JP7349836B2 - レシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒及びその製造方法 - Google Patents
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Description
<1> ポリシラン化合物を含有する植物由来の多孔質炭素材料と、遷移金属粒子とを含むことを特徴とする触媒である。
<2> 前記遷移金属粒子は、ポリシラン化合物を含有する植物由来の多孔質炭素材料に担持されている前記<1>に記載の触媒である。
<3> 前記ポリシラン化合物が常温で液体である前記<1>から<2>のいずれかに記載の触媒である。
<4> 前記ポリシラン化合物がポリメチルフェニルシランである前記<1>から<3>のいずれかに記載の触媒である。
<5> 前記ポリシラン化合物の含有量が1質量%以上30質量%以下である前記<1>から<4>のいずれかに記載の触媒である。
<6> 前記多孔質炭素材料のメソ孔容積が0.15cm3/g以上である前記<1>から<5>のいずれかに記載の触媒である。
<7> 前記多孔質炭素材料の原材料が、米、大麦、小麦、ライ麦、稗、もしくは粟のもみ殻、おが屑、又は木片である前記<1>から<6>のいずれかに記載の触媒である。
<8> 前記遷移金属粒子がパラジウム粒子である前記<1>から<7>のいずれかに記載の触媒である。
<9> 不均一遷移金属触媒である前記<1>から<8>のいずれかに記載の触媒である。
<10> 植物由来の多孔質炭素材料にポリシラン化合物を導入し、ポリシラン化合物含有多孔質炭素材料を作製する工程と、
遷移金属を含む溶剤中に前記ポリシラン化合物含有多孔質炭素材料を添加し、混合及び含浸する工程と、
を含むことを特徴とする触媒の製造方法である。
<11> 前記遷移金属が前記ポリシラン化合物により還元されて遷移金属粒子となる前記<10>に記載の触媒の製造方法である。
本発明の触媒は、ポリシラン化合物を含有する植物由来の多孔質炭素材料と、遷移金属粒子とを含み、更に必要に応じてその他の成分を含む。
前記遷移金属粒子は、ポリシラン化合物を含有する植物由来の多孔質炭素材料に担持されていることが、触媒活性を生じさせる点から好ましい。
前記触媒は、不均一遷移金属触媒として好適に用いられる。不均一遷移金属触媒では、遷移金属触媒が反応基質や気体と接触し、植物由来の多孔質炭素材料の表面で反応が行われる。
遷移金属粒子としては、周期律表における3族から12族の遷移金属が用いられ、例えば、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、金(Au)などが挙げられる。これらの遷移金属は、水素化反応、カップリング反応などに高い活性を有しているので好適に用いることができる。
還元金属は、ポリシラン化合物を含有する植物由来の多孔質炭素材料におけるポリシラン化合物により還元されて粒子化し、遷移金属粒子がポリシラン化合物に付着し、多孔質炭素材料に担持される。
前記ポリシラン化合物は、ケイ素(Si)-ケイ素(Si)結合を有する化合物の総称であり、還元性を有し、常温(25℃)で液体であることが、ポリシラン化合物を溶剤に溶解させたポリシラン化合物溶液に多孔質炭素材料を浸漬することにより、多孔質炭素材料のメソ孔内部にまで浸透し、ポリシラン化合物をメソ孔内部にまで付着できる点から好ましい。なお、ポリシラン化合物としては、ポリジメチルシランが知られているが、ポリジメチルシランは常温で固体であり、溶剤に不溶であるため、多孔質炭素材料との混合になってしまい、ポリジメチルシランを多孔質炭素材料のメソ孔内部にまで付着させることができず、本発明の効果が得られない。
前記ポリシラン化合物としては、常温で液体であるポリメチルフェニルシランを用いることが好ましい。
ポリメチルフェニルシランとしては、市販品を用いることができ、該市販品としては、例えば、大阪ガスケミカル株式会社製のOGSOL SI-10-20、OGSOL SI-10-10などが挙げられる。
前記ポリシラン化合物の含有量は、多孔質炭素材料の全量に対して、1質量%以上30質量%以下が好ましく、10質量%以上30質量%以下がより好ましい。ポリシラン化合物の含有量が1質量%以上30質量%以下であると、触媒の活性低下を抑制でき、再利用が可能な触媒が得られる。
多孔質炭素材料としては、植物由来であり、前記多孔質炭素材料のメソ孔容積は、0.15cm3/g以上が好ましく、0.15cm3/g以上0.5cm3/g以下がより好ましい。前記メソ孔容積が、0.15cm3/g以上であると、メソ孔が発達しており、反応基質の反応場として利用でき、遷移金属粒子が微分散するエリアが確保できるので、触媒活性を高くすることができる。
マイクロメリテックスジャパン合同会社製の3FLEXを使用して、窒素吸着等温線を測定し、BJH法で算出することができる。
前記BJH法は、細孔分布解析法として広く用いられている方法である。BJH法に基づき細孔分布解析をする場合、まず、吸着剤(多孔質炭素材料)に吸着分子として窒素を吸脱着させることにより、脱着等温線を求める。そして、求められた脱着等温線に基づき、細孔が吸着分子(例えば窒素)によって満たされた状態から吸着分子が段階的に着脱する際の吸着層の厚さ、及び、その際に生じた孔の内径(コア半径の2倍)を求め、式(1)に基づき細孔半径rpを算出し、式(2)に基づき細孔容積を算出する。そして、細孔半径及び細孔容積から細孔径(2rp)に対する細孔容積変化率(dVp/drp)をプロットすることにより細孔分布曲線が得られる(日本ベル株式会社製、BELSORP-mini及びBELSORP解析ソフトウェアのマニュアル、第85頁~第88頁参照)。
rp:細孔半径
rk:細孔半径rpの細孔の内壁にその圧力において厚さtの吸着層が吸着した場合のコア半径(内径/2)
Vpn:窒素の第n回目の着脱が生じたときの細孔容積
dVn:そのときの変化量
dtn:窒素の第n回目の着脱が生じたときの吸着層の厚さtnの変化量
rkn:その時のコア半径
c:固定値
rpn:窒素の第n回目の着脱が生じたときの細孔半径
である。また、ΣApjは、j=1からj=n-1までの細孔の壁面の面積の積算値を表す。
多孔質炭素材料を30mg用意し、相対圧(P/P0)0.0000001から0.995の範囲を測定する条件に設定した3FLEXを使用して、メソ孔容積を測定することができる。
前記多孔質炭素材料の原材料は、植物由来の材料であることが好ましい。植物由来の材料であると、メソ孔容積を上記所望の値に調整することが容易となる。また、環境負荷が少ない点でも、植物由来とする利点がある。
ヤシガラ活性炭は、メソ孔が発達しておらず、メソ孔容積が小さいので、遷移金属粒子を微分散するエリアが不十分であるため、本発明の効果が得られない。
また、植物由来の材料の形状や形態も特に限定はなく、例えば、もみ殻や藁そのものでもよいし、あるいは乾燥処理品でもよい。更には、ビールや洋酒等の飲食品加工において、発酵処理、焙煎処理、抽出処理等の種々の処理を施されたものを使用することもできる。特に、産業廃棄物の資源化を図るという観点から、脱穀等の加工後の藁やもみ殻を使用することが好ましい。これらの加工後の藁やもみ殻は、例えば、農業協同組合や酒類製造会社、食品会社から、大量、且つ容易に入手することができる。
本発明の多孔質炭素材料の製造方法は、成型物作製工程と、炭化物作製工程と、賦活工程とを含み、好ましくは脱灰分工程を含み、更に必要に応じて、その他の工程を含む。
前記多孔質炭素材料の製造方法は、本発明の前記多孔質炭素材料を製造する方法である。
前記成型物作製工程としては、植物由来の材料を加圧成型し、成型物を得る工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
また、前記加圧成型において、摩擦により熱が発生することがあるが、更に加熱装置により熱を加えてもよい。
水分と圧力と熱とを適度に調整することにより、前記植物由来の材料中に含まれる水溶性成分が抽出され、これが粉体同士を接着し、成型物ができると推測される。
前記炭化物作製工程としては、前記成型物を炭化(炭素化)し、炭化物(炭素質物質)を得る工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記炭化(炭素化)とは、一般に、有機物質(本発明においては、植物由来の材料)を熱処理して炭素質物質に変換することを意味する(例えば、JIS M0104-1984参照)。なお、炭素化のための雰囲気として、酸素を遮断した雰囲気を挙げることができ、具体的には、真空雰囲気、窒素ガスやアルゴンガスといった不活性ガス雰囲気、前記成型物を一種の蒸し焼き状態とする雰囲気などが挙げられる。炭素化温度に至るまでの昇温速度として、前記雰囲気下、1℃/分以上、好ましくは3℃/分以上、より好ましくは5℃/分以上が挙げられる。また、炭素化時間の上限として、10時間、好ましくは7時間、より好ましくは5時間が挙げられるが、これに限定するものではない。炭素化時間の下限は、前記成型物が確実に炭素化される時間とすればよい。
前記賦活工程としては、前記炭化物を賦活する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ガス賦活法、薬品賦活法などが挙げられる。
ここで、賦活とは、炭素材料の細孔構造を発達させ、細孔を付加することをいう。
前記薬品賦活法とは、ガス賦活法で用いられる酸素や水蒸気の替わりに、塩化亜鉛、塩化鉄、リン酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸カリウム、硫酸等を用いて賦活させ、塩酸で洗浄、アルカリ性水溶液でpHを調整し、乾燥させる方法である。
前記脱灰分工程としては、前記炭化物中の灰分(例えば、ケイ素化合物など)を除去する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸性水溶液又はアルカリ性水溶液に前記炭化物を浸漬する方法などが挙げられる。
前記脱灰分工程の前は、前記炭化物を粉砕して、前記炭化物を酸性水溶液又はアルカリ性水溶液が浸透し易い大きさにすることが好ましい。
もみ殻を加圧成型したものを、窒素気流中において500℃、5時間、加熱することにより炭化させ炭化物を得る。その後、この炭化物の10gをアルミナ製の坩堝に入れ、窒素気流中(10リットル/分)において5℃/分の昇温速度で1,000℃まで昇温させる。そして、1,000℃で5時間、炭素化して、炭素質物質(多孔質炭素材料前駆体)に変換した後、室温まで冷却する。なお、炭素化及び冷却中、窒素ガスを流し続ける。次に、炭素質物質をアルカリ処理がしやすい1cm以下の大きさに粗粉砕し、1mol%の水酸化ナトリウム水溶液で材料内の灰分を除去する。その後、材料を洗浄し材料表面のアルカリを除去し、更に洗浄する。その後、材料を水蒸気雰囲気下で950℃の熱処理をして、メソ孔が発達した植物由来の多孔質炭素材料を得る。
本発明の触媒の製造方法は、植物由来の多孔質炭素材料にポリシラン化合物を導入し、ポリシラン化合物含有多孔質炭素材料を作製する工程(「ポリシラン化合物含有多孔質炭素材料作製工程」という)と、遷移金属を含む溶剤中に前記ポリシラン化合物含有多孔質炭素材料を添加し、混合及び含浸する工程(「混合含浸工程」という)と、を含み、更に必要に応じてその他の工程を含む。
ポリシラン化合物含有多孔質炭素材料作製工程は、植物由来の多孔質炭素材料にポリシラン化合物を導入し、ポリシラン化合物含有多孔質炭素材料を作製する工程である。
ポリシラン化合物の植物由来の多孔質炭素材料への導入方法としては、例えば、ポリフェニルメチルシランを溶剤に溶解させたポリフェニルメチルシラン溶液を、多孔質炭素材料に対し、所定量添加し、撹拌する方法などが挙げられる。ポリシラン化合物を溶剤に溶解させたポリシラン化合物溶液中に多孔質炭素材料を浸漬することにより、多孔質炭素材料のメソ孔内部に浸透し、メソ孔内部にまでポリシラン化合物を付着させることができる。
ポリシラン化合物を溶解する溶剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、テトラヒドロフラン(THF)、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素などが挙げられる。これらは、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。
なお、ポリシラン化合物が多孔質炭素材料のメソ孔内部にまで付着していることは、多孔質炭素材料の断面のTEM/EDXでメソ孔内のケイ素を分析することにより確認することができる。
混合含浸工程は、遷移金属を含む溶剤中に前記ポリシラン化合物含有多孔質炭素材料を添加し、混合及び含浸する工程である。
前記混合含浸工程において、遷移金属がポリシラン化合物により還元されて粒子化し、遷移金属粒子となり、多孔質炭素材料のメソ孔内のポリシラン化合物に付着する。これにより、多孔質炭素材料のメソ孔内部にまで遷移金属粒子を担持させることができる。
ポリフェニルメチルシランのテトラヒドロフラン(THF)の10質量%溶液を作製し、このポリフェニルメチルシラン溶液を、植物由来の多孔質炭素材料に対し、所定のポリシラン導入量になるように計量して、投入し、1時間撹拌して、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料の分散液を作製する。次に、酢酸パラジウムを、パラジウムが所定の濃度になるようにテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、遷移金属としてのパラジウム溶解液を作製し、作製したパラジウム溶解液を、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料の分散液に、10L/hの速さで滴定し、混合含浸する。次に、全てのTHFを、減圧蒸留にて揮発させる。その後、水素を2.5L/minを流通させながら、400℃雰囲気で3時間、水素処理を行うことにより、触媒を得る。
<多孔質炭素材料1の作製>
原材料として、宮城県産のもみ殻を使用した。
まず、もみ殻に含有されているケイ素成分を除去するための処理は、もみ殻を水酸化ナトリウム5.3質量%水溶液90℃に14時間浸漬することで、ケイ素成分除去処理を行った。
次に、温度:600℃、雰囲気:N2=30L/minの条件下で、3時間炭化処理を行った。
次に、ロータリーキルンを使用し、水蒸気により950℃で0.5時間、賦活処理を行った。
次に、雰囲気:N2=10L/minでバブリングしながら賦活処理を行った。
以上により、多孔質炭素材料1を作製した。
得られた多孔質炭素材料1について、前述の方法でメソ孔容積を測定したところ、0.27cm3/gであった。
<多孔質炭素材料2の作製>
多孔質炭素材料の製造例1において、ロータリーキルンを使用し、水蒸気により950℃で3時間、賦活処理を行った以外は、多孔質炭素材料の製造例1と同様にして、多孔質炭素材料2を作製した。
得られた多孔質炭素材料2について、前述の方法でメソ孔容積を測定したところ、0.44cm3/gであった。
<触媒の作製>
(1)上記多孔質炭素材料1 1gを、テトラヒドロフラン(THF)20mLに添加し、混合させて、分散液を調製した。
(2)酢酸パラジウムを、パラジウムが0.5質量%になるようにテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、パラジウム溶解液を作製した。
(3)(2)で作製したパラジウム溶解液を、上記多孔質炭素材料1の分散液に、10mL/hの速さで滴定混合した。
(4)全てのTHFを、減圧蒸留にて揮発させた。
(5)その後、水素を2.5L/minを流通させながら、400℃雰囲気で3時間、水素処理を行った。
以上により、パラジウムを5質量%含有する比較例1の触媒を作製した。
比較例1において、多孔質炭素材料1を多孔質炭素材料2に代えた以外は、比較例1と同様にして、パラジウムを5質量%含有する比較例2の触媒を作製した。
<触媒の作製>
(1)ポリフェニルメチルシラン(商品名:OGSOL SI-10-20、大阪ガスケミカル株式会社製)のテトラヒドロフラン(THF)の10質量%溶液を作製した。
(2)(1)のポリフェニルメチルシラン溶液を、上記多孔質炭素材料2 1gに対し、ポリシラン導入量が10質量%になるように計量し、それに、多孔質炭素材料2を投入し、1時間撹拌して、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料2の分散液を作製した。
(3)酢酸パラジウムを、パラジウムが0.5質量%になるようにテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、パラジウム溶解液を作製した。
(4)(3)で作製したパラジウム溶解液を、上記ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料2の分散液に、10mL/hの速さで滴定混合した。
(5)全てのTHFを、減圧蒸留にて揮発させた。
(6)その後、水素を2.5L/minを流通させながら、400℃雰囲気で3時間、水素処理を行った。
以上により、パラジウムを5質量%含有する実施例1の触媒を作製した。
実施例1において、ポリフェニルメチルシラン導入量が20質量%になるように、ポリフェニルメチルシランTHF溶液を計量し、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料2の分散液を作製した以外は、実施例1と同様にして、パラジウムを5質量%含有する実施例2の触媒を作製した。
実施例1において、多孔質炭素材料2を多孔質炭素材料1とし、ポリフェニルメチルシラン導入量が1質量%になるように、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料1の分散液を作製した以外は、実施例1と同様にして、パラジウムを5質量%含有する実施例3の触媒を作製した。
実施例1において、多孔質炭素材料2を多孔質炭素材料1とし、ポリフェニルメチルシラン導入量が5質量%になるように、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料1の分散液を作製した以外は、実施例1と同様にして、パラジウムを5質量%含有する実施例4の触媒を作製した。
実施例1において、ポリフェニルメチルシラン導入量が30質量%になるように、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料2の分散液を作製した以外は、実施例1と同様にして、パラジウムを5質量%含有する実施例5の触媒を作製した。
実施例1において、ポリフェニルメチルシラン導入量が1質量%になるように、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料2の分散液を作製した以外は、実施例1と同様にして、パラジウムを5質量%含有する実施例6の触媒を作製した。
実施例1において、ポリフェニルメチルシラン導入量が5質量%になるように、ポリフェニルメチルシラン含有多孔質炭素材料2の分散液を作製した以外は、実施例1と同様にして、パラジウムを5質量%含有する実施例7の触媒を作製した。
原料としては、富士フィルム和光純薬工業株式会社製のレシチンを使用した。
水素化反応に使用した装置は、Chemi Chemi 300(柴田科学株式会社製)である。
反応組成は、レシチンを5g、作製した各触媒を0.3g、ヘキサン/エタノール=4/1(体積比)20gで調合し、水素環境下、0.4MPa、60℃で8時間反応させた。
2回目の合成については、100mLのヘキサンでろ過し、各触媒を洗浄し、再利用したもので、前述の水素化反応を行った。
下記の数式から、収率差、及び低下率を求めた。
収率差(%)=反応収率1回目(%)-反応収率2回目(%)
低下率(%)=[反応収率1回目(%)-反応収率2回目(%)]/反応収率1回目(%)×100
Claims (8)
- ポリメチルフェニルシランを含有し、米、大麦、小麦、ライ麦、稗、もしくは粟のもみ殻、おが屑、又は木片の炭化物である多孔質炭素材料と、パラジウム粒子、白金粒子、又は金粒子である遷移金属粒子とを含み、
前記多孔質炭素材料のメソ孔容積が0.15cm3/g以上であることを特徴とするレシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒。 - 前記遷移金属粒子は、ポリメチルフェニルシランを含有する前記多孔質炭素材料に担持されている請求項1に記載のレシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒。
- 前記ポリメチルフェニルシランの含有量が1質量%以上30質量%以下である請求項1から2のいずれかに記載のレシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒。
- 前記遷移金属粒子がパラジウム粒子である請求項1から3のいずれかに記載のレシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒。
- 前記多孔質炭素材料が、米のもみ殻の炭化物である請求項1から4のいずれかに記載のレシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒。
- 前記多孔質炭素材料のメソ孔容積が0.15cm3/g以上0.5cm3/g以下である請求項1から5のいずれかに記載のレシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒。
- 米、大麦、小麦、ライ麦、稗、もしくは粟のもみ殻、おが屑、又は木片を炭化し、賦活化した炭化物である多孔質炭素材料にポリメチルフェニルシランを導入し、ポリメチルフェニルシラン含有多孔質炭素材料を作製する工程と、
パラジウム、白金、又は金である遷移金属を含む溶剤中に前記ポリメチルフェニルシラン含有多孔質炭素材料を添加し、混合及び含浸する工程と、
を含むことを特徴とするレシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒の製造方法。 - 前記遷移金属が前記ポリメチルフェニルシランにより還元されて遷移金属粒子となる請求項7に記載のレシチンの水素化反応用の不均一遷移金属触媒の製造方法。
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Title |
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SAITO,Yuki ,et al.,Catalytic Hydrogenation of Aliphatic Nitro Compounds with Polysilane/Bone Charcoal‐Supported Palladium Catalysts under Continuous -Flow Conditions,ASIAN JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRY,2016年,Volume 5,Pages 1124-1127,<DOI:10.1002/ajoc.201600279> |
降矢 裕一、他,新規ポリシラン-活性炭-リン酸カルシウム担持パラジウム、および白金触媒を用いた連続フロー法によるニトロ化合物の選択的還元反応,日本化学会第99春季年会講演予稿集,2019年03月01日,page.ROMBUNNO.1 F4-39 |
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