JP5852575B2 - 水素又は酸素の電気化学的ポンピング触媒膜リアクタ及びその利用 - Google Patents
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Description
・電解質(2)を挟み込む2つの電極であるアノード(3)及びカソード(1);
・アノード(3)もカソード(1)も導電性を有し;
・電解質(2)は電気を通さず、プロトンを選択する層を形成し;
・好ましくはナノ粒子として、アノード(3)を覆う又はアノード(3)に含浸させた適切な化学触媒(4)
を備える。
・電解質(2)を挟み込む2つの電極であるアノード(3)及びカソード(1);
・アノード(3)もカソード(1)も導電性を有し;
・電解質(2)は電気を通さず、アニオン性酸素を通過する、すなわち電解質(2)はアニオン性酸素を選択する層を形成し;
・好ましくはナノ粒子として、化学反応に適切で、アノード(3)に含浸させた化学触媒(4);
・酸素を含むガスがフィードされる、カソード(1)サイドの少なくとも1つのガスインジェクタ(又はガスフィーダ)
を備える。
・多孔質アノード(3)は、酸化イットリウムで安定化された、ニッケル−ジルコニウム酸化物サーメット(nickel and zirconium oxide cermet)であってもよく;
・電解質(2)はYSZであってもよく;
・そして、カソード(1)は、ランタン−ストロンチウム−マンガナイト(lanthanum strontium manganite)であってもよい。
・使用温度及び圧力で機能する、膜を有する触媒リアクタの使用;
・触媒存在下で、炭化水素とアンモニアのフローの導入;
・生成された水素の電気化学的ポンピング、又は触媒表面に酸素の電気化学的ポンピングを膜が可能にするような、水素又は酸素をポンピングすることによる前記反応で生成される水素の除去。
・水素の電気化学的ポンピング−化学触媒表面から水素を除去する;
・酸素の電気化学的ポンピング−触媒表面に酸素をフィードし、酸素を直接生成した水素と反応させ、そして、ベンゼン転化率を改善することにより、酸素が反応媒質に直接添加される場合のような反応媒質の酸化及び副産物の発生を回避する。
例えば導電性のイットリウム安定化ニッケル−ジルコニアサーメット(YSZ)層から構成される多孔質アノード(3)と;酸素イオンを選択する、非導電性の緻密な層(通常YSZ層)を形成する電解質(2)と;例えば導電性のランタン−ストロンチウム−マンガナイト(LSM)からなるカソードとの3層から構成される。
膜を有する触媒リアクタは酸素の電気化学的ポンピングするための手段を備え、当該手段は複合触媒膜から構成される手段である。ベンゼンの直接アミノ化反応のための触媒は、ニッケル/酸化ニッケルとプラチナナノ粒子を有する二元金属触媒(bimetallic catalyst)である。浸透サイドの電極触媒はプラチナナノ粒子を有する触媒である。多孔質アノード(3)は、例えばイットリウム酸化物で安定化されたニッケル−ジルコニウム酸化物サーメット(YSZ)から構成される。カソード(1)は、例えばランタン−ストロンチウム−マンガナイト(LSM)から構成される。電解質(2)はイットリウムを添加したリン酸ジルコニウムから構成される。
水素の電気化学的ポンピングによって化学触媒表面から水素が除去される電気化学的ポンピング触媒膜リアクタは、プラチナナノ粒子でデコレートされ、ベンゼンからアニリンへの直接アミノ化反応を提供するニッケル/ニッケル酸化物の化学触媒を備え、そして、水素の電気酸化を提供する。複合触媒は、アノード(3)と電解質(2)との間の界面に付着される。アノード(3)は厚さ約1μmの多孔質パラジウム膜から構成される。電解質(2)はイットリウムを添加したリン酸ジルコニウムから構成される。カソード(1)は厚さ0.5μmの多孔質パラジウム膜から構成される。電解質(2)/カソードの界面に、ナノ粒子のプラチナ電極触媒が付着される。これは、水素還元、あるいは、水素の酸素との反応のいずれかを提供すること目的としている。
酸素が化学触媒表面に電気化学的にポンピングされる電気化学的ポンピング触媒膜リアクタは、ニッケル/ニッケル酸化物の化学触媒を備え、ベンゼンの直接アミノ化反応と酸素の電気酸化とを提供する。この複合膜は、ニッケル/ニッケル酸化物の触媒を含浸させた多孔質YSZアノード(3)と;不浸透性のYSZ電解質(2)層と;ランタン−ストロンチウム−マンガナイト(LSM)カソード(1)層から形成される。
Claims (22)
- 水素の電気化学的ポンピングを実行する手段を備える、炭化水素の直接アミノ化反応用触媒膜リアクタであって、
前記触媒膜リアクタの触媒は、
電解質(2)を挟み込む多孔質アノード(3)及び多孔質カソード(1)からなる2つの電極であって、前記アノード(3)及び前記カソード(1)が導電性を有し、前記電解質(2)が非導電性を有し、かつプロトンを選択する層を形成する2つの電極と;
前記アノード(3)の気孔内面に担持された、ナノ粒子形態のプラチナ又はパラジウムでデコレートされる前記直接アミノ化反応を促進する化学触媒(4)と;
前記アノード(3)の気孔内面に担持された、水素の酸化反応を促進する電極触媒を含む前記アノード(3)と;
前記カソード(1)の気孔内面に担持された水素の還元反応を促進する電極触媒を含む前記カソード(1)と
を備える触媒膜リアクタ。 - 請求項1記載の触媒膜リアクタであって、
さらに、前記2つの電極間に電位差を印加する電力供給装置を備えることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1記載の触媒膜リアクタであって、
さらに、前記カソードに酸素含有ガスフローをフィードするためのシステムを備えることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
前記化学触媒(4)はナノ粒子形態で存在することを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
前記化学触媒(4)は、ナノ粒子形態であり、前記アノード上に付着していることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
前記電極触媒は前記アノード(3)と前記電解質(2)の間に付着することを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
前記アノード(3)は、パラジウム、又はパラジウムと銀の合金から構成されることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
前記カソード(1)はパラジウム又は多孔質パラジウム層から構成されることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
前記触媒膜はセラミックス又は多孔質金属膜上に支持されることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
前記電解質(2)はリン酸を添加したポリベンゾイミダゾール膜から構成され、使用温度範囲は120℃〜200℃であることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
使用温度範囲は600℃以下であることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
前記電解質(2)はイットリウムを添加したリン酸ジルコニウム(YSZ)から構成され、使用温度範囲は120℃〜600℃であることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 酸素の電気化学的ポンピングを実行する複合膜を備える手段を含む、炭化水素の直接アミノ化反応用触媒膜リアクタであって、
前記複合膜は、
電解質(2)を挟み込む多孔質アノード(3)及び多孔質カソード(1)からなる2つの電極であって、前記アノード(3)及び前記カソード(1)が導電性を有し、前記電解質(2)が非導電性を有し、かつアニオン性酸素を選択する2つの電極と;
ナノ粒子形態で存在し、前記アノード(3)の気孔内面に担持された、ナノ粒子形態のプラチナ又はパラジウムでデコレートされる前記直接アミノ化反応を促進する化学触媒(4)と;
酸素含有ガス混合物をフィードする、前記カソード(2)サイドの少なくとも1つのガスフィーダと;
前記アノード(3)の気孔内面に担持された、酸素の酸化反応を促進する電極触媒を含む前記アノード(3)と;
前記カソード(1)の気孔内面に担持された電極触媒を含む前記カソード(1)と
を備える触媒膜リアクタ。 - 請求項13記載の触媒膜リアクタであって、
さらに、前記2つの電極間に電位差を印加する電力供給装置を備えることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項13又は14記載の触媒膜リアクタであって、
前記複合膜は固体酸化物燃料電池(SOFC)膜であることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項13〜15のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
使用温度範囲は500℃〜1000℃であることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項13〜15のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
フィードされる前記ガスは空気であることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 請求項13〜17のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタであって、
チューブ状の複合膜のバンドルを備えることを特徴とする触媒膜リアクタ。 - 炭化水素の直接アミノ化反応のための方法であって、
使用温度及び圧力で、請求項1〜18記載のいずれか一項に記載の触媒膜リアクタを利用する工程と;
触媒の存在下で、炭化水素又はアンモニアのフローをフィードする工程と;
前記触媒膜リアクタの触媒が、反応媒質中で生成した水素の電気化学的ポンピング、又は前記生成した水素を酸化するための化学触媒表面に酸素の電気化学的ポンピングを可能にするように、水素又は酸素をポンピングすることによって、前記反応において生成した水素を除去する工程とから構成されることを特徴とする方法。 - 請求項19記載の直接アミノ化反応のための方法であって、
前記炭化水素及びアンモニアフィードフローは、化学量論的割合でフィードされることを特徴とする方法。 - 請求項19又は20記載の直接アミノ化反応のための方法であって、
前記アンモニアは炭化水素フィードに比して化学量論的割合を超えてフィードされることを特徴とする方法。 - 請求項19〜21のいずれか一項に記載の直接アミノ化反応のための方法であって、
前記炭化水素はベンゼンであり、反応生成物はアニリンであることを特徴とする方法。
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