JP5428103B2 - 低温水素製造用触媒及びその製造方法と水素製造方法 - Google Patents
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Description
低温作動型の固体高分子形の燃料電池を想定した場合、燃料は水素である。そのため、必要に応じて脱硫操作を行った後に、メタン、メタンを主成分とする天然ガスやその他の炭化水素(プロパンガス、液化石油ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、石油、灯油など)を触媒上で改質し、水素を含む生成ガスに転換する必要がある。燃料電池の発電効率を上げるためには、この改質により水素を製造する過程がキーステップの一つである。
これに対して中高温で作動する固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池では炭化水素がそのまま利用できるという特徴がある。しかしながら、この場合にも炭化水素では炭素析出が起こりやすい、炭化水素を用いるよりも水素を用いたほうが発電しやすいなどの理由により、やはり炭化水素を改質する過程は必要であることが多い。
炭化水素の改質による水素の製造方法としてはスチーム改質反応、炭酸ガス改質反応、直接熱供給型改質反応がある。上記製造法のうち、直接熱供給型改質反応は発熱反応である完全燃焼と吸熱反応であるスチーム改質反応や炭酸ガス改質反応を組み合わせたもので、例えば反応器の触媒層前半で完全燃焼が行われ、そこで生じた熱が反応器の触媒層後半に伝わり、吸熱反応である改質反応を促進する。そのため、吸熱反応のみのスチーム改質反応や炭酸ガス改質反応と比較して、外部熱供給の削減という観点から直接熱供給型改質は優れており、水素生成速度も非常に速い。このような背景により、炭化水素の直接熱供給型改質による水素製造用触媒の開発が行われている。
炭化水素の改質反応は既に工業化されており、特にスチーム改質は広く行われており、生成ガスである合成ガス(CO/H2)は、フィッシャー・トロプシュ合成などに用いられている。しかし、従来の用途では長期間にわたり運転が継続されたのに対し、オンサイト改質型燃料電池プロセスへの応用を想定すると、装置の起動停止が頻繁におこる場合がある。例えば、家庭用では日中のみ自動車では運転中のみに使用し、それ以外では装置を停止することが想定できる。またオフサイトでの改質、例えば水素ステーションでも日中のみの運転である。この改質器の起動において電力などの外部エネルギーを用いないことが望ましいが、低温からの水素製造に優れた直接熱供給型改質であっても200℃まで触媒層を加熱する必要があった(特許文献1、非特許文献1)。そのため、改質器の起動に際しては電力などの外部エネルギーを用いなければならず、送電されていない地域や災害時の利用で課題を残していた。このことはガソリンや軽油などの液体燃料を車載した燃料電池車を実現する上でも大きな課題であった。
そして、さらに鋭意、検討を続けることにより、活性金属と+3価、+4価で酸化数変化の可能な希土類とZrの複合酸化物又はCeとZrとYの複合酸化物を含む触媒前駆体を用いると、非常に温和な条件で酸素欠陥を導入できることを明らかにし、発明の完成に至った。
本発明の低温水素製造用触媒の製造は、前記触媒前駆体を高温で還元性ガスにより活性化処理することにより酸素欠陥を導入するものである。
又本発明は、この酸素欠陥を導入した触媒を用い、この触媒の特性として、炭化水素、酸素を含む反応ガスを流通すると、常温であっても酸素欠陥が酸素と反応するものにして水素を製造する方法を開発したものである。
例えば、式1:CeO2−x + 0.5xO2 → CeO2 、式2:Pr6O11−y + 0.5yO2 → Pr6O11
そして、この反応は発熱反応であるため、このことが駆動力となり、式3の炭化水素の燃焼反応が進行し、
式3:CnHm + (n + 0.25m)O2 → nCO2 + 0.5mH2O
触媒層は一層、加熱される。尚、ZrやYなどとの複合酸化物であっても、同様のCe3+やPr3+などの酸化により発熱が起こる。そして、平衡的に改質反応が可能な温度まで達すると、式4、式5の改質反応により水素が生成するという低温からの水素の製造法である。
また、式6の水性ガスシフト反応なども併発する。
式4:CnHm + nH2O → nCO + (0.5m + n)H2
式5:CnHm + nCO2 → 2nCO + 0.5mH2
式6:CO + H2O → CO2 + H2
本発明の低温水素製造触媒の製造および水素製造法は例えば下記の手順で遂行することができるが、これらに限定されるものではない。
さらに(1)で、希土類含有酸化物を沈殿法により調製する際に活性金属原料を加えておき、担体と共に沈殿させてもよい。この場合にはこれら活性金属が担体の内部にも分散するため、最終的に活性金属微粒子を生成できる利点があるが、活性金属の一部が担体内部に残ってしまう。
なお、これらの処理を行わず、次の活性化過程において、これら陰イオン、配位子を除去してもよい。このようにして得た触媒を必要に応じて成型することが好ましい。乾燥して得られた触媒を粉砕するか、または錠剤成型器を用いてタブレットにしてもよい。
また、(1)〜(4)の各段階で得られた固体を蒸留水中に分散させ、そこに多孔質成形体を含浸するなどして、多孔質成形体に担持して用いてもよい。
つまり希土類酸化物種類によっては還元温度が高すぎると当該希土類酸化物が相転移し安定な酸化物相を形成してしまい、低温で酸素による酸化を受けなくなることもある。
例えば前記希土類酸化物として例えば、CeO2の適正な還元活性化温度は、500〜1000℃である。Pr6O11の適正な還元活性化温度は、400〜700℃である。CeとZrの複合酸化物の適正な還元活性化温度は、100〜1000℃である。CeとZrとYの複合酸化物の適正な還元活性化温度は、100〜1000℃である。なお,これらの温度は実施例の常圧固定床流通式反応装置から得た結果によるものである.実用レベルの大型装置では触媒量が多く,全発熱量が多くなるため,適切な還元活性化温度は下がると推測している.
またこれら触媒をアルミナ等の希釈剤と混合して用いてもよい。改質反応は、炭化水素と水蒸気、空気、酸素、または二酸化炭素、またはこれらを組み合わせたものとの反応であるが、本発明では酸素欠陥を導入した希土類含有酸化物と酸素の反応による発熱を燃焼反応とそれに続く改質反応の駆動力とするため、直接熱供給型改質反応とよばれる炭化水素と空気または酸素の反応を行う。また、この反応系にスチームやCO2を共存させても良い。さらに酸素源として空気中のO2を用いると、純O2を得る際に必要なN2とO2の分離プロセスを省くことができ、そのコストを削減できるためより好ましい。
反応開始時の温度は寒冷地の気温温度である-40℃以上であれば良いが、反応開始時の触媒層温度が高温であるほど、駆動力である発熱量が少なくて済むため、0℃以上が好ましく、さらに20℃以上であるとより好ましい。0℃以上であれば水蒸気を共存させることが可能である。反応開始時の触媒層温度は高温であってもよいが、200℃以上ではこの様な発熱を利用しなくても、直接熱供給改質型反応を駆動できると報告されている。
また、H2とCOやCO2の反応でメタンが生成し、水素が消費される問題を解決するため、H2分離膜を用い生成したH2を速やかに反応系から除いてもよい。反応圧(供給ガスの合計圧)は0.01〜3MPaであるが、高圧では炭素の析出が起こり易いため好ましくは0.01〜1MPa、さらにより好ましくは0.02〜0.5MPaであり不活性ガスを希釈ガスとして用いてもよい。触媒床は固定床、移動床、流動床などから選択できるが、固定床が好ましい。
担体としてCeO2(触媒学会参照触媒JRC-CEO-3)を用いた。焼成炉を用い、800℃で5時間、空気焼成し焼成済CeO2を得た。
0.3リットルビーカーで13.3gの硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))を蒸留水に溶解し全量を0.15 リットルとした。これをNi前駆体水溶液(A)とする。
次に焼成済CeO2 10gを秤り取り、Ni前駆体水溶液(A)の入っているビーカーに加えた。12時間、この水溶液を室温で攪拌した後に、このビーカーを加熱攪拌し、水分を除去した。その後、オーブン中、60℃で24時間以上乾燥し触媒前駆体を得た。
触媒前駆体を磁製の乳鉢で粉砕し、パイレックス(登録商標)ガラス製の容器に入れ、横型管状炉にセットし、空気流通下で2℃/分の昇温速度で450℃まで加熱し、5時間保持し、室温まで自然冷却した。その後、錠剤成型器を用いて、528 kg/cm2でディスク成型した後に、金属メッシュを用いて0.18〜0.25mmのペレット状に粉砕した。
硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、硝酸コバルト Co(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))13.6gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、RhCl3・3H2O(添川理化学(株))0.26gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例4(20wt%Ni/Pr6O11)>
CeO2(触媒学会参照触媒JRC-CEO-3)の代わりに、Pr6O11 5gを使用し、硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の使用量を6.6gとした以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。尚、Pr6O11は下記のように調製した。0.3リットルビーカーでPr(NO3)3 6H2O(関東化学(株))を蒸留水に溶解し、全量を0.3リットルとした。これをPr6O11前駆体水溶液(B)とする。次に、別の0.5リットルビーカーに25%NH3水溶液(和光純薬工業(株))0.1リットルを入れ、攪拌した。これをアンモニア水溶液(C)とする。次にマイクロチューブポンプを用い、Pr6O11前駆体水溶液(B)をアンモニア水溶液(C)に2mL/minの速度で滴下した。この懸濁液を1晩室温下で攪拌した。その後、アスピレーターでの吸引濾過、および蒸留水での洗浄を5回程繰り返した後に、濾紙上の沈殿物を磁製の蒸発皿に取り、60℃で8時間以上、乾燥した。その後、空気雰囲気下で2℃/分の昇温速度で550℃まで加熱し、3h焼成した。さらに、2℃/分の昇温速度で800℃まで加熱し、5h焼成した。
<触媒前駆体調製例5(1wt%Pt/CeO2)>
硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、H2PtCl6・6H2O(キシダ化学(株))0.28gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例6(1wt%Rh/CeO2_2)>
担体であるCeO2を沈殿法により調製した。0.5リットルビーカーで53gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))を0.3リットルの蒸留水に溶解した。これをCeO2前駆体水溶液(A)とする。別の1リットルビーカーに25%NH3水を0.2リットルいれ、スターラーで攪拌した。そしてマイクロチューブポンプによりCeO2前駆体水溶液(A) を25%NH3水に滴下した。この際、滴下速度は2ミリリットル/min程度とし、滴下終了後そのまま一晩攪拌した。次の日に、吸引ろ過、1リットル蒸留水での洗浄を3回繰り返し、最後に吸引ろ過を行い、沈殿物を磁製の蒸発皿に取り、70℃で12時間以上乾燥した。その後、排気焼成炉中で300℃、3時間保持し、仮焼成した。さらに、乳鉢で粉砕した後に焼成炉を用い、再度、空気中で550℃、3時間、800℃で5時間、空気焼成し焼成済担体を得た。
この担体を用い、硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、Rh(NO3)3・nH2O(三津和化学薬品(株))0.30gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例7(1wt%Rh/Ce0.75Zr0.25O2)>
担体であるCe0.75Zr0.25O2(Ce:Zr=0.75:0.25 モル比)を沈殿法により調製した。53gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))の代わりに、43.2gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))と8.9gの硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業(株))を用いた以外は触媒前駆体調製例6と同様の手順で担体を調製した。
この担体を用い、硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、Rh(NO3)3・nH2O(三津和化学薬品(株))0.30gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例8(1wt%Rh/Ce0.50Zr0.50O2)>
担体であるCe0.50Zr0.50O2(Ce:Zr=0.50:0.50 モル比)を沈殿法により調製した。53gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))の代わりに、53.1gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))と33gの硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業(株))を用いた以外は触媒前駆体調製例6と同様の手順で担体を調製した。
この担体を用い、硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、Rh(NO3)3・nH2O(三津和化学薬品(株))0.30gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例9(1wt%Rh/Ce0.25Zr0.75O2)>
担体であるCe0.25Zr0.75O2(Ce:Zr=0.25:0.75 モル比)を沈殿法により調製した。53gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))の代わりに、16.6gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))と31gの硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業(株))を用いた以外は触媒前駆体調製例6と同様の手順で担体を調製した。
この担体を用い、硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、Rh(NO3)3・nH2O(三津和化学薬品(株))0.30gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例10(1wt%Pt/Ce0.50Zr0.50O2)>
担体であるCe0.50Zr0.50O2(Ce:Zr=0.50:0.50 モル比)を触媒前駆体調製例8と同様の手順で調製した。
硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、H2PtCl6・6H2O(キシダ化学(株))0.28gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例11(20wt%Ni/Ce0.50Zr0.50O2)>
担体であるCe0.50Zr0.50O2(Ce:Zr=0.50:0.50 モル比)を触媒前駆体調製例8と同様の手順で調製した。
この担体を用い、触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例12(20wt%Co/Ce0.50Zr0.50O2)>
担体であるCe0.50Zr0.50O2(Ce:Zr=0.50:0.50 モル比)を触媒前駆体調製例8と同様の手順で調製した。
この担体を用い、硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、硝酸コバルト Co(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))13.6gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製例13(1wt%Rh/Ce0.50Zr0.45Y0.05O2)>
担体であるCe0.50Zr0.45Y0.05O2(Ce:Zr:Y=0.50:0.45:0.05 モル比)を沈殿法により調製した。53gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))の代わりに、44.1gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))、24.8gの硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業(株))、3.8gの硝酸イットリウム六水和物(キシダ化学(株))を用いた以外は触媒前駆体調製例6と同様の手順で担体を調製した。
この担体を用い、硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、Rh(NO3)3・nH2O(三津和化学薬品(株))0.30gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
CeO2(触媒学会参照触媒JRC-CEO-3)の代わりに、Al2O3(触媒学会参照触媒JRC-ALO-3)10gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製比較例2(20wt%Ni/TiO2)>
CeO2(触媒学会参照触媒JRC-CEO-3)の代わりに、TiO2(触媒学会参照触媒JRC-TIO4)10gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
CeO2(触媒学会参照触媒JRC-CEO-3)の代わりに、MgO(触媒学会参照触媒JRC-MGO-500A)10gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
<触媒前駆体調製比較例4(1wt%Rh/ZrO2)>
担体であるZrO2を沈殿法により調製した。53gの硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業(株))の代わりに、44gの硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業(株))を用いた以外は触媒前駆体調製例6と同様の手順で担体を調製した。
この担体を用い、硝酸ニッケル Ni(NO3)2・6H2O(和光純薬工業(株))の代わりに、Rh(NO3)3・nH2O(三津和化学薬品(株))0.30gを使用した以外は触媒前駆体調製例1と同様の手順で触媒を調製した。
以下の反応は、常圧固定床流通式反応装置を用いて行った。外径9.9mm内径7mmで内側に不活性処理をした金属反応管に触媒前駆体調製例1を0.1g充填し、純H2(20 mL/分、0.1 MPa)を流通しながら800℃まで昇温(10℃/分)し、その温度で1時間保持することにより還元活性化処理を行った。そして流通ガスをAr(50 mL/分)に切り替え、触媒層を水蒸気を安定に供給できる100℃まで冷却した。そして、活性測定(活性測定開始時の触媒層入口温度100℃、反応圧力0.1MPa、n-C4H10/O2/H2O/N2/Ar=1/2/4/1/7(モル比)、全ガス供給速度555 mL/分、空間速度(SV)333 L/時間・g を行った。触媒層の入口に熱電対を取り付け、反応ガスを流通してからの温度変化をモニターした。反応ガス流通後の触媒層入口温度の経時変化を図1に、30分後の触媒層の温度を表1に示す。また、この時(30分後)に反応生成物をTCD検出器付きガスクロマトグラフ(6890N (Agilent Technologies)、HP-PLOT MolesieveおよびHP-PLOT Q)により分析した。この活性測定の間、電気炉による加熱は行っておらず、反応で生成した熱により、触媒層は加熱された。なお、n-C4H10転化率、H2生成速度の計算にはN2を内部標準として用いた。計算式は次式(数1)の通りである。
反応例1で活性測定を行った後に、反応ガスをArに切り替えた。そして、800℃で1hの間、H2による還元活性化を行い、Ar流通下で100℃まで冷却した。そして、活性測定(活性測定開始時の触媒層入口温度100℃、反応圧力0.1MPa、n-C4H10/O2/H2O/N2/Ar=1/2/4/1/7(モル比)、全ガス供給速度555mL/分、空間速度(SV)333 L/時間・g を行った。結果を表1に示す。
反応例2で活性測定を行った後に、反応ガスをArに切り替えた。そして、800℃で1hの間、H2による還元活性化を行い、Ar流通下で室温(36℃)まで冷却した。そして、活性測定(活性測定開始時の触媒層入口温度36℃、反応圧力0.1MPa、n-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/11(モル比)、全ガス供給速度555 mL/分、空間速度(GHSV)333 L/時間・g を行った。反応ガス流通後の触媒層入口温度の経時変化を図1、結果を表1に示す。
反応例1に従って、触媒前駆体調製例1〜5を用い、反応を行った。ただし、還元活性化温度は600℃あるいは800℃とした。活性測定開始時の触媒層入口温度は32〜50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/11(モル比)、全ガス供給速度555mL/分、空間速度(GHSV)333L/時間・g とした。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入口の温度と結果を表2に示す。
反応例1に従って、触媒前駆体調製例4、あるいは触媒前駆体調製比較例1、2を用い、反応を行った。ただし、還元活性化温度は600℃あるいは800℃とした。活性測定開始時の触媒層入口温度は31〜48℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/11(モル比)、全ガス供給速度555 mL/分、空間速度(GHSV)333 L/時間・g とした。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入口の温度と結果を表3に示す。
反応例1に従って、触媒前駆体調製比較例1〜3を用い、反応を行った。還元活性化温度は800℃とした。そして活性測定(活性測定開始時の触媒層入口温度30℃付近、反応圧力0.1MPa、n-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/11(モル比)、全ガス供給速度555 mL/分、空間速度(GHSV)333 L/時間・g を行った。しかし、活性は発現しなかった。そのため、再び800℃で水素による還元活性化を行い、Ar中で触媒層を冷却し、活性測定開始時の触媒層入口温度を100℃とし活性測定(活性測定開始時の触媒層入口温度100℃、反応圧力0.1MPa、n-C4H10/O2/H2O/N2/Ar=1/2/4/1/7(モル比)、全ガス供給速度555 mL/分、空間速度(SV)333 L/時間・g を行った。それでも活性が発現しなかったので、800℃での水素による再還元活性化の後に活性測定開始時の触媒層入口温度を50℃ずつ上昇し、活性が発現するまでこの操作を繰り返した(H2O共存化で反応を行った)。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入口の温度と結果を表4に示す。
これに対して、触媒前駆体調製比較例1、2では、還元活性化温度を600℃、あるいは800℃としても30℃〜50℃では活性は発現しなかった。これらを含めた触媒前駆体調製比較例1〜3での活性発現時の触媒層温度は198℃以上であった。
以上活性測定の結果から、CeO2あるいはPr6O11を担体とし、金属を担持した触媒前駆体を用い、還元活性化温度を適切に制御することで、常温、あるいは常温付近で炭化水素の改質による水素製造反応を駆動できることが明らかとなった。
次に常温で炭化水素の改質による水素製造反応を駆動できたメカニズムを明らかにするためにいくつかの実験を行った。
反応例1と同様に、常圧固定床流通式反応装置に触媒前駆体調製例1を0.1gを充填し、純H2による還元活性化を800℃で行った。そして流通ガスをAr(50 mL/分)に切り替え、触媒層を室温(31℃)まで冷却した。そして、触媒とO2の反応(活性測定開始時の触媒層入口温度31℃、反応圧力0.1MPa、O2/Ar=1/4(モル比)、全ガス供給速度100 mL/分、空間速度(SV)60L/時間・g を行った。触媒層の入口に熱電対を取り付け、反応ガスを流通してからの温度変化をモニターした。反応開始から0、2、4、6分後の触媒層の入口温度は31、63、45、40℃であり、式1により発熱することが分かった。
次の反応は、常圧固定床パルス式反応装置を用いて行った。外径9.9mm内径7mmで内側に不活性処理をした金属反応管に触媒前駆体調製例1、4、あるいはNiを未担持のCeO2、Pr6O11を0.1g充填し、純H2(30 mL/分、0.1 MPa)を流通しながら600℃、あるいは800℃まで昇温(10℃/分)し、その温度で1時間保持することにより還元活性化処理を行った。そして流通ガスをAr(30mL/分)に切り替え、触媒層を50℃まで冷却した。そして、その温度で2.88mLの純O2をパルスし、触媒に吸収されずに残存したO2量をTCD検出器で定量した。それぞれの触媒について、3回目のパルスまでにO2の吸収は殆ど見られなくなった。これらの触媒、還元活性化温度、2回目のパルスまでの全O2吸収量を表5に示す。
先の触媒とO2の反応の結果、および表5により、触媒前駆体調製例1、および4が酸素と反応(式1、式2)し、発熱することが明らかとなった。そのため、このことが駆動力となり室温で触媒層に反応ガスを流通したことにより、n-C4H10の燃焼反応(式3)とそれに続く改質反応(式4、式5)が進行すると推察した。
次に触媒前駆体調製例4(20wt%Ni/Pr6O11)について、600℃での還元活性化後に50℃程度で活性が発現したにも関わらず800℃での還元活性化後に室温付近で活性が発現しなかった理由を検討するために、それぞれの温度での活性化後に常温で空気中に取り出し、XRD測定を行った(図2)。600℃で還元活性化したサンプル(A)では金属NiとPr6O11のXRDパターンが見られ、さらにこのサンプルは反応管から取りだした際に発熱しており、式2により酸素欠陥を有する酸化物が酸素と反応し、Pr6O11へと戻ろうと酸化されたことが示唆された。これに対して800℃で還元活性化したサンプル(B)ではNiとPr6O11に加えてPr2O3が観測され、還元により生成したPr2O3は常温で酸素と接触してもPr6O11へと酸化されないことが分かった。Pr6O11は希土類C型構造であるのに対し、Pr2O3は希土類A型構造を取り安定であることが知られている。600℃で還元活性化を行うと、Pr6O11から一部の酸素が抜け、希土類C型構造を維持したままPr6O11-yが生成し、このサンプルは酸素による酸化を受けやすかった。これに対し800℃という高温で還元を行うと、一部の結晶構造が希土類A型構造へと変化し安定化してしまい、そのため常温で酸素による酸化を受けずn-C4H10の燃焼反応(式3)とそれに続く改質反応(式4)を駆動できなかったことが明らかとなった。なお触媒前駆体調製例1では600℃、800℃いずれの温度での還元活性化後にも金属Ni、NiO(600℃のみ)と蛍石型のCeO2が見られた(図3)。この触媒ではいずれの温度で還元活性化を行っても、サンプルを空気中に取り出した際に、空気により酸化され元の構造(CeO2)に戻ったことが示唆された。
さらに他のCeO2を担体とする触媒についても800℃での還元活性化後に酸素の吸収量を測定した。
<反応例10〜12>
反応例1に従って、触媒前駆体調製例2、3、5を用い、反応を行った。ただし、還元活性化温度は800℃とした。活性測定開始時の触媒層入口温度は100℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/H2O/N2/Ar=1/2/4/1/7(モル比)、全ガス供給速度555 mL/分、空間速度(GHSV)333 L/時間・g とした。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入口の温度と結果を表7に示す。
<反応例13>
さらに触媒前駆体調製例3について検討した。先ず、反応例1に従って反応例13を行った。ただし、還元活性化温度は800℃とし、空間速度(GHSV)167L/時間・g とした。活性測定開始時の触媒層入口温度は50℃とした。また、反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/11(モル比)、全ガス供給速度555mL/分とした。ここではガスクロマトグラフよる生成物分析以外に質量分析計(M-201QA-TDM(キヤノンアネルバ))による分析も行った。35分の反応後に反応ガスをArに切り替え、その後、800℃還元、Ar下での冷却、50℃での反応を4回繰り返した。なお、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。このときの水素の生成(m/e=2)と、触媒層の温度変化を図4に、それぞれのサイクルでの30分後の転化率と収率を図5に示す。CO、CO2、CH4収率の計算式は次の通りである。
次にCeO2−x + 0.5xO2 → CeO2の反応で発生した熱が燃焼反応とそれに続く改質反応を駆動したことを確認するために、触媒前駆体調製例3を800℃で還元した後に50℃でO2/Ar/N2=2/12/1を流通した。この時の触媒層内部の温度変化を図6に示す。
図6より、酸素流通時に0.2分で204℃まで上昇しており、反応の駆動力である触媒層における十分な発熱が確認できた。なお、表6のO2吸収量から800℃で還元した後の触媒前駆体調製例3でのCeO2-xの組成はCeO1.7であることが分かった。
さらに触媒前駆体調製例3を800℃でH2/He(5/95)流通処理、あるいはAir流通処理したまま、In situ XRD測定を行った。その結果を図7に示す。
室温でのXRDパターンは立方晶の蛍石型構造のCeO2に帰属され、a=b=c=0.540nmであった。800℃で測定したXRDパターンについても処理によらず、立方晶の蛍石型構造のみが見られた。そして、2θ=46〜48℃にピークトップを持つ(220)面のピークから格子定数を求めたところ、H2/He(5/95)流通処理では0.552nm、Air処理では0.545nmであった。なお、これらは800℃で測定されたため、室温よりも大きな値であった。800℃においてH2/He(5/95)流通処理でAir処理よりも大きな値が得られたのは、酸素の格子欠陥の生成により、格子が広がったためであると推察した。
<反応例14>
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製例6を用い、反応例14を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は600℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
<反応例15〜16>
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製例7を用い、反応例15を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は200℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。
さらに40分反応を行った後に反応ガスをArに切り替え、反応を停止した。そして、再度、触媒層温度を50℃に調節し、還元活性化後と同様の条件で反応例16を行った。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
<反応例17〜18>
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製例8を用い、反応例17を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は100℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。
さらに40分反応を行った後に反応ガスをArに切り替え、反応を停止した。そして、再度、触媒層温度を50℃に調節し、還元活性化後と同様の条件で反応例18を行った。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
<反応例19〜20>
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製例9を用い、反応例19を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は100℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。
さらに40分反応を行った後に反応ガスをArに切り替え、反応を停止した。そして、再度、触媒層温度を50℃に調節し、還元活性化後と同様の条件で反応例20を行った。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
<反応例21>
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製例10を用い、反応例21を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は200℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
<反応例22>
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製例11を用い、反応例22を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は600℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
<反応例23〜24>
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製例12を用い、反応例23を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は400℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。
さらに40分反応を行った後に反応ガスをArに切り替え、反応を停止した。そして、再度、触媒層温度を50℃に調節し、還元活性化後と同様の条件で反応例24を行った。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
<反応例25>
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製例13を用い、反応例25を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は100℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
さらに40分反応を行った後に反応ガスをArに切り替え、反応を停止した。そして、再度、触媒層温度を50℃に調節し、還元活性化後と同様の条件で反応例26を行った。これらの還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表8に示す。
反応例1にしたがって、触媒前駆体調製比較例4を用い、反応比較例9を行った。なお、石英製反応管を用い、触媒層に熱電対を挿入し、触媒層内部の温度変化を測定した。還元活性化温度は800℃とした。活性測定開始時の触媒層温度は50℃とした。反応ガスはn-C4H10/O2/N2/Ar=1/2/1/7(モル比)、全ガス供給速度407mL/分、空間速度(GHSV)=244L/時間・g とした。還元活性化温度、反応開始時の触媒層入り口の温度と結果を表9に示す。
表8、9より、CeとZrの複合酸化物、あるいはCe、ZrとYの複合酸化物を含み、Rhを担持した触媒前駆体では、触媒前駆体調製例6(1wt%Rh/CeO2)を用いた場合よりも遥かに低温の100℃、あるいは200℃での還元活性化後に常温付近で活性を発現することが明らかとなった。ZrO2のみを担体とした場合には800℃での還元活性化後にも活性は発現せず、Ce、Zr、(Y)の複合化が反応の駆動に大きな影響を及ぼしたことが示された。Ce、Zr、(Y)を含む複合酸化物では低温での格子酸素の移動性が増すことにより、極低温での水素処理により酸素欠陥が生成し、さらに常温付近で速やかに酸化されたと推察している。なお,Yの導入は触媒の高温での安定性の向上に寄与すると推察している.以上の結果をもとにするとRh/CexZr1-xO2での還元活性化が可能な温度は図9の様であると推測している。また、活性金属の種類についても検討したところ、Rhのみならず他の貴金属(Pt)、卑金属(Ni、Co)を担持した触媒前駆体が常温付近で活性を発現することが明らかとなった。
さらに触媒前駆体調製例7、8、9、12、13触媒では一旦反応ガスをArに切り替え、反応を停止した。そして、H2による再還元を行うことなく、Ar流通下で触媒層温度を50℃に調節し、反応ガスを流通したところ活性が発現した。直接熱供給型改質反応ではCOとH2という還元性ガスが生成し、触媒層温度も450℃以上という高温であるため、これらの触媒に含まれる担体が還元されて酸素欠陥が生成する。そのため、反応開始時に常温付近で速やかに担体が酸化され、発熱し触媒の再還元を行うことなく常温付近で反応を駆動できたと推察した。
図3(●)CeO2 ;(▲)NiO ;(△)金属Ni
Claims (1)
- 酸化数変化する希土類元素としてCeO 2 又はPr 6 O 11 の酸化物、又はCeとZrの複合酸化物若しくはCeとZrとYの複合酸化物に、活性金属としてRh、Pd、Pt、Ni、Coの一種類又は混合物を含有させた酸化物を、予め当該酸化物がCeO2の場合は500〜1000℃の還元性ガスにより、当該酸化物がPr6O11の場合は400〜700℃の還元性ガスにより、当該酸化物がCeとZrの複合酸化物の場合は100〜1000℃の還元性ガスにより、当該酸化物がCeとZr とYの複合酸化物の場合は100〜1000℃の還元性ガスにより、活性化処理して当該酸化物に酸素欠陥を導入して水素製造用触媒とし、この触媒に炭化水素と酸素を含む反応ガスを流通する際にこの反応ガスによる前記触媒の反応開始温度を100℃以下の低温度にして炭化水素の燃焼反応とそれに続く改質反応を駆動させることを特徴とする低温からの水素製造方法。
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