JP2017012992A - Dehydrogenation catalyst for hydrocarbon, hydrogen production system and hydrogen production method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素用の脱水素触媒、水素の製造システム及び水素の製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrocarbon dehydrogenation catalyst, a hydrogen production system, and a hydrogen production method.
近年、環境負荷の小さい水素を燃料とする燃料電池を、自動車等の動力源に用いることが期待されている。水素の輸送、貯蔵及び供給の過程では、例えば、ナフテン系炭化水素(環状炭化水素)が利用される。例えば、水素の製造施設において、芳香族炭化水素の水素化により、ナフテン系炭化水素を生成させる。このナフテン系炭化水素を、水素の消費地へ輸送したり、消費地で貯蔵したりする。消費地において、ナフテン系炭化水素の脱水素により、水素と芳香族炭化水素とを生成させる。この水素を燃料電池へ供給する。ナフテン系炭化水素は、常温において液体であり、水素ガスよりも体積が小さく、水素ガスよりも反応性が低く安全である。そのため、ナフテン系炭化水素は水素ガスよりも輸送及び貯蔵に適している。 In recent years, it is expected that a fuel cell using hydrogen with a small environmental load as a fuel will be used as a power source of an automobile or the like. In the process of transporting, storing and supplying hydrogen, for example, naphthenic hydrocarbons (cyclic hydrocarbons) are used. For example, in a hydrogen production facility, naphthenic hydrocarbons are generated by hydrogenation of aromatic hydrocarbons. This naphthenic hydrocarbon is transported to a hydrogen consumption area or stored in the consumption area. In the consumption area, hydrogen and aromatic hydrocarbons are generated by dehydrogenation of naphthenic hydrocarbons. This hydrogen is supplied to the fuel cell. Naphthenic hydrocarbons are liquid at room temperature, have a smaller volume than hydrogen gas, are less reactive than hydrogen gas, and are safe. Therefore, naphthenic hydrocarbons are more suitable for transportation and storage than hydrogen gas.
ナフテン系炭化水素用の脱水素触媒としては、白金‐レニウムのバイメタルをアルミナ担体に担持させた触媒が知られている(下記非特許文献1参照。)。 As a dehydrogenation catalyst for naphthenic hydrocarbons, a catalyst in which a platinum-rhenium bimetal is supported on an alumina carrier is known (see Non-Patent Document 1 below).
本発明は、優れた脱水素活性を有する炭化水素用の脱水素触媒、並びに当該脱水素触媒を用いた水素の製造システム及び水素の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a hydrocarbon dehydrogenation catalyst having excellent dehydrogenation activity, a hydrogen production system and a hydrogen production method using the dehydrogenation catalyst.
本発明の一側面に係る脱水素触媒は、炭化水素用の脱水素触媒であって、Al2O3を含む担体と、担体に担持されたPtと、を備え、脱水素触媒の断面上に位置し且つ脱水素触媒の表面に垂直な直線に沿う、Ptの特性X線のスペクトルを、電子線マイクロアナライザを用いて測定したとき、スペクトルが脱水素触媒の表面側においてピークを有し、ピークの半値幅がWμmであり、脱水素触媒の単位体積当たりの、Ptの担持量がCg/mLであるとき、C/Wが1.3×10−4〜3.5×10−4g/mL・μmである。 A dehydrogenation catalyst according to one aspect of the present invention is a dehydrogenation catalyst for hydrocarbons, comprising a support containing Al 2 O 3 and Pt supported on the support, on the cross section of the dehydrogenation catalyst. When the characteristic X-ray spectrum of Pt along a straight line located and perpendicular to the surface of the dehydrogenation catalyst was measured using an electron beam microanalyzer, the spectrum had a peak on the surface side of the dehydrogenation catalyst. When the half-value width is W μm and the supported amount of Pt per unit volume of the dehydrogenation catalyst is Cg / mL, C / W is 1.3 × 10 −4 to 3.5 × 10 −4 g / mL · μm.
本発明の一側面に係る上記脱水素触媒では、Wが12〜20μmであってよい。 In the dehydrogenation catalyst according to one aspect of the present invention, W may be 12 to 20 μm.
本発明の一側面に係る上記脱水素触媒では、Ptを含む溶液に担体を浸漬する方法により、Ptが担体に担持されてよい。 In the dehydrogenation catalyst according to one aspect of the present invention, Pt may be supported on the support by a method of immersing the support in a solution containing Pt.
本発明の一側面に係る水素の製造システムは、上記脱水素触媒を有し、脱水素触媒を用いた炭化水素の脱水素により、水素を生成させる脱水素反応器を備える。 A hydrogen production system according to one aspect of the present invention includes a dehydrogenation reactor that includes the dehydrogenation catalyst and generates hydrogen by dehydrogenation of a hydrocarbon using the dehydrogenation catalyst.
本発明の一側面に係る水素の製造方法は、上記脱水素触媒を用いた炭化水素の脱水素により、水素を生成させる工程を備える。 A method for producing hydrogen according to one aspect of the present invention includes a step of generating hydrogen by dehydrogenating a hydrocarbon using the dehydrogenation catalyst.
本発明の一側面に係る上記水素の製造方法では、炭化水素が、ナフテン系炭化水素であってよい。 In the method for producing hydrogen according to one aspect of the present invention, the hydrocarbon may be a naphthenic hydrocarbon.
本発明によれば、優れた脱水素活性を有する炭化水素用の脱水素触媒、並びに当該脱水素触媒を用いた水素の製造システム及び水素の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the dehydrogenation catalyst for hydrocarbons which has the outstanding dehydrogenation activity, the manufacturing system of hydrogen using the said dehydrogenation catalyst, and the manufacturing method of hydrogen can be provided.
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。図面において、同等の構成要素には同等の符号を付す。ただし、本発明は下記実施形態に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals. However, the present invention is not limited to the following embodiment.
(炭化水素用の脱水素触媒)
本実施形態に係る脱水素触媒は、炭化水素の脱水素に用いられる。脱水素触媒は、Al2O3(酸化アルミニウム)を含む担体と、担体に担持されたPt(白金)と、を備える。以下に説明するように、本実施形態に係る脱水素触媒は、その断面において測定されるPtの特性X線のスペクトルとPtの担持量とによって特徴付けられる。Ptの特性X線のスペクトルは、電子線マイクロアナライザ(EPMA)によって測定される。以下では、Ptの特性X線のスペクトルを、単に「スペクトル」ともいう。以下では、図1及び図2を参照しながら、スペクトルに基づく脱水素触媒のキャラクタライゼーション(characterization)の詳細を説明する。
(Dehydrogenation catalyst for hydrocarbons)
The dehydrogenation catalyst according to the present embodiment is used for hydrocarbon dehydrogenation. The dehydrogenation catalyst includes a support containing Al 2 O 3 (aluminum oxide) and Pt (platinum) supported on the support. As will be described below, the dehydrogenation catalyst according to the present embodiment is characterized by the characteristic X-ray spectrum of Pt measured in the cross section and the supported amount of Pt. The characteristic X-ray spectrum of Pt is measured by an electron beam microanalyzer (EPMA). Hereinafter, the characteristic X-ray spectrum of Pt is also simply referred to as “spectrum”. Hereinafter, the details of spectrum-based dehydrogenation catalyst characterization will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1中の(a)に示すように、本実施形態に係る脱水素触媒1は円柱状であってよい。図1中の(b)に示すように、本実施形態に係る脱水素触媒1の変形例は球状であってもよい。脱水素触媒1全体の形状は、特に限定されない。 As shown to (a) in FIG. 1, the dehydrogenation catalyst 1 which concerns on this embodiment may be cylindrical. As shown in FIG. 1 (b), the modified example of the dehydrogenation catalyst 1 according to the present embodiment may be spherical. The shape of the entire dehydrogenation catalyst 1 is not particularly limited.
図2中の(a)は、図1中の(a)又は(b)に係る脱水素触媒1の断面CSの部分拡大図である。つまり、図2中の(a)が示す断面CSは、図1中の(a)が示す円柱状の脱水素触媒1の断面CSであってよい。または、図2中の(a)が示す断面CSは、図1中の(b)が示す球状の脱水素触媒1の断面CSであってよい。図2中の(a)に示すように、脱水素触媒1の断面CSは、脱水素触媒1の表面Sに垂直な断面である。言うまでもなく、脱水素触媒1の断面CSは、脱水素触媒1を切断することによって形成される面であり、脱水素触媒1の表面S(外表面)とは異なる。脱水素触媒1の表面Sが曲面である場合、表面Sに垂直な断面CSとは、脱水素触媒1の表面Sに接する平面(接平面S’)に垂直であり、且つ脱水素触媒1の表面Sと接平面S’との接点pを通る平面であってよい。接平面S’が接する表面Sは、図1中の(a)に示すように、円筒状であってよい。接平面S’が接する表面Sは、図1中の(b)に示すように、球面であってもよい。脱水素触媒1の表面Sの形状は、図1に示す形状に限定されない。例えば、脱水素触媒1の表面Sは、平面であってもよい。 (A) in FIG. 2 is a partially enlarged view of a cross-section CS of the dehydrogenation catalyst 1 according to (a) or (b) in FIG. That is, the cross section CS indicated by (a) in FIG. 2 may be the cross section CS of the columnar dehydrogenation catalyst 1 indicated by (a) in FIG. Alternatively, the cross section CS indicated by (a) in FIG. 2 may be the cross section CS of the spherical dehydrogenation catalyst 1 indicated by (b) in FIG. As shown in FIG. 2A, the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1 is a cross section perpendicular to the surface S of the dehydrogenation catalyst 1. Needless to say, the cross-section CS of the dehydrogenation catalyst 1 is a surface formed by cutting the dehydrogenation catalyst 1 and is different from the surface S (outer surface) of the dehydrogenation catalyst 1. When the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 is a curved surface, the cross section CS perpendicular to the surface S is perpendicular to a plane (tangential plane S ′) that is in contact with the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 and It may be a plane passing through the contact point p between the surface S and the tangent plane S ′. The surface S that the tangent plane S ′ contacts may be cylindrical as shown in FIG. The surface S with which the tangent plane S ′ contacts may be a spherical surface as shown in FIG. The shape of the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 is not limited to the shape shown in FIG. For example, the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 may be a flat surface.
EPMAを用いたPtの特性X線のスペクトルの測定方法は、例えば、次の通りである。図2中の(a)に示すように、脱水素触媒1の断面CSを露出させる。脱水素触媒1の断面CS上に位置し、且つ脱水素触媒1の表面Sに垂直な直線aに沿って、電子線を照射する。つまり、脱水素触媒1の断面CSを直線aに沿って電子線で走査してよい。電子線の照射された箇所からPtの特性X線が放射される。この特性X線を直線aに沿って連続的に検出する。このような測定方法により、図2中の(b)に示すPtの特性X線のスペクトルが得られる。図2中の(b)が示すスペクトルの横軸は、図2中の(a)が示す直線aと一致してよい。スペクトルの横軸は、例えば、直線a上における原点0からの距離D(単位:μm)である。横軸の原点0は、電子線の照射(特性X線の検出)を開始した位置であってよい。横軸の原点0は、脱水素触媒1の外側に位置していてよく、脱水素触媒1の断面CSの中心側に位置してもよい。脱水素触媒1の外側から断面CSの中心側へ向けて、断面CSを電子線で走査してよい。脱水素触媒1の断面CSの中心側から外側へ向けて、断面CSを電子線で走査してよい。図2中の(b)が示すスペクトルの縦軸は、検出されるPtの特性X線の強度I(単位:cps)を示す。 The method for measuring the characteristic X-ray spectrum of Pt using EPMA is, for example, as follows. As shown to (a) in FIG. 2, the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1 is exposed. An electron beam is irradiated along a straight line a located on the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1 and perpendicular to the surface S of the dehydrogenation catalyst 1. That is, the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1 may be scanned with the electron beam along the straight line a. A characteristic X-ray of Pt is emitted from the portion irradiated with the electron beam. This characteristic X-ray is continuously detected along the straight line a. By such a measuring method, a characteristic X-ray spectrum of Pt shown in FIG. 2B is obtained. The horizontal axis of the spectrum indicated by (b) in FIG. 2 may coincide with the straight line a indicated by (a) in FIG. The horizontal axis of the spectrum is, for example, the distance D (unit: μm) from the origin 0 on the straight line a. The origin 0 on the horizontal axis may be a position where electron beam irradiation (detection of characteristic X-rays) is started. The origin 0 on the horizontal axis may be located outside the dehydrogenation catalyst 1 or may be located on the center side of the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1. The cross section CS may be scanned with an electron beam from the outside of the dehydrogenation catalyst 1 toward the center side of the cross section CS. The cross section CS may be scanned with an electron beam from the center side of the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1 toward the outside. The vertical axis of the spectrum indicated by (b) in FIG. 2 indicates the intensity I (unit: cps) of the detected characteristic X-ray of Pt.
電子線の加速電圧は、例えば、25kVであってよい。電子線の照射電流は、例えば、137nAであってよい。電子線のステップサイズは、例えば、0.5μm/stepであってよい。電子線の照射時間は、20msec/stepであってよい。 The acceleration voltage of the electron beam may be 25 kV, for example. The electron beam irradiation current may be, for example, 137 nA. The step size of the electron beam may be 0.5 μm / step, for example. The irradiation time of the electron beam may be 20 msec / step.
Ptの特性X線が有するエネルギーは、Pt元素に固有である。例えば、EPMAによって検出されるPtの特性X線は、Lα線であってよい。検出されるPtの特性X線の強度I(単位:cps)が強いほど、特性X線を放射する箇所に存在するPtの原子数が多い。したがって、図2中の(b)が示すPtの特性X線のスペクトルは、脱水素触媒1の断面CS上に位置する直線aに沿うPt元素の分布を示している。 The energy of the characteristic X-ray of Pt is specific to the Pt element. For example, the characteristic X-rays of Pt detected by EPMA may be Lα rays. The stronger the intensity I (unit: cps) of the detected characteristic X-ray of Pt, the greater the number of Pt atoms present at the site emitting characteristic X-rays. Therefore, the characteristic X-ray spectrum of Pt indicated by (b) in FIG. 2 shows the distribution of the Pt element along the straight line a located on the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1.
図2中の(a)及び(b)の相対的な位置関係から明らかなように、Ptの特性X線のスペクトルは、脱水素触媒1の表面S側においてピークを有する。換言すれば、脱水素触媒1は、その表面S側に、Ptの存在量が極大となる領域を有している。つまり、脱水素触媒1の表面S近傍に位置する特性X線のピークは、Ptが脱水素触媒1の表面S近傍に局在することを示している。図2中の(b)に示すように、Pt元素の特性X線のピークの半値幅は、W(単位:μm)と定義される。脱水素触媒1の単位体積当たりのPtの担持量は、C(単位:g/mL)と定義される。本実施形態に係る脱水素触媒1では、C/Wが1.3×10−4〜3.5×10−4g/mL・μmである。C/Wが上記範囲にある脱水素触媒1は、従来の脱水素触媒と比較して、優れた脱水素活性を有する。その理由を以下に説明する。 As is clear from the relative positional relationship between (a) and (b) in FIG. 2, the characteristic X-ray spectrum of Pt has a peak on the surface S side of the dehydrogenation catalyst 1. In other words, the dehydrogenation catalyst 1 has a region where the amount of Pt existing is maximized on the surface S side. That is, the characteristic X-ray peak located near the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 indicates that Pt is localized near the surface S of the dehydrogenation catalyst 1. As shown in FIG. 2B, the half-value width of the peak of the characteristic X-ray of the Pt element is defined as W (unit: μm). The amount of Pt supported per unit volume of the dehydrogenation catalyst 1 is defined as C (unit: g / mL). In the dehydrogenation catalyst 1 according to the present embodiment, C / W is 1.3 × 10 −4 to 3.5 × 10 −4 g / mL · μm. The dehydrogenation catalyst 1 having C / W in the above range has an excellent dehydrogenation activity as compared with a conventional dehydrogenation catalyst. The reason will be described below.
脱水素触媒1による炭化水素の脱水素(脱水素反応)は、例えば、以下のような経路で進行すると考えられる。まず、還元雰囲気において、炭化水素が脱水素触媒1に接触する。次いで、活性点であるPtが炭化水素から少なくとも一対の水素原子を引き抜いて、水素分子と不飽和炭化水素が生成する。このような炭化水素の脱水素を促進する脱水素触媒1の活性を、脱水素活性という。 It is considered that hydrocarbon dehydrogenation (dehydrogenation reaction) by the dehydrogenation catalyst 1 proceeds, for example, through the following route. First, the hydrocarbon comes into contact with the dehydrogenation catalyst 1 in a reducing atmosphere. Next, Pt, which is an active site, pulls at least a pair of hydrogen atoms from the hydrocarbon, thereby generating a hydrogen molecule and an unsaturated hydrocarbon. Such activity of the dehydrogenation catalyst 1 that promotes dehydrogenation of hydrocarbons is referred to as dehydrogenation activity.
脱水素活性は、炭化水素の転化率Rcに基づいて評価される。脱水素触媒1の単位体積当たりの転化率Rcが高いことは、脱水素触媒1の脱水素活性が高いことを意味する。転化率Rcは、例えば、下記式(1)により定義される。
Rc(単位:%)=(M2/M1)×100={M2/(M2+M3)}×100 (1)
式(1)中、M1とは、脱水素触媒1が配置された反応容器へ供給される炭化水素のモル数である。M2とは、脱水素反応の生成物中に含まれる不飽和炭化水素のモル数である。換言すると、M2とは、炭化水素の脱水素により生成した不飽和炭化水素のモル数である。M3とは、脱水素反応後に残存する原料(脱水素されなかった炭化水素)のモル数である。
The dehydrogenation activity is evaluated based on the conversion rate Rc of hydrocarbon. A high conversion rate Rc per unit volume of the dehydrogenation catalyst 1 means that the dehydrogenation activity of the dehydrogenation catalyst 1 is high. The conversion rate Rc is defined by the following formula (1), for example.
Rc (unit:%) = (M 2 / M 1 ) × 100 = {M 2 / (M 2 + M 3 )} × 100 (1)
In formula (1), M 1 is the number of moles of hydrocarbons supplied to the reaction vessel in which the dehydrogenation catalyst 1 is disposed. M 2 is the number of moles of unsaturated hydrocarbons contained in the product of the dehydrogenation reaction. In other words, M 2 is the number of moles of unsaturated hydrocarbons produced by hydrocarbon dehydrogenation. M 3 is the number of moles of the raw material (hydrocarbon not dehydrogenated) remaining after the dehydrogenation reaction.
脱水素触媒1の優れた脱水素活性とC/Wとの関係は以下の通りである、と推測される。 The relationship between the excellent dehydrogenation activity of the dehydrogenation catalyst 1 and C / W is estimated as follows.
炭化水素の脱水素反応では、炭化水素の触媒内部への拡散速度よりも、反応速度が支配的である。そのため、炭化水素が触媒内部に拡散するよりも早く、脱水素触媒1の表面S近傍において、炭化水素が活性金属であるPtと接触し、脱水素反応が進行する。したがって、脱水素触媒1の内部深くに位置するPtは、炭化水素と接触し難く、脱水素反応に寄与し難い。半値幅Wが大きいことは、Ptが脱水素触媒1の表面Sから内部にわたる広い領域に分布することを意味する。つまり、半値幅Wが大きいことは、Ptが脱水素触媒1の表面Sのみならず、脱水素触媒1の内部深くにも存在していることを意味する。したがって、半値幅Wが大きいほど、脱水素触媒1の表面S近傍におけるPtの密度(例えばPt粒子密度)が小さくなる。つまり、C/Wが小さいほど、脱水素触媒1の表面S近傍におけるPtの密度が小さくなる。その結果、脱水素反応に寄与しうるPtの量が少なくなり、脱水素活性が不十分になる。また、半値幅Wが小さ過ぎる場合、脱水素触媒1の表面S側においてPt同士の間隔(例えばPt粒子の間隔)が小さ過ぎる。つまり、C/Wが大きいほど、脱水素触媒1の表面S近傍におけるPtの密度(例えばPt粒子の密度)が高くなる。その結果、脱水素触媒1の表面S近傍においてPtが凝集し易く、活性なPtの表面積が小さくなる。つまり、脱水素触媒1の活性点が少なくなる。その結果、炭化水素が十分にPtに接触せず、脱水素活性が不十分になる。C/Wが1.3×10−4g/mL・μm以上である場合、脱水素触媒1の深部に位置して脱水素反応に寄与しないPtが少ない。またC/Wが3.5×10−4g/mL・μm以下である場合、脱水素触媒1の表面S近傍に局在するPtが適度に分散して、炭化水素が接触するための十分なPtの表面積が確保される。したがって、C/Wが1.3×10−4〜3.5×10−4g/mL・μmである場合、脱水素触媒1の表面S近傍において、炭化水素の脱水素が効率的に進行する。つまり、優れた脱水素活性が実現する。 In the hydrocarbon dehydrogenation reaction, the reaction rate is more dominant than the diffusion rate of hydrocarbons into the catalyst. Therefore, the hydrocarbon comes into contact with the active metal Pt in the vicinity of the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 before the hydrocarbon diffuses into the catalyst, and the dehydrogenation reaction proceeds. Therefore, Pt located deep inside the dehydrogenation catalyst 1 is unlikely to come into contact with hydrocarbons and hardly contributes to the dehydrogenation reaction. A large half-value width W means that Pt is distributed over a wide region extending from the surface S to the inside of the dehydrogenation catalyst 1. That is, the large half width W means that Pt exists not only on the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 but also deep inside the dehydrogenation catalyst 1. Therefore, the larger the half width W, the smaller the Pt density (for example, Pt particle density) in the vicinity of the surface S of the dehydrogenation catalyst 1. That is, the smaller the C / W, the smaller the Pt density in the vicinity of the surface S of the dehydrogenation catalyst 1. As a result, the amount of Pt that can contribute to the dehydrogenation reaction decreases, and the dehydrogenation activity becomes insufficient. When the half width W is too small, the interval between Pt (for example, the interval between Pt particles) is too small on the surface S side of the dehydrogenation catalyst 1. That is, the larger the C / W, the higher the density of Pt in the vicinity of the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 (for example, the density of Pt particles). As a result, Pt easily aggregates in the vicinity of the surface S of the dehydrogenation catalyst 1, and the surface area of active Pt is reduced. That is, the active points of the dehydrogenation catalyst 1 are reduced. As a result, the hydrocarbon does not sufficiently contact Pt and the dehydrogenation activity becomes insufficient. When C / W is 1.3 × 10 −4 g / mL · μm or more, there is little Pt that is located deep in the dehydrogenation catalyst 1 and does not contribute to the dehydrogenation reaction. Moreover, when C / W is 3.5 × 10 −4 g / mL · μm or less, Pt localized in the vicinity of the surface S of the dehydrogenation catalyst 1 is adequately dispersed so that hydrocarbons come into contact with each other. The surface area of Pt is ensured. Therefore, when C / W is 1.3 × 10 −4 to 3.5 × 10 −4 g / mL · μm, dehydrogenation of hydrocarbons efficiently proceeds near the surface S of the dehydrogenation catalyst 1. To do. That is, excellent dehydrogenation activity is realized.
本実施形態に係る脱水素触媒1におけるPtの担持量Cが、C/Wが上記範囲にない従来の脱水素触媒におけるPtの担持量と同一であったとしても、本実施形態に係る脱水素触媒1は、従来の脱水素触媒よりも優れた脱水素活性を有する。換言すれば、本実施形態では、Ptの担持量Cが従来の脱水素触媒よりも少ない場合であっても、従来の脱水素触媒と同等の触媒活性を有することが可能である。したがって、本実施形態では、脱水素活性を犠牲にすることなく、高価なPtの担持量Cを低減することが可能となる。 Even if the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst 1 according to this embodiment is the same as the supported amount of Pt in a conventional dehydrogenation catalyst whose C / W is not in the above range, the dehydrogenation according to this embodiment is performed. The catalyst 1 has dehydrogenation activity superior to that of conventional dehydrogenation catalysts. In other words, in this embodiment, even if the amount of Pt supported C is smaller than that of the conventional dehydrogenation catalyst, it is possible to have a catalytic activity equivalent to that of the conventional dehydrogenation catalyst. Therefore, in this embodiment, it is possible to reduce the amount C of the expensive Pt supported without sacrificing the dehydrogenation activity.
脱水素活性をより向上させる観点から、C/Wは、1.4×10−4〜3.1×10−4g/mL・μmであってよい。C/Wは、1.4×10−4〜2.8×10−4g/mL・μmであってもよい。 From the viewpoint of further improving the dehydrogenation activity, C / W may be 1.4 × 10 −4 to 3.1 × 10 −4 g / mL · μm. C / W may be 1.4 × 10 −4 to 2.8 × 10 −4 g / mL · μm.
半値幅Wは、10〜21μmであってよく、12〜20μmであってよく、であってよい。半値幅Wが上記範囲である場合、反応に寄与できるPtの割合が高くなり、転化率が向上しやすい傾向がある。 The half width W may be 10 to 21 μm, may be 12 to 20 μm, and may be. When the half-value width W is in the above range, the ratio of Pt that can contribute to the reaction tends to be high, and the conversion rate tends to be improved.
半値幅Wは、例えば、以下の方法により算出することができる。まず、脱水素触媒1の断面CSのうち、脱水素触媒1の表面S側の領域から、任意のN箇所を選択する。選択したN箇所でPtの特性X線のスペクトルを測定し、N個のスペクトルを得る。次に、以下の手順で各スペクトルを解析する。まず、図2中の(b)においてAで示す領域(Ptが存在していないと想定される領域)をベースラインとみなす。当該ベースラインにおける特性X線の強度Iの標準偏差σを算出する。次いで、スペクトルの特性X線の強度Iから3σを引くことによりスペクトルを補正する。この補正をベースライン補正という。補正後のスペクトルにおいて、ピークの半値幅を求める。ピークの半値幅とは、例えば、特性X線の強度がピークトップの強度の半分であってピークトップの両側に位置する2点間の距離(ピークの幅)である。N個のスペクトルを上記手順で解析し、N個の半値幅を得る。N個の半値幅のうち、最大値及び最小値を除いた残り(N−2)個の半値幅の平均値を求める。この平均値を半値幅Wとする。Nが3である場合、3個の半値幅のうち最大値及び最小値を除いた残り1個の半値幅(中間値)を、C/Wの算出に用いてもよい。半値幅Wの算出のためのデータ数N(Nは整数)は、例えば、3〜10であってよく、5であってよい。 The half width W can be calculated by the following method, for example. First, in the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1, arbitrary N points are selected from the region on the surface S side of the dehydrogenation catalyst 1. The spectrum of the characteristic X-ray of Pt is measured at the selected N locations to obtain N spectra. Next, each spectrum is analyzed by the following procedure. First, a region indicated by A in FIG. 2B (a region where Pt is assumed not to exist) is regarded as a baseline. A standard deviation σ of the intensity I of the characteristic X-ray at the baseline is calculated. Next, the spectrum is corrected by subtracting 3σ from the intensity I of the characteristic X-ray of the spectrum. This correction is called baseline correction. In the spectrum after correction, the half width of the peak is obtained. The half width of the peak is, for example, the distance (peak width) between two points where the intensity of the characteristic X-ray is half that of the peak top and located on both sides of the peak top. N spectra are analyzed by the above procedure to obtain N half widths. Of the N half widths, an average value of the remaining (N−2) half widths excluding the maximum value and the minimum value is obtained. This average value is defined as a half width W. When N is 3, the remaining half width (intermediate value) of the three half widths excluding the maximum and minimum values may be used for calculating C / W. The number of data N (N is an integer) for calculating the half-value width W may be, for example, 3 to 10, or 5.
担体は、Al2O3のみからなっていてよい。Al2O3の種類は限定されないが、Al2O3の具体例としては、α−アルミナ、δ−アルミナ、θ−アルミナ、γ−アルミナ又はアルマイトが挙げられる。酸化アルミニウムの比表面積は、特に限定されないが、おおよそ100〜500m2/gの範囲内に収まる。 The support may consist only of Al 2 O 3 . The type of Al 2 O 3 is not limited, but specific examples of Al 2 O 3 include α-alumina, δ-alumina, θ-alumina, γ-alumina, and alumite. Although the specific surface area of aluminum oxide is not particularly limited, it falls within the range of about 100 to 500 m 2 / g.
担体は、長周期表第3族に属する金属元素(以下、単に「第3族金属」という。)を更に含んでいてよい。 The carrier may further contain a metal element belonging to Group 3 of the long periodic table (hereinafter simply referred to as “Group 3 metal”).
第3族金属は、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド及びアクチノイドからなる群より選択される少なくとも一種であってよい。ランタノイドとしては、例えば、ランタン(La)又はセリウム(Ce)が挙げられる。これらの第3族金属のうち、Ceが最も好ましい。 The Group 3 metal may be at least one selected from the group consisting of scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanoid and actinoid. Examples of the lanthanoid include lanthanum (La) and cerium (Ce). Of these Group 3 metals, Ce is most preferred.
第3族金属は、金属単体として担体に含有されていてよい。第3族金属は、酸化物として、担体に含有されていてもよい。また、第3族金属は、Al2O3との複合酸化物として存在していてもよい。担体は、Al2O3と、第3族金属との複合酸化物のみからなっていてもよい。第3族金属は、Al2O3の内部に含まれていてよく、Al2O3の表面に担持されていてもよい。第3族金属がAl2O3の表面に担持されている場合、第3族金属が担持されたAl2O3を「担体」という。 The Group 3 metal may be contained in the carrier as a simple metal. The Group 3 metal may be contained in the support as an oxide. Further, the Group 3 metal may be present as a composite oxide with Al 2 O 3 . The carrier may be composed only of a composite oxide of Al 2 O 3 and a Group 3 metal. Group 3 metal may be contained within the Al 2 O 3, it may be supported on the surface of the Al 2 O 3. If the third group metal is supported on the surface of the Al 2 O 3, the Al 2 O 3 of the third group metal supported "carrier".
担体が第3族金属を含む場合、担体がAl2O3のみからなる場合に比べて、Ptが担体の内部に担持されにくくなる。換言すれば、担体が第3族金属を含む場合、担体がAl2O3のみからなる場合に比べて、ピークの半値幅Wが小さくなる傾向がある。 When the support contains a Group 3 metal, Pt is less likely to be supported inside the support as compared to the case where the support is made of only Al 2 O 3 . In other words, when the support contains a Group 3 metal, the peak half-value width W tends to be smaller than when the support is made of only Al 2 O 3 .
また、担体が第3族金属を含む場合、脱水素活性がより向上し易い傾向がある。第3族金属を担体に添加すると、その物理的、電子的又は化学的な作用により、触媒表面で活性点として作用するPtが増加したり、又は、活性点としてのPtの機能が増大したりするため、このような効果が得られると本発明者らは考える。また、本発明者らは、担体が第3族金属を含むことにより上記効果が得られる、具体的な理由の一つは以下の通りである、と考える。 Moreover, when a support | carrier contains a group 3 metal, there exists a tendency for dehydrogenation activity to improve more easily. When a Group 3 metal is added to the support, Pt acting as an active site on the catalyst surface increases due to its physical, electronic or chemical action, or the function of Pt as an active site increases. Therefore, the present inventors consider that such an effect can be obtained. In addition, the present inventors consider that one of the specific reasons that the above-described effect can be obtained when the support contains a Group 3 metal is as follows.
第3族金属が担体の表面に担持されている場合、Al2O3又は第3族金属の酸化物を構成する酸素の一部が還元雰囲気において担体から脱離して、担体に多数の格子欠陥が形成される。この格子欠陥にPtが嵌り込むことにより、Ptが担体に固定される。その結果、脱水素反応時の加熱によってPtがより高分散な状態となり、かつPtの担体表面における移動及び凝集がより抑制される。つまり、第3族金属が担体の表面に担持されることにより、従来の脱水素触媒に比べて、脱水素反応中のPtの表面積がより増大し、Ptの凝集がより抑制される。これにより、脱水素活性及び耐久性がより向上する。このような効果は、第3族金属がCeである場合に顕著である。第3族金属に起因する格子欠陥の形成は、例えば、脱水素触媒1のX線光電子分光(XPS)のスペクトルにおいて酸化物を構成する第3族金属に由来するピークの化学シフトを観察することによって確認することができる。 When the Group 3 metal is supported on the surface of the support, a part of oxygen constituting Al 2 O 3 or the oxide of the Group 3 metal is desorbed from the support in a reducing atmosphere, and the lattice has many lattice defects. Is formed. Pt is fixed to the carrier by fitting Pt into the lattice defect. As a result, Pt becomes more highly dispersed by heating during the dehydrogenation reaction, and movement and aggregation of Pt on the support surface are further suppressed. That is, by supporting the Group 3 metal on the surface of the support, the surface area of Pt during the dehydrogenation reaction is further increased and the aggregation of Pt is further suppressed as compared with the conventional dehydrogenation catalyst. Thereby, dehydrogenation activity and durability improve more. Such an effect is remarkable when the Group 3 metal is Ce. The formation of lattice defects caused by the Group 3 metal is, for example, observing the chemical shift of the peak derived from the Group 3 metal constituting the oxide in the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of the dehydrogenation catalyst 1. Can be confirmed.
担体が第3族金属を含む場合、担体が第3族金属を含まない場合に比べて、脱水素反応中のPtの凝集がより抑制される。そのため、脱水素反応に伴う経時的な失活がより抑制され易く、高い脱水素活性がより長期間にわたり維持され易い。 When the support contains a Group 3 metal, the aggregation of Pt during the dehydrogenation reaction is further suppressed as compared with the case where the support does not contain a Group 3 metal. Therefore, the deactivation over time associated with the dehydrogenation reaction is more easily suppressed, and the high dehydrogenation activity is easily maintained for a longer period.
ただし、担体が第3族金属を含まない場合であっても、脱水素触媒1は優れた脱水素活性を有する。 However, even if the carrier does not contain a Group 3 metal, the dehydrogenation catalyst 1 has an excellent dehydrogenation activity.
担体における第3族金属の含有量は、特に限定されないが、第3族金属の酸化物換算で、担体全体の質量に対して、0.1〜5.0質量%であってよい。担体全体の質量とは、第3族金属の酸化物の質量を含む。第3族金属の含有量が上記の下限値以上であることにより、白金表面積がより増加して、脱水素活性がより向上する傾向がある。第3族金属の含有量が上記の上限値以下であることにより、脱水素触媒1の機械的強度を維持しつつ、白金表面積を増加させ易くなる。また、第3族金属の含有量が上記の上限値以下であることにより、製造過程における担体の成形が容易になる。第3族金属の含有量が上記の上限値を大きく超えた場合、担体の性能が低下して、白金表面積が減少する傾向がある。しかし、第3族金属の含有量が上記数値範囲を外れる場合であっても、本発明の効果は達成される。例えば、担体における第3族金属の含有量は、第3族金属の酸化物換算で、Al2O3100質量部に対して、0質量部より大きく、20質量部以下であってよい。担体における第3族金属の含有量は、第3族金属の酸化物換算で、Al2O3100質量部に対して、0質量部より大きく、10質量部以下であってもよい。担体における第3族金属の含有量は、第3族金属の酸化物換算で、Al2O3100質量部に対して、0.3〜5.0質量部であってよく、2.0〜3.0質量部であってもよい。担体における第3族金属の含有量が、第3族金属の酸化物換算で、Al2O3100質量部に対して、2.0〜3.0質量部である場合、白金表面積が特に増大し易く、脱水素活性がより一層向上し易い傾向がある。 The content of the Group 3 metal in the support is not particularly limited, but may be 0.1 to 5.0% by mass with respect to the mass of the entire support in terms of Group 3 metal oxide. The mass of the entire support includes the mass of the Group 3 metal oxide. When the content of the Group 3 metal is not less than the above lower limit value, the platinum surface area is further increased, and the dehydrogenation activity tends to be further improved. When the content of the Group 3 metal is not more than the above upper limit value, it is easy to increase the platinum surface area while maintaining the mechanical strength of the dehydrogenation catalyst 1. Further, when the content of the Group 3 metal is not more than the above upper limit value, the carrier can be easily molded in the production process. When the content of the Group 3 metal greatly exceeds the above upper limit value, the performance of the support tends to deteriorate, and the platinum surface area tends to decrease. However, even if the content of the Group 3 metal is outside the above numerical range, the effect of the present invention is achieved. For example, the content of the Group 3 metal in the support may be greater than 0 parts by mass and 20 parts by mass or less based on 100 parts by mass of Al 2 O 3 in terms of Group 3 metal oxides. The content of the Group 3 metal in the support may be greater than 0 parts by mass and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of Al 2 O 3 in terms of Group 3 metal oxides. The content of the Group 3 metal in the support may be 0.3 to 5.0 parts by mass with respect to 100 parts by mass of Al 2 O 3 in terms of Group 3 metal oxide, and 2.0 to It may be 3.0 parts by mass. When the content of Group 3 metal in the support is 2.0 to 3.0 parts by mass with respect to 100 parts by mass of Al 2 O 3 in terms of Group 3 metal oxide, the platinum surface area is particularly increased. And the dehydrogenation activity tends to be further improved.
担体は、Al2O3及び第3属金属以外の他の成分を含んでいてもよい。他の成分は、例えば、TiO2及びSiO2であってよい。これらの他の成分は、Al2O3との複合酸化物として存在していてもよい。担体は、Al2O3と、上記他の成分との複合酸化物のみからなっていてもよい。 The support may contain components other than Al 2 O 3 and Group 3 metals. Other components may be, for example, TiO 2 and SiO 2 . These other components may exist as a composite oxide with Al 2 O 3 . The carrier may be composed only of a complex oxide of Al 2 O 3 and the other components.
担体が第3属金属又は上記他の成分を含む場合、担体におけるAl2O3の含有量は、担体の全質量を基準として、例えば、50〜99.5質量%又は80〜99.5質量%であってよい。Al2O3の含有量が上記範囲である場合、脱水素活性が一層向上する傾向がある。 When the support contains a Group 3 metal or the above-mentioned other components, the content of Al 2 O 3 in the support is, for example, 50 to 99.5% by mass or 80 to 99.5% by mass based on the total mass of the support. %. When the content of Al 2 O 3 is in the above range, the dehydrogenation activity tends to be further improved.
担体の形状は、特に限定されない。担体は、成形又は成型されていてよい。担体は、例えば、球状又は柱状であってよい。柱状の担体の断面(脱水素触媒1の断面CS)は、円状、三葉状、又は四葉状であってよい。担体は、プレート状、又はハニカム状であってよい。 The shape of the carrier is not particularly limited. The carrier may be molded or molded. The carrier may be spherical or columnar, for example. The cross section of the columnar carrier (the cross section CS of the dehydrogenation catalyst 1) may be circular, trilobal, or tetralobal. The support may be plate-shaped or honeycomb-shaped.
担体の長径(例えば直径)は、特に限定されないが、1〜4mmであってよい。担体の長径が上記下限値以上である場合、優れた機械的強度が得られやすい。担体の長径が上記上限値以下である場合、脱水素触媒1の幾何学的表面積が小さくなりすぎず、C/Wを所望の範囲に調整し易くなる。同様の理由から、担体の長径は、1.15〜1.59mmであってよい。 The major axis (for example, diameter) of the carrier is not particularly limited, but may be 1 to 4 mm. When the major axis of the carrier is not less than the above lower limit value, excellent mechanical strength is easily obtained. When the major axis of the support is not more than the above upper limit value, the geometric surface area of the dehydrogenation catalyst 1 does not become too small, and C / W can be easily adjusted to a desired range. For the same reason, the major axis of the carrier may be 1.15 to 1.59 mm.
Ptは、多数の原子、クラスター又は微粒子として、担体に担持されていてよい。担体に担持されたPtの微粒子の粒径は、特に限定されないが、例えば10nm以下であればよく、例えば1.6〜2.1nmであってもよい。本実施形態では、Ptが実質的に担体の表面全体に担持されているが、担体の表面には、Ptが担持されていない部分が存在していてもよい。Ptが担体の表面全体に担持されている場合、より優れた脱水素活性が得られやすい。 Pt may be supported on the carrier as a large number of atoms, clusters or fine particles. The particle diameter of the Pt fine particles supported on the carrier is not particularly limited, but may be, for example, 10 nm or less, and may be, for example, 1.6 to 2.1 nm. In this embodiment, Pt is supported substantially on the entire surface of the carrier, but a portion where Pt is not supported may exist on the surface of the carrier. When Pt is supported on the entire surface of the support, better dehydrogenation activity is easily obtained.
脱水素触媒1におけるPtの担持量Cは、脱水素触媒1の全体積基準で、6.0×10−4〜7.0×10−3g/mLであってよい。Ptの担持量Cが上記の下限値以上である場合、脱水素活性がより向上する傾向がある。また、Ptの担持量Cが上記の上限値を超える場合、Ptの担持量の増加に伴う触媒活性の向上の程度が緩やかになる。Ptの価格は非常に高いため、脱水素触媒1の実用化のためにはPtの担持量Cが限られる。同様の理由から、担持量Cは、2.8×10−3〜3.4×10−3g/mLであってよい。 The supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst 1 may be 6.0 × 10 −4 to 7.0 × 10 −3 g / mL based on the total volume of the dehydrogenation catalyst 1. When the supported amount C of Pt is not less than the above lower limit value, the dehydrogenation activity tends to be further improved. Further, when the supported amount C of Pt exceeds the above upper limit value, the degree of improvement in the catalyst activity accompanying the increase in the supported amount of Pt becomes moderate. Since the price of Pt is very high, the amount C of Pt supported is limited for practical use of the dehydrogenation catalyst 1. For the same reason, the supported amount C may be 2.8 × 10 −3 to 3.4 × 10 −3 g / mL.
担体には、Ptのみが担持されていてよい。担体には、Pt以外の他の金属成分が担持されていてもよい。他の金属成分は、短周期表の第VIII族元素(長周期表の第8〜10族元素)(Ptを除く)等であってよい。短周期表の第VIII族元素は、Fe(鉄)、Ru(ルテニウム)、Os(オスミウム)、Co(コバルト)、Rh(ロジウム)、Ir(イリジウム)、Ni(ニッケル)及びPd(パラジウム)からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。担体に他の金属成分が担持されている場合、Ptは金属単体として担体に担持されていてよく、他の金属成分との合金として、担体に担持されていてもよい。 Only Pt may be supported on the carrier. Other metal components other than Pt may be supported on the carrier. The other metal component may be a Group VIII element of the short periodic table (Group 8 to 10 element of the long periodic table) (except Pt). Group VIII elements of the short periodic table are Fe (iron), Ru (ruthenium), Os (osmium), Co (cobalt), Rh (rhodium), Ir (iridium), Ni (nickel) and Pd (palladium). It may be at least one selected from the group consisting of When other metal components are supported on the support, Pt may be supported on the support as a single metal, or may be supported on the support as an alloy with other metal components.
脱水素触媒1の形状は、上述した担体の形状と同一であってよい。脱水素触媒1の長径(脱水素触媒1のサイズ)は、上述した担体の長径(担体のサイズ)と同程度であってよい。 The shape of the dehydrogenation catalyst 1 may be the same as the shape of the carrier described above. The major axis of the dehydrogenation catalyst 1 (size of the dehydrogenation catalyst 1) may be approximately the same as the major axis of the carrier (size of the carrier) described above.
(脱水素触媒1の製造方法)
本実施形態に係る脱水素触媒1は、例えば、以下のように、Al2O3を含む担体を得る工程(第1工程)と、得られた担体にPtを担持する工程(第2工程)と、を備える方法によって製造される。
(Method for producing dehydrogenation catalyst 1)
The dehydrogenation catalyst 1 according to this embodiment includes, for example, a step of obtaining a support containing Al 2 O 3 (first step) and a step of supporting Pt on the obtained support (second step) as follows. And manufactured by a method comprising:
[第1工程]
Al2O3を含む担体は、公知の方法により作製することができる。担体には、市販のAl2O3を用いてもよい。
[First step]
The support containing Al 2 O 3 can be produced by a known method. Commercially available Al 2 O 3 may be used as the carrier.
担体が第3族金属を含有する場合、当該担体は、例えば、安定な多孔質構造を有する前のAl2O3又はその前駆体に第3族金属化合物を混合し、多孔質構造を有する混合物を形成する方法により得ることができる。このような方法として、例えば、混練法、ゾルゲル法、共沈法などが挙げられる。 When the support contains a Group 3 metal, the support is, for example, a mixture having a porous structure by mixing a Group 3 metal compound with Al 2 O 3 or a precursor thereof before having a stable porous structure. Can be obtained by a method of forming Examples of such a method include a kneading method, a sol-gel method, and a coprecipitation method.
第3族金属化合物としては、例えば硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩、リン酸塩、シュウ酸塩、ホウ酸塩、塩化物、アルコキシド、アセチルアセトナート等を用いればよい。 As the Group 3 metal compound, for example, nitrate, sulfate, carbonate, acetate, phosphate, oxalate, borate, chloride, alkoxide, acetylacetonate, or the like may be used.
担体は、Al2O3と第3族金属の酸化物を物理的に混合して得てもよい。Al2O3の原料粉末と第3族金属化合物との混合物を成型し、成型体を焼成する工程により、第3族金属を担体に添加してもよい。Al2O3の原料粉末としては、例えばγ−アルミナの原料であるベーマイト(Boehmite)を用いればよい。この場合の焼成温度は、第3族金属化合物の熱分解が進行し、且つベーマイトの焼結によりγ−アルミナが生成する温度であればよい。このような焼成温度は、例えば300〜600℃程度である。 The support may be obtained by physically mixing Al 2 O 3 and a Group 3 metal oxide. The Group 3 metal may be added to the support by molding a mixture of the Al 2 O 3 raw material powder and the Group 3 metal compound and firing the molded body. For example, boehmite, which is a raw material of γ-alumina, may be used as the raw material powder of Al 2 O 3 . The firing temperature in this case may be a temperature at which pyrolysis of the Group 3 metal compound proceeds and γ-alumina is generated by sintering of boehmite. Such a firing temperature is, for example, about 300 to 600 ° C.
担体は、以下の方法で作製してもよい。まず、擬ベーマイト状態のアルミニウムの水酸化物、第3族金属の硝酸塩の水溶液、及び稀硝酸を混練して混練物を調製する。次いで、混練物の押出し成形によってペレットを作製する。得られたペレットを焼成することにより、担体を作製する。このような方法によって担体を作製することにより、担体において第3族金属が分散し易い。このような担体を用いて作製された脱水素触媒1では、白金表面積が大きくなり易く、高い脱水素活性が得られ易い。擬ベーマイト状態のアルミニウムの水酸化物は、例えば、AlOOH又はAl2O3・H2Oという組成式で表される。混練物は、ドウ(dough)とも呼ばれる。混練物のpHは、3〜7に調整すればよい。pHの調整により、混練物が適度な粘度を有し、混練物を成形し易くなる。混練物のpHは、硝酸の添加量によって変動する。混練物にアンモニア水を添加することにより、混練物のpHを調整してもよい。 The carrier may be produced by the following method. First, a kneaded product is prepared by kneading pseudoboehmite aluminum hydroxide, a Group 3 metal nitrate aqueous solution, and dilute nitric acid. Next, pellets are produced by extrusion molding of the kneaded product. The obtained pellet is fired to prepare a carrier. By producing the carrier by such a method, the Group 3 metal is easily dispersed in the carrier. In the dehydrogenation catalyst 1 produced using such a carrier, the platinum surface area tends to be large, and high dehydrogenation activity is likely to be obtained. Hydroxides of pseudoboehmite state aluminum, for example, represented by the composition formula of AlOOH or Al 2 O 3 · H 2 O . The kneaded product is also called a dough. What is necessary is just to adjust pH of a kneaded material to 3-7. By adjusting the pH, the kneaded product has an appropriate viscosity, and the kneaded product is easily molded. The pH of the kneaded product varies depending on the amount of nitric acid added. You may adjust pH of a kneaded material by adding ammonia water to a kneaded material.
担体が、Al2O3に第3族金属が担持された担体である場合、当該担体は、例えば、多孔質のAl2O3に、第3族金属を含む溶液(例えば水溶液)を担持する方法により作製することができる。第3族金属を含む溶液は、例えば、第3族金属化合物を溶媒に溶解させることにより調製することができる。第3族金属を含む溶液をAl2O3に担持する方法としては、例えば含浸法(incipient wetness法、又はpore filling法)、吸着法、浸漬法(化学吸着法)、蒸発乾固法、噴霧法、イオン交換法、液相還元法等が挙げられる。これらの方法により、Al2O3の表面に第3族金属の塩を付着させる。第3族金属の担持量は、第3族金属を含む溶液における第3族金属化合物の濃度又は第3族金属を含む溶液の使用量によって調整すればよい。 When the support is a support in which a Group 3 metal is supported on Al 2 O 3 , the support supports, for example, a porous Al 2 O 3 solution containing the Group 3 metal (for example, an aqueous solution). It can be produced by a method. The solution containing a Group 3 metal can be prepared, for example, by dissolving a Group 3 metal compound in a solvent. Examples of a method for supporting a solution containing a Group 3 metal on Al 2 O 3 include an impregnation method (incipient wetness method or a pore filling method), an adsorption method, an immersion method (chemical adsorption method), an evaporation and drying method, and a spraying method. Method, ion exchange method, liquid phase reduction method and the like. By these methods, a Group 3 metal salt is deposited on the surface of Al 2 O 3 . The amount of the Group 3 metal supported may be adjusted depending on the concentration of the Group 3 metal compound in the solution containing the Group 3 metal or the amount of the solution containing the Group 3 metal.
第3族金属の塩が付着したAl2O3を焼成して塩を分解することにより、第3族金属がAl2O3に担持される。焼成温度は、塩の熱分解が進行する温度であればよく、例えば300〜600℃程度であればよい。 By salts of the Group III metal to decompose the salt by firing Al 2 O 3 deposited, a Group 3 metal is supported on Al 2 O 3. The firing temperature may be any temperature at which the thermal decomposition of the salt proceeds, for example, about 300 to 600 ° C.
焼成前又は焼成後の担体を、所定の形状に成形又は成型してよい。 The carrier before firing or after firing may be formed or molded into a predetermined shape.
[第2工程]
第2工程では、第1工程で得られた担体にPtを担持する。第2工程は、第1工程で得られた担体にPtを含む溶液(Pt溶液)を担持する工程を備えてよい。Pt溶液を担持する方法は、含浸法(incipient wetness法、又はpore filling法)、吸着法、浸漬法(化学吸着法)、蒸発乾固法、噴霧法、イオン交換法、液相還元法等であってよい。Pt溶液を担持する方法が、浸漬法(化学吸着法)である場合、Pt溶液が担体の表面全体に均一に担持されやすい傾向がある。そのため、浸漬法(化学吸着法)を用いた場合、ピークの半値幅Wが大きくなりすぎず、C/Wを所望の範囲に調整することが容易となる。
[Second step]
In the second step, Pt is supported on the carrier obtained in the first step. The second step may include a step of supporting a solution containing Pt (Pt solution) on the carrier obtained in the first step. The method for supporting the Pt solution is an impregnation method (incipient wetness method or pore filling method), an adsorption method, an immersion method (chemical adsorption method), an evaporation to dryness method, a spray method, an ion exchange method, a liquid phase reduction method, or the like. It may be. When the method for supporting the Pt solution is an immersion method (chemical adsorption method), the Pt solution tends to be uniformly supported on the entire surface of the carrier. Therefore, when the immersion method (chemical adsorption method) is used, the half width W of the peak does not become too large, and it becomes easy to adjust C / W to a desired range.
浸漬法(化学吸着法)によりPt溶液を担体に担持する方法について、より詳細に説明する。 A method for supporting a Pt solution on a carrier by an immersion method (chemical adsorption method) will be described in more detail.
浸漬法(化学吸着法)は、含浸法とは異なる担持方法である。浸漬法(化学吸着法)では、Pt溶液に担体を浸漬することにより、Pt溶液を担体に担持する。Pt溶液は、例えば、Ptの化合物を溶媒に溶解させることにより調製することができる。Ptの化合物は、特に限定されないが、液体の溶媒に可溶であることが求められる。Ptの化合物は、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩、リン酸塩、シュウ酸塩、ホウ酸塩、塩化物、アルコキシド、アセチルアセトナート等であってよい。 The dipping method (chemical adsorption method) is a loading method different from the impregnation method. In the immersion method (chemical adsorption method), the Pt solution is supported on the carrier by immersing the carrier in the Pt solution. The Pt solution can be prepared, for example, by dissolving a Pt compound in a solvent. The compound of Pt is not particularly limited, but is required to be soluble in a liquid solvent. The compound of Pt may be nitrate, sulfate, carbonate, acetate, phosphate, oxalate, borate, chloride, alkoxide, acetylacetonate, and the like.
Ptの化合物は、テトラクロロ白金酸、テトラクロロ白金酸カリウム、テトラクロロ白金酸アンモニウム、テトラクロロ白金酸ナトリウム、ビス(アセチルアセトナート)白金、ジアンミンジクロロ白金、ジニトロジアンミン白金、テトラアンミン白金ジクロライド、テトラアンミン白金水酸塩、テトラアンミン白金硝酸塩、テトラアンミン白金酢酸塩、テトラアンミン白金炭酸塩、テトラアンミン白金リン酸塩、ヘキサアンミン白金テトラクロライド、ヘキサアンミン白金水酸塩、ヘキサアンミン白金水酸塩、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金(IV)、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸ナトリウム、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸カリウム、硝酸白金及び硫酸白金からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。 Pt compounds are tetrachloroplatinic acid, potassium tetrachloroplatinate, ammonium tetrachloroplatinate, sodium tetrachloroplatinate, bis (acetylacetonato) platinum, diamminedichloroplatinum, dinitrodiammineplatinum, tetraammineplatinum dichloride, tetraammineplatinum. Hydrochloride, tetraammineplatinum nitrate, tetraammineplatinum acetate, tetraammineplatinum carbonate, tetraammineplatinum phosphate, hexaammineplatinum tetrachloride, hexaammineplatinum hydrochloride, hexaammineplatinum hydrochloride, bis (ethanolammonium) hexa It is at least one selected from the group consisting of hydroxoplatinum (IV), sodium hexahydroxoplatinum (IV), potassium hexahydroxoplatinum (IV), platinum nitrate and platinum sulfate. Good.
本実施形態では、担体を浸漬する際に、Pt溶液を激しく撹拌してよい。Pt溶液を激しく撹拌することにより、溶液中のPtイオンと、担体との接触回数を増やすことができる。その結果、Pt溶液が担体の表面全体に均一に担持されやすくなり、本実施形態に係る脱水素触媒1が得られやすくなる。 In this embodiment, the Pt solution may be vigorously stirred when the carrier is immersed. By vigorously stirring the Pt solution, the number of contacts between the Pt ions in the solution and the carrier can be increased. As a result, the Pt solution is easily supported uniformly on the entire surface of the carrier, and the dehydrogenation catalyst 1 according to this embodiment is easily obtained.
第2工程において、Ptの担持に用いるPt溶液の濃度(溶液中のPtの含有率)を調整することにより、Ptの担持量Cを調整することができる。 In the second step, the amount of Pt supported C can be adjusted by adjusting the concentration of Pt solution used for supporting Pt (the content of Pt in the solution).
浸漬法では、Ptの担持速度(吸着速度)の調整により、Wを制御してもよい。ただし、Wは、Ptの担持速度の調整のみによって制御されるわけではない。Ptの担持速度V(単位:質量%/min)は、下記式(X)で定義される。
V=[Pt]/T (X)
式(X)中、Tとは、担体をPt溶液中に浸漬させる時間(単位:分)である。[Pt]とは、時間Tの間に担体に担持されるPtの量であり、完成後の脱水素触媒におけるPtの担持量を100質量%としたときの相対量(単位:質量%)である。
In the dipping method, W may be controlled by adjusting the Pt loading speed (adsorption speed). However, W is not controlled only by adjusting the carrying speed of Pt. The Pt loading speed V (unit: mass% / min) is defined by the following formula (X).
V = [Pt] / T (X)
In the formula (X), T is a time (unit: minute) for immersing the carrier in the Pt solution. [Pt] is the amount of Pt supported on the carrier during time T, and is a relative amount (unit: mass%) when the supported amount of Pt in the dehydrogenation catalyst after completion is 100% by mass. is there.
例えば、Ptの担持量が所望の担持量の80%に達するまで、Ptの担持速度Vを5〜6質量%/minに維持してよい。そして、Ptの担持量が所望の担持量の80%に達した後、Ptの担持速度Vを0.5〜1.5質量%/minに調整しながら、Ptの担持を完了してよい。Ptの担持速度Vが小さ過ぎる場合、所定量のPtを担持するのに時間がかかり、脱水素触媒の製造効率が低下する傾向がある。Ptの担持速度Vが大き過ぎる場合、Ptの担持斑が生じ、Wの斑も生じる傾向がある。 For example, the Pt loading speed V may be maintained at 5 to 6 mass% / min until the Pt loading reaches 80% of the desired loading. After the Pt loading amount reaches 80% of the desired loading amount, the Pt loading may be completed while adjusting the Pt loading speed V to 0.5 to 1.5 mass% / min. When the loading speed V of Pt is too small, it takes time to load a predetermined amount of Pt, and the production efficiency of the dehydrogenation catalyst tends to decrease. When the carrying speed V of Pt is too large, Pt carrying spots occur, and W spots tend to occur.
Pt溶液の温度が高いほど、Pt溶液中のPt化合物が担体へ吸着し易く、Ptの担持速度Vが大きい傾向がある。換言すれば、Pt溶液の温度が低いほど、Ptの担持速度Vが小さい傾向がある。また、Pt溶液の濃度が高いほど、Ptの担持速度Vが大きい傾向がある。一方、Pt溶液の濃度が低いほど、Ptの担持速度Vが小さい傾向がある。Pt溶液の温度又は濃度の調整により、Ptの担持速度Vを自在に制御することができる。 The higher the temperature of the Pt solution, the easier it is for the Pt compound in the Pt solution to be adsorbed on the carrier, and the Pt loading rate V tends to increase. In other words, the lower the temperature of the Pt solution, the lower the Pt loading speed V tends to be. Further, the higher the concentration of the Pt solution, the higher the Pt loading speed V tends to be. On the other hand, the lower the concentration of the Pt solution, the smaller the Pt loading speed V tends to be. By adjusting the temperature or the concentration of the Pt solution, the Pt loading speed V can be freely controlled.
担体をPt溶液へ浸漬する前に、水を担体に吸収させてもよい。事前に水を担体に吸収させることにより、Ptの担体への急激な吸着が抑制される。その結果、Ptの担持速度の制御が容易になる。 Before the carrier is immersed in the Pt solution, water may be absorbed into the carrier. By making the carrier absorb water in advance, rapid adsorption of Pt on the carrier is suppressed. As a result, it becomes easy to control the carrying speed of Pt.
第2工程は、Pt溶液が担持された担体を焼成するサブステップ有してよい。焼成によって担体に付着したPtの化合物を分解する。これにより、Ptが担体に担持され、本実施形態に係る脱水素触媒1が完成する。 The second step may include a sub-step of firing the carrier carrying the Pt solution. The Pt compound attached to the carrier is decomposed by firing. As a result, Pt is supported on the carrier, and the dehydrogenation catalyst 1 according to this embodiment is completed.
Pt化合物(前駆体)が担持された担体の焼成に用いる炉は、例えば、固定型の炉であってよい。つまり、所定量の担体を焼成用容器に投入し、容器内の担体を撹拌することなく、炉内の温度を所定の温度まで昇温して、容器内の担体を焼成してよい。焼成に用いる炉は、ベルトコンベアー式の炉であってもよい。焼成に用いる炉は、ロータリーキルン等の回転式の炉であってもよい。ただし、固定型の炉又はベルトコンベアー式の炉は、回転式の炉に比べて、本実施形態に係る脱水素触媒1の製造に適している。回転式の炉は、担体を焼成する工程において一般的に用いられる。回転式の炉では、炉の回転により炉内の担体を撹拌しながら、担体を焼成する。炉の回転によって、担体の表面と炉の内壁との間で摩擦が生じる。その結果、当該担体の表面が削られてしまう。したがって、担持したPt又はPt化合物が担体の表面から脱離したり、ピークの半値幅Wの調整が困難となったりする。一方、固定型の炉又はベルトコンベアー式の炉を用いた場合、Ptが担体から脱離しにくく、C/Wを所望の範囲に調整することが容易となる。 The furnace used for firing the carrier carrying the Pt compound (precursor) may be, for example, a fixed furnace. In other words, the carrier in the container may be fired by putting a predetermined amount of the carrier into the baking container and raising the temperature in the furnace to the predetermined temperature without stirring the carrier in the container. The furnace used for baking may be a belt conveyor type furnace. The furnace used for firing may be a rotary furnace such as a rotary kiln. However, a stationary furnace or a belt conveyor type furnace is more suitable for producing the dehydrogenation catalyst 1 according to the present embodiment than a rotary furnace. A rotary furnace is generally used in the process of firing the carrier. In a rotary furnace, the carrier is fired while the carrier in the furnace is stirred by the rotation of the furnace. The rotation of the furnace causes friction between the surface of the carrier and the inner wall of the furnace. As a result, the surface of the carrier is scraped. Therefore, the supported Pt or Pt compound is detached from the surface of the carrier, and it is difficult to adjust the half width W of the peak. On the other hand, when a fixed type furnace or a belt conveyor type furnace is used, Pt is not easily detached from the carrier, and C / W can be easily adjusted to a desired range.
焼成温度は、Ptの化合物の分解が進行する温度であればよく、例えば200〜500℃程度であってよい。焼成における昇温速度は、例えば1〜10℃/分であってよい。昇温速度が高いほど、Wが小さくなる傾向がある。昇温速度が低いほどWが大きくなる傾向がある。 The firing temperature may be a temperature at which decomposition of the Pt compound proceeds, and may be, for example, about 200 to 500 ° C. The temperature increase rate in baking may be 1-10 degree-C / min, for example. As the rate of temperature increase is higher, W tends to be smaller. W tends to increase as the heating rate decreases.
浸漬法(化学吸着法)以外の方法によりPtを担体に担持する場合であっても、Pt溶液を、担体の表面に均一に接触させることにより、C/Wを所望の範囲に調整することが可能である。例えば、含浸法では、筒状の容器に担体を投入し、容器を回転させながら、Pt溶液を担体に含浸させればよい。これにより、Ptが担体の表面に均一に担持されやすくなる。 Even when Pt is supported on the carrier by a method other than the immersion method (chemical adsorption method), the C / W can be adjusted to a desired range by bringing the Pt solution into uniform contact with the surface of the carrier. Is possible. For example, in the impregnation method, the carrier is put into a cylindrical container, and the carrier is impregnated with the Pt solution while rotating the container. Thereby, it becomes easy to carry Pt uniformly on the surface of the carrier.
上記担持方法によってPtを担体に担持することにより、C/Wを1.4×10−4〜3.1×10−4の範囲に調整することができる。 C / W can be adjusted to the range of 1.4 × 10 −4 to 3.1 × 10 −4 by loading Pt on the carrier by the above loading method.
本実施形態では、第2工程を繰り返してよい。つまり、Pt溶液の担体への担持及び担体の乾燥からなるサイクルを繰り返してよい。サイクルを繰り返した後、担体を1回焼成すればよい。例えば、Ptを含浸法により担体に担持した後、再度、Ptを含浸法により担体に担持してよい。この方法を2回含浸法という。担体へのPtの担持を複数回行うことにより、同量のPtを一度に担体へ担持する場合に比べて、脱水素活性が向上し易い傾向がある。その原因は、明らかではないが、Ptを複数回に分けて担体に担持する場合、各回の担持ステップに用いるPt溶液の濃度を薄めることにより、Ptをより均一に斑なく担体へ担持することが容易になることにある、と推測される。 In the present embodiment, the second step may be repeated. That is, a cycle consisting of loading the Pt solution on the carrier and drying the carrier may be repeated. After repeating the cycle, the carrier may be fired once. For example, Pt may be supported on the support by the impregnation method, and then Pt may be supported again on the support by the impregnation method. This method is called a double impregnation method. By carrying Pt on the carrier a plurality of times, the dehydrogenation activity tends to be improved as compared with the case where the same amount of Pt is carried on the carrier all at once. The reason for this is not clear, but when Pt is supported on the support in multiple steps, the Pt solution can be supported more uniformly and without unevenness by reducing the concentration of the Pt solution used in each support step. It is presumed to be easy.
(水素の製造システム、及び水素の製造方法)
本実施形態では、図3に示す水素の製造システム100を用いて、水素を製造する。なお、水素の製造システム100とは、例えば燃料電池車に燃料として水素ガスを供給するための水素ステーションである。
(Hydrogen production system and hydrogen production method)
In the present embodiment, hydrogen is produced using the hydrogen production system 100 shown in FIG. The hydrogen production system 100 is, for example, a hydrogen station for supplying hydrogen gas as fuel to a fuel cell vehicle.
本実施形態に係る水素の製造システム100は、少なくとも脱水素反応器2、気液分離器4、水素精製装置6、及びタンク16を備える。製造システム100は、更に高圧コンプレッサー14を備えてもよい。脱水素反応器2は、上記本実施形態に係る脱水素触媒1を有し、当該脱水素触媒1を用いた炭化水素の脱水素により、水素及び有機化合物(不飽和炭化水素等)を生成させる。つまり、本実施形態に係る水素の製造方法は、上記本実施形態に係る脱水素触媒1を用いた炭化水素の脱水素により、水素及び有機化合物を生成させる工程(脱水素工程)を備える。 A hydrogen production system 100 according to this embodiment includes at least a dehydrogenation reactor 2, a gas-liquid separator 4, a hydrogen purification device 6, and a tank 16. The manufacturing system 100 may further include a high-pressure compressor 14. The dehydrogenation reactor 2 includes the dehydrogenation catalyst 1 according to the present embodiment, and generates hydrogen and organic compounds (such as unsaturated hydrocarbons) by dehydrogenation of hydrocarbons using the dehydrogenation catalyst 1. . That is, the method for producing hydrogen according to the present embodiment includes a step (dehydrogenation step) of generating hydrogen and an organic compound by dehydrogenation of hydrocarbons using the dehydrogenation catalyst 1 according to the present embodiment.
炭化水素は、例えば、ナフテン系炭化水素(環状炭化水素)であってよい。ナフテン系炭化水素(環状炭化水素)は、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、デカリン、1−メチルデカリン、2−メチルデカリン及び2−エチルデカリンからなる群より選択される少なくとも一種であってよい。これらの化合物は、有機ハイドライドと呼ばれる。 The hydrocarbon may be, for example, a naphthenic hydrocarbon (cyclic hydrocarbon). The naphthenic hydrocarbon (cyclic hydrocarbon) may be at least one selected from the group consisting of cyclohexane, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane, decalin, 1-methyldecalin, 2-methyldecalin and 2-ethyldecalin, for example. . These compounds are called organic hydrides.
脱水素工程では、炭化水素を脱水素反応器2内へ供給する。脱水素反応器2内には、上記本実施形態に係る脱水素触媒1が設置されている。脱水素反応器2内は還元雰囲気である。脱水素反応器2内において、炭化水素が脱水素触媒1に接触すると、脱水素反応が起こり、少なくとも一対の水素原子が炭化水素から引き抜かれる。例えば、炭化水素としてナフテン系炭化水素を用いる場合、水素分子と、芳香族炭化水素等の有機化合物(不飽和炭化水素)と、が生成する。このように、脱水素反応は気相反応である。脱水素工程では、炭化水素と共に水素を脱水素反応器2内へ供給してもよい。これにより、脱水素活性がより長期間維持される傾向がある。 In the dehydrogenation step, hydrocarbons are supplied into the dehydrogenation reactor 2. In the dehydrogenation reactor 2, the dehydrogenation catalyst 1 according to the present embodiment is installed. The inside of the dehydrogenation reactor 2 is a reducing atmosphere. When the hydrocarbon comes into contact with the dehydrogenation catalyst 1 in the dehydrogenation reactor 2, a dehydrogenation reaction occurs and at least a pair of hydrogen atoms are extracted from the hydrocarbon. For example, when a naphthenic hydrocarbon is used as the hydrocarbon, a hydrogen molecule and an organic compound (unsaturated hydrocarbon) such as an aromatic hydrocarbon are generated. Thus, the dehydrogenation reaction is a gas phase reaction. In the dehydrogenation step, hydrogen may be supplied into the dehydrogenation reactor 2 together with the hydrocarbon. This tends to maintain the dehydrogenation activity for a longer period.
脱水素反応の条件は、特に限定されない。反応温度は、250〜420℃であってよい。反応温度を上記範囲に調整するためには、脱水素反応器2内の触媒層の中央部の温度を上記範囲に調整すればよい。液空間速度(LHSV)は、0.2〜4.0h−1であってよい。炭化水素と共に水素を脱水素反応器2内へ供給する場合、水素分圧は、0.1〜1.0MPaであってよい。また、脱水素反応器2内へ供給する水素のモル数nHと、脱水素反応器2内へ供給する炭化水素のモル数nCとの比nH/nCは0.05〜1.0であってよい。 The conditions for the dehydrogenation reaction are not particularly limited. The reaction temperature may be 250-420 ° C. In order to adjust the reaction temperature to the above range, the temperature of the central portion of the catalyst layer in the dehydrogenation reactor 2 may be adjusted to the above range. The liquid hourly space velocity (LHSV) may be 0.2 to 4.0 h −1 . When hydrogen is supplied into the dehydrogenation reactor 2 together with the hydrocarbon, the hydrogen partial pressure may be 0.1 to 1.0 MPa. Further, the molar number n H of hydrogen supplied to the dehydrogenation reactor 2, the ratio n H / n C of the moles n C of supplying hydrocarbons to the dehydrogenation reactor 2 is 0.05. It may be zero.
脱水素反応の生成物(水素分子及び有機化合物)は、脱水素反応器2から気液分離器4内へ供給される。気液分離器4内の温度は、有機化合物の融点以上有機化合物の沸点未満である。したがって、気液分離器4内の水素分子は気体であり、気液分離器4内の有機化合物は液体である。つまり、気液分離器4内において、脱水素反応の生成物は、水素ガス(気相、気層)と、有機化合物の液体(液相、液層)と、に分離する。気液分離器4内の気相(水素含有ガス)は、は水素精製装置6へ供給される。気液分離器4内の液相(有機化合物の液体)は、タンク16へ供給される。なお、気相には、有機化合物の蒸気が混入している場合がある。気相における有機化合物の分圧は最大で有機化合物の飽和蒸気圧程度である。一方、液相には、脱水素されなかった有機ハイドライドが残存する場合がある。 The product (hydrogen molecule and organic compound) of the dehydrogenation reaction is supplied from the dehydrogenation reactor 2 into the gas-liquid separator 4. The temperature in the gas-liquid separator 4 is not lower than the melting point of the organic compound and lower than the boiling point of the organic compound. Therefore, the hydrogen molecules in the gas-liquid separator 4 are gases, and the organic compounds in the gas-liquid separator 4 are liquids. That is, in the gas-liquid separator 4, the product of the dehydrogenation reaction is separated into hydrogen gas (gas phase, gas layer) and organic compound liquid (liquid phase, liquid layer). The gas phase (hydrogen-containing gas) in the gas-liquid separator 4 is supplied to the hydrogen purifier 6. The liquid phase (organic compound liquid) in the gas-liquid separator 4 is supplied to the tank 16. Note that vapor of an organic compound may be mixed in the gas phase. The partial pressure of the organic compound in the gas phase is at most about the saturated vapor pressure of the organic compound. On the other hand, organic hydride that has not been dehydrogenated may remain in the liquid phase.
気液分離器4から水素精製装置6へ供給された水素含有ガスは、水素精製装置6において精製される。水素精製装置6は、例えば、水素ガス及び有機化合物のうち水素ガスのみが選択的に透過する分離膜を備えてよい。分離膜は、例えば、金属膜(PbAg系膜、PdCu系膜、若しくはNb系膜など)、無機膜(シリカ膜、ゼオライト膜、若しくは炭素膜など)、又は高分子膜(フッ素樹脂膜、若しくはポリイミド膜など)であってよい。水素ガスが分離膜を透過することにより、水素ガスの純度が高まる。一方、水素含有ガス中の有機化合物(未反応の有機ハイドライド等)は、分離膜を透過することができない。したがって、有機化合物が水素含有ガスから分離され、高純度の水素ガスが精製される。精製された高純度の水素ガスは、高圧コンプレッサー14を経ることなく、燃料電池の燃料として用いられてもよく、高圧コンプレッサー14において圧縮された後、燃料電池の燃料として用いられてもよい。なお、有機化合物のみならず、微量の水素ガスも炭素膜を透過しない場合がある。炭素膜を透過しなかった水素ガスを、有機ハイドライドと共に回収して、オフガスとして、脱水素反応器2内へ供給してもよい。または、炭素膜を透過しなかった有機化合物を、タンク16内へ回収してもよい。水素精製装置6は、分離膜を備える装置に限定されない。水素精製装置6は、例えば、圧力スイング吸着(PSA)法、熱スイング吸着(TSA)法(温度スイング吸着法)、温度圧力スイング吸着(TPSA)法、及び深冷分離法からなる群より選ばれる少なくとも一種の方法を実施する装置であってもよい。これらの装置を用いて、水素含有ガスを精製し、精製に伴って生じたオフガスを脱水素反応器2内へ供給し、水素含有ガスから分離された有機化合物をタンク16へ供給してよい。精製された水素ガスの一部を、有機ハイドライドと共に脱水素反応器2へ供給してよい。これにより、脱水素反応器2内の脱水素触媒1の脱水素活性が維持され易くなる。 The hydrogen-containing gas supplied from the gas-liquid separator 4 to the hydrogen purification device 6 is purified in the hydrogen purification device 6. The hydrogen purifier 6 may include, for example, a separation membrane that selectively allows only hydrogen gas among hydrogen gas and organic compounds to permeate. The separation membrane is, for example, a metal membrane (such as a PbAg-based membrane, a PdCu-based membrane, or an Nb-based membrane), an inorganic membrane (such as a silica membrane, a zeolite membrane, or a carbon membrane), or a polymer membrane (a fluororesin membrane or polyimide). A membrane). The hydrogen gas permeates through the separation membrane, thereby increasing the purity of the hydrogen gas. On the other hand, organic compounds (such as unreacted organic hydride) in the hydrogen-containing gas cannot permeate the separation membrane. Therefore, the organic compound is separated from the hydrogen-containing gas, and high-purity hydrogen gas is purified. The purified high-purity hydrogen gas may be used as fuel for the fuel cell without passing through the high-pressure compressor 14, or may be used as fuel for the fuel cell after being compressed by the high-pressure compressor 14. Note that not only an organic compound but also a trace amount of hydrogen gas may not permeate the carbon film. Hydrogen gas that has not permeated the carbon membrane may be recovered together with the organic hydride and supplied as an off-gas into the dehydrogenation reactor 2. Alternatively, the organic compound that has not permeated the carbon film may be collected into the tank 16. The hydrogen purification apparatus 6 is not limited to an apparatus provided with a separation membrane. The hydrogen purifier 6 is selected from the group consisting of, for example, a pressure swing adsorption (PSA) method, a thermal swing adsorption (TSA) method (temperature swing adsorption method), a temperature pressure swing adsorption (TPSA) method, and a cryogenic separation method. An apparatus that performs at least one method may be used. These apparatuses may be used to purify the hydrogen-containing gas, supply the off-gas generated along with the purification into the dehydrogenation reactor 2, and supply the organic compound separated from the hydrogen-containing gas to the tank 16. A part of the purified hydrogen gas may be supplied to the dehydrogenation reactor 2 together with the organic hydride. Thereby, the dehydrogenation activity of the dehydrogenation catalyst 1 in the dehydrogenation reactor 2 is easily maintained.
以上、本発明の一態様について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment.
以下、本発明の内容を実施例及び比較例を用いてより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, although the content of the present invention is explained in detail using an example and a comparative example, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
[第1工程]
担体として、多孔質のγ−アルミナからなる成型体を用意した。成型体の形状は円柱状であった。成型体の直径は約1/16inch(1inch=約25.4mm)であった。
Example 1
[First step]
As a carrier, a molded body made of porous γ-alumina was prepared. The shape of the molded body was a columnar shape. The diameter of the molded body was about 1/16 inch (1 inch = about 25.4 mm).
[第2工程]
担体を筒状の容器に入れた。ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸の水溶液を調製した。この水溶液を、容器を回転させながら、容器内の担体へ滴下した。つまり、含浸法(pore filling法)により、溶液中の白金塩を担体に担持した。続いて、担体を100℃で一晩乾燥した。乾燥した担体を、空気中において330℃で2時間焼成して、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金を分解した。焼成には、マッフル炉を用いた。第2工程では、脱水素触媒におけるPtの担持量Cが3.0×10−3g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。
[Second step]
The carrier was placed in a cylindrical container. An aqueous solution of bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid was prepared. This aqueous solution was dropped onto the carrier in the container while rotating the container. That is, the platinum salt in the solution was supported on the support by an impregnation method (pore filling method). Subsequently, the support was dried at 100 ° C. overnight. The dried support was calcined in air at 330 ° C. for 2 hours to decompose bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinum. A muffle furnace was used for firing. In the second step, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 3.0 × 10 −3 g / mL.
以上の工程により、実施例1の脱水素触媒を作製した。実施例1の脱水素触媒は、γ−アルミナからなる担体と、担体に担持されたPtとを備える。脱水素触媒の単位体積当たりの、Ptの担持量Cは、3.0×10−3g/mLであった。 The dehydrogenation catalyst of Example 1 was produced through the above steps. The dehydrogenation catalyst of Example 1 includes a carrier made of γ-alumina and Pt supported on the carrier. The supported amount C of Pt per unit volume of the dehydrogenation catalyst was 3.0 × 10 −3 g / mL.
(実施例2)
[第1工程]
擬ベーマイト状態のアルミニウムの水酸化物の粉末に、所定量の水、硝酸セリウムの水溶液及び稀硝酸を添加して、これらを混練した。さらに、稀硝酸を添加することにより、混練物のpHを3〜7程度に調整した。混練物の押し出し成形により、柱状の成形体を作製した。成形体の断面は、四葉状であった。成形体の直径は1/22incであった。成形体を100〜150℃で2時間乾燥した。乾燥後の成形体を550℃で2時間焼成することにより、実施例2の担体を得た。担体は、γアルミナ及びCe2O3を含む。担体におけるCeの含有量は、Ceの酸化物(Ce2O3)換算で、Ce2O3を含む担体全体の質量に対して、2質量%であった。
(Example 2)
[First step]
A predetermined amount of water, an aqueous solution of cerium nitrate, and dilute nitric acid were added to the aluminum hydroxide powder in a pseudo boehmite state, and these were kneaded. Furthermore, the pH of the kneaded material was adjusted to about 3 to 7 by adding dilute nitric acid. A columnar shaped body was produced by extrusion molding of the kneaded product. The cross section of the molded body was a four-leaf shape. The diameter of the molded body was 1/22 inc. The molded body was dried at 100 to 150 ° C. for 2 hours. The dried compact was fired at 550 ° C. for 2 hours to obtain the carrier of Example 2. The support includes gamma alumina and Ce 2 O 3 . The content of Ce in the carrier was 2% by mass with respect to the mass of the whole carrier containing Ce 2 O 3 in terms of Ce oxide (Ce 2 O 3 ).
[第2工程]
ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金(IV)の水溶液を用意した。この水溶液を容器内で激しく撹拌しながら、第1工程で得られた担体を水溶液に浸漬した。つまり、化学吸着法により、Ptを担体に担持した。化学吸着法では、脱水素触媒におけるPtの担持量が所望の担持量の80%になるまで、Ptの担持速度を5〜6質量%/minに調整した。また、脱水素触媒におけるPtの担持量が所望の担持量の80%となった時点で、Ptの担持速度を0.5〜1.5質量%/minに調整した。次いで、担体を100℃で一晩乾燥した。乾燥した担体を、空気中において330℃で2時間焼成して、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金を分解した。焼成には、マッフル炉を用いた。第2工程では、脱水素触媒における白金(Pt)の担持量Cが2.9×10−3g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。
[Second step]
An aqueous solution of bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinum (IV) was prepared. While the aqueous solution was vigorously stirred in the container, the carrier obtained in the first step was immersed in the aqueous solution. That is, Pt was supported on the carrier by the chemical adsorption method. In the chemical adsorption method, the Pt loading rate was adjusted to 5 to 6 mass% / min until the Pt loading on the dehydrogenation catalyst reached 80% of the desired loading. Further, when the amount of Pt supported on the dehydrogenation catalyst reached 80% of the desired amount supported, the Pt loading rate was adjusted to 0.5 to 1.5 mass% / min. The carrier was then dried at 100 ° C. overnight. The dried support was calcined in air at 330 ° C. for 2 hours to decompose bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinum. A muffle furnace was used for firing. In the second step, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of platinum (Pt) in the dehydrogenation catalyst was 2.9 × 10 −3 g / mL.
以上の工程により、実施例2の脱水素触媒を作製した。実施例2の脱水素触媒は、γ−アルミナ及びCe2O3(酸化セリウム)を含む担体と、担体に担持されたPtとを備える。実施例2のPtの担持量Cは、2.9×10−3g/mLであった。 The dehydrogenation catalyst of Example 2 was produced through the above steps. The dehydrogenation catalyst of Example 2 includes a support containing γ-alumina and Ce 2 O 3 (cerium oxide), and Pt supported on the support. The supported amount C of Pt in Example 2 was 2.9 × 10 −3 g / mL.
(実施例3)
実施例3の第2工程では、脱水素触媒におけるPtの担持量Cが2.8×10−3g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。また実施例3では、担体の焼成時における炉内の昇温速度を、実施例1及び2よりも小さい値に調整した。これらの点以外は実施例2と同様の方法で、実施例3の脱水素触媒を作製した。実施例3のPtの担持量Cは、2.8×10−3g/mLであった。
(Example 3)
In the second step of Example 3, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 2.8 × 10 −3 g / mL. Moreover, in Example 3, the temperature increase rate in the furnace at the time of baking of a support | carrier was adjusted to the value smaller than Example 1 and 2. FIG. Except for these points, the dehydrogenation catalyst of Example 3 was produced in the same manner as in Example 2. The supported amount C of Pt in Example 3 was 2.8 × 10 −3 g / mL.
(実施例4)
実施例4の第2工程では、脱水素触媒におけるPtの担持量Cが2.8×10−3g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。また実施例4では、実施例3とは異なるPtの担持速度(吸着速度)で化学吸着法を実施した。さらに実施例4では、担体の焼成時における炉内の昇温速度を、実施例1及び2よりも小さい値に調整した。これらの点以外は実施例2と同様の方法で、実施例4の脱水素触媒を作製した。実施例4のPtの担持量Cは、2.8×10−3g/mLであった。
Example 4
In the second step of Example 4, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 2.8 × 10 −3 g / mL. In Example 4, the chemical adsorption method was performed at a Pt loading rate (adsorption rate) different from that in Example 3. Furthermore, in Example 4, the temperature rising rate in the furnace at the time of firing the carrier was adjusted to a value smaller than those in Examples 1 and 2. Except for these points, the dehydrogenation catalyst of Example 4 was produced in the same manner as in Example 2. The supported amount C of Pt in Example 4 was 2.8 × 10 −3 g / mL.
(実施例5)
[第1工程]
実施例5では、実施例2と同じ担体を用いた。
(Example 5)
[First step]
In Example 5, the same carrier as in Example 2 was used.
[第2工程]
担体を筒状の容器に入れた。ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸の水溶液を調製した。この水溶液を、容器を回転させながら、容器内の担体へ滴下した。つまり、含浸法により、溶液中の白金塩を担体に担持した。続いて、担体を100℃で一晩乾燥した。
[Second step]
The carrier was placed in a cylindrical container. An aqueous solution of bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid was prepared. This aqueous solution was dropped onto the carrier in the container while rotating the container. That is, the platinum salt in the solution was supported on the support by the impregnation method. Subsequently, the support was dried at 100 ° C. overnight.
乾燥後の担体を筒状の容器に入れた。ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸の水溶液を調製した。この水溶液を、容器を回転させながら、容器内の担体へ滴下した。つまり、含浸法により、溶液中の白金塩を担体に担持した。続いて、担体を90℃で一晩乾燥した。乾燥した担体を、空気中において乾燥後の担体330℃で2時間焼成して、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金を分解した。焼成には、固定床式の炉を用いた。実施例5では、担体の焼成時における炉内の昇温速度を、実施例1及び2よりも小さい値に調整した。 The dried carrier was placed in a cylindrical container. An aqueous solution of bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid was prepared. This aqueous solution was dropped onto the carrier in the container while rotating the container. That is, the platinum salt in the solution was supported on the support by the impregnation method. Subsequently, the support was dried at 90 ° C. overnight. The dried carrier was calcined in air at 330 ° C. after drying for 2 hours to decompose bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinum. A fixed bed furnace was used for firing. In Example 5, the temperature rising rate in the furnace at the time of firing the carrier was adjusted to a value smaller than in Examples 1 and 2.
以上のように、実施例5では、第2工程を2回行った。脱水素触媒におけるPtの担持量Cが2.9×10−3g/mLとなるように、各第2工程で用いたビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。 As described above, in Example 5, the second step was performed twice. The concentration of the aqueous bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid solution used in each second step was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 2.9 × 10 −3 g / mL.
以上の工程により、実施例5の脱水素触媒を作製した。実施例5の脱水素触媒は、γ−アルミナ及びCe2O3を含む担体と、担体に担持されたPtとを備える。実施例5のPtの担持量Cは、2.9×10−3g/mLであった。 The dehydrogenation catalyst of Example 5 was produced by the above process. The dehydrogenation catalyst of Example 5 includes a support containing γ-alumina and Ce 2 O 3 and Pt supported on the support. The supported amount C of Pt in Example 5 was 2.9 × 10 −3 g / mL.
(実施例6)
実施例6の第1工程では、担体を円柱状に成形した。担体の直径は1/16inchに調整した。この点以外は実施例2と同様の方法で、実施例6の担体を得た。
(Example 6)
In the first step of Example 6, the carrier was formed into a cylindrical shape. The diameter of the carrier was adjusted to 1/16 inch. Except for this point, the carrier of Example 6 was obtained in the same manner as in Example 2.
実施例6の第2工程では、脱水素触媒におけるPtの担持量Cが3.4×10−3g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。この点以外は実施例2と同様にして、Ptを実施例6の担体に担持させた。 In the second step of Example 6, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 3.4 × 10 −3 g / mL. Except for this point, Pt was supported on the carrier of Example 6 in the same manner as Example 2.
以上の工程により、実施例6の脱水素触媒を作製した。実施例6のPtの担持量Cは、3.4×10−3g/mLであった。 The dehydrogenation catalyst of Example 6 was produced by the above process. The supported amount C of Pt in Example 6 was 3.4 × 10 −3 g / mL.
(実施例7)
実施例7では、実施例2と同じ担体を用いた。実施例7の第2工程では、脱水素触媒におけるPtの担持量Cが3.1×10−3g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。これらの点以外は実施例1と同様の方法で、実施例7の脱水素触媒を作製した。実施例7のPtの担持量Cは、3.1×10−3g/mLであった。
(Example 7)
In Example 7, the same carrier as in Example 2 was used. In the second step of Example 7, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 3.1 × 10 −3 g / mL. Except for these points, the dehydrogenation catalyst of Example 7 was produced in the same manner as in Example 1. The supported amount C of Pt in Example 7 was 3.1 × 10 −3 g / mL.
(実施例8)
実施例8の第2工程では、脱水素触媒におけるPtの担持量Cが3.1×10−3g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。また実施例8では、担体の焼成時における炉内の昇温速度を、実施例1と同様の値に調整した。つまり、実施例8では、担体の焼成時における炉内の昇温速度を、実施例5よりも大きい値に調整した。この点以外は実施例5と同様の方法で、実施例8の脱水素触媒を作製した。実施例8のPtの担持量Cは、3.1×10−3g/mLであった。
(Example 8)
In the second step of Example 8, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 3.1 × 10 −3 g / mL. Moreover, in Example 8, the temperature rising rate in the furnace at the time of baking of a support | carrier was adjusted to the same value as Example 1. That is, in Example 8, the temperature rising rate in the furnace at the time of firing the carrier was adjusted to a value larger than that in Example 5. Except for this point, the dehydrogenation catalyst of Example 8 was produced in the same manner as in Example 5. The supported amount C of Pt in Example 8 was 3.1 × 10 −3 g / mL.
(比較例1)
比較例1の第2工程では、脱水素触媒におけるPtの担持量Cが6.0×10−4g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。この点以外は実施例8と同様の方法で、比較例1の脱水素触媒を作製した。比較例1のPtの担持量Cは、6.0×10−4g/mLであった。
(Comparative Example 1)
In the second step of Comparative Example 1, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 6.0 × 10 −4 g / mL. Except for this point, the dehydrogenation catalyst of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 8. The supported amount C of Pt in Comparative Example 1 was 6.0 × 10 −4 g / mL.
(比較例2)
比較例2の第2工程では、脱水素触媒におけるPtの担持量Cが1.7×10−3g/mLとなるように、ビス(エタノールアンモニウム)ヘキサヒドロキソ白金酸水溶液の濃度を調整した。この点以外は実施例8と同様の方法で、比較例2の脱水素触媒を得た。脱水素触媒の単位体積当たりの、Ptの担持量Cは、6.0×10−4g/mLであった。
(Comparative Example 2)
In the second step of Comparative Example 2, the concentration of the bis (ethanolammonium) hexahydroxoplatinic acid aqueous solution was adjusted so that the supported amount C of Pt in the dehydrogenation catalyst was 1.7 × 10 −3 g / mL. Except for this point, a dehydrogenation catalyst of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 8. The supported amount C of Pt per unit volume of the dehydrogenation catalyst was 6.0 × 10 −4 g / mL.
[スペクトルの測定]
実施例3の脱水素触媒を、脱水素触媒の表面に垂直な方向に切断し、四葉状の断面を露出させた。EPMAを用いて、脱水素触媒の断面を観察した。EPMAとしては、日本電子製JXA−8800Rを用いた。撮影した脱水素触媒の断面の二次電子像及び反射電子像を図4に示す。図4中の(a)は、実施例3の脱水素触媒の断面の二次電子像である。図4中の(b)は、図4中の(a)においてIで示す領域の拡大図である。図4中の(c)は、脱水素触媒の断面の反射電子像である。図4中の(d)は、図4中の(c)においてIIで示す領域の拡大図である。
[Spectrum measurement]
The dehydrogenation catalyst of Example 3 was cut in a direction perpendicular to the surface of the dehydrogenation catalyst to expose a four-leaf shaped cross section. The cross section of the dehydrogenation catalyst was observed using EPMA. As the EPMA, JXA-8800R manufactured by JEOL Ltd. was used. FIG. 4 shows secondary electron images and backscattered electron images of a cross section of the photographed dehydrogenation catalyst. (A) in FIG. 4 is a secondary electron image of a cross section of the dehydrogenation catalyst of Example 3. (B) in FIG. 4 is an enlarged view of a region indicated by I in (a) in FIG. (C) in FIG. 4 is a reflected electron image of a cross section of the dehydrogenation catalyst. (D) in FIG. 4 is an enlarged view of a region indicated by II in (c) in FIG.
脱水素触媒の断面上で、Ptの特性X線のスペクトルを測定した。スペクトルの測定には上記EPMAを用いた。スペクトルの測定は、以下の手順で行った。 The characteristic X-ray spectrum of Pt was measured on the cross section of the dehydrogenation catalyst. The EPMA was used for the spectrum measurement. The spectrum was measured according to the following procedure.
まず、脱水素触媒の断面のうち、脱水素触媒の表面側の領域から、任意の5箇所を選択した。選択した5箇所の画像を図5中の(a)、(b)、(c)、(d)及び(e)に示す。図5中の(a)に示す断面を、直線b及び直線cの間に位置し直線b及び直線cに平行な直線に沿って、電子線で走査した。直線b及び直線cに平行な40本の直線に沿って走査を40回実施することにより、40通りのスペクトルを得た。直線b及び直線cの間において、電子線で走査した領域の幅は20μmであった。電子線の加速電圧は、25kVであった。電子線の照射電流は137nAであった。電子線のステップサイズは、20msec/stepであった。電子線の照射時間は0.5μm/stepであった。照射した電子線の幅(スポット径)は、0.5μmであった。40通りのスペクトルの強度を平均することにより、走査方向に沿うPtの特性X線のスペクトルを得た。得られたスペクトルを図5中の(f)に示す。 First, arbitrary five places were selected from the area | region of the surface side of a dehydrogenation catalyst among the cross sections of a dehydrogenation catalyst. The selected five images are shown in (a), (b), (c), (d) and (e) in FIG. The cross section shown in FIG. 5A was scanned with an electron beam along a straight line located between the straight line b and the straight line c and parallel to the straight line b and the straight line c. By performing 40 scans along 40 straight lines parallel to the straight lines b and c, 40 spectra were obtained. Between the straight line b and the straight line c, the width | variety of the area | region scanned with the electron beam was 20 micrometers. The acceleration voltage of the electron beam was 25 kV. The irradiation current of the electron beam was 137 nA. The step size of the electron beam was 20 msec / step. The electron beam irradiation time was 0.5 μm / step. The width (spot diameter) of the irradiated electron beam was 0.5 μm. Pt characteristic X-ray spectra along the scanning direction were obtained by averaging the intensities of the 40 spectra. The obtained spectrum is shown in (f) of FIG.
同様の方法で、図5中の(b)、(c)、(d)及び(e)に示す断面上でPtの特性X線のスペクトルを測定した。図5中の(b)に示す断面において測定したスペクトルを、図5中の(g)に示す。図5中の(c)に示す断面において測定したスペクトルを、図5中の(h)に示す。図5中の(d)に示す断面において測定したスペクトルを、図5中の(i)に示す。図5中の(e)に示す断面において測定したスペクトルを、図5中の(j)に示す。 In the same way, the spectrum of the characteristic X-ray of Pt was measured on the cross sections shown in (b), (c), (d) and (e) in FIG. The spectrum measured in the cross section shown in (b) of FIG. 5 is shown in (g) of FIG. The spectrum measured in the cross section shown in (c) of FIG. 5 is shown in (h) of FIG. The spectrum measured in the cross section shown in (d) of FIG. 5 is shown in (i) of FIG. The spectrum measured in the cross section shown in (e) of FIG. 5 is shown in (j) of FIG.
[スペクトルの解析]
得られたPtの特性X線のスペクトルを以下の手順で解析した。
[Spectrum analysis]
The characteristic X-ray spectrum of the obtained Pt was analyzed by the following procedure.
図6中の(a)に示すスペクトルは、図5中の(g)に示すスペクトルに相当する。ただし図6中の(a)に示す横軸の原点0は、図5中の(g)に示す横軸の原点0と必ずしも一致しない。まず、図6中の(a)においてA’で示す領域をベースラインとみなした。ベースラインにおける特性X線の強度Iの標準偏差σを算出した。次いで、スペクトルの特性X線の強度Iから3σを引くことで、スペクトルを補正した。これにより、図6中の(b)に示す補正後のスペクトルを得た。補正後のスペクトルから、ピークの半値幅を求めた。 The spectrum shown in (a) in FIG. 6 corresponds to the spectrum shown in (g) in FIG. However, the origin 0 of the horizontal axis shown in (a) in FIG. 6 does not necessarily match the origin 0 of the horizontal axis shown in (g) in FIG. First, a region indicated by A ′ in FIG. 6A is regarded as a baseline. A standard deviation σ of the intensity I of characteristic X-rays at the baseline was calculated. Next, the spectrum was corrected by subtracting 3σ from the intensity I of the characteristic X-ray of the spectrum. As a result, a corrected spectrum shown in FIG. 6B was obtained. The half width of the peak was obtained from the corrected spectrum.
上記と同じ手順で、図5中の(f)、(h)、(i)及び(j)に示すスペクトルも解析した。つまり、5つのスペクトルから5つの半値幅を得た。5つの半値幅のうち、最大値及び最小値を除いた3つの半値幅の平均値を算出した。この平均値を実施例3の半値幅Wとした。実施例3の半値幅Wは17μmであった。 The spectrum shown in (f), (h), (i) and (j) in FIG. 5 was also analyzed by the same procedure as above. That is, five half widths were obtained from five spectra. Of the five half-value widths, an average value of three half-value widths excluding the maximum value and the minimum value was calculated. This average value was defined as the half width W of Example 3. The full width at half maximum of Example 3 was 17 μm.
半値幅W(μm)に対する担持量C(g/mL)の比C/W(g/mL・μm)を算出した。実施例3の比C/Wは1.6×10−4(g/mL・μm)であった。 The ratio C / W (g / mL · μm) of the loading amount C (g / mL) to the half width W (μm) was calculated. The ratio C / W of Example 3 was 1.6 × 10 −4 (g / mL · μm).
他の実施例及び比較例其々の脱水素触媒を、実施例3と同様の方法で分析することにより、他の実施例及び比較例其々のPtの特性X線のスペクトルを得た。他の実施例及び比較例其々のスペクトルを、実施例3と同様の方法で解析することにより、他の実施例及び比較例其々のピークの半値幅W及び比C/Wを求めた。 By analyzing the dehydrogenation catalysts of other Examples and Comparative Examples in the same manner as in Example 3, spectra of characteristic X-rays of Pt of other Examples and Comparative Examples were obtained. By analyzing the spectra of other examples and comparative examples in the same manner as in example 3, the full width at half maximum W and the ratio C / W of other examples and comparative examples were determined.
実施例1の半値幅Wは21μmであった。実施例1の比C/Wは1.4×10−4g/mL・μmであった。 The full width at half maximum of Example 1 was 21 μm. The ratio C / W of Example 1 was 1.4 × 10 −4 g / mL · μm.
実施例2の半値幅Wは15μmであった。実施例2の比C/Wは1.9×10−4g/mL・μmであった。 The full width at half maximum W of Example 2 was 15 μm. The ratio C / W of Example 2 was 1.9 × 10 −4 g / mL · μm.
実施例4の半値幅Wは20μmであった。実施例4の比C/Wは1.4×10−4g/mL・μmであった。 The full width at half maximum of Example 4 was 20 μm. The ratio C / W of Example 4 was 1.4 × 10 −4 g / mL · μm.
実施例5の半値幅Wは18μmであった。実施例5の比C/Wは1.6×10−4g/mL・μmであった。 The full width at half maximum of Example 5 was 18 μm. The ratio C / W of Example 5 was 1.6 × 10 −4 g / mL · μm.
実施例6の半値幅Wは12μmであった。実施例6の比C/Wは2.8×10−4g/mL・μmであった。 The full width at half maximum of Example 6 was 12 μm. The ratio C / W of Example 6 was 2.8 × 10 −4 g / mL · μm.
実施例7の半値幅Wは10μmであった。実施例7の比C/Wは3.1×10−4g/mL・μmであった。 The half width W of Example 7 was 10 μm. The ratio C / W of Example 7 was 3.1 × 10 −4 g / mL · μm.
実施例8の半値幅Wは10μmであった。実施例8の比C/Wは3.1×10−4g/mL・μmであった。 The full width at half maximum of Example 8 was 10 μm. The ratio C / W of Example 8 was 3.1 × 10 −4 g / mL · μm.
比較例1の半値幅Wは5μmであった。比較例1の比C/Wは1.2×10−4g/mL・μmであった。 The full width at half maximum of Comparative Example 1 was 5 μm. The ratio C / W of Comparative Example 1 was 1.2 × 10 −4 g / mL · μm.
比較例2の半値幅Wは4μmであった。比較例2の比C/Wは4.3×10−4g/mL・μmであった。 The half width W of Comparative Example 2 was 4 μm. The ratio C / W of Comparative Example 2 was 4.3 × 10 −4 g / mL · μm.
[脱水素活性の評価]
実施例1〜8、並びに比較例1及び2の脱水素触媒の脱水素活性を、以下の方法により評価した。
[Evaluation of dehydrogenation activity]
The dehydrogenation activity of the dehydrogenation catalysts of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated by the following method.
まず、脱水素触媒0.5mLを固定床流通式の反応器内に充填した。次に、メチルシクロヘキサン(以下、場合により「MCH」という。)及び水素の混合ガスを反応器内へ供給しながら、触媒層の出口部の温度を300℃に維持した。これにより、反応器内でMCHの脱水素反応を継続させた。混合ガスにおける、水素のモル数nHと、MCHのモル数nMとの比nH/nMは0.7とした。反応圧力は0.19MPaGであった。反応器内へ供給するMCHの液空間速度(LHSV)を80h−1に維持した。反応開始から所定の時間が経過した時点で反応器から排出されたガスを回収して冷却し、生成油を得た。 First, 0.5 mL of a dehydrogenation catalyst was charged into a fixed bed flow type reactor. Next, the temperature at the outlet of the catalyst layer was maintained at 300 ° C. while supplying a mixed gas of methylcyclohexane (hereinafter sometimes referred to as “MCH”) and hydrogen into the reactor. Thereby, the dehydrogenation reaction of MCH was continued in the reactor. In the mixed gas, the number of moles n H hydrogen, the ratio n H / n M of the moles n M of MCH was 0.7. The reaction pressure was 0.19 MPaG. The liquid space velocity (LHSV) of MCH fed into the reactor was maintained at 80 h- 1 . When a predetermined time has elapsed from the start of the reaction, the gas discharged from the reactor was recovered and cooled to obtain a product oil.
生成油をガスクロマトグラフ−水素炎イオン化検出器(GC−FID)で分析した。生成油に含まれるMCHのGC面積(ピーク面積)と、液体に含まれるトルエンのGC面積との比率から、300℃でのMCHの転化率rcを算出した。rcは、下記式(2)で定義される。
rc(単位:%)=(m2/m1)×100={m2/(m2+m3)}×100 (2)
式(2)中、m1とは、脱水素触媒が配置された反応容器へ供給されるメチルシクロヘキサンのモル数である。m2とは、脱水素反応の生成物中に含まれるトルエンのモル数である。換言すると、m2とは、メチルシクロヘキサンの脱水素により生成したトルエンのモル数である。m3とは、脱水素反応後に残存するメチルシクロヘキサン(脱水素されなかったメチルシクロヘキサン)のモル数である。
The product oil was analyzed with a gas chromatograph-flame ionization detector (GC-FID). The conversion ratio rc of MCH at 300 ° C. was calculated from the ratio between the GC area (peak area) of MCH contained in the product oil and the GC area of toluene contained in the liquid. rc is defined by the following formula (2).
rc (unit:%) = (m 2 / m 1 ) × 100 = {m 2 / (m 2 + m 3 )} × 100 (2)
In formula (2), m 1 is the number of moles of methylcyclohexane supplied to the reaction vessel in which the dehydrogenation catalyst is arranged. m 2 is the number of moles of toluene contained in the product of the dehydrogenation reaction. In other words, m 2 is the number of moles of toluene produced by dehydrogenation of methylcyclohexane. m 3 is the number of moles of methylcyclohexane (methylcyclohexane not dehydrogenated) remaining after the dehydrogenation reaction.
高い転化率rcは、優れた脱水素活性を意味する。実施例及び比較例其々の転化率rcを、下記表1に示す。図7は、実施例及び比較例其々のC/Wと転化率rcとの関係を示す。図8は、実施例及び比較例其々の半値幅Wと転化率rcとの関係を示す。表1及び図7に記載の「E−0n」(nは自然数)とは、「×10−n」を意味する。 A high conversion rc means an excellent dehydrogenation activity. The conversion rc of each of the examples and comparative examples is shown in Table 1 below. FIG. 7 shows the relationship between C / W and conversion rate rc for each of the examples and comparative examples. FIG. 8 shows the relationship between the full width at half maximum W and the conversion rate rc in each of the examples and comparative examples. “E-0n” (n is a natural number) described in Table 1 and FIG. 7 means “× 10 −n ”.
本発明に係る脱水素触媒を用いた炭化水素の脱水素によって生成する水素ガスは、例えば、燃料電池車の燃料として利用される。 Hydrogen gas produced by dehydrogenation of hydrocarbons using the dehydrogenation catalyst according to the present invention is used as fuel for fuel cell vehicles, for example.
1…脱水素触媒、S…表面、CS…断面、a…直線、2…脱水素反応器、4…気液分離器、6…水素精製装置、14…高圧コンプレッサー、16…タンク、100…水素の製造システム。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dehydrogenation catalyst, S ... Surface, CS ... Cross section, a ... Straight line, 2 ... Dehydrogenation reactor, 4 ... Gas-liquid separator, 6 ... Hydrogen purification apparatus, 14 ... High-pressure compressor, 16 ... Tank, 100 ... Hydrogen Manufacturing system.
Claims (6)
Al2O3を含む担体と、前記担体に担持されたPtと、を備え、
前記脱水素触媒の断面上に位置し且つ前記脱水素触媒の表面に垂直な直線に沿う、Ptの特性X線のスペクトルを、電子線マイクロアナライザを用いて測定したとき、
前記スペクトルが前記脱水素触媒の表面側においてピークを有し、
前記ピークの半値幅がWμmであり、
前記脱水素触媒の単位体積当たりの、前記Ptの担持量がCg/mLであるとき、
C/Wが1.3×10−4〜3.5×10−4g/mL・μmである、
炭化水素用の脱水素触媒。 A dehydrogenation catalyst for hydrocarbons,
A support containing Al 2 O 3 and Pt supported on the support,
When the spectrum of the characteristic X-ray of Pt along a straight line located on the cross section of the dehydrogenation catalyst and perpendicular to the surface of the dehydrogenation catalyst is measured using an electron beam microanalyzer,
The spectrum has a peak on the surface side of the dehydrogenation catalyst;
The peak half-value width is W μm,
When the supported amount of Pt per unit volume of the dehydrogenation catalyst is Cg / mL,
C / W is 1.3 × 10 −4 to 3.5 × 10 −4 g / mL · μm,
Dehydrogenation catalyst for hydrocarbons.
請求項1に記載の脱水素触媒。 W is 12 to 20 μm,
The dehydrogenation catalyst according to claim 1.
請求項1又は2に記載の脱水素触媒。 The Pt is supported on the carrier by a method of immersing the carrier in a solution containing the Pt.
The dehydrogenation catalyst according to claim 1 or 2.
水素の製造システム。 It has a dehydrogenation catalyst according to any one of claims 1 to 3, and comprises a dehydrogenation reactor that generates hydrogen by dehydrogenation of the hydrocarbon using the dehydrogenation catalyst.
Hydrogen production system.
水素の製造方法。 Comprising a step of generating hydrogen by dehydrogenation of a hydrocarbon using the dehydrogenation catalyst according to any one of claims 1 to 3.
A method for producing hydrogen.
請求項5に記載の水素の製造方法。 The hydrocarbon is a naphthenic hydrocarbon,
The method for producing hydrogen according to claim 5.
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