JP7376955B2 - Catalyst and hydrocarbon manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、触媒及び炭化水素の製造方法に関するものであり、より詳しくは、メタンから炭素数2以上の炭化水素を生成する反応を活性する触媒、及びそれを用いて炭素数2以上の炭化水素を生成する方法に関する。 The present invention relates to a catalyst and a method for producing hydrocarbons, and more specifically, a catalyst that activates a reaction that produces hydrocarbons having two or more carbon atoms from methane, and a method for producing hydrocarbons having two or more carbon atoms using the same. Concerning how to generate.

メタンは、天然ガスの主成分として豊富に存在し、また、石炭等からの合成ガスの反応等一酸化炭素や二酸化炭素の水素化反応、石油留分等の炭化水素の水素化分解や接触分解プロセスの副生物等としても多量に得られる。このように、メタンは、安定的な供給が可能で安価である等、工業用原料としての基本的条件を満たしているが、他の炭化水素と比較して反応性が低い等の理由により、そのほとんどがそのまま燃料として利用されているに留まっている。一方で、近年の石油資源問題を鑑みると、メタンを単に燃料として利用するだけでなく、これをより有用な化合物に変えて有効利用される技術が望まれている。 Methane exists in abundance as the main component of natural gas, and is also used in hydrogenation reactions of carbon monoxide and carbon dioxide such as reactions of synthesis gas from coal etc., hydrocracking and catalytic cracking of hydrocarbons such as petroleum fractions. It is also obtained in large quantities as a by-product of processes. In this way, methane satisfies the basic requirements as an industrial raw material, such as being able to be supplied stably and being inexpensive, but due to reasons such as low reactivity compared to other hydrocarbons, Most of it is used as fuel. On the other hand, in view of recent petroleum resource problems, there is a need for technology that not only uses methane as a fuel but also converts it into more useful compounds for effective use.

このようなメタンの有効利用のための反応技術として、古くからメタンを1000℃以上の著しく高温下で脱水素カップリングしてアセチレンやエチレンに転化する技術が検討されている。特に最近では、メタンの酸化カップリング反応、すなわちメタンを酸素の存在下で触媒に接触させ、比較的温和な条件下でエチレン、エタン等の炭素数2以上の炭化水素を製造する技術が注目されている。 As a reaction technology for the effective use of such methane, a technology of dehydrogenative coupling of methane at extremely high temperatures of 1000° C. or higher to convert it into acetylene or ethylene has been studied for a long time. Particularly recently, the oxidative coupling reaction of methane, a technology in which methane is brought into contact with a catalyst in the presence of oxygen to produce hydrocarbons having two or more carbon atoms such as ethylene and ethane under relatively mild conditions, has attracted attention. ing.

温和な条件下で、メタンからエチレンやエタンを合成する反応としては、例えばメタンと酸素とを反応させてエチレンやエタンを合成するメタン酸化カップリング反応(Oxidative Coupling of Methane、OCM反応)が挙げられる。この反応を、以下の(1)式及び(2)式に示す。
CH+1/2O→1/2C+HO ・・・(1)
CH+1/4O→1/2C+1/2HO ・・・(2)
Examples of reactions that synthesize ethylene and ethane from methane under mild conditions include the oxidative coupling of methane (OCM reaction), which synthesizes ethylene and ethane by reacting methane and oxygen. . This reaction is shown in the following formulas (1) and (2).
CH 4 + 1/2O 2 → 1/2C 2 H 4 +H 2 O ... (1)
CH 4 + 1/4O 2 → 1/2C 2 H 6 + 1/2H 2 O ... (2)

このOCMは、埋蔵量が豊富であるが用途に乏しいメタンを、化学産業のキー化合物であるエチレンやエタンへ直接転換する魅力的な反応である。しかしながら、これまでコストの観点等から産業的に有用なプロセスは開示されていない。これは、OCM反応には、以下の(3)式に示す熱力学的に有利な阻害反応であるメタンの完全酸化が存在し、メタンを高い選択率及び収率でエチレンやエタンへ転換する優れた触媒が未だ見出されていないためである。
CH+2O→CO+2HO ・・・(3)
OCM is an attractive reaction that directly converts methane, which has abundant reserves but little use, into ethylene and ethane, which are key compounds in the chemical industry. However, no industrially useful process has been disclosed so far from the viewpoint of cost. This is because the OCM reaction includes complete oxidation of methane, which is a thermodynamically advantageous inhibiting reaction shown in equation (3) below, and has the advantage of converting methane into ethylene and ethane with high selectivity and yield. This is because a suitable catalyst has not yet been discovered.
CH 4 +2O 2 →CO 2 +2H 2 O...(3)

以上のことから、実用的触媒にはCH転換率及びC化合物(エチレン及びエタン)選択率の向上が求められる。 From the above, practical catalysts are required to have improved CH 4 conversion and C 2 compound (ethylene and ethane) selectivity.

現在、OCMに高活性を示す触媒の一つとして、酸化カルシウム担体に酸化リチウムと酸化スズを担持した触媒が知られている(特許文献1参照)。この触媒は、C化合物の収率が約15%であり、低い収率を示すものである。 Currently, a catalyst in which lithium oxide and tin oxide are supported on a calcium oxide carrier is known as one of the catalysts showing high activity for OCM (see Patent Document 1). This catalyst shows a low yield of C2 compounds, which is about 15%.

また、他の高活性触媒としてはLi/MgOが知られている(非特許文献1参照)。この触媒は、目的物であるエチレン及びエタンの収率が約19%であるが、生成物中の目的物選択率が約50%と活性が低い。 Furthermore, Li/MgO is known as another highly active catalyst (see Non-Patent Document 1). This catalyst has a yield of about 19% of the target products, ethylene and ethane, but has a low activity, with a selectivity of the target products in the product of about 50%.

さらに、Mn-NaWO/SiOもOCM反応に高活性を示す触媒として知られている(非特許文献2及び3参照)。この触媒は、目的物であるC化合物の収率が15~25%、目的物選択率が60~80%と比較的高活性を示すものである。 Furthermore, Mn-Na 2 WO 4 /SiO 2 is also known as a catalyst that exhibits high activity in the OCM reaction (see Non-Patent Documents 2 and 3). This catalyst exhibits relatively high activity, with a yield of the target C 2 compound of 15 to 25% and a selectivity of the target product of 60 to 80%.

しかしながら、炭素数が2以上の炭化水素の収率及び目的物選択率をさらに向上させ、メタン化合物から炭素数が2以上の炭化水素をより効率的に製造するためにはなお改良の余地がある。 However, there is still room for improvement in order to further improve the yield and selectivity of hydrocarbons with carbon numbers of 2 or more and to more efficiently produce hydrocarbons with carbon numbers of 2 or more from methane compounds. .

特開平5-70372号公報Japanese Patent Application Publication No. 5-70372

T.Ito,J.H.Lunsford,Nature 1985,721-722,314.T. Ito, J. H. Lunsford, Nature 1985, 721-722, 314. S.Arndt,T.Otremba,U.Simon,M.Yildiz,H.Schubert,R.Schomacker,Applied Catalysis A:General 2012,425-426,53.S. Arndt, T. Otremba, U. Simon, M. Yildiz, H. Schubert, R. Schomacker, Applied Catalysis A: General 2012, 425-426, 53. E.V.Kondratenko,T.Peppel,D.Seeburg,V.A.Kondratenko,N.Kalevaru,A.Martin,S.Wohlrab,Catalysis Science Technology 2017,7,366.E. V. Kondratenko, T. Peppel, D. Seeburg, V. A. Kondratenko, N. Kalevaru, A. Martin, S. Wohlrab, Catalysis Science Technology 2017, 7, 366.

本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、メタンから炭素数が2以上の炭化水素を高収率且つ高選択率で生成させることができる新たな触媒を提供することを目的とする。 The present invention was made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a new catalyst capable of producing hydrocarbons having a carbon number of 2 or more from methane with high yield and high selectivity. do.

本発明者らは、上述した課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた。その結果、一般式LiABO(Aは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される1種以上であり、Bは、Si及び/又はGeである。)で表されるLi含有複合金属酸化物を触媒として用いることにより、メタンから炭素数が2以上の炭化水素を高収率且つ高選択率で生成させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的に、本発明は以下のものを提供する。 The present inventors have made extensive studies to solve the above-mentioned problems. As a result, Li represented by the general formula Li 2 ABO 4 (A is one or more selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba and Mg, and B is Si and/or Ge) The present inventors have discovered that hydrocarbons having two or more carbon atoms can be produced from methane with high yield and high selectivity by using the containing composite metal oxide as a catalyst, and have completed the present invention. Specifically, the present invention provides the following.

(1)一般式LiABO(Aは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される1種以上であり、Bは、Si及び/又はGeである。)で表されるLi含有複合金属酸化物を含む、触媒。 (1) Li represented by the general formula Li 2 ABO 4 (A is one or more selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba and Mg, and B is Si and/or Ge) A catalyst containing a composite metal oxide.

(2)前記Li含有複合金属酸化物の表面に、Ce含有酸化物及び/又はW含有酸化物が担持された、(1)に記載の触媒。 (2) The catalyst according to (1), wherein a Ce-containing oxide and/or a W-containing oxide is supported on the surface of the Li-containing composite metal oxide.

(3)前記Li含有複合金属酸化物の表面に、少なくともCe含有酸化物を含み、前記Ce含有酸化物は、CeOである、(2)に記載の触媒。 (3) The catalyst according to (2), wherein the surface of the Li-containing composite metal oxide includes at least a Ce-containing oxide, and the Ce-containing oxide is CeO2 .

(4)前記Li含有複合金属酸化物の表面に、少なくともW含有酸化物を含み、前記W含有酸化物は、W及び前記Li含有複合金属酸化物を構成する金属元素との複合金属酸化物である、(2)又は(3)に記載の触媒。 (4) The surface of the Li-containing composite metal oxide contains at least a W-containing oxide, and the W-containing oxide is a composite metal oxide of W and a metal element constituting the Li-containing composite metal oxide. The catalyst according to (2) or (3).

(5)Ceの含有量は、前記Li含有複合金属酸化物100質量%に対し、0.5質量%以上5.0質量%以下である、(2)乃至(4)のいずれかに記載の触媒。 (5) The content of Ce is 0.5% by mass or more and 5.0% by mass or less based on 100% by mass of the Li-containing composite metal oxide, according to any one of (2) to (4). catalyst.

(6)Wの含有量は、前記Li含有複合金属酸化物100質量%に対し、0.5質量%以上10質量%以下である(2)乃至(5)のいずれかに記載の触媒。 (6) The catalyst according to any one of (2) to (5), wherein the content of W is 0.5% by mass or more and 10% by mass or less based on 100% by mass of the Li-containing composite metal oxide.

(7)メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成するための、(1)乃至(6)のいずれかに記載の触媒。 (7) The catalyst according to any one of (1) to (6), for synthesizing a hydrocarbon having two or more carbon atoms from methane.

(8)請求項1乃至7のいずれか1項に記載の触媒を用いて、メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成する、炭化水素の製造方法。 (8) A method for producing hydrocarbons, which comprises synthesizing hydrocarbons having two or more carbon atoms from methane using the catalyst according to any one of claims 1 to 7.

(9)メタンと酸素とを接触させて反応させることにより、メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成する、(8)に記載の炭化水素の製造方法。 (9) The method for producing hydrocarbons according to (8), wherein a hydrocarbon having 2 or more carbon atoms is synthesized from methane by bringing methane and oxygen into contact and reacting.

(10)600℃以上800℃以下の温度範囲の反応系内で、メタンと酸素とを接触させる、(9)に記載の炭化水素の製造方法。 (10) The method for producing hydrocarbons according to (9), wherein methane and oxygen are brought into contact in a reaction system in a temperature range of 600°C or higher and 800°C or lower.

(11)反応系内における酸素とメタンのモル比(酸素/メタン)が0.12以上0.6以下である、(10)に記載の炭化水素の製造方法。 (11) The method for producing hydrocarbons according to (10), wherein the molar ratio of oxygen and methane (oxygen/methane) in the reaction system is 0.12 or more and 0.6 or less.

本発明によれば、炭素数が2以上の炭化水素を高収率で生成させる新たな触媒を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a new catalyst that generates hydrocarbons having two or more carbon atoms in high yield.

実施例1及び実施例2の試料のXRDパターンである。1 is an XRD pattern of samples of Example 1 and Example 2. 実施例1の試料のSEM像である。3 is a SEM image of the sample of Example 1. 実施例1の試料のSEM-EDXによる元素分析の結果であり、(a)はSEM像、(b)はSr Lα、(c)はGe Lα、(d)はO Kαである。These are the results of elemental analysis by SEM-EDX of the sample of Example 1, in which (a) is an SEM image, (b) is Sr Lα, (c) is Ge Lα, and (d) is O Kα. 実施例2の試料のSEM像である。3 is a SEM image of the sample of Example 2. 実施例2の試料のSEM-EDXによる元素分析の結果であり、(a)はSEM像、(b)はCe Lα、(c)はW Mα(d)はSr Lα、(e)はGe Lα、(f)はO Kαである。These are the results of elemental analysis by SEM-EDX of the sample of Example 2, where (a) is an SEM image, (b) is Ce Lα, (c) is W Mα, (d) is Sr Lα, and (e) is Ge Lα. , (f) is O Kα. 実施例1、実施例2及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。1 shows the results of catalytic activity evaluation of samples of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. 実施例3、実施例4及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。These are the catalyst activity evaluation results of samples of Example 3, Example 4, and Comparative Example 1. 実施例5、実施例6及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。These are the catalyst activity evaluation results of samples of Example 5, Example 6, and Comparative Example 1. 実施例7、実施例8及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。These are the catalyst activity evaluation results of samples of Example 7, Example 8, and Comparative Example 1. 実施例9、実施例10及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。These are the catalyst activity evaluation results of samples of Example 9, Example 10, and Comparative Example 1. 実施例5、比較例2~4の試料の触媒活性評価結果である。These are the catalyst activity evaluation results for samples of Example 5 and Comparative Examples 2 to 4. 比較例5~8の試料の触媒活性評価結果である。These are the catalyst activity evaluation results for samples of Comparative Examples 5 to 8. 実施例1の試料を、800℃で2時間保持したときのCH転化率、C選択率及びC収率である。These are the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when the sample of Example 1 was held at 800° C. for 2 hours. 実施例2の試料を、800℃で2時間保持したときのCH転化率、C選択率及びC収率である。These are the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when the sample of Example 2 was held at 800° C. for 2 hours. 実施例2の試料を、750℃で2時間保持したときのCH転化率、C選択率及びC収率である。These are the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when the sample of Example 2 was held at 750° C. for 2 hours. 比較例1の試料を、800℃で2時間保持したときのCH転化率、C選択率及びC収率である。These are the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when the sample of Comparative Example 1 was held at 800° C. for 2 hours. 実施例5の試料について、酸素/メタン比を変化させた場合におけるCH転化率、C選択率及びC収率の変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing changes in CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when changing the oxygen/methane ratio for the sample of Example 5.

以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において適宜変更を加えて実施することができる。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the purpose of the present invention.

<1.触媒>
本実施形態に係る触媒は、一般式LiABO(Aは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される1種以上であり、Bは、Si及び/又はGeである。)で表されるLi含有複合金属酸化物を含むものである。
<1. Catalyst>
The catalyst according to the present embodiment has the general formula Li 2 ABO 4 (A is one or more selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Mg, and B is Si and/or Ge.) It contains a Li-containing composite metal oxide represented by:

このような触媒は、その特有の構成元素及び結晶構造により、高い触媒能を発現するものである。特にOCM反応の触媒として用いた場合に、メタンから炭素数が2以上の炭化水素を高収率で生成させることができる。より具体的には、上述の非特許文献1に開示されているLi/MgOや、上述の非特許文献2及び3に開示されているMn-NaWO/SiOと比較しても、高いOCM反応の触媒活性を有しており、新たなOCM反応の触媒として期待されるものである。 Such a catalyst exhibits high catalytic ability due to its unique constituent elements and crystal structure. In particular, when used as a catalyst for OCM reaction, hydrocarbons having two or more carbon atoms can be produced from methane in high yield. More specifically, compared to Li/MgO disclosed in the above-mentioned Non-Patent Document 1 and Mn-Na 2 WO 4 /SiO 2 disclosed in the above-mentioned Non-Patent Documents 2 and 3, It has high OCM reaction catalytic activity and is expected to be used as a new OCM reaction catalyst.

そして、このような触媒は熱的安定性が高く、高温条件下でも短時間で失活することがない。そのため、長期間にわたって使用することができる。また、このような触媒は貴金属等、高価な元素を使用するものではなく、詳細は後述するが、簡易な手法によって収率よく合成することもできる。このように、安価なプロセスを達成し得るという観点からも有用な触媒である。 Furthermore, such a catalyst has high thermal stability and does not become deactivated in a short period of time even under high temperature conditions. Therefore, it can be used for a long period of time. Moreover, such a catalyst does not use expensive elements such as noble metals, and can be synthesized with a high yield by a simple method, as will be described in detail later. Thus, it is a useful catalyst also from the viewpoint of achieving an inexpensive process.

上述したとおり、本実施形態に係るLi含有複合金属酸化物は、一般式LiABOで表されるものである。ここで、Aサイトには、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される1種以上である金属元素(以下、「Aサイト元素」という。)が含まれる。また、Bサイトには、Si及び/又はGeである金属元素(以下、「Bサイト元素」という。)が含まれる。Aサイト元素及びBサイト元素には、それぞれ、上述した金属元素のうち単数又は複数の金属元素を含有することができる。 As described above, the Li-containing composite metal oxide according to the present embodiment is represented by the general formula Li 2 ABO 4 . Here, the A site includes one or more metal elements selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Mg (hereinafter referred to as "A site element"). Further, the B site includes a metal element (hereinafter referred to as "B site element") that is Si and/or Ge. The A-site element and the B-site element can each contain one or more of the above-mentioned metal elements.

また、Liサイト、Aサイト及びBサイトには、それぞれの金属元素の理論両論比、すなわち、Li:A:B:O=2:1:1:4から5%以下の欠陥又は置換元素を含むことができる。置換元素としては、B、Na、Mg、Al、K、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga等が挙げられる。 In addition, the Li site, A site, and B site contain 5% or less of defects or substitutional elements based on the stoichiometric ratio of each metal element, that is, Li:A:B:O=2:1:1:4. be able to. Examples of substitution elements include B, Na, Mg, Al, K, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, and the like.

Li含有複合金属酸化物は、上述の両論比で各元素が複合金属酸化物としての結晶構造を形成することにより、高いOCM反応の触媒活性を有する。このようにして奏される高い触媒活性は、各金属元素単一の酸化物の混合物では得られない。したがって、Li含有複合金属酸化物が有している高いOCM反応の触媒活性は、金属元素の種類のみならず、その結晶構造にも起因するものである。 The Li-containing composite metal oxide has high OCM reaction catalytic activity because each element forms a crystal structure as a composite metal oxide in the above-mentioned stoichiometric ratio. The high catalytic activity exhibited in this way cannot be obtained with a mixture of single oxides of each metal element. Therefore, the high OCM reaction catalytic activity of the Li-containing composite metal oxide is due not only to the type of metal element but also to its crystal structure.

LiABOの具体的な例としては、LiCaSiO、LiSrSiO、LiBaSiO、LiMgSiO、LiCaGeO、LiSrGeO、LiBaGeO、LiMgGeO、LiCa(Si,Ge)O、LiSr(Si,Ge)O、LiBa(Si,Ge)O、LiMg(Si,Ge)O、Li(Ca,Sr)SiO、Li(Ca,Ba)SiO、Li(Ca,Mg)SiO、Li(Sr,Ba)SiO、Li(Sr,Mg)SiO、Li(Ba,Mg)SiO、Li(Ca,Sr)GeO、Li(Ca,Ba)GeO、Li(Ca,Mg)GeO、Li(Sr,Ba)GeO、Li(Sr,Mg)GeO、Li(Ba,Mg)GeO、Li(Ca,Sr)(Si,Ge)O、Li(Ca,Ba)(Si,Ge)O、Li(Ca,Mg)(Si,Ge)O、Li(Sr,Ba)(Si,Ge)O、Li(Sr,Mg)(Si,Ge)O、Li(Ba,Mg)(Si,Ge)O、Li(Ca,Sr,Ba)SiO、Li(Ca,Sr,Mg)SiO、Li(Ca,Ba,Mg)SiO、Li(Sr,Ba,Mg)SiO、Li(Ca,Sr,Ba)GeO、Li(Ca,Sr,Mg)GeO、Li(Ca,Ba,Mg)GeO、Li(Sr,Ba,Mg)GeO、Li(Ca,Sr,Ba)(Si,Ge)O、Li(Ca,Sr,Mg)(Si,Ge)O、Li(Ca,Ba,Mg)(Si,Ge)O、Li(Sr,Ba,Mg)(Si,Ge)O、Li(Ca,Sr,Ba,Mg)SiO、Li(Ca,Sr,Ba,Mg)GeO、Li(Ca,Sr,Ba,Mg)(Si,Ge)Oである。なお、上記化学式において、各金属元素の両論比が0超1未満であって、且つ各金属元素の両論比の総和が1となるものとする。具体的に、各サイトにおける「(W,X,Y,Z)」(W、X、Y、Zは、任意の金属元素)の記載は、W,X,Y,Zの両論比がそれぞれ、0超1未満であって、且つW,X,Y及びZの両論比の総和が1である。 Specific examples of Li2ABO4 include Li2CaSiO4 , Li2SrSiO4 , Li2BaSiO4 , Li2MgSiO4 , Li2CaGeO4 , Li2SrGeO4 , Li2BaGeO4 , Li2M . gGeO 4 , Li2Ca (Si,Ge) O4 , Li2Sr (Si,Ge) O4 , Li2Ba (Si,Ge) O4 , Li2Mg (Si,Ge) O4 , Li2 (Ca ,Sr) SiO4 , Li2 (Ca,Ba) SiO4 , Li2 (Ca,Mg) SiO4 , Li2 (Sr,Ba) SiO4 , Li2 (Sr,Mg)SiO4 , Li2 (Ba) , Mg) SiO4 , Li2 (Ca,Sr ) GeO4 , Li2 (Ca,Ba)GeO4, Li2 (Ca,Mg)GeO4 , Li2 (Sr,Ba)GeO4 , Li2 (Sr) , Mg) GeO4 , Li2 (Ba,Mg) GeO4 , Li2 (Ca,Sr)(Si,Ge) O4 , Li2 (Ca,Ba)(Si,Ge) O4 , Li2 (Ca , Mg)(Si,Ge) O4 , Li2 (Sr,Ba)(Si,Ge) O4 , Li2 (Sr,Mg)(Si,Ge) O4 , Li2 (Ba,Mg)(Si , Ge)O 4 , Li 2 (Ca, Sr, Ba) SiO 4 , Li 2 (Ca, Sr, Mg) SiO 4 , Li 2 (Ca, Ba, Mg) SiO 4 , Li 2 (Sr, Ba, Mg ) SiO 4 , Li 2 (Ca, Sr, Ba) GeO 4 , Li 2 (Ca, Sr, Mg) GeO 4 , Li 2 (Ca, Ba, Mg) GeO 4 , Li 2 (Sr, Ba, Mg) GeO 4 , Li 2 (Ca, Sr, Ba) (Si, Ge) O 4 , Li 2 (Ca, Sr, Mg) (Si, Ge) O 4 , Li 2 (Ca, Ba, Mg) (Si, Ge) O 4 , Li 2 (Sr, Ba, Mg) (Si, Ge) O 4 , Li 2 (Ca, Sr, Ba, Mg) SiO 4 , Li 2 (Ca, Sr, Ba, Mg) GeO 4 , Li 2 (Ca, Sr, Ba, Mg) (Si, Ge) O 4 . In the above chemical formula, it is assumed that the ampholytic ratio of each metal element is greater than 0 and less than 1, and the sum of the ampholytic ratios of each metal element is 1. Specifically, the description of “(W, X, Y, Z)” (W, is greater than 0 and less than 1, and the sum of the theoretical ratios of W, X, Y, and Z is 1.

(Ce含有酸化物、W含有酸化物の担持)
上述したLi含有複合金属酸化物には、Ce含有酸化物及び/又はW含有酸化物を担持することが好ましい。
(Support of Ce-containing oxide and W-containing oxide)
It is preferable that the Li-containing composite metal oxide described above supports a Ce-containing oxide and/or a W-containing oxide.

このようにして、Li含有複合金属酸化物に、Ce含有酸化物及び/又はW含有酸化物を担持することにより、より高い収率を示す触媒が得られる。中でも、Ce含有酸化物及びW含有酸化物を担持することにより、高い収率を示す触媒が得られる。 In this way, by supporting the Ce-containing oxide and/or the W-containing oxide on the Li-containing composite metal oxide, a catalyst exhibiting a higher yield can be obtained. Among these, by supporting a Ce-containing oxide and a W-containing oxide, a catalyst exhibiting a high yield can be obtained.

Ce含有酸化物としては、Ceを含有している酸化物であれば特に限定されず、例えばCeOや他の金属元素(Li含有複合金属酸化物を構成する金属元素に限られない)との複合金属酸化物等が挙げられるが、高い収率の観点から、CeOであることが好ましい。 The Ce-containing oxide is not particularly limited as long as it contains Ce, and for example, it may be combined with CeO 2 or other metal elements (not limited to the metal elements constituting the Li-containing composite metal oxide). Examples include composite metal oxides, but from the viewpoint of high yield, CeO 2 is preferable.

W含有酸化物としては、Wを含有している酸化物であれば特に限定されず、例えば、WO、Wや他の金属元素(Li含有複合金属酸化物を構成する金属元素に限られない)との複合金属酸化物等が挙げられるが、高い収率の観点から、W及びLi含有複合金属酸化物を構成する金属元素の複合金属酸化物であることが好ましい。このような複合金属酸化物としては、例えば、SrLi0.40.6、LiWO、BaLiWO5.5、LiWO等が挙げられる。また、Ce及びWが含有される複合金属酸化物を用いることもできる。 The W-containing oxide is not particularly limited as long as it contains W, and examples include WO 3 , W 2 O 3 and other metal elements (including metal elements constituting the Li-containing composite metal oxide). However, from the viewpoint of high yield, it is preferable to use a composite metal oxide of the metal elements constituting the W- and Li-containing composite metal oxide. Examples of such composite metal oxides include SrLi 0.4 W 0.6 O 3 , Li 6 WO 6 , Ba 2 LiWO 5.5 , Li 4 WO 5 and the like. Moreover, a composite metal oxide containing Ce and W can also be used.

Ce含有酸化物の含有量としては、特に限定されず、Li含有複合金属酸化物100質量%に対し、例えば0.5質量%以上であることが好ましく、0.7質量%以上であることがより好ましく、1.0質量%以上であることがさらに好ましく、1.2質量%以上であることが特に好ましい。Ce含有酸化物の含有量が所要量以上であることにより、炭素数2以上の炭化水素の収率を高めることができる。一方で、Ce含有酸化物の含有量としては、例えば5.0質量%以下であることが好ましく、4.5質量%以下であることがより好ましく、4.0質量%以下であることがさらに好ましく、3.5質量%以下であることが特に好ましい。Ce含有酸化物の含有量が所要量以下であることにより、希少金属であるCeの使用量を抑制し、コストを低減させることができる。 The content of the Ce-containing oxide is not particularly limited, and is preferably, for example, 0.5% by mass or more, and preferably 0.7% by mass or more, based on 100% by mass of the Li-containing composite metal oxide. The content is more preferably 1.0% by mass or more, even more preferably 1.2% by mass or more. When the content of the Ce-containing oxide is at least the required amount, the yield of hydrocarbons having 2 or more carbon atoms can be increased. On the other hand, the content of the Ce-containing oxide is preferably 5.0% by mass or less, more preferably 4.5% by mass or less, and even more preferably 4.0% by mass or less. The content is preferably 3.5% by mass or less, particularly preferably 3.5% by mass or less. By keeping the content of the Ce-containing oxide at or below the required amount, it is possible to suppress the amount of Ce, which is a rare metal, and reduce costs.

W含有酸化物の含有量としては、特に限定されず、Li含有複合金属酸化物100質量%に対し、例えば0.5質量%以上であることが好ましく、0.7質量%以上であることがより好ましく、1.0質量%以上であることがさらに好ましく、1.2質量%以上であることが特に好ましい。W含有酸化物の含有量が所要量以上であることにより、炭素数2以上の炭化水素の収率を高めることができる。一方で、W含有酸化物の含有量としては、例えば10質量%以下であることが好ましく、9.0質量%以下であることがより好ましく、8.0質量%以下であることがさらに好ましく、7.0質量%以下であることが特に好ましい。W含有酸化物の含有量が所要量以下であることにより、希少金属であるWの使用量を抑制し、コストを低減させることができる。 The content of the W-containing oxide is not particularly limited, and is preferably, for example, 0.5% by mass or more, and preferably 0.7% by mass or more, based on 100% by mass of the Li-containing composite metal oxide. The content is more preferably 1.0% by mass or more, even more preferably 1.2% by mass or more. When the content of the W-containing oxide is at least the required amount, the yield of hydrocarbons having 2 or more carbon atoms can be increased. On the other hand, the content of the W-containing oxide is preferably 10% by mass or less, more preferably 9.0% by mass or less, even more preferably 8.0% by mass or less, It is particularly preferable that the content is 7.0% by mass or less. By keeping the content of the W-containing oxide at or below the required amount, the amount of W, which is a rare metal, used can be suppressed and costs can be reduced.

以上のような触媒によれば、高い触媒能を発現し、特にOCM反応の触媒として用いた場合に、メタンから炭素数が2以上の炭化水素を高収率で生成させることができる。 The catalyst described above exhibits high catalytic ability, and can produce hydrocarbons having two or more carbon atoms from methane in high yield, especially when used as a catalyst for OCM reaction.

なお、以上では、主として触媒のOCM反応、すなわち、メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成する反応としての用途について説明したが、本発明は、OCM反応に限られず、他の反応触媒として用いることができる。具体的な用途としては、例えば、メタンからメタノールへの変換反応の触媒、メタンとトルエンのクロスカップリング反応等中間体としてメチルラジカル(アルキルラジカル)を経由する反応の触媒や、部分酸化反応用触媒等に用いることができる。 Although the above description has mainly been about the use of the catalyst in the OCM reaction, that is, the reaction for synthesizing hydrocarbons having 2 or more carbon atoms from methane, the present invention is not limited to the OCM reaction, but can also be used as a catalyst for other reactions. be able to. Specific applications include, for example, catalysts for conversion reactions from methane to methanol, catalysts for reactions that use methyl radicals (alkyl radicals) as intermediates, such as cross-coupling reactions between methane and toluene, and catalysts for partial oxidation reactions. It can be used for etc.

<2.触媒の製造方法>
上述した一般式LiABO(Aは、Ca、Sr、Ba及びMgからなる群から選択される1種以上であり、Bは、Si及び/又はGeである。)で表されるLi含有複合金属酸化物の製造方法としては、特に限定されず、例えば固相法、ゾル-ゲル法、水熱合成法、共沈法等、クエン酸ゲル化法等により合成することができるが、その中でも、固相法又はクエン酸ゲル化法により合成することが好ましい。
<2. Catalyst manufacturing method>
Li-containing compound represented by the general formula Li 2 ABO 4 (A is one or more selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba and Mg, and B is Si and/or Ge). The method for producing the composite metal oxide is not particularly limited, and can be synthesized by, for example, a solid phase method, a sol-gel method, a hydrothermal synthesis method, a coprecipitation method, a citric acid gelation method, etc. Among these, it is preferable to synthesize by a solid phase method or a citric acid gelation method.

固相法の場合には、必要な金属の酸化物又は炭酸塩等、固相法に適した出発原料を合成する化合物のモル比となるように混合し、混合粉末を仮焼し、前駆体を得る。得られた前駆体を本焼成することでLi含有複合金属酸化物を得ることができる。 In the case of the solid phase method, starting materials suitable for the solid phase method, such as oxides or carbonates of the necessary metals, are mixed in a molar ratio of the compounds to be synthesized, the mixed powder is calcined, and the precursor is get. A Li-containing composite metal oxide can be obtained by main firing the obtained precursor.

クエン酸ゲル化法の場合には、必要な金属の硝酸塩等、クエン酸ゲル化法に適した出発原料を、製造する化合物のモル比と同一になるように純水に溶かし、合成する化合物の全金属モル数の等モル量又は過剰のクエン酸を金属溶液に加え、低温で加熱することで水分を除去し、ゲルを形成させる。そのゲルを仮焼し、前駆体を得た後、その前駆体を本焼成することでLi含有複合金属酸化物を得ることができる。 In the case of the citric acid gelation method, the starting materials suitable for the citric acid gelation method, such as nitrates of the necessary metals, are dissolved in pure water to the same molar ratio as the compound to be synthesized. Citric acid in an amount equivalent to the total number of moles of metal or in excess is added to the metal solution and heated at low temperature to remove water and form a gel. After the gel is calcined to obtain a precursor, the Li-containing composite metal oxide can be obtained by main firing the precursor.

(Ce含有酸化物、W含有酸化物の担持)
Ce含有酸化物、W含有酸化物は、湿式含浸法により合成することが好ましい。
(Support of Ce-containing oxide and W-containing oxide)
The Ce-containing oxide and W-containing oxide are preferably synthesized by a wet impregnation method.

湿式含浸法の場合には、Li複合金属酸化物を、Ce及び/又はWの硝酸塩等の水溶液を浸し、低温で加熱し、乾燥させ、さらに高温で焼成することで、Ce含有酸化物及び/又はW含有酸化物を担持したLi含有複合金属酸化物を得ることができる。 In the case of the wet impregnation method, the Li composite metal oxide is immersed in an aqueous solution of Ce and/or W nitrate, heated at a low temperature, dried, and then fired at a high temperature to form the Ce-containing oxide and/or the Li composite metal oxide. Alternatively, a Li-containing composite metal oxide supporting a W-containing oxide can be obtained.

また、Li含有複合金属酸化物をクエン酸ゲル化法等の液相法で合成する場合、出発原料を純粋に溶かす際に、Ce及び/又はWの硝酸塩等を加えることで、一段階で、Ce含有酸化物及び/又はW含有酸化物が担持されたLi含有複合金属酸化物を合成することができる。これにより、製造プロセス数を削減することができる。 In addition, when synthesizing a Li-containing composite metal oxide by a liquid phase method such as a citric acid gelation method, by adding nitrates of Ce and/or W when the starting raw material is purely dissolved, it can be synthesized in one step. A Li-containing composite metal oxide on which a Ce-containing oxide and/or a W-containing oxide is supported can be synthesized. Thereby, the number of manufacturing processes can be reduced.

<3.炭化水素の製造方法>
本実施形態に係る炭化水素の製造方法は、上述した触媒を用いて、メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成するものである。
<3. Hydrocarbon production method>
The method for producing hydrocarbons according to the present embodiment is to synthesize hydrocarbons having two or more carbon atoms from methane using the above-mentioned catalyst.

具体的に、このような炭化水素の製造方法では、メタンと酸素とを接触させて反応させることにより、メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成する。 Specifically, in such a method for producing hydrocarbons, hydrocarbons having two or more carbon atoms are synthesized from methane by bringing methane and oxygen into contact and causing a reaction.

反応系内の温度としては、特に限定されないが、500℃以上であることが好ましく、550℃以上であることがより好ましく、600℃以上であることがさらに好ましく、650℃以上であることが特に好ましい。反応系内の温度が所要温度以上であることにより、炭素数2以上の炭化水素の収率を高めることができる。一方で、反応系内の温度としては、900℃以下であることが好ましく、850℃以下であることがより好ましく、800℃以下であることがさらに好ましい。反応系内の温度が所要量以下であることにより、Li複合金属酸化物の高温焼結による失活を抑制するとともに、加熱に用いるエネルギーによるコストの増加を抑制することができる。 The temperature within the reaction system is not particularly limited, but is preferably 500°C or higher, more preferably 550°C or higher, even more preferably 600°C or higher, particularly 650°C or higher. preferable. By setting the temperature in the reaction system at or above the required temperature, the yield of hydrocarbons having 2 or more carbon atoms can be increased. On the other hand, the temperature within the reaction system is preferably 900°C or lower, more preferably 850°C or lower, and even more preferably 800°C or lower. By keeping the temperature in the reaction system at or below the required amount, it is possible to suppress deactivation of the Li composite metal oxide due to high-temperature sintering, and to suppress an increase in cost due to energy used for heating.

反応系内におけるメタンと酸素のモル比(酸素/メタン)としては、特に限定されないが、0.10以上であることが好ましく、0.12以上であることがより好ましく、0.15以上であることがさらに好ましく、0.2以上であることが特に好ましい。反応系内におけるメタンの酸素に対するモル比が所要量以上であることにより、炭素数2以上の炭化水素の収率を高めることができる。一方で、反応系内におけるメタンの酸素に対するモル比としては、1以下であることが好ましく、0.8以下であることがより好ましく、0.6以下であることがさらに好ましく、0.55以下であることが特に好ましい。反応系内におけるメタンの酸素に対するモル比が所要量以下であることにより、炭素数2以上の炭化水素の収率を高めることができる。 The molar ratio of methane and oxygen (oxygen/methane) in the reaction system is not particularly limited, but is preferably 0.10 or more, more preferably 0.12 or more, and 0.15 or more. More preferably, it is 0.2 or more. When the molar ratio of methane to oxygen in the reaction system is at least the required amount, the yield of hydrocarbons having 2 or more carbon atoms can be increased. On the other hand, the molar ratio of methane to oxygen in the reaction system is preferably 1 or less, more preferably 0.8 or less, even more preferably 0.6 or less, and even more preferably 0.55 or less. It is particularly preferable that When the molar ratio of methane to oxygen in the reaction system is less than or equal to the required amount, the yield of hydrocarbons having 2 or more carbon atoms can be increased.

以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、以下、Ce含有酸化物及びW含有酸化物担持LiABOを「Ce-W/LiABO」と表記する。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail by way of Examples, but the present invention is not limited to these Examples in any way. Note that, hereinafter, the Ce-containing oxide and the W-containing oxide-supported Li 2 ABO 4 will be referred to as “Ce-W/Li 2 ABO 4 ”.

〔試料の調製〕
(実施例1)LiSrGeO
原料としてLiNO、Sr(NO、GeOを用い、これらの原料をLi:Sr:Ge=2.3: 1:1(Li:15mol%過剰)となるように全金属モル数4倍量のクエン酸を溶かした純水に加え、加熱撹拌を行った。ゲル形成後、得られたゲルを大気中450℃、1時間で仮焼し、前駆体を得た。その前駆体を大気中850℃で、12時間本焼成してLiSrGeOを合成した。
[Sample preparation]
(Example 1) Li 2 SrGeO 4
LiNO 3 , Sr(NO 3 ) 2 , and GeO 2 were used as raw materials, and these raw materials were mixed in a total metal mole number of 4 so that Li:Sr:Ge=2.3:1:1 (Li: 15 mol% excess). It was added to pure water in which twice the amount of citric acid had been dissolved, and heated and stirred. After gel formation, the obtained gel was calcined in the air at 450° C. for 1 hour to obtain a precursor. The precursor was main fired at 850° C. in the air for 12 hours to synthesize Li 2 SrGeO 4 .

(実施例2)Ce-W/LiSrGeO
原料としてのLiNO、Sr(NO、GeOに加えて、Ce及びWを、目的とするLiSrGeO100質量%に対し、それぞれ2質量%、5質量%となるように、添加して調製した以外は実施例1と同様の操作を行い、Ce-W/LiSrGeOを合成した。
(Example 2) Ce-W/Li 2 SrGeO 4
In addition to LiNO 3 , Sr(NO 3 ) 2 , and GeO 2 as raw materials, Ce and W were added to 2% by mass and 5% by mass, respectively, based on 100% by mass of the target Li 2 SrGeO 4 . Ce--W/Li 2 SrGeO 4 was synthesized by performing the same operation as in Example 1 except that it was prepared by adding.

(実施例3)LiCaGeO
Sr(NOの代わりにCa(NOを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、LiCaGeOを合成した。
( Example 3) Li2CaGeO4
Li 2 CaGeO 4 was synthesized by performing the same operation as in Example 1 except that Ca(NO 3 ) 2 was used instead of Sr(NO 3 ) 2 .

(実施例4)Ce-W/LiCaGeO
原料としてのLiNO、Ca(NO、GeOに加えて、Ce及びWを、目的とするLiCaGeO100質量%に対し、それぞれ2質量%、5質量%となるように、添加して調製した以外は実施例3と同様の操作を行い、Ce-W/LiCaGeOを合成した。
(Example 4) Ce-W/Li 2 CaGeO 4
In addition to LiNO 3 , Ca(NO 3 ) 2 , and GeO 2 as raw materials, Ce and W were added to 2% by mass and 5% by mass, respectively, based on 100% by mass of the target Li 2 CaGeO 4 . Ce-W/Li 2 CaGeO 4 was synthesized by performing the same operation as in Example 3 except that it was prepared by adding

(実施例5)LiCaSiO
Sr(NOの代わりにCa(NOを用い、且つGeOの代わりに、Si(OCにC及び少量のHClを加え、混合した溶液(以下、「Si源溶液」という。)を用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、LiCaSiOを合成した。
(Example 5) Li 2 CaSiO 4
A mixed solution using Ca(NO 3 ) 2 instead of Sr(NO 3 ) 2 and adding C 3 H 8 O 2 and a small amount of HCl to Si(OC 2 H 5 ) 4 instead of GeO 2 (hereinafter referred to as "Si source solution") was used, but the same operation as in Example 1 was performed to synthesize Li 2 CaSiO 4 .

(実施例6)Ce-W/LiCaSiO
原料としてのLiNO、Ca(NO、Si源溶液に加えて、Ce及びWを、目的とするLiCaSiO100質量%に対し、それぞれ2質量%、5質量%となるように、添加して調製した以外は実施例5と同様の操作を行い、Ce-W/LiCaSiOを合成した。
(Example 6) Ce-W/Li 2 CaSiO 4
In addition to LiNO 3 , Ca(NO 3 ) 2 , and Si source solution as raw materials, Ce and W were added to 2% by mass and 5% by mass, respectively, based on 100% by mass of the target Li 2 CaSiO 4 . Ce--W/Li 2 CaSiO 4 was synthesized by carrying out the same operation as in Example 5 except that it was prepared by adding .

(実施例7)LiSrSiO
GeOの代わりにSi源溶液用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、LiSrSiOを合成した。
(Example 7) Li 2 SrSiO 4
Li 2 SrSiO 4 was synthesized in the same manner as in Example 1 except that a Si source solution was used instead of GeO 2 .

(実施例8)Ce-W/LiSrSiO
原料としてのLiNO、Sr(NO、Si源溶液に加えて、Ce及びWを、目的とするLiSrSiO100質量%に対し、それぞれ2質量%、5質量%となるように、添加して調製した以外は実施例7と同様の操作を行い、Ce-W/LiSrSiOを合成した。
(Example 8) Ce-W/Li 2 SrSiO 4
In addition to LiNO 3 , Sr(NO 3 ) 2 , and Si source solution as raw materials, Ce and W were added to 2% by mass and 5% by mass, respectively, based on 100% by mass of the target Li 2 SrSiO 4 . Ce-W/Li 2 SrSiO 4 was synthesized by performing the same operation as in Example 7 except that , was added.

(実施例9)LiBaSiO
Sr(NOの代わりにBa(NOを用い、且つGeOの代わりにSi源溶液を用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、LiBaSiOを合成した。
(Example 9) Li 2 BaSiO 4
Li 2 BaSiO 4 was synthesized by performing the same operation as in Example 1, except that Ba(NO 3 ) 2 was used instead of Sr(NO 3 ) 2 and a Si source solution was used instead of GeO 2 . .

(実施例10)Ce-W/LiBaSiO
原料としてのLiNO、Ba(NO、Si源溶液に加えて、Ce及びWを、目的とするLiBaSiO100質量%に対し、それぞれ2質量%、5質量%となるように、添加して調製した以外は実施例9と同様の操作を行い、Ce-W/LiBaSiOを合成した。
(Example 10) Ce-W/Li 2 BaSiO 4
In addition to LiNO 3 , Ba(NO 3 ) 2 , and Si source solution as raw materials, Ce and W were added to 2% by mass and 5% by mass, respectively, based on 100% by mass of the target Li 2 BaSiO 4 . Ce--W/Li 2 BaSiO 4 was synthesized by carrying out the same operation as in Example 9 except that it was prepared by adding .

(比較例1)Mn-NaWO/SiO
Mn-NaWO/SiOについて湿式含浸法を用いて合成を行った。原料としてMn(NO・6HO、NaWO・2HO、SiOを用いた。これらを、目的物であるMn及びNaWOがそれぞれ2重量%及び5重量%となるように純水に溶かし、担体であるSiOに浸し、100℃で加熱し、乾燥した。このようにして得られた乾燥物を大気中850℃で、5時間焼成することでMn-NaWO/SiOを得た。
(Comparative Example 1) Mn-Na 2 WO 4 /SiO 2
Mn-Na 2 WO 4 /SiO 2 was synthesized using a wet impregnation method. Mn(NO 3 ) 2.6H 2 O, Na 2 WO 4.2H 2 O, and SiO 2 were used as raw materials. These were dissolved in pure water so that the target substances Mn and Na 2 WO 4 were 2% by weight and 5% by weight, respectively, immersed in SiO 2 as a carrier, heated at 100° C., and dried. The dried product thus obtained was calcined in the air at 850° C. for 5 hours to obtain Mn-Na 2 WO 4 /SiO 2 .

(比較例2)LiSiO
原料としてLiCO、SiOを用い、これらの原料をLi:Si=2:1となるように秤量し、エタノールを加え粉砕混合した。混合後、試料を大気中700℃、1時間で仮焼し、前駆体を得た。その前駆体を大気中850℃で、12時間本焼成してLiSiOを合成した。
(Comparative Example 2) Li 2 SiO 3
Using Li 2 CO 3 and SiO 2 as raw materials, these raw materials were weighed so that Li:Si=2:1, ethanol was added, and they were pulverized and mixed. After mixing, the sample was calcined in the air at 700°C for 1 hour to obtain a precursor. The precursor was main fired at 850°C in the air for 12 hours to synthesize Li 2 SiO 3 .

(比較例3)CaSiO
原料としてCaCO、SiOを用い、これらの原料をCa:Si=1:1となるように秤量し、エタノールを加え粉砕混合した。混合後、試料を大気中700℃、1時間で仮焼し、前駆体を得た。その前駆体を大気中850℃で、12時間本焼成してCaSiOを合成した。
(Comparative Example 3) CaSiO 3
CaCO 3 and SiO 2 were used as raw materials, and these raw materials were weighed so that Ca:Si=1:1, ethanol was added, and they were pulverized and mixed. After mixing, the sample was calcined in the air at 700°C for 1 hour to obtain a precursor. The precursor was main fired at 850° C. in the air for 12 hours to synthesize CaSiO 3 .

(比較例4)LiSiO及びCaSiOの混合物
比較例2で合成したLiSiO及び比較例3で合成したCaSiOを質量比1:1で混合して、LiSiO及びCaSiOの混合物を得た。
(Comparative Example 4) Mixture of Li 2 SiO 3 and CaSiO 3 Li 2 SiO 3 synthesized in Comparative Example 2 and CaSiO 3 synthesized in Comparative Example 3 were mixed at a mass ratio of 1:1 to form Li 2 SiO 3 and CaSiO 3 . A mixture of 3 was obtained.

(比較例5)SrFeNbO
原料としてSrCO、Fe、Nbを用い、これらの原料をSr:Fe:Nb=2:1:1となるように秤量し、エタノールを加え粉砕混合した。混合後、試料を大気中1000℃、12時間で仮焼し、前駆体を得た。その前駆体を大気中1200℃で、12時間本焼成してSrFeNbOを合成した。
(Comparative Example 5) Sr 2 FeNbO 6
SrCO 3 , Fe 2 O 3 , and Nb 2 O 5 were used as raw materials, and these raw materials were weighed so that Sr:Fe:Nb=2:1:1, ethanol was added, and they were pulverized and mixed. After mixing, the sample was calcined in the air at 1000°C for 12 hours to obtain a precursor. The precursor was main fired at 1200° C. for 12 hours in the air to synthesize Sr 2 FeNbO 6 .

(比較例6)SrFeSbO
原料としてSrCO、Fe、Sbを用い、これらの原料をSr:Fe:Nb=2:1:1となるように秤量し、エタノールを加え粉砕混合した。混合後、試料を大気中1000℃、12時間で仮焼し、前駆体を得た。その前駆体を大気中1200℃で、12時間本焼成してSrFeSbOを合成した。
(Comparative Example 6) Sr 2 FeSbO 6
SrCO 3 , Fe 2 O 3 , and Sb 2 O 3 were used as raw materials, and these raw materials were weighed so that Sr:Fe:Nb=2:1:1, ethanol was added, and they were pulverized and mixed. After mixing, the sample was calcined in the air at 1000°C for 12 hours to obtain a precursor. The precursor was main fired at 1200° C. for 12 hours in the air to synthesize Sr 2 FeSbO 6 .

(比較例7)CaZnSi
原料としてCaCO、ZnO、SiOを用い、これらの原料をCa:Zn:Si=2:1:1となるように秤量し、エタノールを加え粉砕混合した。混合後、試料を大気中1000℃、12時間で仮焼し、前駆体を得た。その前駆体を大気中1200℃で、12時間本焼成してCaZnSiを合成した。
(Comparative Example 7) Ca 2 ZnSi 2 O 7
CaCO 3 , ZnO, and SiO 2 were used as raw materials, and these raw materials were weighed so that Ca:Zn:Si=2:1:1, and ethanol was added and pulverized and mixed. After mixing, the sample was calcined in the air at 1000°C for 12 hours to obtain a precursor. The precursor was main fired at 1200° C. in the air for 12 hours to synthesize Ca 2 ZnSi 2 O 7 .

(比較例8)BaTiSi
原料としてBaCO、TiO、SiOを用い、これらの原料をCa:Si=2:1: 1となるように秤量し、エタノールを加え粉砕混合した。混合後、試料を大気中1000℃、12時間で仮焼し、前駆体を得た。その前駆体を大気中1200℃で、12時間本焼成してBaTiSiを合成した。
(Comparative Example 8) Ba 2 TiSi 2 O 8
BaCO 3 , TiO 2 , and SiO 2 were used as raw materials, and these raw materials were weighed so that Ca:Si=2:1:1, ethanol was added, and they were pulverized and mixed. After mixing, the sample was calcined in the air at 1000°C for 12 hours to obtain a precursor. The precursor was main fired at 1200° C. in the air for 12 hours to synthesize Ba 2 TiSi 2 O 8 .

〔構造評価〕
(実施例1及び実施例2)
実施例1及び実施例2の試料について、X線回折(XRD)測定を行った。図1は、実施例1及び実施例2の試料のXRDパターンである。実施例1の試料においては、LiSrGeOのピークのみが確認された。一方で、実施例2の試料においては、LiSrGeOのピークの他に、副相としてSrLi0.40.6、LiWO及びCeOのピークが確認された。このことから、実施例2の試料においては、Ce含有酸化物とW含有酸化物が含まれることが分かった。
[Structural evaluation]
(Example 1 and Example 2)
X-ray diffraction (XRD) measurements were performed on the samples of Example 1 and Example 2. FIG. 1 shows XRD patterns of samples of Examples 1 and 2. In the sample of Example 1, only the peak of Li 2 SrGeO 4 was confirmed. On the other hand, in the sample of Example 2, in addition to the peak of Li 2 SrGeO 4 , peaks of SrLi 0.4 W 0.6 O 3 , Li 6 WO 6 and CeO 2 as subphases were confirmed. From this, it was found that the sample of Example 2 contained a Ce-containing oxide and a W-containing oxide.

実施例1の試料を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。図2は、実施例1の試料のSEM像である。粒径が10μm超の不定形の粒子が確認された。 The sample of Example 1 was observed using a scanning electron microscope (SEM). FIG. 2 is a SEM image of the sample of Example 1. Amorphous particles with a particle size of more than 10 μm were confirmed.

実施例1の試料について、エネルギー分散型X線(EDX)分析を行った。図3は、実施例1のSEM-EDXによる元素分析の結果であり、(a)はSEM像、(b)はSr Lα、(c)はGe Lα、(d)はO Kαである。このように、Sr元素、Ge元素及びO元素は試料である粒子全体にわたって存在していることが分かった。 Energy dispersive X-ray (EDX) analysis was performed on the sample of Example 1. FIG. 3 shows the results of elemental analysis by SEM-EDX of Example 1, in which (a) is an SEM image, (b) is Sr Lα, (c) is Ge Lα, and (d) is O Kα. Thus, it was found that the Sr element, Ge element, and O element were present throughout the sample particles.

実施例2の試料を、SEMを用いて観察した。図4は、実施例2の試料のSEM像である。粒径が20μmの不定形の粒子が確認された。図1に示したように実施例1の試料の表面は滑らかであるのに対し、図4に示したように実施例2の試料の表面は表面に凹凸が存在していた。 The sample of Example 2 was observed using SEM. FIG. 4 is a SEM image of the sample of Example 2. Amorphous particles with a particle size of 20 μm were confirmed. As shown in FIG. 1, the surface of the sample of Example 1 was smooth, whereas as shown in FIG. 4, the surface of the sample of Example 2 had irregularities.

実施例2の試料について、EDX分析を行った。図5は、実施例2のSEM-EDXによる元素分析の結果であり、(a)はSEM像、(b)はCe Lα、(c)はW Mα(d)はSr Lα、(e)はGe Lα、(f)はO Kαである。このように、Ce元素、W元素、Sr元素、Ge元素及びO元素は粒子全体にわたって存在していることが分かった。 EDX analysis was performed on the sample of Example 2. Figure 5 shows the results of elemental analysis by SEM-EDX in Example 2, where (a) is an SEM image, (b) is Ce Lα, (c) is W Mα, (d) is Sr Lα, and (e) is Ge Lα, (f) is O Kα. Thus, it was found that Ce element, W element, Sr element, Ge element, and O element were present throughout the particles.

(実施例3及び実施例4)
実施例3及び実施例4の試料について、XRD測定を行った。実施例3の試料においては、LiCaGeOのピークのみが確認された。一方で、実施例4の試料においては、LiCaGeOのピークの他に、副相としてLiWO、CeO及びCaOのピークが確認された。このことから、実施例4の試料においては、Ce含有酸化物とW含有酸化物が含まれることが分かった。
(Example 3 and Example 4)
XRD measurements were performed on the samples of Example 3 and Example 4. In the sample of Example 3, only the peak of Li 2 CaGeO 4 was confirmed. On the other hand, in the sample of Example 4, in addition to the peak of Li 2 CaGeO 4 , peaks of Li 4 WO 5 , CeO 2 and CaO as subphases were confirmed. From this, it was found that the sample of Example 4 contained a Ce-containing oxide and a W-containing oxide.

(実施例5及び実施例6)
実施例5及び実施例6の試料について、XRD測定を行った。実施例5の試料においては、LiCaSiOのピークの他に、副相としてLiSiO及びCaOのピークが確認された。一方で、実施例6の試料においては、LiCaSiOのピークの他に、副相としてLiWO、CeO及びLiOのピークが確認された。このことから、実施例6の試料においては、Ce含有酸化物とW含有酸化物が含まれることが分かった。
(Example 5 and Example 6)
XRD measurements were performed on the samples of Example 5 and Example 6. In the sample of Example 5, in addition to the peak of Li 2 CaSiO 4 , peaks of Li 4 SiO 4 and CaO as subphases were confirmed. On the other hand, in the sample of Example 6, in addition to the peak of Li 2 CaSiO 4 , peaks of Li 4 WO 5 , CeO 2 and Li 2 O as subphases were confirmed. From this, it was found that the sample of Example 6 contained a Ce-containing oxide and a W-containing oxide.

(実施例7及び実施例8)
実施例7及び実施例8の試料について、XRD測定を行った。実施例7の試料においては、LiSrSiOのピークのみが確認された。一方で、実施例8の試料においては、LiSrSiOのピークの他に、副相としてSrLi0.40.6、CeO及びLiSiOのピークが確認された。また、同定できないピークも確認された。このことから、実施例8の試料においては、Ce含有酸化物とW含有酸化物が含まれることが分かった。
(Example 7 and Example 8)
XRD measurements were performed on the samples of Example 7 and Example 8. In the sample of Example 7, only the peak of Li 2 SrSiO 4 was confirmed. On the other hand, in the sample of Example 8, in addition to the peak of Li 2 SrSiO 4 , peaks of SrLi 0.4 W 0.6 O 3 , CeO 2 and Li 4 SiO 4 as subphases were confirmed. In addition, unidentifiable peaks were also confirmed. From this, it was found that the sample of Example 8 contained a Ce-containing oxide and a W-containing oxide.

(実施例9及び実施例10)
実施例9及び実施例10の試料について、XRD測定を行った。実施例9の試料においては、LiBaSiOのピークの他に、SiOのピークが確認された。一方で、実施例10の試料においては、LiBaSiOのピークの他に、BaLiWO5.5及びCeOのピークが確認された。このことから、実施例10の試料においては、Ce含有酸化物とW含有酸化物が含まれることが分かった。
(Example 9 and Example 10)
XRD measurements were performed on the samples of Example 9 and Example 10. In the sample of Example 9, in addition to the Li 2 BaSiO 4 peak, a SiO 2 peak was confirmed. On the other hand, in the sample of Example 10, in addition to the Li 2 BaSiO 4 peak, BaLiWO 5.5 and CeO 2 peaks were confirmed. From this, it was found that the sample of Example 10 contained a Ce-containing oxide and a W-containing oxide.

(比較例1~8)
比較例1~8の資料について、XRD測定を行った。比較例1の試料においては、NaWO、結晶質のSiOのピークの他に、NaWO、NaWO、Na、Mn及びMnWOのピークが確認された。比較例2及び比較例5~8の試料においては、それぞれ目的とする化合物のピークのみが確認された。比較例3の試料においては、CaSiOのピークの他に、副相としてCaSiO及びSiOのピークが確認された。
(Comparative Examples 1 to 8)
XRD measurements were performed on the materials of Comparative Examples 1 to 8. In the sample of Comparative Example 1, in addition to the peaks of Na 2 WO 4 and crystalline SiO 2 , peaks of Na 2 WO 4 , Na 4 WO 5 , Na 2 W 2 O 7 , Mn 2 O 3 and MnWO 4 were observed. was confirmed. In the samples of Comparative Example 2 and Comparative Examples 5 to 8, only the peak of each target compound was observed. In the sample of Comparative Example 3, in addition to the peak of CaSiO 3 , peaks of Ca 2 SiO 4 and SiO 2 as subphases were confirmed.

〔触媒活性評価〕
実施例1~10及び比較例1~7の試料それぞれ0.3gを、内径4mmの石英反応管に充填して、メタン1.0mL/分、酸素0.25mL/分、窒素8.75mL/分の混合ガスを流し反応させ、600℃~800℃において、OCM反応の触媒活性評価を行った。分析は、ガスクロマトグラフ(GC-8A、GC-TCD、SHIMADZU製)により行った。なお、以下の方法では、メタンの酸化カップリング反応により得られた炭化水素は主としてCであったため、Cのみを分析した。
[Catalytic activity evaluation]
0.3 g of each of the samples of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 7 was filled into a quartz reaction tube with an inner diameter of 4 mm, and 1.0 mL/min of methane, 0.25 mL/min of oxygen, and 8.75 mL/min of nitrogen were charged. The catalytic activity of the OCM reaction was evaluated at 600°C to 800°C. The analysis was performed using a gas chromatograph (GC-8A, GC-TCD, manufactured by SHIMADZU). In addition, in the following method, since the hydrocarbon obtained by the oxidative coupling reaction of methane was mainly C 2 , only C 2 was analyzed.

図6は、実施例1、実施例2及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。図7は、実施例3、実施例4及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。図8は、実施例5、実施例6及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。図9は、実施例7、実施例8及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。図10は、実施例9、実施例10及び比較例1の試料の触媒活性評価結果である。図11は、実施例5、比較例2~4の試料の触媒活性評価結果である。図12は、比較例5~8の試料の触媒活性評価結果である。これらの図において、横軸はCH転換率(%)、縦軸はC炭化水素の選択率(%)である。また、これらの図においては、図の右上ほど、すなわちCH転換率(%)とC炭化水素の選択率(%)との積の値が大きいほど、C炭化水素の収率が大きいことを意味している。 FIG. 6 shows the catalytic activity evaluation results of the samples of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG. 7 shows the catalytic activity evaluation results of samples of Example 3, Example 4, and Comparative Example 1. FIG. 8 shows the catalytic activity evaluation results of samples of Example 5, Example 6, and Comparative Example 1. FIG. 9 shows the catalytic activity evaluation results of samples of Example 7, Example 8, and Comparative Example 1. FIG. 10 shows the catalytic activity evaluation results of the samples of Example 9, Example 10, and Comparative Example 1. FIG. 11 shows the catalytic activity evaluation results of the samples of Example 5 and Comparative Examples 2 to 4. FIG. 12 shows the results of catalytic activity evaluation of samples of Comparative Examples 5 to 8. In these figures, the horizontal axis is the CH 4 conversion rate (%), and the vertical axis is the C 2 hydrocarbon selectivity (%). In addition, in these figures, the higher the upper right of the figure, that is, the larger the product of the CH 4 conversion rate (%) and the selectivity of C 2 hydrocarbons (%), the higher the yield of C 2 hydrocarbons. It means that.

また、実施例1~10及び比較例1~8について、最高収率が得られた時の解析結果を表1に示す。なお、表1中の転化率、選択率及び収率は、それぞれ下記(4)~(6)式で算出した値である。
メタン転化率(%)
=[1-(未反応のメタンの量/原料メタンの量)]×100 ・・・(4)
収率(%)
=(2×生成したエチレン及びエタンの量/原料メタンの量)×100 ・・・(5)
選択率(%)=C収率/メタン転化率 ・・・(6)
Furthermore, Table 1 shows the analysis results when the highest yield was obtained for Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 8. Note that the conversion rate, selectivity, and yield in Table 1 are values calculated using the following formulas (4) to (6), respectively.
Methane conversion rate (%)
= [1-(amount of unreacted methane/amount of raw material methane)]×100...(4)
C2 yield (%)
= (2 x amount of ethylene and ethane produced/amount of raw material methane) x 100 (5)
C2 selectivity (%) = C2 yield/methane conversion rate...(6)

Figure 0007376955000001
Figure 0007376955000001

図6~図10から分かるように、実施例1~10の試料は、いずれも、既存の比較例1の試料と比較して高い選択率を有することが分かった。例えば、実施例1及び実施例2の試料では、既存の比較例1と同程度のCH転化率及びC収率を得るのに必要な温度が約50℃低い。 As can be seen from FIGS. 6 to 10, the samples of Examples 1 to 10 were all found to have higher selectivity than the existing sample of Comparative Example 1. For example, in the samples of Example 1 and Example 2, the temperature required to obtain the same CH 4 conversion rate and C 2 yield as in the existing Comparative Example 1 is about 50° C. lower.

図11から分かるように、比較例2の試料は、Li元素及びSi元素を含んでおり、比較例3の試料は、Ca元素及びSi元素を含んでおり、比較例4の試料は、Li元素、Ca元素及びSi元素を含んでいるが、LiABO結晶構造を有していない。このような化合物では、Li元素、Ca元素及びSi元素を含んでおり、且つLiABO結晶構造を有する実施例5に比べて、選択率、CH転化率及びC収率が低い。このことから、実施例1~10の試料において確認された高い触媒活性は、所定の金属元素を含有することのみでは達成されないことが分かった。 As can be seen from FIG. 11, the sample of Comparative Example 2 contains Li element and Si element, the sample of Comparative Example 3 contains Ca element and Si element, and the sample of Comparative Example 4 contains Li element. , contains Ca element and Si element, but does not have a Li 2 ABO 4 crystal structure. Such a compound contains Li element, Ca element, and Si element and has lower selectivity, CH 4 conversion rate, and C 2 yield than Example 5, which has a Li 2 ABO 4 crystal structure. From this, it was found that the high catalytic activity confirmed in the samples of Examples 1 to 10 could not be achieved only by containing a predetermined metal element.

図12から分かるように、比較例5~8の試料は、LiABOとは異なる結晶構造を有する金属複合酸化物であるが、これらの試料では実施例1~10に比べて、選択率、CH転化率及びC収率が低い。このことから、実施例1~10の試料において確認された高い触媒活性は、所定の結晶構造において達成されるものであることが分かった。 As can be seen from FIG. 12, the samples of Comparative Examples 5 to 8 are metal composite oxides having a crystal structure different from that of Li 2 ABO 4 , but these samples have a lower selectivity than Examples 1 to 10. , CH4 conversion and C2 yield are low. From this, it was found that the high catalytic activity observed in the samples of Examples 1 to 10 was achieved with a predetermined crystal structure.

〔熱安定性評価〕
実施例1、実施例2及び比較例1の試料について、上記触媒活性評価と同様の装置及びガス雰囲気中、800℃で2時間保持し、そのCH転化率、C選択率及びC収率を測定した。なお、実施例2については750℃でも測定した。
[Thermal stability evaluation]
The samples of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 were held at 800°C for 2 hours in the same apparatus and gas atmosphere as in the above catalyst activity evaluation, and their CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield were evaluated. The rate was measured. Note that in Example 2, measurements were also made at 750°C.

図13は、実施例1の試料を、800℃で2時間保持したときのCH転化率、C選択率及びC収率である。図14は、実施例2の試料を、800℃で2時間保持したときのCH転化率、C選択率及びC収率である。図15は、実施例2の試料を、750℃で2時間保持したときのCH転化率、C選択率及びC収率である。図16は、比較例1の試料を、800℃で2時間保持したときのCH転化率、C選択率及びC収率である。なお、図13~図16において、横軸は試験開始からの経過時間、縦軸はCH転化率、C選択率及びC収率である。 FIG. 13 shows the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when the sample of Example 1 was held at 800° C. for 2 hours. FIG. 14 shows the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when the sample of Example 2 was held at 800° C. for 2 hours. FIG. 15 shows the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when the sample of Example 2 was held at 750° C. for 2 hours. FIG. 16 shows the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when the sample of Comparative Example 1 was held at 800° C. for 2 hours. In FIGS. 13 to 16, the horizontal axis represents the elapsed time from the start of the test, and the vertical axis represents the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield.

図13~図15から分かるように、実施例1及び実施例2の試料は、2時間経過しても高いCH転化率、C選択率及びC収率を維持しており、熱的な安定性が高い材料であるといえる。また、実施例2)の750℃におけるC収率は、既存の比較例1の試料の800℃における活性に匹敵しており、実施例2の試料は、比較例1の試料に比べて高活性であると考えられる。 As can be seen from FIGS. 13 to 15, the samples of Example 1 and Example 2 maintained high CH 4 conversion, C 2 selectivity, and C 2 yield even after 2 hours, and the thermal It can be said that it is a highly stable material. Furthermore, the C2 yield at 750°C of Example 2) is comparable to the activity at 800°C of the existing sample of Comparative Example 1, and the sample of Example 2 has a higher activity than the sample of Comparative Example 1. It is considered to be active.

〔酸素/メタン比の影響〕
実施例5の試料について、温度を800℃、メタン及び酸素の総流量を1.25mL/分に固定して、酸素/メタン比(モル比)を変化させ、上記触媒活性評価と同様の条件にてメタン/酸素比の影響を検討した。
[Effect of oxygen/methane ratio]
Regarding the sample of Example 5, the temperature was fixed at 800 ° C., the total flow rate of methane and oxygen was fixed at 1.25 mL/min, and the oxygen/methane ratio (mole ratio) was changed, under the same conditions as in the above catalyst activity evaluation. The effect of the methane/oxygen ratio was investigated.

図16は、実施例5の試料について、酸素/メタン比を変化させた場合におけるCH転化率、C選択率及びC収率の変化を示す図である。図16において、横軸は酸素/メタン比、縦軸はCH転化率、C選択率及びC収率である。


FIG. 16 is a diagram showing changes in CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield when changing the oxygen/methane ratio for the sample of Example 5. In FIG. 16, the horizontal axis is the oxygen/methane ratio, and the vertical axis is the CH 4 conversion rate, C 2 selectivity, and C 2 yield.


Claims (5)

一般式LiABO(Aは、Caであり、Bは、Siである。)で表されるLi含有複合金属酸化物を含み、
Li CaSiO の他に、副相としてLi SiO 及びCaOを含む、
メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成するための、触媒。
Contains a Li - containing composite metal oxide represented by the general formula Li 2 ABO 4 (A is Ca and B is Si),
In addition to Li 2 CaSiO 4 , it contains Li 4 SiO 4 and CaO as subphases.
A catalyst for synthesizing hydrocarbons with two or more carbon atoms from methane.
請求項1に記載の触媒を用いて、メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成する、炭化水素の製造方法。 A method for producing hydrocarbons, which comprises synthesizing hydrocarbons having two or more carbon atoms from methane using the catalyst according to claim 1. メタンと酸素とを接触させて反応させることにより、メタンから炭素数2以上の炭化水素を合成する、請求項2に記載の炭化水素の製造方法。 The method for producing hydrocarbons according to claim 2, wherein hydrocarbons having two or more carbon atoms are synthesized from methane by bringing methane and oxygen into contact and reacting. 600℃以上800℃以下の温度範囲の反応系内で、メタンと酸素とを接触させる、請求項3に記載の炭化水素の製造方法。 4. The method for producing hydrocarbons according to claim 3, wherein methane and oxygen are brought into contact in a reaction system in a temperature range of 600°C or higher and 800°C or lower. 反応系内における酸素とメタンのモル比(酸素/メタン)が0.12以上0.6以下である、請求項4に記載の炭化水素の製造方法。
The method for producing hydrocarbons according to claim 4, wherein the molar ratio of oxygen and methane (oxygen/methane) in the reaction system is 0.12 or more and 0.6 or less.
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