JPH08141399A - アンモニア合成触媒およびその調製法 - Google Patents
アンモニア合成触媒およびその調製法Info
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Abstract
調製が容易で、かつ活性が高い触媒を提供する。 【構成】 ルテニウム、ニッケルおよびセリウムから成
るアンモニア合成触媒。また、酸化セリウムから成る担
体にニッケル化合物を添加した後水素還元を行い、次い
で該担体にルテニウムカルボニル錯体を反応させてルテ
ニウムを担持し、しかるのちに真空排気および/または
還元することを特徴とするルテニウム、ニッケルおよび
セリウムから成るアンモニア合成触媒の調製法。
Description
アを合成するのに適した触媒に関するものである。
成分とし、アルミナ、酸化カリウム等を助触媒として添
加した鉄系触媒が採用されているが、この触媒のアンモ
ニア合成活性は低温では発揮されず、そのために工業装
置における操業反応温度は平衡論上の不利にもかかわら
ず400〜500℃の高温を採用せざるを得ない。その
ため鉄系触媒を用いる現存のアンモニア製造法において
は反応ガスの再循環比を大きくとり、空間速度を高くす
ることが必要であり、これに伴う動力、熱伝達等の運転
経費の増大は著しい。
スミウムおよびコバルトからなる8族遷移金属のいずれ
かと、アルカリ金属とを活性炭、若しくは多孔質炭素に
担持させたアンモニア合成触媒を提供した(特公昭54
−37592号公報)。このアンモニア合成触媒は、活
性炭に担持した8族金属触媒にアルカリ金属を添加して
調製され、200℃のような低温でもアンモニアを合成
することができるものである。
に代えてアルカリ金属塩を使用し、触媒担体として特定
の表面積を有するグラファイト含有炭素を使用するアン
モニア製造方法(特公昭59−16816号公報)が報
告され、また、本発明者らも塩化ルテニウムとアルカリ
金属塩とをアルミナ担体に担持させ、一酸化炭素、水に
よる被毒の少ないアンモニア合成触媒(Journal of Cat
alysis, 92巻, 296-304 (1985), 同 305-311 (1985) )
を報告した。
ル、ルテニウムアセチルアセトナート等の塩素を含まな
いルテニウム化合物を出発原料とするルテニウム触媒の
調製方法(特開平2−258066号公報)を提案し
た。
ナ担体に担持し、促進剤として希土類元素を添加した触
媒(Journal of Catalysis, 136巻, 118-125 (1992)
)、およびルテニウムを希土類酸化物上に担持した触
媒(特開平6−79177)を提案した。ルテニウムを
希土類酸化物上に担持した触媒はアンモニア合成反応に
対して極めて高活性であるが、水素還元による触媒活性
化操作に対して800K以上の温度ではルテニウム表面
が酸化物で覆われてしまう傾向のあることが判明した。
本発明者らは触媒調製方法の改良を鋭意検討した結果、
本願発明を完成したものである。
触媒を用いてアンモニアを合成する方法において、調製
が容易で、かつ高活性を示す触媒を提供するものであ
る。
ッケルおよびセリウムから成るアンモニア合成触媒であ
る。また、本発明は酸化セリウムから成る担体にニッケ
ル化合物を添加した後水素還元を行い、次いで該担体に
ルテニウムカルボニルを反応させてルテニウムを担持
し、しかるのちに真空排気および/または還元すること
を特徴とするルテニウム、ニッケルおよびセリウムから
成るアンモニア合成触媒の調製法である。さらに、本発
明はルテニウム、ニッケルおよびセリウムから成る触媒
を使用することを特徴とする、窒素と水素からのアンモ
ニアの合成方法である。
であり、これは硝酸セリウム等の水溶性セリウム塩の水
溶液にアルカリ金属水溶液若しくはアンモニア水を添加
して沈澱を生成させ、濾過分離、乾燥、焼成する方法で
調製することができる。沈澱生成の際、アルカリ金属の
残留を防ぐためにアンモニア水を使用することが望まし
い。焼成温度は300℃〜600℃、焼成時間は0.5
〜20時間の範囲が好ましい。
は硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、酢酸ニッケル等の塩類
であるが、中でも硝酸ニッケルが好ましい。本発明の好
ましい触媒調製方法においては、ルテニウム化合物の担
持に先だってセリウム化合物からなる担体にニッケル塩
の溶液を含浸担持する。次いで得られたニッケル添加セ
リウム担体を焼成し、さらに水素等の還元剤中で還元処
理を行う。水素還元処理温度は100〜700℃、好ま
しくは400〜600℃である。水素還元処理時間は通
常0.5〜20時間の範囲で選択される。セリウム担体
に対するニッケル化合物の添加量はNiとして0.01〜
10wt%、好ましくは0.05〜1wt%である。
浸法により行う。原料として使用されるルテニウム化合
物は塩化ルテニウム、ルテニウムカルボニル、ルテニウ
ムアセチルアセトナート、ルテニウムシアン酸カリウ
ム、ルテニウム酸カリウム、酸化ルテニウム、硝酸ルテ
ニウム等であるが、特にルテニウムカルボニルの使用が
好ましい。これらのルテニウム化合物はアセトン、テト
ラヒドロフラン等の極性有機溶媒、または水に溶解させ
てセリウム担体に含浸させる。ルテニウム担持量はルテ
ニウム金属としてセリウム担体に対して0.1〜20wt
%、好ましくは1〜5wt%である。担持量0.1wt%以
下では触媒活性が低く、担持量20wt%以上では担持量
を増やしてもアンモニア合成活性の向上が認められず、
高価なルテニウムを多量に使用する意味がない。
び/または水素還元処理を行う。真空排気は50℃〜6
00℃、好ましくは150℃〜550℃で行う。真空排
気時間は通常0.5〜20時間である。水素還元処理を
真空排気に引き続いて行ってもよく、または真空排気処
理のみを行い、水素還元処理を省略しても良い。水素還
元温度は100℃〜700℃、好ましくは300℃〜6
00℃、水素還元時間は通常0.5〜20時間である。
本発明の触媒においては、水素還元処理を行うことによ
ってそのアンモニア合成活性が飛躍的に向上する。希土
類担体として酸化セリウムを使用した場合は、ニッケル
担持後の水素還元処理、および/またはルテニウム担持
後の水素還元処理に伴って4価のセリウムの一部が3価
に還元される。この3価のセリウムを含有するルテニウ
ム触媒が高い活性を示す。
本発明の触媒が優れた性能を示す理由は次のように考え
られる。ルテニウム金属クラスターをCeO2上に担持さ
せ、水素処理を行うとルテニウム金属上で活性化された
水素によりルテニウムに隣接するCeO2の部分が還元され
Ce2O3 となり、この状態がルテニウムに電子を与えるた
めに、促進剤なしで高活性を得ることができた。しかし
ながら、高温での水素処理中にCe2O3 の一部はルテニウ
ム金属表面にはい上がり活性点の一部をつぶしてしまう
ことも明らかとなった。CeO2にニッケルを加えて還元す
ることであらかじめ還元されたCe2O3 の状態を表面に作
ることができ、この状態にルテニウムクラスターを後か
ら加え、比較的低温で還元および/または真空排気処理
すればルテニウムは焼結もせず、Ce2O3 による表面汚染
も受けずにCe2O3 からの電子供与を有効に受けることが
できる。本発明ではニッケル添加したCeO2担体をあらか
じめ部分還元しておくことにより、表面汚染のない活性
なルテニウムクラスターの状態を高温での水素還元なし
に作ることができ、高活性な触媒を得ることができる。
平衡論上低温高圧が望ましいが、本発明の触媒は反応温
度100℃〜500℃、好ましくは150℃〜350℃
で使用される。また、反応圧力は0.5〜300気圧
(約50〜30000kPa)である。 空間速度は、
通常1000〜100000/Hrである。水素と窒素
のモル比は1:1〜5:1の範囲で選択されるが、化学
量論比である3:1またはこれより窒素過剰側の条件が
好ましい。 本発明の触媒は、低温活性であるためにア
ンモニアが高濃度で得られるので、液化分離が容易であ
る。
る。 実施例1 25gの硝酸セリウム六水和物Ce(NO3)3・6H2O を水に溶
解し、濃度0.2Nの溶液とした。ここに5%アンモニ
ア水をpH10になるまで滴下して沈澱を生成させた。
一晩攪拌後濾過吸引し、沈澱を純水で洗浄してから10
0℃で乾燥し、次いで500℃、3時間空気中で焼成す
ることによりCeO2担体を調製した。この担体5gをNi(N
O3)2・6H2Oを含むメタノール溶液に浸漬してニッケルを
含浸担持し、次いで500℃において空気中で1時間焼
成し、真空排気後、さらに同温度で水素中で12時間還
元した。得られたNi/CeO2 担体中のニッケル含有量はCe
O2担体に対して0.25wt%(Niとして)であった。こ
の担体5gをルテニウムカルボニルRu3(CO)12 を含有す
るテトラヒドロフラン(THF)溶液約100ml中に
浸漬し、その後溶媒を除去することによってルテニウム
を担体上に担持した。なお、THFはアルゴン下で精製
したものを使用した。これをさらに400℃に至るまで
昇温しながら真空排気処理し、Ru/Ni/CeO2触媒を調製し
た。得られたRu/Ni/CeO2触媒中のルテニウム担持量はR
uとして2.5wt%であった。その後、触媒を流通式反
応器に充填し、315℃、で1hr水素還元を行い、引
き続いてアンモニア合成反応を行った。反応温度は31
5℃、反応圧力は100、1000、または4000k
Pa、空間速度は、7200/Hr(ガス流量60ml
/min.、触媒量0.5ml)、反応原料の窒素/水
素モル比は1/3であった。反応成績は触媒1g、1時
間当たりのアンモニア生成モル数で表現した。
/Ni/CeO2触媒の反応条件下でのルテニウムクラスター構
造を調べるためにEXAFSを測定したところ、Ru原
子のまわりの最近接Ru原子数は5程度であり、Ru原
子のまわりの最近接酸素(CeO2の表面酸素)数が約1で
あることと併せて、2次元ルテニウムクラスターが担持
されていると考えられた。
を省略し、ルテニウム担持後の水素前処理温度を315
または500℃とした他は実施例1と同様にしてRu/CeO
2 触媒を調製した。得られた触媒を実施例1と同じ条件
で活性試験を行った。反応結果を表1に示す。
ニアの合成速度が大きいことがわかる。
の担持ルテニウム触媒に比べてアンモニア合成活性が高
い。
Claims (4)
- 【請求項1】 ルテニウム、ニッケルおよびセリウムか
ら成るアンモニア合成触媒。 - 【請求項2】 セリウムの少なくとも一部が3価の状態
である請求項1記載のアンモニア合成触媒。 - 【請求項3】 酸化セリウムから成る担体にニッケル化
合物を添加した後水素還元を行い、次いで該担体にルテ
ニウムカルボニルを反応させてルテニウムを担持し、し
かるのちに真空排気および/または還元することを特徴
とするルテニウム、ニッケルおよびセリウムから成るア
ンモニア合成触媒の調製法。 - 【請求項4】 ルテニウム、ニッケルおよびセリウムか
ら成る触媒を使用することを特徴とする、窒素と水素か
らのアンモニアの合成方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28971194A JP3552766B2 (ja) | 1994-11-24 | 1994-11-24 | アンモニア合成触媒およびその調製法 |
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- 1994-11-24 JP JP28971194A patent/JP3552766B2/ja not_active Expired - Lifetime
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