WO2010032508A1 - ラネー型金属多孔体とその製造方法並びに触媒 - Google Patents

ラネー型金属多孔体とその製造方法並びに触媒 Download PDF

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聡 亀岡
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Definitions

  • the present invention relates to a novel Raney metal porous body and a method for producing the same, and further relates to its use as a catalyst.
  • Raney type metal has been studied for application as an electrode material as a catalyst based on its characteristic functions and activities.
  • electrode materials porous porous Raney metal with an increased surface area, and the surface of the material, including those inside pores, are coated or plated with different metals and alloys to enhance durability and activity.
  • Patent Documents 1-3 What has been proposed has been proposed.
  • a Raney-type Cu—Ni—Zn catalyst obtained by developing a Cu—Ni—Zn alloy with an alkaline solution and making the alloy by hydrogen gas reduction is used as a methanol reforming catalyst.
  • Patent Document 4 a Raney-type Cu—Ni—Zn catalyst obtained by developing a Cu—Ni—Zn alloy with an alkaline solution and making the alloy by hydrogen gas reduction is used as a methanol reforming catalyst.
  • Raney-type catalysts have been known for a long time.
  • the actual catalyst activity is only a few percent of the surface area of the entire sample, whereas in the Raney catalyst, the entire surface area of the sample is catalytically efficient.
  • most conventional Raney catalysts are single metal catalysts, they have a major problem in thermal stability that the surface area is significantly reduced by agglomeration (sintering) at high temperatures where the catalytic reaction proceeds.
  • supported catalysts it is possible to produce alloy catalysts with different compositions from metals by impregnation and coprecipitation methods using several types of metal salts, whereas conventional Raney catalysts are mostly single-metal catalysts. It is. Therefore, only a single metal catalytic function can be expected for the Raney catalyst.
  • the present invention enables a Raney-type metal to be alloyed with a porous structure and dramatically improves functional activity based on the porous structure.
  • the goal is to realize a new policy that makes it possible to solve the problem of thermal stability of conventional Raney catalysts, and to improve and diversify the catalyst function.
  • the present invention is characterized by the following in order to solve the above-mentioned problems.
  • Raney-type metal porous body and at least the inner surface of the pores constituting the porous material is an alloy of a skeleton metal constituting the porous material and a metal different from this.
  • a method for producing the Raney-type metal porous body which includes at least the following steps. (1) A Raney metal porous body made of a skeletal metal is coated or impregnated with a metal salt solution made of another metal. (2) The obtained coated body or impregnated body is heated to reduce the metal salt to produce an alloy of a skeleton metal and a metal constituting the metal salt on the inner surface of the hole of the Raney-type metal porous body. .
  • a catalyst having the first Raney metal porous body as a catalytically active component is provided.
  • Raney-type metal can be alloyed with a porous porous structure, and based on the porous structure, functions and activities as a catalyst, an electrode material, etc. are dramatically improved. It is possible to improve. In addition to solving the thermal stability problem of Raney catalysts, it is possible to add improvements and diversification of catalyst functions and activities.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of XRD measurement and surface areas for Raney-type Ni—Cu porous bodies in Example 1 and comparative Ni.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating measurement results of BET surface area before and after a methanol steam reforming reaction in Example 3. 6 is a diagram illustrating reaction selectivity in a methanol steam reforming reaction in Example 3.
  • FIG. 6 is a diagram showing the results of XRD measurement and surface area of Ni—Zn alloy in Example 4 and comparative Ni. 6 is a diagram illustrating the result of methanol decomposition reaction in Example 4.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of XRD measurement and surface areas for Raney-type Ni—Cu porous bodies in Example 1 and comparative Ni.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating measurement results of BET surface area before and after a methanol steam reforming reaction in Example 3. 6 is a diagram illustrating reaction selectivity in a methanol steam reforming reaction in Example 3.
  • FIG. 6 is a diagram showing the results
  • At least the inner surface of the pore in the porous structure is an alloy of a skeleton metal constituting the porous metal and another metal different from this. That is, part or all of the inner surface of the hole is an alloy of a skeletal metal forming a porous structure having holes and another metal, or is limited to the inner surface of the hole together with part or all of the inner surface of the hole. Instead, it is an alloy of a skeletal metal that forms a porous structure having pores and another metal.
  • the Raney-type metal porous body of the present invention as a whole is a porous body that is partially or entirely alloyed, and at least a part or all of the inner surface of the hole is alloyed. You can also
  • the manufacturing method includes at least the steps (1) and (2) as described above, but the embodiment is considered as the following steps, for example.
  • C C: Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au, Zn
  • aqueous solution containing metal element is applied to the pores of the porous B metal powder thus obtained.
  • the coated or impregnated supported alloy powder is heat-treated in a hydrogen atmosphere to form a third step of alloying B metal and C metal.
  • a high specific surface area porous alloy powder composed of two kinds of metals B and C is produced.
  • the second step and the third step are repeated.
  • the alkaline solution in the first step may be various solutions such as aqueous solutions of various alkalis such as NaOH and KOH, or water / alcohol solutions.
  • aqueous solutions of various alkalis such as NaOH and KOH
  • water / alcohol solutions Various water-soluble or aqueous solutions of metal chlorides, organic salts, complex salts and the like may be used.
  • the processing conditions in the third step can also be determined in consideration of the type of metal, the degree of alloying, and the like.
  • Raney type metal By selecting the conditions in the above process, in particular, by selecting the amount (concentration) of the metal salt used for coating or impregnation and the conditions for subsequent heat treatment (firing in a hydrogen atmosphere), Raney type metal The degree of alloying in the porous body is appropriately determined.
  • Raney-type metal porous bodies according to the present invention not only can be used as electrode materials and catalysts, but also can be coated or plated with another metal or alloy on the surface including the pore surface, or By attaching an inorganic substance, various functions and activities can be expressed.
  • the Raney-type metal porous body of the present invention is useful as a catalyst for reforming or decomposing methanol with high surface area, high activity and good heat resistance. . It has been confirmed that it exhibits extremely high CO (carbon monoxide) selectivity.
  • the methanol steam reforming reaction exhibits high selectivity to CO (carbon monoxide) without showing selectivity to CO 2 , In addition, it has high selectivity to CO (carbon monoxide) in the methanol decomposition reaction (H 2 and CO production), and has such a remarkable feature.
  • FIG. 1 schematically shows the manufacturing process.
  • pure Al and pure Ni were used as samples, and after arc melting, vacuum sealed and annealed at 700 ° C. for 24 hours.
  • miniaturized by the milling process and Raney type Ni was obtained by dissolving only Al in NaOH solution (20 wt%, 12h).
  • Cu was added by impregnating this with CuCl 2 salt and alloyed in a hydrogen atmosphere (500 ° C., 12 h).
  • Example 3 In the same manner as in Example 1, an Al-based intermetallic compound Al 3 Ni (or Al 2 Cu) was prepared in an Argot by an arc melting method in an Ar atmosphere, made into a single phase by annealing, and then finely processed by a ball mill method. A powdery sample was obtained. Each sample was selectively eluted (leached) with 20% NaOH aqueous solution to prepare a porous metal catalyst.
  • FIG. 3 shows the conventional Raney Cu and Raney Ni, and the methanol steam reforming reaction (CH 3 OH + H 2 O ⁇ 3H 2 + CO 2 ) of the porous Ni—Cu alloy produced as described above.
  • the BET surface area before and after the reaction is shown.
  • the surface area of Raney Cu was remarkably reduced, and it was confirmed that the pores having a peak at 3 nm decreased although there was no significant change in the surface area of Raney Ni.
  • Ni—Cu porous alloy there was almost no change in the surface area and pore distribution after the methanol steam reforming reaction. From these results, it was confirmed that the Ni-Cu porous alloy has high thermal stability.
  • FIG. 4 shows the reaction selectivity for the steam reforming reaction in the above three samples.
  • Raney Cu but is known as a catalyst for methanol steam reforming reaction, as shown on the left side of FIG. 4, not only generated H 2 and CO 2, the selectivity of CO 2 (CO 2 / ( While CO 2 + CO)) reaches nearly 100%, the CO selectivity is almost 0%.
  • Raney Ni as shown in the diagram on the right side of FIG. 4, although it has a high CO selectivity at a low temperature, a synthesis reaction (methanation) of methane (CH 4 ) occurs at about 320 ° C., and methane The selectivity is high.
  • Such changes in selectivity characterize Ni catalysts. It shows catalytic properties opposite to Raney Cu catalyst.
  • the reaction was carried out using a fixed bed flow type reactor, pretreated for 1 h in an H 2 gas atmosphere (240 ° C.), and then 240 ° C. in a methanol / N 2 gas atmosphere (30 cm 3 min ⁇ 1 ) as a reaction gas.
  • the reaction was carried out at a temperature of ⁇ 360 ° C.
  • FIG. 6 shows the results of the reaction in the case of RaneyNi as a comparative example. It was confirmed that the hydrogen production rate was proportional to temperature and showed high selectivity for CO (carbon monoxide) production, and the characteristics of this catalyst were completely different in the case of RaneyNi.
  • Example 5 A Raney-type metal porous body for Pd—Zn was produced in the same manner as in Example 1. It was confirmed by XRD measurement that Pd—Zn was dissolved.

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Abstract

 ラネー型金属多孔体であって、少なくともその多孔質を構成する孔内面が、それを構成する骨格金属と、これとは異なる金属との合金であるものとし、ラネー型金属について、多孔質な構造での合金化を可能とすることや、その多孔質のポーラスな構造をベースとして機能活性の飛躍的な向上を図ることを可能とした新しい方策を実現し、これを触媒等として利用する。

Description

ラネー型金属多孔体とその製造方法並びに触媒
 本発明は新規なラネー型金属多孔体とその製造方法に関するものであり、さらには、その触媒としての利用に関するものである。
 従来よりラネー型金属はその特徴のある機能、活性に基づいて電極材料を触媒等としての応用が検討されてきている。たとえば、電極材料では、表面積を増大させた多孔質のポーラスなラネー金属や、その表面に、空孔内も含めて、異種の金属や合金を被覆、あるいはメッキして耐久性や活性を高めるようにしたものが提案されている(特許文献1-3)。
 また、触媒としては、たとえば、Cu-Ni-Zn合金をアルカリ溶液で展開し、水素ガス還元によって合金としたラネー型のCu-Ni-Zn触媒を調製し、これをメタノール改質用触媒とすることが提案されている(特許文献4)。
 しかしながら、ラネー型金属については、従来より検討されてきている多孔質のポーラス構造を合金として構成することは難しく、しかもこのポーラス構造をベースとして機能活性の向上を図るための方策は実用的展開を可能とするまでには至っていないのが実情である。また、触媒としての利用では、表面積の増大の点で有効と考えられる多孔質な構造と触媒活性との関係についてはほとんど検討されていない。
 実際、ラネー型触媒に代表されるような非担持型ポーラス金属触媒は古くから知られている。一般の担持系の触媒では実際の触媒活性を担うのは、試料全体の表面積のほんの数パーセントであるのに対して、ラネー触媒では試料の表面積全体は触媒活性を示すという点で効率がよい。しかし、従来のラネー触媒はほとんどが単一金属系の触媒であるため、触媒反応が進行する高温において凝集(シンタリング)による表面積の著しく減少が起きる、という熱安定性に大きな問題を抱えている。また、担持系触媒では、数種類の金属塩を用いる含浸法や共沈法で、金属と異なる組成の合金触媒の作製は可能であるのに対して、従来のラネー触媒ではほとんどが単一金属系である。したがって、ラネー触媒には、単一金属の触媒機能しか望めない。
 また複数種の金属からなる前記Cu-Ni-Znラネー型触媒として公知の技術においては、合金の生成と多孔質ポーラス構造については実質的な検討が行われていない。そしてこの触媒の場合には、Ni-Cu-Znの3元合金の溶出処理を行っていることから成分の大きな濃度揺らぎ(不均一性)が形成され、組成制御や表面積を増大させるポーラス構造の形成は実質的に困難である。このため、技術としての発展性、実用性を欠いているという問題がある。
特開平11-111304号公報 特開昭58-46553号公報 特開昭59-94377号公報 特開昭63-256136号公報
 本発明は、以上のとおりの背景から、ラネー型金属について、多孔質な構造での合金化を可能とすることや、その多孔質のポーラスな構造をベースとして機能活性の飛躍的な向上を図ることを可能とした新しい方策を実現し、これを利用して従来のラネー触媒の熱安定性の問題を解決するとともに、触媒機能の向上と多様性を付加することを課題としている。
 本発明は、前記の課題を解決するものとして以下のことを特徴としている。
 第1:ラネー型金属多孔体であって、少くともその多孔質を構成する孔内面が、それを構成する骨格金属と、これとは異なる金属との合金である。
 第2:前記ラネー型金属多孔体の製造方法であって、少くとも以下の工程を含む。
(1)骨格金属からなるラネー型金属多孔体に他の金属からなる金属塩の溶液を塗着ないし含浸させる。
(2)得られた塗着体ないし含浸体を加熱して、前記金属塩を還元し、前記ラネー型金属多孔体の孔内面に骨格金属と前記金属塩を構成する金属との合金を生成する。
 第3:前記第1のラネー型金属多孔体を触媒活性成分とする触媒。
 前記のとおりの本発明によれば、ラネー型金属について、多孔質なポーラス構造での合金化を可能とし、その多孔質構造をベースとして、触媒や電極材料等としての機能、活性の飛躍的な向上を図ることを可能とする。また、ラネー触媒の熱安定性の問題を解決するとともに、触媒機能、活性の向上と多様化を付加することができる。
本発明の製造方法に係わる一実施形態を模式的に示したものである。 実施例1でのラネー型Ni-Cu多孔体と、比較用のNiについてのXRD測定の結果と表面積を示した図である。 実施例3でのメタノール水蒸気改質反応の前後のBET表面積の測定結果を例示した図である。 実施例3でのメタノール水蒸気改質反応における反応選択率を例示した図である。 実施例4でのNi-Zn合金と、比較用のNiについてのXRD測定の結果と表面積を示した図である。 実施例4でのメタノール分解反応の結果について例示した図である。
 本発明の前記第1の発明に係わるラネー型金属多孔体においては、少くとも、多孔質な構造における孔内面が、それを構成する骨格金属と、これとは異なる他の金属との合金である。つまり、孔内面の一部または全部が、孔を有する多孔質構造を形成している骨格金属と他の金属との合金となっているか、あるいは、孔内面の一部または全部とともに孔内面に限られずに孔を有する多孔質構造を形成している骨格金属と他の金属との合金となっているものである。
 このような本発明のラネー型金属多孔体は、全体としては、一部もしくは全部が合金化されている多孔体であって、少くとも孔内面の一部または全部が合金化されていると言うこともできる。
 その製造方法については、少くとも前記のとおりの工程(1)(2)を含むものであるが、その実施の形態としては、たとえば、次のような工程として考慮される。
 すなわち、まず、酸またはアルカリに可溶なA金属と、酸またはアルカリに不溶なB金属を含む合金を、たとえばAxB (x=1~10)(A: Al, B: Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au)の化学式で代表される組成で溶解法より作製し、熱処理・粉砕を施した後、合金粉末を、酸またはアルカリ性液体に浸漬し、ラネー法(leaching)でA金属を取り除き、ポーラスなB金属粉末を作製する方法を第一工程とする。
 このように得たポーラスなB金属粉末の孔に、たとえばC(C:Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au, Zn) 金属元素を含む金属塩水溶液を塗着ないしは含浸担持する第二の工程とする。しかる後に、塗着ないしは含浸担持合金粉末を水素雰囲気中で熱処理し、B金属とC金属を合金化処理する第三の工程とする。これによって、BとCの二種類金属からなる高比表面積ポーラス合金粉末を製造する。なお、合金組成を調整するために、第二工程と第三工程を繰り返し行う。
 前記第一工程におけるアルカリ性溶液については、たとえばNaOH、KOHをはじめとする各種アルカリの水溶液、あるいは水・アルコール溶液等の各種のものであってよい。第二工程における金属塩水溶液も同様である。金属の塩化物、有機塩、錯塩等の各種のものの水溶性あるいは水性溶液であってよい。第三工程での処理条件も、金属の種類、合金化の度合等を考慮して決めることができる。
 以上のような工程での条件の選択によって、殊に、塗着もしくは含浸の際に用いられる金属塩の量(濃度)やその後の熱処理(水素雰囲気中焼成)の条件の選択によって、ラネー型金属多孔体における合金化の度合が適宜に定まることになる。
 本発明の製造方法によれば、Ni-Cu、Ni-Zn、にCo-Cu、Fe-Ni、Fe-Co、Ni-Pd、Ni-Ru、Ni-Pt、Fe-Cu、Fe-Rh、Fe-Pd、Cu-Ag等をはじめとする二元系、あるいはNi-Cu-Pd、Ni-Cu-Co、Ni-Co-Rh、Ni-Fe-Ag、Co-Ru-Ag等の三元系や、さらに多元系のラネー型金属多孔体を容易に製造することができる。
 これらの本発明のラネー型金属多孔体は、そのものが電極材料や触媒として利用可能となるだけでなく、孔表面も含めて、その表面にさらに別の金属や合金を被覆ないしメッキしたり、あるいは無機物を付着させることで、さらに多様な機能や活性を発現させることも可能となる。
 たとえば触媒としては、実施例にも例示するように、本発明のラネー型金属多孔体は高表面積を有する高活性で、耐熱性も良好な、メタノールの改質もしくは分解反応用触媒として有用である。極めて高いCO(一酸化炭素)選択性を示すことが確認されている。たとえば本発明のラネー型金属多孔体からなる触媒の場合には、メタノールの水蒸気改質反応においてはCOへの選択性を示さずに高いCO(一酸化炭素)への反応選択性を示し、また、メタノールの分解反応(HとCO生成)においてもCO(一酸化炭素)への高い選択性を示し、このような顕著な特徴を有してもいる。
 そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の例によって限定されることはない。
<実施例1>
 図1に製造工程を模式的に示した。この図1の手順に沿って、まず、純Al、純粋Niを試料として用い、アーク溶解後、真空封入し700℃、24hの条件でアニール処理を行った。その後、ミリング処理により微細化し、NaOH溶液中(20wt%、12h)でAlのみを溶解させることでRaney型Niを得た。これにCuCl塩を含浸させることによりCuを添加し、水素雰囲気中で合金化処理した(500℃,12h)。
 この手順によって、原子数比がNi:Cu=5:1のラネー型金属多孔体と、Ni:Cu=1:1のラネー型金属多孔体を製造した。
 図2に示したように、XRD測定の結果、原子数比がNi:Cu=5:1,1:1のいずれでピーク位置が低角側にシフトしたため、Ni-Cuの固溶体の形成が確認できた。また、合金化することによりメソポアを有する高い表面積のものが得られた。
<実施例2>
 実施例1での試料に用いた純Niを純Cuに代え、CuCl塩をNiCl塩に代えて、原子数比Cu:Ni=1:1のラネー型金属多孔体を製造した。
 XRD測定の結果、実施例1と同様にしてCu-Ni固溶体の形成が確認でき、また、合金化することでメソポアを有する高い表面積のものが得られることが確認された。
<実施例3>
 実施例1と同様にして、Al基金属間化合物Al3Ni(あるいはAl2Cu)はAr雰囲気中でアーク溶解法によりインゴットを作製し、アニール処理により単相化を行い、 その後ボールミル法により微粉末状サンプルを得た。各サンプルは20%NaOH水溶液により選択的溶出処理(リーチング)させてポーラス金属触媒を調製した。Cuを含む金属塩水溶液CuClを含浸担持後、乾燥させ合金化処理(H2中, 500oC for 12h)を行った。得られたラネー型金属多孔体のうちの、原子数比がNi:Cu=5:1の合金について、その触媒性能を、メタノール水蒸気改質反応で評価した. 反応は常圧固定床流通式反応装置を用い、 メタノールはマイクロポンプを用いて触媒層に導入した(LHSV=30 h-1)。生成物はオンラインGC(TCD)で分析した。
 図3には、従来のラネーCuとラネーNi、および上記のようにして作製したポーラスNi-Cu合金のメタノール水蒸気改質反応(CH3OH + H2O →3H2 + CO2)に用いた場合の、反応前後のBET表面積を示している。メタノール水蒸気改質反応後において、ラネーCuの表面積はが著しく減少し、ラネーNiの表面積に大きな変化がないものの3nmをピークとする細孔が減少することが確認された。一方、Ni-Cuポーラス合金の場合、メタノール水蒸気改質反応後において、表面積および細孔分布にほとんど変化がなかった。これらの結果から、Ni-Cuポーラス合金は高い熱安定性を有していることが確認された。
 図4は、上記の三つの試料における水蒸気改質反応に対する反応選択率を示した。ラネーCuはメタノール水蒸気改質反応用の触媒として知られているが、図4の左側の図に示すように、H2 と CO2としか生成されず、CO2の選択率(CO2/(CO2 +CO))が100%近くに達する一方、COの選択率がほぼ0%になっている。また、ラネーNiの場合、図4の右側の図に示すように、低温では高いCO選択率を有するが、約320℃にメタン(CH4)の合成反応(メタネーション)が発生するとともに、メタンの選択率が高くなっている。このような選択率の変化はNi触媒を特徴づける。ラネーCu触媒と対極する触媒性質を示している。一方、本発明の上記ポーラスNi-Cu合金の場合(図4中央)、全温度域においてほぼ100%のCO選択率、すなわち0%のCO2選択率を示している。なお、反応転化率は、6.7%(240℃)、14.5%(280℃)、26.5%(320℃)、42%(360℃)であった。
 以上の結果から、ラネーCuおよびラネーNiと比べて、ポーラスNi-Cu合金の選択率が著しく異なっていることがわかる。これは、ポーラスNi-Cu合金はNiおよびCuと全く別な触媒機能を示すことを意味している。
<実施例4>
 実施例1と同様にして、Raney型Niを製造し、ZnCl塩を含浸(100℃)させ、合金化処理を行った。これによって原子数比がNi:Zn=7:1、そしてNi:Zn=1:1の合金を製造した。
 図5に示したXRD測定の結果、ピーク位置が低角側にシフトし、Znの固溶が確認され、Ni:Zn=1:1の場合にはL10構造が確認された。また、高表面積を持つNi-Cu合金であることがわかった。
 Ni:Zn=7:1のものを触媒としてメタノールの分解反応(COOH→CO+2H)を行った。反応は、固定床流通式反応装置を用い、Hガス雰囲気中(240℃)1hの前処理を行った後に、反応ガスとしてメタノール/Nガス雰囲気中(30cmmin-1)で240℃~360℃の温度で反応を行った。
 図6は、反応の結果を、RaneyNiの場合を比較例として示した。水素生成速度は温度に比例し、CO(一酸化炭素)生成の高い選択性を示すことが確認され、この触媒の特性はRaneyNiの場合は全く異っていることが確認された。
<実施例5>
 実施例1と同様にしてPd-Znについてのラネー型金属多孔体を製造した。XRD測定によってPd-Znは固溶していることが確認された。

Claims (3)

  1.  ラネー型金属多孔体であって、少なくともその多孔質を構成する孔内面が、それを構成する骨格金属と、これとは異なる金属との合金であることを特徴とするラネー型金属多孔体。
  2.  請求項1に記載のラネー型金属多孔体の製造方法であって、少くとも以下の工程を含むことを特徴とするラネー型金属多孔体の製造方法。
    (1)骨格金属からなるラネー型金属多孔体に他の金属からなる金属塩の溶液を塗着ないし含浸させる。
    (2)得られた塗着体ないし含浸体を加熱して、前記金属塩を還元し、前記ラネー型金属多孔体の孔内面に骨格金属と前記金属塩を構成する金属との合金を生成する。
  3.  請求項1に記載のラネー型金属多孔体を触媒活性成分とすることを特徴とする触媒。
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