the sharp pore size distribution means that the pore diameter distribution in which the horizontal axis represents the pore diameter of porous carbon and the vertical axis represents the integrated value of the pore volume, This means that 90% or more of the total pore volume is distributed in the range of width 6 nm. More specifically, it can be assumed that the pore diameters of 90% or more of the total pore volume are distributed in a range of ± 3 nm with respect to the peak value of the pore system distribution. That is, the pore diameters are extremely uniform, and the pore diameter distribution curve draws a very sharp peak at the pore diameter.

この出願の発明の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体の基本的な構造を、図1の拡大模式図に基づいて説明する。図1において、球形もしくは略球形の物質は多孔質炭素(1)であり、多孔質炭素(1)は多数の一次粒子(2)が三次元的に結合したネットワーク構造を有する二次粒子として形成されている。このようなネットワーク構造における間隙はメソ細孔(2〜50nm)を形成し、これらの間隙に金属ナノ微粒子(3)が担持される。   The basic structure of the composite of porous carbon and metal nanoparticles according to the invention of this application will be described based on the enlarged schematic diagram of FIG. In FIG. 1, the spherical or substantially spherical substance is porous carbon (1), and porous carbon (1) is formed as secondary particles having a network structure in which a number of primary particles (2) are three-dimensionally bonded. Has been. The gaps in such a network structure form mesopores (2 to 50 nm), and the metal nanoparticles (3) are supported in these gaps.

この出願の発明において、多孔質炭素の形状については特に制限されないが、一般的な使用に際しては、球形ないしは略球形であることが好ましい。また多孔質炭素の粒径および細孔直径についても特に制限されるものではなく、粒径については使用が簡便であることなどから、50nm〜2mm程度のものとすることが好ましい。なお、多孔質炭素の粒径が小さすぎると、たとえば、水素化触媒として使用する場合に、石油留分を流通させる際の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。また粒径が大きすぎると、粒子間の空隙も大きくなるため、石油留分の精製を十分に行うために必要な滞留時間が十分に得られないために好ましくない。したがって、この複合体を水素化触媒として使用する場合の特に好ましい多孔質炭素の粒径は、100nm〜1mm程度とすることができる。   In the invention of this application, the shape of the porous carbon is not particularly limited, but in general use, it is preferably spherical or substantially spherical. Further, the particle diameter and pore diameter of the porous carbon are not particularly limited, and the particle diameter is preferably about 50 nm to 2 mm because it is easy to use. If the particle size of the porous carbon is too small, for example, when used as a hydrogenation catalyst, the pressure loss when the petroleum fraction is circulated increases, which is not preferable. On the other hand, if the particle size is too large, the voids between the particles also increase, which is not preferable because the residence time necessary for sufficiently refining the petroleum fraction cannot be obtained. Therefore, the particle diameter of porous carbon particularly preferable when this composite is used as a hydrogenation catalyst can be about 100 nm to 1 mm.

また、細孔直径についても所望のものとすることができ、たとえば、この複合体を石油系の油の精製用の水素化触媒として用いる場合には、油種に応じて、細孔直径が2〜50nm程度、さらには2〜20nm程度の範囲内の所望の細孔直径とすることができる。より具体的には、たとえば、ガソリン留分の水素化脱硫処理用の水素化触媒として用いる場合には、平均細孔直径を3〜10nmとするのが好ましい例として示される。   Also, the pore diameter can be set as desired. For example, when this composite is used as a hydrogenation catalyst for refining petroleum oil, the pore diameter is 2 depending on the oil type. It can be set as a desired pore diameter within a range of about ˜50 nm, and further about 2-20 nm. More specifically, for example, when used as a hydrogenation catalyst for hydrodesulfurization treatment of a gasoline fraction, an average pore diameter of 3 to 10 nm is shown as a preferred example.

金属ナノ微粒子は、前記のとおり、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素のネットワーク構造における間隙に、高分散されて担持されている。金属ナノ微粒子としては、周期表中の、白金、ニッケル、コバルトをはじめとする8族元素あるいは、クロム、モリブデンを始めとする6A族の元素のうちの、いずれか1種類、または2種類以上のナノ微粒子を組み合わせて用いることができる。水素化触媒としての性能を高める目的では、白金、ニッケル、コバルトをはじめとする8族元素のうちのいずれか1種類の金属を用いるのが好適である。   As described above, the metal nanoparticles are supported in a highly dispersed manner in the gap in the porous carbon network structure having a sharp pore size distribution. As the metal nanoparticle, any one kind or two kinds or more of group 8 elements including platinum, nickel and cobalt or group 6A elements including chromium and molybdenum in the periodic table may be used. Nanoparticles can be used in combination. For the purpose of enhancing the performance as a hydrogenation catalyst, it is preferable to use any one kind of metal among group 8 elements including platinum, nickel and cobalt.

また、金属ナノ微粒子の粒径は、特に制限されないが、2〜50nm程度とすることができ、この出願の発明の複合体においては、比較的粒径がそろったものが担持されていることを特徴とすることができる。この複合体がたとえば水素化触媒などとして十分な活性を得るためには、粒径が2〜20nmの範囲であることが好適であり、さらには、3〜10nmの範囲にあるものが一層好ましい。なお、この出願の発明において、ナノ微粒子とは、粒径が100nm程度以下のナノサイズの粒子を含むことができ、代表的には50nm程度以下、より限定的には20nm程度以下の粒子を意図するものである。   In addition, the particle size of the metal nanoparticle is not particularly limited, but can be about 2 to 50 nm. In the composite of the invention of this application, the one having a relatively uniform particle size is supported. Can be a feature. In order for this complex to obtain sufficient activity as, for example, a hydrogenation catalyst, the particle size is preferably in the range of 2 to 20 nm, and more preferably in the range of 3 to 10 nm. In the invention of this application, the nano fine particles can include nano-sized particles having a particle size of about 100 nm or less, typically about 50 nm or less, more specifically, about 20 nm or less. To do.

この出願の発明に係る複合体の、金属ナノ微粒子と多孔質炭素との好ましい質量比率(担持率)は、0.5〜50質量%である。金属ナノ微粒子の粒径と多孔質炭素の細孔直径との関係等にもよるため一概にはいえないが、水素化触媒などとして使用する場合において反応物質が進入するための十分なスペースを確保することを考慮すると、金属ナノ微粒子の担持率を1.0〜30質量%とすることが、特に好ましい例として示される。   The preferred mass ratio (support rate) between the metal nanoparticles and the porous carbon of the composite according to the invention of this application is 0.5 to 50% by mass. Depending on the relationship between the particle size of the metal nanoparticle and the pore diameter of the porous carbon, etc., it is not possible to say unconditionally. However, when used as a hydrogenation catalyst, sufficient space for the reactants to enter is secured. Taking this into consideration, it is shown as a particularly preferred example that the supporting rate of the metal nanoparticles is 1.0 to 30% by mass.

このようなこの出願の発明の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体は、従来の多孔質炭素と金属ナノ微粒子との複合体に比較して非常にシャープな細孔径分布を持ち、たとえば水素化触媒などとして用いた場合に耐硫黄性が著しく向上されている点で、好ましく用いられる。   Such a composite of porous carbon and metal nanoparticles according to the invention of this application has a very sharp pore size distribution compared to a conventional composite of porous carbon and metal nanoparticles, for example, hydrogenation. When used as a catalyst or the like, it is preferably used in that the sulfur resistance is remarkably improved.

以上のこの出願の発明の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体は、たとえば以下の手法により得られるものとして特徴付けることもできる。すなわち、この多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体は、<A>フェノール類、アルデヒド類および触媒を含む水溶液をゾル−ゲル重合反応させ、<B>そのゾル−ゲル重合反応の進行中の水溶液を界面活性剤が添加された有機溶媒中に分散して逆相乳化重合させて多孔質炭素前駆体を生成させ、前記多孔質炭素前駆体から有機溶媒を除去した後、<C>金属前駆体溶液に含浸させて多孔質炭素前駆体に金属を担持させ、前記溶液を除去し、ついで<D>金属を担持した多孔質炭素前駆体を熱処理することにより得られる粒子状組成物である。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to the invention of the application described above can also be characterized as obtained by the following method, for example. That is, the composite of porous carbon and metal nanoparticles is prepared by subjecting an aqueous solution containing <A> phenols, aldehydes and a catalyst to a sol-gel polymerization reaction, and <B> an aqueous solution in progress of the sol-gel polymerization reaction. Is dispersed in an organic solvent to which a surfactant is added and subjected to reverse phase emulsion polymerization to form a porous carbon precursor. After removing the organic solvent from the porous carbon precursor, <C> metal precursor It is a particulate composition obtained by impregnating a solution to support a metal on a porous carbon precursor, removing the solution, and then heat-treating the porous carbon precursor supporting <D> metal.

より具体的には、まず、<A>フェノール類、アルデヒド類および逆相乳化重合の触媒を含む水溶液をゾル−ゲル重合反応させる。   More specifically, first, an aqueous solution containing <A> phenols, aldehydes and a reverse phase emulsion polymerization catalyst is subjected to a sol-gel polymerization reaction.

ここで用いるフェノール類としては、特に制限されず、1価または多価の各種のフェノールを用いることができる。たとえば、1価フェノール類であるフェノール、クレゾ一ル、チモール、ナフトール、2価フェノールであるカテコール、レゾルシノール、ヒドロキノン、ジヒドロキシナフタレン、3価フェノールであるピロガロール、フロログルシノールなどを用いることが例示される。なかでも、2価フェノールは、均一なアルカリの水溶液を調製しやすいことから好ましいものとして例示される。   The phenols used here are not particularly limited, and various monovalent or polyvalent phenols can be used. Examples include using monohydric phenols such as phenol, cresol, thymol, naphthol, dihydric phenol catechol, resorcinol, hydroquinone, dihydroxynaphthalene, trihydric phenol pyrogallol, phloroglucinol, and the like. . Among these, dihydric phenol is exemplified as a preferable one because it is easy to prepare a uniform aqueous alkali solution.

アルデヒド類についてもその使用は特に制限されず、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドを用いるのが、ゾル−ゲル重合反応溶媒(水等)への溶解性が良いという点で好ましい例として示される。なかでも、ホルムアルデヒドがより一層好ましい。   The use of aldehydes is not particularly limited, and the use of formaldehyde and acetaldehyde is a preferable example in terms of good solubility in a sol-gel polymerization reaction solvent (such as water). Of these, formaldehyde is even more preferable.

また、逆相乳化重合に好適な触媒としては、上記フェノール類およびアルデヒド類を含む水溶液をアルカリ性にする物質を用いることができ、たとえば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の化合物をあげることができる。特に好ましくは、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩、アルカリ金属水酸化物である。   Moreover, as a catalyst suitable for reverse phase emulsion polymerization, the substance which makes the aqueous solution containing the said phenols and aldehydes alkaline can be used, For example, the compound of an alkali metal or an alkaline-earth metal can be mention | raise | lifted. Particularly preferred are alkali metal carbonates, alkali metal bicarbonates, and alkali metal hydroxides.

ここで、水溶液の組成を調整することで、得られる多孔質炭素の細孔径を制御することが可能となる。たとえば、フェノール類と触媒のモル比を50〜1500、好ましくは、100〜1000程度の範囲、フェノール類と水の割合(g/cm3)を0.05〜1、
好ましくは0.1〜0.5程度の範囲で制御することで、細孔径が2〜20nm、さらには3〜10nmの範囲で、シャープな細孔径分布を有するものとすることができる。
Here, by adjusting the composition of the aqueous solution, the pore diameter of the obtained porous carbon can be controlled. For example, the molar ratio of phenols to catalyst is 50 to 1500, preferably in the range of about 100 to 1000, and the ratio of phenols to water (g / cm 3 ) is 0.05 to 1.
Preferably, by controlling in the range of about 0.1 to 0.5, it is possible to have a sharp pore size distribution in the range of the pore diameter of 2 to 20 nm, more preferably 3 to 10 nm.

<B>フェノール類、アルデヒド類および触媒を含む水溶液は調整と同時にゾル−ゲル重合反応を開始するが、この反応の進行中に界面活性剤を含んだ有機溶媒中に注入し、撹拌して、逆相乳化重合させる。   <B> An aqueous solution containing phenols, aldehydes, and a catalyst starts a sol-gel polymerization reaction at the same time as the preparation, and is poured into an organic solvent containing a surfactant during the reaction, and stirred. Reverse phase emulsion polymerization is performed.

有機溶媒としては、ゾル−ゲル重合反応溶媒に対する溶解性の低い、シクロヘキサンやヘキサン等の疎水性の大きい有機溶媒を用いることができる。   As the organic solvent, an organic solvent having low solubility in a sol-gel polymerization reaction solvent, such as cyclohexane or hexane, can be used.

界面活性剤は、油相中に水溶液相を安定に分散させる機能を有するものを用いることができ、たとえば、親水性と疎水性のバランスを示すHLB値が3.5〜7程度のW/O型の乳化作用を有するものを用いることが例示される。より具体的には、たとえば、ソルビタンモノオレエート(SPAN80、HLB=4.3)や、グリセリンモノステアレート(HLB=3.8)、ソルビタンモノパルミテート(HLB=6.7)などを好適に用いることができる。   As the surfactant, those having a function of stably dispersing the aqueous phase in the oil phase can be used. For example, a W / O having an HLB value of about 3.5 to 7 indicating a balance between hydrophilicity and hydrophobicity can be used. The use of a mold having an emulsifying action is exemplified. More specifically, for example, sorbitan monooleate (SPAN80, HLB = 4.3), glycerin monostearate (HLB = 3.8), sorbitan monopalmitate (HLB = 6.7) and the like are suitable. Can be used.

逆相乳化重合させる際の撹拌速度は、この出願の発明の複合体を得る上で留意すべき点である。というのは、液中に形成される多孔質炭素の前駆体は撹拌により球状形ないしは略球状形に整えることができ、さらにその粒径は、撹拌速度により影響をうけるからである。撹拌速度が大きい場合には、エマルションに作用する剪断応力が大きいためエマルション中での液滴同士の再凝集が抑制され、多孔質炭素の前駆体、すなわち多孔質炭素の粒径は小さくなる。反対に、撹拌速度が小さい場合には、剪断応力が小さく液滴同士が再凝集しやすいため、多孔質炭素の粒径は大きくなる。このように、撹拌速度には十分留意する必要がある。好ましい撹拌速度については、水溶液の粘度や反応容器の容積、形状等によって変化するため、一義的に決定することは困難であり、所望の多孔質炭素粒径および用いる反応系に応じて最適な撹拌速度を決定することができる。   The stirring speed at the time of reverse phase emulsion polymerization is a point to be noted in obtaining the composite of the invention of this application. This is because the precursor of the porous carbon formed in the liquid can be adjusted to a spherical shape or a substantially spherical shape by stirring, and the particle size is influenced by the stirring speed. When the stirring speed is high, the shear stress acting on the emulsion is large, so that reagglomeration of droplets in the emulsion is suppressed, and the porous carbon precursor, that is, the particle size of the porous carbon becomes small. On the other hand, when the stirring speed is low, the shear stress is small and the droplets are likely to reaggregate, so the particle size of the porous carbon increases. Thus, it is necessary to pay sufficient attention to the stirring speed. The preferred stirring speed varies depending on the viscosity of the aqueous solution, the volume and shape of the reaction vessel, etc., so it is difficult to uniquely determine, and the optimum stirring speed depends on the desired porous carbon particle size and the reaction system used. The speed can be determined.

逆相乳化重合の際の温度は、0℃から、分散媒として用いる有機溶媒の沸点未満の温度範囲に設定することができるが、逆相乳化重合の温度は、最終的に得られる多孔質炭素の細孔特性に大きく影響を与えることが、本発明者の最近の研究によって新たに明らかとされた。この出願の発明の複合体において、多孔質炭素は、金属ナノ微粒子の担持サイトとして、多孔質炭素粒子の外表面にメソ細孔の発達したものであることが好ましい。しかしながら、逆相乳化重合温度が低すぎると、エマルション中で液滴表面から水分が有機溶媒相に脱水されることで細孔が収縮し、表面に緻密な層が形成されるため、この出願の発明における金属ナノ微粒子の担持サイトとして好ましい多孔質炭素を作成することが困難である。一方、逆相乳化重合温度が適切な場合には、上記の脱水効果が抑制されて細孔の収縮は起こらず、メソ細孔の発達した多孔質炭素が得られる。この逆相乳化重合温度は、目的とする多孔質炭素粒子に求められる細孔状態に応じて調節することができ、たとえば、40℃以上から60℃未満の範囲に設定することが特に好ましい例として示される。   The temperature during reverse phase emulsion polymerization can be set from 0 ° C. to a temperature range below the boiling point of the organic solvent used as the dispersion medium, but the temperature of reverse phase emulsion polymerization is the porous carbon finally obtained. It has been newly clarified by the present inventor's recent research that it has a great influence on the pore characteristics of the present invention. In the composite of the invention of this application, the porous carbon is preferably one in which mesopores are developed on the outer surface of the porous carbon particle as a supporting site for the metal nanoparticle. However, if the inverse emulsion polymerization temperature is too low, moisture is dehydrated from the droplet surface to the organic solvent phase in the emulsion, and the pores shrink and a dense layer is formed on the surface. It is difficult to produce porous carbon that is preferable as a site for supporting metal nanoparticles in the invention. On the other hand, when the reverse-phase emulsion polymerization temperature is appropriate, the dehydration effect is suppressed and pore shrinkage does not occur, and porous carbon with developed mesopores is obtained. This reverse phase emulsion polymerization temperature can be adjusted according to the pore state required for the target porous carbon particles. For example, it is particularly preferable to set the reverse emulsion polymerization temperature in the range of 40 ° C. or more and less than 60 ° C. Indicated.

これにより生成したゲル状生成物から溶媒を除去することで、シャープな細孔径分布を有する多孔質炭素の前駆体を得ることができる。なお、溶媒の除去は、多孔質炭素の前駆体に形成されているシャープな細孔径分布を有する構造を損なわない手法であれば、特に制限されることはない。一般に、細孔の発達した多孔体を得るために適当な乾燥方法として、超臨界乾燥、凍結乾燥などの手法が知られ、これらにより得られたゲルを、それぞれエアロゲル、クライオゲルと区別しているが、この出願の発明においては、溶媒の除去(乾燥)については、超臨界乾燥、凍結乾燥、真空乾燥、熱風乾燥、マイクロ波乾燥などの各種の乾燥法を利用することが可能とされる。   By removing the solvent from the gel product thus produced, a precursor of porous carbon having a sharp pore size distribution can be obtained. The removal of the solvent is not particularly limited as long as it is a technique that does not impair the structure having a sharp pore size distribution formed in the porous carbon precursor. Generally, as a suitable drying method for obtaining a porous body having developed pores, techniques such as supercritical drying and freeze drying are known, and the gels obtained by these are distinguished from aerogels and cryogels, respectively. In the invention of this application, for the removal (drying) of the solvent, various drying methods such as supercritical drying, freeze drying, vacuum drying, hot air drying, and microwave drying can be used.

次いで、<C>多孔質炭素の前駆体に、金属前駆体水溶液を含浸させた後、水溶液を除去して、<D>熱処理する。   Next, after impregnating the precursor of <C> porous carbon with the aqueous metal precursor solution, the aqueous solution is removed and <D> heat treatment is performed.

金属前駆体として好ましいのは、前記のとおり周期表中の8族元素あるいは6A族の元素のうちのいずれか1種類、または2種類以上の金属の、アンミン錯体、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩、塩化物のいずれかであり、更に好ましくはアンミン錯体、硝酸塩、塩化物である。   The metal precursor is preferably an ammine complex, nitrate, acetate, sulfate, or any one of two or more group 8 elements or group 6A elements in the periodic table as described above. Any of chlorides, more preferably ammine complexes, nitrates, and chlorides.

金属前駆体水溶液に多孔質炭素の前駆体を浸漬すると、多孔質炭素の内部に形成されるネットワーク構造中の間隙に金属前駆体水溶液が含浸され、金属前駆体が担持されることになる。この出願の発明の複合体における金属ナノ微粒子と多孔質炭素との質量比率(担持率)は、金属前駆体溶液の濃度を調整することで簡便に制御することができる。金属前駆体溶液の濃度が低すぎると、担持する金属ナノ微粒子量も少なくなるため、水素化触媒としての十分な触媒活性が発現されないため好ましくない。逆に濃度が高すぎると、細孔内が形成された金属ナノ微粒子によって閉塞されてしまうため、水素化触媒として使用する際に反応物が進入するための十分なスペースが確保できなくなるため好ましくない。したがって、金属前駆体溶液の濃度は最終的に得られる複合体における金属ナノ微粒子と多孔質炭素の重量比率を考慮して適宜決定することができる。   When the porous carbon precursor is immersed in the metal precursor aqueous solution, the metal precursor aqueous solution is impregnated in the gaps in the network structure formed inside the porous carbon, and the metal precursor is supported. The mass ratio (support rate) between the metal nanoparticles and the porous carbon in the composite of the invention of this application can be easily controlled by adjusting the concentration of the metal precursor solution. If the concentration of the metal precursor solution is too low, the amount of supported metal nanoparticles will be small, so that sufficient catalytic activity as a hydrogenation catalyst is not exhibited, which is not preferable. On the other hand, if the concentration is too high, the inside of the pores is blocked by the formed metal nanoparticles, which is not preferable because a sufficient space for the reactants to enter cannot be secured when used as a hydrogenation catalyst. . Therefore, the concentration of the metal precursor solution can be appropriately determined in consideration of the weight ratio of the metal nanoparticles and the porous carbon in the finally obtained composite.

また、金属前駆体水溶液の除去の手段も特に制限されず、減圧吸引、加温などの手法を採用することができる。   Further, the means for removing the aqueous metal precursor solution is not particularly limited, and a technique such as vacuum suction or heating can be employed.

熱処理は、多孔質炭素前駆体を炭化して多孔質炭素とするとともに、多孔質炭素前駆体に担持された金属前駆体を熱分解して金属ナノ微粒子とする目的で行う。この熱処理は、アルゴンや窒素などの不活性雰囲気中において、300〜1300℃の処理温度で実施されることが好ましい。処理温度が低すぎると、金属前駆体が十分に熱分解されないために好ましくない。また処理温度が高すぎると、多孔質炭素前駆体の炭化処理中に金属ナノ微粒子がシンタリング(凝集)して粗大化し、粒径の揃った金属ナノ微粒子が形成されないために好ましくない。このような理由から、前記金属ナノ微粒子の粒径を好適な範囲に制御するには、熱処理温度を400〜700℃に設定するのが特に好ましい。金属ナノ微粒子は、主として多孔質炭素の細孔内に形成され、金属ナノ微粒子が成長できるスペースは細孔径により制限されることになる。すなわち、この出願の発明の複合体においては、多孔質炭素の細孔直径分布と金属ナノ微粒子の粒度分布は類似したものとなり、金属ナノ微粒子についても、その粒径はシャープな粒径分布を示すものとされる。また、所望の粒径の金属ナノ微粒子を担持させるために、多孔質炭素の細孔の径を制御することなども、有効な手法となる。   The heat treatment is performed for the purpose of carbonizing the porous carbon precursor to form porous carbon and thermally decomposing the metal precursor supported on the porous carbon precursor to form metal nanoparticles. This heat treatment is preferably performed at a treatment temperature of 300 to 1300 ° C. in an inert atmosphere such as argon or nitrogen. If the treatment temperature is too low, the metal precursor is not sufficiently thermally decomposed, which is not preferable. On the other hand, if the treatment temperature is too high, metal nanoparticles are sintered (aggregated) and coarsened during carbonization of the porous carbon precursor, and metal nanoparticles having a uniform particle size are not formed. For these reasons, it is particularly preferable to set the heat treatment temperature to 400 to 700 ° C. in order to control the particle size of the metal nanoparticle within a suitable range. The metal nanoparticles are mainly formed in the pores of the porous carbon, and the space in which the metal nanoparticles can grow is limited by the pore diameter. That is, in the composite of the invention of this application, the pore diameter distribution of porous carbon and the particle size distribution of metal nanoparticles are similar, and the metal nanoparticles also have a sharp particle size distribution. It is supposed to be. In addition, controlling the diameter of the pores of the porous carbon in order to support the metal nanoparticles having a desired particle diameter is also an effective method.

これにより、粒子状組成物として、この出願の発明の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体を得ることができる。   Thereby, the composite of the porous carbon and metal nanoparticle of the invention of this application can be obtained as the particulate composition.

この出願の発明のシャープな細孔径分布を持つ多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体は、一回の調整で大量に製造することができ、また、多孔質炭素に触媒作用のある金属ナノ微粒子が担持されることから、単数もしくは複数の複合体を触媒として用いることができる。そして、従来の多孔質炭素と金属ナノ微粒子との複合体に比較して耐硫黄性が著しく向上している点で、耐硫黄性が求められる触媒等として好ましく用いられる。従って、この出願の発明の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体からなる水素化触媒は、ガソリン留分の水素化脱硫処理等に用いられる水素化触媒として極めて好適である。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles having a sharp pore size distribution of the invention of this application can be produced in a large amount by a single adjustment, and metal nanoparticles having catalytic action on porous carbon Can be used as a catalyst. And it is preferably used as a catalyst or the like for which sulfur resistance is required in that the sulfur resistance is remarkably improved as compared with the conventional composite of porous carbon and metal nanoparticles. Therefore, the hydrogenation catalyst comprising the composite of porous carbon and metal nanoparticles according to the invention of this application is extremely suitable as a hydrogenation catalyst used for hydrodesulfurization treatment of gasoline fractions.

また、この出願の発明の複合体は、水素化触媒に限定されることなく、固体高分子型膜燃料電池や、廃水中の有機物を分解するための水処理用触媒などと、広くその利用が期待される。   The composite of the invention of this application is not limited to a hydrogenation catalyst, and is widely used as a polymer electrolyte membrane fuel cell, a water treatment catalyst for decomposing organic substances in wastewater, and the like. Be expected.

以下に実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。   Examples will be shown below, and the embodiment of the invention of this application will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.

実施例
<A> レゾルシノール(R)(和光純薬工業株式会社製)とホルムアルデヒド(F)(和光純薬工業株式会社製)を原料とし、炭酸ナトリウム(C)(和光純薬工業株式会社製)および蒸留水(W)をそれぞれゾル−ゲル反応の触媒および希釈剤として、レゾルシノール・ホルムアルデヒド(RF)水溶液を調製し、25℃で静置してゾル-ゲル反応を進
行させた。レゾルシノールとホルムアルデヒドのモル比(R/F[mol/mol])と、レゾル
シノールと蒸留水の割合(R/W[g/cm3])はそれぞれ0.5および0.25に固定し、
レゾルシノールと炭酸ナトリウムのモル比(R/C[mol/mol])を200とした。
<B> RF水溶液がゲル化するために必要な時間に対して反応開始から8割程度の時間が経過した段階で、RF水溶液を体積比率で5%の界面活性剤(SPAN80)(和光純薬工業株式会社製)を溶解したシクロヘキサン(和光純薬工業株式会社製)中に注入し、60℃において400rpmの速度で撹拌してエマルションを形成させる「逆相乳化重合」
により、多孔質炭素前駆体粒子を合成した。
Example <A> Resorcinol (R) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and formaldehyde (F) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as raw materials, sodium carbonate (C) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) And distilled water (W) as a sol-gel reaction catalyst and diluent, respectively, an aqueous solution of resorcinol-formaldehyde (RF) was prepared and allowed to stand at 25 ° C. to advance the sol-gel reaction. The molar ratio of resorcinol to formaldehyde (R / F [mol / mol]) and the ratio of resorcinol to distilled water (R / W [g / cm 3 ]) are fixed at 0.5 and 0.25, respectively.
The molar ratio of resorcinol to sodium carbonate (R / C [mol / mol]) was 200.
<B> When about 80% of the time required for the RF aqueous solution to gel has elapsed from the start of the reaction, the RF aqueous solution is made up of a 5% by volume surfactant (SPAN80) (Wako Pure Chemical). "Reverse Phase Emulsion Polymerization" in which an emulsion is formed by injecting into dissolved cyclohexane (manufactured by Kogyo Co., Ltd.) and stirring at a rate of 400 rpm at 60 ° C.
Thus, porous carbon precursor particles were synthesized.

得られた多孔質炭素前駆体粒子は、乾燥しないように注意しながら手早くろ過してシクロヘキサンと分離した後、細孔内の水を主成分とする溶媒を置換するため、湿潤ゲル体積の10倍以上のt-ブチルアルコール中に浸漬して撹拌しながら1日洗浄した。この洗浄操作は3回以上繰り返した。   The obtained porous carbon precursor particles are quickly filtered while being careful not to dry, and separated from cyclohexane, and then the solvent containing water as a main component in the pores is replaced with 10 times the wet gel volume. It was immersed in the above t-butyl alcohol and washed for 1 day with stirring. This washing operation was repeated three times or more.

この多孔質炭素前駆体粒子を−30℃で1日おいて凍結させた後、−10℃の減圧下に4日間保持することで細孔内のt-ブチルアルコールを昇華させて除去し、多孔質炭素前駆体粒子aを得た。なお、多孔質炭素前駆体粒子の乾燥は、このような凍結乾燥の手法によるものではない。
<C> 次に、多孔質炭素前駆体粒子aに、金属前駆体水溶液を含浸法により担持させた。即ち、多孔質炭素前駆体粒子2g(乾燥基準)を、白金前駆体[Pt(NH34]Cl2・nH2O(エヌ・イー・ケムキャット株式会社製、白金含有量純度55.07質量%)0.363gを純水2mlに溶解して調製した水溶液に浸漬した。次いでこれを水溶液ごと茄子型フラスコに入れ、エバポレーターを用いて室温にて減圧を開始し、徐々に温度を上げて60℃で2時間保持して水分を蒸発させた後、さらにロータリーポンプを用いて60℃にて高真空引きし、十分に水分を蒸発させた。
<D> 得られた白金前駆体担持多孔質炭素前駆体粒子は、24時間減圧下で保持した後、アルゴン雰囲気中において500℃で熱処理して多孔質炭素前駆体粒子を炭化するとともに、担持された白金前駆体を熱分解した。続いて酸素気流中(12L/min)において200℃で3時間(200℃に達するまでの昇温速度:0.5℃/min)焼成して、シャープな細孔径分布を持つ多孔質炭素(RFカーボンゲル粒子)と金属ナノ微粒子の複合体Aを調製した。
The porous carbon precursor particles were frozen at −30 ° C. for 1 day, and then kept under a reduced pressure of −10 ° C. for 4 days to sublimate and remove t-butyl alcohol in the pores. Carbonaceous precursor particles a were obtained. The drying of the porous carbon precursor particles is not performed by such a freeze-drying method.
<C> Next, an aqueous metal precursor solution was supported on the porous carbon precursor particles a by an impregnation method. That is, 2 g of porous carbon precursor particles (dry basis) was converted into platinum precursor [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 .nH 2 O (manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd., platinum content purity 55.07 mass). %) 0.363 g was dissolved in 2 ml of pure water and immersed in an aqueous solution prepared. Next, this was put together with the aqueous solution into an insulator-type flask, pressure reduction was started at room temperature using an evaporator, the temperature was gradually raised and kept at 60 ° C. for 2 hours to evaporate the water, and further using a rotary pump A high vacuum was drawn at 60 ° C. to sufficiently evaporate water.
<D> The obtained platinum precursor-supporting porous carbon precursor particles are held under reduced pressure for 24 hours, and then heat-treated at 500 ° C. in an argon atmosphere to carbonize the porous carbon precursor particles and be supported. The platinum precursor was pyrolyzed. Subsequently, it is calcined in an oxygen stream (12 L / min) at 200 ° C. for 3 hours (temperature increase rate until reaching 200 ° C .: 0.5 ° C./min) to obtain porous carbon (RF A composite A of carbon gel particles) and metal nanoparticles was prepared.

比較例
<A> 実施例と同様に、レゾルシノール(R)とホルムアルデヒド(F)および炭酸ナトリウム(C)を蒸留水(W)に溶解して、レゾルシノール・ホルムアルデヒド(RF)水溶液を調製し、25℃で静置してゾル−ゲル反応を進行させた。レゾルシノールとホルムアルデヒドのモル比(R/F[mol/mol])と、レゾルシノールと蒸留水の割合(R/W[g/cm3])はそれぞれ0.5および0.25に固定し、レゾルシノールと炭酸ナトリウムのモル比(R/C[mol/mol])を200とした。
<B'> RF水溶液はガラス製のビンバイアル瓶に入れ、空気と接触させないように密
封して1日保持してゲル化させた。得られた多孔質炭素前駆体は、細孔内の水を主成分とする溶媒を置換するため、その体積の10倍以上のt-ブチルアルコール中に浸漬して1日静置し洗浄した。この洗浄操作は3回以上繰り返した。さらに、多孔質炭素前駆体を−30℃で1日保持して細孔内のt-ブチルアルコールを凍結させた後、−10℃減圧下で4日間保持することで細孔内のt-ブチルアルコールを昇華させて除去し、多孔質炭素前駆体bを得た。
<C> 次に多孔質炭素前駆体bに、金属前駆体水溶液を含浸法により担持させた。即ち、多孔質炭素前駆体2gを、白金前駆体[Pt(NH34]Cl2・nH2O(白金含有量純度55.07質量%)0.363gを純水2mlに溶解して調製した水溶液に浸漬した。次いでこれを水溶液ごと茄子型フラスコに入れ、エバポレーターを用いて室温にて減圧を開始し、徐々に温度を上げて60℃で2時間保持して水分を蒸発させた後、さらにロータリーポンプを用いて60℃にて高真空引きし、十分に水分を蒸発させた。
<D> 得られた白金前駆体担持多孔質炭素前駆体は、24時間減圧下で保持した後、アルゴン雰囲気中において500℃で熱処理して多孔質炭素前駆体を炭化するとともに、担持された白金前駆体を熱分解した。続いて酸素気流中(12L/min)において200℃で3時間(200℃に達するまでの昇温速度:0.5℃/min)焼成して、ブロードな細孔径分布を有する多孔質炭素(RFカーボンゲル)と金属ナノ微粒子の複合体Bを調製した。
Comparative Example <A> Resorcinol (R), formaldehyde (F), and sodium carbonate (C) were dissolved in distilled water (W) to prepare a resorcinol-formaldehyde (RF) aqueous solution at 25 ° C. The sol-gel reaction was allowed to proceed by allowing to stand. The molar ratio of resorcinol to formaldehyde (R / F [mol / mol]) and the ratio of resorcinol to distilled water (R / W [g / cm 3 ]) were fixed at 0.5 and 0.25, respectively. The molar ratio of sodium carbonate (R / C [mol / mol]) was 200.
<B ′> The RF aqueous solution was put into a glass bottle vial, sealed so as not to come into contact with air, and kept for 1 day to gel. The obtained porous carbon precursor was immersed in t-butyl alcohol having a volume of 10 times or more of its volume, and left still for one day for washing in order to replace the solvent mainly composed of water in the pores. This washing operation was repeated three times or more. Furthermore, after maintaining the porous carbon precursor at −30 ° C. for 1 day to freeze the t-butyl alcohol in the pores, the porous carbon precursor is maintained at −10 ° C. under reduced pressure for 4 days to thereby maintain the t-butyl in the pores. Alcohol was sublimated and removed to obtain a porous carbon precursor b.
<C> Next, an aqueous metal precursor solution was supported on the porous carbon precursor b by an impregnation method. That is, 2 g of porous carbon precursor was prepared by dissolving 0.363 g of platinum precursor [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 .nH 2 O (platinum content purity 55.07 mass%) in 2 ml of pure water. Soaked in an aqueous solution. Next, this was put together with the aqueous solution into an insulator-type flask, pressure reduction was started at room temperature using an evaporator, the temperature was gradually raised and kept at 60 ° C. for 2 hours to evaporate the water, and further using a rotary pump A high vacuum was drawn at 60 ° C. to sufficiently evaporate water.
<D> The obtained platinum precursor-supporting porous carbon precursor was held under reduced pressure for 24 hours, and then heat treated at 500 ° C. in an argon atmosphere to carbonize the porous carbon precursor, and the supported platinum The precursor was pyrolyzed. Subsequently, it is calcined in an oxygen stream (12 L / min) at 200 ° C. for 3 hours (temperature increase rate until reaching 200 ° C .: 0.5 ° C./min), and porous carbon having a broad pore size distribution (RF Carbon gel) and metal nanoparticle composite B were prepared.

複合体AおよびBの細孔特性の比較
上記の実施例および比較例で得られた複合体AおよびBについて、全自動窒素ガス吸着量測定装置(日本ベル株式会社製)を用いてその細孔特性を求めた。即ち、試料0.05gを専用セルに採取し、250℃において4時間減圧下で前処理して細孔表面への吸着物を予め除去した後、−196℃におけるカーボンゲルへの窒素の吸脱着等温線を測定した。この吸脱着等温線をDollimore-Heal法で解析することで細孔径分布を求めた。図2に複合体AおよびBの細孔径分布を調べた結果をそれぞれ示した。(A)は横軸に細孔直径、縦軸に頻度を示し、(B)は横軸に細孔直径、縦軸に細孔容積の積算値を示した。図2(A)からわかるように、RFカーボンゲルからなる複合体Bは、細孔直径で幅20nm以上の範囲にわたって広く細孔径が分布するブロードな細孔径分布を持つのに対し、RFカーボンゲル粒子からなる複合体Aの細孔径の分布幅は6nm以内であり、シャープな細孔径分布を有することが確認された。
Comparison of pore characteristics of composites A and B About composites A and B obtained in the above examples and comparative examples, the pores were measured using a fully automatic nitrogen gas adsorption amount measuring device (manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.). The characteristics were determined. That is, 0.05 g of a sample was collected in a dedicated cell, pretreated under reduced pressure at 250 ° C. for 4 hours to remove adsorbate on the pore surface in advance, and nitrogen adsorption / desorption on the carbon gel at −196 ° C. The isotherm was measured. The pore size distribution was obtained by analyzing this adsorption / desorption isotherm by the Dollimore-Heal method. FIG. 2 shows the results of examining the pore size distribution of composites A and B, respectively. (A) shows the pore diameter on the horizontal axis, frequency on the vertical axis, and (B) shows the pore diameter on the horizontal axis and the integrated value of the pore volume on the vertical axis. As can be seen from FIG. 2A, the composite B made of RF carbon gel has a broad pore size distribution in which the pore diameter is widely distributed over a range of pore diameters of 20 nm or more, whereas the RF carbon gel The pore width distribution width of the composite A composed of particles was within 6 nm, and it was confirmed that it had a sharp pore size distribution.

また、図2(B)において、複合体Bの全細孔容積の90%以上が分布する領域を確認すると、細孔直径2〜24nmの分布幅20nm以上の広い範囲にわたるのに対し、複合体Aでは細孔直径2〜6nmの狭い範囲にほとんどの細孔容積が集中していることが分かった。このことから複合体Aの細孔径分布は、モノリス状に細孔径が分布している複合体Bに比較して極めてシャープであることが確認できた。   Further, in FIG. 2B, when a region in which 90% or more of the total pore volume of the composite B is distributed is confirmed, the region having a pore diameter of 2 to 24 nm covers a wide range of 20 nm or more. In A, it was found that most of the pore volume was concentrated in a narrow range having a pore diameter of 2 to 6 nm. From this, it was confirmed that the pore size distribution of the composite A was extremely sharp compared to the composite B in which the pore diameter was distributed in a monolithic form.

複合体Aの金属ナノ微粒子のTEM観察
上記の実施例および比較例で得られた複合体Aについて、細孔内に担持した白金微粒子の明視野像および暗視野像を高分解能の透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、その結果を図3に示した。図3からわかるように、複合体Aに担持された白金微粒子は、粒子径が揃っており、多孔質炭素の表面に均一に分散していることが確認された。
TEM Observation of Metal Nanoparticles of Composite A For the composite A obtained in the above examples and comparative examples, a bright-field image and a dark-field image of platinum fine particles supported in the pores are transmitted with a high-resolution transmission electron microscope. (TEM) and the result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 3, it was confirmed that the platinum fine particles supported on the composite A had a uniform particle diameter and were uniformly dispersed on the surface of the porous carbon.

また、撮影したTEM写真を画像処理して白金ナノ微粒子の粒子径分布を求め、多孔質炭素の細孔径分布とあわせて、結果を図4に示した。多孔質炭素の細孔直径分布と、金属ナノ微粒子の粒度分布はほぼ一致しており、多孔質炭素の細孔直径分布に応じて金属ナノ微粒子の粒径が決定されることがわかる。   Further, the photographed TEM photograph was subjected to image processing to determine the particle size distribution of the platinum nanoparticle, and the result is shown in FIG. 4 together with the pore size distribution of the porous carbon. It can be seen that the pore diameter distribution of the porous carbon and the particle size distribution of the metal nanoparticles are almost the same, and the particle diameter of the metal nanoparticles is determined according to the pore diameter distribution of the porous carbon.

複合体AおよびBの金属ナノ微粒子の分散度と耐硫黄性の比較
上記の実施例および比較例で得られた複合体AおよびBに対し、担体表面に担持されている白金の分散度を気体吸着法により求めた。全自動触媒ガス吸着量測定装置(日本ベル株式会社製)を用い、複合体試料0.06gを専用セルに採取し、300℃で1時間水素化還元した後COを化学吸着させ、その吸着量から求められる表面原子数から分散度を求めた。なお、金属ナノ微粒子の分散度は、担持された金属の全原子数に対する表面に露出している原子数の比として定義され、白金原子に対するCO分子の吸着量論比は1とした。
Comparison of degree of dispersion and sulfur resistance of metal nanoparticles of composites A and B With respect to composites A and B obtained in the above examples and comparative examples, the dispersion degree of platinum supported on the surface of the carrier was changed to gas. Determined by adsorption method. Using a fully automatic catalyst gas adsorption amount measuring device (manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.), 0.06 g of the composite sample is collected in a dedicated cell, hydroreduced at 300 ° C. for 1 hour, and then chemically adsorbed CO. The degree of dispersion was determined from the number of surface atoms determined from The degree of dispersion of the metal nanoparticles is defined as the ratio of the number of atoms exposed on the surface to the total number of atoms of the supported metal, and the adsorption ratio of CO molecules to platinum atoms is 1.

また、500ppmの硫化水素の流通下で、280℃において1時間の硫化処理を行った複合体AおよびBについても、同様に金属ナノ微粒子の分散度の測定を行った。   In addition, the dispersion degree of the metal nanoparticles was measured in the same manner for the composites A and B that were subjected to sulfurization treatment at 280 ° C. for 1 hour under the flow of 500 ppm of hydrogen sulfide.

表1に、複合体AおよびBに担持された白金ナノ微粒子の硫化処理前後の金属分散度を示した。   Table 1 shows the metal dispersion degree before and after the sulfiding treatment of the platinum nanoparticles supported on the composites A and B.

シャープな細孔径分布を有する複合体Aに担持された白金ナノ微粒子の方が金属分散度が7.0%と大きく、粒径に換算すると6.9nmであった。一方、ブロードな細孔径分布を有する複合体Bに担持された白金ナノ微粒子の金属分散度は5.3%と比較的小さく、粒径に換算して9.3nmであった。   The platinum nanoparticle carried on the composite A having a sharp pore size distribution had a metal dispersion degree as large as 7.0%, which was 6.9 nm in terms of particle size. On the other hand, the metal dispersity of the platinum nanoparticles supported on the composite B having a broad pore size distribution was relatively small at 5.3%, which was 9.3 nm in terms of particle size.

これらの結果から、この出願の発明の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体には、シャープな細孔径分布を有し、かつ金属ナノ微粒子がより小さい粒径で担持されていることが示された。   From these results, it is shown that the composite of porous carbon and metal nanoparticles of the invention of this application has a sharp pore size distribution and the metal nanoparticles are supported with a smaller particle size. It was.

また、硫化処理後に複合体Bの金属分散度は0.6%に減少する。これは担持された白金ナノ微粒子の表面が90%以上硫化されたことを意味する。一方、複合体Aの場合は硫化処理後の金属分散度が1.9%であり、硫化処理前に比較して27%以上の金属表面が硫化されずに維持されていることになる。このことから、この出願の発明のシャープな細孔径分布を有する多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体は、硫化水素に対する耐性が高いことが確認できた。   Further, the metal dispersion degree of the composite B is reduced to 0.6% after the sulfidation treatment. This means that 90% or more of the surface of the supported platinum nanoparticle was sulfided. On the other hand, in the case of the composite A, the metal dispersion after the sulfidation treatment is 1.9%, and 27% or more of the metal surface is maintained without being sulfidized as compared with that before the sulfidation treatment. From this, it was confirmed that the composite of porous carbon and metal nanoparticles having a sharp pore size distribution of the invention of this application has high resistance to hydrogen sulfide.

複合体AおよびBの残留塩素について
複合体AおよびBの原料に含まれる塩素は触媒活性に悪影響を与えるため、最後の熱処理により分解されていることが望ましい。このため、X線分析装置(堀場製作所製)を用い、熱処理前後の複合体AおよびBの熱処理前後の組成分析を行った。その結果、熱処理前には白金前駆体由来の塩素のピークが検出されているが、熱処理後には塩素は検出されていないため、塩素がほぼ完全に分解されていることが確認できた。
Regarding the residual chlorine of the composites A and B, the chlorine contained in the raw materials of the composites A and B adversely affects the catalytic activity, so it is desirable that the residual chlorine is decomposed by the final heat treatment. For this reason, the composition analysis before and behind heat processing of the composites A and B before and after heat processing was performed using the X-ray analyzer (made by Horiba Seisakusho). As a result, the peak of chlorine derived from the platinum precursor was detected before the heat treatment, but no chlorine was detected after the heat treatment, so it was confirmed that the chlorine was almost completely decomposed.

この出願の発明のシャープな細孔径分布を有する多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体の基本的な構造を模式的に例示した図である。It is the figure which illustrated typically the basic structure of the composite_body | complex of the porous carbon which has sharp pore diameter distribution of this invention, and a metal nanoparticle. 実施例において作製した複合体AおよびBの細孔径分布を例示した図である。It is the figure which illustrated pore diameter distribution of the composites A and B produced in the Example. 実施例において作製した複合体AのTEM観察結果を例示した図である。It is the figure which illustrated the TEM observation result of the composite A produced in the Example. 複合体Aにおける白金ナノ微粒子の粒子径分布と多孔質炭素の細孔径分布と例示した図である。It is the figure which illustrated the particle diameter distribution of the platinum nanoparticle in the composite A, and the pore diameter distribution of porous carbon.

符号の説明Explanation of symbols

1 多孔質炭素
2 一次粒子
3 ナノ金属微粒子

1 Porous carbon 2 Primary particles 3 Nano metal fine particles

Claims (17)

全細孔容積の90%以上の細孔の径が、2〜20nmの範囲でかつ分布幅6nmの範囲に属する、シャープな細孔径分布を有している多孔質炭素に、金属ナノ微粒子が担持されていることを特徴とする多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   Metal nanoparticles are supported on porous carbon having a sharp pore size distribution in which the pore diameter of 90% or more of the total pore volume is in the range of 2 to 20 nm and the distribution width is 6 nm. A composite of porous carbon and metal nanoparticles, characterized in that 前記多孔質炭素は、全細孔容積の90%以上の細孔の径が、3〜10nmの範囲で、かつ分布幅6nmの範囲に属する、シャープな細孔径分布を有することを特徴とする請求項に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。 The porous carbon has a sharp pore size distribution in which a pore diameter of 90% or more of the total pore volume falls within a range of 3 to 10 nm and a distribution width of 6 nm. Item 2. A composite of porous carbon and metal nanoparticles according to Item 1 . 前記多孔質炭素が、球形もしくは略球形であることを特徴とする請求項1又は2に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein the porous carbon is spherical or substantially spherical. 前記多孔質炭素の粒径が、50nm〜2mmであることを特徴とする請求項1ないし3いずれかに記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   4. The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 1, wherein the porous carbon has a particle size of 50 nm to 2 mm. 前記多孔質炭素の粒径が、100nm〜1mmであることを特徴とする請求項4に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   5. The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 4, wherein a particle size of the porous carbon is 100 nm to 1 mm. 前記金属ナノ微粒子が、周期表の8族元素もしくは6A族元素のうちのいずれか1種、または2種以上の金属のナノ微粒子の組み合わせであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   6. The metal nanoparticle according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal nanoparticle is any one of group 8 element or group 6A element of the periodic table, or a combination of two or more metal nanoparticles. A composite of porous carbon and metal nanoparticles as described in 1. 前記金属ナノ微粒子が、8族元素のうちのいずれか1種の金属のナノ微粒子であることを特徴とする請求項6に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 6, wherein the metal nanoparticles are nanoparticles of any one of the group 8 elements. 前記金属ナノ微粒子は、前記多孔質炭素の細孔内表面に、該細孔と同程度の大きさのものが担持されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   The porous metal according to any one of claims 1 to 7, wherein the metal nano-particles are supported on the inner surface of the pores of the porous carbon in the same size as the pores. Of carbonaceous and metal nanoparticles. 前記金属ナノ微粒子の粒径が、2〜20nmであることを特徴とする請求項に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。 2. The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 1 , wherein a particle diameter of the metal nanoparticles is 2 to 20 nm. 前記金属ナノ微粒子の粒径が、3〜10nmであることを特徴とする請求項に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。 The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 2 , wherein the metal nanoparticles have a particle size of 3 to 10 nm. 前記金属ナノ微粒子の多孔質炭素への担持率が、0.5〜50質量%であることを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to any one of claims 1 to 10, wherein a loading ratio of the metal nanoparticles to the porous carbon is 0.5 to 50% by mass. 前記金属ナノ微粒子の多孔質炭素への担持率が、1.0〜30質量%である請求項11に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 11, wherein the loading ratio of the metal nanoparticles to the porous carbon is 1.0 to 30% by mass. フェノール類、アルデヒド類および逆相乳化重合用触媒を含む水溶液をゾル−ゲル重合反応させ、そのゾル−ゲル重合反応の進行中の水溶液を界面活性剤が添加された有機溶媒中に分散して逆相乳化重合させて多孔質炭素前駆体を生成させ、前記多孔質炭素前駆体から有機溶媒を除去した後、金属前駆体溶液に含浸させて多孔質炭素前駆体に金属を担持させ、前記溶液を除去し、ついで金属を担持した多孔質炭素前駆体を熱処理することにより得られる粒子状組成物であることを特徴とする請求項1に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   An aqueous solution containing phenols, aldehydes, and a catalyst for reverse-phase emulsion polymerization is subjected to a sol-gel polymerization reaction, and the aqueous solution in progress of the sol-gel polymerization reaction is dispersed in an organic solvent to which a surfactant is added and reversed. A porous carbon precursor is produced by phase emulsion polymerization, and after removing the organic solvent from the porous carbon precursor, the metal precursor solution is impregnated to support the metal on the porous carbon precursor. The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 1, which is a particulate composition obtained by removing and then heat-treating a porous carbon precursor carrying a metal. 前記金属前駆体が、前記金属のアンミン錯体、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩、塩化物のいずれかであることを特徴とする請求項13に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 13, wherein the metal precursor is any one of the metal ammine complex, nitrate, acetate, sulfate, and chloride. 前記金属前駆体が、前記金属のアンミン錯体、硝酸塩、塩化物のうちのいずれかであることを特徴とする請求項14に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to claim 14, wherein the metal precursor is any one of the metal ammine complex, nitrate, and chloride. 前記金属を担持した多孔質炭素前駆体を不活性雰囲気中で熱処理することにより、多孔質炭素の細孔の内表面に金属ナノ微粒子が形成されていることを特徴とする請求項13ないし15のいずれかに記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。   16. The metal nano-particles are formed on the inner surfaces of the pores of the porous carbon by heat-treating the porous carbon precursor supporting the metal in an inert atmosphere. A composite of porous carbon and metal nanoparticles according to any one of the above. 前記熱処理温度が400〜700℃であることを特徴とする請求項13ないし16のいずれか1項に記載の多孔質炭素と金属ナノ微粒子の複合体。The composite of porous carbon and metal nanoparticles according to any one of claims 13 to 16, wherein the heat treatment temperature is 400 to 700 ° C.
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