JPWO2013111860A1 - ギ酸の脱水素化触媒、水素製造方法、重水素ガスまたは重水素化水素の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、水素は、反応性の高い気体であるため、輸送・貯蔵が困難であり、その安定的供給のために、安全かつ低コストの輸送・貯蔵技術が求められている。また、燃料電池では、一酸化炭素による電極触媒表面での被毒物質の副生が問題となるため、一般的に一酸化炭素が10ppm以下の高純度な水素を供給することが求められている。
これに対して、入手容易な水素ガス(H2)と重水(D2O,T2O)から、H/D交換反応を利用した重水素ガス(D2,T2)が生成することが、知られている。しかし、長時間の前処理が必要である点が問題であった(非特許文献8)。重水素ガス製造技術の一つとして、重水中重ギ酸の脱水素化触媒を用いて、重水素を発生させる方法も検討されたが、きわめて反応速度が遅く、理論的検討にとどまっていた。
さらに、ギ酸の脱水素化を利用して、水またはギ酸(ギ酸塩)のいずれか一つを重水素化されたギ酸水溶液から、水素同位体ガスの製造方法が試みられていたが、十分な触媒性能を示す報告はなかった(特許文献8〜9、非特許文献9〜11)。
このような状況下、低コストで、より簡便な操作で、高純度な重水素ガスの製造方法が求められている。
また、本発明は、重水または/および重ギ酸を用いて、高効率・簡便な操作・安価に重水素ガス(D2,T2)、または重水素化水素(HD,HT)を製造する方法の提供を課題とする。
また、本発明は、燃料電池等の水素消費装置に必要な水素量を安定して連続的に供給できるように、高圧水素等の昇圧水素を製造する方法の提供を課題とする。
[1]下記式(1)で表される複核金属錯体、その互変異性体もしくは立体異性体、またはそれらの塩を含むギ酸の脱水素化触媒。
M1およびM2は、遷移金属であり、同一でも異なっていても良く、
Q1〜Q6は、それぞれ独立に、炭素または窒素であり、
R1〜R6は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、フェニル基、ニトロ基、ハロゲン基、スルホン酸基(スルホ基)、カルボン酸基(カルボキシ基)、アルコキシ基、アルキルアミノ基(ただし、Qiが窒素である場合、その窒素の位置のRiは存在しない。)であり、
L1およびL2は、それぞれ独立に、芳香族性アニオン配位子、もしくは芳香族性配位子であり、置換基を有していても有していなくてもよく、置換基を有している場合は、前記置換基は1つでも複数でも良く、
Y1およびY2は、それぞれ独立に、任意の配位子であるか、または存在せず、
mは、正の整数、0、または負の整数である。
[2]M1およびM2は、それぞれ独立に、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、コバルト、オスミニウム、ニッケル、鉄、パラジウムまたは白金である[1]記載のギ酸の脱水素化触媒
[3]M1およびM2が、イリジウムである[1]記載のギ酸の脱水素化触媒。
[4]L1およびL2は、それぞれ独立に、ペンタメチルシクロペンタジエニル、またはヘキサメチルベンゼンである[1]〜[3]のいずれか1項に記載のギ酸の脱水素化触媒。
[5]Y1およびY2は、それぞれ独立に、水分子、水素原子、重水素原子、アルコキシドイオン、水酸化物イオン、ハロゲン化物イオン、炭酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、ギ酸イオン、もしくは酢酸イオンであるか、または存在しない[1]〜[4]のいずれか1項に記載のギ酸の脱水素化触媒。
[6]前記式(1)の複核金属錯体が、下記式(2)で表される構造を有する複核金属錯体である[1]〜[5]のいずれか1項に記載のギ酸の脱水素化触媒。
[7]Q1〜Q6が全て炭素原子である[6]記載のギ酸の脱水素化触媒。
[8]R1〜R6が全て水素原子である[6]記載のギ酸の脱水素化触媒。
[9]前記式(2)の複核金属錯体が、下記式(3)で表されるものである[6]記載のギ酸の脱水素化触媒。
[10]前記式(3)の複核金属錯体が、下記式(4)〜(10)の1種以上である[9]記載のギ酸の脱水素化触媒。
[12]ギ酸の脱水素化により水素ガス(H2)を製造する方法であって、[1]〜[10]のいずれか1項に記載のギ酸の脱水素化触媒の存在下、ギ酸または/およびギ酸塩を含む溶液と反応させることによって、水素ガス(H2)を製造する方法。
[13] [11]に記載のギ酸を脱水素化する方法において、前記溶液の溶媒として、重水(D2O)または/およびトリチウム水(T2O)を用い、重水素ガス(D2,T2)および重水素化水素ガス(HD,HT)の少なくとも一方を製造する方法。
[14] [11]に記載のギ酸を脱水素化する方法において、ギ酸として重ギ酸(DCOOD)、または/および、ギ酸塩として重ギ酸塩(DCOO-)を用い、重水素ガス(D2,T2)および重水素化水素ガス(HD,HT)の少なくとも一方を製造する方法。
[15] [11]に記載のギ酸を脱水素化する方法において、ギ酸として重ギ酸(DCOOD)、または/および、ギ酸塩として重ギ酸塩(DCOO-)を用い、溶媒として重水(D2O)または/およびトリチウム水(T2O)を用いる重水素ガス(D2,T2)を製造する方法。
[16] [12]〜[15]のいずれか1項に記載の水素ガス(H2)、重水素ガス(D2,T2)、または重水素化ガス(HD,HT)を製造する方法において、反応溶液のpHを変化させることを特徴とする水素ガス、重水素ガス(D2,T2)、または重水素化ガス(HD,HT)を製造する方法。
[17] [12]〜[15]のいずれか1項に記載の水素ガス(H2)、重水素ガス(D2,T2)、または重水素化ガス(HD,HT)を製造する方法において、内圧が0.1MPa以上の反応容器内で昇圧された水素ガス(H2)、重水素ガス(D2,T2)、または重水素化ガス(HD,HT)を製造する方法。
また、本発明により、従来ボンベ等に貯蔵していた水素同位体ガスを、液体であるギ酸に貯蔵することができ、輸送・貯蔵が極めて容易になる。
さらに、本発明のギ酸脱水素化触媒は、特許文献7に記載の触媒よりも安価に入手可能な触媒配位子から調整が可能であるため、大幅な低コスト化が可能であるにも拘わらず、特許文献7に記載の触媒と同等の画期的に優れた触媒性能を有している。
本発明のギ酸の脱水素化触媒は、式(1)〜(10)のいずれかで表される複核金属錯体、その互変異性体もしくは立体異性体、またはそれらの塩を有効成分として含むギ酸の脱水素化触媒である。該脱水素化触媒の有効成分は、式(1)乃至(10)で表される複核金属錯体、その互変異性体、立体異性体、およびそれらの塩からなる群から選択される少なくとも1つの化合物からなる。例えば、該有効成分の1又は複数種の化合物を本発明のギ酸の脱水素化触媒としてそのまま用いても良いし、これらの異性体の混合物を用いてもよい。また、前記有効成分の化合物以外に他の成分を適宜添加して用いても良い。本発明のギ酸の脱水素化触媒は、その作用により、ギ酸を脱水素化して水素(H2)と二酸化炭素(CO2)を発生させる。
本発明の重水素ガスあるいは重水素化水素の製造方法は、一般式(1)で示される複核金属触媒、その互変異性体、立体異性体およびその塩からなる群から選択される単離された有効成分の化合物からなる触媒、あるいはそれらの混合物、または、該有効成分の化合物を含む触媒を用いる。本発明では、ギ酸(ギ酸塩)および水の少なくとも1方が重水素化されたギ酸水溶液から水素同位体ガスを製造することができる。
メタノール(20mL)に、市販品である2,2'-ビピリミジン(79mg)とジクロロ(ペンタメチルシクロペンタジエニル)イリジウム(III)ダイマー(398mg)を加えて、40℃で12時間撹拌した。不溶物をろ別し、ろ液を減圧下留去すると、空気中で安定な式(4)で示されるcis-trans混合物(4:5)の塩化物が得られた。この触媒のスペクトルデータを以下に示す。
1H NMR (400 MHz,D2O) δ (DSS,ppm) cis体:9.61(d,J=5.8Hz,4H),8.46(dd,J=5.8,5.8Hz,4H),1.75(s,C5Me5,30H).Trans体:9.55(d,J=5.8Hz,4H),8.41(dd,J=5.8,5.8Hz,4H),1.79(s,C5Me5,30H).
触媒合成1で製造したイリジウム複核錯体(4)のシス、トランス混合物の塩化物9.6mgを2mlの水に溶かした溶液を脱気した。脱気した1Mのギ酸/ギ酸ナトリウム(1:1)水溶液(10mL)を、60℃で撹拌しながら、先に調整した触媒溶液100μL(0.5μmol)を加えたところ、ただちに紫色に変わった。これは、イリジウム(I)特有の色であり、式(8)に相当する化合物が生成したことを強く示唆している。発生するガス量をガスメーター(Shinagawa W-NK-05)で測定した(図1)。この結果、触媒回転効率は1時間あたり32000回と、この反応温度において世界最高の触媒性能を示した。また、発生したガス成分は、ガスクロマトグラフィーGLサイエンス(GC390)で、水素は熱伝導度検出器(TCD)で、二酸化炭素および一酸化炭素はメタナイザーおよび水素炎イオン検出器(FID)を用いて測定した。その結果、水素と二酸化炭素は1:1の割合で発生し、一酸化炭素は検出できなかった(検出限界10ppm以下)。また、7時間後の反応溶液中のギ酸分子の濃度を、高速液体クロマトグラフィーで用いて、2mMのリン酸水溶液を展開液とするカラム(TSKgel SCX(H+):TOSOH)に通し、流出する液を波長210nmで測定したところ、0.5Mであることがわかった。これらの結果から、ギ酸に対応する量の脱水素化反応は効率よく進行することが分かった。
触媒合成1で製造したイリジウム複核錯体(4)のシス、トランス混合物の塩化物9.6mgを2mlの水に溶かした溶液を脱気した。pH調整した1Mのギ酸/ギ酸ナトリウム水溶液(10mL)を脱気し、先に調整した触媒溶液100μL(0.5μmol)を加えて、60℃で撹拌した。種々のpH値における1時間あたりの触媒1分子あたりのターンオーバー数(TOF)と反応終了後に残ったギ酸の濃度を、図2に示す。その結果、pH2.5〜4の範囲、特に、pH3.5付近が最も活性が高いことが分かった。また、ギ酸のみを用いたpH1.8付近でも十分に高い触媒活性を示し、反応後のギ酸はほとんどないことが分かった。これらの結果から、ギ酸に対応する量の脱水素化反応は効率よく進行することが分かった。
触媒合成1で製造したイリジウム複核錯体(4)のシス、トランス混合物の塩化物9.6mgを2mlの水に溶かした溶液を脱気した。pH調整した1Mのギ酸/ギ酸ナトリウム水溶液(30mL)を脱気し、先に調整した触媒溶液100μL(0.5μmol)を加えて、80℃で撹拌した。1時間あたりの触媒1分子あたりのターンオーバー数(TOF)は、102000回毎時であった。また、反応終了後に残ったギ酸の濃度は約0.5Mであった。
触媒合成1で製造したイリジウム複核錯体(4)のシス、トランス混合物の塩化物9.6mgを2mlの水に溶かした溶液を脱気した。pH調整した1Mのギ酸/ギ酸ナトリウム水溶液(20mLあるいは40mL)を脱気し、先に調整した触媒溶液200μL(1μmol)を加えて、加熱撹拌した。反応結果を表1に示す。
触媒合成1で製造したイリジウム複核錯体(4)のシス、トランス混合物の塩化物9.6mgを2mlの水に溶かした溶液を脱気した。2Mのギ酸水溶液(10mL)を脱気し、先に調整した触媒溶液100μL(0.5μmol)を加えて、オートクレーブ中60℃で撹拌した。8時間撹拌後、反応容器内の圧力は1.2MPaであった。
触媒合成1で製造したイリジウム複核錯体(4)のシス、トランス混合物の塩化物9.6mgに、脱気した1Mのギ酸水溶液(10mL)を加え、密閉したガラスオートクレーブ中60℃で撹拌した。反応容器内の圧力は図3に示す。7時間撹拌後、反応容器内の圧力は3.7MPaに達した。また、反応溶液の残留ギ酸濃度は7.3mMで99.3%のギ酸を分解することができた。
触媒合成1で製造したイリジウム複核錯体(4)のシス、トランス混合物の塩化物9.6mgを2mlの重水(D2O)に溶かした溶液を脱気した。脱気した1Mのギ酸/ギ酸ナトリウム(1:1)の重水溶液(10mL)に、先に調整した触媒溶液200μL(1μmol)を加えて、60℃で撹拌した。発生した水素、重水素化水素、重水素は、熱伝導度検出器(TCD)および同位体ガス分離カラム(Hydro Isopak,GTR TEC
Co.,Ltd.)を用いてGC分析を行った結果を下記に示す。
水素:2.8%
重水素化水素:78.5%
重水素:18.7%
また、一酸化炭素は検出できなかった(検出限界10ppm以下)。
触媒合成1で製造したイリジウム複核錯体(4)のシス、トランス混合物の塩化物9.6mgを2mlの重水(D2O)に溶かした溶液を脱気した。脱気した1Mの重ギ酸/重ギ酸ナトリウム(1:1)の重水溶液(10mL)に、先に調整した触媒溶液200μL(1μmol)を加えて、60℃で撹拌した。発生した水素同位体ガスの比率を下記に示す。
水素:0%
重水素化水素:1.9%
重水素:98.1%
また、一酸化炭素は検出できなかった(検出限界10ppm以下)。
触媒合成1に従って、ジクロロ(ペンタメチルシクロペンタジエニル)ロジウム(III)ダイマーを用いて、下記式(12)を合成した。脱気した1Mのギ酸/ギ酸ナトリウム(1:1)水溶液(10mL)に、下記式(12)のロジウム複核錯体の塩化物(3.9mg,5μmol)を加えて、60℃で撹拌した。発生したガス量を測定したところ、1時間あたりの触媒1分子あたりのターンオーバー数(TOF)は、1200回毎時であった。
触媒合成1に従って、ジクロロ(ヘキサメチルベンゼン)ルテニウム(II)ダイマーを用いて、下記式(13)を合成した。脱気した1Mのギ酸/ギ酸ナトリウム(1:1)水溶液(10mL)に、下記式(13)のルテニウム複核錯体の塩化物(3.5mg,4μmol)を加えて、60℃で撹拌した。反応溶液中にガスが発生することを確認した。
また、重ギ酸または/および重水を用いることで、簡便・安価に水素同位体ガスを供給できる。
Claims (17)
- 下記式(1)で表される複核金属錯体、その互変異性体もしくは立体異性体、またはそれらの塩を含むギ酸の脱水素化触媒。
M1およびM2は、遷移金属であり、同一でも異なっていても良く、
Q1〜Q6は、それぞれ独立に、炭素または窒素であり、
R1〜R6は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、フェニル基、ニトロ基、ハロゲン基、スルホン酸基(スルホ基)、カルボン酸基(カルボキシ基)、アルコキシ基、アルキルアミノ基(ただし、Qiが窒素である場合、その窒素の位置のRiは存在しない。)であり、
L1およびL2は、それぞれ独立に、芳香族性アニオン配位子、もしくは芳香族性配位子であり、置換基を有していても有していなくてもよく、置換基を有している場合は、前記置換基は1つでも複数でも良く、
Y1およびY2は、それぞれ独立に、任意の配位子であるか、または存在せず、
mは、正の整数、0、または負の整数である。 - M1およびM2は、それぞれ独立に、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、コバルト、オスミニウム、ニッケル、鉄、パラジウムまたは白金である請求項1記載のギ酸の脱水素化触媒。
- M1およびM2が、イリジウムである請求項1記載のギ酸の脱水素化触媒。
- L1およびL2は、それぞれ独立に、ペンタメチルシクロペンタジエニル、またはヘキサメチルベンゼンである請求項1〜3のいずれか1項に記載のギ酸の脱水素化触媒。
- Y1およびY2は、それぞれ独立に、水分子、水素原子、重水素原子、アルコキシドイオン、水酸化物イオン、ハロゲン化物イオン、炭酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、ギ酸イオン、もしくは酢酸イオンであるか、または存在しない請求項1〜4のいずれか1項に記載のギ酸の脱水素化触媒。
- Q1〜Q6が全て炭素原子である請求項6記載のギ酸の脱水素化触媒。
- R1〜R6が全て水素原子である請求項6記載のギ酸の脱水素化触媒。
- ギ酸の脱水素化の方法であって、請求項1〜10のいずれか1項に記載のギ酸の脱水素化触媒の存在下、ギ酸または/およびギ酸塩を含む溶液と反応させることによって、ギ酸を脱水素化する方法。
- ギ酸の脱水素化により水素ガス(H2)を製造する方法であって、請求項1〜10のいずれか1項に記載のギ酸の脱水素化触媒の存在下、ギ酸または/およびギ酸塩を含む溶液と反応させることによって、水素ガス(H2)を製造する方法。
- 請求項11に記載のギ酸を脱水素化する方法において、前記溶液の溶媒として、重水(D2O)または/およびトリチウム水(T2O)を用い、重水素ガス(D2,T2)および重水素化水素ガス(HD,HT)の少なくとも一方を製造する方法。
- 請求項11に記載のギ酸を脱水素化する方法において、ギ酸として重ギ酸(DCOOD)、または/および、ギ酸塩として重ギ酸塩(DCOO-)を用い、重水素ガス(D2,T2)および重水素化水素ガス(HD,HT)の少なくとも一方を製造する方法。
- 請求項11に記載のギ酸を脱水素化する方法において、ギ酸として重ギ酸(DCOOD)、または/および、ギ酸塩として重ギ酸塩(DCOO-)を用い、溶媒として重水(D2O)または/およびトリチウム水(T2O)を用いる重水素ガス(D2,T2)を製造する方法。
- 請求項12〜15のいずれか1項に記載の水素ガス(H2)、重水素ガス(D2,T2)、または重水素化ガス(HD,HT)を製造する方法において、反応溶液のpHを変化させることを特徴とする水素ガス、重水素ガス(D2,T2)、または重水素化ガス(HD,HT)を製造する方法。
- 請求項12〜15のいずれか1項に記載の水素ガス(H2)、重水素ガス(D2,T2)、または重水素化ガス(HD,HT)を製造する方法において、内圧が0.1MPa以上の反応容器内で昇圧された水素ガス、重水素ガス(D2,T2)、または重水素化ガス(HD,HT)を製造する方法。
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