JP7468880B2 - Method for producing metal compounds - Google Patents

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Description

本発明は、メカノケミカル反応を利用した金属化合物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing metal compounds using mechanochemical reactions.

従来、種々の金属化合物を製造する方法が開発されている。例えば、ケイ素の化合物である酸化ケイ素(シリカ:SiO)は、下記に示すように、テトラクロロシランに水素、酸素を反応させる方法、またはケイ酸ナトリウム(水ガラス)に酸を反応させる方法により、合成される(非特許文献1)。
SiCl+2H+O→SiO+4HCl
NaO-mSiO+HCl→SiO・nHO+NaCl
Conventionally, various methods for producing metal compounds have been developed. For example, silicon oxide (silica: SiO 2 ), a silicon compound, is synthesized by reacting tetrachlorosilane with hydrogen and oxygen, or by reacting sodium silicate (water glass) with acid, as shown below (Non-Patent Document 1).
SiCl4 + 2H2 + O2SiO2 + 4HCl
Na2O - mSiO2 +HCl→ SiO2.nH2O + NaCl

また、水酸化ケイ素は、下記の式によって生成される。すなわち、オルガノクロロシラン、オルガノアルコキシシランを加水分解することにより、水酸化ケイ素(シラノール基(Si-OH)含有シラン)が生成される。
SiCl+2HO→RSi(OH)+2HCl
Si(OR+2HO→R Si(OH)+2ROH
Silicon hydroxide is produced according to the following formula: Silicon hydroxide (silane containing silanol groups (Si-OH)) is produced by hydrolysis of organochlorosilane and organoalkoxysilane.
R2SiCl2 + 2H2OR2Si (OH) 2 + 2HCl
R12Si ( OR2 ) 2 + 2H2OR12Si (OH) 2 + 2R2OH

また、アルコキシシランは、以下に示すように、オルガノクロロシランとアルコールとを反応させて、オルガノアルコキシシランを合成することにより生成される。
4-nSiCl+nROH→R 4-nSi(OR+nHCl
(n=1~3)
Moreover, the alkoxysilane is produced by reacting an organochlorosilane with an alcohol to synthesize an organoalkoxysilane, as shown below.
R 1 4-n SiCl n + nR 2 OH → R 1 4-n Si(OR 2 ) n + nHCl
(n=1 to 3)

伊藤邦雄編、「シリコーンハンドブック」日刊工業新聞社、1990年9月、p32,49,288-290Kunio Ito (ed.), "Silicone Handbook," Nikkan Kogyo Shimbun, September 1990, p32, 49, 288-290

上述したケイ素化合物のように、従来の金属化合物の製造方法では、合成工程が長く、複雑であり、製造効率が低い。また、従来の金属化合物の製造方法では、反応性に優れた金属化合物、特に水酸化物を得ることは難しい。 As with the silicon compounds described above, conventional methods for producing metal compounds involve long, complicated synthesis steps and low production efficiency. In addition, it is difficult to obtain highly reactive metal compounds, particularly hydroxides, using conventional methods for producing metal compounds.

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、メカノケミカル反応により、簡易且つ安価な手法で金属化合物、特に反応性の高い水酸化物の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a method for producing metal compounds, particularly highly reactive hydroxides, in a simple and inexpensive manner using mechanochemical reactions.

上記目的を達成するために、本発明に係る金属化合物の製造方法では、
ケイ素(Si)である(A)金属粒子とアルコールを含む(B)溶媒とを、
(C)粉砕機を用いて混合しつつ(A)金属粒子を粉砕し、
メカノケミカル反応により金属アルコキシドである(D)金属化合物を製造する。
In order to achieve the above object, the method for producing a metal compound according to the present invention comprises the steps of:
(A) metal particles which are silicon (Si ) and (B) a solvent containing alcohol,
(C) using a grinder to grind the metal particles (A) while mixing;
A metal compound (D), which is a metal alkoxide, is produced by a mechanochemical reaction.

また、前記(C)粉砕機は、
ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、ジェットミル、SAGミル、ROMミル、回転式石臼から選択される、
こととしてもよい。
Moreover, the (C) pulverizer is
Selected from a ball mill, a bead mill, a rod mill, a jet mill, a SAG mill, a ROM mill, and a rotary stone mill;
This may also be the case.

また、前記(A)金属粒子、前記(B)溶媒とともに、メカノケミカル反応を促進する(F)添加物を、
前記(C)粉砕機を用いて混合しつつ(A)金属粒子を粉砕する、
こととしてもよい。
In addition, an additive (F) that promotes a mechanochemical reaction together with the (A) metal particles and the (B) solvent is added,
(C ) The metal particles (A) are pulverized while being mixed using a pulverizer.
This may also be the case.

また、前記(F)添加物は、銅(Cu)である、
こととしてもよい。
Moreover, the (F) additive is copper (Cu).
This may also be the case.

本発明によれば、メカノケミカル反応により常温で安価かつ簡易に金属化合物を製造することが可能である。特に、反応性が高く、安定性に欠ける金属水酸化物を容易に合成することができる。 According to the present invention, it is possible to inexpensively and easily produce metal compounds at room temperature through mechanochemical reactions. In particular, it is possible to easily synthesize metal hydroxides, which are highly reactive and lack stability.

遊星ボールミル装置の構成を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of a planetary ball mill apparatus. 容器の回転によるミリングの状態を示す概念図である。FIG. 13 is a conceptual diagram showing the state of milling by rotating a container. 本発明の実施の形態1に係る金属化合物製造処理の流れを示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a flow of a metal compound production process according to a first embodiment of the present invention. ミリングした溶液のNMRの例を示すグラフである。1 is a graph showing an example of NMR of a milled solution. (a)は、添加物を添加した場合のNMRの例を示すグラフであり、(b)は、添加物を添加しない場合のNMRの例を示すグラフである。13A is a graph showing an example of NMR when an additive is added, and FIG. 13B is a graph showing an example of NMR when no additive is added.

以下、本発明の実施の形態に係る金属化合物の製造方法、すなわち(A)金属粒子と(B)溶媒とを、(C)粉砕機を用いて混合し、メカノケミカル反応により(D)金属化合物を製造する方法について、図面を参照して詳細に説明する。 The method for producing a metal compound according to an embodiment of the present invention, that is, the method for producing a metal compound (D) by mixing (A) metal particles and (B) a solvent using (C) a grinder, through a mechanochemical reaction, will be described in detail below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
<(A)金属粒子>
(A)金属粒子は、メカノケミカル反応によって目的の金属化合物を生成するための原料となる金属であり、第13族(ホウ素族元素)、第14族(炭素族元素)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)などである。(A)金属粒子は、例えば、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ge)及び錫(Sn)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属である。(A)金属粒子は、好ましくは、ケイ素、チタン、アルミニウムであり、より好ましくはケイ素、チタンである。
(Embodiment 1)
<(A) Metal Particles>
The (A) metal particles are metals that serve as raw materials for producing a target metal compound by a mechanochemical reaction, and are, for example, Group 13 (boron group elements), Group 14 (carbon group elements), titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), vanadium (V), magnesium (Mg), zirconium (Zr), tungsten (W), etc. The (A) metal particles are, for example, at least one metal selected from the group consisting of silicon (Si), titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), germanium (Ge) and tin (Sn). The (A) metal particles are preferably silicon, titanium, or aluminum, and more preferably silicon or titanium.

<(B)溶媒>
(B)溶媒は、例えば、水、アルコールまたは水/アルコールの混合溶媒である。水/アルコールの混合溶媒を用いる場合における水/アルコールの混合割合は、特に限定されず、選択される(A)金属粒子の種類、(A)金属粒子の投入量と(B)溶媒の投入量との関係、生成する(D)金属化合物の種類等により、適宜設定される。
<(B) Solvent>
The (B) solvent is, for example, water, alcohol, or a mixed solvent of water and alcohol. When a mixed solvent of water and alcohol is used, the mixing ratio of water and alcohol is not particularly limited, and is appropriately set depending on the type of (A) metal particles selected, the relationship between the input amount of (A) metal particles and the input amount of (B) solvent, the type of (D) metal compound to be generated, and the like.

水としては、例えば、蒸留水、海水等を使用することが可能であり、水のpHは5以上であることが好ましい。なお、この「海水」とは塩分を3%以上含む水を示し、本発明では、特に塩化ナトリウムを3%以上含有する水溶液のことを示す。 As the water, for example, distilled water, seawater, etc. can be used, and the pH of the water is preferably 5 or higher. Note that "seawater" here refers to water containing 3% or more of salt, and in the present invention, it particularly refers to an aqueous solution containing 3% or more of sodium chloride.

アルコールは、下記の炭素数1~10の脂肪族炭化水素系アルコール群から選択される。アルコールは、単独又は複数のアルコールを混合して使用することができる。アルコールとしては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n-プロピルアルコール、イソプロパノール、ブチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール等が代表例であるが、水との相溶性、金属との反応性及びアルコキシ基含有金属化合物の加水分解、反応性から炭素数の少ないアルコールが好ましく、さらにメチルアルコール、エチルアルコールが好ましい。 The alcohol is selected from the following group of aliphatic hydrocarbon alcohols having 1 to 10 carbon atoms. The alcohol can be used alone or in combination. Representative examples of alcohol include methyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, isopropanol, butyl alcohol, hexyl alcohol, and octyl alcohol. In view of compatibility with water, reactivity with metals, and hydrolysis and reactivity of alkoxy group-containing metal compounds, alcohols with fewer carbon atoms are preferred, with methyl alcohol and ethyl alcohol being even more preferred.

また、水/アルコール混合系でメカノケミカル反応により生成する金属アルコキシド生成量を制御するために、使用するアルコールの水分含有量は、50ppm以下であることが好ましい。より具体的には、通常市販品のアルコールを使用する場合、アルコールを、予めモレキュラシーブなどにより脱水して使用することが好ましい。 In addition, in order to control the amount of metal alkoxide produced by the mechanochemical reaction in a water/alcohol mixture, it is preferable that the water content of the alcohol used is 50 ppm or less. More specifically, when using commercially available alcohol, it is preferable to dehydrate the alcohol in advance using a molecular sieve or the like.

また、(B)溶媒として、アルカリ溶液を用いてもよい。アルカリ溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウムと水酸化カリウムとの混合水溶液、炭酸ナトリウム水溶液、アンモニア水溶液、塩化ナトリウム水溶液等を挙げることができる。これらのうち、金属粒子表面に不動態膜が形成されることを抑制して、金属化合物生成反応の効率を向上させることから、水酸化ナトリウム水溶液を使用することが好ましい。 Alkaline solutions may also be used as the (B) solvent. Examples of alkaline solutions include aqueous sodium hydroxide solutions, aqueous potassium hydroxide solutions, mixed aqueous solutions of sodium hydroxide and potassium hydroxide, aqueous sodium carbonate solutions, aqueous ammonia solutions, and aqueous sodium chloride solutions. Of these, it is preferable to use aqueous sodium hydroxide solutions, as this inhibits the formation of a passive film on the surfaces of the metal particles and improves the efficiency of the metal compound production reaction.

また、アルカリ溶液濃度は、0.01~6Mが好ましい。この範囲のアルカリ溶液濃度の(B)溶媒は、化合物イオンにより、酸化皮膜を形成する金属粒子の酸化物(例えば、SiO)の溶解度を上昇させるので、金属化合物の生成速度を向上させるものと考えられる。 The alkaline solution concentration is preferably 0.01 to 6 M. Solvent (B) with an alkaline solution concentration in this range increases the solubility of the oxide (e.g., SiO 2 ) of the metal particles that form the oxide film by means of compound ions, and is therefore considered to improve the rate of production of the metal compound.

<(C)粉砕機>
(C)粉砕機は、(A)金属粒子を粉砕し、(A)金属粒子と(B)溶媒に付与される機械的エネルギーにより、(A)金属粒子と(B)溶媒の活性を高めて、メカノケミカル反応を生じさせるものであればよく、その動作原理、規模等の種類は特に限定されない。(C)粉砕機は、例えば、ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、ジェットミル、SAG(Semi-Autogenous Grinding)ミル、ROM(Run Of Mine)ミル、回転式石臼等である。特に、遊星ボールミルは、メカノケミカル反応の効率がよいので、金属化合物の製造に好ましい。
<(C) Crusher>
The (C) pulverizer may be any type that pulverizes (A) metal particles, and increases the activity of (A) metal particles and (B) solvent by mechanical energy imparted to the (A) metal particles and (B) solvent to cause a mechanochemical reaction, and its operating principle, scale, and other types are not particularly limited. Examples of the (C) pulverizer include a ball mill, a bead mill, a rod mill, a jet mill, a SAG (Semi-Autogenous Grinding) mill, a ROM (Run Of Mine) mill, and a rotary stone mill. In particular, a planetary ball mill is preferable for producing metal compounds because of its high efficiency in mechanochemical reactions.

<(D)金属化合物>
生成される(D)金属化合物は、(A)金属粒子と(B)溶媒により異なるが、金属酸化物、金属水酸化物、金属アルコキシドを合成することができる。例えば、(A)金属粒子がケイ素(Si)で、(B)溶媒が水単独系の場合、酸化ケイ素(シリカ:SiO)と水酸化ケイ素(Si(OH)4-n)及び水酸化ケイ素オリゴマーが生成される。
<(D) Metal Compound>
The (D) metal compound produced varies depending on the (A) metal particles and (B) solvent, but metal oxides, metal hydroxides, and metal alkoxides can be synthesized. For example, when the (A) metal particles are silicon (Si) and the (B) solvent is water alone, silicon oxide (silica: SiO 2 ), silicon hydroxide (Si n (OH) 4-n ), and silicon hydroxide oligomers are produced.

(B)溶媒として、アルカリ溶液、例えば水酸化ナトリウム水溶液を用いる場合、Na含有の水ガラス化合物類似のケイ酸化合物が生成される。また、例えば、(B)溶媒がメチルアルコール単独系である場合、テトラメトキシシラン(Tetramethoxysilane:Si(OCH)が生成される。また、(B)溶媒が水/アルコール(例えば、メチルアルコール)混合系である場合、酸化ケイ素、テトラメトキシシラン、トリメトキシシラノールシラン、ジメトキシジシラノールシラン、トリシラノールメトキシシランの混合物、これらの二量体、三量体などの重合体(例えば、同種のテトラメトキシシラン)と2種以上からなる二量体、三量体などの重合体(例えば、テトラメトキシシランとジメトキシシランからの二量体、三量体及びこれらの複合体)が生成される。 When an alkaline solution, for example, an aqueous solution of sodium hydroxide, is used as the (B) solvent, a silicic acid compound similar to a Na-containing water glass compound is generated. When the (B) solvent is, for example, a methyl alcohol-based system, tetramethoxysilane (Si(OCH 3 ) 4 ) is generated. When the (B) solvent is a water/alcohol (for example, methyl alcohol) mixed system, silicon oxide, a mixture of tetramethoxysilane, trimethoxysilanol silane, dimethoxydisilanol silane, trisilanol methoxysilane, a polymer such as a dimer or trimer thereof (for example, the same type of tetramethoxysilane), and a polymer such as a dimer or trimer consisting of two or more types (for example, a dimer or trimer from tetramethoxysilane and dimethoxysilane, and a complex thereof) are generated.

(A)金属粒子がケイ素(Si)以外の金属粒子、例えば、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ge)及び錫(Sn)である場合も同様に、使用される(A)金属粒子に対応する金属酸化物、金属水酸化物、金属アルコキシドが生成される。 Similarly, when the (A) metal particles are metal particles other than silicon (Si), such as titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), germanium (Ge) and tin (Sn), metal oxides, metal hydroxides and metal alkoxides corresponding to the (A) metal particles used are produced.

例えば、金属酸化物として、酸化チタン(TiO、TiO、TiO、Ti3O、Ti)、酸化アルミニウム(Al3、AlO、AlO)、酸化クロム(III)(Cr)、酸化クロム(II)(CrO)、酸化クロム(IV)(CrO)、酸化クロム(VI)(CrO、CrO)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化マンガン(II)(MnO)、酸化マンガン(III)(Mn)、酸化マンガン(VI)(MnO)、酸化マンガン(VII)(Mn)、酸化マンガン(II、III)(Mn)、酸化鉄(III)(Feにおけるα、β、γ、ε型)、酸化鉄(II)(FeO)、酸化鉄(II、III)(Fe)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化錫(SnO)が生成される。また、例えば、金属水酸化物として、Ti(OH)、Al(OH)、Mn(OH)、Fe(OH)、Fe(OH)、FeOOH(α、β、γ、δ型のオキシ水酸化鉄)、Ge(OH)、Sn(OH)が生成される。Crの水酸化物は、クロム酸(HCrO)となる。 Examples of metal oxides include titanium oxide ( TiO2 , TiO, Ti2O , Ti3O , Ti2O3 ), aluminum oxide ( Al2O3 , Al2O , AlO), chromium oxide (III) ( Cr2O3 ), chromium oxide ( II ) (CrO), chromium oxide (IV) ( CrO2 ), chromium oxide (VI) ( CrO5 , CrO3 ), manganese oxide (IV) ( MnO2 ), manganese oxide (II) ( MnO ), manganese oxide (III) ( Mn2O3 ), manganese oxide ( VI ) ( MnO3 ), manganese oxide (VII) ( Mn2O7 ), manganese oxide ( II , III ) ( Mn3O4 ), iron oxide (III) ( Fe2O The generated iron oxides are iron (II) oxide (FeO), iron (II, III) oxide ( Fe3O4 ), germanium oxide ( GeO2 ), and tin oxide ( SnO2 ). The generated metal hydroxides are Ti(OH) 2 , Al(OH) 3 , Mn(OH) 2 , Fe(OH) 3 , Fe(OH) 2 , FeOOH (α, β, γ, δ-type iron oxyhydroxides), Ge(OH) 2 , and Sn(OH) 2 . The hydroxide of Cr is chromic acid ( H2CrO4 ).

金属アルコキシドとしては、Ti(OCH、Ti(Ot-C、Ge(OC、Sn(On-C、Sn(Ot-Cが生成されるが、(A)金属粒子としてケイ素を用いた場合に比べて反応性が低く、酸化物合成の方が容易である。 The metal alkoxides that are generated include Ti( OCH3 ) 4 , Ti( Ot - C4H9 ) 4 , Ge( OC2H5 ) 4 , Sn(On- C4H9 ) 4 , and Sn(Ot- C4H9 ) 4 . However, these have lower reactivity than the case where silicon is used as the metal particles (A), and it is easier to synthesize the oxides.

また、選択される(A)金属粒子により、ポリ酸「M」(Mは、Si、Ti、Al、W、Mo、V、Nb、Zr等)が、(D)金属化合物として生成される。これらの(D)金属化合物は、触媒、磁性材料、医薬品等に利用される。また、この反応では、容器12、粉砕媒体21に上記Si、Ti、W、Zr等の金属を用いることとしてもよく、二種以上の金属を用いてもよい。すなわち、遊星ボールミル装置1の動作中に、容器12、粉砕媒体21から削られた金属を基に(D)金属化合物としてポリ酸が生成されるよう構成してもよい。また、(A)金属粒子としてマグネシウム(Mg)を用いることにより、グリニャール試薬、W(CH等の有機金属化合物を生成させることとしてもよい。 In addition, by using the selected (A) metal particles, a polyacid "M x O y " (M is Si, Ti, Al, W, Mo, V, Nb, Zr, etc.) is generated as a (D) metal compound. These (D) metal compounds are used for catalysts, magnetic materials, medicines, etc. In addition, in this reaction, the container 12 and the grinding media 21 may use metals such as Si, Ti, W, Zr, etc., or two or more metals may be used. That is, during the operation of the planetary ball mill device 1, a polyacid may be generated as a (D) metal compound based on the metals scraped from the container 12 and the grinding media 21. In addition, by using magnesium (Mg) as the (A) metal particles, an organometallic compound such as a Grignard reagent, W(CH 3 ) 6 , etc. may be generated.

<金属化合物の製造方法>
続いて、金属化合物の製造方法について説明する。本実施の形態では、(C)粉砕機として遊星ボールミル装置1を用いた方法を例として説明する。遊星ボールミル装置1は、図1の概念図に示すように、回転駆動される中心軸11と、中心軸11と一体に回転するテーブル13と、テーブル13に回転可能に支持された複数の容器12を備える。
<Metal Compound Manufacturing Method>
Next, a method for producing a metal compound will be described. In this embodiment, a method using a planetary ball mill 1 as a pulverizer (C) will be described as an example. As shown in the conceptual diagram of Fig. 1, the planetary ball mill 1 includes a rotationally driven central shaft 11, a table 13 that rotates integrally with the central shaft 11, and a plurality of containers 12 rotatably supported by the table 13.

容器12は、中心軸11の周りを、図1、図2に示すように、図中の矢印aの方向に公転しながら、容器12の中心軸12aのまわりを図中の矢印bの方向に自転する。これにより、各容器12内で、粉砕媒体21により、(A)金属粒子が粉砕される。この時、(A)金属粒子と(B)溶媒に付与される機械的エネルギーにより、(A)金属粒子と(B)溶媒の活性が高まり、メカノケミカル反応が生じて、金属化合物が生成される。 As shown in Figures 1 and 2, the container 12 revolves around the central axis 11 in the direction of the arrow a, while rotating around the central axis 12a of the container 12 in the direction of the arrow b. As a result, the (A) metal particles are pulverized by the grinding media 21 in each container 12. At this time, the mechanical energy imparted to the (A) metal particles and the (B) solvent increases the activity of the (A) metal particles and the (B) solvent, causing a mechanochemical reaction to occur and produce a metal compound.

本実施の形態に係る金属化合物の製造処理では、図3のフローチャートに示すように、まず、容器12に粉砕媒体21を投入する(ステップS11)。 In the manufacturing process of the metal compound according to this embodiment, as shown in the flowchart of FIG. 3, first, the grinding medium 21 is placed in the container 12 (step S11).

容器12は、粉砕する(A)金属粒子、(B)溶媒等を収容するものであり、例えば円筒形状の蓋付き容器である。容器12は、上述のように、遊星ボールミル装置1にセットされ、遊星ボールミル装置1の動作によって回転する。これにより、容器12内部の(A)金属粒子と(B)溶媒にメカノケミカル反応が生じる。 The container 12 contains the (A) metal particles to be ground, the (B) solvent, etc., and is, for example, a cylindrical container with a lid. As described above, the container 12 is set in the planetary ball mill apparatus 1 and rotates by the operation of the planetary ball mill apparatus 1. This causes a mechanochemical reaction between the (A) metal particles and the (B) solvent inside the container 12.

容器12の材質は、特に限定されず、例えば、炭化タングステン(WC)、ステンレス鋼、ジルコニア(ZrO)等であるが、(A)金属粒子よりも硬度の高い材質を用いることが好ましい。本実施の形態に係る容器12の材質は、炭化タングステン(WC)である。容器12の容量は特に限定されず、製造する金属酸化物の量、反応時の許容温度等によって適宜選択すればよい。 The material of the container 12 is not particularly limited and may be, for example, tungsten carbide (WC), stainless steel, zirconia ( ZrO2 ), etc., but it is preferable to use a material that is harder than the (A) metal particles. The material of the container 12 in this embodiment is tungsten carbide (WC). The capacity of the container 12 is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the amount of metal oxide to be produced, the allowable temperature during the reaction, etc.

粉砕媒体21は、(A)金属粒子、(B)溶媒とともに容器12に収容され、遊星ボールミル装置1の回転によって(A)金属粒子を粉砕する媒体である。粉砕媒体21の形状は、ボール状、ロッド状等、特に限定されず、その大きさも特に限定されないが、(A)金属粒子に十分な機械的エネルギーを付与して粉砕するため、(A)金属粒子より大きいことが好ましい。また、粉砕媒体21の材質は、一般的に、容器12の材質と同じである。より詳細には、粉砕媒体21の材質は、一般的に、(A)金属粒子、(B)溶媒等が接する容器12内部の材質と同じである。本実施の形態に係る粉砕媒体21は、直径約1.6mmの炭化タングステン製ボールである。また、容器12内に投入される粉砕媒体21の重量は、約100gである。 The grinding medium 21 is contained in the container 12 together with the (A) metal particles and the (B) solvent, and is a medium for grinding the (A) metal particles by the rotation of the planetary ball mill device 1. The shape of the grinding medium 21 is not particularly limited, such as ball-shaped or rod-shaped, and the size is also not particularly limited, but it is preferable that the grinding medium 21 is larger than the (A) metal particles in order to grind the (A) metal particles by applying sufficient mechanical energy to them. The material of the grinding medium 21 is generally the same as the material of the container 12. More specifically, the material of the grinding medium 21 is generally the same as the material of the inside of the container 12 with which the (A) metal particles, (B) solvent, etc. are in contact. The grinding medium 21 in this embodiment is a tungsten carbide ball with a diameter of about 1.6 mm. The weight of the grinding medium 21 put into the container 12 is about 100 g.

続いて、容器12に(A)金属粒子を投入する(ステップS12)。(A)金属粒子は、容器12内で粉砕されるとともにメカノケミカル反応を生じる金属材料である。(A)金属粒子の形状、大きさ等は特に限定されない。本実施の形態に係る(A)金属粒子はケイ素(Si)の粉末(シグマアルドリッチ社製)であり、粒径は大凡20μm~60μmである。また、容器12内に投入される(A)金属粒子の量は、特に限定されないが、本実施の形態では、0.1gである。 Next, (A) metal particles are put into the container 12 (step S12). The (A) metal particles are a metal material that is pulverized in the container 12 and undergoes a mechanochemical reaction. The shape, size, etc. of the (A) metal particles are not particularly limited. The (A) metal particles in this embodiment are silicon (Si) powder (manufactured by Sigma-Aldrich) and have a particle size of approximately 20 μm to 60 μm. The amount of (A) metal particles put into the container 12 is not particularly limited, but is 0.1 g in this embodiment.

続いて、容器12に(B)溶媒を投入する(ステップS13)。(B)溶媒は、上述の通り、水、アルコール又は水/アルコールの混合溶媒等である。本実施の形態では、モレキュラシーブによって脱水した(静置法)、メチルアルコールを(B)溶媒として用いる。また、容器12内に投入される(B)溶媒の量は、10mlである。(A)金属粒子と(B)溶媒とは、容器12へ投入する前に、予め混合されていてもよい。 Then, the (B) solvent is poured into the container 12 (step S13). As described above, the (B) solvent is water, alcohol, a mixed solvent of water/alcohol, or the like. In this embodiment, methyl alcohol dehydrated by a molecular sieve (static method) is used as the (B) solvent. The amount of the (B) solvent poured into the container 12 is 10 ml. The (A) metal particles and the (B) solvent may be mixed in advance before being poured into the container 12.

(A)金属粒子、(B)溶媒が投入された後、容器12は、蓋を閉められて密閉される。本実施の形態では、密閉前に容器12内をアルゴンガス雰囲気に調整している。これにより、容器12内に存在する気体がメカノケミカル反応に影響を及ぼすことを抑制することができる。 After (A) the metal particles and (B) the solvent are added, the container 12 is closed with a lid and sealed. In this embodiment, the inside of the container 12 is adjusted to an argon gas atmosphere before sealing. This makes it possible to prevent the gas present in the container 12 from affecting the mechanochemical reaction.

密閉された容器12は、図1に示すように、遊星ボールミル装置1にセットされる(ステップS14)。本実施の形態で用いる遊星ボールミル装置1は、ドイツ・フリッチュ社製の遊星ボールミル(商品名:プレミアムラインP-7)である。 The sealed container 12 is set in the planetary ball mill 1 as shown in FIG. 1 (step S14). The planetary ball mill 1 used in this embodiment is a planetary ball mill (product name: Premium Line P-7) manufactured by Fritsch GmbH of Germany.

容器12を遊星ボールミル装置1にセットした後、遊星ボールミル装置1の動作を開始する(ステップS15)。遊星ボールミルの回転速度、すなわち容器12の回転速度を変化させることにより、容器12の内容物にかかる加速度が変化する。したがって、粉砕媒体21の質量と容器12の回転速度とによって、(A)金属粒子に加えられる機械的エネルギーの大きさを調整し、メカノケミカル反応による(D)金属化合物の生成速度を制御することができる。 After the container 12 is set in the planetary ball mill apparatus 1, the operation of the planetary ball mill apparatus 1 is started (step S15). By changing the rotation speed of the planetary ball mill, i.e., the rotation speed of the container 12, the acceleration acting on the contents of the container 12 changes. Therefore, by adjusting the mass of the grinding media 21 and the rotation speed of the container 12, it is possible to adjust the amount of mechanical energy applied to the (A) metal particles and control the rate of production of the (D) metal compounds by the mechanochemical reaction.

具体的には、遊星ボールミル装置1の回転半径R(mm)、容器12の回転速度N(rpm)を用いて、容器12の内容物にかかる相対遠心加速度G(G)は、以下の式で求められる。
G=1.118×R×N×10-6
Specifically, using the rotation radius R (mm) of the planetary ball mill apparatus 1 and the rotation speed N (rpm) of the container 12, the relative centrifugal acceleration G (G) acting on the contents of the container 12 can be calculated by the following formula.
G = 1.118 × R × N 2 × 10 −6

本実施の形態に係る遊星ボールミル装置1の回転半径(遊星ボールミル装置1の中心軸11と容器12の中心軸12aとの距離)は、70mmであるので、例えば、回転速度N=500rpmの場合、相対遠心加速度Gは約19.6Gとなる。また、回転速度N=300rpmの場合、相対遠心加速度Gは約7.04Gとなる。本実施の形態に係る遊星ボールミル装置1の容器12の回転速度は、好ましくは100~700rpmである。また、本実施の形態における具体的な容器12の回転速度は、200rpmとする。 The rotation radius of the planetary ball mill apparatus 1 according to this embodiment (the distance between the central axis 11 of the planetary ball mill apparatus 1 and the central axis 12a of the container 12) is 70 mm, so for example, when the rotation speed N = 500 rpm, the relative centrifugal acceleration G is approximately 19.6 G. Also, when the rotation speed N = 300 rpm, the relative centrifugal acceleration G is approximately 7.04 G. The rotation speed of the container 12 of the planetary ball mill apparatus 1 according to this embodiment is preferably 100 to 700 rpm. Also, the specific rotation speed of the container 12 in this embodiment is 200 rpm.

容器12が回転することによって(A)金属粒子がミリング(破砕)される。この際、(A)金属粒子と(B)溶媒に機械的なエネルギーが付与されて、(A)金属粒子と(B)溶媒の活性が高まり、メカノケミカル反応が生じる。これにより、下記の(E)一般式(1)で表される金属化合物が生成される(ステップS16)。
(XO)MO(b-a)/2 (1)
(式中、Mは金属、Xは水素、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、炭素数1~6の脂肪族炭化水素基から選ばれる少なくとも1種の原子または有機基であり、aは0~4の整数、bは3(a=0~3の場合)か4(a=0~4の場合)の整数である。)
The (A) metal particles are milled (crushed) by rotating the container 12. During this process, mechanical energy is imparted to the (A) metal particles and the (B) solvent, increasing their activity and causing a mechanochemical reaction. As a result, a metal compound represented by the following (E) general formula (1) is produced (step S16).
(XO) a MO (b-a) / 2 (1)
(In the formula, M is a metal, X is at least one atom or organic group selected from hydrogen, sodium (Na), potassium (K), and an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms, a is an integer of 0 to 4, and b is an integer of 3 (when a=0 to 3) or 4 (when a=0 to 4).)

図4は、上記の方法でミリングした溶液の成分を核磁気共鳴(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)を用いて分析した結果である。NMRで分析した溶液は、ミリングした溶液を、15000rpmで30分間遠心分離した後、上澄みを抽出したものである。この上澄み溶液について、29Si NMRにより分析を行った。NMR測定の条件は、共鳴周波数:119.24MHz、パルス:45deg/5.5μs、パルス間隔:2s、積算回数:1000回、試料管:テフロン(登録商標)管(5mmφ)、である。 4 shows the results of analyzing the components of the solution milled by the above method using nuclear magnetic resonance (NMR). The solution analyzed by NMR was obtained by centrifuging the milled solution at 15,000 rpm for 30 minutes and then extracting the supernatant. The supernatant solution was analyzed by 29Si NMR. The conditions of the NMR measurement were: resonance frequency: 119.24 MHz, pulse: 45 deg/5.5 μs, pulse interval: 2 s, number of integrations: 1000, sample tube: Teflon (registered trademark) tube (5 mmφ).

図4に示すように、-30~-90ppmの範囲に生成された金属化合物のピークが検出されている。本実施の形態の(A)金属粒子はケイ素(Si)であり、生成される金属化合物は、以下の一般式(2)で表される。
(XO)SiO(4-a)/2 (2)
(式中、Xは水素、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、炭素数1~6の脂肪族炭化水素基から選ばれる少なくとも1種の原子または有機基であり、aは0~4の整数である。)
4, a peak of the generated metal compound is detected in the range of −30 to −90 ppm. In this embodiment, the (A) metal particles are silicon (Si), and the generated metal compound is represented by the following general formula (2).
(XO) a SiO (4-a) / 2 (2)
(In the formula, X is at least one atom or organic group selected from hydrogen, sodium (Na), potassium (K), and an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms, and a is an integer of 0 to 4.)

一般式(2)のケイ素化合物は、酸化ケイ素(シリカ:SiO)を主成分として生成される。また、水/アルコール(例えば、メチルアルコール)混合系では、酸化ケイ素、テトラメトキシシラン、トリメトキシシラノールシラン、ジメトキシジシラノールシラン、トリシラノールメトキシシランの混合物が生成される。代表的には、テトラメトキシシラン(Tetramethoxysilane:Si(OCH)が生成される。図4に示される金属化合物によるピークは、上記金属化合物の化学シフトに一致しており、これらの金属化合物が生成されていると考えられる。 The silicon compound of general formula (2) is produced with silicon oxide (silica: SiO 2 ) as the main component. In addition, in a water/alcohol (e.g., methyl alcohol) mixed system, a mixture of silicon oxide, tetramethoxysilane, trimethoxysilanol silane, dimethoxydisilanol silane, and trisilanol methoxysilane is produced. Typically, tetramethoxysilane (Si(OCH 3 ) 4 ) is produced. The peaks due to the metal compounds shown in FIG. 4 coincide with the chemical shifts of the above metal compounds, and it is believed that these metal compounds are produced.

以上、詳細に説明したように、本実施の形態では、(A)金属粒子と(B)溶媒とを(C)粉砕機を用いて混合し、メカノケミカル反応により(D)金属化合物を製造するので、常温で安価かつ簡易に金属化合物を製造することが可能である。特に、反応性が高く、安定性に欠ける金属水酸化物を容易に合成することができる。 As explained in detail above, in this embodiment, (A) metal particles and (B) a solvent are mixed using (C) a grinder, and (D) a metal compound is produced by a mechanochemical reaction, making it possible to inexpensively and easily produce metal compounds at room temperature. In particular, metal hydroxides, which are highly reactive and lack stability, can be easily synthesized.

本実施の形態では、(A)金属粒子はケイ素であることとしたが、これに限られず、上述の通り、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ge)及び錫(Sn)等であってもよく、これらの金属を複数含むこととしてもよい。 In this embodiment, the (A) metal particles are silicon, but are not limited to this and may be titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), germanium (Ge), tin (Sn), etc., as described above, and may contain multiple of these metals.

例えば、(A)金属粒子として、チタンを用いた場合、生成される金属化合物は、以下の一般式(3)で表されるチタン化合物となる。
(XO)TiO(4-a)/2 (3)
(式中、Xは水素、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、炭素数1~6の脂肪族炭化水素基から選ばれる少なくとも1種の原子または有機基であり、aは0~4の整数である。)
For example, when titanium is used as the (A) metal particles, the generated metal compound is a titanium compound represented by the following general formula (3).
(XO) a TiO (4-a) / 2 (3)
(In the formula, X is at least one atom or organic group selected from hydrogen, sodium (Na), potassium (K), and an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms, and a is an integer of 0 to 4.)

一般式(3)で表されるチタン化合物は、例えば、テトラメトキシチタン(Ti(OCH)である。(A)金属粒子としてチタンを用いた場合、メカノケミカル反応による酸化反応、還元反応が行われ、本発明に係る金属化合物の生成が効率よく行われると考えられる。 An example of the titanium compound represented by the general formula (3) is tetramethoxytitanium (Ti( OCH3 ) 4 ). (A) When titanium is used as the metal particles, it is believed that oxidation and reduction reactions occur through mechanochemical reactions, and the metal compound according to the present invention is efficiently produced.

(実施の形態2)
本実施の形態に係る金属化合物の製造方法では、(A)金属粒子、(B)溶媒とともに、(F)添加物を容器12内に投入する点で、実施の形態1と異なる。その他の構成は実施の形態1と同様であるので、同じ符号を付す。
(Embodiment 2)
The method for producing a metal compound according to the present embodiment differs from the first embodiment in that (F) an additive is charged into the container 12 together with (A) metal particles and (B) a solvent. The other configurations are the same as those of the first embodiment, and therefore the same reference numerals are used.

本実施の形態に係る金属化合物の製造処理の流れは、実施の形態1に係る図3のフローチャートと同様である。 The flow of the manufacturing process for the metal compound in this embodiment is the same as the flow chart in Figure 3 for embodiment 1.

容器12及び粉砕媒体21の材質、大きさ等は、実施の形態1と同様である。具体的には、容器12及び粉砕媒体21の材質は、炭化タングステン(WC)である。また、粉砕媒体21の大きさは、直径約1.6mm、投入量は、約100gである。 The material, size, etc. of the container 12 and the grinding media 21 are the same as those of the first embodiment. Specifically, the material of the container 12 and the grinding media 21 is tungsten carbide (WC). The size of the grinding media 21 is about 1.6 mm in diameter, and the input amount is about 100 g.

粉砕媒体21は、(A)金属粒子とともに、容器12に投入される。本実施の形態に係る(A)金属粒子は、ケイ素(Si)の粉末であり、粒径は大凡20μm~60μmである。また、容器12内に投入される(A)金属粒子の量は、特に限定されないが、本実施の形態では、0.5gである。 The grinding medium 21 is put into the container 12 together with the (A) metal particles. In this embodiment, the (A) metal particles are silicon (Si) powder, and have a particle size of approximately 20 μm to 60 μm. The amount of the (A) metal particles put into the container 12 is not particularly limited, but in this embodiment, it is 0.5 g.

本実施の形態では、(A)金属粒子とともに、(F)添加物が容器12に投入される。(F)添加物は、(A)金属粒子との間で電荷を授受し、金属化合物の生成を促進する物質であり、例えば、金(Au)、銀(Ag)、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、テクネチウム(Tc)、コバルト(Co)等である。本実施の形態に係る(F)添加物は、銅(Cu)の粉末であり、粒径は大凡200μm~500μmである。また、容器12内に投入される(F)添加物の量は、特に限定されないが、本実施の形態では、0.05gである。 In this embodiment, the (F) additive is put into the container 12 together with the (A) metal particles. The (F) additive is a substance that transfers electric charges between the (A) metal particles and promotes the generation of metal compounds, and is, for example, gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), nickel (Ni), palladium (Pd), chromium (Cr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), technetium (Tc), cobalt (Co), etc. The (F) additive in this embodiment is copper (Cu) powder, and has a particle size of approximately 200 μm to 500 μm. The amount of the (F) additive put into the container 12 is not particularly limited, but in this embodiment, it is 0.05 g.

続いて、容器12に(B)溶媒を投入する。(B)溶媒は、実施の形態1と同様に、モレキュラシーブによって脱水したメチルアルコールである。また、容器12内に投入される(B)溶媒の量は、10mlである。(A)金属粒子、(F)添加物及び(B)溶媒は、容器12へ投入する前に、予め混合されていてもよい。 Next, the (B) solvent is poured into the container 12. The (B) solvent is methyl alcohol dehydrated by a molecular sieve, as in the first embodiment. The amount of the (B) solvent poured into the container 12 is 10 ml. The (A) metal particles, the (F) additive, and the (B) solvent may be mixed in advance before being poured into the container 12.

(A)金属粒子、(B)溶媒及び(F)添加物が投入された後、容器12は、蓋を閉められて密閉され、遊星ボールミル装置1にセットされる。容器12を遊星ボールミル装置1にセットした後、遊星ボールミル装置1の動作を開始する。本実施の形態では、遊星ボールミルの回転速度、すなわち容器12の回転速度は、300rpmであり、ミリング時間は2時間である。 After (A) the metal particles, (B) the solvent, and (F) the additives are added, the container 12 is sealed with a lid and set in the planetary ball mill apparatus 1. After the container 12 is set in the planetary ball mill apparatus 1, the operation of the planetary ball mill apparatus 1 is started. In this embodiment, the rotation speed of the planetary ball mill, i.e., the rotation speed of the container 12, is 300 rpm, and the milling time is 2 hours.

容器12が回転することによって(A)金属粒子がミリング(破砕)される。この際、(A)金属粒子と(B)溶媒に機械的なエネルギーが付与されて、(A)金属粒子と(B)溶媒の活性が高まり、メカノケミカル反応が生じる。これにより、下記の(E)一般式(2)で表される金属化合物が生成される。
(XO)SiO(4-a)/2 (2)
(式中、Xは水素、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、炭素数1~6の脂肪族炭化水素基から選ばれる少なくとも1種の原子または有機基であり、aは0~4の整数である。)
The (A) metal particles are milled (crushed) by the rotation of the container 12. During this process, mechanical energy is imparted to the (A) metal particles and the (B) solvent, increasing their activity and causing a mechanochemical reaction. As a result, a metal compound represented by the following (E) general formula (2) is produced.
(XO) a SiO (4-a) / 2 (2)
(In the formula, X is at least one atom or organic group selected from hydrogen, sodium (Na), potassium (K), and an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms, and a is an integer of 0 to 4.)

図5(a)は、(F)添加物としての銅を添加してミリングした場合のNMRの例である。NMRを行う試料は、実施の形態1と同様に遠心分離(15000rpmで30分間)した後の上澄み溶液を採取したものである。また、NMRの条件も、実施の形態1と同様である。図5(b)に示す(F)添加物を添加しなかった場合のNMRの結果と比較して、多くの金属化合物が生成されていることがわかる。 Figure 5(a) shows an example of NMR when milling was performed with copper added as additive (F). The sample used for NMR was the supernatant solution obtained after centrifugation (15,000 rpm for 30 minutes) as in embodiment 1. The NMR conditions were also the same as in embodiment 1. Compared to the NMR results shown in Figure 5(b) for the case where additive (F) was not added, it can be seen that many metal compounds were produced.

以上、詳細に説明したように、本実施の形態では、(A)金属粒子、(B)溶媒とともに、(F)添加物を混合し、メカノケミカル反応により(D)金属化合物を製造するので、より効率的に金属化合物を製造することが可能である。 As explained in detail above, in this embodiment, (A) metal particles, (B) solvent, and (F) additive are mixed together, and (D) metal compound is produced by a mechanochemical reaction, making it possible to produce metal compounds more efficiently.

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 This invention allows for various embodiments and modifications without departing from the broad spirit and scope of the invention. Furthermore, the above-described embodiment is intended to explain the invention and does not limit the scope of the invention. In other words, the scope of the invention is indicated by the claims, not the embodiments. Furthermore, various modifications made within the scope of the claims and within the scope of the meaning of the invention equivalent thereto are considered to be within the scope of the invention.

本発明は、種々の金属化合物を製造する金属化合物製造工程に好適である。特に、水酸化物等、反応性に優れた金属化合物の製造工程に好適である。 The present invention is suitable for metal compound manufacturing processes for producing various metal compounds. It is particularly suitable for manufacturing processes for highly reactive metal compounds such as hydroxides.

1 遊星ボールミル装置、11 中心軸、12 容器、12a 中心軸、13 テーブル、21 粉砕媒体 1 Planetary ball mill device, 11 Central shaft, 12 Container, 12a Central shaft, 13 Table, 21 Grinding media

Claims (4)

ケイ素(Si)である(A)金属粒子とアルコールを含む(B)溶媒とを、
(C)粉砕機を用いて混合しつつ(A)金属粒子を粉砕し、
メカノケミカル反応により金属アルコキシドである(D)金属化合物を製造する、
ことを特徴とする金属化合物の製造方法。
(A) metal particles which are silicon (Si ) and (B) a solvent containing alcohol,
(C) using a grinder to grind the metal particles (A) while mixing;
Producing a metal compound (D) which is a metal alkoxide by a mechanochemical reaction;
A method for producing a metal compound comprising the steps of:
前記(C)粉砕機は、
ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、ジェットミル、SAGミル、ROMミル、回転式石臼から選択される、
ことを特徴とする請求項1に記載の金属化合物の製造方法。
The (C) pulverizer is
Selected from a ball mill, a bead mill, a rod mill, a jet mill, a SAG mill, a ROM mill, and a rotary stone mill;
The method for producing a metal compound according to claim 1 .
前記(A)金属粒子、前記(B)溶媒とともに、メカノケミカル反応を促進する(F)添加物を、
前記(C)粉砕機を用いて混合しつつ(A)金属粒子を粉砕する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の金属化合物の製造方法。
(F) an additive that promotes a mechanochemical reaction together with the (A) metal particles and the (B) solvent,
(C) The metal particles (A) are pulverized while being mixed using a pulverizer.
The method for producing a metal compound according to claim 1 or 2.
前記(F)添加物は、銅(Cu)である、
ことを特徴とする請求項3に記載の金属化合物の製造方法。
The (F) additive is copper (Cu).
The method for producing a metal compound according to claim 3 .
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