JP5397798B2 - 層状珪酸塩を前駆体とする新規高シリカナノ多孔体、その設計方法と製造方法 - Google Patents
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本発明は、(1)層状珪酸塩を用い、その骨格構造を保持したまま、隣り合うシリカシートを規則的に並べる、寄せる、繋げるの三つの要素を組み合わせ操作し、層間に新たな微細孔を形成させることで、合成される高シリカナノ多孔体の構造設計を行う、高シリカナノ多孔体の構造設計方法に基いて、1)層状珪酸塩の層間への構造安定化を目的とした低有機分子の挿入(インターカレーション)、2)水素結合を伴ったシリカシートの規則的配列化と層間距離の収縮、3)脱水重縮合反応によるシリカシートの架橋、の3つのプロセスによって、層間部分にナノメートルサイズの細孔を形成させることで、合成される高シリカナノ多孔体の構造設計を行い、層状珪酸塩をその基本構造を壊すことなく積木細工的に積み上げることを特徴とする高シリカゼオライトを含む高シリカナノ多孔体の製造方法、また、(2)ケイ素5員環を骨格構造内に含む任意の層状珪酸塩を用い、1)イオン交換法によりその層間内へ有機分子を構造安定化剤として挿入(インターカレーション)し、2)酸処理によって層間内を脱水及び層間距離を縮小させると同時に、隣接するシリカシートをその表面に分布するシラノール基に水素結合を伴わせることで規則的に配列させ、3)真空下又は大気圧下での加熱焼成により末端シラノール基を脱水重縮合反応させ、シリカシート同士の架橋により層間部分に新たな細孔を形成させることで、合成される高シリカナノ多孔体の構造設計を行う、上記(1)に記載の製造方法、を提供する。
まず、第1に、結晶構造が既知である層状珪酸塩ileriteについて、構造安定化剤にTMAOHを用いたときの、ゼオライトへの変換スキームを説明する。ileriteは、Na8[Si32O64(OH)8・32H2O]の組成を持つ層状珪酸塩で、図1(a)に示す構造を有している。その合成法は、既に確立しており、水熱合成で容易に得られる(文献:K. Endo, Y. Sugahara, K. Kuroda, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994, 67, 3352-3355)。このileriteの層間には、Naイオンと水分子が規則的に分布している。
以下、粉末X線回折(XRD)パターンは、マックサイエンス社M21X(Cu Kα線)及びブルカー・エイエックスエス社ADVANCE D8 Vario−1(Cu Kα1線)を使用し、0.02゜間隔(M21X)及び0.00874゜間隔(ADVANCE D8)のステップスキャンにより得た。熱重量分析には、マックサイエンス社TG−DTA2000SRを、29Si DDMAS NMR測定には、ブルカーバイオスピン社ANANCE400WBを使用した。ここで、プローブは、7mm MASプローブを用い、測定条件は30゜パルスのHPDECパルスプログラムとし、試料回転速度は5 kHz、待ち時間100秒とした。また、生成物の化学組成は、ICP分析(セイコーインスツルメント株式会社製SPS−1500R)により決定した。窒素ガス吸着は、Quantachrome社製AutoSorb−1MPを用い、液体窒素温度(77K)にて測定を行った。フーリエ型赤外分光(FT−IR)測定には、日本電子製JIR−7000を用い、粉末試料とKBr粉末からペレットを作成し、真空中で20℃から200℃まで昇温、昇温時間は1時間の条件でペレットの加熱処理を行い、その後、3時間200℃で保持し、徐冷したものを測定に用いた。
本発明で用いる層状珪酸塩Na−ileriteは、SiO2(商品名:Ludox AS−40)200g、水酸化ナトリウム(NaOH:和光純薬工業製)26.9g及び純水59.69gを一緒にテフロン(登録商標)内筒を有するオートクレーブに移し、100℃で23日間加熱処理(水熱合成)した。これをオートクレーブから取り出した後、純水で充分洗浄を行いながら吸引濾過を行って結晶を採取し、60℃の温度下で12時間乾燥させることで粉末状の生成物として得られた。収量は47.05gであった。
SiO2(商品名:和光純薬工業株式会社製ワコーゲルQ−63)を2.0g取り、水酸化ナトリウム(NaOH:和光純薬工業製)を用いて4 mol/L濃度の水溶液4.0mlと一緒に、テフロン(登録商標)内筒を有するオートクレーブに移し、108℃で10日間加熱処理した。オートクレーブから取り出した後、水で充分洗浄を行い、60℃の温度下で12時間乾燥させ粉末状の生成物としてNa−ileriteを得た。本生成物が層状化合物Na−ileriteであることは、表39及び図22に示される粉末X線回折パターンから判断できる。
実施例2の製造条件において、1.0M濃度の塩酸水溶液100mlに構造安定化剤TMAOHを加え、0.25M濃度のTMAOH酸性溶液を調製し、そこにNa−ilerite0.5gを混ぜ、96時間攪拌した以外は、実施例2と同一の調製条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表30に示される第2中間体と同様の化合物が得られ、更に、それを焼成した結果、RWR型ゼオライトを得ることができた。それぞれの中間体及びRWR型ゼオライトは、図2に示されるものと比べ、線幅の広い粉末XRDパターンを示した(図9)。
実施例2の製造条件において、1.0M濃度の塩酸水溶液100mlに構造安定化剤ソルビトールを加え、0.25M濃度のソルビトール酸性溶液を調製し、そこにNa−ilerite0.5gを混ぜ、96時間攪拌した以外は、実施例2と同一の調製条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表30に示される第2中間体と同様の化合物が得られ、更に、それを焼成した結果、RWR型ゼオライトを得ることができた。それぞれの中間体及びRWR型ゼオライトは、図2に示されるものと比べ、線幅の広い粉末XRDパターンを示した(図9)。
実施例2の製造条件において、1.0M濃度の塩酸水溶液100mlに構造安定化剤に1,4−dioxanを加え、0.25M濃度の1,4−dioxan酸性溶液を調製し、そこにNa−ilerite0.5gを混ぜ、96時間攪拌した以外は、実施例2と同一の調製条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表30に示される第2中間体と同様の化合物が得られ、更に、それを焼成した結果、RWR型ゼオライトを得ることができた。それぞれの中間体及びRWR型ゼオライトは、図2に示されるものと比べ、線幅の広い粉末XRDパターンを示した(図9)。
実施例2で用いたNa−ilerite0.5gをpH=1.03の酢酸100mlの中へ混ぜ、96時間攪拌を行い、それ以降は、実施例2と同一の調製条件で、試料調製を行った。その結果、焼成前の中間体は、表30と類似したXRDパターンを示し、実施例1の第2中間体H−TMA−ileriteとほぼ同一の構造であることが分かった。これを焼成した後に得られた生成物の粉末XRD測定から、RWR型ゼオライトであることが確認された(図10)。
本発明で用いる層状珪酸塩magadiiteは、ileriteの合成法において、シリカ源−水酸化ナトリウム水溶液(NaOH)が用いられるのに対し、NaOHの一部をKOHに置換することで得られたものである。具体的には、SiO2(商品名:和光純薬工業株式会社製ワコーゲルQ−63)32.0g、4mol/L濃度のNaOH(和光純薬工業製)水溶液48.0ml及び4mol/L濃度のKOH(和光純薬工業製)水溶液16.0mlをテフロン(登録商標)内筒を有するオートクレーブに移し、120℃で21日間加熱処理(水熱合成)した。オートクレーブから取り出した後、純水で充分洗浄を行いながら吸引濾過を行って結晶を採取し、60℃の温度下で12時間乾燥させることで粉末状の生成物として得られた。本生成物が層状化合物magadiiteであることは、表43及び図12に示される粉末X線回折パターンから判断できた。
実施例7の製造条件において、1.0M塩酸水溶液100mlに構造安定化剤TMAOHを加え、0.25M濃度のTMAOH酸性溶液を調製し、更に、magadiite1.0gを混ぜ、室温で96時間攪拌した以外は、実施例7と同一の調整条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表45に示される第2中間体とほぼ同一の構造を有する化合物が得られ、更に、それを焼成することで新規高シリカナノ多孔体CDS−Mが得られた。この場合も、中間体及び焼成後のナノ多孔体は、それぞれ図12記載のXRDパターンと良く一致したXRDパターン(図19)を示す物質が得られた。結晶性は、TMAOHを用いて、第1、第2中間体を経て作った時と同程度であった。
実施例7の製造条件において、1.0M塩酸水溶液100mlに構造安定化剤のソルビトールを加え、0.25M濃度のソルビトール酸性溶液を調製し、更に、magadiite1.0gを混ぜ、室温で96時間攪拌した以外は、実施例7と同一の調整条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表45に示される第2中間体とほぼ同一の構造を有する化合物が得られ、更に、それを焼成することで新規高シリカナノ多孔体CDS−Mが得られた。この場合も、中間体及び焼成後のナノ多孔体は、それぞれ図12記載のXRDパターンと良く一致したXRDパターン(図19)を示す物質が得られた。結晶性は、TMAOHを用いて、第1、第2中間体を経て作った時と同程度であった。
実施例7の製造条件において、1.0M塩酸水溶液100mlに構造安定化剤の1,4−dioxanを加え、0.25M濃度の1,4−dioxan酸性溶液を調製し、更に、magadiite1.0gを混ぜ、室温で96時間攪拌した以外は、実施例7と同一の調整条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表45に示される第2中間体とほぼ同一の構造を有する化合物が得られ、更に、それを焼成することで新規高シリカナノ多孔体CDS−Mが得られた。この場合も、中間体及び焼成後のナノ多孔体は、それぞれ図12記載のXRDパターンと良く一致したXRDパターン(図19)を示す物質が得られた。結晶性は、TMAOHを用いて、第1、第2中間体を経て作った時と同程度であった。
実施例7で用いたmagadiite2.0gを酢酸100mlの中へ混ぜ、96時間攪拌し、イオン交換を行い、それ以降は、実施例7と同一の調製条件で試料調製を行った。その結果、焼成前の中間体は、表30と類似したXRDパターンを示し、実施例1の第2中間体H−TMA−ileriteとほぼ同一の構造であることが分かった。これを焼成したものについて、粉末XRD測定から、RWR型ゼオライトであることが確認された(図19)。
本発明で用いる層状珪酸塩kenyaiteは、ileriteの合成法において、シリカ源−水酸化ナトリウム水溶液(NaOH)が用いられるのに対し、NaOHの一部をKOHに置換することで得られたものである。具体的には、SiO2(商品名:和光純薬工業株式会社製ワコーゲルQ−63)32.0g、4mol/L濃度のNaOH(和光純薬工業製)水溶液48.0ml及び4mol/L濃度のKOH(和光純薬工業製)水溶液16.0mlをテフロン(登録商標)内筒を有するオートクレーブに移し、140℃で196時間加熱処理(水熱合成)した。オートクレーブから取り出した後、純水で充分洗浄を行いながら吸引濾過を行って結晶を採取し、60℃の温度下で12時間乾燥させることで粉末状の生成物として得られた。本生成物が層状化合物kenyaiteであることは、表47及び図13に示される粉末X線回折パターンから判断できた。
実施例12の製造条件において、100mlの塩酸水溶液に構造安定化剤のTMAOHを加え、0.25MのTMAOH酸性溶液を調製し、更に、kenyaite0.5gを混ぜて室温で96時間攪拌した以外は、実施例12と同一の調整条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表45に示される第2中間体とほぼ同一の構造を有する化合物が得られ、更に、それを焼成することで新規高シリカナノ多孔体CDS−Kが得られた。この場合も、中間体及び焼成後のナノ多孔体は、それぞれ図13記載のXRDパターンと良く一致したXRDパターン(図20)を示す物質が得られた。結晶性は、TMAOHを用いて、第1、第2中間体を経て作った時と同程度であった。
実施例12の製造条件において、100mlの塩酸水溶液に構造安定化剤のトリエチレンテトラミン(東京化成工業株式会社製:triethylenetetramine)を加え、0.25Mのトリエチレンテトラミン酸性溶液を調製し、更に、kenyaite0.5gを混ぜて、室温で96時間攪拌した以外は、実施例12と同一の調整条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表45に示される第2中間体とほぼ同一の構造を有する化合物が得られ、更に、それを焼成することで新規高シリカナノ多孔体CDS−Kが得られた。この場合も、中間体及び焼成後のナノ多孔体は、それぞれ図13記載のXRDパターンと良く一致したXRDパターン(図20)を示す物質が得られた。結晶性は、TMAOHを用いて、第1、第2中間体を経て作った時と同程度であった。
実施例12の製造条件において、100mlの塩酸水溶液に構造安定化剤の1,4−dioxanを加え、0.25Mの1,4−dioxan酸性溶液を調製し、更に、kenyaite0.5gを混ぜて、室温で96時間攪拌した以外は、実施例12と同一の調整条件とした。その結果、焼成前の中間体は、表45に示される第2中間体とほぼ同一の構造を有する化合物が得られ、更に、それを焼成することで新規高シリカナノ多孔体CDS−Kが得られた。この場合も、中間体及び焼成後のナノ多孔体は、それぞれ図13記載のXRDパターンと良く一致したXRDパターン(図20)を示す物質が得られた。結晶性は、TMAOHを用いて、第1、第2中間体を経て作った時と同程度であった。
実施例12−15では、kenyaiteには、不純物としてQuartzが含まれていた。Cそこで、CDS−Kの製造において、全く異なる合成法で得た不純物を含まないkenyaiteを用いて構造変換を試みた。本実施例で用いるkenyaiteは、TMAOHを用いて合成される。具体的には、原料にワコーゲル(Q−63)、NaOH(メルク、99%)、TMAOH20%水溶液及び純水を用いた。次に、これらの原料をモル比でSiO2:OH−:H2O=1:0.5:7,NaOH:TMAOH=1:9,OH−/SiO2比は一定となるような、仕込みの組成比で混合したものを、オートクレーブに入れ、120℃、20日の水熱合成を行った。
実施例16で用いた不純物フリーなkenyaiteを出発物質に用い、実施例2で示される方法で複数の中間体を調製し、それを焼成することでCDS−Kの調製を試みた。すなわち、kenyaiteにTMAOHによるインターカレーションを行ってTMA−kenyaiteを調製し、それを酢酸処理してCH−TMA−kenyaiteを調製し、最後に焼成してCDS−Kへの変換を試みた。このときの、中間体の調製条件を、表54(Run No.4,5)に示す。焼成条件は、実施例16と同一とした。その結果、図26で示される粉末X線回折パターンから、それぞれの中間体と新規多孔体CDS−Kが不純物を含まない状態で得られた。
Claims (14)
- 層状珪酸塩を用い、その骨格構造を保持したまま、隣り合うシリカシートを規則的に並べる、寄せる、繋げるの三つの要素を組み合わせ操作し、層間に新たな微細孔を形成させることで、合成される高シリカナノ多孔体の構造設計を行う高シリカナノ多孔体の構造設計方法に基いて、
1)層状珪酸塩の層間への構造安定化を目的とした低有機分子の挿入(インターカレーション)、2)水素結合を伴ったシリカシートの規則的配列化と層間距離の収縮、3)脱水重縮合反応によるシリカシートの架橋、の3つのプロセスによって、層間部分にナノメートルサイズの細孔を形成させることで、合成される高シリカナノ多孔体の構造設計を行い、層状珪酸塩をその基本構造を壊すことなく積木細工的に積み上げることを特徴とする高シリカゼオライトを含む高シリカナノ多孔体の製造方法。 - ケイ素5員環を骨格構造内に含む任意の層状珪酸塩を用い、1)イオン交換法によりその層間内へ有機分子を構造安定化剤として挿入(インターカレーション)し、2)酸処理によって層間内を脱水及び層間距離を縮小させると同時に、隣接するシリカシートをその表面に分布するシラノール基に水素結合を伴わせることで規則的に配列させ、3)真空下又は大気圧下での加熱焼成により末端シラノール基を脱水重縮合反応させ、シリカシート同士の架橋により層間部分に新たな細孔を形成させることで、合成される高シリカナノ多孔体の構造設計を行う、請求項1に記載の製造方法。
- 層状珪酸塩ilerite(アイレライト)の層間へTMAOH(テトラメチルアンモニウムヒドロキシド)をインターカレーションして、表1のX線回折ピークを示す第1中間体(TMA−ilerite)とし、その第1中間体を酸性水溶液で酸処理して、表2のX線回折ピークを示すRWR型ゼオライトの前駆体となる第2中間体(H−TMA−ilerite)とし、その第2中間体を加熱焼成し脱水重縮合反応させてRWR型ゼオライトとする、請求項1に記載の製造方法。
- 層状珪酸塩magadiite(マガディアイト)の層間へTMAOHをインターカレーションして、表3のX線回折ピークを示す第1中間体(TMA−magadiite)とし、その第1中間体を酸性水溶液で酸処理して、表4のX線回折ピークを示す第2中間体(H−TMA−magadiite)とし、その第2中間体を加熱焼成し脱水重縮合反応させて、表5のX線回折ピークを示す高シリカナノ多孔体(CDS−M)とする、請求項1に記載の製造方法。
- 層状珪酸塩kenyaite(ケニヤイト)の層間へTMAOHをインターカレーションして、表6のX線回折ピークを示す第1中間体(TMA−kenyaite)とし、その第1中間体を酸性水溶液で酸処理して、表7のX線回折ピークを示す第2中間体(H−TMA−kenyaite)とし、その第2中間体を加熱焼成し脱水重縮合反応させて、表8のX線回折ピークを示す高シリカナノ多孔体(CDS−K)とする、請求項1に記載の製造方法。
- 層状珪酸塩ilerite、構造安定化剤、酸性水溶液を同時に混ぜ合わせ、酸性条件下でインターカレーションすることで、表9のX線回折ピークを示す中間体とし、それを焼成してRWR型ゼオライトとする、請求項1に記載の製造方法。
- 層状珪酸塩magadiite、構造安定化剤、酸性水溶液を同時に混ぜ合わせ、酸性条件下でのインターカレーションすることで、表10のX線回折ピークを示す中間体とし、それを焼成して表11のX線回折ピークを示すナノ多孔体(CDS−M)とする、請求項1に記載の製造方法。
- 層状珪酸塩kenyaite、構造安定化剤、酸性水溶液を同時に混ぜ合わせ、酸性条件下でのインターカレーションすることで、表12のX線回折ピークを示す中間体とし、それを焼成して表13のX線回折ピークを示すナノ多孔体(CDS−K)とする、請求項1に記載の製造方法。
- 層状珪酸塩ileriteを酸性の構造安定化剤として酢酸水溶液のみと混ぜ合わせ撹拌することで、中間体とし、それを焼成してRWR型ゼオライトとする、請求項1に記載の製造方法。
- 層状珪酸塩magadiiteを酸性の構造安定化剤として酢酸水溶液のみと混ぜ合わせ撹拌することで、中間体とし、それを焼成して請求項8の表13のX線回折ピークを示すナノ多孔体(CDS−K)とする、請求項1に記載の製造方法。
- 請求項4に記載の製造方法により製造してなる高シリカナノ多孔体であって、層状珪酸塩magadiiteの層間へTMAOHがインターカレーションしてなる、請求項4の表3のX線回折ピークを示す第1中間体(TMA−magadiite)を酸処理してなる、表4のX線回折ピークを示す第2中間体(H−TMA−magadiite)を加熱焼成し脱水重縮合反応させてなる、表5のX線回折ピークを示す高シリカナノ多孔体(CDS−M)である、高シリカナノ多孔体。
- 請求項5に記載の製造方法により製造してなる高シリカナノ多孔体であって、層状珪酸塩kenyaiteの層間へTMAOHがインターカレーションしてなる、請求項5の表6のX線回折ピークを示す第1中間体(TMA−kenyaite)を酸処理してなる、表7のX線回折ピークを示す第2中間体(H−TMA−kenyaite)を加熱焼成し脱水重縮合反応させてなる、表8のX線回折ピークを示す高シリカナノ多孔体(CDS−K)である、高シリカナノ多孔体。
- ナノ多孔体が、窒素ガス吸着測定においてナノ細孔の存在を示唆する吸着等温曲線を示し、窒素骨格を形成するSi原子とO原子の局所構造がSi(OSi)4で表されるQ4構造のみで構成される、請求項11に記載の高シリカナノ多孔体(CDS−M)。
- ナノ多孔体が、窒素ガス吸着測定においてナノ細孔の存在を示唆する吸着等温曲線を示し、骨格を形成するSi原子とO原子の局所構造がSi(OSi)4で表されるQ4構造のみで構成される、請求項12に記載の高シリカナノ多孔体(CDS−K)。
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