JP4803767B2 - 複合粒子担持物、該複合粒子担持物の製造方法、及び該複合粒子担持物を化学合成用の触媒として用いた化合物の製造方法 - Google Patents
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Description
上記(1)のように、高酸化状態の過酸化ニッケルは、酸化ニッケルに比べて酸化力が高く、化学量論的に種々のアルコール類を酸化できることは古くから知られていた。このような過酸化ニッケルは、純粋なもの及び無水物は得られておらず、またその構造も不明瞭な点も多く、酸素を吸着した酸化ニッケル(2価)であるとも言われる。しかし、過酸化ニッケルは化学量論的な酸化剤として極めて有用であることから、酸素分子を酸化剤に用いて触媒的に活性な酸化活性種を発生させることができれば、多くの有機基質の酸素酸化に適用することが可能になる。
近年、ニッケル系触媒の様々な修飾や改良により、触媒的なアルコールの酸素酸化反応が実現されている。上記(2)、(3)のニッケル−ハイドロタルサイト系触媒は、Niと異種金属元素(Al,Mg等)との複合化を行うことによって、酸素分子の高効率的な活性化を実現し、不均一系のニッケル触媒による酸素酸化が達成された。これらの触媒においては、Niと異種金属元素との複合化によってNiが酸素の活性化サイトとして機能するようになり、Ni上で反応活性種となるペルオキソ種が生成すると考えられている。また、上記(4)の過酸化ニッケルを用いる方法においては、過酸化ニッケルをナノ粒子化することによって触媒的に反応が進行するようになることが報告されている。
化学工業界では、ニッケル及びニッケル化合物は、これらアルコールの酸化反応に限らず、種々の酸化反応、還元反応、水素化反応等の様々な反応に、また、自動車排ガスの浄化触媒や光触媒等に広く有効であることが示されている。
本発明者らは、工業プロセスとしての実用化を前提に、本願発明の酸化状態のニッケルとX(Xはニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、金、銀及び銅からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す)とから構成される複合粒子を担体に担持した担持物につき鋭意検討した。その結果、化学合成用の触媒として用いた場合、担体内部まで均一に複合粒子が担持された担持物では、反応原料、反応生成物の拡散が担体内部の細孔の抵抗によって妨げられるため、担体内部に担持された複合粒子は有効に利用されず、反応活性の観点から必ずしも満足のいく触媒が得られないことが明らかになった。また、担体粒子の外表面に担持された複合粒子は、反応の種類、反応装置のタイプ等によって、反応副生物の吸着や被毒物質の蓄積等により活性点が覆われ失活する問題、或いは、担体粒子同士の衝突や反応器壁面等との衝突による磨耗によって複合粒子が担体から脱落して触媒が失活するという問題が生じることが判明した。
[1]
酸化状態のニッケルと、X(Xはパラジウム、白金、ルテニウム、金及び銀からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す)と、から構成される複合粒子と、
前記複合粒子を担持する担体と、を含む複合粒子担持物であって、
前記複合粒子が局在した担持層を有する複合粒子担持物。
[2]
前記複合粒子が局在した担持層が、前記複合粒子担持物の表面から前記複合粒子担持物の相当直径の40%までの領域に存在する、上記[1]記載の複合粒子担持物。
[3]
前記複合粒子担持物の相当直径が200μm超であり、前記複合粒子が局在した担持層が、複合粒子担持物の外表面から80μmまでの領域に存在する、上記[1]又は[2]に記載の複合粒子担持物。
[4]
前記複合粒子担持物の相当直径が200μm以下であり、前記複合粒子が局在した担持層が、前記複合粒子担持物の表面から前記複合粒子担持物の相当直径の30%までの領域に存在する、上記[1]又は[2]に記載の複合粒子担持物。
[5]
前記複合粒子が局在した担持層の外側に、実質的に複合粒子を含まない外部層を有する、上記[1]〜[4]のいずれかに記載の複合粒子担持物。
[6]
前記外部層は、前記担体の外表面から0.01〜15μmの厚みで形成されている、上記[5]に記載の複合粒子担持物。
[7]
前記複合粒子は、平均粒子径が2〜10nmである、上記[1]〜[6]のいずれかに記載の複合粒子担持物。
[8]
前記複合粒子におけるニッケルとXの組成比は、Ni/X原子比で0.1〜10である、上記[1]〜[7]のいずれかに記載の複合粒子担持物。
[9]
前記複合粒子がXからなる核を有し、前記核が酸化状態のニッケルで被覆されている、上記[1]〜[8]のいずれかに記載の複合粒子担持物。
[10]
前記担体は、シリカ及びアルミナを含むアルミニウム含有シリカ系組成物からなる担体である、上記[1]〜[9]のいずれかに記載の複合粒子担持物。
[11]
アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属からなる群から選ばれる少なくとも1種の塩基性金属の酸化物を担持した担体を含む水スラリーと、ニッケル及びX(Xはパラジウム、白金、ルテニウム、金及び銀からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す)を含む可溶性金属塩の酸性水溶液とを混合して、温度が60℃以上の混合物を得る第1工程と、
前記混合物に含まれる前駆体を加熱処理する第2工程と、
を含む、酸化状態のニッケルとXとから構成される複合粒子が担体に担持された複合粒子担持物を製造する方法。
[12]
前記水スラリーが、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属からなる群から選ばれる少なくとも1種の塩基性金属塩をさらに含有する、上記[11]に記載の複合粒子担持物の製造方法。
[13]
前記水スラリーが、可溶性アルミニウム塩をさらに含有する、上記[11]又は[12]に記載の複合粒子担持物の製造方法。
[14]
上記[1]〜[10]のいずれかに記載の複合粒子担持物を触媒として用い、酸素の存在下でアルデヒドとアルコールとを反応させる、カルボン酸エステルの製造方法。
[15]
前記アルデヒドが、アクロレイン、メタクロレイン又はこれらの混合物から選ばれる、上記[14]に記載のカルボン酸エステルの製造方法。
[16]
前記アルコールがメタノールである、上記[14]又は[15]に記載のカルボン酸エステルの製造方法。
本実施の形態の複合粒子担持物は、酸化状態のニッケルと、X(Xはニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、金、銀及び銅からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す)と、から構成される複合粒子と、前記複合粒子を担持する担体と、を含み、前記複合粒子が局在した担持層を有する。
酸化状態のニッケルとしては、好ましくはニッケルと酸素とが結合して生成するニッケル酸化物(例えば、Ni2O,NiO,NiO2,Ni3O4,Ni2O3)、或いはニッケルとX及び/又は1種以上の他の金属元素と酸素とが結合して生成するニッケルの酸化化合物若しくは固溶体又はこれらの混合物等のニッケルが含まれる複合酸化物である。
複合粒子の平均粒子径が上記範囲内であると、ニッケルとXとからなる特定の活性種構造が形成され、反応活性が向上する傾向にある。ここで、本実施の形態における平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)により測定された数平均粒子径を意味する。具体的には、透過型電子顕微鏡で観察される画像において、黒いコントラストの部分が複合粒子であり、各粒子の直径を全て測定してその数平均を算出することができる。
シリカ及びアルミナを含むアルミニウム含有シリカ系組成物からなる担体の調製方法としては、特に限定はされず、例えば、以下の(1)〜(5)の方法により得られるアルミニウム含有シリカ組成物を、後述する条件で焼成することにより調製することができる。
(1)市販のシリカ−アルミナ組成物を用いる。
(2)シリカゾルとアルミニウム化合物溶液とを反応させる。
(3)シリカゾルと、水に不溶なアルミニウム化合物とを反応させる。
(4)シリカゲルと、水溶性アルミニウム化合物の水溶液とを反応させる。
(5)シリカゲルと、アルミニウム化合物とを固相反応させる。
上記(2)〜(5)の方法においては、シリカ源として、シリカゾル又はシリカゲルを用いる。シリカゲルとしてはAlと反応する未架橋Si部位を有していればよく、Si−O鎖の長さについては特に制約はない。アルミニウム化合物は、アルミン酸ソーダ、塩化アルミニウム六水和物、過塩素酸アルミニウム六水和物、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム九水和物、二酢酸アルミニウム等の水溶性化合物等が好ましいが、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム等の水に不溶な化合物でもシリカゾル、シリカゲル中の未架橋Siと反応する化合物であれば用いることが可能である。
本実施の形態の複合粒子担持物の調製方法としては、上記のような担持物が得られる限り特に限定されない。以下、本実施の形態の複合粒子担持物の代表的な調製法について説明する。
第2工程の加熱処理に先立ち、複合粒子担持物の前駆体を必要に応じて水洗、乾燥する。前駆体の加熱温度は、通常40〜900℃、好ましくは80〜800℃、より好ましくは200〜700℃、さらに好ましくは300〜600℃である。
本実施の形態の複合粒子担持物は、広く化学合成用の触媒として使用することができる。例えば、アルデヒドとアルコールとの間のカルボン酸エステル生成反応、アルコール類からのカルボン酸エステル生成反応、アルカンの酸化反応、アルコールの酸化反応、アルデヒドの酸化反応、オレフィンの酸化反応、オレフィンのエポキシ化反応、オレフィンの酸化的付加反応、アミンの酸化反応、オレフィンの水素化反応、α、β不飽和ケトンの水素化反応、水素と酸素からの過酸化水素生成反応、一酸化炭素の酸化反応、NOxの還元等の反応の触媒、或いは光触媒として利用することができる。
得られた複合粒子担持物を樹脂に包埋し研磨して得た試料を、島津製作所社製1600型X線マイクロプローブ(EPMA)を用い、加速電圧15kVで測定した。反射電子像、線分析(Ni:波長 14.5829、分光結晶 RAP; X(Au):波長 5.8419、分光結晶 PET)からNi及びX(Au)の外表面からの深さ方向の解析を行った。
日立製作所社製X−650走査型電子顕微鏡装置(SEM)を用いて、担体及び複合粒子担持物を観察した。
ベックマン・コールター社製LS230型レーザー回折・散乱法粒度分布測定装置を用いて、平均粒子径(体積基準)を測定した。
複合粒子担持物中のニッケル及びXの濃度は、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製 IRIS IntrepidII XDL型ICP発光分析装置(ICP−AES,MS)を用いて定量した。
試料の調製は、担持物をテフロン製分解容器に秤取り、硝酸及びフッ化水素を加えて、マイルストーンゼネラル社製ETHOS TC型マイクロウェーブ分解装置にて加熱分解後、ヒーター上で蒸発乾固し、次いで析出した残留物に硝酸及び塩酸を加えてマイクロウェーブ分解装置にて加圧分解し、得られた分解液を純粋で一定容したものを検液とした。
定量方法はICP−AESにて内標準法で定量を行い、同時に実施した操作ブランク値を差し引いて触媒中のニッケル及びX含有量を求め、担持量と原子比を算出した。
担体を王水で溶解させた試料と、アルカリ溶融塩で溶解させた試料を調製した。セイコー電子工業社製JY−38P2型ICP発光分析装置(ICP−AES)を使用し、王水で溶解させた試料で塩基性金属及び/又はMgの含有量を測定し、アルカリ溶融塩で溶解させた試料でAl、Siの含有量を測定し、得られた金属含有量から原子比を算出した。
リガク社製Rint2500型粉末X線回折装置(XRD)を用い、X線源Cu管球(40kV,200mA)、測定範囲5〜65deg(0.02deg/step)、測定速度0.2deg/min、スリット幅(散乱、発散、受光)1deg,1deg,0.15mmの条件で行った。
試料は、無反射試料板上に均一散布し、ネオプレンゴムで固定する手法を採用した。
サーモエレクトロン社製ESCALAB250型X線光電子分光装置(XPS)を用い、励起源AlKα 15kV×10mA、分析面積 約1mm(形状:楕円)取込領域:サーベイスキャン 0〜1,100eV、ナロースキャンNi2pの条件で行った。
測定試料は、複合粒子担持物をメノウ乳鉢ですりつぶし、粉体専用試料台にて採取してXPS測定に供した。
NiKαスペクトルをTechnos社製XFRA190型二結晶型高分解能蛍光X線分析装置(HRXRF)で測定し、得られた各種パラメーターを標準物質(ニッケル金属、酸化ニッケル)のそれらと比較し、担持物中ニッケルの価数等の化学状態を推測した。
測定試料はそのままの状態で測定に供した。NiのKαスペクトルの測定は、部分スペクトルモードで行った。この際、分光結晶にはGe(220)、スリットは縦発散角1°のものを使用し、励起電圧と電流はそれぞれ35kVと80mAに設定した。その上で、標準試料ではアブソーバとしてろ紙を使用し、担持物試料では計数時間を試料毎に選択してKαスペクトルのピーク強度が3,000cps以下、10,000counts以上になるように測定した。それぞれの試料で5回測定を繰り返し、その繰り返し測定前後に金属試料の測定を行った。実測スペクトルを平滑化処理(S−G法7点―5回)後、ピーク位置、半値幅(FWHM)、非対称性係数(AI)を算出し、ピーク位置は試料の測定前後に測定した金属試料の測定値からのズレ、化学シフト(ΔE)として取り扱った。
JEOL社製3100FEF型透過型電子顕微鏡/走査透過電子顕微鏡装置(TEM/STEM)[加速電圧300kV,エネルギー分散型X線検出器(EDX)付属]を用いて、TEM明視野像、STEM暗視野像、STEM−EDS組成分析(点分析、マッピング、ライン分析)を測定した。
データ解析ソフトは、TEM像、STEM像解析(長さ測定、フーリエ変換解析):DigitalMicrographTM Ver.1.70.16,Gatan、EDSデータ解析(マッピング画像処理、組成定量計算):NORAN System SIX ver.2.0,Thermo Fisher Scientificを用いた。
測定試料は、複合粒子担持物を乳鉢で破砕後、エタノールに分散させ、超音波洗浄を約1分間行った後、Mo製マイクログリット上に滴下・風間し、TEM/STEM観察用試料とした。
日本分光社製V−550型紫外可視分光光度計(UV−Vis)[積分球ユニット、粉末試料用ホルダ付属]を用い、測定範囲800−200nm、走査速度400nm/minで行った。
測定試料は、複合粒子担持物をメノウ乳鉢ですりつぶし、粉末試料用ホルダに設置してUV−Vis測定に供した。
ユアサ・アイオニクス社製オートソーブ3MP装置により、吸着ガスとして窒素を用いて測定した(窒素吸着法)。比表面積はBET法、細孔径並びに細孔分布はBJH法、細孔容積はP/P0,Maxでの吸着量を採用した。
硝酸アルミニウム9水和物3.75kg、硝酸マグネシウム2.56kg、60%硝酸540gを純水5.0Lに溶解した水溶液を15℃に保持した攪拌状態のコロイド粒子径10〜20nmのシリカゾル溶液(日産化学社製、スノーテックスN−30、SiO2含有量30質量%)20.0kg中へ徐々に滴下し、シリカゾル、硝酸アルミニウム、硝酸マグネシウムの混合スラリーを得た。その後、混合スラリーを50℃で24時間保持し熟成させた。室温に冷却した後、出口温度130℃に設定したスプレードライヤー装置で噴霧乾燥し固形物を得た。
次いで、得られた固形物を上部が開放したステンレス製容器に厚さ約1cm程充填し、電気炉で室温から300℃まで2時間かけ昇温後3時間保持した。さらに600℃まで2時間で昇温後3時間保持した後徐冷し、担体を得た。得られた担体は、ケイ素、アルミニウム及びマグネシウムの合計モル量に対し、ケイ素、アルミニウム及びマグネシウムをそれぞれ83.3モル%、8.3モル%、8.3モル%含んでいた。窒素吸着法による比表面積は149m2/g、細孔容積は0.27mL/g、平均細孔径は8nmであった。担体の平均粒子径は、レーザー・散乱法粒度分布測定による結果から、60μmであった。また、走査型電子顕微鏡(SEM)による観察から、担体の形状はほぼ球状であった。
担体製造参考例で得られた担体300gを90℃に加温した1.0Lの水に分散させ、90℃で15分攪拌した。次に硝酸ニッケル6水塩16.35gと1.3mol/Lの塩化金酸水溶液12mLを含む水溶液を調製し、90℃に加温したものを上記担体スラリーに添加し、90℃でさらに30分攪拌を続け、ニッケルと金成分を担体上に不溶固定化させた。
次いで、静置して上澄みを除去し、蒸留水で数回洗浄した後、濾過した。これを乾燥機により105℃で10時間乾燥した後、マッフル炉で空気中450℃で5時間焼成することにより、ニッケル1.05質量%、金0.91質量%担持した複合粒子担持物(NiOAu/SiO2−Al2O3−MgO)を得た。得られた担持物のNi/(Ni+Au)原子比は0.80であった。
得られた複合粒子担持物を樹脂に包埋して研磨して得た試料をX線マイクロプローブ(EPMA)を用い、粒子断面の線分析に付した。結果を図1に示す。図1から明らかなように、担体の最外表面から0.5μmの深さの領域にはニッケル及び金を実質的に含まない外部層を有し、表面から10μmまでの深さの領域にニッケル及び金が担持され、担体内部には複合粒子は存在していないことが確認された。
次に、上記複合粒子担持物の形態を透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)で観察したところ、粒子2〜3nmに極大分布(数平均粒子径:3.0nm)を持つ球状のナノ粒子が担体に担持されていることが確認された。ナノ粒子をさらに拡大して観察すると、ナノ粒子にはAu(111)の面間隔と対応する格子縞が観察された。個々のナノ粒子に対してSTEM−EDSによる組成点分析を行ったところ、いずれの粒子にもニッケルと金が検出された。そのナノ粒子のニッケル/金原子比の平均値(算出個数:50)は1.05であった。さらに観察された粒子のナノ領域分析を行ったところ、粒子中央部のNi/Au原子比は0.90、粒子エッジ部が2.56であった。粒子以外の部分ではニッケルのみが微量に検出された。同様の測定を50点行った結果、いずれの粒子もエッジ部周辺においてニッケルが多く検出された。EDS元素マッピングからは、ニッケルと金の分布はほぼ一致していることが観察された。また、組成のラインプロファイルからは、いずれの走査方向においても、金の分布より一回り大きくニッケルが分布していた。
粉末X線回折(XRD)の結果から、ニッケルに由来する回折パターンは観測されず、非晶質の状態で存在していることが確認された。一方、明瞭なピークとは言えないものの、金の結晶に相当するブロードなピークが存在した。粉末X線回折の検出限界(2nm)に近い値ではあるものの、その平均結晶子径をScherrerの式より算出すると3nm程度であった。ニッケルの化学状態については、X線光電子分光法(XPS)の結果から、ニッケルは2価であることが確認された。
二結晶型高分解能蛍光X線分析法(HRXRF)の結果から、ニッケルの化学状態は、ニッケルのハイスピン2価と推測され、NiKαスペクトルの相違から単一化合物である酸化ニッケルとは異なる化学状態であることが判明した。実測スペクトルから得られた触媒のNiKαスペクトルの半値幅(FWHM)は3.470、化学シフト(ΔE)は0.335であった。標準物質として測定した酸化ニッケルのNiKαスペクトルの半値幅(FWHM)は3.249、化学シフト(ΔE)は0.344であった。
また、この複合粒子担持物の電子励起状態の変化を紫外可視分光法(UV−Vis)で調べた結果、530nm近傍の金ナノ粒子に由来する表面プラズモン吸収ピークは現れず、200〜800nm波長域にNiO2起因のブロードな吸収が認められた。
以上の結果から、複合粒子の微細構造は、金ナノ粒子の表面が酸化状態のニッケルで覆われた形態を有していることが推測される。
塩化マグネシウム2.90gを溶解した水溶液1.0Lを80℃に加温、攪拌し、担体製造参考例で得られた担体300gを投入し、80℃でさらに15分攪拌した。次に硝酸ニッケル6水塩37.16gと2.0mol/Lの塩化パラジウム水溶液35mLを含む水溶液を調製し、80℃に加温したものを上記担体スラリーに添加し、80℃でさらに30分攪拌を続け、ニッケルとパラジウム成分を担体上に不溶固定化させた。
次いで、静置して上澄みを除去し、蒸留水で数回洗浄した後、濾過した。これを105℃で10時間乾燥した後、空気中500℃で5時間焼成した。次いで、得られた担持物を水素雰囲気中で室温、2時間の還元処理を行うことにより、ニッケル2.48質量%、パラジウム2.30質量%担持した複合粒子担持物(NiOPd/γ−アルミナ)を得た。得られた担持物のNi/(Ni+Pd)原子比は0.66であった。
得られた複合粒子担持物を樹脂に包埋して研磨して得た試料をX線マイクロプローブ(EPMA)を用い、粒子断面の線分析に付した。結果を図2に示す。図2から明らかなように、担体表面から17μmまでの深さの領域にニッケル及びパラジウムが担持され、内部には存在していないことを確認した。
次に、上記複合粒子担持物の粉末X線回折(XRD)の結果から、ニッケルに由来する回折パターンは観測されず、非晶質の状態で存在していることが確認された。一方、明瞭なピークとは言えないものの、パラジウムの結晶に相当するブロードなピークが存在した。その平均結晶子径をScherrerの式より算出すると5nm程度であった。Niの化学状態については、X線光電子分光法(XPS)の結果より、2価であることを確認した。
また、この担持物の活性種の形態を透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)で観察したところ、粒子4〜5nmに極大分布(数平均粒子径:4.8nm)を持つナノ粒子が担体に担持されていることが確認された。付属のエネルギー分散型X線検出器(EDX)により、観察されたナノ粒子1個ごとに元素分析(20点)を行い、いずれの粒子にもニッケルとパラジウムが含まれることを確認した。この複合粒子のニッケル/パラジウム原子比(平均値)は0.8であった。
硝酸アルミニウム9水和物3.66gを溶解した水溶液1.0Lを80℃に加温、攪拌し、担体製造参考例で得られた担体300gを投入し、80℃でさらに10分攪拌した。次に、硝酸ニッケル6水塩25.78gと1.3mol/Lの塩化金酸水溶液37mLを含む水溶液を調製し、80℃に加温したものを上記担体スラリーに添加し、80℃でさらに15分攪拌を続け、ニッケルと金成分を担体上に不溶固定化させた。
次いで、静置して上澄みを除去し、蒸留水で数回洗浄した後、濾過した。これを105℃で10時間乾燥した後、空気中400℃で5時間焼成することにより、ニッケル2.20質量%、金1.96質量%担持した複合粒子担持物(NiOAu/SiO2−Al2O3−MgO)を得た。得られた担持物のNi/(Ni+Au)原子比は0.79であった。
得られた複合粒子担持物を樹脂に包埋して研磨して得た試料をX線マイクロプローブ(EPMA)を用い、粒子断面の線分析に付した。その結果、担体の最外表面から2.0μmの深さの領域にはニッケル及び金を実質的に含まない外部層を有し、表面から15μmまでの深さの領域にニッケル及び金が担持され、内部には存在していないことを確認した。
次に、上記複合粒子担持物の粉末X線回折(XRD)の結果から、ニッケルに由来する回折パターンは観測されず、非晶質の状態で存在していることが確認された。一方、明瞭なピークとは言えないものの、金の結晶に相当するブロードなピークが存在した。その平均結晶子径をScherrerの式より算出すると4nm程度であった。Niの化学状態については、X線光電子分光法(XPS)の結果より、2価であることを確認した。
また、この担持物の活性種の形態を透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)で観察したところ、粒子3〜4nmに極大分布(数平均粒子径:3.8nm)を持つナノ粒子が担体に担持されていることが確認された。付属のエネルギー分散型X線検出器(EDX)により、観察されたナノ粒子1個ごとに元素分析(20点)を行い、いずれの粒子にもニッケルと金が含まれることを確認した。この複合粒子のニッケル/金原子比(平均値)は1.10であった。
担体を熟成せずに、担体スラリーとニッケル及び金が含まれる水溶液とを60℃で15分攪拌した以外は実施例1と同様の方法で調製することにより、ニッケル1.02質量%、金0.89質量%担持した複合粒子担持物(NiOAu/SiO2−Al2O3−MgO)を得た。得られた担持物のNi/(Ni+Au)原子比は0.79であった。
得られた複合粒子担持物を樹脂に包埋して研磨して得た試料をX線マイクロプローブ(EPMA)を用い、粒子断面の線分析に付した。その結果、担体表面から25μmまでの深さの領域にニッケル及び金が担持され、内部には存在していないことを確認した。
次に、上記複合粒子担持物の粉末X線回折(XRD)の結果から、ニッケルに由来する回折パターンは観測されず、非晶質の状態で存在していることが確認された。一方、明瞭なピークとは言えないものの、金の結晶に相当するブロードなピークが存在した。その平均結晶子径をScherrerの式より算出すると3nm程度であった。Niの化学状態については、X線光電子分光法(XPS)の結果より、2価であることを確認した。
また、この複合粒子担持物の活性種の形態を透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)で観察したところ、粒子3〜4nmに極大分布(数平均粒子径:3.5nm)を持つナノ粒子が担体に担持されていることが確認された。付属のエネルギー分散型X線検出器(EDX)により、観察されたナノ粒子1個ごとに元素分析(20点)を行い、いずれの粒子にもニッケルと金が含まれることを確認した。この複合粒子のニッケル/金原子比(平均値)は1.02であった。
市販のシリカ(富士シリシア化学製、キャリアクトQ−10、粒子径:150μm)に4質量%のランタンを含浸後、600℃で5時間空気中で焼成した。次に、硝酸アルミニウム9水和物8.91gを溶解した水溶液1.0Lを70℃に加温、攪拌し、上記シリカ担体300gを投入し、70℃でさらに30分攪拌した。次いで、硝酸ニッケル6水塩17.84gと1.3mol/Lの塩化金酸水溶液14mLを含む水溶液を調製し、70℃に加温したものを上記担体スラリーに添加し、70℃でさらに30分攪拌を続け、ニッケルと金成分を担体上に不溶固定化させた。
次いで、静置して上澄みを除去し、蒸留水で数回洗浄した後、濾過した。これを105℃で10時間乾燥した後、空気中550℃で3時間焼成することにより、ニッケル1.10質量%、金1.02質量%担持した複合粒子担持物(NiOAu/SiO2−La2O3)を得た。得られた担持物のNi/(Ni+Au)原子比は0.78であった。
得られた複合粒子担持物を樹脂に包埋して研磨して得た試料をX線マイクロプローブ(EPMA)を用い、粒子断面の線分析に付した。その結果、担体の最外表面から5.0μmの深さの領域にはニッケル及び金を実質的に含まない外部層を有し、表面から30μmまでの深さの領域にニッケル及び金が担持され、内部には存在していないことが確認された。
次に、上記複合粒子担持物の粉末X線回折(XRD)の結果から、ニッケルに由来する回折パターンは観測されず、非晶質の状態で存在していることが確認された。一方、明瞭なピークとは言えないものの、金の結晶に相当するブロードなピークが存在した。粉末X線回折の検出限界(2nm)に近い値ではあるものの、その平均結晶子径をScherrerの式より算出すると3nm程度であった。Niの化学状態については、X線光電子分光法(XPS)の結果より、2価であることを確認した。
また、この担持物の活性種の形態を透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)で観察したところ、粒子2〜3nmに極大分布(数平均粒子径:3.2nm)を持つナノ粒子が担体に担持されていることが確認された。付属のエネルギー分散型X線検出器(EDX)により、観察されたナノ粒子1個ごとに元素分析(20点)を行い、いずれの粒子にもニッケルと金が含まれることを確認した。この複合粒子のニッケル/金原子比(平均値)は1.02であった。
市販の球状アルミナ(住友化学製、KHD、粒子径:3mm)に5質量%のカリウムを含浸後、600℃で5時間空気中で焼成した。上記で得られたアルミナ担体300gを90℃に加温した1.0Lの水に分散させ、90℃で15分攪拌した。次に硝酸ニッケル6水塩38.65gと1.3mol/Lの塩化金酸水溶液30mLを含む水溶液を調製し、90℃に加温したものを上記担体スラリーに添加し、90℃でさらに30分攪拌を続け、ニッケルと金成分を担体上に不溶固定化させた。
次いで、静置して上澄みを除去し、蒸留水で数回洗浄した後、濾過した。これを105℃で10時間乾燥した後、空気中400℃で5時間焼成することにより、ニッケル2.50質量%、金2.46質量%担持した複合粒子担持物(NiOAu/Al2O3−K)を得た。得られた担持物のNi/(Ni+Au)原子比は0.77であった。
得られた複合粒子担持物を樹脂に包埋して研磨して得た試料をX線マイクロプローブ(EPMA)を用い、粒子断面の線分析に付し、ニッケルと金の分布を測定したところ、表面から50μmまでの深さの領域にニッケル及び金が担持され、内部には存在していないことが確認できた。
次に、上記複合粒子担持物の粉末X線回折(XRD)の結果から、ニッケルに由来する回折パターンは観測されず、非晶質の状態で存在していることが確認された。一方、明瞭なピークとは言えないものの、金の結晶に相当するブロードなピークが存在した。その平均結晶子径をScherrerの式より算出すると4nm程度であった。Niの化学状態については、X線光電子分光法(XPS)の結果より、2価であることを確認した。
また、この担持物の活性種の形態を透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)で観察したところ、粒子3〜4nmに極大分布(数平均粒子径:3.6nm)を持つナノ粒子が担体に担持されていることが確認された。付属のエネルギー分散型X線検出器(EDX)により、観察されたナノ粒子1個ごとに元素分析(20点)を行い、いずれの粒子にもニッケルと金が含まれることを確認した。この複合粒子のニッケル/金原子比(平均値)は0.94であった。
硝酸ニッケル6水塩16.35gと1.3mol/Lの塩化金酸水溶液12mLを含む水溶液1.0Lを40℃に加温した。この水溶液に担体製造参考例で得られた担体300gを投入し、攪拌下40℃に保ちながら30分攪拌を続け、ニッケルと金成分を担体上に不溶固定化させた以外は、実施例1と同様の操作で調製することにより、ニッケル1.07質量%、金0.90質量%担持した複合粒子担持物(NiOAu/SiO2−Al2O3−MgO)を得た。得られた担持物のNi/(Ni+Au)原子比は0.80であった。
得られた担持物を樹脂に包埋して研磨して得た試料をX線マイクロプローブ(EPMA)を用い、粒子断面の線分析に付した。結果を図3に示す。図3から、ニッケルと金が表面から内部まで一様に分布し、担持されていることがわかる。
次に、上記複合粒子担持物の粉末X線回折(XRD)の結果から、ニッケルに由来する回折パターンは観測されず、非晶質の状態で存在していることが確認された。一方、明瞭なピークとは言えないものの、金の結晶に相当するブロードなピークが存在した。粉末X線回折の検出限界(2nm)に近い値ではあるものの、その平均結晶子径をScherrerの式より算出すると3nm程度であった。Niの化学状態については、X線光電子分光法(XPS)の結果より、2価であることを確認した。
また、この担持物の活性種の形態を透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)で観察したところ、粒子2〜3nmに極大分布(数平均粒子径:3.2nm)を持つナノ粒子が担体に担持されていることが確認された。付属のエネルギー分散型X線検出器(EDX)により、観察されたナノ粒子1個ごとに元素分析(20点)を行い、いずれの粒子にもニッケルと金が含まれることを確認した。この複合粒子のニッケル/金原子比(平均値)は0.97であった。
硝酸ニッケル6水塩を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で担持物を調製することにより、金0.90質量%を担持した金粒子担持物(Au/SiO2−Al2O3−MgO)を得た。
得られた金粒子担持物を樹脂に包埋して研磨して得た試料をX線マイクロプローブ(EPMA)を用い、粒子断面の線分析に付した。結果を図5に示す。図5から、金が表面から内部まで一様に分布し、担持されていることがわかる。
次に、粉末X線回折(XRD)の結果から、金の結晶に相当するブロードなピークが存在した。その平均結晶子径をScherrerの式より算出すると3nm程度であった。この金粒子担持物の形態を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、平均粒子径2.9nmの金粒子が担体に担持されていることが確認された。また、この金粒子担持物の電子励起状態の変化を紫外可視分光法(UV−Vis)で調べた結果、金粒子に由来する表面プラズモン吸収ピーク(約530mn)が観測された。
表1に、実施例1〜6及び比較例1、2の複合粒子担持物の物性を示す。
実施例1の複合粒子担持物240gを、触媒分離器を備え、液相部が1.2リットルの攪拌型ステンレス製反応器に仕込み、攪拌羽の先端速度4m/sの速度で内容物を攪拌しながら、アルデヒドとアルコールからの酸化的カルボン酸エステルの生成反応を実施した。36.7質量%のメタクロレイン/メタノール溶液を0.6リットル/hr、1〜4質量%のNaOH/メタノール溶液を0.06リットル/hrで連続的に反応器に供給し、反応温度80℃、反応圧力0.5MPaで出口酸素濃度が4.0容量%(酸素分圧0.02MPa相当)となるように空気を吹き込み、反応系のpHが7となるように反応器に供給するNaOH濃度をコントロールした。反応生成物は、反応器出口からオーバーフローにより連続的に抜き出し、ガスクロマトグラフィーで分析して反応性を調べた。
反応開始から500時間のメタクロレイン転化率は75.4%、メタクリル酸メチルの選択率は97.2%、担持物単位質量当たりのメタクリル酸メチルの生成活性は9.568mol/h/kg−catであった。2000時間経過時点の反応性は、メタクロレイン転化率は75.1%、メタクリル酸メチルの選択率は97.1%、メタクリル酸メチルの生成活性は9.520mol/h/kg−catであり、反応性はほとんど変化しなかった。複合粒子担持物を回収し、2000時間後のニッケル及び金担持量を初期担持量と比較したところ、ニッケル及び金のロスは各々0.1%以下であり、活性成分であるニッケル及び金の剥離・溶出が抑制されていることを確認した。
次に、回収した複合粒子担持物を透過型電子顕微鏡(TEM/STEM)で観察したところ、粒子2〜3nmに極大分布(数平均粒子径:3.2nm)を持つ複合粒子が担体に担持されていることが確認された。個々の複合粒子に対してSTEM−EDSによる組成点分析を行った結果、いずれの複合粒子にもニッケルと金が含まれることを確認した。この複合粒子のニッケル/金原子比の平均値(算出個数:50)は1.10であった。また、この担持物の電子励起状態の変化を紫外可視分光法(UV−Vis)で調べた結果、530nm近傍の金粒子に由来する表面プラズモン吸収ピークは観察されなかった。
比較例1の複合粒子担持物を用いて、実施例1と同様の操作条件で反応を行った。その結果、反応開始から500時間のメタクロレイン転化率は63.4%、メタクリル酸メチルの選択率は95.8%、担持物単位質量当たりのメタクリル酸メチルの生成活性は6.608mol/h/kg−catであった。2000時間経過時点の反応性は、メタクロレイン転化率は58.7%、メタクリル酸メチルの選択率は95.7%、メタクリル酸メチルの生成活性は6.111mol/h/kg−catであり、反応活性及び選択性の低下が認められた。複合粒子担持物を回収し、2000時間後の金担持量を初期担持量と比較したところ、ニッケル及び金のロスは各々3.0%、2.0%であった。透過型電子顕微鏡(TEM)による複合粒子の数平均粒子径は3.8nmであり、複合粒子のシンタリングが観察された。
比較例2の金粒子担持物を用いて、実施例1と同様の操作条件で反応を行った。その結果、反応開始から200時間のメタクロレイン転化率は25.1%、メタクリル酸メチルの選択率は81.5%、担持物単位質量当たりのメタクリル酸メチルの生成活性は2.671mol/h/kg−catであった。700時間経過時点の反応性は、メタクロレイン転化率は18.3%、メタクリル酸メチルの選択率は79.1%、メタクリル酸メチルの生成活性は1.89mol/h/kg−catであり、反応活性及び選択性の低下が認められた。金粒子担持物を回収し、700時間後の金担持量を初期担持量と比較したところ、金のロスは8.5%であった。透過型電子顕微鏡(TEM)による金粒子の数平均粒子径は4.8nmであり、金粒子のシンタリングが観察された。
Claims (16)
- 酸化状態のニッケルと、X(Xはパラジウム、白金、ルテニウム、金及び銀からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す)と、から構成される複合粒子と、
前記複合粒子を担持する担体と、を含む複合粒子担持物であって、
前記複合粒子が局在した担持層を有する複合粒子担持物。 - 前記複合粒子が局在した担持層が、前記複合粒子担持物の表面から前記複合粒子担持物の相当直径の40%までの領域に存在する、請求項1記載の複合粒子担持物。
- 前記複合粒子担持物の相当直径が200μm超であり、前記複合粒子が局在した担持層が、複合粒子担持物の外表面から80μmまでの領域に存在する、請求項1又は2に記載の複合粒子担持物。
- 前記複合粒子担持物の相当直径が200μm以下であり、前記複合粒子が局在した担持層が、前記複合粒子担持物の表面から前記複合粒子担持物の相当直径の30%までの領域に存在する、請求項1又は2に記載の複合粒子担持物。
- 前記複合粒子が局在した担持層の外側に、実質的に複合粒子を含まない外部層を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合粒子担持物。
- 前記外部層は、前記担体の外表面から0.01〜15μmの厚みで形成されている、請求項5に記載の複合粒子担持物。
- 前記複合粒子は、平均粒子径が2〜10nmである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合粒子担持物。
- 前記複合粒子におけるニッケルとXの組成比は、Ni/X原子比で0.1〜10である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の複合粒子担持物。
- 前記複合粒子がXからなる核を有し、前記核が酸化状態のニッケルで被覆されている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の複合粒子担持物。
- 前記担体は、シリカ及びアルミナを含むアルミニウム含有シリカ系組成物からなる担体である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の複合粒子担持物。
- アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属からなる群から選ばれる少なくとも1種の塩基性金属の酸化物を担持した担体を含む水スラリーと、ニッケル及びX(Xはパラジウム、白金、ルテニウム、金及び銀からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す)を含む可溶性金属塩の酸性水溶液とを混合して、温度が60℃以上の混合物を得る第1工程と、
前記混合物に含まれる前駆体を加熱処理する第2工程と、
を含む、酸化状態のニッケルとXとから構成される複合粒子が担体に担持された複合粒子担持物を製造する方法。 - 前記水スラリーが、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属からなる群から選ばれる少なくとも1種の塩基性金属塩をさらに含有する、請求項11に記載の複合粒子担持物の製造方法。
- 前記水スラリーが、可溶性アルミニウム塩をさらに含有する、請求項11又は12に記載の複合粒子担持物の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の複合粒子担持物を触媒として用い、酸素の存在下でアルデヒドとアルコールとを反応させる、カルボン酸エステルの製造方法。
- 前記アルデヒドが、アクロレイン、メタクロレイン又はこれらの混合物から選ばれる、請求項14に記載のカルボン酸エステルの製造方法。
- 前記アルコールがメタノールである、請求項14又は15に記載のカルボン酸エステルの製造方法。
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