JP2012115769A - Catalyst, and method of producing catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CuOおよびCuAl2O4を含む触媒およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst containing CuO and CuAl 2 O 4 and a method for producing the same.
銅亜鉛酸化物触媒(Cu/Zn系酸化物触媒)は、水性ガスシフト反応(CO+H2O→CO2+H2)において高い活性と優れた選択性を示し、貴金属を活性種とする触媒と比較して安価であるため、水性ガスシフト反応用の触媒として広く利用されている。しかしながら、Cu/Zn系酸化物触媒は、耐酸化性、耐シンタリング性が低く、劣化し易い点に課題があり、貴金属レスの高耐久性水性ガスシフト反応用の触媒の開発が進められている。 The copper zinc oxide catalyst (Cu / Zn-based oxide catalyst) shows high activity and excellent selectivity in the water gas shift reaction (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ), compared with a catalyst using a noble metal as an active species. And it is widely used as a catalyst for water gas shift reaction. However, Cu / Zn-based oxide catalysts have problems in that they are low in oxidation resistance and sintering resistance and easily deteriorate, and development of catalysts for noble metal-less highly durable water gas shift reactions is being promoted. .
Cu/Zn系酸化物触媒と同様に銅酸化物等を活性種とする触媒として、例えば、特許文献1、特許文献2および非特許文献1に記載されているように、アルミナ担持Cu触媒が開発されている。アルミナ担持Cu触媒は、アルミナを担体とし、CuO(酸化銅(II))と、スピネル結晶構造を有するCuAl2O4(アルミン酸銅)が担持されている触媒である。アルミナ担持Cu触媒は、例えば、非特許文献1に記載されているように、γ−アルミナにCuの硝酸塩等を含浸させて、700℃程度以上の高い温度で焼成することによって製造される。 As described in Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1, for example, an alumina-supported Cu catalyst has been developed as a catalyst having copper oxide or the like as an active species in the same manner as the Cu / Zn-based oxide catalyst. Has been. The alumina-supported Cu catalyst is a catalyst in which CuO (copper (II) oxide) and CuAl 2 O 4 (copper aluminate) having a spinel crystal structure are supported using alumina as a carrier. For example, as described in Non-Patent Document 1, the alumina-supported Cu catalyst is produced by impregnating γ-alumina with Cu nitrate or the like and calcining at a high temperature of about 700 ° C. or higher.
しかしながら、従来のアルミナ担持Cu触媒の触媒活性は、従来のCu/Zn系酸化物触媒(例えば、ズードケミー社製のMDC7)と比較して十分に高いとはいえず、触媒活性を向上させる取り組みが行われている。例えば、特許文献1には、触媒活性を向上させるために、触媒に、Ce,Ba,Mn,Co,Zn,Ni,アルカリ金属およびアルカリ土類金属の塩または酸化物をさらに加えることが記載されており、特許文献2には、触媒にTi,Znをさらに加えることが記載されている。 However, the catalytic activity of the conventional alumina-supported Cu catalyst is not sufficiently high as compared with the conventional Cu / Zn-based oxide catalyst (for example, MDC7 manufactured by Zude Chemie). Has been done. For example, Patent Document 1 describes that a salt or oxide of Ce, Ba, Mn, Co, Zn, Ni, alkali metal and alkaline earth metal is further added to the catalyst in order to improve the catalytic activity. Patent Document 2 describes that Ti and Zn are further added to the catalyst.
本発明者らは、鋭意研究の結果、アルミナ担持Cu触媒の製造工程において、担体として用いられるアルミナにAl以外の金属の酸化物を共存させることによって、CuOと、CuAl2O4とを含むアルミナ担持Cu触媒の触媒活性および熱安定性が向上することを見出した。 As a result of intensive studies, the inventors have made alumina containing CuO and CuAl 2 O 4 by making an oxide of a metal other than Al coexist in alumina used as a support in the production process of an alumina-supported Cu catalyst. It has been found that the catalytic activity and thermal stability of the supported Cu catalyst are improved.
本発明は、Al2O3と、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分とを担体として含み、前記担体にCuOおよびCuAl2O4が担持されている触媒を提供する。 The present invention includes a catalyst containing Al 2 O 3 and at least one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf as a support, and CuO and CuAl 2 O 4 supported on the support. provide.
前記金属成分は、Zrであってもよい。また、前記CuAl2O4はスピネル結晶構造を有していることが好ましい。また、上記の触媒は、Cu−Kα線によるX線回折パターンにおいて、CuOおよびCuAl2O4に帰属する回折ピークを有し、且つα−アルミナに帰属する回折ピークを有さないことが好ましい。 The metal component may be Zr. The CuAl 2 O 4 preferably has a spinel crystal structure. The above-mentioned catalyst, in X-ray diffraction pattern by Cu-K [alpha line, a plurality of diffraction peaks attributed to CuO and CuAl 2 O 4, and preferably has no diffraction peak attributable to α- alumina.
本発明が提供する触媒製造方法は、アルミニウム化合物と、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分を含む化合物との混合物を第1焼成温度で焼成して、第1中間体を製造する第1工程と、第1工程で得られた前記第1中間体と銅化合物との混合物を第2焼成温度で焼成して、CuOおよびCuAl2O4を含む触媒を製造する第2工程とを有しており、第1焼成温度は、第2焼成温度よりも低い。 The method for producing a catalyst provided by the present invention includes calcining a mixture of an aluminum compound and a compound containing at least one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf at a first calcining temperature, A first step for producing an intermediate and a mixture of the first intermediate and the copper compound obtained in the first step are fired at a second firing temperature to produce a catalyst containing CuO and CuAl 2 O 4. A first firing temperature is lower than the second firing temperature.
上記の触媒製造方法において、第2焼成温度は、700℃以上かつ1200℃以下であることが好ましい。また、第1焼成温度は、100℃以上であることが好ましい。 In the above catalyst production method, the second calcination temperature is preferably 700 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. Moreover, it is preferable that a 1st baking temperature is 100 degreeC or more.
本発明によれば、触媒活性および熱安定性が高い、アルミナ担持Cu触媒およびその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an alumina carrying | support Cu catalyst with high catalyst activity and thermal stability and its manufacturing method can be provided.
(アルミナ担持Cu触媒)
本明細書が開示する触媒は、Al2O3と、Zr(ジルコニウム),Ti(チタン),Hf(ハフニウム),Rf(ラザホージウム)から選択される少なくともいずれか一種の金属成分とを担体として含み、前記担体にCuOおよびCuAl2O4が担持されているアルミナ担持Cu触媒である。より具体的には、前記金属成分は、ZrO2,TiO2,HfO2,RfO2のうちの1つまたは2以上の金属酸化物、またはZr,Ti,Hf,Rfのうちの1つまたは2以上とAlとの複合酸化物として、触媒中に含有されることが好ましい。Zr,Ti,Hf,Rfはいずれも周期律表の4族に属する金属元素であるという点で共通するが、コスト等の観点から、Zr,Tiを好適に用いることができ、触媒中にZrO2,TiO2として含有されていることが好ましい。また、上記触媒中のCuAl2O4はスピネル結晶構造を有していることが好ましく、Al2O3は、主としてγ−アルミナとして上記触媒中に含まれていることが好ましい。上記触媒は、Cu−Kα線によるX線回折パターンにおいて、CuOおよびCuAl2O4に帰属する回折ピークを有し、且つα−アルミナに帰属する回折ピークを有さないことが好ましい。
(Alumina-supported Cu catalyst)
The catalyst disclosed in this specification includes Al 2 O 3 and at least one metal component selected from Zr (zirconium), Ti (titanium), Hf (hafnium), and Rf (razahodium) as a support. , An alumina-supported Cu catalyst in which CuO and CuAl 2 O 4 are supported on the carrier. More specifically, the metal component is one or more metal oxides of ZrO 2 , TiO 2 , HfO 2 , RfO 2 , or one or two of Zr, Ti, Hf, Rf. The composite oxide of the above and Al is preferably contained in the catalyst. Zr, Ti, Hf, and Rf are common in that all are metal elements belonging to Group 4 of the periodic table, but Zr and Ti can be suitably used from the viewpoint of cost and the like, and ZrO can be used in the catalyst. 2, it is preferably contained as TiO 2. Further, CuAl 2 O 4 in said catalyst preferably has a spinel crystal structure, Al 2 O 3 is is preferably contained in the above-mentioned catalyst mainly as γ- alumina. The catalyst preferably has a diffraction peak attributed to CuO and CuAl 2 O 4 and does not have a diffraction peak attributed to α-alumina in an X-ray diffraction pattern by Cu-Kα rays.
上記のアルミナ担持Cu触媒は、Al2O3に加えて、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分をさらに担体としてさらに含むことにより、その担体に担持されるCuOおよびCuAl2O4によって得られる触媒活性を向上させるとともに、触媒の熱安定性を向上させることが可能となるものである。 The above-mentioned alumina-supported Cu catalyst further includes at least one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf as a support in addition to Al 2 O 3 , so that CuO supported on the support can be obtained. And the catalytic activity obtained by CuAl 2 O 4 can be improved, and the thermal stability of the catalyst can be improved.
CuOおよびCuAl2O4を含むアルミナ担持Cu触媒は、CuOとCuAl2O4が共存することによって、高い触媒活性を得ることができる。より具体的には、CuAl2O4が生成されることによってCuOが微粒子化し、これによって触媒活性が向上するとの報告がなされている(非特許文献1)。CuAl2O4は、触媒前駆体を高温下で焼成する等の処理を行い、CuOの一部をAl2O3と反応させることによって生成させることができる。一方で、触媒活性を得るためには、CuOが触媒中に残存している必要があるため、CuAl2O4を生成する反応をある程度抑制する必要がある。また、高温下で焼成を行うと、担体であるAl2O3がγ―アルミナからα―アルミナに相転移し、これによっても触媒活性が低下する。 Alumina-supported Cu catalyst containing CuO and CuAl 2 O 4, by the CuO and CuAl 2 O 4 coexist, it is possible to obtain a high catalytic activity. More specifically, it has been reported that CuAl 2 O 4 is produced to form fine particles of CuO, thereby improving the catalytic activity (Non-patent Document 1). CuAl 2 O 4 can be produced by performing a treatment such as baking the catalyst precursor at a high temperature and reacting a part of CuO with Al 2 O 3 . On the other hand, in order to obtain catalytic activity, CuO needs to remain in the catalyst. Therefore, it is necessary to suppress the reaction that generates CuAl 2 O 4 to some extent. In addition, when calcination is performed at a high temperature, the carrier Al 2 O 3 undergoes a phase transition from γ-alumina to α-alumina, which also reduces the catalytic activity.
本明細書に開示するアルミナ担持Cu触媒では、Al2O3に加えて、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分を担体としてさらに含むため、触媒前駆体を高温下で焼成を行った場合にも、CuAl2O4を生成する反応が抑制されてCuOおよびCuAl2O4が共存する状態が維持されるとともに、担体として含まれるAl2O3とがγ―アルミナからα―アルミナに相転移することが抑制される。これによって、触媒活性を向上させるとともに、触媒の熱安定性を向上させることが可能となる。 In the alumina-supported Cu catalyst disclosed in the present specification, in addition to Al 2 O 3 , at least any one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf is further included as a support. In the case of firing at a lower temperature, the reaction of generating CuAl 2 O 4 is suppressed and the coexistence state of CuO and CuAl 2 O 4 is maintained, and Al 2 O 3 contained as a carrier is γ− Phase transition from alumina to α-alumina is suppressed. As a result, the catalyst activity can be improved and the thermal stability of the catalyst can be improved.
本明細書が開示する上記のアルミナ担持Cu触媒は、従来のアルミナ担持Cu触媒によって得られるCuに由来する触媒活性および熱安定性を向上させるものであるから、従来のアルミナ担持Cu触媒が触媒活性を示す反応系(例えば、水性ガスシフト反応、メタノール合成反応(主反応式:CO+2H2→CH3OHおよびCO2+3H2→CH3OH+H2O)、メタノールからの水素生成反応、NOx除去反応)に好適に用いることができる。 Since the above-mentioned alumina-supported Cu catalyst disclosed in the present specification improves the catalytic activity and thermal stability derived from Cu obtained by the conventional alumina-supported Cu catalyst, the conventional alumina-supported Cu catalyst has a catalytic activity. (For example, water gas shift reaction, methanol synthesis reaction (main reaction formula: CO + 2H 2 → CH 3 OH and CO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O), hydrogen generation reaction from methanol, NOx removal reaction) It can be used suitably.
本明細書が開示する触媒製造方法は、アルミニウム化合物と、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分を含む化合物との混合物を第1焼成温度で焼成して、第1中間体を製造する第1工程と、第1工程で得られた前記第1中間体と銅化合物との混合物を第2焼成温度で焼成して、CuOおよびCuAl2O4を含む触媒を製造する第2工程とを有しており、第1焼成温度は、第2焼成温度よりも低い。 The method for producing a catalyst disclosed in this specification includes calcining a mixture of an aluminum compound and a compound containing at least one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf at a first calcining temperature, A first step for producing one intermediate and a mixture of the first intermediate and the copper compound obtained in the first step are fired at a second firing temperature to produce a catalyst containing CuO and CuAl 2 O 4 The first firing temperature is lower than the second firing temperature.
この触媒製造方法によれば、Al2O3と、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分とを担体として含み、前記担体にCuOおよびCuAl2O4が担持されているアルミナ担持Cu触媒を製造することができる。 According to this catalyst manufacturing method, Al 2 O 3 and at least one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf are included as a support, and CuO and CuAl 2 O 4 are supported on the support. Alumina-supported Cu catalyst can be produced.
第1工程では、Alと、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分とを含む第1中間体が製造される。第1工程で用いられるアルミニウム化合物としては、アルミニウムの硝酸塩、硫酸塩、塩化物、アルミン酸塩等を好適に利用することができ、硝酸塩がより好ましい。前記金属成分を含む化合物は、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分の硝酸塩、硫酸塩、塩化物等を好適に利用することができ、硝酸塩または塩化物がより好ましい。 In the first step, a first intermediate containing Al and at least one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf is manufactured. As the aluminum compound used in the first step, aluminum nitrate, sulfate, chloride, aluminate and the like can be suitably used, and nitrate is more preferable. As the compound containing the metal component, nitrates, sulfates, chlorides, and the like of at least one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf can be suitably used. preferable.
第1工程では、アルミニウム化合物および前記金属成分を含む化合物を混合する方法としては、例えば乾式、湿式のいずれで混合してもよい。使用するアルミニウム化合物および前記金属成分を含む化合物によって、混合方法を適宜選択することができる。湿式でアルミニウム化合物と前記金属成分を含む化合物とを混合することが好ましく、より均質な第1中間体を製造するという観点からは、共沈法を用いることがより好ましい。 In the first step, the aluminum compound and the compound containing the metal component may be mixed by, for example, either dry or wet methods. The mixing method can be appropriately selected depending on the aluminum compound to be used and the compound containing the metal component. It is preferable to mix the aluminum compound and the compound containing the metal component in a wet manner, and it is more preferable to use a coprecipitation method from the viewpoint of producing a more homogeneous first intermediate.
前記金属成分を含む化合物の混合比XA(M)を、前記金属成分原子の個数A(M)とアルミニウム原子の個数A(Al)を用いて、下記式(1)によって表した場合に、混合比XA(M)は、0<XA(M)≦10%であることが好ましく、1%≦XA(M)≦5%であることがより好ましい。 When the mixing ratio XA (M) of the compound containing the metal component is expressed by the following formula (1) using the number A (M) of metal component atoms and the number A (Al) of aluminum atoms, The ratio XA (M) is preferably 0 <XA (M) ≦ 10%, and more preferably 1% ≦ XA (M) ≦ 5%.
XA(M)[%]=A(M)×100/(A(M)+A(Al)) …(1) XA (M) [%] = A (M) × 100 / (A (M) + A (Al)) (1)
第1工程で行われる焼成は、酸化雰囲気下(例えば、空気雰囲気下)で行われることが好ましく、これによって、Alの酸化物、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分の酸化物、またはこれらの複合酸化物等を含む第1中間体を製造することができる。 The firing performed in the first step is preferably performed in an oxidizing atmosphere (for example, in an air atmosphere), whereby at least one selected from Al oxide, Zr, Ti, Hf, and Rf. A first intermediate containing an oxide of a metal component or a composite oxide thereof can be produced.
第2工程では、第1工程で得られた前記第1中間体と銅化合物との混合物を第2焼成温度で焼成して、CuOおよびCuAl2O4を含む触媒を製造する。 In the second step, the mixture of the first intermediate and the copper compound obtained in the first step is fired at a second firing temperature to produce a catalyst containing CuO and CuAl 2 O 4 .
銅の混合率XW(Cu)を、第2工程後に得られた触媒の重量をW(Cat)と、この触媒に含まれる銅の重量をW(Cu)を用いて、下記式(2)によって表した場合に、混合率XW(Cu)は、1wt%≦XW(Cu)≦30wt%であることが好ましく、5wt%≦XW(Cu)≦20wt%であることがより好ましい。 The copper mixing ratio XW (Cu) is expressed by the following formula (2) using W (Cat) as the weight of the catalyst obtained after the second step and W (Cu) as the weight of the copper contained in the catalyst. When expressed, the mixing ratio XW (Cu) is preferably 1 wt% ≦ XW (Cu) ≦ 30 wt%, and more preferably 5 wt% ≦ XW (Cu) ≦ 20 wt%.
XW(Cu)[wt%]=W(Cu)×100/W(Cat)…(2) XW (Cu) [wt%] = W (Cu) × 100 / W (Cat) (2)
第2工程においても、第1工程と同様に、焼成は、酸化雰囲気下で行われることが好ましく、これによって、CuOおよびCuAl2O4、担体であるAlの酸化物、Zr,Ti,Hf,Rfから選択される少なくともいずれか一種の金属成分の酸化物、またはこれらの複合酸化物等を含むアルミナ担持Cu触媒を製造することができる。 Also in the second step, as in the first step, the firing is preferably performed in an oxidizing atmosphere, whereby CuO and CuAl 2 O 4 , oxides of Al as carriers, Zr, Ti, Hf, An alumina-supported Cu catalyst containing an oxide of at least one metal component selected from Rf or a composite oxide thereof can be produced.
上記の触媒製造方法において、第2焼成温度は、700℃以上かつ1200℃以下であることが好ましく、700℃以上かつ900℃以下であることが特に好ましい。第1焼成温度は、第2焼成温度よりも低い温度に設定すればよく、100℃以上の範囲で設定することが好ましい。例えば、第2焼成温度が700℃である場合には、100℃以上700℃未満の範囲で設定することが好ましい。 In the above catalyst production method, the second calcination temperature is preferably 700 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, and particularly preferably 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. What is necessary is just to set 1st baking temperature to temperature lower than 2nd baking temperature, and it is preferable to set in the range of 100 degreeC or more. For example, when the second baking temperature is 700 ° C., it is preferably set in a range of 100 ° C. or more and less than 700 ° C.
実施例においては、担体として含まれる金属成分Mがジルコニウム(Zr)である場合を例示して説明する。
(原料)
第1工程、第2工程では、下記の試薬を原料として用いた。また、溶媒として、Milli−Q水製造装置(日本ミリポア株式会社製)によって精製した超純水を使用した。
Al(NO3)3・9H2O :特級、関東化学株式会社製
ZrO(NO3)2・2H2O:特級、関東化学株式会社製
Cu(NO3)2・3H2O :特級、関東化学株式会社製
アンモニア水 :特級、関東化学株式会社製
In the examples, the case where the metal component M contained as a support is zirconium (Zr) will be described as an example.
(material)
In the first step and the second step, the following reagents were used as raw materials. Moreover, the ultrapure water refine | purified with the Milli-Q water manufacturing apparatus (made by Nippon Millipore Corporation) was used as a solvent.
Al (NO 3) 3 · 9H 2 O: special grade, Kanto Chemical Co. ZrO (NO 3) 2 · 2H 2 O: special grade, Kanto Chemical Co. Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O: special grade, Kanto Ammonia water manufactured by Chemical Co., Ltd.
(Cu/AZr1触媒の製造)
(第1工程)
実施例1では、XA(M)=1%であるアルミナ担持Cu触媒(以下、本明細書等ではCu/AZr1触媒という)について説明する。実施例1では、XA(M)=1%の条件で第1中間体を8.0g製造する方法を例示して説明する。
(Manufacture of Cu / AZr1 catalyst)
(First step)
Example 1 describes an alumina-supported Cu catalyst (hereinafter referred to as a Cu / AZr1 catalyst in the present specification and the like) in which XA (M) = 1%. Example 1 illustrates and describes a method for producing 8.0 g of the first intermediate under the condition of XA (M) = 1%.
アルミニウム化合物としてAl(NO3)3・9H2Oを58.614g秤量し、金属成分を含む化合物としてZrO(NO3)2・2H2Oを0.418g秤量して、500mlのビーカーに入れ、溶媒として超純水を加え、水溶液の全重量が300gとなるように調整した。この水溶液を攪拌子によって強く攪拌しながらアンモニア水を滴下し、pH=8.5となるように調整した。なお、アンモニア水を滴下するに際しては、pH=8程度になるまでは上記のアンモニア水を試薬のまま滴下し、それ以降は、微調整のために、上記のアンモニア水を5倍に希釈したものを滴下した。得られたゲルを2時間静置した後、上澄み液のpHが7以下になるまで、遠心分離と水洗を繰り返した。水を除去した後、150℃で一晩(約12時間)乾燥させて、得られた固形物(AlOOHとZr(OH)4の混合物)をアルミナ製の乳鉢で約10分間粉砕した。粉砕した固形物を焼成炉に入れて、昇温速度5℃/minで第1焼成温度まで昇温し、第1焼成温度で3時間焼成した。第1焼成温度は、500℃とした。これによって、第1中間体(γ−Al2O3とZrO2との混合物)を得た。焼成炉としてはボックス炉を用い、空気雰囲気下で焼成した。 Weigh 58.614 g of Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O as an aluminum compound, weigh 0.418 g of ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O as a compound containing a metal component, and place it in a 500 ml beaker. Ultrapure water was added as a solvent, and the total weight of the aqueous solution was adjusted to 300 g. While this aqueous solution was vigorously stirred with a stir bar, aqueous ammonia was added dropwise to adjust pH = 8.5. In addition, when dropping the ammonia water, the above ammonia water is dropped as a reagent until the pH reaches about 8, and thereafter, the above ammonia water is diluted 5 times for fine adjustment. Was dripped. After the obtained gel was allowed to stand for 2 hours, centrifugation and washing were repeated until the pH of the supernatant became 7 or less. After removing water, it was dried at 150 ° C. overnight (about 12 hours), and the obtained solid (mixture of AlOOH and Zr (OH) 4 ) was pulverized in an alumina mortar for about 10 minutes. The pulverized solid was put in a firing furnace, heated to the first firing temperature at a temperature rising rate of 5 ° C./min, and fired at the first firing temperature for 3 hours. The first firing temperature was 500 ° C. As a result, a first intermediate (a mixture of γ-Al 2 O 3 and ZrO 2 ) was obtained. A box furnace was used as the firing furnace, and firing was performed in an air atmosphere.
(第2工程)
銅化合物としてCu(NO3)2・3H2Oを用いて、XW(Cu)=5,10,15,20wt%となるように、それぞれ0.40g,0.84g,1.34g,1.90g秤量して100mlビーカーに入れ、超純水を加えて60mlとし、4種類のCu含有水溶液を調整した。第1中間体は、150℃で1時間乾燥させた後に2.0gずつ秤量し、それぞれのCu含有水溶液に加えた。攪拌子を用いてCu含有水溶液を室温で30分間攪拌した後、加熱して蒸発乾固させ、固形物を得た。得られた固形物をさらに150℃で一晩乾燥させた後、メノウ乳鉢を用いて10分程度粉砕し、混合した。粉砕・混合した固形物を焼成炉に入れて、昇温速度5℃/minで第2焼成温度まで昇温し、第2焼成温度で8時間焼成した。焼成炉としてはボックス炉を用い、空気雰囲気下で焼成した。第2焼成温度は、700,750,800,850,900℃に設定した。これによって、Cu/AZr1触媒である触媒1〜触媒14を製造した。
(Second step)
Using Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O as the copper compound, 0.40 g, 0.84 g, 1.34 g, and 1.50 g, respectively, so that XW (Cu) = 5, 10, 15, and 20 wt%. 90 g was weighed and placed in a 100 ml beaker, and ultrapure water was added to make 60 ml, and four types of Cu-containing aqueous solutions were prepared. The first intermediate was dried at 150 ° C. for 1 hour, weighed 2.0 g, and added to each Cu-containing aqueous solution. The Cu-containing aqueous solution was stirred at room temperature for 30 minutes using a stirrer and then heated to evaporate to dryness to obtain a solid. The obtained solid was further dried overnight at 150 ° C., and then ground and mixed for about 10 minutes using an agate mortar. The pulverized and mixed solid matter was put into a firing furnace, heated to the second firing temperature at a heating rate of 5 ° C./min, and fired at the second firing temperature for 8 hours. A box furnace was used as the firing furnace, and firing was performed in an air atmosphere. The second firing temperature was set to 700, 750, 800, 850, and 900 ° C. Thus, Catalyst 1 to Catalyst 14 which are Cu / AZr1 catalysts were produced.
(第1工程)
実施例2では、XA(M)=5%であるアルミナ担持Cu触媒(以下、本明細書等ではCu/AZr5触媒という)について説明する。実施例2では、実施例1を参考に、上記式(1)に基づいてXA(M)=5%の場合のAl(NO3)3・9H2OおよびZrO(NO3)2・2H2Oの重量を計算し、Al(NO3)3・9H2Oを53.271g、ZrO(NO3)2・2H2Oを1.977g、それぞれ秤量して、500mlビーカーに入れた。その後の工程については、実施例1と同様に行った。これによって、第1中間体を製造した。
(First step)
In Example 2, an alumina-supported Cu catalyst having XA (M) = 5% (hereinafter referred to as a Cu / AZr5 catalyst in this specification and the like) will be described. In Example 2, referring to Example 1, Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O and ZrO (NO 3 ) 2 · 2H 2 when XA (M) = 5% based on the above formula (1) The weight of O was calculated, 53.271 g of Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O and 1.977 g of ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O were weighed and placed in a 500 ml beaker. Subsequent steps were performed in the same manner as in Example 1. This produced a first intermediate.
(第2工程)
XW(Cu)=20wt%の条件でCu含有水溶液を調製し、実施例1と同様に第2工程を行った。第2焼成温度は、700,800,900℃でそれぞれ実施した。これによって、Cu/AZr5触媒である触媒15〜触媒17を製造した。
(Second step)
A Cu-containing aqueous solution was prepared under the condition of XW (Cu) = 20 wt%, and the second step was performed in the same manner as in Example 1. The second firing temperature was 700, 800, and 900 ° C., respectively. Thus, Catalyst 15 to Catalyst 17 which are Cu / AZr5 catalysts were produced.
(比較例)
比較例として、担体にZr等の4族元素を含まない、従来のアルミナ担持Cu触媒(以下、本明細書等ではCu/Al2O3触媒という)を製造した。比較例では、第1工程の出発物質としてAl(NO3)3・9H2Oのみを60.045g秤量し、500mlビーカーに入れた。その後の工程については、実施例1と同様に行った。これによって、γ−アルミナの担体を製造した。第1工程で製造したγ−アルミナを担体として用い、実施例1における第2工程と同様の方法で、γ−アルミナをCu(NO3)2・3H2O水溶液に浸漬して銅化合物を含浸担持させ、その後、焼成等の処理を行った。Cu含有水溶液はXW(Cu)=20wt%の条件で調製し、第2焼成温度は、700,800,900℃でそれぞれ実施した。これによって、Cu/Al2O3触媒である触媒18〜触媒20を製造した。
(Comparative example)
As a comparative example, a conventional alumina-supported Cu catalyst (hereinafter referred to as a Cu / Al 2 O 3 catalyst in the present specification and the like) in which a carrier does not contain a group 4 element such as Zr was manufactured. In the comparative example, Al (NO 3) 3 · 9H 2 O only to 60.045g weighed as starting materials in the first step, was placed in a 500ml beaker. Subsequent steps were performed in the same manner as in Example 1. Thus, a carrier of γ-alumina was produced. Using γ-alumina produced in the first step as a carrier, γ-alumina is immersed in a Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O aqueous solution in the same manner as in the second step in Example 1, and impregnated with a copper compound. After supporting, a treatment such as firing was performed. The Cu-containing aqueous solution was prepared under the condition of XW (Cu) = 20 wt%, and the second firing temperature was 700, 800, and 900 ° C., respectively. As a result, Catalysts 18 to 20 which are Cu / Al2O3 catalysts were produced.
(参考例)
参考例として、ズードケミー社製のCu/Zn系酸化物触媒であるMDC7(組成比:CuO=43wt%、ZnO=47wt%、アルミナ=10wt%)を触媒21として用いた。MDC7は、市販の触媒であり、水性ガスシフト反応の触媒活性を比較するに際して広く利用されているものである。
(Reference example)
As a reference example, MDC7 (composition ratio: CuO = 43 wt%, ZnO = 47 wt%, alumina = 10 wt%), which is a Cu / Zn-based oxide catalyst manufactured by Zude Chemie, was used as the catalyst 21. MDC7 is a commercially available catalyst and is widely used in comparing the catalytic activity of the water gas shift reaction.
(XRD分析)
実施例1,2および比較例において得られたアルミナ担持Cu触媒のうち、XW(Cu)=20wt%、第2焼成温度=800,900℃の条件で製造した触媒(触媒13,14,16,17,19,20)について、Cu−Kα線によるXRD(X線回折)によって分析した。その結果を図1および図2に示す。図1は第2焼成温度が800℃である触媒13,16,19をそれぞれ図示しており、図2は第2焼成温度が900℃である触媒14,17,20をそれぞれ図示している。下記の表1に、各結晶のピーク位置2θおよびピーク強度比Iを示す。
(XRD analysis)
Of the alumina-supported Cu catalysts obtained in Examples 1 and 2 and the comparative example, the catalyst produced under the conditions of XW (Cu) = 20 wt% and the second calcination temperature = 800,900 ° C. (catalysts 13, 14, 16, 17, 19, 20) were analyzed by XRD (X-ray diffraction) using Cu-Kα rays. The results are shown in FIG. 1 and FIG. FIG. 1 illustrates the catalysts 13, 16, and 19 having a second calcination temperature of 800 ° C., and FIG. 2 illustrates the
図1および図2に示すように、実施例1,2(触媒13,14,16,17)および比較例(触媒19,20)のいずれの触媒のX線回折パターンにおいても、CuOおよびスピネル結晶構造のCuAl2O4に帰属する回折ピークが観測された。実施例1,2(触媒13,14,16,17)では、比較例(触媒19,20)よりもCuAl2O4のピークが小さくなっていた。これは、担体にZrを含むことによって、CuAl2O4が生成する反応が抑制されたためであると考えられる。また、900℃の高温下で焼成を行うと、比較例(触媒20)においては、α―アルミナのピーク(顕著には、2θ=25.57,35.14,43.34のピーク)が観測されたが、実施例1,2(触媒14,17)では、α―アルミナのピークが観測されなかった。これは、担体にZrを含むことによって、担体であるAl2O3がγ―アルミナからα―アルミナに相転移することが抑制されたためであると考えられる。なお、第2焼成温度が800℃の場合には、いずれの触媒(触媒13,16,19)においても、α−アルミナのピークは観測されなかった。 As shown in FIGS. 1 and 2, CuO and spinel crystals were observed in the X-ray diffraction patterns of the catalysts of Examples 1 and 2 (Catalysts 13, 14, 16, and 17) and Comparative Examples (Catalysts 19 and 20). A diffraction peak attributed to the structure CuAl 2 O 4 was observed. In Examples 1 and 2 (catalysts 13, 14, 16, and 17), the peak of CuAl 2 O 4 was smaller than in the comparative examples (catalysts 19 and 20). This is presumably because the reaction in which CuAl 2 O 4 was generated was suppressed by including Zr in the support. Further, when calcined at a high temperature of 900 ° C., in the comparative example (catalyst 20), α-alumina peaks (remarkably, peaks at 2θ = 25.57, 35.14, 43.34) were observed. However, in Examples 1 and 2 (catalysts 14 and 17), no α-alumina peak was observed. This is accomplished by including Zr to the carrier, it is contemplated that because is suppressed Al 2 O 3 wherein the carrier is a phase transition to the α- alumina from γ- alumina. When the second calcination temperature was 800 ° C., no α-alumina peak was observed in any of the catalysts (catalysts 13, 16, 19).
(水性ガスシフト反応)
固定床流通式の反応管を用いて、水性ガスシフト反応を行い、実施例1,2、比較例、参考例係る触媒1〜触媒21の触媒活性を評価した。触媒量は0.10g、触媒層温度は150〜400℃とし、下記の組成のバランスガスを水のバブリング槽に通過させた後に、反応管の触媒層に供給した。水のバブリング槽はリボンヒータによって46℃に加熱されており、下記のバランスガスを100ml/minでバブリング槽に供給すると、下記の組成の反応ガスが得られた。この反応ガスを、流量111ml/minで触媒層に供給した。
(Water gas shift reaction)
Using a fixed bed flow type reaction tube, a water gas shift reaction was performed, and the catalytic activities of Catalysts 1 to 21 according to Examples 1 and 2, Comparative Example, and Reference Example were evaluated. The amount of the catalyst was 0.10 g, the catalyst layer temperature was 150 to 400 ° C., and a balance gas having the following composition was passed through a water bubbling tank and then supplied to the catalyst layer of the reaction tube. The water bubbling tank was heated to 46 ° C. by a ribbon heater, and when the following balance gas was supplied to the bubbling tank at 100 ml / min, a reaction gas having the following composition was obtained. This reaction gas was supplied to the catalyst layer at a flow rate of 111 ml / min.
<バランスガス組成>
CO : 1mol%
N2 :99mol%
<反応ガス組成>
CO : 1mol%
H2O :10mol%
N2 :89mol%
<Balance gas composition>
CO: 1 mol%
N 2 : 99 mol%
<Reaction gas composition>
CO: 1 mol%
H 2 O: 10 mol%
N 2 : 89 mol%
生成ガスは、シリカゲル層を通過させることによって乾燥させた後、Agilent社製micro-GC 3000Aによって分析を行った。カラムは、MS5AおよびPorapak−Qを用い、TCDで検出した。反応ガスも同様にガスクロマトグラフィーによって分析し、得られたCO濃度とH2濃度から、水素生成率を算出した。水素生成率(H2収率)は、下記式(3)によって算出した。なお、ガスクロマトグラフィーによって、生成ガス中にCH4が含有されていないことも確認した。 The product gas was dried by passing through a silica gel layer, and then analyzed by micro-GC 3000A manufactured by Agilent. The column was detected by TCD using MS5A and Porapak-Q. The reaction gas was similarly analyzed by gas chromatography, and the hydrogen production rate was calculated from the obtained CO concentration and H 2 concentration. Hydrogen production rate (H 2 yield) was calculated by the following equation (3). It was also confirmed by gas chromatography that CH 4 was not contained in the product gas.
H2収率[%]=(生成ガス中のH2濃度)×100/(反応ガス中のCO濃度)…(3) H 2 yield [%] = (H 2 concentration in product gas) × 100 / (CO concentration in reaction gas) (3)
水性ガスシフト反応の結果を表2〜表5および図3〜図12に示す。なお、図3〜図12中では、縦軸の「H2 Yield」はH2収率(%)を表しており、横軸は水性ガスシフト反応の触媒層温度を示している。 The results of the water gas shift reaction are shown in Tables 2 to 5 and FIGS. 3 to 12, “H 2 Yield” on the vertical axis represents the H 2 yield (%), and the horizontal axis represents the catalyst layer temperature of the water gas shift reaction.
図3〜図5は、第2焼成温度=700,800,900℃の条件で製造したCu/AZr1触媒(触媒11,13,14)、Cu/AZr5触媒(触媒15〜17)、Cu/Al2O3触媒(触媒18〜20)の水性ガスシフト反応の結果を、参考例である触媒21の結果とともに示す図である。図6は、第2焼成温度が800℃の条件でXW(Cu)=20wt%である場合の結果を比較して図示している。図3〜図6に示すように、水性ガスシフト反応のいずれの反応温度においても、触媒11,13,14および触媒15〜17は、触媒18〜20よりも触媒活性が高く、特に最も高い活性を示す、第2焼成温度が800℃での触媒活性を比較した図6に示すとおり、触媒活性は、Cu/AZr1触媒である触媒13において特に向上していた。また、第2焼成温度が900℃である場合には、触媒11,13,14および触媒15〜17は、触媒18〜20に比べて著しく高い触媒活性を示した。 3 to 5 show Cu / AZr1 catalyst (catalysts 11, 13, and 14), Cu / AZr5 catalyst (catalysts 15 to 17), Cu / Al2O3 produced under the conditions of the second firing temperature = 700, 800, and 900 ° C. It is a figure which shows the result of the water gas shift reaction of a catalyst (catalysts 18-20) with the result of the catalyst 21 which is a reference example. FIG. 6 shows a comparison of the results when XW (Cu) = 20 wt% under the condition that the second baking temperature is 800 ° C. As shown in FIGS. 3 to 6, at any reaction temperature of the water gas shift reaction, the catalysts 11, 13, 14 and the catalysts 15 to 17 have a higher catalytic activity than the catalysts 18 to 20, and particularly the highest activity. As shown in FIG. 6 in which the catalytic activity at the second calcination temperature of 800 ° C. is compared, the catalytic activity was particularly improved in the catalyst 13 which is a Cu / AZr1 catalyst. Moreover, when the 2nd calcination temperature was 900 degreeC, the catalyst 11,13,14 and the catalyst 15-17 showed the catalyst activity remarkably high compared with the catalyst 18-20.
図7〜図12は、Cu/AZr1触媒の水性ガスシフト反応の結果を、参考例である触媒21の結果とともに示す図である。図7〜図10は、それぞれXW(Cu)=5〜20wt%である場合の結果を示しており、図11、図12は、第2焼成温度がそれぞれ750,800℃の条件でXW(Cu)=5〜20wt%である場合の結果を比較して図示している。 7-12 is a figure which shows the result of the water gas shift reaction of a Cu / AZr1 catalyst with the result of the catalyst 21 which is a reference example. FIGS. 7 to 10 show the results when XW (Cu) = 5 to 20 wt%, respectively. FIGS. 11 and 12 show XW (Cu) under the conditions where the second firing temperature is 750 and 800 ° C., respectively. ) = 5 to 20 wt%, the results are shown in comparison.
図7〜図12に示すように、水性ガスシフト反応のいずれの反応温度においても、実施例1に係る触媒5は、触媒21(MDC7)と同等またはそれ以上の触媒活性を示した。反応温度が300℃以上の範囲では、Cu担持量XW(Cu)が10wt%以上であり、第2焼成温度が750℃〜800℃または850℃である触媒(触媒5,6,8〜10,12,13)が触媒21と同程度の触媒活性を示した。Cu担持量XW(Cu)が15wt%の場合には、第2焼成温度が750℃〜850℃であるいずれの触媒(触媒8〜10)においても触媒21と同等またはそれ以上の高い触媒活性を示した。
As shown in FIGS. 7 to 12, at any reaction temperature of the water gas shift reaction, the catalyst 5 according to Example 1 exhibited catalytic activity equivalent to or higher than that of the catalyst 21 (MDC7). When the reaction temperature is in the range of 300 ° C. or higher, the catalyst (catalyst 5, 6, 8-10, 12 and 13) showed catalytic activity comparable to that of the catalyst 21. When the Cu loading XW (Cu) is 15 wt%, any catalyst (
上記のとおり、本発明の実施例によれば、アルミナ担持Cu触媒の触媒活性および熱安定性を向上させることができ、Cu/Zn系酸化物触媒であるMDC7と同等またはそれ以上の触媒活性を有するアルミナ担持Cu触媒を提供することも可能であることが明らかになった。また、参考例として用いたMDC7は、CuOを43wt%含んでおり、Cuの重量比に換算すると、約34wt%となるが、本実施例に係るZrを担体としてさらに含むアルミナ担持Cu触媒(Cu/AZr1触媒)のCuの担持量は、5〜20wt%である。本実施例によれば、MDC7と比較して少ないCuの担持量で、MDC7と同等またはそれ以上の高い触媒活性を得ることができる。本実施例によれば、水性ガスシフト反応、メタノール合成反応、メタノールからの水素生成反応、NOx除去反応等に好適に利用できる、高活性かつ高耐久性の銅系触媒を提供することが可能となる。 As described above, according to the examples of the present invention, the catalytic activity and thermal stability of the alumina-supported Cu catalyst can be improved, and the catalytic activity equal to or higher than that of MDC7, which is a Cu / Zn-based oxide catalyst. It has been found that it is possible to provide an alumina-supported Cu catalyst having the same. The MDC 7 used as a reference example contains 43 wt% of CuO, which is about 34 wt% when converted to the weight ratio of Cu. However, the alumina-supported Cu catalyst (Cu) further containing Zr according to this embodiment as a support. / AZr1 catalyst) has a Cu loading of 5 to 20 wt%. According to this example, a high catalytic activity equivalent to or higher than that of MDC7 can be obtained with a smaller amount of Cu supported than MDC7. According to this embodiment, it is possible to provide a highly active and highly durable copper-based catalyst that can be suitably used for water gas shift reaction, methanol synthesis reaction, hydrogen generation reaction from methanol, NOx removal reaction, and the like. .
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
Claims (7)
第1工程で得られた前記第1中間体と銅化合物との混合物を第2焼成温度で焼成して、CuOおよびCuAl2O4を含む触媒を製造する第2工程とを有しており、
第1焼成温度は、第2焼成温度よりも低い、触媒製造方法。 A first step of producing a first intermediate by firing a mixture of an aluminum compound and a compound containing at least one metal component selected from Zr, Ti, Hf, and Rf at a first firing temperature;
And a second step of producing a catalyst containing CuO and CuAl 2 O 4 by firing the mixture of the first intermediate and the copper compound obtained in the first step at a second firing temperature,
The method for producing a catalyst, wherein the first firing temperature is lower than the second firing temperature.
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JP2013027858A (en) * | 2011-06-24 | 2013-02-07 | Denso Corp | Exhaust gas-purifying catalyst |
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