JP5126731B2 - Gold catalyst for partial hydrocarbon oxidation - Google Patents

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Description

本発明は、炭化水素部分酸化用触媒に関する。また、本発明は、該触媒を使用する含酸素有機化合物の製造方法、並びに該触媒の再生方法に関する。   The present invention relates to a catalyst for partial hydrocarbon oxidation. The present invention also relates to a method for producing an oxygen-containing organic compound using the catalyst, and a method for regenerating the catalyst.

酸素を用いて炭化水素を含酸素有機化合物に変換する方法は、極めて有益な技術であり、これまで近代化学産業に対して多くの恩恵を与えてきた。しかしながら、有用な化合物であるアルコールおよびケトンを飽和炭化水素から、また、エポキシドを不飽和炭化水素から、それぞれ直接得ることは、一部の例外を除いて一般に困難であるとされている。例えば、分子状酸素を酸化剤として用いて飽和炭化水素をアルコールおよびケトンへ転換する技術では、シクロヘキサンを原料とするシクロヘキサノールおよびシクロヘキサノンの製造が工業的に実施されているのみである。また、不飽和炭化水素のエポキシドへの転換についても、エチレンからエチレンオキシドの製造や、ブタジエンからブタジエンモノオキシドの製造が工業的に実施されているが、他の不飽和炭化水素からのエポキシドの製造、例えばプロピレンからのプロピレンオキシドの一段階での合成等は、非常に困難であるとされている。   The process of converting hydrocarbons into oxygenated organic compounds using oxygen is an extremely valuable technology and has provided many benefits to the modern chemical industry. However, it is generally difficult to obtain useful compounds, alcohols and ketones, directly from saturated hydrocarbons and epoxides from unsaturated hydrocarbons, with some exceptions. For example, in the technique of converting saturated hydrocarbons to alcohols and ketones using molecular oxygen as an oxidizing agent, the production of cyclohexanol and cyclohexanone using cyclohexane as a raw material is only carried out industrially. Also, regarding the conversion of unsaturated hydrocarbons to epoxides, ethylene oxide and ethylene oxide and butadiene monooxide are produced industrially from butadiene, but the production of epoxides from other unsaturated hydrocarbons, For example, the synthesis of propylene oxide in one step from propylene is considered to be very difficult.

これまでに、一段階で炭化水素をエポキシド、アルコール、ケトン等の含酸素有機化合物に変換することを可能とする触媒として、金−酸化チタン(特許文献1参照)や金微粒子を固定化したチタン含有珪酸塩(特許文献2参照)が報告されている。これらの触媒を用いて水素の共存下で含酸素有機化合物の合成を行うことにより、(i)酸素化合物の合成の選択率が高くなる、(ii)水以外は副生成物が生じないため、目的の含酸素有機化合物の精製が容易であり、しかも環境への負荷が少ない、等という利点が得られる。特に、後者の触媒は、前者の触媒に比べて、長期間安定に転化率を維持できる点で優れている。   So far, as a catalyst that can convert hydrocarbons into oxygen-containing organic compounds such as epoxides, alcohols, and ketones in a single step, gold-titanium oxide (see Patent Document 1) or titanium in which gold fine particles are immobilized. Containing silicate (see Patent Document 2) has been reported. By synthesizing an oxygen-containing organic compound in the presence of hydrogen using these catalysts, (i) the selectivity of the synthesis of the oxygen compound is increased, and (ii) no by-products other than water are produced. Advantages such as easy purification of the target oxygen-containing organic compound and low environmental burden are obtained. In particular, the latter catalyst is superior to the former catalyst in that the conversion rate can be stably maintained for a long period of time.

しかしながら、これらの触媒は、工業的生産への実用化を視野に入れると、反応効率、特に炭化水素の転化率や水素の利用効率の点で、更なる改善が望まれる。また、工業的に使用される触媒には、触媒活性が低減した場合に、その活性を回復するための有効な再生方法が確立されていることが望まれている。
特開平8−127550号公報 特開平11−76820号公報
However, if these catalysts are put into practical use for industrial production, further improvement is desired in terms of reaction efficiency, particularly hydrocarbon conversion rate and hydrogen utilization efficiency. In addition, it is desired that an effective regeneration method for recovering the activity of an industrially used catalyst when the catalyst activity is reduced is established.
JP-A-8-127550 Japanese Patent Laid-Open No. 11-76820

そこで本発明は、含酸素有機化合物を高い転化率で合成でき、しかも含酸素有機化合物の選択率や水素の利用効率が高い触媒を提供することを目的とするものである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a catalyst that can synthesize an oxygen-containing organic compound at a high conversion rate, and that has a high selectivity of the oxygen-containing organic compound and high utilization efficiency of hydrogen.

また、本発明は、酸素と水素存在下での炭化水素の酸化反応において、高い転化率に加えて、含酸素有機化合物の選択率が高く、良好な水素の利用効率で、含酸素有機化合物を合成できる方法を提供することを目的とするものである。   In addition, in the present invention, in the oxidation reaction of hydrocarbons in the presence of oxygen and hydrogen, in addition to a high conversion rate, the selectivity of the oxygen-containing organic compound is high, and the oxygen-containing organic compound is used with good hydrogen utilization efficiency. It aims at providing the method which can be synthesize | combined.

更に、本発明は、上記触媒の効率的な再生方法を提供することを目的とするものである。   Furthermore, an object of the present invention is to provide an efficient method for regenerating the catalyst.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、孔径が4nm以上のチタン含有珪酸塩に金ナノ粒子を固体化した触媒、及び金ナノ粒子を固定化したチタン含有珪酸塩をシランカップリング剤で修飾することにより得られる触媒は、酸素及び水素の存在下で炭化水素を部分酸化する反応において、含酸素有機化合物の選択性に優れており、しかも含酸素有機化合物の転化率や水素の利用効率が高いことを見出した。また、上記の触媒を用いて、酸素及び水素の存在下に炭化水素を部分酸化することによって、高い転化率に加えて、選択性も高く、良好な水素の利用効率で、エポキシド、アルコール、ケトン等の含酸素有機化合物を得ることができることを見出した。また、当該触媒が使用によって触媒活性が低減した場合、酸素、水素及びアルゴンガスを含有する混合ガスを用いて処理することによって、該触媒活性が効果的に回復されることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて、更に検討を重ねて完成されたものである。   The present inventors have intensively studied to solve the above-mentioned problems. As a result, a catalyst in which gold nanoparticles are solidified in a titanium-containing silicate having a pore diameter of 4 nm or more, and a titanium-containing silicate in which gold nanoparticles are immobilized are converted into silane. The catalyst obtained by modifying with a coupling agent is excellent in the selectivity of oxygen-containing organic compounds in the reaction of partially oxidizing hydrocarbons in the presence of oxygen and hydrogen, and the conversion rate of oxygen-containing organic compounds and It has been found that the utilization efficiency of hydrogen is high. Also, by using the above catalyst to partially oxidize hydrocarbons in the presence of oxygen and hydrogen, in addition to high conversion rate, high selectivity and good hydrogen utilization efficiency, epoxide, alcohol, ketone It has been found that oxygen-containing organic compounds such as can be obtained. Moreover, when the catalyst activity decreased by use of the catalyst, it was found that the catalyst activity can be effectively recovered by treating with a mixed gas containing oxygen, hydrogen and argon gas. The present invention has been completed based on such findings and further studies.

即ち、本発明は、下記に掲げる炭化水素部分酸化用触媒である:
項1. 平均孔径が4nm以上のチタン含有珪酸塩の多孔体に金ナノ粒子を固定化した炭化水素部分酸化用触媒。
項2. チタン含有珪酸塩の細孔構造がスポンジ状構造である、項1に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
項3. チタン含有珪酸塩の多孔体の平均孔径が4〜50nmである、項1に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
項4. チタン含有珪酸塩におけるTiとSiの原子比率(Ti/Si)が、1/10000〜20/100である、項1に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
項5. 金ナノ粒子を固定化したチタン含有珪酸塩がシランカップリング剤で修飾されている、炭化水素部分酸化用触媒。
項6. 更に、アルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物よりなる群から選択される少なくとも1種の化合物を担持させたものである、項5に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
項7. 硝酸バリウム、硝酸マグネシウム及び硝酸カルシウムよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物が担持されたものである、項6に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
項8. チタン含有珪酸塩の多孔体の平均孔径が4〜50nmである、項5に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
項9. チタン含有珪酸塩におけるTiとSiの原子比率(Ti/Si)が、1/10000〜20/100である、項5に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
項10. シランカップリング剤が、メトキシトリメチルシラン、メトキシトリエチルシラン、メトキシトリイロプルシラン、エトキシトリメチルシラン、エトキシトリエチルシラン、エトキシトリイロプルシラン、トリメチルシリルトリフルオロメタンスルホネート及びトリエチルシリルトリフルオロメタンスルホネートよりなる群から選択される少なくとも1種である、項5に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
項11. 金ナノ粒子が固定化されたチタン含有珪酸塩100重量部に対して、アルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物よりなる群から選択される少なくとも1種の化合物が、0.001〜10重量部の割合で担持されている、項6に記載の炭化水素部分酸化用触媒。
That is, the present invention is a hydrocarbon partial oxidation catalyst listed below:
Item 1. A catalyst for partial oxidation of hydrocarbon in which gold nanoparticles are immobilized on a porous body of titanium-containing silicate having an average pore diameter of 4 nm or more.
Item 2. Item 2. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 1, wherein the pore structure of the titanium-containing silicate is a sponge-like structure.
Item 3. Item 2. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 1, wherein the porous body of the titanium-containing silicate has an average pore size of 4 to 50 nm.
Item 4. Item 2. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 1, wherein an atomic ratio (Ti / Si) of Ti and Si in the titanium-containing silicate is 1/10000 to 20/100.
Item 5. A catalyst for partial oxidation of hydrocarbon, in which a titanium-containing silicate on which gold nanoparticles are immobilized is modified with a silane coupling agent.
Item 6. Item 6. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 5, further comprising at least one compound selected from the group consisting of alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds.
Item 7. Item 7. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 6, wherein at least one compound selected from the group consisting of barium nitrate, magnesium nitrate and calcium nitrate is supported.
Item 8. Item 6. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 5, wherein the porous body of the titanium-containing silicate has an average pore diameter of 4 to 50 nm.
Item 9. Item 6. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 5, wherein the atomic ratio of Ti to Si (Ti / Si) in the titanium-containing silicate is 1/10000 to 20/100.
Item 10. The silane coupling agent is selected from the group consisting of methoxytrimethylsilane, methoxytriethylsilane, methoxytriisopropylsilane, ethoxytrimethylsilane, ethoxytriethylsilane, ethoxytriisopropylsilane, trimethylsilyl trifluoromethanesulfonate and triethylsilyltrifluoromethanesulfonate. Item 6. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 5, which is at least one kind.
Item 11. At least one compound selected from the group consisting of an alkali metal compound and an alkaline earth metal compound is used in an amount of 0.001 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the titanium-containing silicate to which the gold nanoparticles are immobilized. Item 7. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to Item 6, which is supported at a ratio.

また、本発明は、下記に掲げる含酸素有機化合物の製造方法である:
項12. 項1〜11のいずれかに記載の炭化水素部分酸化用触媒を用いて、水素及び酸素の存在下で、炭化水素を酸化することを特徴とする含酸素有機化合物の製造方法。
項13. 不飽和炭化水素を部分酸化してエポキシドを製造する方法である、項12に記載の方法。
項14. 炭化水素が、炭素数3〜12の飽和炭化水素又は炭素数2〜12の不飽和炭化水素である、項12に記載の製造方法。
項15. 炭化水素の酸化を0〜300℃の温度条件下で行う、項12に記載の製造方法。
Moreover, this invention is a manufacturing method of the oxygen containing organic compound hung up below.
Item 12. Item 12. A method for producing an oxygen-containing organic compound, comprising oxidizing a hydrocarbon in the presence of hydrogen and oxygen using the hydrocarbon partial oxidation catalyst according to any one of Items 1 to 11.
Item 13. Item 13. The method according to Item 12, which is a method for producing an epoxide by partially oxidizing an unsaturated hydrocarbon.
Item 14. Item 13. The production method according to Item 12, wherein the hydrocarbon is a saturated hydrocarbon having 3 to 12 carbon atoms or an unsaturated hydrocarbon having 2 to 12 carbon atoms.
Item 15. Item 13. The method according to Item 12, wherein the hydrocarbon is oxidized under a temperature condition of 0 to 300 ° C.

更に本発明は、下記に掲げる炭化水素部分酸化用触媒の再生方法である:
項16. 項1〜11のいずれかに記載の炭化水素部分酸化用触媒の再生方法であって、酸素及び水素を含有する混合ガスを用いて、該炭化水素部分酸化用触媒を処理することを特徴とする、炭化水素部分酸化用触媒の再生方法。
項17. 上記混合ガスによる処理を100〜400℃で行う、項16に記載の再生方法。
Furthermore, the present invention is a method for regenerating a hydrocarbon partial oxidation catalyst described below:
Item 16. Item 12. The method for regenerating a hydrocarbon partial oxidation catalyst according to any one of Items 1 to 11, wherein the hydrocarbon partial oxidation catalyst is treated using a mixed gas containing oxygen and hydrogen. , Regeneration method for hydrocarbon partial oxidation catalyst.
Item 17. Item 17. The regeneration method according to Item 16, wherein the treatment with the mixed gas is performed at 100 to 400 ° C.

図1は、チタン含有珪酸塩の細孔構造の一例である、一次元のチャンネル構造を持つ細孔が六方構造に配列している構造(ヘキサゴナル構造)を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a structure (hexagonal structure) in which pores having a one-dimensional channel structure are arranged in a hexagonal structure, which is an example of a pore structure of titanium-containing silicate. 図2は、チタン含有珪酸塩の細孔構造の一例である、一次元のチャンネル構造を持つ細孔が不規則に集合している構造(不規則構造)を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a structure (irregular structure) in which pores having a one-dimensional channel structure are irregularly assembled, which is an example of a pore structure of titanium-containing silicate. 図3は、チタン含有珪酸塩の細孔構造の一例である、一次元のチャンネル構造を持つ細孔が3次元的に連結している構造(キュービック構造)を示す図である。FIG. 3 is a view showing a structure (cubic structure) in which pores having a one-dimensional channel structure are three-dimensionally connected, which is an example of a pore structure of titanium-containing silicate. 図4は、チタン含有珪酸塩の細孔構造の一例である、細孔が三次元的に不規則に連貫しているスポンジ状の構造(スポンジ状構造)を示す図(透過型電子顕微鏡写真)である。FIG. 4 is a view showing a sponge-like structure (sponge-like structure) in which the pores are irregularly connected three-dimensionally as an example of the pore structure of titanium-containing silicate (transmission electron micrograph) It is.

本発明において、「含酸素有機化合物」とは、炭化水素を部分酸化して得られる有機化合物、具体的にはアルコール、ケトン、エポキシド等のことを意味する。「炭化水素の転化率」とは、原料となる炭化水素の内、反応によって消費される炭化水素の割合(モル比)(%)を示す。「含酸素有機化合物の選択率」とは、反応によって消費された炭化水素の内、含酸素有機化合物に変換されたものの割合(モル比)(%)を示す。「含酸素有機化合物の収率」とは、原料となる炭化水素に対して、生成した含酸素有機化合物の割合(モル比)(%)を示す。「水素の転化率」とは、反応に供した水素の内、反応によって消費される水素の割合(モル比)(%)を示す。以下に、本発明を詳細に説明する。   In the present invention, the “oxygen-containing organic compound” means an organic compound obtained by partial oxidation of a hydrocarbon, specifically an alcohol, a ketone, an epoxide, or the like. “Hydrocarbon conversion” refers to the proportion (molar ratio) (%) of hydrocarbons consumed by the reaction among the hydrocarbons used as raw materials. The “selectivity of the oxygen-containing organic compound” indicates the ratio (molar ratio) (%) of the hydrocarbons consumed by the reaction converted to the oxygen-containing organic compound. “Yield of oxygen-containing organic compound” refers to the ratio (molar ratio) (%) of the produced oxygen-containing organic compound to the hydrocarbon as a raw material. “Hydrogen conversion rate” indicates the ratio (molar ratio) (%) of hydrogen consumed by the reaction in the hydrogen used for the reaction. The present invention is described in detail below.

(1)炭化水素部分酸化用触媒
(1−1)本発明の炭化水素部分酸化用触媒は、平均孔径が4nm以上のチタン含有珪酸塩の多孔体に金ナノ粒子が固定化されていることを特徴とするものである。以下、当該炭化水素部分酸化用触媒について詳細に説明する。
(1) Hydrocarbon partial oxidation catalyst (1-1) The hydrocarbon partial oxidation catalyst of the present invention is such that gold nanoparticles are immobilized on a porous body of titanium-containing silicate having an average pore diameter of 4 nm or more. It is a feature. Hereinafter, the hydrocarbon partial oxidation catalyst will be described in detail.

本発明において、金ナノ粒子とは、平均粒径が10nm以下の金微粒子のことである。   In the present invention, the gold nanoparticle is a gold fine particle having an average particle diameter of 10 nm or less.

本発明の触媒において、金ナノ粒子は、平均粒子径が2〜5nmの範囲内であることが好ましい。このような金ナノ粒子が、チタン含有珪酸塩の担体に強固に固定化されて、担持されていることが望ましい。金の粒子径が10nmよりも著しく大きい場合には、その比表面積が小さくなりすぎて、炭化水素の転化率が低くなってしまう傾向がみられる。一方、2nmより著しく小さくなると、金属としての金の性質が失われ、不飽和炭化水素の水素化反応が優先的に進行し、部分酸化反応が進まなくなる傾向が現れることがある。   In the catalyst of the present invention, the gold nanoparticles preferably have an average particle diameter in the range of 2 to 5 nm. It is desirable that such gold nanoparticles are firmly fixed and supported on a titanium-containing silicate carrier. When the particle size of gold is remarkably larger than 10 nm, the specific surface area becomes too small and the conversion rate of hydrocarbon tends to be low. On the other hand, when it becomes remarkably smaller than 2 nm, the property of gold as a metal is lost, the hydrogenation reaction of the unsaturated hydrocarbon proceeds preferentially, and there is a tendency that the partial oxidation reaction does not proceed.

本発明の触媒における金ナノ粒子の含有割合は、チタン含有珪酸塩100重量部に対して、0.001重量部以上が好ましく、0.01〜20重量部の範囲内がより好ましく、0.05〜10重量部の範囲内がさらに好ましい。金ナノ粒子の担持割合が0.001重量部より著しく少ないと触媒の活性が低下するので好ましくない。一方、金の担持割合を20重量部より多くしても、金を上記の範囲内で担持させた場合と比較して、触媒の活性に違いはない。   The content ratio of the gold nanoparticles in the catalyst of the present invention is preferably 0.001 part by weight or more, more preferably in the range of 0.01 to 20 parts by weight, with respect to 100 parts by weight of the titanium-containing silicate, 0.05 More preferably within the range of -10 parts by weight. If the supported proportion of gold nanoparticles is significantly less than 0.001 part by weight, the activity of the catalyst is lowered, which is not preferable. On the other hand, even if the gold loading ratio is more than 20 parts by weight, there is no difference in the activity of the catalyst compared to the case where gold is loaded within the above range.

本発明の触媒には、平均孔径が4nm以上のチタン含有珪酸塩の多孔体を使用する。好ましくは5nm以上、更に好ましくは7nm以上のチタン含有珪酸塩の多孔体である。
上記範囲内の平均孔径のチタン含有珪酸塩を使用することにより、含酸素有機化合物の転化率を向上させることが可能となる。当該チタン含有珪酸塩の多孔体の平均孔径の上限については、特に制限されないが、通常50nm、好ましくは30nmを挙げることができる。当該チタン含有珪酸塩の多孔体の平均孔径の一例として、4〜50nm、好ましくは4〜30nm、更に好ましくは7〜30nmとなる範囲を例示できる。なお、本発明において、平均孔径は、窒素吸着法による測定値とする。
For the catalyst of the present invention, a porous body of titanium-containing silicate having an average pore diameter of 4 nm or more is used. The porous body of titanium-containing silicate is preferably 5 nm or more, more preferably 7 nm or more.
By using a titanium-containing silicate having an average pore diameter within the above range, the conversion rate of the oxygen-containing organic compound can be improved. The upper limit of the average pore diameter of the titanium-containing silicate porous body is not particularly limited, but is usually 50 nm, preferably 30 nm. As an example of the average pore diameter of the porous body of the titanium-containing silicate, a range of 4 to 50 nm, preferably 4 to 30 nm, and more preferably 7 to 30 nm can be exemplified. In the present invention, the average pore diameter is a value measured by a nitrogen adsorption method.

チタン含有珪酸塩の多孔体とは、チタン原子を構成成分として含有する珪酸塩の多孔体のことである。該チタン含有珪酸塩の多孔体において、チタン原子は、珪酸塩の中で孤立分散した状態であることが望ましい。   The porous body of titanium-containing silicate is a porous body of silicate containing titanium atoms as constituent components. In the porous body of the titanium-containing silicate, it is desirable that the titanium atoms are isolated and dispersed in the silicate.

チタン含有珪酸塩の種類は、特に限定されない。一例として、ゼオライト系材料のアルミニウムの一部がチタンで置き換わってチタンがゼオライト格子内に組み込まれたもの、シリカの一部をチタン原子で置換したもの、チタンとシリコンの複合酸化物等を挙げることができる。また、これらのチタン含有珪酸塩上に微少量の酸化チタンが高分散担持されてなるものを用いることもできる。   The kind of titanium-containing silicate is not particularly limited. Examples include those in which a part of aluminum in the zeolitic material is replaced with titanium and titanium is incorporated in the zeolite lattice, part of silica is replaced with titanium atoms, and a composite oxide of titanium and silicon. Can do. Further, a material in which a minute amount of titanium oxide is highly dispersed and supported on these titanium-containing silicates can also be used.

チタン含有珪酸塩の細孔構造については、特に制限されるものではない。チタン含有珪酸塩の細孔構造の一例として、一次元のチャンネル構造を持つ細孔が六方構造に配列している構造(以下、該構造をヘキサゴナル構造という)(図1参照)、一次元のチャンネル構造を持つ細孔が不規則に集合している構造(以下、該構造を不規則構造という)(図2参照)、一次元のチャンネル構造を持つ細孔が3次元的に連結している構造(以下、該構造をキュービック構造という)(図3参照)、並びに細孔が三次元的に不規則に連貫しているスポンジ状の構造(以下、該構造をスポンジ状構造という)(図4参照)等を挙げることができる。好ましくはスポンジ状構造のチタン含有珪酸塩である。スポンジ状構造のチタン含有珪酸塩を用いることによって、より高い転化率で含酸素有機化合物を得ることが可能となる。   The pore structure of the titanium-containing silicate is not particularly limited. As an example of the pore structure of titanium-containing silicate, a structure in which pores having a one-dimensional channel structure are arranged in a hexagonal structure (hereinafter, this structure is called a hexagonal structure) (see FIG. 1), a one-dimensional channel A structure in which pores having a structure are irregularly assembled (hereinafter, the structure is referred to as an irregular structure) (see FIG. 2), and a structure in which pores having a one-dimensional channel structure are three-dimensionally connected. (Hereinafter, this structure is referred to as a cubic structure) (see FIG. 3), and a sponge-like structure in which pores are irregularly connected three-dimensionally (hereinafter, this structure is referred to as a sponge-like structure) (see FIG. 4). And the like. A sponge-containing titanium-containing silicate is preferred. By using a titanium-containing silicate having a sponge-like structure, an oxygen-containing organic compound can be obtained with a higher conversion rate.

チタン含有珪酸塩の形状は、特に限定されるものではなく、粉体状であってもよく、また他の各種の形状に成形したものであってもよい。   The shape of the titanium-containing silicate is not particularly limited, and may be in a powder form or may be formed into other various shapes.

チタン含有珪酸塩におけるチタンの含有量は、TiとSiの原子比率(以下、「Ti/Si」と表記する)に換算して、1/10000〜20/100の範囲内が好ましく、1/100〜10/100の範囲内がより好ましい。チタンの含有量がTi/Si=1/10000よりも著しく少ないと、シリカ単独の担体を用いた場合と同様の触媒特性となり、炭化水素の選択酸化が起きないので不適切である。一方、チタンの含有量をTi/Si=20/100より著しく多くすると、酸化チタンをシリカ上に担持した担体と同様の触媒特性となり、触媒活性の経時劣化を避けることができないので好ましくない。   The content of titanium in the titanium-containing silicate is preferably in the range of 1/10000 to 20/100 in terms of the atomic ratio of Ti and Si (hereinafter referred to as “Ti / Si”). More preferably within the range of -10/100. If the titanium content is significantly less than Ti / Si = 1/10000, the catalyst characteristics are the same as when a silica-only support is used, and the hydrocarbon is not selectively oxidized, which is inappropriate. On the other hand, if the titanium content is significantly higher than Ti / Si = 20/100, the catalyst characteristics are the same as those of a carrier on which titanium oxide is supported on silica, and deterioration of the catalyst activity over time cannot be avoided.

本発明に使用されるチタン含有珪酸塩の製造は、その孔径や細孔構造等に応じて、公知の製造方法に従って、行うことができる。   Manufacture of the titanium containing silicate used for this invention can be performed according to a well-known manufacturing method according to the hole diameter, pore structure, etc.

スポンジ状構造のチタン含有珪酸塩の製造方法の具体例としては、例えば、ゾルゲル法又はその改良方法(例えば、S. A. Bagshaw等、Science、1995年、第269巻、第1242頁;及びZ. Shang等、Chem. Eur. J.、2001年、第7巻、第1437頁)を挙げることができる。また、細孔構造がヘキサゴナル構造、不規則構造又はキュービック構造のチタン含有珪酸塩の製造方法の具体例としては、例えば、水熱合成法(例えば、辰巳等、特開平7-300312号公報;K. Koyano 等、Stud. Surf. Sci. Catal.、1997年、第105巻、第93頁)を挙げることができる。   Specific examples of the method for producing a titanium-containing silicate having a sponge-like structure include, for example, a sol-gel method or an improved method thereof (for example, SA Bagshaw et al., Science, 1995, 269, 1242; and Z. Shang et al. Chem. Eur. J., 2001, Vol. 7, p. 1437). Specific examples of the method for producing a titanium-containing silicate having a pore structure of hexagonal structure, irregular structure, or cubic structure include, for example, a hydrothermal synthesis method (for example, Sakai et al., JP-A-7-300312; K Koyano et al., Stud. Surf. Sci. Catal., 1997, Vol. 105, p. 93).

上記チタン含有珪酸塩は、触媒の活性をより向上させるために、予め成形された支持体に固定化した状態で用いることもできる。支持体としては、チタンを含まない金属酸化物や各種金属からなる材料を用いることができる。具体例としては、アルミナ(酸化アルミニウム:Al23)、シリカ(二酸化珪素:SiO2)、マグネシア(酸化マグネシウム:MgO)、コージエライト、酸化ジルコニウム、これらの複合酸化物等からなるセラミックス、各種金属からなる発泡体、各種金属からなるハニカム担体、各種金属のペレット等が挙げられる。In order to further improve the activity of the catalyst, the titanium-containing silicate can be used in a state of being immobilized on a preformed support. As the support, metal oxides not containing titanium or materials made of various metals can be used. Specific examples include alumina (aluminum oxide: Al 2 O 3 ), silica (silicon dioxide: SiO 2 ), magnesia (magnesium oxide: MgO), cordierite, zirconium oxide, ceramics composed of these complex oxides, and various metals. And the like, honeycomb carriers made of various metals, pellets of various metals, and the like.

上記支持体としては、アルミナ及びシリカの少なくとも一種を含有するものが好ましく、シリカを含有するものが特に好ましい。ここで、「アルミナおよびシリカを含有する」とは、ゼオライト(アルミノシリケート)やシリカアルミナを含有する場合も含むこととする。   As the support, those containing at least one of alumina and silica are preferred, and those containing silica are particularly preferred. Here, “containing alumina and silica” includes a case where zeolite (aluminosilicate) or silica alumina is contained.

上記支持体の結晶構造、形状、大きさ等は、特に限定されるものではないが、比表面積が50m2/g以上であることが好ましく、100m2/g以上であることがより好ましい。支持体の比表面積が50m2/g以上である場合には、遂次酸化等の副反応がより一層抑制され、効率的に炭化水素類を部分酸化することができ、触媒性能がより一層向上する。The crystal structure, shape, size, and the like of the support are not particularly limited, but the specific surface area is preferably 50 m 2 / g or more, and more preferably 100 m 2 / g or more. When the specific surface area of the support is 50 m 2 / g or more, side reactions such as sequential oxidation are further suppressed, hydrocarbons can be partially oxidized efficiently, and catalyst performance is further improved. To do.

チタン含有珪酸塩を支持体に固定化して用いる場合には、チタン含有珪酸塩の量は、支持体を基準として1〜20重量%程度であることが好ましい。チタン含有珪酸塩をシリカやアルミナ等の担体に担持させるには、例えば、アルコキシドを用いたゾル−ゲル法、混練法、コーティング法などの方法を適用することができ、これらの方法によって、いわゆる島状構造をなすように分散させて担持させることができる。   When the titanium-containing silicate is immobilized on a support, the amount of the titanium-containing silicate is preferably about 1 to 20% by weight based on the support. In order to support the titanium-containing silicate on a carrier such as silica or alumina, for example, a sol-gel method using an alkoxide, a kneading method, a coating method, or the like can be applied. It can be dispersed and supported so as to form a shape structure.

以下に、本発明の触媒の製造方法について説明する。   Below, the manufacturing method of the catalyst of this invention is demonstrated.

本発明触媒の製造方法としては、金ナノ粒子をチタン含有珪酸塩に固定化できる方法であれば、特に限定されない。   The method for producing the catalyst of the present invention is not particularly limited as long as the gold nanoparticles can be immobilized on the titanium-containing silicate.

該触媒の製造方法の具体例としては、例えば、特開平7−8797号公報に記載の析出沈殿法や、特開平9−122478号広報に記載の蒸着法、含浸法等を挙げることができるが、特に限定されるものではない。以下に上記方法のうち、析出沈殿法で金ナノ粒子をチタン含有珪酸塩に固定化する手順について説明する。   Specific examples of the method for producing the catalyst include, for example, the precipitation method described in JP-A-7-8797, the vapor deposition method described in JP-A-9-122478, and the impregnation method. There is no particular limitation. The procedure for immobilizing the gold nanoparticles on the titanium-containing silicate by the precipitation method will be described below.

まず、金化合物を含有する水溶液を調製し、30〜100℃の範囲内、より好ましくは50〜95℃の範囲内に加温した後、攪拌しながら、アルカリ水溶液を用いて上記水溶液のpHを6〜12の範囲内、より好ましくは7〜10の範囲内に調整する。次に、この水溶液にチタン含有珪酸塩を、上記温度で攪拌しながら、一度に、若しくは数分以内に数回に分けて投入する。   First, an aqueous solution containing a gold compound is prepared, heated in the range of 30 to 100 ° C., more preferably in the range of 50 to 95 ° C., and the pH of the aqueous solution is adjusted using an aqueous alkaline solution while stirring. It adjusts in the range of 6-12, More preferably, it exists in the range of 7-10. Next, the titanium-containing silicate is added to this aqueous solution at a time or at several times within a few minutes while stirring at the above temperature.

チタン含有珪酸塩を投入した後、所定時間、上記温度で攪拌を続けることにより、当該チタン含有珪酸塩の表面に金水酸化物が付着(析出沈殿)してなる固形物(金ナノ粒子固定化物)が得られる。当該固形物を濾別して取り出し、水洗した後、100〜800℃の範囲で空気中で焼成する。これにより、金微粒子がチタン含有珪酸塩に担持される。   After introducing the titanium-containing silicate, by continuing stirring at the above temperature for a predetermined time, a solid substance (gold nanoparticle fixed material) formed by adhesion (precipitation precipitation) of gold hydroxide on the surface of the titanium-containing silicate. Is obtained. The solid matter is separated by filtration, washed, and then fired in the air at a temperature of 100 to 800 ° C. Thereby, the gold fine particles are supported on the titanium-containing silicate.

上記のアルカリ水溶液を構成するアルカリ成分としては、具体的には、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、アンモニア、テトラメチルアンモニウム等が挙げられる。   Specific examples of the alkali component constituting the alkaline aqueous solution include sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide, cesium hydroxide, ammonia, tetramethylammonium and the like. .

上記の金化合物としては、具体的には、塩化金酸(HAuCl4)、塩化金酸ナトリウム(NaAuCl4)、シアン化金(AuCN)、シアン化金カリウム{K〔Au(CN)2〕}、三塩化ジエチルアミン金酸〔(C252 NH・AuCl3 〕等の水溶性金塩が例示されるが、これらに限定されるものではない。Specific examples of the gold compound include chloroauric acid (HAuCl 4 ), sodium chloroaurate (NaAuCl 4 ), gold cyanide (AuCN), and potassium cyanide {K [Au (CN) 2 ]}. Water-soluble gold salts such as diethylamine trichloride gold acid [(C 2 H 5 ) 2 NH · AuCl 3 ] are exemplified, but are not limited thereto.

滴下時に用いる金化合物含有水溶液における金の濃度は特に限定されないが、金が通常0.1〜0.001mol/l程度含まれているものが適当である。   The concentration of gold in the gold compound-containing aqueous solution used at the time of dropping is not particularly limited, but it is appropriate that gold is usually contained in an amount of about 0.1 to 0.001 mol / l.

チタン含有珪酸塩の水中への添加量は、特に限定はなく、例えば粉体状のチタン含有珪酸塩を用いる場合には、それを水中に均一に分散乃至縣濁できるような量であればよく、通常10〜200g/l程度が適当である。また、チタン含有珪酸塩を成形体として用いる場合には、成形体の形状に応じて、その表面に水溶液が充分に接触できる状態であれば、添加量は、特に限定されない。   The amount of titanium-containing silicate added to water is not particularly limited. For example, when powdered titanium-containing silicate is used, it may be an amount that can be uniformly dispersed or suspended in water. Usually, about 10 to 200 g / l is appropriate. Moreover, when using a titanium containing silicate as a molded object, according to the shape of a molded object, if an aqueous solution can fully contact the surface, the addition amount will not be specifically limited.

また、本発明の触媒は、特開平9−122478号公報に記載された有機金錯体の蒸気を用いる金超微粒子固定化物質の製造方法に準じた方法で製造することもできる。以下、この方法について簡単に説明する。   The catalyst of the present invention can also be produced by a method according to the method for producing an ultrafine gold particle-immobilized substance using an organic gold complex vapor described in JP-A-9-122478. Hereinafter, this method will be briefly described.

この方法では、気化した有機金錯体を、チタン含有珪酸塩に減圧下で吸着させた後、100〜700℃に加熱することにより金ナノ粒子を固定化したチタン含有珪酸塩を得ることができる。   In this method, after vaporized organic gold complex is adsorbed to titanium-containing silicate under reduced pressure, titanium-containing silicate in which gold nanoparticles are immobilized can be obtained by heating to 100 to 700 ° C.

有機金錯体としては、揮発性を有するものであれば特に制限されず、例えば(CH32Au(CH3COCHCOCH3)、(CH32Au(CF3COCHCOCH3)、(CH32Au(CF3COCHCOCF3)、(C252Au(CH3COCHCOCH3)、(CH32Au(C65OOCHCOCF3)、CH32AuP(CH33及びCH3AuP(CH33等の少なくとも1種を用いることができる。The organic gold complex is not particularly limited as long as it has volatility. For example, (CH 3 ) 2 Au (CH 3 COCHCOCH 3 ), (CH 3 ) 2 Au (CF 3 COCHCOCH 3 ), (CH 3 ) 2 Au (CF 3 COCHCOCF 3 ), (C 2 H 5 ) 2 Au (CH 3 COCHCOCH 3 ), (CH 3 ) 2 Au (C 6 H 5 OOCHCOCF 3 ), CH 3 C 2 AuP (CH 3 ) 3 and At least one kind such as CH 3 AuP (CH 3 ) 3 can be used.

なお、チタン含有珪酸塩は、予め200℃程度で加熱処理することにより、表面にある水分等を除去して用いることもできる。   In addition, the titanium-containing silicate can be used after heat treatment at about 200 ° C. in advance to remove moisture on the surface.

有機金錯体の気化は、加熱により行うことができる。加熱温度は、急激な気化と吸着或いは分解を起こさないようにすれば特に制限はなく、通常0〜90℃程度とする。また、上記気化は、減圧下で行うこともでき、この場合に圧力としては通常1×10−4〜2×10−3Torr程度とすれば良い。The organic gold complex can be vaporized by heating. The heating temperature is not particularly limited as long as it does not cause rapid vaporization and adsorption or decomposition, and is usually about 0 to 90 ° C. The vaporization can also be performed under reduced pressure. In this case, the pressure is usually about 1 × 10 −4 to 2 × 10 −3 Torr.

気化した有機金錯体は、減圧下でチタン含有珪酸塩に吸着させる。本発明でいう「減圧下」とは、大気圧よりも低ければ良いが、通常1×10−4〜200Torr程度の圧力をいう。有機金錯体の導入量は、用いる金錯体の種類により異なり、最終的に前記した固定化量となるように適宜調節すれば良い。また、圧力は、公知の真空ポンプ等で調節すれば良い。The vaporized organic gold complex is adsorbed on the titanium-containing silicate under reduced pressure. The term “under reduced pressure” in the present invention means a pressure of about 1 × 10 −4 to 200 Torr, although it may be lower than atmospheric pressure. The amount of the organic gold complex to be introduced varies depending on the type of the gold complex to be used, and may be appropriately adjusted so that the final immobilized amount is obtained. The pressure may be adjusted with a known vacuum pump or the like.

次いで、有機金錯体が吸着したチタン含有珪酸塩を空気中で通常100〜700℃程度、好ましくは300〜500℃で加熱する。これにより、有機金錯体中の有機成分が分解・酸化されるとともに有機金錯体が金に還元され、チタン含有珪酸塩上に金ナノ粒子として析出して固定されることとなる。加熱時間は、有機金錯体の担持量、加熱温度等に応じて適宜設定することができるが、通常は1〜24時間程度で良い。このようにして金ナノ粒子を固定化したチタン含有珪酸塩が得られる。   Next, the titanium-containing silicate adsorbed with the organic gold complex is heated in air usually at about 100 to 700 ° C, preferably at 300 to 500 ° C. As a result, the organic component in the organic gold complex is decomposed and oxidized, and the organic gold complex is reduced to gold and deposited and fixed as gold nanoparticles on the titanium-containing silicate. The heating time can be appropriately set according to the amount of the organic gold complex supported, the heating temperature, etc., but it is usually about 1 to 24 hours. In this way, a titanium-containing silicate having gold nanoparticles immobilized thereon is obtained.

上記製造方法では、有機金錯体の吸着に先立って、通常100〜700℃程度で加熱することによりチタン含有珪酸塩を表面処理することもできる。さらに、この表面処理は、酸化性ガス又は還元性ガス雰囲気下で行うこともできる。これにより、チタン含有珪酸塩表面の欠陥量と状態の制御がより容易となり、金の粒径及び担持量をより細かく制御することができる。   In the said manufacturing method, prior to adsorption | suction of an organic gold complex, it can also surface-treat a titanium containing silicate by heating at about 100-700 degreeC normally. Furthermore, this surface treatment can also be performed in an oxidizing gas or reducing gas atmosphere. Thereby, the amount of defects and the state of the titanium-containing silicate surface can be controlled more easily, and the gold particle size and the amount supported can be controlled more finely.

上記酸化性ガスとしては、公知のものが使用でき、例えば酸素ガス、一酸化窒素ガス等が挙げられる。また、上記還元性ガスとしては、公知のものが使用でき、例えば水素ガス、一酸化炭素ガス等が挙げられる。   As the oxidizing gas, known ones can be used, and examples thereof include oxygen gas and nitrogen monoxide gas. Moreover, as said reducing gas, a well-known thing can be used, for example, hydrogen gas, carbon monoxide gas, etc. are mentioned.

以上説明した金を析出沈殿させる方法、及び有機金錯体の蒸気を用いる方法によれば、金ナノ粒子を比較的均一な分布でチタン含有珪酸塩上に強固に固定化することができる。   According to the method for depositing and precipitating gold and the method using the vapor of the organic gold complex described above, the gold nanoparticles can be firmly fixed on the titanium-containing silicate with a relatively uniform distribution.

本発明の触媒を支持体に担持させて用いる場合には、チタン含有珪酸塩を支持体に担持させた後、金を固定化する方法が好適である。支持体に担持させたチタン含有珪酸塩に金を固定化するには、上記した金を析出沈殿させる方法、及び有機金錯体の蒸気を用いる方法において、チタン含有珪酸塩に代えて、チタン含有珪酸塩を担持した支持体を使用すればよい。特に、金を析出沈殿させる方法によって製造すれば、金ナノ粒子は、支持体上にはほとんど析出せず、チタン含有珪酸塩上(特に、チタンイオンの存在する場所)にのみ固定化される点で有利である。また、シリカ単独の支持体又はシリカを含む支持体を用いる場合には、金を析出沈殿させる方法によれば、特に高い選択性をもってチタン含有珪酸塩上にのみ金ナノ粒子を固定化することができる点で非常に有利である。
When the catalyst of the present invention is supported on a support and used, a method of immobilizing gold after the titanium-containing silicate is supported on the support is preferable. In order to immobilize gold on the titanium-containing silicate supported on the support, in the method of depositing and precipitating gold and the method using the vapor of the organic gold complex, the titanium-containing silicate is used instead of the titanium-containing silicate. A support carrying a salt may be used. In particular, when produced by a method of depositing and precipitating gold, the gold nanoparticles are hardly deposited on the support and are immobilized only on the titanium-containing silicate (particularly where titanium ions are present). Is advantageous. Also, when using a support of silica alone or a support containing silica, according to the method of depositing and precipitating gold, it is possible to immobilize gold nanoparticles only on a titanium-containing silicate with particularly high selectivity. This is very advantageous.

(1−2) また、本発明は、金ナノ粒子を固定化したチタン含有珪酸塩がシランカップリング剤で修飾されていることを特徴とする炭化水素部分酸化用触媒を提供する。以下、当該触媒について、詳細に説明する。   (1-2) Moreover, this invention provides the catalyst for partial oxidation of hydrocarbon characterized by the titanium containing silicate which fix | immobilized the gold nanoparticle was modified with the silane coupling agent. Hereinafter, the catalyst will be described in detail.

本発明の触媒に使用できる金ナノ粒子は、前述の(1−1)に使用できるものと同様である。また、金ナノ粒子のチタン含有珪酸塩に対する配合割合についても、前述する(1−1)のチタン含有珪酸塩に対する金ナノ粒子の配合割合と同様である。   The gold nanoparticles that can be used in the catalyst of the present invention are the same as those that can be used in the above (1-1). The blending ratio of the gold nanoparticles to the titanium-containing silicate is the same as the blending ratio of the gold nanoparticles to the titanium-containing silicate described in (1-1).

本発明の触媒に用いるチタン含有珪酸塩の種類は、特に制限されるものではないが、例えば、ゼオライト系材料のアルミニウムの一部がチタンで置き換わってチタンがゼオライト格子内に組み込まれたもの、シリカの一部をチタン原子で置換したもの、チタンとシリコンの複合酸化物等を挙げることができる。また、これらのチタン含有珪酸塩上に微少量の酸化チタンを高分散担持させたものを用いることもできる。   The type of titanium-containing silicate used in the catalyst of the present invention is not particularly limited. For example, a part of aluminum in the zeolitic material is replaced with titanium and titanium is incorporated in the zeolite lattice, silica And those in which a part of is substituted with a titanium atom, a composite oxide of titanium and silicon, and the like. In addition, it is also possible to use a fine dispersion of a small amount of titanium oxide supported on these titanium-containing silicates.

チタン含有珪酸塩の形態については、特に制限されないが、平均孔径が4nm以上の多孔体のものが好ましい。含酸素有機化合物の転化率を向上させるという観点から、更に好ましくは5nm以上、より好ましくは7nm以上の多孔体である。当該チタン含有珪酸塩の多孔体の平均孔径の上限については、特に制限されないが、通常50nm、好ましくは30nmを挙げることができる。当該チタン含有珪酸塩の多孔体の平均孔径の一例として、4〜50nm、好ましくは4〜30nm、更に好ましくは7〜30nmとなる範囲を例示できる。   The form of the titanium-containing silicate is not particularly limited, but is preferably a porous body having an average pore diameter of 4 nm or more. From the viewpoint of improving the conversion rate of the oxygen-containing organic compound, the porous body is more preferably 5 nm or more, more preferably 7 nm or more. The upper limit of the average pore diameter of the titanium-containing silicate porous body is not particularly limited, but is usually 50 nm, preferably 30 nm. As an example of the average pore diameter of the porous body of the titanium-containing silicate, a range of 4 to 50 nm, preferably 4 to 30 nm, and more preferably 7 to 30 nm can be exemplified.

また、チタン含有珪酸塩の多孔体を用いる場合、その細孔構造については特に限定されるものではない。チタン含有珪酸塩の細孔構造として、例えば、ヘキサゴナル構造、不規則構造、キュービック構造、及びスポンジ状構造のものを挙げることができる。これらの中で、好ましくはスポンジ状構造のものである。   Moreover, when using the porous body of a titanium containing silicate, the pore structure is not specifically limited. Examples of the pore structure of the titanium-containing silicate include a hexagonal structure, an irregular structure, a cubic structure, and a sponge-like structure. Of these, a sponge-like structure is preferable.

チタン含有珪酸塩におけるチタンの含有量については、前述する(1−1)で使用するチタン含有珪酸塩におけるチタンの含有量と同様である。   The titanium content in the titanium-containing silicate is the same as the titanium content in the titanium-containing silicate used in (1-1) described above.

本発明に使用するチタン含有珪酸塩は、公知の製造方法に従って製造することができる。   The titanium-containing silicate used in the present invention can be produced according to a known production method.

また、上記チタン含有珪酸塩は、前述する(1−1)と同様に、触媒の活性を向上させるために、予め成形された支持体に固定化した状態で用いることもできる。当該支持体についても、前述する(1−1)で用いられるものと同様である。   Moreover, the said titanium containing silicate can also be used in the state fix | immobilized to the support body shape | molded previously, in order to improve the activity of a catalyst similarly to (1-1) mentioned above. The support is the same as that used in (1-1) described above.

チタン含有珪酸塩に金ナノ粒子を固定化する方法としては、特に制限されないが、例えば、前述する(1−1)に記載の析出沈殿法を挙げることができる。   Although it does not restrict | limit especially as a method of fix | immobilizing a gold nanoparticle to a titanium containing silicate, For example, the precipitation method described in (1-1) mentioned above can be mentioned.

本発明の触媒は、上記のようにして得られる金ナノ粒子固定化チタン含有珪酸塩の表面がシランカップリング剤で修飾されてなるものである。   The catalyst of the present invention is obtained by modifying the surface of a gold nanoparticle-immobilized titanium-containing silicate obtained as described above with a silane coupling agent.

金ナノ粒子固定化チタン含有珪酸塩を修飾するシランカップリング剤としては、従来公知のものを制限なく使用することができる。好ましいシランカップリング剤としては、例えば、メトキシトリメチルシラン、メトキシトリエチルシラン、メトキシトリイロプルシラン、エトキシトリメチルシラン、エトキシトリエチルシラン、エトキシトリイロプルシラン、トリメチルシリルトリフルオロメタンスルホネート、トリエチルシリルトリフルオロメタンスルホネート等を挙げることができる。これらの中でも、特にメトキシトリメチルシランやメトキシトリエチルシランを使用することによって、より一層高い転化率で酸素含有有機化合物を合成することが可能となる。これらのシランカップリング剤は、1種単独で使用してもよく、また2種以上を任意に組み合わせて使用してもよい。   As the silane coupling agent for modifying the gold nanoparticle-immobilized titanium-containing silicate, a conventionally known silane coupling agent can be used without limitation. Preferred silane coupling agents include, for example, methoxytrimethylsilane, methoxytriethylsilane, methoxytriisopropylsilane, ethoxytrimethylsilane, ethoxytriethylsilane, ethoxytriisopropylsilane, trimethylsilyl trifluoromethanesulfonate, triethylsilyltrifluoromethanesulfonate, and the like. Can be mentioned. Among these, by using methoxytrimethylsilane or methoxytriethylsilane in particular, it becomes possible to synthesize an oxygen-containing organic compound with an even higher conversion rate. These silane coupling agents may be used alone or in any combination of two or more.

チタンカップリング剤による修飾は、金ナノ粒子固定化チタン含有珪酸塩の表面の水酸基とシランカップリング剤とを反応させることにより行われる。   The modification with the titanium coupling agent is performed by reacting a hydroxyl group on the surface of the gold nanoparticle-immobilized titanium-containing silicate with a silane coupling agent.

金ナノ粒子が固定化されたチタン含有珪酸塩をシランカップリング剤で修飾する方法としては、従来公知のシランカップリング剤による表面処理方法を採用することができる。例えば、シランカップリング剤中にアルゴンガス等の不活性ガスを通気してシランカップリング剤を気化させ、次いで該シランカップリング剤を含む蒸気を金ナノ粒子固定化チタン含有珪酸塩と接触させた後、上記不活性ガス雰囲気中で50〜200℃程度で、5〜60分程度処理する方法を挙げることができる。また、その他の方法として、例えば、金ナノ粒子固定化チタン含有珪酸塩をシランカップリング剤の希薄溶液でスラリー化したり、浸漬させる方法(湿式法)や、金微粒子固定化チタン含有珪酸塩を高速攪拌しながら、シランカップリング剤の原液あるいは溶液を均一に分散させる方法(乾式法)等を例示することができる。   As a method of modifying the titanium-containing silicate on which the gold nanoparticles are immobilized with a silane coupling agent, a conventionally known surface treatment method using a silane coupling agent can be employed. For example, an inert gas such as argon gas is passed through the silane coupling agent to vaporize the silane coupling agent, and then the vapor containing the silane coupling agent is brought into contact with the silicate containing the titanium nanoparticles immobilized on gold nanoparticles. Then, the method of processing for about 5 to 60 minutes at about 50-200 degreeC in the said inert gas atmosphere can be mentioned. In addition, as other methods, for example, a method in which a gold nanoparticle-immobilized titanium-containing silicate is slurried or immersed in a dilute solution of a silane coupling agent (wet method), or a gold fine particle-immobilized titanium-containing silicate is accelerated. Examples thereof include a method (dry method) of uniformly dispersing a stock solution or solution of a silane coupling agent while stirring.

更に、チタン含有珪酸塩にアルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物よりなる群から選択される少なくとも1種の化合物(以下、これを「アルカリ化合物」と表記することもある)を固定化して(担持させて)おくことによって、より一層含酸素有機化合物の転化率を向上させることが可能となる。   Furthermore, at least one compound selected from the group consisting of an alkali metal compound and an alkaline earth metal compound (hereinafter sometimes referred to as “alkali compound”) is immobilized on the titanium-containing silicate (supported) It is possible to further improve the conversion rate of the oxygen-containing organic compound.

ここで、アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム、セシウム等が挙げられ、アルカリ金属化合物としては、これらのアルカリ金属の硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物塩、シュウ酸塩、酢酸塩等の各種の塩が挙げられる。   Here, examples of the alkali metal include sodium, potassium, cesium and the like, and examples of the alkali metal compound include nitrates, sulfates, carbonates, bicarbonates, hydroxide salts, oxalates of these alkali metals, Examples include various salts such as acetate.

また、アルカリ土類金属としては、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウム等が挙げられ、アルカリ土類金属化合物としては、これらのアルカリ土類金属の硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物塩、シュウ酸塩、酢酸塩等の各種の塩が挙げられる。   Examples of the alkaline earth metal include calcium, magnesium, strontium, barium, and beryllium. Examples of the alkaline earth metal compound include nitrates, sulfates, carbonates, hydrogen carbonates of these alkaline earth metals, Various salts such as hydroxide salt, oxalate salt, acetate salt and the like can be mentioned.

これらアルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物の中で、好ましくはセシウム、バリウム、マグネシウム、カルシウム等の塩であり、更に好ましくはバリウム、マグネシウム等の塩を挙げることができる。特に、これらアルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物の内、好ましい化合物の具体例として、硝酸バリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウムが挙げられ、更に好ましくは硝酸バリウム及び硝酸マグネシウムを挙げることができる。これらアルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物は、1種単独で使用しても、また2種以上を任意に組み合わせて使用してもよい。   Among these alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds, preferred are salts of cesium, barium, magnesium, calcium and the like, and more preferred are salts of barium, magnesium and the like. In particular, among these alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds, specific examples of preferable compounds include barium nitrate, magnesium nitrate, and calcium nitrate, and more preferable examples include barium nitrate and magnesium nitrate. These alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds may be used alone or in any combination of two or more.

チタン含有珪酸塩とアルカリ化合物との割合については、使用するチタン含有珪酸塩の種類、アルカリ金属等の種類等によって異なり一律に規定することができないが、例えば金ナノ粒子固定化チタン含有珪酸塩100重量部に対してアルカリ化合物が総量で、通常0.001〜10重量部、好ましくは0.001〜1重量部、更に好ましくは0.001〜0.2重量部を挙げることができる。   The ratio between the titanium-containing silicate and the alkali compound varies depending on the type of titanium-containing silicate used, the type of alkali metal, etc., and cannot be uniformly defined. For example, gold nanoparticle-immobilized titanium-containing silicate 100 The total amount of the alkali compound relative to parts by weight is usually 0.001 to 10 parts by weight, preferably 0.001 to 1 part by weight, and more preferably 0.001 to 0.2 parts by weight.

アルカリ化合物をチタン含有珪酸塩に固定化する方法としては、特に制限されない。例えば、前述する(1−1)に記載する析出沈殿法による金ナノ粒子のチタン含有珪酸塩への固定化方法に準じて、金化合物の代わりにアルカリ化合物を使用することによって、アルカリ化合物の固定化を行うことができる。より具体的には、前述する(1−1)に記載する析出沈殿法による金ナノ粒子の固定化方法において、金化合物水溶液を滴下する代わりに、0.001〜10mmol/l、好ましくは0.001〜0.2mmol/lのアルカリ化合物の水溶液を、チタン含有珪酸塩に担持させるアルカリ化合物の量に応じた量を滴下することによって、アルカリ化合物の固定化を行うことができる。   A method for immobilizing the alkali compound on the titanium-containing silicate is not particularly limited. For example, in accordance with the method for fixing gold nanoparticles to titanium-containing silicate by the precipitation method described in (1-1) described above, the alkali compound is fixed by using an alkali compound instead of the gold compound. Can be made. More specifically, in the method for immobilizing gold nanoparticles by the precipitation method described in (1-1) above, 0.001 to 10 mmol / l, preferably 0. The alkaline compound can be immobilized by dropping an aqueous solution of the alkaline compound of 001 to 0.2 mmol / l in an amount corresponding to the amount of the alkaline compound supported on the titanium-containing silicate.

アルカリ化合物のチタン含有珪酸塩への固定化は、チタン含有珪酸塩に金微粒子を固定化した後に行ってもよく、またチタン含有珪酸塩に金微粒子を固定化する前に行ってもよい。また、金ナノ粒子及びアルカリ化合物のチタン含有珪酸塩への固定化を同時に行うこともできる。好ましくは、同時に行う方法である。金微粒子及びアルカリ土類金属の固定化を同時に行うには、例えば、前述する(1)に記載する析出沈殿法による金ナノ粒子のチタン含有珪酸塩への固定化方法において、金化合物と共に所定量のアルカリ化合物を含有する水溶液を使用することによって実施することができる。
The alkali compound may be fixed to the titanium-containing silicate after the gold fine particles are fixed to the titanium-containing silicate, or may be performed before the gold fine particles are fixed to the titanium-containing silicate. Further, the fixation of the gold nanoparticles and the alkali compound to the titanium-containing silicate can be performed simultaneously. Preferably, the method is performed simultaneously. In order to simultaneously immobilize the gold fine particles and the alkaline earth metal, for example, in the method for immobilizing gold nanoparticles to titanium-containing silicate by the precipitation method described in (1) above, a predetermined amount together with the gold compound It can implement by using the aqueous solution containing the alkali compound of.

(2)含酸素有機化合物の製造方法
以下、本発明の触媒を用いて炭化水素を部分酸化させて、含酸素有機化合物を製造する方法について説明する。
(2) Method for Producing Oxygenated Organic Compound Hereinafter, a method for producing an oxygenated organic compound by partially oxidizing hydrocarbons using the catalyst of the present invention will be described.

本製造方法において、原料化合物である炭化水素としては、炭素数3〜12程度の飽和炭化水素又は炭素数2〜12程度の不飽和炭化水素を用いることができる。また、気相で反応を行う場合には、生成物が100℃前後の低温においても容易に触媒層から脱離しうる炭素数が6程度までのものが、原料として適している。飽和炭化水素としては、例えば、プロパン、n−ブタン、イソブタン、シクロブタン、n−ペンタン、2−メチルブタン、シクロペンタン、n−ヘキサン、2−メチルペンタン、3−メチルペンタン、シクロヘキサン等が挙げられ、また不飽和炭化水素としては、2重結合を有する化合物、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、2−メチル−1−ブテン、3−メチル−1−ブテン、シクロペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、3−ヘキセン、2−メチル−1−ペンテン、3−メチル−1−ペンテン、シクロヘキセン、1−メチル−1−シクロペンテン、3−メチル−1−シクペンテン、4−メチル−1−ペンテン等が挙げられる。   In the present production method, as the hydrocarbon which is a raw material compound, a saturated hydrocarbon having about 3 to 12 carbon atoms or an unsaturated hydrocarbon having about 2 to 12 carbon atoms can be used. When the reaction is carried out in the gas phase, those having up to about 6 carbon atoms that can be easily desorbed from the catalyst layer even at a low temperature of around 100 ° C. are suitable as raw materials. Examples of the saturated hydrocarbon include propane, n-butane, isobutane, cyclobutane, n-pentane, 2-methylbutane, cyclopentane, n-hexane, 2-methylpentane, 3-methylpentane, cyclohexane and the like. As unsaturated hydrocarbons, compounds having a double bond, such as ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 2-methyl-1-butene, 3-methyl- 1-butene, cyclopentene, 1-hexene, 2-hexene, 3-hexene, 2-methyl-1-pentene, 3-methyl-1-pentene, cyclohexene, 1-methyl-1-cyclopentene, 3-methyl-1- Examples include cyclpentene and 4-methyl-1-pentene.

不飽和炭化水素を原料化合物とする場合には、高い選択性でエポキシドが生成される。   When an unsaturated hydrocarbon is used as a raw material compound, an epoxide is generated with high selectivity.

また、飽和炭化水素を原料化合物とする場合には、2級炭素−水素結合が酸化される際には、主としてケトンが生成され、3級炭素−水素結合が酸化される際には、主としてアルコールが生成される。炭素−水素結合の反応性の順序は、3級>2級>1級であり、1級炭素−水素結合は、ほとんど反応しない。   When a saturated hydrocarbon is used as a raw material compound, a ketone is mainly produced when the secondary carbon-hydrogen bond is oxidized, and an alcohol is mainly produced when the tertiary carbon-hydrogen bond is oxidized. Is generated. The order of reactivity of carbon-hydrogen bonds is tertiary> secondary> primary, and primary carbon-hydrogen bonds hardly react.

本発明方法で使用する触媒は、上記(1)の触媒である。触媒の使用量は、特に限定されるものではないが、実用的には、空間速度(SV)が100〜10000hr-1・ml/g・cat程度の範囲内となる量とすることが適している。The catalyst used in the method of the present invention is the catalyst described in (1) above. The amount of the catalyst to be used is not particularly limited, but it is practically suitable that the space velocity (SV) is in the range of about 100 to 10,000 hr −1 · ml / g · cat. Yes.

本発明においては、水素の存在が必須である。仮に水素が共存しない状態で、即ち酸素、炭化水素そして場合により希釈ガスからなる混合ガスを上記触媒下の存在下に反応させたとしても、200℃以上で反応が起こりはじめるものの、二酸化炭素の生成が主に認められるのみで、上記の含酸素有機化合物の生成は、全く認められない。しかるに、水素を反応系内に存在させると、反応の様相は一変し、50℃程度の低温においてさえ、上記の含酸素有機化合物の生成が認められるようになる。水素の存在量は、特に限定されるものではないが、通常水素/原料の体積比で、1/10〜100/1程度の範囲内で実用可能であるが、一般に水素の割合が大きい程反応速度が上昇するので、この範囲内で高目の値を採用することが好ましい。   In the present invention, the presence of hydrogen is essential. If hydrogen does not coexist, that is, even if a mixed gas consisting of oxygen, hydrocarbons, and possibly diluting gas is reacted in the presence of the catalyst, the reaction begins to occur at 200 ° C. or higher, but carbon dioxide is produced. Is mainly recognized, and the generation of the oxygen-containing organic compound is not recognized at all. However, when hydrogen is present in the reaction system, the reaction mode is completely changed, and the generation of the oxygen-containing organic compound is observed even at a low temperature of about 50 ° C. Although the amount of hydrogen is not particularly limited, it can be practically used within a range of about 1/10 to 100/1 in terms of the volume ratio of hydrogen / raw material. Since the speed increases, it is preferable to adopt a higher value within this range.

酸素の存在量は、特に限定されるものではないが、通常、酸素/原料の体積比で、1/10〜10/1程度の範囲が適当である。この範囲より酸素の存在量が少ないと、得られる部分酸化生成物の量が少なくなるので好ましくなく、一方、この範囲より酸素の存在量を多くしても、得られる含酸素有機化合物の量は増加せず、かえって、含酸素有機化合物の選択率の低下(二酸化炭素の生成量の増加)を生じるので好ましくない。   The amount of oxygen present is not particularly limited, but is usually in the range of about 1/10 to 10/1 in terms of oxygen / raw material volume ratio. If the amount of oxygen present is less than this range, the amount of the partially oxidized product obtained is not preferable, and on the other hand, even if the amount of oxygen present is greater than this range, the amount of oxygen-containing organic compound obtained is not enough. This is not preferable because it does not increase, but rather decreases the selectivity of the oxygen-containing organic compound (increases the amount of carbon dioxide produced).

本発明における反応温度は、通常0〜300℃程度、より好ましくは50〜200℃程度の範囲が適している。気相で反応を行なう場合には、触媒層からの生成物の脱離が容易に行われる様に、採用する反応圧(通常0.01〜1MPa程度)下で生成物が充分に揮発性を示す温度を選ぶ必要がある。一方、反応温度をあまり高温にすると、二酸化炭素への燃焼反応が起こり易くなると同時に、水素の水への酸化による消費が増大するため、好ましくない。従って、用いる原料の相違により、最適反応温度があるものの、好適な反応温度は、ほぼ50〜200℃の範囲に入ると思われる。   The reaction temperature in the present invention is usually in the range of about 0 to 300 ° C, more preferably about 50 to 200 ° C. When the reaction is carried out in the gas phase, the product is sufficiently volatile under the reaction pressure employed (usually about 0.01 to 1 MPa) so that the product can be easily desorbed from the catalyst layer. It is necessary to select the temperature shown. On the other hand, if the reaction temperature is too high, combustion reaction to carbon dioxide tends to occur, and at the same time, consumption due to oxidation of hydrogen to water increases, which is not preferable. Therefore, although there is an optimum reaction temperature depending on the difference in the raw materials used, a suitable reaction temperature seems to fall within the range of about 50 to 200 ° C.

気相反応は、本発明触媒を充填した反応装置に炭化水素、水素、酸素および必要ならば希釈ガス(例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素など)を含む混合ガスを供給し、所定の反応条件で反応させればよい。   In the gas phase reaction, a mixed gas containing hydrocarbon, hydrogen, oxygen and, if necessary, a diluent gas (for example, nitrogen, argon, helium, carbon dioxide, etc.) is supplied to a reactor filled with the catalyst of the present invention, and a predetermined reaction What is necessary is just to make it react on condition.

本発明における反応を液相で行なう場合には、上記のような触媒層からの脱離を考慮する必要がないので、多くの場合100℃以下で行い得る。また、液相で反応を行う場合には、原料を液体状態を保持させるような反応圧と反応温度とを選ぶか、或いは溶媒(例えば、ベンゼンなどの炭化水素系溶媒、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒など)を用いて、懸濁した触媒の存在下に原料化合物、水素、酸素、場合によっては希釈ガスの混合ガスをバブリングさせることにより反応を行うことができる。
When the reaction in the present invention is carried out in the liquid phase, it is not necessary to consider the above desorption from the catalyst layer, and in many cases, it can be carried out at 100 ° C. or lower. When the reaction is performed in the liquid phase, a reaction pressure and a reaction temperature that keep the raw material in a liquid state are selected, or a solvent (for example, a hydrocarbon solvent such as benzene, halogenation such as methylene chloride) is selected. The reaction can be carried out by bubbling a mixed gas of a raw material compound, hydrogen, oxygen, and possibly a diluent gas in the presence of a suspended catalyst using a hydrocarbon solvent or the like.

(3)上記炭化水素部分酸化用触媒の再生方法
上記炭化水素部分酸化用触媒が使用によりその触媒活性が低減した場合、酸素及び水素を含有する混合ガスを用いて、該炭化水素部分酸化用触媒を処理することによって、該炭化水素部分酸化用触媒を再生することができる。
(3) Regeneration method for the catalyst for partial oxidation of hydrocarbon When the catalyst for partial oxidation of hydrocarbon is reduced in its catalytic activity, the catalyst for partial oxidation of hydrocarbon is used by using a mixed gas containing oxygen and hydrogen. By treating this, the hydrocarbon partial oxidation catalyst can be regenerated.

上記混合ガスにおいて、酸素と水素の割合は、特に制限されるものではないが、一例として、酸素:水素が体積比で、0.1:99.9〜99.9:0.1、好ましくは10:90〜90:10、更に好ましくは25:75〜75:25となる割合が挙げられる。   In the above mixed gas, the ratio of oxygen and hydrogen is not particularly limited. As an example, oxygen: hydrogen is in a volume ratio of 0.1: 99.9 to 99.9: 0.1, preferably A ratio of 10:90 to 90:10, more preferably 25:75 to 75:25 is mentioned.

また、上記混合ガスには、上記の酸素及び水素に加えて、希釈ガス(例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素など)を含有させて使用することが望ましい。希釈ガスを混合ガスに含有させる場合、例えば、酸素と水素の総容量1容量部に対して、希釈ガスが通常1〜999容量部、好ましくは1〜99容量部、更に好ましくは1〜9容量部となる割合を挙げることができる。   Further, it is desirable that the mixed gas contains a diluent gas (for example, nitrogen, argon, helium, carbon dioxide, etc.) in addition to the oxygen and hydrogen. When the diluent gas is included in the mixed gas, for example, the diluent gas is usually 1 to 999 parts by volume, preferably 1 to 99 parts by volume, more preferably 1 to 9 parts by volume with respect to 1 part by volume of oxygen and hydrogen. The ratio which becomes a part can be mentioned.

炭化水素部分酸化用触媒を上記混合ガスで処理する際の温度条件としては、例えば、0〜500℃、好ましくは50〜400℃、更に好ましくは100〜300℃、特に好ましくは250℃程度を挙げることができる。上記温度の範囲内であれば、触媒の再生を効率的に行うことができる。   As temperature conditions at the time of processing the hydrocarbon partial oxidation catalyst with the above mixed gas, for example, 0 to 500 ° C., preferably 50 to 400 ° C., more preferably 100 to 300 ° C., particularly preferably about 250 ° C. be able to. If it is within the said temperature range, a catalyst reproduction | regeneration can be performed efficiently.

炭化水素部分酸化用触媒を上記混合ガスで処理する方法としては、再生させる炭化水素部分酸化用触媒が上記混合ガスと接触される限り、特に制限されないが、例えば、該炭化水素部分酸化用触媒を充填した容器に上記混合ガスを連続的に供給及び抜き取りを行う方法や、当該容器に上記混合ガスを入れて密閉する方法を挙げることができる。簡便には、炭化水素の部分酸化に使用した反応装置において、反応ガスの代わりに上記混合ガスを供給する方法を例示することができる。   The method for treating the hydrocarbon partial oxidation catalyst with the mixed gas is not particularly limited as long as the hydrocarbon partial oxidation catalyst to be regenerated is brought into contact with the mixed gas. For example, the hydrocarbon partial oxidation catalyst may be treated as follows. Examples thereof include a method of continuously supplying and extracting the mixed gas to and from a filled container, and a method of sealing the container by adding the mixed gas to the container. For example, a method of supplying the mixed gas instead of the reactive gas in the reactor used for partial oxidation of hydrocarbon can be exemplified.

上記炭化水素部分酸化用触媒に対して接触させる上記混合ガスの割合としては、使用する混合ガスの成分比、炭化水素部分酸化用触媒の活性喪失の程度等によって異なり、一律に規定することはできないが、例えば、該炭化水素部分酸化用触媒1gに対して、上記混合ガスの総量0.1〜100L、好ましくは1〜50L、更に好ましくは5〜25Lとなる割合を挙げることができる。   The ratio of the mixed gas brought into contact with the hydrocarbon partial oxidation catalyst varies depending on the component ratio of the mixed gas used, the degree of loss of activity of the hydrocarbon partial oxidation catalyst, etc., and cannot be defined uniformly. However, for example, the total amount of the mixed gas is 0.1 to 100 L, preferably 1 to 50 L, and more preferably 5 to 25 L with respect to 1 g of the hydrocarbon partial oxidation catalyst.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例によって限定されることはない。
実施例1
1.チタン含有珪酸塩の調製
チタニウムブトキシド溶液(Ti=6mol%)0.7gをテトラエチルオルト珪酸塩20.8gに滴下した。次いで、これに、トリエタノールアミン29.8gを滴下、混合した後、脱イオン水19.8gを添加した。得られた溶液を2時間攪拌した後、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド14.7gを滴下した。斯くして得られた混合液を室温で24時間静置した後、100℃で12時間乾燥し、次いで空気中で700℃で10時間焼成した。このようにして得られたチタン含有珪酸塩は、チタン含有珪酸塩のTi/Si原子比が3/100であり、平均細孔径7.4nmのスポンジ状構造を有していることが、前者についてICP元素分析法により、後者については粉末X線回折法(XRD)、窒素吸着(BET)法、及びTEM(透過型電子顕微鏡)による分析で確認された。

2.金ナノ粒子の固定化
蒸留水1200mlに塩化金酸・4水和物(HAuCl4・4H2O)1.0g(2.43mmol)を溶解し、70℃に加温し、0.1NNaOH 水溶液によりpHを7.5とした後、激しく撹拌しながら、上記で得られたチタン含有珪酸塩6gを一度に加え、同温度で1時間撹拌を続け、該チタン含有珪酸塩上に水酸化金Au(OH)3を析出沈殿させた。この懸濁液を静置し、室温まで放冷した後、上澄液を除去し、新たに蒸留水3000mlを加え、室温で5分間撹拌し、再び静置後上澄液を除去した。この洗浄操作を数回繰り返した後、ろ過し、得られたペーストを室温で12時間真空乾燥し、空気中400℃で4時間焼成することにより、金超微粒子が担持されたチタン含有珪酸塩触媒を得た。使用した塩化金酸の量は、チタン含有珪酸塩(TiO-SiO)に対して8重量%であったが、分析の結果、実際に担持された金の量は0.42重量%であった。

3.プロピレンの部分酸化反応
上記で得られた触媒を使用し、固定床流通式触媒反応装置を用いてプロピレンの部分酸化反応を行った。反応条件は下記の通りである。
触媒反応セル:石英製 内径10mm、
触媒量:0.15g、
触媒前処理:250℃にてアルゴン/H2=9/1(容量比)の混合ガスを30分流通後、250℃にてアルゴン/O2=9/1(容量比)の混合ガスを30分流通、
反応ガス:容量比 アルゴン/O2/H2/プロピレン=7/1/1/1、
空間速度:4000h-1・ml/g・cat、
反応温度:150℃。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
Example 1
1. Preparation of titanium- containing silicate 0.7 g of titanium butoxide solution (Ti = 6 mol%) was added dropwise to 20.8 g of tetraethylorthosilicate. Next, 29.8 g of triethanolamine was added dropwise thereto and mixed, and then 19.8 g of deionized water was added thereto. After stirring the resulting solution for 2 hours, 14.7 g of tetraethylammonium hydroxide was added dropwise. The liquid mixture thus obtained was allowed to stand at room temperature for 24 hours, dried at 100 ° C. for 12 hours, and then calcined in air at 700 ° C. for 10 hours. The titanium-containing silicate thus obtained has a Ti / Si atomic ratio of titanium-containing silicate of 3/100 and has a sponge-like structure with an average pore diameter of 7.4 nm. By ICP elemental analysis, the latter was confirmed by powder X-ray diffraction (XRD), nitrogen adsorption (BET), and TEM (transmission electron microscope) analysis.

2. Dissolve 1.0 g (2.43 mmol) of chloroauric acid tetrahydrate (HAuCl 4 .4H 2 O) in 1200 ml of immobilized distilled water of gold nanoparticles, warm to 70 ° C., and add 0.1N NaOH aqueous solution. After the pH was adjusted to 7.5, 6 g of the titanium-containing silicate obtained above was added all at once with vigorous stirring, and stirring was continued for 1 hour at the same temperature. On the titanium-containing silicate, gold hydroxide Au ( OH) 3 was precipitated out. The suspension was allowed to stand and allowed to cool to room temperature. Then, the supernatant was removed, 3000 ml of distilled water was newly added, stirred at room temperature for 5 minutes, and allowed to stand again to remove the supernatant. This washing operation is repeated several times, followed by filtration. The resulting paste is vacuum-dried at room temperature for 12 hours and calcined in air at 400 ° C. for 4 hours, whereby a titanium-containing silicate catalyst carrying ultrafine gold particles Got. The amount of chloroauric acid used was 8% by weight based on the titanium-containing silicate (TiO-SiO), but as a result of analysis, the amount of gold actually carried was 0.42% by weight. .

3. Propylene Partial Oxidation Reaction Using the catalyst obtained above, propylene partial oxidation reaction was carried out using a fixed bed flow type catalytic reactor. The reaction conditions are as follows.
Catalytic reaction cell: quartz, inner diameter 10 mm,
Catalyst amount: 0.15 g,
Catalyst pretreatment: After flowing a mixed gas of argon / H 2 = 9/1 (volume ratio) at 250 ° C. for 30 minutes, a mixed gas of argon / O 2 = 9/1 (volume ratio) is 30 ° C. at 250 ° C. Distribution,
Reaction gas: volume ratio Argon / O 2 / H 2 / Propylene = 7/1/1/1
Space velocity: 4000 h −1 · ml / g · cat,
Reaction temperature: 150 ° C.

また、比較として、下表1に示す細孔径及び細孔構造を有するチタン含有珪酸塩(比較例1〜4)及び、細孔構造を有しない珪酸塩担持チタン(比較例5)、細孔構造を有しない二酸化チタン(比較例6)を用いて、上記と同様の方法で金微粒子を固定化して、プロピレンの部分酸化反応を行った。   For comparison, titanium-containing silicates having the pore diameters and pore structures shown in Table 1 below (Comparative Examples 1 to 4), silicate-supported titanium having no pore structure (Comparative Example 5), and pore structure Using fine titanium dioxide (Comparative Example 6) not containing gold, gold fine particles were immobilized in the same manner as described above to carry out a partial oxidation reaction of propylene.

実施例1及び比較例1〜6の触媒を用いてプロピレンの部分酸化反応を行った結果(プロピレンの転化率、プロピレンオキサイドの選択率、プロピレンオキサイドの収率、及び水素の転化率)を下表2に示す。   The results of the partial oxidation reaction of propylene using the catalysts of Example 1 and Comparative Examples 1 to 6 (propylene conversion, propylene oxide selectivity, propylene oxide yield, and hydrogen conversion) are shown in the table below. It is shown in 2.

これらの結果から、平均細孔径が7.4nmのチタン含有珪酸塩に金微粒子を担持された触媒(実施例1)は、細孔の孔径が小さいか、あるいは有しない比較例1〜6に比して、プロピレンの転化率が高く、プロピレンオキサイドの収率も高いことが確認された。また、実施例1は、プロピレンオキサイドの選択率が90%以上と良好であり、水素転化率も14%程度と良好であることも明らかとなった。   From these results, the catalyst (Example 1) in which gold fine particles are supported on a titanium-containing silicate having an average pore size of 7.4 nm is smaller than the comparative examples 1 to 6 having a small pore size or no pore size. Thus, it was confirmed that the conversion rate of propylene was high and the yield of propylene oxide was also high. Further, in Example 1, the propylene oxide selectivity was as good as 90% or more, and the hydrogen conversion was also as good as about 14%.

実施例2−4
1.触媒の調製
(i)実施例2及び3
実施例1に記載の方法に従って、表3に示すチタン含有ケイ酸塩に金ナノ粒子を固定化した。次いで、25℃のメトキシトリメチルシランを満たした容器内にArガスを流入して、メトキシトリメチルシランを含有する蒸気を発生させながら、当該蒸気を30分間、流速10ml/分、反応管に充填した金微粒子を固定化したチタン含有ケイ酸塩0.15gに流通され、その後、Arガスを流速10ml/分、200℃で5時間流通させる処理をすることによって、金ナノ粒子固定化チタン含有ケイ酸塩のシリレート化を行った。
(ii)実施例4
蒸留水1200mlに塩化金酸・4水和物(HAuCl4・4H2O)1.0g(2.43mmol)と共にBa(NO0.261g(0.1mmol)を溶解した溶液を用いて、実施例1に記載の金微粒子の固定化方法と同条件で表3に示すチタン含有ケイ酸塩を処理することによって、チタン含有ケイ酸塩に金ナノ粒子とBa(NOを固定化した。次いで、実施例2−3と同じ方法で、シリレート化を行った。
(iii)比較例7−10
比較のために、以下に示す触媒を調製した:表3に示すチタン含有ケイ酸塩(TiO-SiO;実施例1で調製したスポンジ状構造のチタン含有珪酸塩)を用いて、実施例1に記載の方法に従って金ナノ粒子の固定化のみを行ったもの(比較例7及び8);表3に示すチタン含有ケイ酸塩を用いて、実施例4に記載の方法に従って金微粒子とBa(NOの固定化のみを行ったもの(比較例9);及び表3に示すチタン含有ケイ酸塩を用いて、実施例4に記載の方法において、Ba(NOの代わりにMg(NO6水和物0.256g(0.1mmol)を用いて金微粒子とMg(NOの固定化のみを行ったもの(比較例10)。

2.プロピレンの部分酸化反応
かくして得られた触媒(実施例2−4及び比較例7−10)を使用し、実施例1と同条件でプロピレンの部分酸化反応を行い、反応開始0.5時間後と4時間後のプロピレンの転化率、プロピレンオキサイドの選択率、プロピレンオキサイドの収率、及び水素転化率について調べた(但し、比較例8−10については、反応開始1時間後のみ測定)。
Example 2-4
1. Catalyst preparation
(i) Examples 2 and 3
In accordance with the method described in Example 1, gold nanoparticles were immobilized on the titanium-containing silicate shown in Table 3. Next, Ar gas was introduced into a container filled with methoxytrimethylsilane at 25 ° C. to generate a vapor containing methoxytrimethylsilane, and the vapor was filled in the reaction tube at a flow rate of 10 ml / min for 30 minutes. The gold nanoparticle-immobilized titanium-containing silicate was treated by passing the gas through 0.15 g of titanium-containing silicate on which fine particles were immobilized, and then flowing Ar gas at a flow rate of 10 ml / min at 200 ° C. for 5 hours. The silylation was performed.
(ii) Example 4
Using a solution prepared by dissolving 0.261 g (0.1 mmol) of Ba (NO 3 ) 2 together with 1.0 g (2.43 mmol) of chloroauric acid tetrahydrate (HAuCl 4 .4H 2 O) in 1200 ml of distilled water The gold nanoparticles and Ba (NO 3 ) 2 were fixed to the titanium-containing silicate by treating the titanium-containing silicate shown in Table 3 under the same conditions as those for fixing the gold fine particles described in Example 1. Turned into. Next, silylation was performed in the same manner as in Example 2-3.
(iii) Comparative Example 7-10
For comparison, the catalyst shown below was prepared: Example 1 using the titanium-containing silicate shown in Table 3 (TiO-SiO; titanium-containing silicate having a sponge-like structure prepared in Example 1). Gold nanoparticles fixed only according to the method described (Comparative Examples 7 and 8); using the titanium-containing silicate shown in Table 3, gold fine particles and Ba (NO (NO)) according to the method described in Example 4 3 ) In the method described in Example 4 using only the immobilization of 2 (Comparative Example 9); and the titanium-containing silicate shown in Table 3, Mg instead of Ba (NO 3 ) 2 (NO 3) the gold particles and Mg (NO 3) those where only 2 of the immobilized (Comparative example 10) using 2 hexahydrate 0.256 g (0.1 mmol).

2. Partial oxidation reaction of propylene Using the catalysts thus obtained (Example 2-4 and Comparative Example 7-10), a partial oxidation reaction of propylene was carried out under the same conditions as in Example 1, and 0.5 hours after the start of the reaction. The conversion rate of propylene after 4 hours, the selectivity of propylene oxide, the yield of propylene oxide, and the hydrogen conversion rate were examined (however, in Comparative Example 8-10, measured only 1 hour after the start of the reaction).

得られた結果を表3に併せて示す。   The obtained results are also shown in Table 3.

この結果、金微粒子を固定化したチタン含有ケイ酸塩をシリレート化した触媒(実施例2−4)では、比較例7−10に比べて、プロピレンオキサイドをプロピレンの高い転化率で、且つ高い選択率で得ることができることが確認さ
れた。特に、金微粒子と共にBa(NOを固定化したチタン含有ケイ酸塩をシリレート化した触媒(実施例4)では、より一層高いプロピレンの転化率及びプロピレンオキサイドの選択率が達成できることが明らかとなった。
As a result, in the catalyst (Example 2-4) in which the titanium-containing silicate having the gold fine particles fixed thereto is silylated, propylene oxide is selected at a high propylene conversion rate and high in comparison with Comparative Example 7-10. It was confirmed that it can be obtained at a rate. In particular, it is clear that a higher propylene conversion rate and propylene oxide selectivity can be achieved with a catalyst obtained by silylating a titanium-containing silicate in which Ba (NO 3 ) 2 is immobilized together with gold fine particles. It became.

実施例5
実施例2のシリレート化した金ナノ粒子固定化チタン含有ケイ酸塩を触媒として用いて、以下の試験を行った。
Example 5
The following test was performed using the silylated gold nanoparticle fixed titanium-containing silicate of Example 2 as a catalyst.

上記触媒を使用し、固定床流通式触媒反応装置を用いてプロピレンの部分酸化反応を5時間行った。反応条件は下記の通りである。
触媒反応セル:石英製 内径10mm、
触媒量:0.15g、
触媒前処理:250℃にて、アルゴン/H2=9/1(容量比)の混合ガスを30分流通後、250℃にてアルゴン/O2=9/1(容量比)の混合ガスを30分流通、
反応ガス:容量比 アルゴン/O2/H2/プロピレン=7/1/1/1、
空間速度:4000h-1・ml/g・cat、
反応温度:165℃。
Using the above catalyst, a partial oxidation reaction of propylene was carried out for 5 hours using a fixed bed flow type catalytic reactor. The reaction conditions are as follows.
Catalytic reaction cell: quartz, inner diameter 10 mm,
Catalyst amount: 0.15 g,
Catalyst pretreatment: After flowing a mixed gas of argon / H 2 = 9/1 (volume ratio) at 250 ° C. for 30 minutes, a mixed gas of argon / O 2 = 9/1 (volume ratio) at 250 ° C. 30 minutes distribution,
Reaction gas: volume ratio Argon / O 2 / H 2 / Propylene = 7/1/1/1
Space velocity: 4000 h −1 · ml / g · cat,
Reaction temperature: 165 ° C.

当該反応(再生処理回数0回)におけるプロピレンの転化率、プロピレンオキサイドの選択率、プロピレンオキサイドの収率、及び水素の転化率を求めた。   The conversion rate of propylene, the selectivity of propylene oxide, the yield of propylene oxide, and the conversion rate of hydrogen were determined in the reaction (the number of regeneration treatments was 0).

次いで、反応後、触媒を反応セルに充填したままの状態で、以下の条件で再生処理を行った。
触媒前処理:250℃にて、アルゴン/H2/O2=8/1/1の混合ガスを30分間流通、
空間速度:4000h-1・ml/g・cat、
処理温度:250℃
かかる再生処理した触媒(再生処理回数1回)を用いて、上記反応条件で、再度プロピレンの部分酸化反応を行い、プロピレンの転化率、プロピレンオキサイドの選択率、プロピレンオキサイドの収率、及び水素の転化率を求めた。
Next, after the reaction, the regeneration treatment was performed under the following conditions with the catalyst being filled in the reaction cell.
Catalyst pretreatment: Argon / H 2 / O 2 = 8/1/1 mixed gas at 250 ° C. for 30 minutes,
Space velocity: 4000 h −1 · ml / g · cat,
Processing temperature: 250 ° C
Using this regenerated catalyst (recycled once), a partial oxidation reaction of propylene is performed again under the above reaction conditions, propylene conversion, propylene oxide selectivity, propylene oxide yield, and hydrogen content. Conversion was determined.

更に、当該触媒の再生及び反応を上記条件で再度繰り返し行い(再生処理回数2回)、プロピレンの転化率、プロピレンオキサイドの選択率、プロピレンオキサイドの収率、及び水素の転化率を求めた。   Furthermore, the regeneration and reaction of the catalyst were repeated again under the above conditions (the number of regeneration treatments was twice), and the propylene conversion rate, propylene oxide selectivity, propylene oxide yield, and hydrogen conversion rate were determined.

得られた結果を表4に示す。この結果、使用により活性が低下した触媒を、
本発明の再生方法の処理に供することによって、再度優れた触媒活性を回復できることが確認された。
Table 4 shows the obtained results. As a result, the catalyst whose activity is reduced by use,
It was confirmed that excellent catalytic activity can be recovered again by subjecting it to the treatment of the regeneration method of the present invention.

本発明の炭化水素部分酸化用触媒によれば、酸素及び水素の存在下で炭化水素類を部分酸化する反応において、高い転化率でかつ高い選択率で、含酸素有機化合物を合成することが可能となり、一方、同時に無駄な水素の消費(水の生成)を抑制し、効率よく含酸素有機化合物を製造することが実現できる。   According to the hydrocarbon partial oxidation catalyst of the present invention, it is possible to synthesize oxygen-containing organic compounds with high conversion and high selectivity in the reaction of partial oxidation of hydrocarbons in the presence of oxygen and hydrogen. On the other hand, at the same time, wasteful hydrogen consumption (water generation) can be suppressed and an oxygen-containing organic compound can be produced efficiently.

故に、本発明の炭化水素部分酸化用触媒を用いて、炭化水素類を部分酸化する方法によれば、炭化水素類から一段階でアルコール、ケトン、エポキシド等の含酸素有機化合物を効率的に製造することが可能となる。   Therefore, according to the method for partial oxidation of hydrocarbons using the hydrocarbon partial oxidation catalyst of the present invention, oxygen-containing organic compounds such as alcohols, ketones, and epoxides are efficiently produced from hydrocarbons in one step. It becomes possible to do.

また、本発明の炭化水素部分酸化用触媒は、使用により触媒活性が低減しても、酸素、水素及びアルゴンガスを含有する混合ガスで処理することによって、容易に再生されるので、工業的利用に好適である。   In addition, even if the catalytic activity of the present invention is reduced by using the hydrocarbon partial oxidation catalyst of the present invention, it can be easily regenerated by treatment with a mixed gas containing oxygen, hydrogen and argon gas. It is suitable for.

Claims (11)

平均孔径が4nm以上のチタン含有珪酸塩の多孔体に金ナノ粒子を固定化した炭化水素部分酸化用触媒であって、以下の(i)〜(vi)の特徴を有する、炭化水素部分酸化用触媒
(i) 金ナノ粒子を固定化したチタン含有珪酸塩がシランカップリング剤で修飾されている
(ii) 金ナノ粒子の平均粒子径は、2〜5nmである、
(iii) 金ナノ粒子の含有割合は、チタン含有珪酸塩100重量部に対して0.05〜10重量部である、
(iv) 窒素吸着法により測定されたチタン含有珪酸塩の多孔体の平均孔径が、7〜30nmである、
(v) チタン含有珪酸塩の細孔構造がスポンジ状構造である
(vi) チタン含有珪酸塩におけるTiとSiの原子比率(Ti/Si)が、1/100〜10/100である。
A hydrocarbon partial oxidation catalyst having gold nanoparticles immobilized on a porous titanium-containing silicate having an average pore diameter of 4 nm or more, and having the following characteristics (i) to (vi) : catalyst
(i) Titanium-containing silicate with immobilized gold nanoparticles is modified with a silane coupling agent
(ii) The average particle diameter of the gold nanoparticles is 2 to 5 nm.
(iii) The content ratio of the gold nanoparticles is 0.05 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the titanium-containing silicate.
(iv) The average pore diameter of the porous body of the titanium-containing silicate measured by the nitrogen adsorption method is 7 to 30 nm.
(v) The pore structure of the titanium-containing silicate is a sponge-like structure
(vi) The atomic ratio of Ti and Si (Ti / Si) in the titanium-containing silicate is 1/100 to 10/100.
更に、アルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物よりなる群から選択される少なくとも1種の化合物を担持させたものである、請求項1に記載の炭化水素部分酸化用触媒。The catalyst for partial oxidation of hydrocarbon according to claim 1, further comprising at least one compound selected from the group consisting of an alkali metal compound and an alkaline earth metal compound. 硝酸バリウム、硝酸マグネシウム及び硝酸カルシウムよりなる群から選択される少なくとも1種の化合物が担持されたものである、請求項2に記載の炭化水素部分酸化用触媒。The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to claim 2, wherein at least one compound selected from the group consisting of barium nitrate, magnesium nitrate and calcium nitrate is supported. シランカップリング剤が、メトキシトリメチルシラン、メトキシトリエチルシラン、エトキシトリメチルシラン、エトキシトリエチルシラン、トリメチルシリルトリフルオロメタンスルホネート及びトリエチルシリルトリフルオロメタンスルホネートよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれかに記載の炭化水素部分酸化用触媒。Silane coupling agent is at least one selected methoxytrimethylsilane, methoxy triethylsilane, et butoxy trimethylsilane, ethoxyethyl triethylsilane, from preparative trimethyl silyl trifluoromethane sulfonate and the group consisting of triethylsilyl trifluoromethanesulfonate, wherein Item 4. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to any one of Items 1 to 3. 金ナノ粒子が固定化されたチタン含有珪酸塩100重量部に対して、アルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物よりなる群から選択される少なくとも1種の化合物が、0.001〜10重量部の割合で担持されている、請求項に記載の炭化水素部分酸化用触媒。At least one compound selected from the group consisting of an alkali metal compound and an alkaline earth metal compound is used in an amount of 0.001 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the titanium-containing silicate to which the gold nanoparticles are immobilized. The hydrocarbon partial oxidation catalyst according to claim 2 , which is supported at a ratio. 請求項1〜5のいずれかに記載の炭化水素部分酸化用触媒を用いて、水素及び酸素の存在下で、炭化水素を酸化することを特徴とする含酸素有機化合物の製造方法。A method for producing an oxygen-containing organic compound, comprising oxidizing a hydrocarbon in the presence of hydrogen and oxygen using the hydrocarbon partial oxidation catalyst according to any one of claims 1 to 5. 不飽和炭化水素を部分酸化してエポキシドを製造する方法である、請求項6に記載の方法。The method according to claim 6, which is a method for producing an epoxide by partially oxidizing an unsaturated hydrocarbon. 炭化水素が、炭素数3〜12の飽和炭化水素又は炭素数2〜12の不飽和炭化水素である、請求項6に記載の製造方法。The production method according to claim 6, wherein the hydrocarbon is a saturated hydrocarbon having 3 to 12 carbon atoms or an unsaturated hydrocarbon having 2 to 12 carbon atoms. 炭化水素の酸化を0〜300℃の温度条件下で行う、請求項6〜8のいずれかに記載の製造方法。The production method according to any one of claims 6 to 8, wherein the hydrocarbon is oxidized under a temperature condition of 0 to 300 ° C. 請求項1〜5のいずれかに記載の炭化水素部分酸化用触媒の再生方法であって、酸素及び水素を含有する混合ガスを用いて、該炭化水素部分酸化用触媒を処理することを特徴とする、炭化水素部分酸化用触媒の再生方法。A method for regenerating a hydrocarbon partial oxidation catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the hydrocarbon partial oxidation catalyst is treated using a mixed gas containing oxygen and hydrogen. A method for regenerating a catalyst for partial oxidation of hydrocarbon. 上記混合ガスによる処理を100〜400℃で行う、請求項10に記載の再生方法。The regeneration method according to claim 10, wherein the treatment with the mixed gas is performed at 100 to 400 ° C.
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