JPH10330116A - 巨大表面積を有する単斜晶系二酸化ジルコニウム - Google Patents

巨大表面積を有する単斜晶系二酸化ジルコニウム

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JPH10330116A JP9352888A JP35288897A JPH10330116A JP H10330116 A JPH10330116 A JP H10330116A JP 9352888 A JP9352888 A JP 9352888A JP 35288897 A JP35288897 A JP 35288897A JP H10330116 A JPH10330116 A JP H10330116A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】大きな単斜晶系比率を有し、かつ高いBET表
面積の二酸化ジルコニウムを提供することである。 【解決手段】二酸化ジルコニウムであって、少なくとも
80重量%の単斜晶系からなり、かつ少なくとも100
2 /gのBET表面積を有することを特徴とし、その
製造方法、それから製造された成形製品及びその触媒又
は触媒担体としての使用をも特徴とする。また、ジルコ
ニウム塩水溶液をアンモニアと混合して得られる沈殿生
成物を、乾燥及びか焼する方法において、乾燥前に水溶
液相中の該沈殿生成物を0乃至300℃で熟成し、かつ
200乃至600℃でか焼することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、巨大表面積を有す
る単斜晶系二酸化ジルコニウム、その製造方法、それか
ら製造された成形製品及びその触媒又は触媒担体として
の使用に関する。
【0002】
【従来の技術】P.D.L.Mercera et a
l.,Applied Catalysis 57(19
90),pp.127〜148には、二酸化ジルコニウ
ム沈殿生成物の構造及び微細組織に関する研究が発表さ
れている。ゲル沈殿法により、その多孔性微細組織が不
安定ではあるが、よく発達した準多孔質微細組織を有す
る二酸化ジルコニウムが得られている。このものは初期
には高い比表面積を有するが、特にか焼時に、急速に比
表面積を低下させる性質を有している。二塩化酸化ジル
コニウム溶液がpH10になるまでアンモニアで滴下混
合されている。得られた沈殿生成物を母液中で65時間
熟成し、濾過、洗浄、さらに空気中、110℃で20時
間乾燥している。か焼は850℃以下で行われている。
得られた生成物は単斜晶系相及び準安定正方晶系又は立
方晶系相の混合物である。650℃以下の温度では単斜
晶系二酸化ジルコニウムの容積分率は80%以下であ
る。か焼では単斜晶系相よりむしろ立方晶系相が支配的
に形成されている。
【0003】T.Yamaguchi,Catalys
is Today 20(1994),pp.199〜2
18においては、二酸化ジルコニウムの触媒又は触媒担
体としての使用が開示されている。二酸化ジルコニウム
は沈殿により得られている。正方晶相は、400℃のか
焼温度で15%以上であり、600℃のか焼温度で約1
0%である。また、此の温度での表面積は約25m2
gである。か焼温度が増加すると、表面積は急激に低下
している。長時間熟成すると、か焼後単斜晶系の優先的
な形成が得られると報告されている。しかしながら、得
られた二酸化ジルコニウムの表面積は極端に小さい。
【0004】A.Clearfield,Cataly
sis Today 20(1994),pp.295〜
312には、結晶水含有二酸化ジルコニウムの構造及び
その調製方法が記載されている。溶解性ジルコニウム塩
からの沈殿により二酸化ジルコニウムを調製している。
pH8乃至12での沈殿で、正方晶系二酸化ジルコニウ
ム約30%のものが観察されており、残りは単斜晶系で
ある。表面積については全くふれられていない。
【0005】FR−A 2,590,887において
は、二酸化ジルコニウム組成物及びこれらの調製方法が
記載されている。二硝酸酸化ジルコニウム溶液とアンモ
ニアとの沈殿に続いて、洗浄、150℃36時間の乾燥
及び550℃1時間のか焼で比表面積80m2 /gの単
斜晶系二酸化ジルコニウムを得ている。
【0006】EP−A−0 716 883は、有効成分
として単斜晶系二酸化ジルコニウムからなる触媒又は担
体を開示している。ジルコニウム塩溶液とアンモニアと
により、二硝酸酸化ジルコニウム又は二塩化酸化ジルコ
ニウムをアンモニア水溶液に添加してpHを6乃至14
に低下させながら得られた沈殿から単斜晶系二酸化ジル
コニウムを調製している。得られた沈殿生成物を乾燥、
か焼及び錠剤化している。このようにして得られる二酸
化ジルコニウム成形製品は高比率の単斜晶系二酸化ジル
コニウムを有している。単斜晶系二酸化ジルコニウムの
比率は、0.2乃至0.9の水蒸気分圧下、120℃1
6時間の乾燥で増加されうる。これらの二酸化ジルコニ
ウムは91m2 /gまでのBET表面積を有している。
【0007】触媒の適用にあたり、単斜晶系相の比率の
大きいことに加え、大きなBET表面積を有する単斜晶
系二酸化ジルコニウムが好んで使用されている。
【0008】比較的高い表面積を有する単斜晶系二酸化
ジルコニウムの製造は多くの困難を伴う。その理由は、
沈殿生成物が通常水酸化ジルコニウムの多くの水を含ん
だα−タイプであり、それからは準安定の正方晶系二酸
化ジルコニウムが形成され、これは650℃以上でのみ
単斜晶系二酸化ジルコニウムに転換されるが、か焼中に
表面積の著しい低下を受けるからである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は大きな
単斜晶系比率を有し、かつ高いBET表面積の二酸化ジ
ルコニウムを提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の二酸化ジルコニ
ウムは、少なくとも80重量%の単斜晶系からなり、か
つ少なくとも100m2 /gのBET表面積を有するこ
とを特徴とする。
【0011】本発明によれば、二酸化ジルコニウムは1
00〜350、好ましくは100〜200、特に好まし
くは100〜160m2 /gのBET表面積を有し、か
つ好ましくは少なくとも85重量%、特に好ましくは少
なくとも90重量%、さらに好ましくは少なくとも95
重量%の単斜晶系からなり、この単斜晶系二酸化ジルコ
ニウムの比率は生成物のX線回折図から決定可能であ
る。
【0012】正方晶系相、単斜晶系相及び混合相のX線
回折図が図1に示されている。Iは強さを表わす。
【0013】本発明は次の知見に基づくもので、その知
見とはジルコニウム塩溶液とアンモニアとでの沈殿生成
後、この沈殿生成物が水溶液相で熟成されるならば、大
きな表面積を有する高比率の単斜晶系の二酸化ジルコニ
ウムが得られることである。この方法においては、最初
形成された正方晶系二酸化ジルコニウムが、単斜晶系二
酸化ジルコニウムに転化される。その後、沈殿生成物は
乾燥及びか焼される。
【0014】本発明は、ジルコニウム塩水溶液をアンモ
ニアと混合して得られた沈殿生成物を、乾燥及びか焼す
る方法において、乾燥前に水溶液相で沈殿生成物を0乃
至300℃で熟成し、かつ200乃至600℃でか焼す
る二酸化ジルコニウムの製造方法をも特徴とする。
【0015】この熟成は、好ましくは20〜250℃
で、少なくとも2時間、特に好ましくは70〜250℃
で、少なくとも24時間行われる。熟成温度により熟成
時間が変わりうる。熟成温度が低いと、正方晶系二酸化
ジルコニウムから単斜晶系二酸化ジルコニウムに完全転
化するのに長時間必要である。
【0016】好ましい初期手段としては、二塩化酸化ジ
ルコニウムのような水溶性ジルコニウム塩又は炭酸ジル
コニウムのような水不溶性ジルコニウム塩及び0.01
〜5、好ましくは0.1〜5、特に好ましくは0.25
〜5モル%のジルコニル基含有酸溶液の調製を含む。こ
の溶液は、次に好ましくは0〜100℃、特に好ましく
は10〜80℃で、アンモニア水溶液の添加により沈殿
させられる。このアンモニア水溶液は、好ましくは0.
01〜30、特に好ましくは0.1〜30重量%のアン
モニア濃度を有する。これに当てはまる処方はEP−A
−0 716883に記載されている。
【0017】沈殿後のpHは、好ましくは4〜10、特
に好ましくは4〜6である。
【0018】熟成において、沈殿生成物は水溶液相と一
緒に、原則として本発明で定められた温度で放置され
る。
【0019】上記温度との関係にある熟成時間は、好ま
しくは1〜1000、特に好ましくは5〜500時間で
ある。か焼は、好ましくは0.5〜10、特に好ましく
は1〜6時間で行われるが、この時間はその温度が20
0〜450℃、好ましくは250〜400℃のときのも
のである。
【0020】この熟成工程は、沈殿生成混合物を放置す
ることにより単純に行われるが、単斜晶系二酸化ジルコ
ニウムの比率が高く、巨大表面積をもったものが得られ
るのである。
【0021】沈殿生成物はブフナー漏斗又はフィルター
プレスで洗浄可能であり、アンモニア又はアンモニウム
塩が除去可能である。その後特定の温度、好ましくは
0.01〜1バールの圧力で乾燥及びか焼される。沈
殿、乾燥及びか焼方法に関する詳細はEP−A−0 7
16 883に記載されている。
【0022】本発明の二酸化ジルコニウムは、沈殿溶液
にもとから存在する成分の少量を含みうる。目的を持っ
た添加剤は、沈殿後熟成及び乾燥前に添加可能である。
硫酸性二酸化ジルコニウムの調製には、例えば上述の方
法が適用可能であり、水溶液相が硫酸、ポリ硫酸又は水
溶性硫酸塩と混合され、この混合は沈殿の前後に行われ
る。好ましくは、沈殿後に混合される。この場合、好ま
しくは硫酸、ポリ硫酸又は好ましくはアルカリ金属硫酸
塩、特に好ましくは硫酸アンモニウムのような水溶性硫
酸塩が用いられ、好ましくは0.01〜50、特に好ま
しくは0.1〜50重量%の溶液が使用される。乾燥及
びか焼は上述のように混合後に行われる。
【0023】本発明は、硫酸性二酸化ジルコニウム当
り、0.05〜10、好ましくは0.05〜8、特に好
ましくは0.1〜7重量%のSO4 部分を含み、少なく
とも100m2 /gのBET表面積を有し、かつ少なく
とも80重量%の単斜晶系の二酸化ジルコニウムを含む
硫酸性二酸化ジルコニウムに関するものでもある。好ま
しい表面積及び単斜晶系の二酸化ジルコニウムの範囲は
上述の通りである。
【0024】か焼は好ましくは0.5〜10、特に好ま
しくは1〜6時間かけて行われる。
【0025】特に好ましくは、熟成は高々210℃で、
か焼は高くて400℃で行われ、さらに好ましい熟成温
度は80〜200℃で、されに好ましいか焼温度は25
0〜400℃である。
【0026】硫酸性二酸化ジルコニウムの場合には、そ
のか焼は、硫化により表面積が安定化するので非硫酸性
二酸化ジルコニウムに比べて高温で行われうる。
【0027】本発明の二酸化ジルコニウムからは、成形
製品が公知の方法、例えば圧縮成形法により得られう
る。これらの成形製品は本発明の二酸化ジルコニウムを
含み、バインダー、タブレット助剤、剥離剤及び他のぶ
形剤のような慣用の成分も含有可能である。好ましく
は、追加的なぶ形剤は使用されないほうがよい。成形製
品の製造に適用可能な方法はEP−A−0 716 88
3に記載されている。成形製品の形状は、例えばタブレ
ット、ペレット、押出物、グラニュール、リング及び丸
薬が触媒に使用されているときに遭遇する他の形状等い
かなる形状をも含まれてよい。このような成形製品は、
流動床又は固定床用にも提供可能である。
【0028】本発明の二酸化ジルコニウムは触媒又は触
媒担体として使用可能である。触媒は、1種以上の触媒
活性金属の0.01〜30、好ましくは0.1〜20重
量%でドーピングされている担体としての新規二酸化ジ
ルコニウムからなりうる。好ましい触媒有効金属はラン
タノイド元素である。担体化触媒は、好ましくは単斜晶
系二酸化ジルコニウムが全体にいきわたっていて、さら
に好ましくはランタン、セリウム、プラセオジム、ネオ
ジム、サマリウム、ユウロヒウム又はこれらの混合物、
出来ればそれらの酸化物の0.1〜10重量%でドーピ
ングされているものである。特に好ましくは、1〜8重
量%の酸化ランタン(III)が存在するものである。
ドーピングは、通常二酸化ジルコニウムをランタノイド
の塩水溶液又はアルコール溶液で含浸して行われる。こ
れらの触媒は、追加的にクロム、鉄、イットリウム、ハ
フニウム又はマンガンのようなドーピング金属を0.0
1〜10重量%含有可能である。ランタノイドでドーピ
ングされた触媒は、好ましくはそのような添加物を含ま
ない。この種の好ましい触媒は、例えばDE−A−19
5 09 552、DE−A−44 43 704、DE−
A−44 28 994、DE−A−0 716 070、
DE−A−44 19 514に記載されている。
【0029】ニッケル、銅、コバルト、パラジウム、白
金又はマンガン、クロム及び他の金属並びにこれらの混
合物のような金属でのドーピングも同様に可能である。
【0030】このようなドーピングは、金属又は硝酸
塩、酢酸塩又は蟻酸塩のような金属塩溶液の含浸、コー
ティング又はスプレーにより実施可能である。ドーピン
グは、好ましくは遷移金属が効果的に使用される。
【0031】本発明の触媒は、多種多様の反応に使用可
能である。例えば水素化及び/又は脱水素、フィッシャ
ー−トロプシュ合成、脱硫、異性化、重合又は水蒸気改
質等の反応に用いられ、特に異性化又は重合の超強酸と
しての硫酸性二酸化ジルコニウムの使用も含まれる。
【0032】本発明の触媒のさらなる適用については、
当業者に知られている。
【0033】次に、本発明を実施例により詳細に説明す
る。
【0034】
【実施例】
[実験例1]二塩化酸化ジルコニウム(95%)を5分
かけて水に溶解し、ジルコニウム濃度0.34モルの水
溶液を得た。2〜3秒でアンモニア水溶液(Roth、
約25%)の添加を行い、最終pHを5とし、二酸化ジ
ルコニウムの沈殿を得た。沈殿後、混合物を7.5分攪
拌し、90℃で下記記載の時間熟成し、沈殿を濾別完了
前に蒸留水で洗浄し、90℃で24時間乾燥した。そし
て1℃/分の昇温速度で、550℃に昇温し、この温度
を5時間保持した。
【0035】熟成が行われない場合、正方晶系相が得ら
れた。24時間の熟成では、正方晶系相の多比率及び単
斜晶系相の小比率の混合物が得られた。144時間の熟
成では、単斜晶系相の多比率及び正方晶系相の小比率の
混合物が得られた。432時間の熟成では、純粋の単斜
晶系相が得られた。
【0036】か焼された試料のX線回折図をCu−Kα
放射線を用いて得て、記録した。
【0037】図1は上から順に、無熟成、24時間熟
成、144時間熟成及び432時間熟成のスペクトルを
示し、強さIは回折角度(2θ)に対してプロットされ
ている。
【0038】単斜晶系相の比率は回折図の定量的評価に
より決定された。正方晶系相は、2θ=29.5〜3
0.5の範囲にピークが現れた。単斜晶系相は、2θ=
27.5〜28.5及び2θ=31〜32の範囲に2つ
のピークが現れた。測定精度は5〜10%である。
【0039】実験は、熟成により二酸化ジルコニウムの
結晶相が単斜晶系相に転じることが可能であることを示
している。
【0040】[実験例2]か焼条件を変えることを除い
て、実験例1と同様の処方で行われた。か焼温度への昇
温は、1℃/分の速度で行われ、昇温後の温度は4時間
(か焼タイプA)その温度に保持された。一方、試料を
前もってか焼温度(か焼タイプB)に加熱されている炉
に入れた。結果を下記表に示した。
【0041】
【表1】 得られた二酸化ジルコニウムは完全な単斜晶系相を有し
ていた。巨大なBET表面積を有する単斜晶系ジルコニ
ウムを製造することは可能であった。
【0042】[実験例3]再度、実験例1と同じ処方で
行われた。沈殿を種々の時間及び温度で熟成し、沈殿生
成物を濾別し、蒸留水で洗浄し、90℃で24時間乾燥
した。その後、1℃/分の加熱速度で300℃に加熱
し、この温度を4時間維持した。結果を表2に示した。
【0043】
【表2】 この結果は、熟成時間が熟成温度の高温化により著しく
減少し、大きな表面積を有する単斜晶系二酸化ジルコニ
ウムが、再度得られていることを証明している。
【0044】[実験例4]沈殿生成物を含む沈殿溶液相
が、硫酸アンモニウム溶液(Fluka、99%)と混
合され、最終濃度が0.5モルであることを除いて、再
度、実験例1と同じ処方で行われた。得られた懸濁液
を、2時間攪拌し、その後実験例1に記載されているよ
うに実験を進めた。熟成時間を変えて得られた結果を次
表に示す。
【0045】
【表3】 硫酸化二酸化ジルコニウムにおいては、高いか焼温度
で、大きなBET表面積が得られる。
【0046】[比較実験例A] (Appl.Catal.57(1990),pp.1
28〜129準拠)炭酸ジルコニウム(約43重量%の
ZrO2 )を濃硝酸で溶解して15重量%のZrO2
有二硝酸酸化ジルコニウム溶液を調製した。
【0047】最初の充填として水の導入により得られた
アンモニア水溶液(12.5重量%のNH3 )及び二硝
酸酸化ジルコニウム溶液を攪拌しながら、同時にポンプ
計量し、沈殿工程の間、pHを9.3に保持した。10
分の後反応攪拌後、不快臭を除去するために硝酸を添加
してpHを7.5にした。
【0048】沈殿生成物を洗浄、乾燥し、400℃でか
焼した。正方晶系二酸化ジルコニウム60%及び単斜晶
系二酸化ジルコニウム40%からなる微細結晶粉末を得
た。
【0049】[比較実験例B] (FR−A−25 90 887,実施例1準拠)60%
硝酸及び炭酸ジルコニウム(約43重量%のZrO2
をイオン交換水で希釈して3.75重量%のZrO2
(0.3モル)を含む溶液を調製した。
【0050】この溶液を攪拌機付容器に充填した(pH
=0.75)。次に、アンモニア水溶液(25重量%の
NH3 )をポンプで6分かけて計量し、pHを10.4
にした。
【0051】沈殿生成物を流出液が20μm/cmの導
電率になるまでフィルタープレスで洗浄し、120℃で
乾燥し、400℃で2時間か焼した。得られた二酸化ジ
ルコニウムは、微細結晶で、149m2 /gのBET表
面積を有し、正方晶系二酸化ジルコニウム80%及び単
斜晶系二酸化ジルコニウム20%を含有していた。
【0052】[比較実験例C] (Catalysis Today 20(1994),
p.296準拠)炭酸ジルコニウム(約43重量%のZ
rO2 )を濃硝酸で溶解して15重量%のZrO2 含有
二硝酸酸化ジルコニウムを調製し、攪拌しながら還流
し、pHを1以下にした。約10分後、濁りが起こり、
更に沸騰を強めた結果、沈殿が生成した。この溶液を5
0時間還流した後、沈殿を濾過、洗浄、乾燥し、400
℃でか焼した。生成物は155m2 /gのBET表面積
を有し、正方晶系二酸化ジルコニウム80%及び単斜晶
系二酸化ジルコニウム20%で構成されていた。
【0053】[比較実験例D] (EP−A−0 716 833,実施例1準拠)炭酸ジ
ルコニウム(約43重量%のZrO2 )を濃硝酸で溶解
して二硝酸酸化ジルコニウム溶液を得、この溶液は19
重量%のZrO2 含み、1.57g/mlの密度を有し
ていた。
【0054】攪拌機付容器にアンモニア水溶液(12.
5重量%のNH3 )及び二硝酸酸化ジルコニウム溶液を
攪拌しながら60分間かけてポンプ計量し、pHを7.
5にした。この実験例においては、温度を54℃に上昇
させた。10分の後反応攪拌時間後、流出液が20μm
/cmの導電率を有するまで沈殿生成物をフィルタープ
レスで洗浄し、続いて120℃で乾燥し、400℃でか
焼した。
【0055】生成物は微細結晶で、81m2 /gのBE
T表面積を有し、単斜晶系二酸化ジルコニウム95%及
び正方晶系二酸化ジルコニウム5%で構成されていた。
【図面の簡単な説明】
【図1】上から順に無熟成、24時間熟成、144時間
熟成及び432時間熟成のスペクトルを示し、回折角度
(2θ)に対して強さIがプロットされている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴォルフラム、シュティツヒェルト ドイツ、61449、シュタインバッハ、ニー デルヘーホシュテッター、シュトラーセ、 12 (72)発明者 フェルディ、シュート ドイツ、61440、オーバーウルゼル、ダル ビッヒスシュトラーセ、24

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも80重量%の単斜晶系からな
    り、かつ少なくとも100m2 /gのBET表面積を有
    することを特徴とする二酸化ジルコニウム。
  2. 【請求項2】ジルコニウム塩水溶液をアンモニアと混合
    して得られる沈殿生成物を、乾燥及びか焼する方法にお
    いて、乾燥前に水溶液相中の該沈殿生成物を0乃至30
    0℃で熟成し、かつ200乃至600℃でか焼すること
    を特徴とする請求項1記載の二酸化ジルコニウムの製造
    方法。
  3. 【請求項3】硫酸性二酸化ジルコニウム当り、0.05
    乃至10重量%のSO4 を含み、少なくとも100m2
    /gのBET表面積を有し、かつ少なくとも80重量%
    の単斜晶系二酸化ジルコニウムからなることを特徴とす
    る硫酸塩含有硫酸性二酸化ジルコニウム。
  4. 【請求項4】請求項2記載の方法において、前記水溶液
    相が、硫酸、ポリ硫酸又は水溶性硫酸塩と混合されるこ
    とを特徴とする請求項3記載の硫酸塩含有硫酸性二酸化
    ジルコニウムの製造方法。
  5. 【請求項5】請求項2又は4記載の方法により製造され
    ることを特徴とする二酸化ジルコニウム。
  6. 【請求項6】請求項1、3又は5いずれか記載の二酸化
    ジルコニウムからなることを特徴とする成形製品。
  7. 【請求項7】二酸化ジルコニウムを加圧成形することに
    より製造されることを特徴とする請求項6記載の成形製
    品製造方法。
  8. 【請求項8】請求項1、3若しくは5又は6いずれか記
    載の二酸化ジルコニウム又は成形製品の触媒又は触媒担
    体としての使用。
  9. 【請求項9】1種以上の触媒有効金属の0.1乃至20
    重量%でドーピングされている請求項1、3又は5いず
    れか記載の担体としての二酸化ジルコニウムからなるこ
    とを特徴とする触媒。
  10. 【請求項10】水素化及び/又は脱水素、フィッシャー
    −トロプシュ合成、脱硫、異性化、重合又は水蒸気改質
    への請求項8又は9記載の触媒の使用。
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