JP7361072B2 - 二酸化炭素還元触媒 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る二酸化炭素還元触媒(以下、単に「触媒」と記載する場合がある)は、触媒金属として、Fe(鉄)と、Ga(ガリウム)と、を含む。また、Na(ナトリウム)を含むことが好ましい。本実施形態に係る触媒を用いた二酸化炭素還元反応は、H2(水素)とCO2(二酸化炭素)の混合ガスを原料とし、CO2がCO(一酸化炭素)に還元される逆シフト反応と、COが炭化水素へと転換されるFT合成反応と、を一段で行うことにより炭化水素を生成する反応である。本実施形態に係る触媒は、上記逆シフト反応と、FT合成反応との両方に寄与する。本実施形態に係る触媒を用いた二酸化炭素還元反応は、従来のFT合成反応と比較して、例えば空間速度SV(Space Velocity)=50,000h-1程度の高流速下においても、炭素数が5以上の炭化水素を高効率に生成できる。
本実施形態に係る二酸化炭素還元触媒の製造方法は、共沈工程を有する。また、共沈工程の次に、含侵工程を有することが好ましい。
共沈工程は、Feの硝酸塩とGaの硝酸塩とを所定量蒸留水に溶解させた水溶液から、共沈法により触媒前駆体である沈殿物を抽出する工程である。共沈工程により、Fe-Ga複合酸化物が形成される。共沈工程において、FeとGaを含む上記水溶液に対し、Na2CO3水溶液を滴下することで、沈殿溶液が得られる。その後、沈殿溶液からろ過・洗浄等によって沈殿物を分離し、乾燥させることで、触媒前駆体である沈殿物(Fe-Ga複合酸化物)が得られる。
含侵工程は、共沈工程により得られた沈殿物にNaを含む水溶液を滴下して所定時間乾燥させ、得られた粉末を所定の温度で焼成する工程である。含侵工程により、Fe-Ga複合酸化物の表面付近にNa化合物を偏在させることができる。Naを含む水溶液としては、例えば、NaNO3水溶液が挙げられる。NaNO3水溶液は、超音波加振の下、滴下することができる。これにより、Fe-Ga複合酸化物の表面付近にNa化合物を均一に偏在させることができる。焼成温度は、例えば550℃、焼成時間は4時間とすることができる。
表1に示す触媒金属1としてのFeの硝酸塩(Fe(NO3)3・9H2O)と、同じく触媒金属2としてのGaの硝酸塩(Ga(NO3)3・6H2Oとを、金属原子換算でFe:Gaの質量比が8:2となるように秤量し、蒸留水に溶解させた。次いで、上記水溶液を撹拌しながら、1.0M NaNO3水溶液を2ml/min滴下し、pH8.5に固定することで、FeとGaを沈殿物として含む沈殿溶液を得た。次いで、沈殿溶液を室温下、24時間エージングさせた後、ろ過、洗浄を繰り返すことで沈殿物を分離した。分離した沈殿物を60℃×12時間乾燥させることで、Fe-Ga触媒前駆体を得た。
触媒金属1(Fe)、及び触媒金属2の種類及び量を、それぞれ表1に示すものとしたこと以外は、実施例1と同様として、実施例2~3、及び比較例1~9に係る触媒を得た。比較例1は触媒金属2を用いず、Feの硝酸塩のみを用いた。なお、表1に触媒金属1と触媒金属2の質量部を示しているが、各実施例及び比較例に係る触媒金属には、表1に示す触媒金属1と触媒金属2以外に1.0質量%のNaが含有される。
実施例1~3、及び比較例1~9の二酸化炭素還元触媒について、以下の方法で二酸化炭素還元反応を行った。装置は、固定床流通式の反応装置を使用し、反応ガスはCO2 2.8NL/h、H2 8.4NL/h(CO2/H2=1/3)とした。各実施例及び比較例に係る二酸化炭素触媒は0.4~0.8mm角のペレット状としたものを0.25g用いた。上記ペレットを、反応管(内径6mm)に5cmの長さで充填して用いた。W/F(触媒重量/ガス流量)は0.5g・h/mol、空間速度SV(Space Velocity)=50,000h-1とした。反応条件は温度380℃、圧力3MPa、反応時間4時間とした。触媒反応後のガス成分を、オンラインでのガスクロマトグラフィー(Shimadzu,GC-2014AT、検出器:熱伝導度検出器(TCD))及び水素炎イオン化検出器(FID)(Shimadzu,GC-2014AF)により定性・定量分析した。また触媒反応後の液体成分もオフラインでのガスクロマトグラフィー(Shimadzu,GC-2014AF、検出器:水素炎イオン化検出器(FID))により定性・定量分析した。
上記二酸化炭素還元反応によるCO2の変換率を、以下の式(1)により求めた。結果を図1に示す。
CO2変換率(%)=((反応前のCO2濃度)-(反応後のCO2濃度))/(反応前のCO2濃度)×100 …(1)
上記二酸化炭素還元反応により生成された炭化水素(CO、CH4、C2-4、C5+)の選択率を、以下の式(2)により求めた。なおC2-4は、炭素数2~4の炭化水素を示し、C5+は、炭素数5以上の炭化水素を示す。結果を図2に示す。
炭化水素選択率(%)=(炭化水素濃度)/(((反応前のCO2濃度)-(反応後のCO2濃度))×100 …(2)
上記二酸化炭素還元反応により生成されたC5+(炭素数5以上の炭化水素)の生成率を、以下の式(3)により求めた。結果を図3に示す。
C5+生成率(%)=CO2変換率×C5+選択率/100 …(3)
次に、表1に示すように触媒金属中のFeとGaとの質量割合を変化させた実施例1~3及び、Ga含有量をそれぞれ40質量%、50質量、60質量%(Fe含有量約60質量%、約50質量%、約40質量%)とした触媒と、Gaを含有しない比較例1の触媒を用いた二酸化炭素還元反応における、Ga含有量とCO2変換率との関係を調べた。結果を図4に示す。図4の縦軸は上記式(1)により求められるCO2変換率(%)を示し、図4の横軸はGa含有量(質量%)を示す。なお、各触媒には、Naが1.0質量%含有されるが、Ga含有量としては触媒金属中のFeとGaとの合計に対するGaの質量割合を近似値として用いることができる(以下同様)。
次に、図4と同様に実施例1~3等及び比較例1の触媒を用いた二酸化炭素還元反応における、Ga含有量とC5+選択率との関係を調べた。結果を図5に示す。図5の縦軸は上記式(2)により求められるC5+選択率(%)を示し、図5の横軸はGa含有量(質量%)を示す。
次に、図4と同様に実施例1~3等及び比較例1の触媒を用いた二酸化炭素還元反応における、Ga含有量とC5+生成率との関係を調べた。結果を図6に示す。図6の縦軸は上記式(3)により求められるC5+生成率(%)を示し、図5の横軸はGa含有量(質量%)を示す。
次に、図4と同様に実施例1~3等及び比較例1の触媒のGa含有量と触媒金属粒子径(nm)との関係を調べた。結果を図7に示す。図7の縦軸は触媒金属粒子径(nm)を示し、図7の横軸はGa含有量(質量%)を示す。触媒金属粒子径(nm)は、X線回折強度測定装置を用い、X線源をCuKα線、出力を40kV、50mAとして、2θ=35.6°付近で得られるピークに対して、以下の式(4)に示すシェラーの式を用いて算出した。なお式(4)におけるKはシェラー定数を、λはX線波長(nm)を、βはピークの半値幅を、θは回折角度をそれぞれ示す。
粒子径(nm)=K=K×λ/(β×cosθ) …(4)
次に、触媒金属中のGa含有量を30質量%とした触媒において、Na含有量を0質量%、0.5質量%、1.0質量%、1.5質量%、2.0質量%とし、残りの触媒金属中の成分をFeとした触媒をそれぞれ調製し、図4~図6と同様の条件で、CO2変換率、C5+選択率、C5+生成率をそれぞれ測定及び算出して、Na含有量との関係を調べた。結果をそれぞれ図8~図10に示す。
図1~図3から、実施例1の触媒は、従来の触媒金属としてFeのみを用いた触媒や、触媒金属としてGaの代わりに他の金属元素を用いた各比較例に係る触媒と比較して、炭素数5以上の炭化水素の選択率及び生成率が高く、かつCO2変換率も比較的高い結果が明らかであった。
Claims (7)
- 二酸化炭素を水素化反応させて二酸化炭素を還元し炭化水素を生成する二酸化炭素還元触媒であって、
触媒金属として、Fe、Ga、及びNaを含み、
前記触媒金属中に前記Naは0.5~1.5質量%含まれる、二酸化炭素還元触媒。 - 前記触媒金属中に前記Gaは10~30質量%含まれる、請求項1に記載の二酸化炭素還元触媒。
- 前記触媒金属中に前記Gaは20~30質量%含まれる、請求項1に記載の二酸化炭素還元触媒。
- 前記触媒金属は、前記Fe及び前記Gaにより形成されるFe-Ga複合酸化物を含む、請求項1~3のいずれかに記載の二酸化炭素還元触媒。
- 請求項1に記載の二酸化炭素還元触媒の製造方法であって、
前記Feの硝酸塩と前記Gaの硝酸塩とを所定量蒸留水に溶解させた水溶液から、共沈法により沈殿物を抽出する共沈工程を有する、二酸化炭素還元触媒の製造方法。 - 前記共沈工程の次に、前記沈殿物にNaを含む水溶液を滴下して所定期間乾燥させ、得られた粉末を所定の温度で焼成する含浸工程を有する、請求項5に記載の二酸化炭素還元触媒の製造方法。
- 前記共沈工程において、前記水溶液に対しNaCO3水溶液を滴下することで沈殿溶液を得る、請求項5又は6に記載の二酸化炭素還元触媒の製造方法。
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