JP7305633B2 - 触媒、二酸化炭素還元方法、及び二酸化炭素還元装置 - Google Patents
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Description
[1]一般式M1Ox(なお、M1は遷移金属元素で、xは正の実数)で表される第1の遷移金属酸化物(A1)と、
二酸化炭素を吸着可能な金属化合物(B1)とを含有し、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、還元により一般式M1Ox-n(なお、M1及びxは上記と同じであり、nはx以下の正の実数)で表される化合物を生成可能である、触媒。
[2]M1で表される遷移金属元素が、鉄、チタン、モリブデン、イットリウム、クロム、ランタン、及びニオブからなる群から選択される少なくとも1種である上記[1]に記載の触媒。
[3]一般式M2Oy(なお、M2は遷移金属元素でかつM1と異なり、yは正の実数)で表される第2の遷移金属酸化物(A2)をさらに含み、
前記第2の遷移金属酸化物(A2)が、前記金属化合物(B1)に担持される、上記[1]又は[2]に記載の触媒。
[4]M2で表される遷移金属元素がセリウムである上記[3]に記載の触媒。
[5]M1で表される遷移金属元素が鉄であり、かつM2で表される遷移金属元素がセリウムである、上記[3]又は[4]に記載の触媒。
[6]M1で表される第1の遷移金属元素に対する、M2で表される第2の遷移金属元素の質量比(第2の遷移金属元素/第1の遷移金属元素)が、5/95以上80/20以下である上記[3]~[5]のいずれか1項に記載の触媒。
[7]前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも1種の金属である、上記[1]~[6]のいずれか1項に記載の触媒。
[8]前記金属化合物(B1)が金属酸化物である上記[1]~[7]のいずれか1項に記載の触媒。
[9]白金系化合物(C1)をさらに含む、上記[1]~[8]のいずれか1項に記載の触媒。
[10]二酸化炭素の還元により酸化され、水素により還元される、上記[1]~[9]のいずれか1項に記載の触媒。
[11]上記[1]~[10]のいずれか1項に記載の触媒と、不活性緩衝材料とを含む触媒混合物。
[12]前記不活性緩衝材料が、無機酸化物である、上記[11]に記載の触媒混合物。
[13]前記不活性緩衝材料が、第4族元素を含む酸化物及び第14族元素を含む酸化物からなる群から選択される少なくとも1種である、上記[11]又は[12]に記載の触媒混合物。
[14]上記[1]~[10]のいずれか1項に記載の触媒、又は上記[11]~[13]のいずれか1項に記載の触媒混合物を用いて二酸化炭素を還元させる二酸化炭素還元方法であって、
前記触媒を還元させる触媒還元反応と、前記触媒により二酸化炭素を還元させる二酸化炭素還元反応とを行う、二酸化炭素還元方法。
[15]前記二酸化炭素還元反応における反応温度が前記金属化合物(B1)の平衡反応開始温度以上である上記[14]に記載の二酸化炭素還元方法。
[16]前記二酸化炭素還元反応における反応温度が、700℃以下である上記[13]又は[15]に記載の二酸化炭素還元方法。
[17]上記[1]~[10]のいずれか1項に記載の触媒、又は上記[11]~[13]のいずれか1項に記載の触媒混合物を備える二酸化炭素還元装置。
[18]前記触媒、又は前記触媒混合物を含む第1の反応器と、二酸化炭素供給器と、水素供給器と、切替えシステムとを含み、
前記第1の反応器が、切替えシステムにより二酸化炭素供給器および水素供給器に交互に連結される、上記[17]に記載の二酸化炭素還元装置。
[19]前記触媒、又は前記触媒混合物を含む第2の反応器をさらに含み、
前記第1の反応器および前記第2の反応器が、切替えシステムにより二酸化炭素供給器および水素供給器に交互に連結される、上記[18]に記載の二酸化炭素還元装置。
本発明の触媒は、遷移金属酸化物(A)と、金属化合物(B1)とを含有し、例えばケミカルルーピングで使用されるものである。
本発明の触媒は、例えば、二酸化炭素還元用触媒として使用される。より具体的には、水素などにより触媒を還元する触媒還元反応(第1プロセス)と、触媒を用いて二酸化炭素を還元して一酸化炭素などの還元物を生成する二酸化炭素還元反応(第2プロセス)をそれぞれ行うとともに、触媒をこれら触媒還元反応及び二酸化炭素還元反応に循環(looping)させるケミカルルーピングなどに使用される。本発明の触媒は、二酸化炭素の還元により酸化され、かつ水素により還元され得るものであるとよい。
[遷移金属酸化物(A)]
本発明の触媒は、遷移金属酸化物(A)として、少なくとも第1の遷移金属酸化物(A1)を含有する。本発明では、酸化物(A1)を、後述する金属化合物(B1)に担持させることで、比較的低温で還元反応を行っても、二酸化炭素の還元率を高くできる。
また、本発明の触媒は、遷移金属酸化物(A)として、第1の遷移金属酸化物(A1)及び第2の遷移金属酸化物(A2)を含有することが好ましい。本発明では、酸化物(A1)、及び酸化物(A2)を、後述する金属化合物(B1)に担持させることで、二酸化炭素の還元率が向上し、さらに、触媒を繰り返し使用しても触媒性能が良好に維持されるので、触媒寿命が長くなる。
一般式M1Oxで表される化合物は、第1プロセスにおいて還元され、一般式M1Ox-nとなる。一般式M1Ox-nで表される化合物は、第2プロセスにおいて酸化され、一般式M1Oxとなる。これにより、触媒は、二酸化炭素還元反応及び触媒還元反応を循環して使用できる。
第1の遷移金属酸化物(A1)を構成する遷移金属元素は、複数の酸化概念状態を持つものである。ここで、「複数の酸化概念状態を持つ」とは、例えば鉄ならば、Fe+2、Fe+3のように、複数の価数を取り得る金属元素である。
第1の遷移金属元素は、上記遷移金属元素の中でも、鉄、モリブデン、クロムなどが好適であり、特に第1の遷移金属元素が鉄を含むことが好ましい。これら金属元素を使用することで、二酸化炭素の還元率が高くなる。また、低温下でも二酸化炭素を還元しやすくなる。
酸化物(A1)は、アモルファスでもよいし、結晶性を有してもよい。遷移金属酸化物(A)により形成される結晶構造は、いかなるものでもよい。
第2の遷移金属酸化物(A2)は、酸化物(A1)のように還元可能な化合物であってもよいが、還元されない化合物であってもよい。また、還元可能な化合物は、好ましくは第1の遷移金属酸化物(A1)よりも還元される温度が高いことが好ましい。
したがって、本発明では、第1の遷移金属元素が鉄であり、かつ第2の遷移金属元素がセリウムであることが好ましく、第1の遷移金属酸化物(A1)がFe2O3であり、かつ第2の遷移金属酸化物(A2)がCeO2であることがより好ましい。酸化物(A1),(A2)として、酸化鉄と酸化セリウムを組み合わせて使用することで、触媒活性が良好になるとともに、繰り返し使用後でも触媒性能がより一層良好に維持されやすい。
金属化合物(B1)は、二酸化炭素を吸着可能な金属化合物であって、第1の遷移金属酸化物(A1)を担持する。また、触媒が遷移金属酸化物(A)として、第1の遷移金属酸化物(A1)及び第2の遷移金属酸化物(A2)を含有する場合、金属化合物(B1)は、第1の遷移金属酸化物(A1)及び第2の遷移金属酸化物(A2)を担持する。ただし、金属化合物(B1)は、遷移金属酸化物(A)とは異なる化合物である。担持する方法は、特に限定されないが、酸化物(A1)単独を、又は酸化物(A1),(A2)を混合させて金属化合物(B1)の表面に担持させるとよい。
本発明の触媒は、酸化物(A1)と、酸化物(A1)を担持する金属化合物(B1)とを有することで、比較的低温下で二酸化炭素還元を行っても還元率が高くなる。
また、酸化物(A1),(A2)と、これら酸化物(A1)、(A2)を担持する金属化合物(B1)とを有することで、比較的低温下で二酸化炭素還元を行っても還元率が高くなり、かつ繰り返し使用後でも触媒性能が良好に維持され、触媒寿命が長くなる。
また、ケミカルルーピングプロセス(第1及び第2プロセス)のように触媒を繰り返し使用すると、第1の遷移金属酸化物(A1)は、膨張と収縮を繰り返すが、金属化合物(B1)に加え第2の遷移金属酸化物(A2)がさらに担持されることで、第2の遷移金属酸化物(A2)が緩衝層となって、触媒の破壊が抑えられ、それにより、繰り返し使用後でも触媒性能が良好に維持されると推定される。
金属化合物(B1)は、金属酸化物であることが好ましい。金属酸化物は、二酸化炭素と反応することで、分子内に二酸化炭素を捕捉して二酸化炭素を吸着するものであればよい。金属酸化物は、上記金属の単純酸化物でもよいが、上記金属を2種以上含む複合酸化物、又は上記金属元素と金属以外の元素をさらに含む複合酸化物などでもよい。
理論吸着量は、高ければ高いほうがよく、より好ましくは35質量%以上、さらに好ましくは70質量%以上である。35質量%以上とすることで1分子の二酸化炭素が1分子の金属化合物に吸着する性能は高くなる。
理論吸着量は高いほどよいが、その上限としては、通常200質量%以下、好ましくは150質量%以下である。
上記した各金属の酸化物は、二酸化炭素を吸着する反応が発熱反応となる。したがって、金属化合物(B1)が二酸化炭素を吸着することで発熱するため、遷移金属酸化物(A)による二酸化炭素の還元を促進しやすくなる。
上記化合物の中では、二酸化炭素の吸着性能、及び二酸化炭素との反応性の観点から、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムが好ましく、酸化マグネシウム(MgO)が最も好ましい。
金属化合物(B1)は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
金属化合物(B1)の上記含有量は、これら観点から、より好ましくは200質量部以上2000質量部以下、さらに好ましくは250質量部以上1500質量部以下、特に好ましくは300質量部以上1000質量部以下である。
白金系化合物(C1)は、白金族元素を含む化合物である。白金族元素としては、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金が挙げられ、これらの中では、パラジウムが好ましい。白金系化合物(C1)は、パラジウムを含むことで、二酸化炭素の還元を促進しやすくなる。
白金系化合物(C1)は、金属そのものでもよいし、酸化物でもよいし、その他の化合物でもよいが、好ましくは酸化物であり、酸化パラジウムが特に好ましい。酸化パラジウムとしては、例えば、PdOが挙げられる。
白金系化合物(C1)を使用する場合、金属化合物(B1)の含有量に対する白金系化合物(C1)の含有量の比(C1/B1)は、例えば、1/1000以上5以下、好ましくは1/980以上4以下、より好ましくは1/970以上4/5以下である。これら下限値以上とすること一酸化炭素を合成しやすくなり、また、これら上限値以下とすることでコスト低減につながる。
触媒の平均粒子径は、例えば1μm以上10mm以下、好ましくは10μm以上6mm以下、より好ましくは20μm以上5mm以下である。触媒の平均粒子径をこれら範囲内とすることで、吸熱反応の反応率を向上させやすくなる。
なお、本明細書において、平均粒子径とは、電子顕微鏡で観察される一視野中の任意の200個の触媒の粒径の平均値を意味する。この際、「粒径」とは、触媒の輪郭線上の2点間の距離のうち最大の長さを意味する。平均粒子径は、例えば塊状などであり、一次粒子が凝集している場合には、二次粒子の平均粒子径を意味する。
触媒は、BET法で測定される比表面積が1m2/g以上500m2/g以下であることが好ましく、3m2/g以上450m2/g以下であることがより好ましく、5m2/g以上400m2/g以下であることがさらに好ましい。比表面積が上記範囲内であることで、反応率を向上させやすくなる。
次に、本発明の触媒の製造方法について説明する。なお、以下の説明では、遷移金属酸化物(A)、金属化合物(B1)、及び白金系化合物(C1)それぞれを得るための原料は、以下、それぞれ、遷移金属酸化物原料(a)、金属化合物原料(b1)、及び白金系原料(c1)として説明する。
金属化合物原料(b1)としては、焼成することで金属化合物(B1)となるものであれば限定されないが、金属塩が好ましい。金属塩に使用する金属は、上記した金属化合物(B1)を構成する金属を使用する。金属化合物原料(b1)に使用する金属塩としては、硝酸塩、硫酸塩、塩化物これらの複合物などが挙げられ、これらの中では硝酸塩が好ましい。したがって、遷移金属がマグネシウムである場合、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸水酸化マグネシウムなどを使用すればよい。また、金属化合物(B1)が2種以上の成分を含む場合には、2種以上の金属塩を混合して使用するとよい。さらに、金属塩は適宜水和物を使用してもよい。
また、例えば、昇温速度1~20℃/分、好ましくは昇温速度2~10℃/分で上記昇温温度になるように昇温するとよい。昇温速度を下限値以上とすることで、粒子生成を促進させることができ、上限値以下とすることで結晶の割れを避けることが可能である。
また、金属化合物原料(b1)の焼成時間は、1~24時間が好ましく、1.5~20時間がより好ましい。これら下限値以上とすることで酸化物が形成され、また、表面に付着した不純物の除去が可能である。上限値以下とすることで、過度の粒子成長を防ぐことが可能である。
遷移金属酸化物原料(a)は、焼成することで第1の遷移金属酸化物となる第1の遷移金属酸化物原料(a1)、又は、第1の遷移金属酸化物原料(a1)と、焼成することで第2の遷移金属酸化物となる第2の遷移金属酸化物原料(a2)とからなる。原料(a1)、(a2)としては、焼成することで遷移金属酸化物(A)となるものであれば限定されないが、遷移金属塩が好ましい。また、触媒が第1の遷移金属酸化物(A1)と第2の遷移金属酸化物(A2)とを含有する場合、原料(a1)及び(a2)の混合物を、金属化合物(B1)に付着した状態で焼成することが好ましい。
遷移金属塩としては、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、水酸化物、炭酸塩これらの複合物などが挙げられ、これらの中では複数溶媒での溶解度、水での溶解度の点で硝酸塩が好ましい。したがって、第1の遷移金属元素が鉄である場合、第1の遷移金属元素の金属塩としては、硝酸鉄、硫酸鉄、塩化鉄などを使用すればよいが、硝酸鉄が好ましい。また、第2の遷移金属がセリウムである場合、硝酸セリウム、硫酸セリウム、塩化セリウムなどを使用すればよいが、硝酸セリウムが好ましい。
したがって、第1の遷移金属元素が鉄であり、第2の遷移金属元素がセリウムである場合、遷移金属酸化物原料(a)として、硝酸鉄と硝酸セリウムの混合物を使用することがより好ましい。また、遷移金属塩は適宜水和物を使用することが好ましい。具体的には、計量精度の点で硝酸鉄9水和物を使用することが好ましく、硝酸鉄9水和物と硝酸セリウム6水和物の混合物を使用することがより好ましい。
乾燥は、好ましくは20~200℃、より好ましくは50~150℃の温度で、例えば、0.5~5時間、好ましくは1~4時間で行うとよい。このように乾燥することで均一に乾燥させることが可能である。
また、遷移金属酸化物原料(a)の焼成時間は、1~24時間が好ましく、1.5~20時間がより好ましい。これら下限値以上とすることで、酸化物が形成され、また、表面に付着した不純物の除去が可能である。また、上限値以下とすることで、過度の粒子成長を防ぐことが可能である。
これらのなかでは、ガス反応中に触媒とガスが衝突して反応することで、高反応速度を得る観点から、金属化合物(B1)を用意し、次に、遷移金属酸化物原料(a)を上記金属化合物(B1)上に付着して焼成して、その後、白金系原料(c1)をさらに付着して焼成することが好ましい。
白金系原料(c1)としては、焼成することで白金系化合物(C1)となるものであれば限定されないが、上記した白金系元素の金属塩が好ましい。その金属塩としては、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、水酸化物、これらの複合物などが挙げられ、これらの中では塩化物が好ましい。したがって、白金系元素がパラジウムである場合、硝酸パラジウム、硫酸パラジウム、塩化パラジウム、水酸化パラジウムなどを使用すればよいが、塩化パラジウムが好ましい。また、白金系元素が2種以上含む場合には、2種以上の金属塩を混合して使用するとよい。さらに、金属塩は適宜水和物を使用してもよい。
遷移金属酸化物原料(a)の付着方法及び焼成方法は、上記と同様である。また、白金系原料(c1)の付着方法は、原料(a)と同様に、混合、塗布、含浸などの公知の方法で行うとよい。詳細は、上記した通りである。また、白金系原料(c1)は、水に溶解させて水溶液にして付着させるとよく、塗布、含浸後に乾燥などするとよい。
白金系原料(c1)の焼成時間は、1~24時間が好ましく、1.5~10時間がより好ましい。これら下限値以上とすることで、表面に付着した不純物の除去が可能である。また、上限値以下とすることで、過度の粒子成長を防ぐことが可能である。
なお、金属化合物(B1)の表面に、遷移金属酸化物(A)を担持させる方法は、上記した方法に限定されず、例えば、金属化合物(B1)の表面に、スッパッタリングなどにより遷移金属酸化物(A)を付着させてもよい。白金系化合物(C1)も同様に金属化合物(B1)の表面に、スッパッタリングなどにより付着させてもよい。
本発明は、上記触媒を含有する触媒混合物も提供する。触媒混合物は、上記触媒に加えて、不活性緩衝材料を含有する。不活性緩衝材料は、上記触媒と混合されて使用されるものであり、不活性緩衝材料は、触媒に対して結着などしておらず、触媒の各成分と化学的な結合を生じさせない状態で、触媒と混合される。
上記した本発明の触媒は、吸熱反応触媒である。したがって、本発明の触媒により促進又は進行される吸熱反応は、その触媒の周囲の熱を吸収する。このような吸熱反応による温度低下が伝播していくことで系全体の反応温度が低下し、吸熱反応が進行しにくくなることがある。触媒混合物では、不活性緩衝材料が、触媒に混合され、触媒と触媒の間に入り込んでいる。そのため、吸熱反応により生じた一部の温度低下が伝播しにくくなり、系全体としての温度低下が防止される。それにより、吸熱反応の反応率が良好に維持される。
第4族元素としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウムなどが挙げられる。第14族元素としては、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛などが挙げられる。
複合酸化物としては、上記した元素の2種以上の複合酸化物、又はこれらから選択される1種以上と他の少なくとも1種の元素の複合酸化物などが挙げられる。
以上のような酸化物を使用することで、吸熱反応による温度低下の伝播が抑制されやすくなり、吸熱反応の反応率の低下を抑制しやすくなる。
無機酸化物としては、具体的にはチタニア、ジルコニア、酸化ハフニウム、シリカ、酸化ゲルマニウム、酸化スズ、酸化鉛などが挙げられる。
不活性緩衝材料としては、温度低下の伝播を抑えて反応率を向上させる観点から、上記した中では、チタニア、ジルコニア、シリカ、酸化ゲルマニウム、酸化スズ、酸化鉛が好ましく、チタニア、ジルコニア、シリカ、酸化ゲルマニウムがより好ましく、チタニア、ジルコニア、シリカがさらに好ましく、ジルコニア、シリカが特に好ましく、シリカが最も好ましい。
不活性緩衝材料は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
また、触媒の平均粒子径に対する、不活性緩衝材料の平均粒子径の比は、1/20以上20以下が好ましく、1/10以上10以下がより好ましく、1/5以上5以下がさらに好ましい。平均粒子径をこれら範囲内とすることで、不活性緩衝材料と触媒が適度に混合して、吸熱反応を十分に進行させつつ吸熱反応による温度低下を効果的に抑制できる。
体積比をこれら範囲内にすることで、不活性緩衝材料を使用したことによる効果を発揮しやすくなるとともに、不活性緩衝材料によって反応効率が低下するなどの不具合も生じにくくなる。
なお、触媒混合物は、触媒及び不活性緩衝材料からなるものでもよいが、本発明の効果を阻害しない範囲内であれば、触媒及び不活性緩衝材料以外の物質を含んでいてもよい。そのような物質は、触媒混合物の全体積の例えば20体積%以下、好ましくは10体積%以下、さらに好ましくは5体積%以下である。
触媒混合物は、予め用意した上記触媒と不活性緩衝材料とを混合することで得ることができる。混合は、特に限定されないが、公知の混合機を使用して行うとよい。例えば、容器自体を回転又は振とうさせて、内部に投入された内容物(すなわち、触媒と不活性緩衝材料)を混合させる容器可動タイプ、容器内部に設けられたスクリューなどにより内容物を混合させる攪拌タイプなどを使用すればよい。このようにして得られた触媒混合物は、後述するように反応器などに充填して使用される。
本発明の触媒は、上記したとおり、例えばケミカルルーピングで使用される。また、本発明の触媒は、上記したとおり、二酸化炭素還元用触媒として使用される。より具体的には触媒を還元させる触媒還元反応と、触媒を用いて二酸化炭素を還元させる二酸化炭素還元反応とを行うとよく、触媒は、二酸化炭素還元反応と触媒還元反応の間を循環するように使用される。触媒を還元させる触媒還元反応では還元剤を使用する。
H2(ガス) + MOx(固体) →H2O(ガス)+MOx-n(固体) (A)
CO2(ガス) + MOx-n(固体) →CO(ガス)+ MOx(固体) (B)
(なお、式(1)、(2)において、M、x、nは上記と同じである。)
すなわち、触媒還元反応では還元剤である水素が酸化されて水が生成される。また、二酸化炭素還元反応では、二酸化炭素を還元させて一酸化炭素が生成される。
触媒還元反応の温度は、例えば、850℃以下、好ましくは750℃以下、より好ましくは700℃以下である。これら上限値以上にすることで、経済性の向上が可能である。
なお、上記ケミカルルーピングにおける二酸化炭素還元反応の反応温度は、金属化合物(B)が金属化合物(B1)を含む場合には、上記で説明したように、金属化合物(B1)の平衡反応開始温度以上にすることが好ましい。
上記ケミカルルーピングにおける二酸化炭素還元反応の反応温度は、具体的には、1000℃以下、好ましくは850℃以下、より好ましくは700℃以下、よりさらに好ましくは650℃以下である。本発明の触媒は、低温下でも高い還元率で還元反応を行うことができるので、二酸化炭素還元反応を比較的低温にすることが可能である。また、650℃以下とすることで廃熱活用が可能となる。さらに、二酸化炭素還元反応の反応温度は、450℃以下にすることも可能である。450℃以下とすることで更なる経済性の向上が可能である。
さらに、一酸化炭素などの還元物は、金属酸化物などにより、従来石油化学により合成される炭化水素、アルコールを含むC1からC20までの化合物に変換されてもよい。得られる具体的な化合物としてはメタン、エタン、プロピレン、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトアルデヒド、ジエチルエーテル、酢酸、酪酸、炭酸ジエチル、ブタジエンなどが挙げられる。
また、本発明のケミカルルーピングは、各種の還元装置で行わればよく、例えば、二酸化炭素還元を行う二酸化炭素還元装置で行われる。二酸化炭素還元装置は、上記触媒を備える装置である。二酸化炭素還元装置は、触媒固定ガス交換型でもよいし、触媒循環型でもよい。
触媒固定ガス交換型は、触媒を固定して反応器に供給されるガスを切り替えることでケミカルルーピングを行う還元装置である。触媒固定ガス交換型還元装置は、触媒が充填された反応器(第1の反応器)と、反応器に接続される供給口及び排出口を備える。
触媒固定ガス交換型還元装置では、反応器に供給口から二酸化炭素(気体)が供給され、反応器内部において、触媒により二酸化炭素が還元される二酸化炭素還元反応が行われる。二酸化炭素還元反応では、通常、一酸化炭素が生成される。
また、反応器に供給口から還元剤(気体)が供給され、触媒が還元される触媒還元反応が行われる。還元剤は典型的には水素であり、水素が還元剤であると、触媒還元反応では、通常、水が生成される。
触媒は、二酸化炭素還元反応では還元剤として作用し酸化するとともに、酸化した触媒は、触媒還元反応で反応器に供給された水素などの還元剤により還元され、再び二酸化炭素還元反応で使用される。このように、本発明の触媒は、二酸化炭素還元反応及び触媒還元反応の間を循環(looping)して使用される。
切替えシステムは、反応器と、二酸化炭素供給器及び水素供給器を交互に連結させるものであればよい。なお、ここでいう「連結」とは、二酸化炭素供給器又は水素供給器から二酸化炭素又は水素が反応器に供給されるように、二酸化炭素供給器又は水素供給器と反応器が接続されることを意味する。
また、触媒還元反応を行うための還元剤の供給時間は、例えば1分以上120分以下、好ましくは1分以上60分以下である。1分以上とすることでシステム制御が簡易であり、120分以下とすることで少ない触媒量で反応が可能である。
各反応器への二酸化炭素の供給時間は、装置の種類、大きさなどに合わせて適宜調整されるが、例えば1分以上180分以下、好ましくは2分以上120分以下である。1分以上とすることでシステム制御が簡易であり、180分以下とすることで少ない触媒量で反応が可能である。
また、各反応器への還元剤の供給時間は、例えば1分以上120分以下、好ましくは1分以上60分以下である。1分以上とすることでシステム制御が簡易であり、120分以下とすることで少ない触媒量で反応が可能である。
なお、触媒固定ガス交換型還元装置は、3つ以上の反応器を備えていてもよく、3つ以上の反応器に順次二酸化炭素が供給されてもよい。
触媒循環型還元装置は、複数の反応器間で触媒を循環させて、ケミカルルーピングを行う。触媒循環型還元装置は、それぞれ二酸化炭素還元反応及び触媒還元反応を行うための第1及び第2の反応器と、触媒を2つの反応器間で循環させる触媒循環経路とを有する。触媒循環型還元装置では、第1の反応器に二酸化炭素が供給され上記二酸化炭素還元反応が行われ、還元された物質(例えば、一酸化炭素)が排出されるとともに、第2の反応器に還元剤(例えば、水素)が供給され、触媒が還元される触媒還元反応が行われる。第2の反応器では、触媒の還元により、還元剤は酸化され、酸化された物質(例えば、水)がガスとして排出される。
また、第1の反応器で酸化させた触媒が第2の反応器に送られ、かつ第2の反応器で還元された触媒が第1の反応器に送られることで、触媒が循環させられる。このように触媒を反応器間で循環させることで、第1及び第2の反応器それぞれで、二酸化炭素還元反応及び触媒還元反応それぞれを継続的に行っても、触媒は、失活することなく、長期間使用し続けることが可能になる。
また、還元装置が2つ以上の反応器を備える場合、少なくとも1つの反応器に触媒が充填され、その他の反応器に触媒混合物が充填されてもよい。
還元装置は、上記したように、各種の二酸化炭素排出設備に接続されて使用されるが、二酸化炭素排出設備に設けられる燃焼炉で発生した熱エネルギーを利用して二酸化炭素を加熱する二酸化炭素還元システムに使用することが好ましい。以下、二酸化炭素還元システムの好ましい実施形態について詳細に説明する。
二酸化炭素還元システム10における燃焼炉11は、例えば廃棄物などを焼却する焼却炉が挙げられる。焼却炉の種類は、特に限定されないが、ストーカー式焼却炉、流動床式焼却炉、キルン式焼却炉、ガス化溶融炉など公知のものが使用される。焼却炉は、これらの方式の2以上を組み合わせたものであってもよい。燃焼炉11は、これらの中ではストーカー式焼却炉が好ましい。また、燃焼炉11は、廃棄物を焼却するものに限定されず、被燃焼物を燃焼させることで発生する排気ガスに、二酸化炭素が含有されるものであれば、高炉など、コークスなどの廃棄物以外を燃焼させるものであってもよい。燃焼炉11としては、廃棄物を焼却する焼却炉が好ましい。
排気ガスは、例えば、二酸化炭素が2~30質量%、一酸化炭素が15~45%、水素が10~50%、窒素が25~67質量%、酸素が0.5~20質量%、水が5~40質量%含まれるものであってもよい。また、例えば、二酸化炭素が2.5~25質量%、窒素が35~70質量%、酸素が4~18質量%、水が10~35質量%含まれるものであってもよい。
なお、上記では燃焼室17は、下段燃焼室15とガス燃焼室16とからなる構成が示されるが、ガス焼却室16は省略され、下段燃焼室15がガス排出路18に直接接続されてもよい。また、以上では、燃焼炉がストーカー式焼却炉である場合を例に説明したが、燃焼炉は、いかなるものでもよく、燃焼室と、ガス排出路とを備える公知の燃焼炉を適宜使用すればよい。
二酸化炭素還元システム10は、上記のように熱交換器20を備える。本実施形態において熱交換器20はガス排出路18に取り付けられる。熱交換器20は、燃焼室17から送られた、ガス排出路18内部の排気ガスを冷却する。
なお、熱交換器20の内部に通される媒体は、後述するように、二酸化炭素分離装置30によって分離された二酸化炭素である。熱交換器20内部の二酸化炭素は、燃焼室17から送られた、ガス排出路18内部の高温にされた排気ガスと熱交換することで加熱される。
また、ガス排出路18内部には、熱交換器20以外にも熱交換器(図示しない)が設けられ、その熱交換器によってもガス排出路18内部の排気ガスが冷却されてもよい。そのような熱交換器は、例えば、ボイラーの一部を構成し、排気ガスによって加熱された熱交換器内部の媒体が、ボイラーを駆動させるために使用されてもよい。
例えば、図1に示すように、ガス排出路18と二酸化炭素分離装置30の間の経路上には、冷却装置21が設けられ、熱交換器20で冷却された排気ガスは、冷却装置21でさらに冷却された上で二酸化炭素分離装置30に送られてもよい。冷却装置21としては、特に限定されないが、熱交換器、冷却塔などが挙げられる。冷却塔は、水噴霧式、空冷式など、焼却炉で一般的に使用されるものを使用すればよい。
なお、二酸化炭素還元システム10には、冷却装置21と清浄装置22のいずれか一方が設けられてもよいし、両方が設けられてもよいし、両方とも設けられなくてもよい。また、冷却装置21及び清浄装置22以外の処理装置が設けられてもよい。また、冷却装置21及び清浄装置22は、それぞれ単数であってもよいし、複数設けられてもよい。
二酸化炭素分離装置30は、燃料炉11から送られてきた排気ガスから二酸化炭素を分離する。二酸化炭素分離装置30の分離方式としては、特に限定されないが、化学吸収法、固体吸収法、膜分離法などが挙げられる。化学吸収法に使用する装置としては、例えば、排気ガス中の二酸化炭素をアミン溶液などからなる溶液に吸収させて分離する装置、圧力変動吸着法(PSA法)などを利用した装置などが挙げられる。固体吸収法に使用する装置としては、二酸化炭素を吸収可能な固体吸収剤を多孔質支持体に担持させたものなどが挙げられる。また、TSA(Thermal Swing adsorption)法を利用した装置などでもよい。膜分離法に使用する装置としては、二酸化炭素分離膜が挙げられる。二酸化炭素分離膜としては、PBI系(ポリベンゾイミダゾール系)の分離膜などが挙げられる。PBI系分離膜は耐熱性を有し、比較的高温の排気ガスでも二酸化炭素を分離することが可能である。これらの中では、二酸化炭素分離膜を使用することが好ましい。
熱交換器20において加熱された二酸化炭素は、循環経路40を通って、還元装置50に送られる。一方で、燃焼炉11で発生した排気ガスは、熱交換器20内部を通る二酸化炭素により冷却され、上記したとおり、燃焼炉11の外部に出されて、二酸化炭素分離装置30に送られる。
還元装置50には、熱交換器20などで加熱された二酸化炭素が供給され、二酸化炭素が還元される。還元装置50は、上記した還元装置が使用され、ケミカルルーピングを行うことで二酸化炭素を還元する。還元装置50では、二酸化炭素の還元により、一酸化炭素などの還元物が得られる。
還元装置50に供給される二酸化炭素の温度T4は、200~900℃が好ましく、300~700℃がより好ましい。二酸化炭素の温度T4を上記範囲内とすることで、還元装置50における追加的な加熱を少なくすることができ、または、加熱をしなくても、二酸化炭素を還元することが可能になる。
水素などの還元剤の加熱方法は、特に限定されないが、二酸化炭素と同様に、燃焼炉(ガス排出路)に取り付けられた熱交換器の内部や、冷却装置21の熱交換器内部に媒体として通すことで加熱してもよいし、他の方法で加熱してもよい。
ただし、この場合も、分離された二酸化炭素は、燃焼炉で発生した熱により加熱される必要があるので、例えば、燃焼室にパイプなどを通し、そのパイプ中に二酸化炭素分離装置で分離された二酸化炭素を通過させることで二酸化炭素を加熱するとよい。
[実施例1]
(触媒の調製)
硝酸鉄9水和物(富士フイルム和光純薬株式会社製、試薬)3.4gを水20gに溶解させ、鉄水溶液を調製した。担体としての酸化マグネシウム(MgO、富士フイルム和光純薬株式会社製、試薬)(金属化合物(B1))2gをバイアルに移し、そこに鉄水溶液23.4gを加えた。80℃に加熱しながら4時間ホットスターラーにより攪拌した後、2時間静置させ乾燥させた。その後、電気炉で、昇温速度2.5℃/min、焼成温度415℃、焼成時間16時間の条件で焼成し、酸化マグネシウムに遷移金属酸化物(A)として酸化鉄(Fe2O3)を担持させた粒状(平均粒子径10μm、比表面積66m2/g)の触媒を得た。酸化マグネシウムの含有量は、酸化鉄100質量部に対して、500質量部であった。
得られた測定サンプルを誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP-AES)に導入して測定を行った。測定条件は以下の通りである。
機器:CCDマルチICP発光分光分析装置(SPECTRO Analytical Instruments社製)
干渉除去ガスモード:Ar
測定方式:ラジアル測光方式
測定方法:検量線法。既知濃度の測定元素を含む標準溶液、その2倍希釈液および10倍希釈液、並びにコントロール溶液を準備し、コントロール溶液、10倍希釈液、2倍希釈液、および標準溶液(母液)をこの順でICP-AESに導入することで検量線を作成した。
マイクロリアクターと、マイクロリアクターに直結するガスクロマトグラフ質量分析計(GC/MS)とを備える迅速触媒評価システム(フロンティア・ラボ株式会社製「シングルμ-リアクターRx-3050SR」)を用いて、以下の手順により触媒を評価した。
まず、内径3mmの反応管に上記で得られた触媒を4cmの高さで充填した。マイクロリアクターには、水素ガスを流量30ml/minで20分間流して触媒還元反応を実施して、触媒を還元させた。このとき、リアクターの排出口から排出されるガスには、水蒸気が含まれていた。その後、ガス交換のために窒素ガスを流量50ml/minで10分間流した後、二酸化炭素ガスを流量1.4ml/minで50分間流して二酸化炭素還元反応を実施して、二酸化炭素ガスを還元した。このとき、リアクターの排出口から排出されるガスには、一酸化炭素が含まれていた。その後、ガス交換のために、窒素ガスを流量50ml/minで10分間流した。なお、本試験では、リアクターの温度を650℃に維持した。
二酸化炭素還元反応において、排出口から排出されるガスを、ガスクロマトグラフ質量分析計で分析して、二酸化炭素の消費量、及び1分間かつ触媒1gあたりの一酸化炭素生成量を測定した。結果を表1に示す。
カラム温度:200℃ インジェクション温度:200℃
検出機温度:250℃
カラム:EGAチューブ(L:2.5m、φ0.15mmID,t:0mm)
カラム流量:1.00mL/min スプリット比:60
パージ流量:3.0 mL/min
塩化パラジウム塩酸水溶液(塩化パラジウム濃度0.5質量%、シグマアルドリッチ社製、試薬)0.2gを、実施例1で得られた触媒0.6gに対して加えて1時間静置させた。110℃のオーブンで2時間乾燥させた後、電気炉で昇温速度5℃/min、焼成温度400℃、焼成時間4.5時間で焼成して、遷移金属酸化物(A)及びパラジウムを含む白金系化合物(C1)(酸化パラジウム(PdO))が酸化マグネシウムに担持された触媒(平均粒子径10μm、比表面積52m2/g)を得た。
測定サンプルの調製方法を以下の通り変更したことを除いては、実施例1と同様の方法で担持量を測定した。この際、前記測定サンプルの調製方法では、触媒50mgを濃塩酸20mlで溶解させ、次いで王水(濃塩酸:濃硝酸=3:1(体積比))20mLを加えて触媒を完全に溶解させた。得られた溶液に蓋をして密閉し、オーブンを用いて65℃で30分、続いて100℃で70分の加熱を行い、触媒を分解した。得られた溶液に対して超純水(メルク社製「ミリQ水製造装置」で製造された超純水)を添加し、50mLにメスアップすることで測定サンプルを調製した。
触媒における白金系化合物(C1)の担持量は、酸化鉄100質量部に対して、5質量部であった。また、酸化マグネシウムの含有量は、酸化鉄100質量部に対して、500質量部であった。その後、実施例1と同様に、得られた触媒を評価した。
(触媒の調製)
硝酸鉄9水和物(富士フイルム和光純薬株式会社製、試薬)3.4gを水20gに溶解させ、鉄水溶液を調製した。金属化合物(B1)としての酸化亜鉛(ZnO)(シグマアルドリッチ社製、試薬)2gをバイアルに移し、そこに鉄水溶液23.4gを加えた。80℃に加熱しながら4時間ホットスターラーにより攪拌した後、2時間静置させ乾燥させた。その後、電気炉で、昇温速度2.5℃/min、焼成温度415℃、焼成時間16時間の条件で焼成し、金属化合物(B1)(ZnO)に遷移金属酸化物(A)として、酸化鉄(Fe2O3)を担持させた触媒(平均粒子径1μm、比表面積10m2/g)を得た。
実施例1と同様の方法で酸化亜鉛の含有量を測定したところ、酸化亜鉛の含有量は、酸化鉄100質量部に対して、500質量部であった。その後、実施例1と同様に、得られた触媒を評価した。
炭酸水酸化マグネシウム(シグマアルドリッチ社製、BioXtraグレード)を電気炉で昇温速度5℃/min、焼成温度400℃、焼成時間16時間で焼成して、酸化マグネシウム(MgO)を得た。その後、酸化マグネシウム(MgO)を触媒(平均粒子径10μm、比表面積70m2/g)として、実施例1と同様に評価した。
硝酸鉄9水和物(富士フイルム和光純薬株式会社、試薬)を電気炉で700℃で焼成して、酸化鉄(Fe2O3)(比表面積11m2/g)を得た。その後、酸化鉄を触媒として、実施例1と同様に評価した。
[実施例4]
(触媒の調製)
炭酸水酸化マグネシウム(シグマアルドリッチ社製、BioXtraグレード)を電気炉で昇温速度5℃/min、焼成温度450℃、焼成時間16時間で焼成して、金属化合物(B1)としての酸化マグネシウム(MgO)を得た。
硝酸鉄9水和物(富士フイルム和光純薬株式会社製、試薬)2.72gと硝酸セリウム6水和物(シグマアルドリッチ社製、試薬)0.29gを水10gに溶解させ、鉄/セリウム混合水溶液を調製した。
次に、得られた2gのMgOをホットスターラーに移し、そこに鉄/セリウム混合水溶液を加えた。ホットスターラーを80℃に加熱し、攪拌しながら水を留去した。
その後、昇温速度5℃/min、焼成温度415℃、焼成時間16時間の条件で焼成し、担体としての酸化マグネシウム(MgO)に、酸化鉄と酸化セリウム(Fe2O3-CeO2)を担持させた触媒(平均粒子径20μm、比表面積54m2/g)を得た。
実施例1と同様の方法で各分子の含有量を測定した。酸化鉄と酸化セリウムの合計量100質量部に対する、酸化マグネシウム(担体)の含有量は、417質量部であった。
硝酸鉄9水和物(富士フイルム和光純薬株式会社製、試薬)1.70gと硝酸セリウム6水和物(シグマアルドリッチ社製、試薬)0.73gを水10gに溶解させ、鉄/セリウム混合水溶液を調製した以外は、実施例4と同様に実施して触媒(平均粒子径20μm、比表面積54m2/g)を得た。
実施例1と同様の方法で各分子の含有量を測定した。酸化鉄と酸化セリウムの合計量100質量部に対する、酸化マグネシウム(担体)の含有量は、417質量部であった。
(触媒の調製)
硝酸鉄9水和物(富士フイルム和光純薬株式会社製、試薬)3.4gを水10gに溶解させ、鉄水溶液を調製した。実施例4と同様に調製した酸化マグネシウム(MgO)(金属化合物(B1))2.0gをホットスターラーに入れて、そこに上記の鉄水溶液を加えた。ホットスターラーを80℃に加熱し、攪拌しながら水を留去した。
その後、昇温速度5℃/min、焼成温度415℃、焼成時間16時間の条件で焼成し、担体としての酸化マグネシウム(MgO)に、酸化鉄(Fe2O3)を担持させた触媒(平均粒子径15μm、比表面積66m2/g)を得た。
実施例1と同様の方法で酸化マグネシウムの含有量を測定したところ、酸化鉄の重量100質量部に対する、酸化マグネシウム(担体)の含有量は、417質量部であった。
(触媒の調製)
担体としてのシリカ(SiO2)(富士シリシア化学株式会社製、商品名「CARiACT Q-30」)を110℃のオーブンで14時間乾燥させた。また、硝酸鉄9水和物(富士フイルム和光純薬株式会社製、試薬)1.70gと硝酸セリウム6水和物(シグマアルドリッチ社製、試薬)0.73gを水10gに溶解させ、鉄・セリウム混合水溶液を調製した。乾燥させたシリカ(担体)2gをバイアルに移し、そこに鉄・セリウム混合水溶液加えた。ホットスターラーを80℃に加熱し、攪拌しながら水を留去した。その後、昇温速度5℃/min、焼成温度415℃、焼成時間16時間の条件で焼成し、担体に、酸化鉄と酸化セリウム(Fe2O3-CeO2)を担持させた触媒(平均粒子径2mm、比表面積90m2/g)を得た。
測定サンプルの調製方法を以下の通り変更したことを除いては、実施例1と同様の方法で酸化マグネシウムの含有量を測定した。この際、前記測定サンプルの調製方法は、触媒50mgをフッ化水素酸2mLに溶解させ、次いで濃塩酸20mLを加えて触媒を完全に溶解させた(残渣が残る場合は濃硝酸20mLをさらに追加した)。得られた溶液を密閉し、オーブンを用いて65℃で30分、続いて100℃で70分の加熱を行い、触媒を分解した。得られた溶液に対して超純水(メルク社製「ミリQ水製造装置」で製造された超純水)を添加し、50mLにメスアップすることで測定サンプルを調製した。
その結果、酸化鉄と酸化セリウムの合計量100質量部に対する、シリカ(担体)の含有量は、417質量部であった。
各実施例、比較例で得られた触媒を以下の評価方法で評価した。
(還元率の測定)
上記触媒評価と同様の方法でマイクロリアクターを使用した触媒評価試験を実施した。触媒評価試験の二酸化炭素還元反応において、排出口から排出されるガスを、ガスクロマトグラフ質量分析計で分析し、二酸化炭素ガスがリアクターに到達してから、15分間の二酸化炭素の一酸化炭素への還元率を測定した。なお、還元率は、以下の式により算出した。また、ガスクロマトグラフ質量分析計における測定条件は、上記したとおりであった。
CO2還元率=15分間触媒上で変換されたCOの総モル量/15分間に触媒上を通過したCO2の総モル量×100
上記還元率の測定と同様の手順で、触媒を充填したマイクロリアクターに、水素ガスを20分間、窒素ガスを10分間、二酸化炭素ガスを50分間、及び窒素ガスを10分間流した。これを1サイクルとして、4サイクルを実施した。1サイクル目で測定した二酸化炭素の一酸化炭素への還元率A(%)と、4サイクル目で測定した二酸化炭素の一酸化炭素への還元率B(%)から、式{1-(A-B)/A}×100により、触媒性能維持率(%)を算出した。
※質量比は、第1の遷移金属元素に対する、第2の遷移金属元素の質量比(第2の遷移金属元素/第1の遷移金属元素)である。なお、質量比は、ICP-AESにより測定した各分子の質量より算出した。
それに対して、比較例3では、担体として金属化合物(B)を使用しなかったため、二酸化炭素の還元率、及び触媒性能維持率のいずれかが良好にならなかった。
(触媒混合物の調製)
市販のシリカ(試薬)を破砕し微粉化してJIS Z 8801に規定するふるいを用いてふるい分けを実施し粒子サイズを平均粒子径5μmとして、不活性緩衝材料として使用した。実施例1と同様の方法で得られた触媒をバイアルに移し、不活性緩衝材料を加え、バイアルを振とうして混合して、触媒混合物を得た。なお、触媒と不活性緩衝材料の体積比は5/5とした。
触媒の代わりに反応管に触媒混合物を充填し、かつ二酸化炭素還元反応を実施する際の二酸化炭素ガスを流す時間を、50分間から20分間に変更した点を除いて、上記触媒評価と同様にマイクロリアクターを用いた評価試験を実施した。
本試験では、リアクターの温度を650℃に維持し、二酸化炭素還元反応終了直後の触媒の温度低下率を測定した。温度低下率(%)は、(リアクターの温度-触媒の温度)/リアクターの温度×100で算出した。
また、二酸化炭素還元反応が行われる間、排出口から排出されるガスを、ガスクロマトグラフ質量分析計で分析して、反応率を測定した。反応率は、一酸化炭素の検出量(モル量)/(二酸化炭素の検出量(モル量)+一酸化炭素の検出量(モル量))×100で算出した。
なお、ガスクロマトグラフ質量分析計における測定条件は、上記したとおりであった。
温度低下率は以下の評価基準で評価した。
A:温度低下率が2%未満
B:温度低下率が2%以上3%未満
C:温度低下率が3%以上5%未満
D:温度低下率が5%以上
<反応率の評価>
反応率は以下の評価基準で評価した。
A:反応率が85%以上
B:反応率が75%以上85%未満
C:反応率が70%以上75%未満
D:反応率が70%未満
使用する不活性緩衝材料をジルコニア(富士フイルム和光純薬株式会社社製、平均粒子径5μm)に変更した以外は実施例7と同様に実施した。
使用する不活性緩衝材料をチタニア(富士フイルム和光純薬株式会社社製、平均粒子径5μm)に変更した以外は実施例7と同様に実施した。
不活性緩衝材料を使用せずに、触媒のみを反応管に4cmの高さで充填した点を除いて実施例7と同様に実施した。
11 燃焼炉
12 投入口
13 ストーカー
14 灰排出口
15 下段燃焼室
16 ガス燃焼室
17 燃焼室
18 ガス排出路
20 熱交換器
21 冷却装置
22 清浄装置
30 二酸化炭素分離装置
40 循環経路
50 還元装置
Claims (25)
- 一般式M1Ox(なお、M1は遷移金属元素で、xは正の実数)で表される第1の遷移金属酸化物(A1)と、
二酸化炭素を吸着可能な金属化合物(B1)とを含有し、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、還元により一般式M1Ox-n(なお、M1及びxは上記と同じであり、nはx以下の正の実数)で表される化合物を生成可能であり、
前記M 1 で表される遷移金属元素が、鉄、チタン、モリブデン、イットリウム、クロム、ランタン、及びニオブからなる群から選択される少なくとも1種であり、
一般式M 2 O y (なお、M 2 は遷移金属元素でかつM 1 と異なり、yは正の実数)で表される第2の遷移金属酸化物(A2)をさらに含み、
前記第2の遷移金属酸化物(A2)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、二酸化炭素を化学的に吸着する金属であり、
前記金属化合物(B1)が金属酸化物であり、
白金系化合物(C1)をさらに含み、
二酸化炭素の還元により酸化され、水素により還元される、二酸化炭素還元用触媒。 - 前記M1で表される遷移金属元素が鉄である、請求項1に記載の二酸化炭素還元用触媒。
- 前記M2で表される遷移金属元素がセリウムである、請求項1又は2に記載の二酸化炭素還元用触媒。
- 前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも1種の金属である、請求項1~3のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元用触媒。
- 一般式M 1 O x (なお、M 1 は遷移金属元素で、xは正の実数)で表される第1の遷移金属酸化物(A1)と、
二酸化炭素を吸着可能な金属化合物(B1)とを含有し、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、還元により一般式M 1 O x-n (なお、M 1 及びxは上記と同じであり、nはx以下の正の実数)で表される化合物を生成可能であり、
前記M 1 で表される遷移金属元素が、鉄、チタン、モリブデン、イットリウム、クロム、ランタン、及びニオブからなる群から選択される少なくとも1種であり、
一般式M 2 O y (なお、M 2 は遷移金属元素でかつM 1 と異なり、yは正の実数)で表される第2の遷移金属酸化物(A2)をさらに含み、
前記第2の遷移金属酸化物(A2)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、二酸化炭素を化学的に吸着する金属であり、
前記金属化合物(B1)が金属酸化物であり、
二酸化炭素の還元により酸化され、水素により還元される、二酸化炭素還元用触媒と、不活性緩衝材料とを含む触媒混合物。 - 前記M 1 で表される遷移金属元素が鉄である、請求項5に記載の触媒混合物。
- 前記M 2 で表される遷移金属元素がセリウムである、請求項5又は6に記載の触媒混合物。
- 前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも1種の金属である、請求項5~7のいずれか1項に記載の触媒混合物。
- 前記不活性緩衝材料が、無機酸化物である、請求項5~8のいずれか1項に記載の触媒混合物。
- 前記不活性緩衝材料が、第4族元素を含む酸化物及び第14族元素を含む酸化物からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項5~9のいずれか1項に記載の触媒混合物。
- 前記触媒が白金系化合物(C1)をさらに含む、請求項5~10のいずれか1項に記載の触媒混合物。
- 一般式M 1 O x (なお、M 1 は遷移金属元素で、xは正の実数)で表される第1の遷移金属酸化物(A1)と、
二酸化炭素を吸着可能な金属化合物(B1)とを含有し、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、還元により一般式M 1 O x-n (なお、M 1 及びxは上記と同じであり、nはx以下の正の実数)で表される化合物を生成可能であり、
前記M 1 で表される遷移金属元素が、鉄、チタン、モリブデン、イットリウム、クロム、ランタン、及びニオブからなる群から選択される少なくとも1種であり、
一般式M 2 O y (なお、M 2 は遷移金属元素でかつM 1 と異なり、yは正の実数)で表される第2の遷移金属酸化物(A2)をさらに含み、
前記第2の遷移金属酸化物(A2)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、二酸化炭素を化学的に吸着する金属であり、
前記金属化合物(B1)が金属酸化物であり、
二酸化炭素の還元により酸化され、水素により還元される、二酸化炭素還元用触媒、又は請求項5~11のいずれか1項に記載の触媒混合物を用いて二酸化炭素を還元させる二酸化炭素還元方法であって、
前記触媒を還元させる触媒還元反応と、前記触媒により二酸化炭素を還元させる二酸化炭素還元反応とを行う、二酸化炭素還元方法。 - 前記M 1 で表される遷移金属元素が鉄である、請求項12に記載の二酸化炭素還元方法。
- 前記M 2 で表される遷移金属元素がセリウムである、請求項12又は13に記載の二酸化炭素還元方法。
- 前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも1種の金属である、請求項12~14のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元方法。
- 前記二酸化炭素還元反応における反応温度が前記金属化合物(B1)の平衡反応開始温度以上である、請求項12~15のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元方法。
- 前記二酸化炭素還元反応における反応温度が700℃以下である、請求項12~16のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元方法。
- 前記触媒が白金系化合物(C1)をさらに含む、請求項12~17のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元方法。
- 一般式M 1 O x (なお、M 1 は遷移金属元素で、xは正の実数)で表される第1の遷移金属酸化物(A1)と、
二酸化炭素を吸着可能な金属化合物(B1)とを含有し、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記第1の遷移金属酸化物(A1)が、還元により一般式M 1 O x-n (なお、M 1 及びxは上記と同じであり、nはx以下の正の実数)で表される化合物を生成可能であり、
前記M 1 で表される遷移金属元素が、鉄、チタン、モリブデン、イットリウム、クロム、ランタン、及びニオブからなる群から選択される少なくとも1種であり、
一般式M 2 O y (なお、M 2 は遷移金属元素でかつM 1 と異なり、yは正の実数)で表される第2の遷移金属酸化物(A2)をさらに含み、
前記第2の遷移金属酸化物(A2)が、前記金属化合物(B1)に担持され、
前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、二酸化炭素を化学的に吸着する1種の金属であり、
前記金属化合物(B1)が金属酸化物であり、
二酸化炭素の還元により酸化され、水素により還元される、二酸化炭素還元用触媒、又は請求項5~11のいずれか1項に記載の触媒混合物を備える二酸化炭素還元装置。 - 前記M 1 で表される遷移金属元素が鉄である、請求項19に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記M 2 で表される遷移金属元素がセリウムである、請求項19又は20に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記金属化合物(B1)を構成する金属元素が、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも1種の金属である、請求項19~21のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記触媒が白金系化合物(C1)をさらに含む、請求項19~22のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記触媒又は前記触媒混合物を含む第1の反応器と、二酸化炭素供給器と、水素供給器と、切替えシステムとを含み、
前記第1の反応器が、切換えシステムにより二酸化炭素供給器および水素供給器に交互に連結される、請求項19~23のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元装置。 - 前記触媒又は前記触媒混合物を含む第2の反応器をさらに含み、
前記第1の反応器および前記第2の反応器が、切替えシステムにより二酸化炭素供給器および水素供給器に交互に連結される、請求項24に記載の二酸化炭素還元装置。
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