JP2018202410A - N2O decomposition catalyst structure, method for producing the same, and N2O removal apparatus having the N2O decomposition catalyst structure - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、使用温度が高温状態でも、N2O分解機能の低下を抑制して長寿命化を実現することができ、また、使用温度が低温状態でも、N2O除去能を有するN2O分解用触媒構造体及びその製造方法、並びに該N2O分解用触媒構造体を有するN2O除去装置を提供することである。【解決手段】N2O分解用触媒構造体は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記金属酸化物が、前記担体の少なくとも前記通路に存在している。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a long life by suppressing deterioration of N2O decomposition function even when the operating temperature is high, and to have N2O removing ability even when the operating temperature is low. It is an object of the present invention to provide a catalyst structure for decomposition, a method for producing the same, and an N2O removing device having the catalyst structure for N2O decomposition. A catalyst structure for N2O decomposition comprises a carrier having a porous structure composed of a zeolite-type compound and at least one metal oxide contained in the carrier, and the carriers communicate with each other. The metal oxide is present in at least the passage of the carrier. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、多孔質構造の担体とN2O分解触媒として機能する酸化鉄とを備えるN2O分解用触媒構造体及びその製造方法、並びに該N2O分解用触媒構造体を有するN2O除去装置に関する。 The present invention, N 2 having a porous support and N N 2 O decomposition catalyst structure and a manufacturing method thereof and a iron oxide that functions as a 2 O decomposition catalyst structure, as well as the N 2 O decomposing catalyst structure for The present invention relates to an O removing device.
下水汚泥焼却炉の排ガス、火力発電所からの排ガス、自動車の排ガス等には、N2Oが含まれている。N2Oは強い温室効果を有するガスであり、炭酸ガスの310倍の温室効果を有する。従って、大気中へのN2O排出量の削減が要求されている。 N 2 O is contained in exhaust gas from a sewage sludge incinerator, exhaust gas from a thermal power plant, exhaust gas from automobiles, and the like. N 2 O is a gas having a strong greenhouse effect and has a greenhouse effect 310 times that of carbon dioxide. Accordingly, there is a demand for reduction of N 2 O emission into the atmosphere.
N2O排出量の削減のために、N2Oを分解してから大気中に放出することが行われている。N2O分解触媒として、酸化鉄、白金、コバルト、酸化コバルト、銅、酸化銅、ニッケル、酸化ニッケル等をはじめ、種々の金属や金属酸化物が挙げられる。 In order to reduce N 2 O emission, N 2 O is decomposed and then released into the atmosphere. Examples of the N 2 O decomposition catalyst include iron oxide, platinum, cobalt, cobalt oxide, copper, copper oxide, nickel, nickel oxide, and various metals and metal oxides.
N2O分解触媒の構造体として、ペレット形状の鉄−ゼオライト系触媒が充填された触媒充填層が開示されている(特許文献1)。このように、N2O分解触媒は、ゼオライト等の担体に担持されて使用されることがある。 As a structure of the N 2 O decomposition catalyst, a catalyst packed bed filled with a pellet-shaped iron-zeolite catalyst is disclosed (Patent Document 1). As described above, the N 2 O decomposition catalyst may be used while being supported on a support such as zeolite.
しかし、酸化鉄、白金等、従来のN2O分解触媒は、高温環境下で、担体内で凝集して触媒活性が抑制されるという問題がある。また、白金触媒は、酸化鉄等の触媒と比較して、高価であるという問題がある。一方で、酸化鉄等の触媒は、白金触媒と比べて安価ではあるが、反応開始温度が、白金の100℃に対して、300℃と高く、反応開始温度において凝集しやすいという問題がある。 However, conventional N 2 O decomposition catalysts such as iron oxide and platinum have a problem that the catalyst activity is suppressed by aggregation in a carrier under a high temperature environment. In addition, the platinum catalyst has a problem that it is expensive compared to a catalyst such as iron oxide. On the other hand, although a catalyst such as iron oxide is cheaper than a platinum catalyst, the reaction start temperature is as high as 300 ° C. with respect to 100 ° C. of platinum, and there is a problem that the catalyst tends to aggregate at the reaction start temperature.
しかしながら、上記のような触媒構造体では、触媒粒子が担体の表面或いは表面近傍に担持されているため、N2O分解中にN2Oを含む流体から受ける力や分解反応時の温度などの影響に因って触媒粒子が担体内で移動し、触媒粒子同士の凝集(シンタリング)が発生し易い。触媒粒子同士の凝集が生じると、触媒としての有効表面積が減少することで触媒活性が低下することから寿命が通常よりも短くなるため、触媒構造体自体を短期間で交換・再生しなければならず、交換作業が煩雑であると共に、省資源化を図ることができないという問題がある。また、触媒構造体の使用温度が低温状態の場合、N2O分解触媒の活性が低下してしまうので、N2O除去能が得られない。
However, in the catalyst structure as described above, since the catalyst particles are supported on or near the surface of the support, the force received from the fluid containing N 2 O during N 2 O decomposition, the temperature during the decomposition reaction, etc. Due to the influence, the catalyst particles move within the carrier, and aggregation (sintering) between the catalyst particles easily occurs. If the catalyst particles agglomerate, the effective surface area of the catalyst is reduced and the catalyst activity is reduced, so the life is shorter than usual. Therefore, the catalyst structure itself must be replaced and regenerated in a short period of time. In addition, there are problems that the replacement work is complicated and resource saving cannot be achieved. Further, when the temperature use of the catalyst structure is in the cold state, since the activity of
本発明の目的は、使用温度が高温状態でも、N2O分解機能の低下を抑制して長寿命化を実現することができ、また、使用温度が低温状態でも、N2O除去能を有するN2O分解用触媒構造体及びその製造方法、並びに該N2O分解用触媒構造体を有するN2O除去装置を提供することにある。
The object of the present invention is to realize a long life by suppressing the degradation of the N 2 O decomposition function even when the use temperature is high, and has N 2 O removal ability even when the use temperature is low.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記金属酸化物が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることによって、金属酸化物の触媒活性低下を抑制し、長寿命化を実現できるN2O分解用触媒構造体が得られることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention comprise a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound, and at least one metal oxide present in the carrier, The carrier has a passage communicating with each other, and the metal oxide is present in at least the passage of the carrier, so that a decrease in the catalytic activity of the metal oxide can be suppressed and a long life can be realized. It has been found that a catalyst structure for 2 O decomposition can be obtained, and the present invention has been completed based on such knowledge.
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
[1]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、
前記担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物と、
を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記金属酸化物が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とするN2O分解用触媒構造体。
[2]前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、かつ
前記金属酸化物が、少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、上記[1]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[3]前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、上記[2]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[4]前記金属酸化物が、金属酸化物微粒子であることを特徴とする、上記[2]または[3]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[5]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、上記[4]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[6]前記金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記N2O分解用触媒構造体に対して0.5〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、上記[4]または[5]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[7]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.1nm〜50nmであることを特徴とする、上記[4]〜[6]のいずれかに記載のN2O分解用触媒構造体。
[8]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.5nm〜14.0nmであることを特徴とする、上記[7]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[9]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.06〜500であることを特徴とする、上記[4]〜[8]のいずれかに記載のN2O分解用触媒構造体。
[10]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.1〜45であることを特徴とする、上記[9]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[11]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、1.7〜4.5であることを特徴とする、上記[10]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[12]前記通路の平均内径は、0.1nm〜1.5nmであり、
前記拡径部の内径は、0.5nm〜50nmであることを特徴とする、上記[2]〜[11]のいずれかに記載のN2O分解用触媒構造体。
[13]前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他の金属酸化物を更に備えることを特徴とする、上記[1]〜[12]のいずれかに記載のN2O分解用触媒構造体。
[14]前記担体に内在する前記少なくとも1つの金属酸化物の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他の金属酸化物の含有量よりも多いことを特徴とする、上記[13]に記載のN2O分解用触媒構造体。
[15]前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、上記[1]〜[14]のいずれかに記載のN2O分解用触媒構造体。
[16]上記[1]〜[15]のいずれかに記載のN2O分解用触媒構造体を有する、N2O除去装置。
[17]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成する焼成工程と、
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とする、N2O分解用触媒構造体の製造方法。
[18]前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料(A)に対して50〜500質量%添加することを特徴とする、上記[17]に記載のN2O分解用触媒構造体の製造方法。
[19]前記焼成工程の前に、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、上記[17]または[18]に記載のN2O分解用触媒構造体の製造方法。
[20]前記焼成工程の前に前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10〜1000となるように調整することを特徴とする、上記[17]〜[19]のいずれかに記載のN2O分解用触媒構造体の製造方法。
[21]前記水熱処理工程において、前記前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することを特徴とする、上記[17]に記載のN2O分解用触媒構造体の製造方法。
[22]前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、上記[17]に記載のN2O分解用触媒構造体の製造方法。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
[1] a porous support composed of a zeolite-type compound;
At least one metal oxide inherent in the support;
With
The carrier has passages communicating with each other;
A catalyst structure for N 2 O decomposition, wherein the metal oxide is present in at least the passage of the carrier.
[2] The passage includes any one of a one-dimensional hole, a two-dimensional hole, and a three-dimensional hole defined by a skeleton structure of the zeolite-type compound, and the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. The catalyst structure for N 2 O decomposition according to the above [1], wherein the catalyst has a diameter-expanded portion different from any of the above, and the metal oxide is present at least in the diameter-expanded portion. body.
[3] The N 2 portion according to [2], wherein the enlarged diameter portion communicates a plurality of holes constituting any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. Catalyst structure for O decomposition.
[4] The catalyst structure for N 2 O decomposition according to the above [2] or [3], wherein the metal oxide is metal oxide fine particles.
[5] The N 2 O decomposition according to the above [4], wherein an average particle diameter of the metal oxide fine particles is larger than an average inner diameter of the passage and not more than an inner diameter of the expanded portion. Catalyst structure.
[6] The metal element (M) of the metal oxide fine particles is contained in an amount of 0.5 to 2.5% by mass with respect to the catalyst structure for N 2 O decomposition, 4] or the catalyst structure for N 2 O decomposition according to [5].
[7] The catalyst structure for N 2 O decomposition according to any one of [4] to [6], wherein the metal oxide fine particles have an average particle size of 0.1 nm to 50 nm.
[8] The catalyst structure for N 2 O decomposition according to the above [7], wherein the metal oxide fine particles have an average particle size of 0.5 nm to 14.0 nm.
[9] The ratio according to any one of [4] to [8] above, wherein the ratio of the average particle diameter of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passage is 0.06 to 500. Catalyst structure for 2 O decomposition.
[10] The catalyst structure for N 2 O decomposition according to [9], wherein a ratio of an average particle diameter of the metal oxide fine particles to an average inner diameter of the passage is 0.1 to 45 .
[11] The catalyst for N 2 O decomposition according to [10], wherein a ratio of an average particle diameter of the metal oxide fine particles to an average inner diameter of the passage is 1.7 to 4.5. Structure.
[12] The average inner diameter of the passage is 0.1 nm to 1.5 nm,
The catalyst structure for N 2 O decomposition according to any one of [2] to [11] above, wherein an inner diameter of the expanded portion is 0.5 nm to 50 nm.
[13] The catalyst structure for N 2 O decomposition according to any one of the above [1] to [12], further comprising at least one other metal oxide held on the outer surface of the support body.
[14] The content of the at least one metal oxide present in the support is greater than the content of the at least one other metal oxide held on the outer surface of the support. The catalyst structure for N 2 O decomposition according to the above [13].
[15] The catalyst structure for N 2 O decomposition according to any one of [1] to [14], wherein the zeolite-type compound is a silicate compound.
[16] An N 2 O removal apparatus having the N 2 O decomposition catalyst structure according to any one of [1] to [15].
[17] A firing step of firing a precursor material (B) obtained by impregnating a precursor material (A) with a metal-containing solution into a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
A hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B);
It characterized by having a method for producing a
[18] The N 2 according to the above [17], wherein a nonionic surfactant is added in an amount of 50 to 500% by mass with respect to the precursor material (A) before the firing step. A method for producing a catalyst structure for O decomposition.
[19] Before the firing step, the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution by adding the metal-containing solution to the precursor material (A) in a plurality of times. The method for producing a catalyst structure for N 2 O decomposition according to [17] or [18] above,
[20] When the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution before the firing step, the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is changed to the precursor material. In terms of the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to (A) (atomic ratio Si / M), and adjusting so that 10 to 1000, the [17] the method for producing a ~ [19] N 2 O decomposition catalyst structure according to any one of.
[21] The method for producing a catalyst structure for N 2 O decomposition according to [17], wherein in the hydrothermal treatment step, the precursor material (C) and a structure directing agent are mixed.
[22] The method for producing a catalyst structure for N 2 O decomposition according to [17], wherein the hydrothermal treatment step is performed in a basic atmosphere.
本発明によれば、使用温度が高温状態でも、N2O分解機能の低下を抑制して長寿命化を実現することができ、また、使用温度が低温状態でも、N2O除去能を有するN2O分解用触媒構造体及びその製造方法、並びに該N2O分解用触媒構造体を有するN2O除去装置を提供することができる。 According to the present invention, even when the use temperature is high, the N 2 O decomposition function can be prevented from lowering and the life can be extended, and even when the use temperature is low, the N 2 O removal ability is achieved. A catalyst structure for N 2 O decomposition, a method for producing the same, and an N 2 O removal apparatus having the catalyst structure for N 2 O decomposition can be provided.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[N2O分解用触媒構造体の構成]
図1は、本発明の実施形態に係るN2O分解用触媒構造体の構成を概略的に示す図であり、(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、(b)は部分拡大断面図である。なお、図1におけるN2O分解用触媒構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
[Configuration of catalyst structure for N 2 O decomposition]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a catalyst structure for N 2 O decomposition according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is a perspective view (a part is shown in a cross section), (b). FIG. Note that the N 2 O decomposition catalyst structure in FIG. 1 shows an example, and the shape, dimensions, and the like of each component according to the present invention are not limited to those in FIG.
図1(a)に示されるように、N2O分解用触媒構造体1は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体10と、該担体10に内在する、少なくとも1つのN2O分解用触媒物質である金属酸化物、好ましくは金属酸化物微粒子20とを備える。
As shown in FIG. 1 (a), a
N2O分解用触媒構造体1において、複数の金属酸化物微粒子20,20,・・・は、担体10の多孔質構造の内部に包接されている。金属酸化物微粒子20については、詳しくは後述する。
In the N 2 O
担体10は、多孔質構造であり、図1(b)に示すように、好適には複数の孔11a,11a,・・・が形成されることにより、互いに連通する通路11を有する。ここで金属酸化物微粒子20は、担体10の少なくとも通路11に存在しており、好ましくは担体10の少なくとも通路11に保持されている。
The
このような構成により、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が規制され、金属酸化物微粒子20、20同士の凝集が有効に防止されている。その結果、金属酸化物微粒子20としての有効表面積の減少を効果的に抑制することができ、N2O分解用触媒物質である金属酸化物微粒子20の触媒活性は長期にわたって持続する。すなわち、N2O分解用触媒構造体1によれば、金属酸化物微粒子20の凝集による触媒活性の低下を抑制でき、N2O分解用触媒構造体1としての長寿命化を図ることができる。また、N2O分解用触媒構造体1の長寿命化により、N2O分解用触媒構造体1の交換頻度を低減でき、使用済みのN2O分解用触媒構造体1の廃棄量を大幅に低減することができ、省資源化を図ることができる。
With such a configuration, the movement of the metal oxide
通常、N2O分解用触媒構造体を、N2Oを含む流体中で用いる場合、流体から外力を受ける可能性がある。この場合、金属酸化物微粒子20が、担体10の外表面に付着状態で保持されているだけであると、流体からの外力の影響で担体10の外表面から離脱しやすいという問題がある。これに対し、N2O分解用触媒構造体1では、金属酸化物微粒子20は担体10の少なくとも通路11に存在しているため、流体による外力の影響を受けたとしても、担体10から金属酸化物微粒子20が離脱しにくい。すなわち、N2O分解用触媒構造体1が流体内にある場合、流体は担体10の孔11aから、通路11内に流入するため、通路11内を流れる流体の速さは、流路抵抗(摩擦力)により、担体10の外表面を流れる流体の速さに比べて、遅くなると考えられる。このような流路抵抗の影響により、通路11内に保持された金属酸化物微粒子20が流体から受ける圧力は、担体10の外部において金属酸化物微粒子が流体から受ける圧力に比べて低くなる。そのため、担体10に内在する金属酸化物微粒子20が離脱することを効果的に抑制でき、N2O分解用触媒物質である金属酸化物微粒子20の触媒活性を長期的に安定して維持することが可能となる。なお、上記のような流路抵抗は、担体10の通路11が、曲がりや分岐を複数有し、担体10の内部がより複雑で三次元的な立体構造となっているほど、大きくなると考えられる。
Usually, when the catalyst structure for N 2 O decomposition is used in a fluid containing N 2 O, there is a possibility of receiving an external force from the fluid. In this case, if the metal oxide
また、通路11は、ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部12とを有していることが好ましく、このとき、金属酸化物微粒子20は、少なくとも拡径部12に存在していることが好ましく、少なくとも拡径部12に包接されていることがより好ましい。ここでいう一次元孔とは、一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の孔、もしくは複数の一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の複数の孔(複数の一次元チャンネル)を指す。また、二次元孔とは、複数の一次元チャンネルが二次元的に連結された二次元チャンネルを指し、三次元孔とは、複数の一次元チャンネルが三次元的に連結された三次元チャンネルを指す。これにより、金属酸化物微粒子20の担体10内での移動がさらに規制され、金属酸化物微粒子20の離脱や、金属酸化物微粒子20、20同士の凝集をさらに有効に防止することができる。包接とは、金属酸化物微粒子20が担体10に内包されている状態を指す。このとき金属酸化物微粒子20と担体10とは、必ずしも直接的に互いが接触している必要はなく、金属酸化物微粒子20と担体10との間に他の物質(例えば、界面活性剤等)が介在した状態で、金属酸化物微粒子20が担体10に間接的に保持されていてもよい。
Further, the
図1(b)では金属酸化物微粒子20が拡径部12に包接されている場合を示しているが、この構成だけには限定されず、金属酸化物微粒子20は、その一部が拡径部12の外側にはみ出した状態で通路11に保持されていてもよい。また、金属酸化物微粒子20は、拡径部12以外の通路11の部分(例えば通路11の内壁部分)に部分的に埋設され、または固着等によって保持されていてもよい。また、拡径部12は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔11a,11a同士を連通しているのが好ましい。これにより、担体10の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、金属酸化物微粒子20の触媒機能をより発揮させることができる。
FIG. 1B shows a case where the metal oxide
また、通路11は、担体10の内部に、分岐部または合流部を含んで三次元的に形成されており、拡径部12は、通路11の上記分岐部または合流部に設けられるのが好ましい。
The
担体10に形成された通路11の平均内径DFは、上記一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかを構成する孔11aの短径及び長径の平均値から算出され、例えば0.1nm〜1.5nmであり、好ましくは0.5nm〜0.8nmである。また、拡径部12の内径DEは、例えば0.5nm〜50nmであり、好ましくは1.1nm〜40nm、より好ましくは1.1nm〜3.3nmである。拡径部12の内径DEは、例えば後述する前駆体材料(A)の細孔径、及び包接される金属酸化物微粒子20の平均粒径DCに依存する。拡径部12の内径DEは、金属酸化物微粒子20を包接し得る大きさである。
The average inner diameter DF of the
担体10は、ゼオライト型化合物で構成される。従って、N2O分解用触媒構造体1の使用温度が低く、十分な触媒活性が得られない場合であっても、ゼオライト型化合物の有する吸着能によって、流体に含まれるN2Oはゼオライト型化合物に吸着され、流体からN2Oが除去される。
The
ゼオライト型化合物としては、例えば、ゼオライト(アルミノケイ酸塩)、陽イオン交換ゼオライト、シリカライト等のケイ酸塩化合物、アルミノホウ酸塩、アルミノヒ酸塩、ゲルマニウム酸塩等のゼオライト類縁化合物、リン酸モリブデン等のリン酸塩系ゼオライト類似物質などが挙げられる。中でも、ゼオライト型化合物はケイ酸塩化合物であることが好ましい。 Zeolite type compounds include, for example, zeolites (aluminosilicates), cation exchange zeolites, silicate compounds such as silicalite, zeolite related compounds such as aluminoborate, aluminoarsenate, germanate, molybdenum phosphate, etc. And phosphate-based zeolite-like substances. Among these, the zeolite type compound is preferably a silicate compound.
ゼオライト型化合物の骨格構造は、FAU型(Y型またはX型)、MTW型、MFI型(ZSM−5)、FER型(フェリエライト)、LTA型(A型)、MWW型(MCM−22)、MOR型(モルデナイト)、LTL型(L型)、BEA型(ベータ型)などの中から選択され、好ましくはMFI型であり、より好ましくはZSM−5である。ゼオライト型化合物には、各骨格構造に応じた孔径を有する孔が複数形成されており、例えばMFI型の最大孔径は0.636nm(6.36Å)、平均孔径0.560nm(5.60Å)である。 The framework structure of zeolite type compounds is FAU type (Y type or X type), MTW type, MFI type (ZSM-5), FER type (ferrierite), LTA type (A type), MWW type (MCM-22) , MOR type (mordenite), LTL type (L type), BEA type (beta type), etc., preferably MFI type, more preferably ZSM-5. In the zeolite type compound, a plurality of pores having a pore size corresponding to each skeleton structure are formed. For example, the maximum pore size of the MFI type is 0.636 nm (6.36 mm), and the average pore size is 0.560 nm (5.60 mm). is there.
以下、N2O分解用触媒物質である金属酸化物微粒子20について詳しく説明する。
Hereinafter, the metal oxide
金属酸化物微粒子20は一次粒子である場合と、一次粒子が凝集して形成した二次粒子である場合とがあるが、金属酸化物微粒子20の平均粒径DCは、好ましくは通路11の平均内径DFよりも大きく、且つ拡径部12の内径DE以下である(DF<DC≦DE)。このような金属酸化物微粒子20は、通路11内では、好適には拡径部12に存在しており、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が規制される。よって、金属酸化物微粒子20が流体から外力を受けた場合や、N2O分解用触媒構造体1の使用温度が高い場合であっても、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が抑制され、担体10の通路11に分散配置された拡径部12、12、・・のそれぞれに存在する金属酸化物微粒子20、20、・・同士が接触するのを有効に防止することができる。
And when the metal oxide
また、金属酸化物微粒子20の平均粒径DCは、一次粒子および二次粒子のいずれの場合も、好ましくは0.1nm〜50nmであり、より好ましくは0.1nm以上30nm未満であり、さらに好ましくは0.5nm〜14.0nmであり、特に好ましくは1.0nm〜3.3nmである。また、通路11の平均内径DFに対する金属酸化物微粒子20の平均粒径DCの割合(DC/DF)は、好ましくは0.06〜500であり、より好ましくは0.1〜45であり、更に好ましくは1.1〜45であり、特に好ましくは1.7〜4.5である。また、金属酸化物微粒子20の金属元素(M)は、N2O分解用触媒構造体1に対して0.5〜2.5質量%で含有されていることが好ましく、N2O分解用触媒構造体1に対して0.5〜1.5質量%で含有されていることがより好ましい。例えば、金属元素(M)がCoである場合、Co元素の含有量(質量%)は、{(Co元素の質量)/(N2O分解用触媒構造体1の全元素の質量)}×100で表される。
The average particle diameter D C of the
上記金属酸化物微粒子20は、金属酸化物で構成されていればよく、例えば、単一の金属酸化物で構成されていてもよく、あるいは2種以上の金属酸化物の混合物で構成されていてもよい。なお、本明細書において、金属酸化物微粒子20を構成する(材質としての)「金属酸化物」は、1種の金属元素(M)を含む酸化物と、2種以上の金属元素(M)を含む複合酸化物とを含む意味であり、1種以上の金属元素(M)を含む酸化物の総称である。
The metal oxide
このような金属酸化物としては、例えば酸化コバルト(CoOx)、酸化ニッケル(NiOx)、酸化鉄(FeOx)、酸化銅(CuOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化セリウム(CeOx)、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ニオブ(NbOx)、酸化チタン(TiOx)、酸化ビスマス(BiOx)、酸化モリブデン(MoOx)、酸化バナジウム(VOx)、酸化クロム(CrOx)、酸化亜鉛(ZnOx) 等が挙げられ、上記のいずれか1種以上を主成分とすることが好ましい。 Examples of such metal oxides include cobalt oxide (CoO x ), nickel oxide (NiO x ), iron oxide (FeO x ), copper oxide (CuO x ), zirconium oxide (ZrO x ), and cerium oxide (CeO x ). ), Aluminum oxide (AlO x ), niobium oxide (NbO x ), titanium oxide (TiO x ), bismuth oxide (BiO x ), molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (VO x ), chromium oxide (CrO x ) , Zinc oxide (ZnO x ), and the like, and any one or more of the above are preferably used as a main component.
また、金属酸化物微粒子20を構成する金属元素(M)に対する、担体10を構成するケイ素(Si)の割合(原子数比Si/M)は、10〜1000であるのが好ましく、50〜200であるのがより好ましい。上記割合が1000より大きいと、活性が低いなど、N2O分解用触媒物質としての作用が十分に得られない可能性がある。一方、上記割合が10よりも小さいと、金属酸化物微粒子20の割合が大きくなりすぎて、担体10の強度が低下する傾向がある。なお、ここでいう金属酸化物微粒子20は、担体10の内部に保持され、または担持された金属酸化物微粒子をいい、担体10の外表面に付着した金属酸化物微粒子を含まない。
The ratio of silicon (Si) constituting the
[N2O分解用触媒構造体の触媒活性]
N2O分解用触媒構造体1は、上記のとおり、多孔質構造の担体10と、担体10に内在する少なくとも1つの金属酸化物微粒子20とを備える。N2O分解用触媒構造体1は、担体10に内在する金属酸化物微粒子20が流体と接触することにより、金属酸化物微粒子20に応じた触媒活性を発揮する。具体的に、N2O分解用触媒構造体1の外表面10aに接触した流体は、外表面10aに形成された孔11aから担体10内部に流入して通路11内に誘導され、通路11内を通って移動し、他の孔11aを通じてN2O分解用触媒構造体1の外部へ出る。流体が通路11内を通って移動する経路において、通路11に存在している金属酸化物微粒子20と接触することによって、金属酸化物微粒子20の触媒活性に応じた反応(N2O分解反応)が生じる。また、N2O分解用触媒構造体1は、担体10が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
[Catalytic activity of catalyst structure for N 2 O decomposition]
As described above, the N 2 O
まず、N2O分解用触媒構造体1の分子篩能について、図2(a)を用いて、流体がN2Oを含む気体である場合を例として説明する。図2(a)に示すように、孔11aの孔径以下、言い換えれば、通路11の内径以下の大きさを有するN2O分子は、担体10内に流入することができる。一方、孔11aの孔径を超える大きさを有する非N2O分子15は、担体10内へ流入することができない。このように、流体が複数種類の化合物を含んでいる場合に、担体10内に流入することができない化合物の反応は規制され、担体10内に流入することができる化合物を反応させることができる。
First, the molecular sieving ability of the N 2 O
反応によって担体10内で生成した化合物のうち、孔11aの孔径以下の大きさを有する分子で構成される化合物のみが孔11aを通じて担体10の外部へ出ることができ、反応生成物として得られる。一方、孔11aから担体10の外部へ出ることができない化合物は、担体10の外部へ出ることができる大きさの分子で構成される化合物に変換させれば、担体10の外部へ出すことができる。このように、N2O分解用触媒構造体1を用いることにより、特定の反応生成物を選択的に得ることができる。
Of the compounds produced in the
N2O分解用触媒構造体1では、図2(b)に示すように、通路11の拡径部12に金属酸化物微粒子20が包接されている。金属酸化物微粒子20の平均粒径DCが、通路11の平均内径DFよりも大きく、拡径部12の内径DEよりも小さい場合には(DF<DC<DE)、金属酸化物微粒子20と拡径部12との間に小通路13が形成される。そこで、図2(b)中の矢印に示すように、小通路13に流入した流体が金属酸化物微粒子20と接触する。各金属酸化物微粒子20は、拡径部12に包接されているため、担体10内での移動が制限されている。これにより、担体10内における金属酸化物微粒子20、20同士の凝集が防止される。その結果、金属酸化物微粒子20と流体との大きな接触面積を安定して維持することができる。
In the N 2 O
通路11に流入したN2O分子が金属酸化物微粒子20に接触すると、金属酸化物微粒子20中の酸素による酸化分解反応によってN2O分子がN2とO2に分解される。例えば、金属酸化物微粒子20に含まれる酸化鉄を触媒とする場合、通路11に流入したN2O分子が酸化鉄微粒子に接触すると、酸化鉄微粒子中の酸素による酸化反応によってN2O分子がN2とO2に分解されて、気体中に含まれるN2O濃度を低減できる。
When the N 2 O molecules flowing into the
上記から、酸化鉄等の金属酸化物微粒子20の触媒反応開始温度が300℃と高いことからN2O分解用触媒構造体1の使用温度を高温状態となっても、金属酸化物微粒子20の凝集が防止されることから、金属酸化物微粒子のN2O分解機能の低下を抑制できる。すなわち、N2O分解用触媒構造体1の使用温度が低い条件下で十分な触媒活性が得られない場合であっても、ゼオライト型化合物の有する吸着能によって、流体に含まれるN2Oはゼオライト型化合物に吸着されることで流体から除去され、また、N2O分解用触媒構造体1の使用温度が高くなってもN2O分解機能の低下を抑制できるので、低温時にゼオライト型化合物に吸着されたN2O及び高温時に供給された流体に含まれるN2Oを分解除去できる。
From the above, since the catalyst reaction start temperature of the metal oxide
また、N2O分解用触媒構造体1を用いて、N2O除去装置が形成されてもよい。上記実施形態例に係るN2O分解用触媒構造体1を用いることで、上記と同様の効果を奏するN2O除去装置を得ることができる。
Further, an N 2 O removing device may be formed using the N 2 O
[N2O分解用触媒構造体の製造方法]
図3は、図1のN2O分解用触媒構造体1の製造方法を示すフローチャートである。以下、担体に内在する触媒物質が金属酸化物微粒子である場合を例に、N2O分解用触媒構造体の製造方法の一例を説明する。
[Method for producing catalyst structure for N 2 O decomposition]
FIG. 3 is a flowchart showing a method for producing the N 2 O
(ステップS1:準備工程)
図3に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、N2O分解用触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
(Step S1: Preparation process)
As shown in FIG. 3, first, a precursor material (A) for obtaining a porous support composed of a zeolite-type compound is prepared. The precursor material (A) is preferably a regular mesoporous material, and can be appropriately selected according to the type (composition) of the zeolite-type compound constituting the support of the catalyst structure for N 2 O decomposition.
ここで、N2O分解用触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物がケイ酸塩化合物である場合には、規則性メソ細孔物質は、細孔径1〜50nmの細孔が1次元、2次元または3次元に均一な大きさかつ規則的に発達したSi−O骨格からなる化合物であることが好ましい。このような規則性メソ細孔物質は、合成条件によって様々な合成物として得られるが、合成物の具体例としては、例えばSBA−1、SBA−15、SBA−16、KIT−6、FSM−16、MCM−41等が挙げられ、中でもMCM−41が好ましい。なお、SBA−1の細孔径は10〜30nm、SBA−15の細孔径は6〜10nm、SBA−16の細孔径は6nm、KIT−6の細孔径は9nm、FSM−16の細孔径は3〜5nm、MCM−41の細孔径は1〜10nmである。また、このような規則性メソ細孔物質としては、例えばメソポーラスシリカ、メソポーラスアルミノシリケート、メソポーラスメタロシリケート等が挙げられる。 Here, when the zeolite type compound constituting the support of the catalyst structure for N 2 O decomposition is a silicate compound, the regular mesoporous material has a one-dimensional pore having a pore diameter of 1 to 50 nm, A compound composed of a Si—O skeleton that is uniform in size in two or three dimensions and regularly developed is preferable. Such regular mesoporous materials can be obtained as various composites depending on the synthesis conditions. Specific examples of the composites include, for example, SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, FSM- 16, MCM-41, etc., among which MCM-41 is preferable. The pore diameter of SBA-1 is 10 to 30 nm, the pore diameter of SBA-15 is 6 to 10 nm, the pore diameter of SBA-16 is 6 nm, the pore diameter of KIT-6 is 9 nm, and the pore diameter of FSM-16 is 3 -5 nm, MCM-41 has a pore diameter of 1-10 nm. Examples of such regular mesoporous materials include mesoporous silica, mesoporous aluminosilicate, and mesoporous metallosilicate.
前駆体材料(A)は、市販品および合成品のいずれであってもよい。前駆体材料(A)を合成する場合には、公知の規則性メソ細孔物質の合成方法により行うことができる。例えば、前駆体材料(A)の構成元素を含有する原料と、前駆体材料(A)の構造を規定するための鋳型剤とを含む混合溶液を調製し、必要に応じてpHを調整して、水熱処理(水熱合成)を行う。その後、水熱処理により得られた沈殿物(生成物)を回収(例えば、ろ別)し、必要に応じて洗浄および乾燥し、さらに焼成することで、粉末状の規則性メソ細孔物質である前駆体材料(A)が得られる。ここで、混合溶液の溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、原料は、担体の種類に応じて選択されるが、例えばテトラエトキシシラン(TEOS)等のシリカ剤、フュームドシリカ、石英砂等が挙げられる。また、鋳型剤としては、各種界面活性剤、ブロックコポリマー等を用いることができ、規則性メソ細孔物質の合成物の種類に応じて選択することが好ましく、例えばMCM−41を作製する場合にはヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド等の界面活性剤が好適である。水熱処理は、例えば、密閉容器内で、80〜800℃、5時間〜240時間、0〜2000kPaの処理条件で行うことができる。焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことができる。 The precursor material (A) may be a commercially available product or a synthetic product. When the precursor material (A) is synthesized, it can be performed by a known method for synthesizing regular mesoporous materials. For example, a mixed solution containing a raw material containing the constituent elements of the precursor material (A) and a templating agent for defining the structure of the precursor material (A) is prepared, and the pH is adjusted as necessary. Hydrothermal treatment (hydrothermal synthesis) is performed. Thereafter, the precipitate (product) obtained by hydrothermal treatment is recovered (for example, filtered), washed and dried as necessary, and further calcined to form a regular mesoporous material in powder form. A precursor material (A) is obtained. Here, as a solvent of the mixed solution, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used. Moreover, although a raw material is selected according to the kind of support | carrier, for example, silica agents, such as tetraethoxysilane (TEOS), fumed silica, quartz sand, etc. are mentioned. Further, as the templating agent, various surfactants, block copolymers and the like can be used, and it is preferable to select according to the type of the synthesized compound of regular mesoporous materials. For example, when preparing MCM-41 A surfactant such as hexadecyltrimethylammonium bromide is preferred. The hydrothermal treatment can be performed, for example, in a sealed container at 80 to 800 ° C., 5 hours to 240 hours, and treatment conditions of 0 to 2000 kPa. The baking treatment can be performed, for example, in air at 350 to 850 ° C. for 2 to 30 hours.
(ステップS2:含浸工程)
次に、準備した前駆体材料(A)に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
(Step S2: impregnation step)
Next, the prepared precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution to obtain the precursor material (B).
金属含有溶液は、N2O分解用触媒構造体の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)(例えば、金属イオン)に対応する金属成分を含有する溶液であればよく、例えば、溶媒に、金属元素(M)を含有する金属塩を溶解させることにより調製できる。このような金属塩としては、例えば、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、硝酸塩等の金属塩が挙げられ、中でも硝酸塩が好ましい。溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。 The metal-containing solution may be a solution containing a metal component corresponding to the metal element (M) (for example, metal ion) constituting the metal oxide fine particles of the catalyst structure for N 2 O decomposition. It can be prepared by dissolving a metal salt containing the metal element (M). Examples of such metal salts include metal salts such as chlorides, hydroxides, oxides, sulfates, nitrates, etc. Among them, nitrates are preferable. As the solvent, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used.
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させる方法は、特に限定されないが、例えば、後述する焼成工程の前に、粉末状の前駆体材料(A)を撹拌しながら、前駆体材料(A)に金属含有溶液を複数回に分けて少量ずつ添加することが好ましい。また、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液がより浸入し易くなる観点から、前駆体材料(A)に、金属含有溶液を添加する前に予め、添加剤として界面活性剤を添加しておくことが好ましい。このような添加剤は、前駆体材料(A)の外表面を被覆する働きがあり、その後に添加される金属含有溶液が前駆体材料(A)の外表面に付着することを抑制し、金属含有溶液が前駆体材料(A)の細孔内部により浸入し易くなると考えられる。 The method of impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution is not particularly limited. For example, the precursor material (A) is stirred while stirring the powdery precursor material (A) before the firing step described later. It is preferable to add the metal-containing solution in small portions in multiple portions. Further, from the viewpoint of facilitating the penetration of the metal-containing solution into the pores of the precursor material (A), a surfactant as an additive is added in advance to the precursor material (A) before adding the metal-containing solution. It is preferable to add it. Such an additive has a function of coating the outer surface of the precursor material (A), suppresses the metal-containing solution added thereafter from adhering to the outer surface of the precursor material (A), and the metal It is considered that the contained solution is more likely to enter the pores of the precursor material (A).
このような添加剤としては、例えばポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等の非イオン性界面活性剤が挙げられる。これらの界面活性剤は、分子サイズが大きく前駆体材料(A)の細孔内部には浸入できないため、細孔の内部に付着することは無く、金属含有溶液が細孔内部に浸入することを妨げないと考えられる。非イオン性界面活性剤の添加方法としては、例えば、後述する焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前駆体材料(A)に対して50〜500質量%添加するのが好ましい。非イオン性界面活性剤の前駆体材料(A)に対する添加量が50質量%未満であると上記の抑制作用が発現し難く、非イオン性界面活性剤を前駆体材料(A)に対して500質量%よりも多く添加すると粘度が上がりすぎるので好ましくない。よって、非イオン性界面活性剤の前駆体材料(A)に対する添加量を上記範囲内の値とする。 Examples of such additives include nonionic surfactants such as polyoxyethylene oleyl ether, polyoxyethylene alkyl ether, and polyoxyethylene alkylphenyl ether. Since these surfactants have a large molecular size and cannot penetrate into the pores of the precursor material (A), they do not adhere to the inside of the pores, and the metal-containing solution penetrates into the pores. It is thought not to interfere. As a method for adding the nonionic surfactant, for example, it is preferable to add 50 to 500% by mass of the nonionic surfactant with respect to the precursor material (A) before the firing step described later. When the addition amount of the nonionic surfactant to the precursor material (A) is less than 50% by mass, the above-described inhibitory action is hardly exhibited, and the nonionic surfactant is added to the precursor material (A) at 500. Addition of more than% by mass is not preferable because the viscosity increases excessively. Therefore, the addition amount of the nonionic surfactant with respect to the precursor material (A) is set to a value within the above range.
また、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量は、前駆体材料(A)に含浸させる金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)の量(すなわち、前駆体材料(B)に内在させる金属元素(M)の量)を考慮して、適宜調整することが好ましい。例えば、後述する焼成工程の前に、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10〜1000となるように調整することが好ましく、50〜200となるように調整することがより好ましい。例えば、前駆体材料(A)に金属含有溶液を添加する前に、添加剤として界面活性剤を前駆体材料(A)に添加した場合、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、原子数比Si/Mに換算して50〜200とすることで、金属酸化物微粒子の金属元素(M)を、N2O分解用触媒構造体に対して0.5〜2.5質量%で含有させることができる。前駆体材料(B)の状態で、その細孔内部に存在する金属元素(M)の量は、金属含有溶液の金属濃度や、上記添加剤の有無、その他温度や圧力等の諸条件が同じであれば、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量に概ね比例する。また、前駆体材料(B)に内在する金属元素(M)の量は、N2O分解用触媒構造体の担体に内在する金属酸化物微粒子を構成する金属元素の量と比例関係にある。したがって、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を上記範囲に制御することにより、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液を十分に含浸させることができ、ひいては、N2O分解用触媒構造体の担体に内在させる金属酸化物微粒子の量を調整することができる。 The amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is the amount of the metal element (M) contained in the metal-containing solution impregnated in the precursor material (A) (that is, the precursor material (B It is preferable to adjust appropriately in consideration of the amount of the metal element (M) contained in (). For example, before the firing step described later, the addition amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to the precursor material (A), In terms of the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) (atomic number ratio Si / M), it is preferably adjusted to be 10 to 1000, and adjusted to be 50 to 200. It is more preferable. For example, when a surfactant is added as an additive to the precursor material (A) before the metal-containing solution is added to the precursor material (A), the addition of the metal-containing solution to be added to the precursor material (A) By converting the amount to 50 to 200 in terms of the atomic ratio Si / M, the metal element (M) of the metal oxide fine particles is 0.5 to 2 to the catalyst structure for N 2 O decomposition. It can be contained at 5% by mass. In the state of the precursor material (B), the amount of the metal element (M) present in the pores is the same as the metal concentration of the metal-containing solution, the presence or absence of the additive, and other conditions such as temperature and pressure. If so, it is roughly proportional to the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A). The amount of the metal element (M) present in the precursor material (B) is proportional to the amount of the metal element constituting the metal oxide fine particles present in the support of the catalyst structure for N 2 O decomposition. Therefore, by controlling the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) within the above range, the metal-containing solution can be sufficiently impregnated inside the pores of the precursor material (A), and thus The amount of the metal oxide fine particles contained in the support of the catalyst structure for N 2 O decomposition can be adjusted.
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させた後は、必要に応じて、洗浄処理を行ってもよい。洗浄溶液として、水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。また、前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させ、必要に応じて洗浄処理を行った後、さらに乾燥処理を施すことが好ましい。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、金属含有溶液に含まれる水分や、洗浄溶液の水分が、前駆体材料(A)に多く残った状態で、後述の焼成処理を行うと、前駆体材料(A)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥するのが好ましい。 After impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution, a cleaning treatment may be performed as necessary. As the cleaning solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solution thereof can be used. In addition, it is preferable to impregnate the precursor material (A) with a metal-containing solution and perform a cleaning treatment as necessary, followed by a drying treatment. Examples of the drying treatment include natural drying overnight or high temperature drying at 150 ° C. or lower. In addition, the regular mesopores of the precursor material (A) are obtained by performing the baking treatment described later in a state where a large amount of moisture contained in the metal-containing solution and the moisture of the cleaning solution remain in the precursor material (A). Since the skeletal structure as a substance may be broken, it is preferable to dry it sufficiently.
(ステップS3:焼成工程)
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
(Step S3: Firing step)
Next, the precursor material (B) obtained by impregnating the precursor material (A) for impregnating the porous material structure composed of the zeolite type compound with the metal-containing solution is calcined to obtain the precursor material (C). Get.
焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことが好ましい。このような焼成処理により、規則性メソ細孔物質の孔内に含浸された金属成分が結晶成長して、孔内で金属酸化物微粒子が形成される。 The firing treatment is preferably performed, for example, in the air at 350 to 850 ° C. for 2 to 30 hours. By such a baking treatment, the metal component impregnated in the pores of the regular mesoporous material grows in crystal, and metal oxide fine particles are formed in the pores.
(ステップS4:水熱処理工程)
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、N2O分解用触媒構造体を得る。
(Step S4: Hydrothermal treatment process)
Next, a mixed solution in which the precursor material (C) and the structure directing agent are mixed is prepared, and the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B) is hydrothermally treated, and N 2 A catalyst structure for O decomposition is obtained.
構造規定剤は、N2O分解用触媒構造体の担体の骨格構造を規定するための鋳型剤であり、例えば界面活性剤を用いることができる。構造規定剤は、N2O分解用触媒構造体の担体の骨格構造に応じて選択することが好ましく、例えばテトラメチルアンモニウムブロミド(TMABr)、テトラエチルアンモニウムブロミド(TEABr)、テトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr)等の界面活性剤が好適である。 The structure directing agent is a templating agent for defining the skeleton structure of the support of the catalyst structure for N 2 O decomposition, and for example, a surfactant can be used. The structure directing agent is preferably selected according to the skeleton structure of the support of the catalyst structure for N 2 O decomposition, for example, tetramethylammonium bromide (TMABr), tetraethylammonium bromide (TEABr), tetrapropylammonium bromide (TPABr) And the like are preferable.
前駆体材料(C)と構造規定剤との混合は、本水熱処理工程時に行ってもよいし、水熱処理工程の前に行ってもよい。また、上記混合溶液の調製方法は、特に限定されず、前駆体材料(C)と、構造規定剤と、溶媒とを同時に混合してもよいし、溶媒に前駆体材料(C)と構造規定剤とをそれぞれ個々の溶液に分散させた状態にした後に、それぞれの分散溶液を混合してもよい。溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、混合溶液は、水熱処理を行う前に、酸または塩基を用いてpHを調整しておくことが好ましい。 Mixing of the precursor material (C) and the structure directing agent may be performed during the main hydrothermal treatment step, or may be performed before the hydrothermal treatment step. Moreover, the preparation method of the said mixed solution is not specifically limited, A precursor material (C), a structure directing agent, and a solvent may be mixed simultaneously, or precursor material (C) and structure prescription | regulation are carried out to a solvent. After each agent is dispersed in each solution, each dispersion solution may be mixed. As the solvent, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used. In addition, the pH of the mixed solution is preferably adjusted using an acid or a base before hydrothermal treatment.
水熱処理は、公知の方法で行うことができ、例えば、密閉容器内で、80〜800℃、5時間〜240時間、0〜2000kPaの処理条件で行うことが好ましい。また、水熱処理は、塩基性雰囲気下で行われることが好ましい。ここでの反応メカニズムは必ずしも明らかではないが、前駆体材料(C)を原料として水熱処理を行うことにより、前駆体材料(C)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造は次第に崩れるが、前駆体材料(C)の細孔内部での金属酸化物微粒子の位置は概ね維持されたまま、構造規定剤の作用により、N2O分解用触媒構造体の担体としての新たな骨格構造(多孔質構造)が形成される。このようにして得られたN2O分解用触媒構造体は、多孔質構造の担体と、担体に内在する金属酸化物微粒子を備え、さらに担体はその多孔質構造により複数の孔が互いに連通した通路を有し、金属酸化物微粒子はその少なくとも一部分が担体の通路に存在している。本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料(C)を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することなく、前駆体材料(C)を水熱処理してもよい。 Hydrothermal treatment can be performed by a well-known method, for example, it is preferable to perform in 80-800 degreeC, 5 hours-240 hours, and processing conditions of 0-2000 kPa in an airtight container. The hydrothermal treatment is preferably performed in a basic atmosphere. Although the reaction mechanism here is not necessarily clear, by performing hydrothermal treatment using the precursor material (C) as a raw material, the skeleton structure of the precursor material (C) as a regular mesoporous material gradually collapses. While maintaining the position of the metal oxide fine particles inside the pores of the precursor material (C) in general, a new skeletal structure (porous) as a support for the catalyst structure for N 2 O decomposition is obtained by the action of the structure directing agent. Quality structure) is formed. The catalyst structure for N 2 O decomposition thus obtained comprises a porous structure carrier and metal oxide fine particles present in the carrier, and the carrier has a plurality of pores communicating with each other due to the porous structure. A metal oxide fine particle is present in the channel of the carrier. In the present embodiment, in the hydrothermal treatment step, a mixed solution in which the precursor material (C) and the structure directing agent are mixed is prepared and the precursor material (C) is hydrothermally treated. The precursor material (C) may be hydrothermally treated without mixing the precursor material (C) and the structure directing agent.
水熱処理後に得られる沈殿物(N2O分解用触媒構造体)は、回収(例えば、ろ別)後、必要に応じて洗浄、乾燥および焼成することが好ましい。洗浄溶液としては、水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、沈殿物に水分が多く残った状態で、焼成処理を行うと、N2O分解用触媒構造体の担体としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥するのが好ましい。また、焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことができる。このような焼成処理により、N2O分解用触媒構造体に付着していた構造規定剤が焼失する。また、N2O分解用触媒構造体は、使用目的に応じて、回収後の沈殿物を焼成処理することなくそのまま用いることもできる。例えば、N2O分解用触媒構造体の使用する環境が、酸化性雰囲気の高温環境である場合には、使用環境に一定時間晒すことで、構造規定剤は焼失し、焼成処理した場合と同様のN2O分解用触媒構造体が得られるので、そのまま使用することが可能となる。
It is preferable that the precipitate (catalyst structure for N 2 O decomposition) obtained after the hydrothermal treatment is washed, dried and calcined as necessary after collection (for example, filtration). As the cleaning solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solution thereof can be used. Examples of the drying treatment include natural drying overnight or high temperature drying at 150 ° C. or lower. In addition, if the calcination treatment is performed in a state where a large amount of moisture remains in the precipitate, the skeleton structure as a support of the catalyst structure for N 2 O decomposition may be broken. Moreover, a baking process can be performed on the process conditions of 350-850 degreeC and 2 to 30 hours, for example in the air. By such a calcination treatment, the structure directing agent adhering to the N 2 O decomposition catalyst structure is burned out. Further,
[N2O分解用触媒構造体の変形例]
図4は、図1のN2O分解用触媒構造体1の変形例を示す模式図である。
図1のN2O分解用触媒構造体1は、担体10と、担体10に内在する金属酸化物微粒子20とを備える場合を示しているが、この構成だけには限定されず、例えば、図4に示すように、N2O分解用触媒構造体2が、担体10の外表面10aに保持された他の金属酸化物微粒子30を更に備えていてもよい。
[Modification of N 2 O Decomposition Catalyst Structure]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a modification of the N 2 O
1 shows a case where the
この他の金属酸化物微粒子30は、一又は複数の触媒能を発揮する物質である。他の金属酸化物微粒子30が有する触媒能は、金属酸化物微粒子20が有する触媒能と同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、金属酸化物微粒子20,30の双方が同一の触媒能を有する物質である場合、他の金属酸化物微粒子30の材料は、金属酸化物微粒子20の材料と同一であってもよいし、異なっていてもよい。本構成によれば、N2O分解用触媒構造体2に保持されたN2O分解用触媒物質の含有量を増大することができ、N2O分解用触媒物質の触媒活性を更に促進することができる。
The other metal oxide
この場合、担体10に内在する金属酸化物微粒子20の含有量は、担体10の外表面10aに保持された他の金属酸化物微粒子30の含有量よりも多いことが好ましい。これにより、担体10の内部に保持された金属酸化物微粒子20による触媒能が支配的となり、安定的にN2O分解用触媒物質の触媒能が発揮される。
In this case, the content of the metal oxide
また、本発明において、上記N2O分解用触媒構造体を有するN2O除去装置が提供される。このようなN2O除去装置は、上記N2O分解用触媒構造体を利用して、N2O分子をN2とO2に分解して、N2O濃度を低減できるものであれば特に限定されるものではなく、通常使用される反応器等を使用することができる。本発明に係るN2O分解用触媒構造体をこのようなN2O除去装置に用いることにより、当該N2O除去装置も上記と同様の効果を奏することができる。 Further, in the present invention, N 2 O removal device having the N 2 O decomposing catalyst structure is provided. Such an N 2 O removing device is capable of reducing the N 2 O concentration by decomposing N 2 O molecules into N 2 and O 2 using the N 2 O decomposition catalyst structure. It does not specifically limit and the reactor etc. which are normally used can be used. By using the N 2 O decomposition catalyst structure according to the present invention for such an N 2 O removal apparatus, the N 2 O removal apparatus can also exhibit the same effects as described above.
以上、本発明の実施形態に係るN2O分解用触媒構造体及びその製造方法、並びに該N2O分解用触媒構造体を有するN2O除去装置について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。 Above, exemplary N 2 O decomposition catalyst structure and method of manufacturing the same according to the embodiment of the present invention, as well as have been described N 2 O removal device having the N 2 O decomposing catalyst structure for the present invention the above-described embodiment The present invention is not limited to the above, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention.
(実施例1〜384)
[前駆体材料(A)の合成]
シリカ剤(テトラエトキシシラン(TEOS)、和光純薬工業株式会社製)と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜pH調整を行い、密閉容器内で、80〜350℃、100時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水およびエタノールで洗浄し、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1〜8に示される種類および孔径の前駆体材料(A)を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料(A)の種類に応じて(「前駆体材料(A)の種類:界面活性剤」)以下のものを用いた。
・MCM−41:ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)(和光純薬工業株式会社製)
・SBA−1:Pluronic P123(BASF社製)
(Examples 1 to 384)
[Synthesis of Precursor Material (A)]
A mixed aqueous solution in which a silica agent (tetraethoxysilane (TEOS), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and a surfactant as a templating agent was mixed was prepared, pH was adjusted as appropriate, and 80 to 80 in a sealed container. Hydrothermal treatment was performed at 350 ° C. for 100 hours. Thereafter, the produced precipitate is filtered off, washed with water and ethanol, and further calcined in air at 600 ° C. for 24 hours to obtain a precursor material (A) having the types and pore sizes shown in Tables 1 to 8. Obtained. The following surfactants were used according to the type of the precursor material (A) (“type of precursor material (A): surfactant”).
MCM-41: hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・ SBA-1: Pluronic P123 (manufactured by BASF)
[前駆体材料(B)および(C)の作製]
次に、表1〜8に示される種類の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に応じて、該金属元素(M)を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、金属酸化物微粒子の種類に応じて(「金属酸化物微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
・CoOx:硝酸コバルト(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・NiOx:硝酸ニッケル(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・FeOx:硝酸鉄(III)九水和物(和光純薬工業株式会社製)
・ZnOx:硝酸亜鉛六水和物(和光純薬工業株式会社製)
[Preparation of precursor materials (B) and (C)]
Next, a metal salt containing the metal element (M) is dissolved in water according to the metal element (M) constituting the metal oxide fine particles of the types shown in Tables 1 to 8, and a metal-containing aqueous solution is obtained. Was prepared. The following metal salts were used according to the type of metal oxide fine particles (“metal oxide fine particles: metal salt”).
CoO x : Cobalt nitrate (II) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
NiO x : Nickel (II) nitrate hexahydrate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
FeO x : Iron (III) nitrate nonahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
ZnO x : zinc nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
次に、粉末状の前駆体材料(A)に、金属含有水溶液を複数回に分けて少量ずつ添加し、室温(20℃±10℃)で12時間以上乾燥させて、前駆体材料(B)を得た。 Next, the metal-containing aqueous solution is added to the powdery precursor material (A) in small portions in small portions, and dried at room temperature (20 ° C. ± 10 ° C.) for 12 hours or more to obtain the precursor material (B). Got.
なお、表1〜8に示す添加剤の有無の条件が「有り」の場合は、金属含有水溶液を添加する前の前駆体材料(A)に対して、添加剤としてのポリオキシエチレン(15)オレイルエーテル(NIKKOL BO−15V、日光ケミカルズ株式会社製)の水溶液を添加する前処理を行い、その後、上記のように金属含有水溶液を添加した。なお、添加剤の有無の条件で「無し」の場合については、上記のような添加剤による前処理は行っていない。 In addition, when the condition of the presence or absence of the additive shown in Tables 1 to 8 is “Yes”, polyoxyethylene (15) as an additive with respect to the precursor material (A) before adding the metal-containing aqueous solution A pretreatment of adding an aqueous solution of oleyl ether (NIKKOL BO-15V, manufactured by Nikko Chemicals Co., Ltd.) was performed, and then the metal-containing aqueous solution was added as described above. In the case of “None” in the presence or absence of the additive, the pretreatment with the additive as described above is not performed.
また、前駆体材料(A)に添加する金属含有水溶液の添加量は、該金属含有水溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算したときの数値が、表1〜8の値になるように調整した。 Moreover, the addition amount of the metal-containing aqueous solution added to the precursor material (A) is the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing aqueous solution ( The numerical values when converted to the atomic ratio (Si / M) were adjusted to the values shown in Tables 1-8.
次に、上記のようにして得られた金属含有水溶液を含浸させた前駆体材料(B)を、600℃、24時間、空気中で焼成して、前駆体材料(C)を得た。 Next, the precursor material (B) impregnated with the metal-containing aqueous solution obtained as described above was baked in air at 600 ° C. for 24 hours to obtain a precursor material (C).
[触媒構造体の合成]
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、表1〜8に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、80〜350℃、表1〜8に示すpHおよび時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、100℃で12時間以上乾燥させ、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1〜8に示す担体と触媒物質としての金属酸化物微粒子とを有する触媒構造体を得た(実施例1〜384)。
[Synthesis of catalyst structure]
The precursor material (C) obtained as described above and the structure directing agent shown in Tables 1 to 8 are mixed to prepare a mixed aqueous solution, and 80 to 350 ° C. and Tables 1 to 8 in a sealed container. Hydrothermal treatment was performed under the conditions of pH and time shown in FIG. Thereafter, the formed precipitate is filtered off, washed with water, dried at 100 ° C. for 12 hours or more, and further calcined in air at 600 ° C. for 24 hours. Catalyst structures having fine oxide particles were obtained (Examples 1 to 384).
(比較例1)
比較例1では、MFI型シリカライトに、平均粒径50nm以下の酸化コバルト粉末(II、III)(シグマ アルドリッチ ジャパン合同会社製)を混合し、担体としてのシリカライトの外表面に、触媒物質として酸化コバルト微粒子を付着させた触媒構造体を得た。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, cobalt oxide powder (II, III) (manufactured by Sigma Aldrich Japan Godo Kaisha) having an average particle size of 50 nm or less was mixed with MFI type silicalite, and on the outer surface of silicalite as a carrier, A catalyst structure to which cobalt oxide fine particles were adhered was obtained.
(比較例2)
比較例2では、酸化コバルト微粒子を付着させる工程を省略したこと以外は、比較例1と同様の方法にてMFI型シリカライトを合成した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, MFI type silicalite was synthesized by the same method as Comparative Example 1 except that the step of attaching the cobalt oxide fine particles was omitted.
[評価]
上記実施例の触媒構造体および比較例のシリカライトについて、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。
[Evaluation]
Various characteristics of the catalyst structures of the above examples and the silicalite of the comparative example were evaluated under the following conditions.
[A]断面観察
上記実施例の触媒構造体および比較例1の酸化コバルト微粒子付着シリカライトについて、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)(TITAN G2、FEI社製)を用いて、断面観察を行った。その結果、上記実施例の触媒構造体では、シリカライトまたはゼオライトからなる担体の内部に金属酸化物微粒子が内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例1のシリカライトでは、金属酸化物微粒子が担体の外表面に付着しているのみで、担体の内部には存在していなかった。
[A] Cross-sectional observation With respect to the catalyst structures of the above examples and the cobalt oxide fine particle-attached silicalite of Comparative Example 1, an observation sample was prepared by a pulverization method, and a transmission electron microscope (TEM) (TITA G2, manufactured by FEI) was used. Using this, cross-sectional observation was performed. As a result, in the catalyst structures of the above examples, it was confirmed that the metal oxide fine particles were inherently held inside the support made of silicalite or zeolite. On the other hand, in the silicalite of Comparative Example 1, the metal oxide fine particles were only attached to the outer surface of the carrier and were not present inside the carrier.
また、上記実施例のうち金属酸化物が酸化鉄微粒子(FeOx)である触媒構造体については、FIB(集束イオンビーム)加工により断面を切り出し、SEM(SU8020、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)、EDX(X−Max、株式会社堀場製作所製)を用いて断面元素分析を行った。その結果、担体内部からFe元素が検出された。上記TEMとSEM/EDXによる断面観察の結果から、担体内部に酸化鉄微粒子が存在していることが確認された。 Moreover, about the catalyst structure whose metal oxide is iron oxide fine particles (FeOx) among the said Example, a cross section is cut out by FIB (focused ion beam) processing, SEM (SU8020, Hitachi High-Technologies Corporation make), EDX (X-Max, manufactured by Horiba, Ltd.) was used for cross-sectional elemental analysis. As a result, Fe element was detected from inside the support. From the result of cross-sectional observation by the TEM and SEM / EDX, it was confirmed that iron oxide fine particles were present inside the carrier.
[B]担体の通路の平均内径および触媒物質の平均粒径
上記評価[A]で行った断面観察により撮影したTEM画像にて、担体の通路を、任意に500個選択し、それぞれの長径および短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し(N=500)、さらに内径の平均値を求めて、担体の通路の平均内径DFとした。また、触媒物質についても同様に、上記TEM画像から、触媒物質を、任意に500個選択し、それぞれの粒径を測定して(N=500)、その平均値を求めて、触媒物質の平均粒径DCとした。結果を表1〜8に示す。
[B] Average inner diameter of carrier passage and average particle diameter of catalyst substance In the TEM image taken by cross-sectional observation performed in the above evaluation [A], arbitrarily select 500 passages of the carrier, The short diameter was measured, the inner diameter was calculated from the average value (N = 500), and the average inner diameter was further calculated as the average inner diameter DF of the carrier passage. Similarly, for the catalyst material, 500 catalyst materials are arbitrarily selected from the TEM image, each particle size is measured (N = 500), an average value thereof is obtained, and the average of the catalyst materials is determined. I was having a particle diameter D C. The results are shown in Tables 1-8.
また、触媒物質の平均粒径及び分散状態を確認するため、SAXS(小角X線散乱)を用いて分析した。SAXSによる測定は、Spring−8のビームラインBL19B2を用いて行った。得られたSAXSデータは、Guinier近似法により球形モデルでフィッティングを行い、粒径を算出した。粒径は、金属酸化物が酸化鉄微粒子である触媒構造体について測定した。また、比較対象として、市販品である酸化鉄微粒子(Wako社製)をSEMにて観察、測定した。 Moreover, in order to confirm the average particle diameter and dispersion state of a catalyst substance, it analyzed using SAXS (small angle X-ray scattering). The SAXS measurement was performed using Spring-8 beam line BL19B2. The obtained SAXS data was fitted with a spherical model by the Guinier approximation method, and the particle size was calculated. The particle size was measured for a catalyst structure in which the metal oxide was iron oxide fine particles. Further, as a comparison object, commercially available iron oxide fine particles (manufactured by Wako) were observed and measured with an SEM.
この結果、市販品では粒径約50nm〜400nmの範囲で様々なサイズの酸化鉄微粒子がランダムに存在しているのに対し、TEM画像から求めた平均粒径が1.2nm〜2.0nmの各実施例の触媒構造体では、SAXSの測定結果においても粒径が10nm以下の散乱ピークが検出された。SAXSの測定結果とSEM/EDXによる断面の測定結果から、担体内部に、粒径10nm以下の触媒物質が、粒径が揃いかつ非常に高い分散状態で存在していることが分かった。 As a result, in the commercial product, iron oxide fine particles of various sizes are randomly present in the particle size range of about 50 nm to 400 nm, whereas the average particle size obtained from the TEM image is 1.2 nm to 2.0 nm. In the catalyst structure of each Example, a scattering peak having a particle size of 10 nm or less was detected in the SAXS measurement results. From the SAXS measurement result and the cross-sectional measurement result by SEM / EDX, it was found that a catalyst substance having a particle size of 10 nm or less was present in the carrier in a very dispersed state with a uniform particle size.
[C]金属含有溶液の添加量と担体内部に包接された金属量との関係
原子数比Si/M=50、100、200、1000(M=Co、Ni、Fe、Zn)の添加量で、金属酸化物微粒子を担体内部に包接させた触媒構造体を作製し、その後、上記添加量で作製された触媒構造体の担体内部に包接された金属量(質量%)を測定した。尚、本測定において原子数比Si/M=100、200、1000の触媒構造体は、それぞれ実施例1〜384のうちの原子数比Si/M=100、200、1000の触媒構造体と同様の方法で金属含有溶液の添加量を調整して作製し、原子数比Si/M=50の触媒構造体は、金属含有溶液の添加量を異ならせたこと以外は、原子数比Si/M=100、200、1000の触媒構造体と同様の方法で作製した。
[C] Relationship between the addition amount of the metal-containing solution and the amount of metal included in the support The addition amount of atomic ratio Si / M = 50, 100, 200, 1000 (M = Co, Ni, Fe, Zn) Then, a catalyst structure in which metal oxide fine particles were included in the inside of the support was prepared, and then the amount of metal (mass%) included in the support of the catalyst structure prepared in the above addition amount was measured. . In this measurement, the catalyst structure having an atomic ratio of Si / M = 100, 200, 1000 is the same as the catalyst structure having an atomic ratio of Si / M = 100, 200, 1000 in Examples 1 to 384, respectively. The catalyst structure having an atomic ratio Si / M = 50 was prepared by adjusting the amount of addition of the metal-containing solution by the method described above, except that the amount of addition of the metal-containing solution was changed. = 100, 200, 1000 It was prepared by the same method as the catalyst structure.
金属量の定量は、ICP(高周波誘導結合プラズマ)単体か、或いはICPとXRF(蛍光X線分析)を組み合わせて行った。XRF(エネルギー分散型蛍光X線分析装置「SEA1200VX」、エスエスアイ・ナノテクノロジー株式会社製)は、真空雰囲気、加速電圧15kV(Crフィルター使用)或いは加速電圧50kV(Pbフィルター使用)の条件で行った。XRFは、金属の存在量を蛍光強度で算出する方法であり、XRF単体では定量値(質量%換算)を算出できない。そこで、Si/M=100で金属を添加した触媒構造体の金属量は、ICP分析により定量し、Si/M=50および100未満で金属を添加した触媒構造体の金属量は、XRF測定結果とICP測定結果を元に算出した。 The amount of metal was determined by using ICP (high frequency inductively coupled plasma) alone or a combination of ICP and XRF (fluorescence X-ray analysis). XRF (energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer “SEA1200VX”, manufactured by SSI Nanotechnology Co., Ltd.) was performed under the conditions of a vacuum atmosphere, an acceleration voltage of 15 kV (using a Cr filter), or an acceleration voltage of 50 kV (using a Pb filter). . XRF is a method of calculating the abundance of a metal by fluorescence intensity, and a quantitative value (mass% conversion) cannot be calculated with XRF alone. Therefore, the amount of metal in the catalyst structure added with metal at Si / M = 100 was quantified by ICP analysis, and the amount of metal in the catalyst structure added with metal at Si / M = 50 and less than 100 was determined by XRF measurement results. And calculated based on the ICP measurement results.
この結果、少なくとも原子数比Si/Mが50〜1000の範囲内で、金属含有溶液の添加量の増加に伴って、触媒構造体に包接された金属量が増大していることが確認された。 As a result, it was confirmed that the amount of metal included in the catalyst structure increased as the amount of the metal-containing solution added increased at least in the atomic ratio Si / M in the range of 50 to 1000. It was.
[D]性能評価
上記実施例の触媒構造体および比較例のシリカライトについて、触媒物質がもつ触媒能(性能)を評価した。結果を表1〜8に示す。
[D] Performance Evaluation The catalytic ability (performance) of the catalyst material was evaluated for the catalyst structures of the above examples and the silicalite of the comparative example. The results are shown in Tables 1-8.
(1)触媒活性
触媒活性は、以下の条件で評価した。
(1) Catalytic activity The catalytic activity was evaluated under the following conditions.
まず、触媒構造体を、常圧流通式反応装置に0.5g充填して触媒層を形成し、下記ガス組成の反応ガスを空間速度10,000hr−1に調整して反応温度350℃にて亜酸化窒素(N2O)分解活性を測定した。 First, 0.5 g of the catalyst structure is charged into an atmospheric pressure flow reactor to form a catalyst layer, and a reaction gas having the following gas composition is adjusted to a space velocity of 10,000 hr −1 at a reaction temperature of 350 ° C. Nitrous oxide (N 2 O) decomposition activity was measured.
<合成ガスの組成>
N2O:300ppm、NO:50ppm、CO2:300ppm、O2:16%、H2O:10%、N2:バランス
<Composition of synthesis gas>
N 2 O: 300 ppm, NO: 50 ppm, CO 2 : 300 ppm, O 2 : 16%, H 2 O: 10%, N 2 : balance
反応終了後に、回収した生成ガスを、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC/MS)により成分分析した。なお、生成ガスの分析装置には、TRACE 1310GC(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器:熱伝導度検出器)を用いた。 After completion of the reaction, the collected product gas was subjected to component analysis by gas chromatography mass spectrometry (GC / MS). Note that TRACE 1310GC (manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd., detector: thermal conductivity detector) was used as a product gas analyzer.
触媒層の入口側及び出口側における合成ガス中の亜酸化窒素濃度をガスクロマトグラフにて測定し、下式によりN2O分解率を算出した。
N2O分解率(%)=100×(触媒層の入口側N2O濃度−触媒層の出口側N2O濃度)/触媒層の入口側N2O濃度
The concentration of nitrous oxide in the synthesis gas on the inlet side and outlet side of the catalyst layer was measured with a gas chromatograph, and the N 2 O decomposition rate was calculated according to the following equation.
N 2 O decomposition rate (%) = 100 × (catalyst layer inlet side N 2 O concentration−catalyst layer outlet side N 2 O concentration) / catalyst layer inlet side N 2 O concentration
上記合成ガスを導入してから20時間経過後の亜酸化窒素分解性能を測定した。 Nitrous oxide decomposition performance after 20 hours from the introduction of the synthesis gas was measured.
本実施例では、N2O分解率(%)が、75%以上である場合を触媒活性(N2O分解能)が優れていると判定して「◎」、60%以上75%未満である場合を触媒活性が良好であると判定して「○」、55%以上60%未満である場合を触媒活性が良好ではないものの合格レベル(可)であると判定して「△」、そして55%未満である場合を触媒活性が劣る(不可)と判定して「×」とした。 In this example, when the N 2 O decomposition rate (%) is 75% or more, it is determined that the catalytic activity (N 2 O resolution) is excellent, and “◎” is 60% or more and less than 75%. In the case where the catalytic activity is good, “◯” is judged, and in the case where the catalytic activity is 55% or more and less than 60%, the catalytic activity is not good, but the acceptable level is acceptable, “Δ”, and 55 The case where it was less than% was judged that the catalyst activity was inferior (impossible), and was set as “x”.
(2)耐久性(寿命)
耐久性は、以下の条件で評価した。
(2) Durability (life)
The durability was evaluated under the following conditions.
まず、上記評価(1)で使用した触媒構造体を回収し、650℃で、12時間加熱して、加熱後の触媒構造体を作製した。次に、得られた加熱後の触媒構造体を用いて、上記評価(1)と同様の方法により、N2O分解反応を行った。 First, the catalyst structure used in the evaluation (1) was collected and heated at 650 ° C. for 12 hours to produce a heated catalyst structure. Next, an N 2 O decomposition reaction was performed by the same method as in the evaluation (1) using the obtained catalyst structure after heating.
得られた分析結果に基づき、上記評価(1)と同様の方法で、N2O分解率を求めた。さらに、加熱前の触媒構造体による上記分解率(上記評価(1)で求めた分解率)と比較して、加熱後の触媒構造体による上記分解率が、どの程度維持されているかを比較した。具体的には、加熱前の触媒構造体による上記化合物の収率(上記評価(1)で求めた収率)に対する、上記加熱後の触媒構造体による上記化合物の収率(本評価(2)で求めた収率)の百分率(%)を算出した。 Based on the obtained analysis results, the N 2 O decomposition rate was determined by the same method as in the evaluation (1). Furthermore, compared with the above decomposition rate by the catalyst structure before heating (decomposition rate obtained in the above evaluation (1)), it was compared how much the above decomposition rate by the catalyst structure after heating was maintained. . Specifically, the yield of the compound by the catalyst structure after the heating (the present evaluation (2)) relative to the yield of the compound by the catalyst structure before the heating (the yield obtained in the evaluation (1)). The percentage (%) of the yield obtained in step 1) was calculated.
本実施例では、加熱後の触媒構造体による上記N2O分解率(本評価(2)で求めたN2O分解率)が、加熱前の触媒構造体による上記化合物のN2O分解率収率(上記評価(1)で求めたN2O分解率)に比べて、80%以上維持されている場合を耐久性(耐熱性)が優れていると判定して「◎」、60%以上80%未満維持されている場合を耐久性(耐熱性)が良好であると判定して「○」、40%以上60%未満維持されている場合を耐久性(耐熱性)が良好ではないものの合格レベル(可)であると判定して「△」、そして40%未満に低下している場合を耐久性(耐熱性)が劣る(不可)と判定して「×」とした。 In this embodiment, (N 2 O decomposition rate obtained in this evaluation (2)) said N 2 O decomposition rate by the catalyst structure after heating, N 2 O decomposition ratio of the compounds according to the catalyst structure before heating Compared to the yield (decomposition rate of N 2 O determined in the above evaluation (1)), when it is maintained at 80% or more, it is judged that durability (heat resistance) is excellent, “◎”, 60% The case where the durability (heat resistance) is maintained is less than 80% and the durability (heat resistance) is determined to be good, and the case where the durability is maintained from 40% to less than 60% is not good. It was determined that the product was at a pass level (possible), and “Δ”, and when it was less than 40%, the durability (heat resistance) was determined to be inferior (impossible), and “x” was assigned.
なお、比較例1〜2についても、上記評価(1)および(2)と同様の性能評価を行った。尚、比較例2は、担体そのものであり、触媒物質は有していない。そのため、上記性能評価では、触媒構造体に替えて、比較例2の担体のみを充填した。結果を表8に示す。 In addition, about Comparative Examples 1-2, the same performance evaluation as said evaluation (1) and (2) was performed. In addition, the comparative example 2 is a support | carrier itself, and does not have a catalyst substance. Therefore, in the performance evaluation, only the support of Comparative Example 2 was filled instead of the catalyst structure. The results are shown in Table 8.
表1〜8から明らかなように、断面観察により担体の内部に触媒物質が保持されていることが確認された触媒構造体(実施例1〜384)は、単に触媒物質が担体の外表面に付着しているだけの触媒構造体(比較例1)および触媒物質を何ら有していない担体そのもの(比較例2)と比較して、N2Oの分解反応において優れた触媒活性を示し、触媒としての耐久性にも優れていることが分かった。 As is apparent from Tables 1 to 8, the catalyst structures (Examples 1 to 384) in which the catalyst substance was confirmed to be retained inside the support by cross-sectional observation were simply put on the outer surface of the support. Compared with the catalyst structure (Comparative Example 1) that is only attached and the carrier itself (Comparative Example 2) that does not have any catalytic substance, it exhibits excellent catalytic activity in the decomposition reaction of N 2 O. As a result, it was found to be excellent in durability.
また、上記評価[C]で測定された触媒構造体の担体内部に包接された金属量(質量%)と、上記評価(1)の触媒活性との関係を評価した。評価方法は、上記[D]「性能評価」における「(1)触媒活性」で行った評価方法と同じとした。その結果、各実施例において、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量が、原子数比Si/Mに換算して50〜200(触媒構造体に対する金属酸化物微粒子の金属元素(M)の含有量が0.5〜2.5質量%)であると、N2Oの分解反応において触媒活性が向上する傾向にあることが分かった。 Further, the relationship between the amount of metal (mass%) included in the support of the catalyst structure measured in the evaluation [C] and the catalytic activity in the evaluation (1) was evaluated. The evaluation method was the same as the evaluation method performed in “(1) Catalytic activity” in [D] “Performance evaluation”. As a result, in each Example, the addition amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is 50 to 200 in terms of the atomic ratio Si / M (the metal element of the metal oxide fine particles with respect to the catalyst structure) It was found that the catalyst activity tends to be improved in the decomposition reaction of N 2 O when the content of (M) is 0.5 to 2.5 mass%.
一方、担体の外表面にのみ触媒物質を付着させた比較例1の触媒構造体は、触媒物質を何ら有していない比較例2の担体そのものと比較して、N2Oの分解反応における触媒活性は改善されるものの、実施例1〜384の触媒構造体に比べて、触媒としての耐久性は劣っていた。 On the other hand, the catalyst structure of Comparative Example 1 in which the catalyst material is attached only to the outer surface of the carrier is a catalyst in the decomposition reaction of N 2 O as compared with the carrier of Comparative Example 2 that does not have any catalyst material. Although the activity was improved, the durability as a catalyst was inferior to the catalyst structures of Examples 1 to 384.
上記結果より、本発明に係るN2O分解用触媒構造体は、N2Oの分解反応において優れた触媒活性を示し、触媒としての耐久性に優れると推察することができる。 From the above results, it can be inferred that the catalyst structure for N 2 O decomposition according to the present invention exhibits excellent catalytic activity in the decomposition reaction of N 2 O and is excellent in durability as a catalyst.
1 N2O分解用触媒構造体
10 担体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 金属酸化物微粒子
30 金属酸化物微粒子
DC 平均粒径
DF 平均内径
DE 内径
1 N 2 O decomposition catalyst structure for 10
Claims (22)
前記担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物と、
を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記金属酸化物が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする、N2O分解用触媒構造体。 A porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
At least one metal oxide inherent in the support;
With
The carrier has passages communicating with each other;
The catalyst structure for N 2 O decomposition, wherein the metal oxide is present in at least the passage of the carrier.
前記金属酸化物が、少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、請求項1に記載のN2O分解用触媒構造体。 The passage is any one of a one-dimensional hole, a two-dimensional hole, and a three-dimensional hole defined by a skeleton structure of the zeolite-type compound, and any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. and a different diameter portion also, and the metal oxide, characterized in that it is present in at least the enlarged diameter portion, N 2 O decomposition catalyst structure according to claim 1.
前記拡径部の内径は、0.5nm〜50nmであることを特徴とする、請求項2〜11のいずれか1項に記載のN2O分解用触媒構造体。 An average inner diameter of the passage is 0.1 nm to 1.5 nm,
12. The catalyst structure for N 2 O decomposition according to claim 2, wherein an inner diameter of the expanded portion is 0.5 nm to 50 nm.
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とする、N2O分解用触媒構造体の製造方法。 A firing step of firing the precursor material (B) obtained by impregnating the precursor material (A) with a metal-containing solution to obtain a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
A hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B);
It characterized by having a method for producing a N 2 O decomposition catalyst structure.
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