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JP2019155227A - Co2 methanation catalyst and carbon dioxide reduction method using the same - Google Patents

Co2 methanation catalyst and carbon dioxide reduction method using the same Download PDF

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JP2019155227A
JP2019155227A JP2018041640A JP2018041640A JP2019155227A JP 2019155227 A JP2019155227 A JP 2019155227A JP 2018041640 A JP2018041640 A JP 2018041640A JP 2018041640 A JP2018041640 A JP 2018041640A JP 2019155227 A JP2019155227 A JP 2019155227A
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catalyst
methanation
carbon dioxide
carrier
component
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JP2018041640A
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Japanese (ja)
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恵理 高橋
Eri Takahashi
恵理 高橋
晃平 吉川
Kohei Yoshikawa
晃平 吉川
金枝 雅人
Masahito Kanae
雅人 金枝
中村 英博
Hidehiro Nakamura
英博 中村
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Resonac Corp
Original Assignee
Hitachi Chemical Co Ltd
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Abstract

To provide a catalyst showing a high COmethanation performance in a wide temperature range.SOLUTION: The present invention provides a COmethanation catalyst that converts carbon dioxide into methane using hydrogen, the catalyst containing a support and a catalyst component, the support containing one or more selected from the group consisting of Ce, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and the catalyst component containing Ni supported on the support.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、COメタン化触媒及びこれを用いた二酸化炭素の還元方法に関する。 The present invention relates to a CO 2 methanation catalyst and a method for reducing carbon dioxide using the same.

地球温暖化等の環境汚染を防止するためには、二酸化炭素排出量を削減することが重要である。二酸化炭素(CO)の排出を抑制するためには、分離回収したCOを地中に貯留する等の手段がとられることが多い。また、再生可能エネルギーの導入促進に伴い、余剰電力が増加する傾向にある。 In order to prevent environmental pollution such as global warming, it is important to reduce carbon dioxide emissions. In order to suppress the emission of carbon dioxide (CO 2 ), means such as storing the separated and recovered CO 2 in the ground are often taken. In addition, surplus power tends to increase with the introduction of renewable energy.

水素(H)は、主に水の電気分解により得られるため、余剰電力を利用することで安価に大量のHを合成することが可能となる。このようにして得られたHと分離回収したCOとを用いて、メタン(CH)を初めとする燃料へ変換することで、COを貯留せずに有効利用することができる。 Since hydrogen (H 2 ) is mainly obtained by electrolysis of water, a large amount of H 2 can be synthesized at low cost by using surplus power. By using H 2 obtained in this way and separated and recovered CO 2 , it is possible to effectively use the CO 2 without storing it by converting methane (CH 4 ) into a fuel such as the beginning.

しかし、Hを用いたCOの変換は発熱反応であるため、CH等の生成率を向上するためには、低温度で反応を進行させる必要がある。そのため、低温度で充分な活性を有する触媒が求められている。 However, since the conversion of CO 2 using H 2 is an exothermic reaction, it is necessary to proceed the reaction at a low temperature in order to improve the production rate of CH 4 and the like. Therefore, a catalyst having sufficient activity at a low temperature is demanded.

特許文献1には、活性金属化合物、アルカリ金属化合物及び担体金属化合物をそれぞれ一種以上含む溶液から噴霧分解法により調製することにより得られた触媒は、二酸化炭素の水素化を可能とすることが記載されている。この文献には、活性金属化合物がニッケル化合物であり、担体金属化合物が、ジルコニウム化合物、アルミニウム化合物、マグネシウム化合物、亜鉛化合物、チタン化合物、ニオブ化合物の中から選ばれた一種以上であること、及び生成物がメタンであることが記載されている。また、実際の反応温度は、300℃の場合が開示されている。   Patent Document 1 describes that a catalyst obtained by preparing by spray decomposition from a solution containing at least one active metal compound, alkali metal compound and carrier metal compound enables hydrogenation of carbon dioxide. Has been. In this document, the active metal compound is a nickel compound, and the support metal compound is one or more selected from a zirconium compound, an aluminum compound, a magnesium compound, a zinc compound, a titanium compound, and a niobium compound, and the formation It is stated that the product is methane. Moreover, the case where the actual reaction temperature is 300 degreeC is indicated.

また、特許文献2には、90%以上が粒径10nm未満であり、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt及びAuからなる群から選択される少なくとも一の金属粒子を含むナノ粒子が分散担持された触媒について、大気圧下で且つ200℃以下の反応温度で、二酸化炭素の水素化が可能であることが記載されている。   In Patent Document 2, 90% or more has a particle size of less than 10 nm, and at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, and Au. It is described that a catalyst in which nanoparticles including metal particles are dispersed and supported can hydrogenate carbon dioxide at atmospheric pressure and at a reaction temperature of 200 ° C. or lower.

特許文献3には、Al等の基材と、基材に接したNi等の金属と、CeO、ZrO、TiO等の酸化物と、を含む燃料合成用触媒であって、当該酸化物は、当該金属及び基材とそれぞれ界面を有し、基材の外表面上、基材の外表面に開口端を有する細孔内の基材の表面上と基材の内部に当該金属は存在し、細孔内には、当該金属と当該酸化物が存在し、当該金属は、細孔内において、基材と界面を有し、当該金属は、基材の内部に存在するものが開示されている。この文献には、燃料合成用触媒は、250℃から400℃の間でのメタン収率を実験により算出した結果、当該金属とそれと一体化した基材と当該酸化物を同時に存在させることで、メタン収率は向上することが記載されている。 Patent Document 3 discloses a fuel synthesis catalyst comprising a base material such as Al 2 O 3 , a metal such as Ni in contact with the base material, and an oxide such as CeO 2 , ZrO 2 , and TiO 2. The oxide has an interface with the metal and the substrate, respectively, on the outer surface of the substrate, on the surface of the substrate in the pores having open ends on the outer surface of the substrate, and on the inside of the substrate. The metal is present, the metal and the oxide are present in the pores, the metal has an interface with the substrate in the pores, and the metal is present in the substrate. Are disclosed. In this document, as a result of experimentally calculating the methane yield between 250 ° C. and 400 ° C., the fuel synthesis catalyst has the metal, the base material integrated with the metal, and the oxide present simultaneously. It is described that the methane yield is improved.

非特許文献1には、触媒としてNi/CeOを用いた場合のCO転化率が300℃以上で80%以上となったことが記載されている。 Non-Patent Document 1 describes that the CO 2 conversion rate when Ni / CeO 2 was used as a catalyst was 80% or higher at 300 ° C. or higher.

特開平7−76528号公報JP-A-7-76528 特開2009−131835号公報JP 2009-131835 A 特開2017−170430号公報JP 2017-170430 A

上宮ら:CO2メタネーションにおけるCeO2担体効果:石油学会 第66回研究発表会(2017)Uemiya et al .: CeO2 support effect in CO2 methanation: The 66th meeting of the Japan Petroleum Institute (2017)

特許文献2に記載の触媒は、活性成分の分散度や粒径を制御することにより、CO水素化性能を向上している。しかしながら、触媒の調製法が特殊であるため、大規模にCOを変換するために必要な大量の触媒を得ることが困難である。 The catalyst described in Patent Document 2 has improved CO 2 hydrogenation performance by controlling the dispersity and particle size of the active ingredient. However, since the catalyst preparation method is special, it is difficult to obtain a large amount of catalyst necessary for converting CO 2 on a large scale.

特許文献3に記載の触媒は、Ni等の金属、及びCeO、ZrO、TiO等の酸化物のほか、Al等の基材を含む点で、材料全体の体積に対する触媒の活性成分の占める割合が小さい。このため、処理量を確保するためには、反応塔の寸法を大きくする必要があり、実用上問題となる。また、300℃未満では転化率が低い。 The catalyst described in Patent Literature 3 includes a metal such as Ni, and an oxide such as CeO 2 , ZrO 2 , and TiO 2 , and also includes a base material such as Al 2 O 3 . The proportion of active ingredients is small. For this reason, in order to ensure a processing amount, it is necessary to enlarge the dimension of the reaction tower, which is a practical problem. Moreover, if it is less than 300 degreeC, the conversion rate is low.

非特許文献1に記載の触媒は、300℃未満ではCO転化率が低い点で改良の余地がある。 The catalyst described in Non-Patent Document 1 has room for improvement in that the CO 2 conversion is low at less than 300 ° C.

本発明の目的は、簡便な調製法により得られる触媒を用いて、300℃未満で二酸化炭素をメタン等の燃料に高効率で変換することにある。   An object of the present invention is to convert carbon dioxide into a fuel such as methane with high efficiency at a temperature below 300 ° C. using a catalyst obtained by a simple preparation method.

上記目的を達成するために、本発明のCOメタン化触媒は、水素を用いて二酸化炭素をメタンに変換する触媒であって、担体と、触媒成分と、を含み、担体は、Ce、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択された一種類以上を含み、触媒成分は、担体に担持されたNiを含む。 In order to achieve the above object, the CO 2 methanation catalyst of the present invention is a catalyst for converting carbon dioxide into methane using hydrogen, comprising a support and a catalyst component, and the support is Ce, La , Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and the catalyst component includes Ni supported on a support Including.

本発明によれば、簡便な調製法により得られる触媒を用いて、300℃未満で二酸化炭素をメタン等の燃料に高効率で変換することができる。   According to the present invention, carbon dioxide can be converted to a fuel such as methane with high efficiency at less than 300 ° C. using a catalyst obtained by a simple preparation method.

本発明のCOメタン化触媒の微視的な構成の例を示す模式図である。It is a schematic diagram showing an example of a microscopic structure of the CO 2 methanation catalyst of the present invention. 本発明のCOメタン化触媒の微視的な構成の他の例を示す模式図である。Another example of a microscopic structure of the CO 2 methanation catalyst of the present invention is a schematic diagram showing. 実施例1並びに比較例1及び2のCO転化率を示すグラフである。It is a graph showing the CO 2 conversion of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 実施例1並びに比較例1及び2のCH選択率を示すグラフである。Is a graph showing the CH 4 selectivity of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 実施例2及び3並びに比較例3のCO転化率を示すグラフである。3 is a graph showing the CO 2 conversion rates of Examples 2 and 3 and Comparative Example 3. 実施例2及び3並びに比較例3のCH選択率を示すグラフである。6 is a graph showing the CH 4 selectivity of Examples 2 and 3 and Comparative Example 3. 実施例4及び5並びに比較例4のCO転化率を示すグラフである。6 is a graph showing the CO 2 conversion rates of Examples 4 and 5 and Comparative Example 4. 実施例4及び5並びに比較例4のCH選択率を示すグラフである。6 is a graph showing the CH 4 selectivity of Examples 4 and 5 and Comparative Example 4.

本発明は、水素を用いて二酸化炭素をメタン等の燃料へ変換するのに好適な新規触媒に関する。   The present invention relates to a novel catalyst suitable for converting carbon dioxide into a fuel such as methane using hydrogen.

図1Aは、本発明のCOメタン化触媒(メタン合成触媒)の構造を示す概念図である。 FIG. 1A is a conceptual diagram showing the structure of the CO 2 methanation catalyst (methane synthesis catalyst) of the present invention.

本図において、COメタン化触媒100は、担体1の表面に触媒成分2(第一の触媒成分)が担持された構成を有している。担体1は、Ce、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのうち少なくともいずれか一種類を含む。触媒成分2は、少なくともNiを含む。 In this figure, the CO 2 methanation catalyst 100 has a structure in which a catalyst component 2 (first catalyst component) is supported on the surface of a carrier 1. The carrier 1 contains at least one of Ce, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. The catalyst component 2 contains at least Ni.

図1Bは、本発明のCOメタン化触媒の他の例を示したものである。 FIG. 1B shows another example of the CO 2 methanation catalyst of the present invention.

本図に示すCOメタン化触媒110は、担体1の表面に触媒成分2が担持され、かつ、追加成分3(第二の触媒成分)が担持された構成を有している。担体1は、図1Aと同様に、Ce、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのうち少なくともいずれか一種類を含む。触媒成分2も、図1Aと同様に、少なくともNiを含む。そして、追加成分3は、Pt、Rh及びPdのうち少なくともいずれか一種類を含む。 The CO 2 methanation catalyst 110 shown in the figure has a configuration in which the catalyst component 2 is supported on the surface of the carrier 1 and the additional component 3 (second catalyst component) is supported. The carrier 1 includes at least one of Ce, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, as in FIG. 1A. Similarly to FIG. 1A, the catalyst component 2 also contains at least Ni. The additional component 3 includes at least one of Pt, Rh, and Pd.

本発明の触媒系におけるCOメタン化反応は、次のメカニズムで進行すると考えている。 The CO 2 methanation reaction in the catalyst system of the present invention is considered to proceed by the following mechanism.

まず、触媒表面にCO及びHが吸着する。COは、下記反応式(1)のように酸素が引き抜かれて一酸化炭素(CO)となり、更に下記反応式(2)のようにCOとHが反応してCHが生成する。下記反応式(1)及び(2)の反応を合わせて、下記反応式(3)のように表すことができる。 First, CO 2 and H 2 are adsorbed on the catalyst surface. CO 2 is oxygen withdrawn by carbon monoxide (CO) becomes as the following reaction formula (1), further CO and H 2 as the reaction formula (2) is generated by the reaction CH 4. The reactions of the following reaction formulas (1) and (2) can be combined and expressed as the following reaction formula (3).

Figure 2019155227
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Figure 2019155227
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Figure 2019155227
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触媒表面へのCO及びHの吸着量が少ない場合、上記反応式(1)〜(3)の反応が進行しない。また、上記反応式(1)の反応速度が遅い場合、COがCHやCOに変換されずにCOのまま排出される。上記反応式(2)の反応速度が遅い場合、COから変換されたCOがCHに変換されずにCOとして排出される。 When the amount of CO 2 and H 2 adsorbed on the catalyst surface is small, the reactions of the above reaction formulas (1) to (3) do not proceed. Further, when the reaction rate of the above reaction formula (1) is slow, CO 2 is discharged as CO 2 without being converted into CH 4 or CO. When the reaction rate of the reaction formula (2) is low, CO converted from CO 2 is discharged as CO without being converted to CH 4 .

担体を構成する元素(担体成分)としてCe、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのうち少なくともいずれか一種類を含む場合、CO吸着量や酸素を引き抜く量が増加するため、上記反応式(1)の反応が促進される。 When containing at least one of Ce, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu as an element constituting the carrier (carrier component) Since the amount of CO 2 adsorption and oxygen extraction increases, the reaction of the above reaction formula (1) is promoted.

触媒成分2としてNiを含む場合、H吸着量が増加するため、上記反応式(1)〜(3)の反応が促進される。また、追加成分3としてPt、Rh及びPdのうち少なくともいずれか一種類を含む場合、酸素を引き抜く速度が速くなるため、上記反応式(1)の反応が促進される。 When Ni is contained as the catalyst component 2, the amount of H 2 adsorption increases, and thus the reactions of the above reaction formulas (1) to (3) are promoted. Further, when at least one of Pt, Rh, and Pd is included as the additional component 3, the rate of extracting oxygen is increased, and thus the reaction of the above reaction formula (1) is promoted.

触媒成分2の量は、担体1の有効成分100質量部に対して0.1〜40質量部の範囲にあることが好ましい。ここで、「質量部」は、各成分のグラム換算での含有比率を表したものである。また、「0.1〜40質量部」のように記載した場合、「0.1質量部以上40質量部以下」を意味するものとする。   The amount of the catalyst component 2 is preferably in the range of 0.1 to 40 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active ingredient of the carrier 1. Here, “parts by mass” represents the content ratio of each component in terms of grams. Moreover, when describing as "0.1-40 mass parts", it shall mean "0.1 mass part or more and 40 mass parts or less."

また、追加成分3の量は、担体1の有効成分100質量部に対して0.1〜1質量部の範囲にあることが好ましい。以下の記載においては、単に「質量部」を用いて表示した場合は、担体1の有効成分100質量部に対する値を意味する。ここで、「担体1の有効成分」とは、担体1に含まれる有効成分を結合するためにバインダ成分等の添加物が用いられる場合には、その添加物を除いた担体1の成分であって、触媒を作製する際に必須となる担体1の成分をいう。   Moreover, it is preferable that the quantity of the additional component 3 exists in the range of 0.1-1 mass part with respect to 100 mass parts of active ingredients of the support | carrier 1. As shown in FIG. In the following description, when simply using “parts by mass”, it means a value relative to 100 parts by mass of the active ingredient of the carrier 1. Here, “the active ingredient of the carrier 1” means the component of the carrier 1 excluding the additive when an additive such as a binder component is used to bind the active ingredient contained in the carrier 1. Thus, it refers to the component of the carrier 1 that is essential when preparing the catalyst.

触媒成分2の量もしくは追加成分3の量が0.1質量部よりも少ない場合、その成分の添加効果が充分に発現せず、COメタン化性能が低下する可能性がある。触媒成分2の量が40質量部より多い場合には、担体1の露出面積が減少し、COメタン化性能が充分に発現しない可能性がある。また、追加成分3の量が1質量部より多い場合には、担体1又は触媒成分2の露出面積が減少し、COメタン化性能が充分に発現しない可能性がある。 When the amount of the catalyst component 2 or the amount of the additional component 3 is less than 0.1 parts by mass, the effect of adding the component is not sufficiently exhibited, and the CO 2 methanation performance may be lowered. When the amount of the catalyst component 2 is more than 40 parts by mass, the exposed area of the carrier 1 is reduced, and the CO 2 methanation performance may not be sufficiently exhibited. Further, when the amount of the additional component 3 is more than 1 part by mass, the exposed area of the carrier 1 or the catalyst component 2 is reduced, and the CO 2 methanation performance may not be sufficiently exhibited.

COメタン化触媒100、110においては、その一部でも、触媒成分2の量が0.1〜40質量部となっていれば、その部分においては、上記効果を発現させることができる。また、追加成分3の量が0.1〜1質量部となる部分が存在すれば、その部分においては、上記効果を効率的に発現させることができる。 In the CO 2 methanation catalysts 100 and 110, even if a part of the CO 2 methanation catalysts 100 and 110 is 0.1 to 40 parts by mass, the above effect can be exhibited in that part. Moreover, if the part from which the quantity of the additional component 3 will be 0.1-1 mass part exists in the part, the said effect can be expressed efficiently.

例えば、COメタン化触媒100、110の形態の例として、次の(1)及び(2)の場合が考えられる。 For example, the following cases (1) and (2) can be considered as examples of the forms of the CO 2 methanation catalysts 100 and 110.

(1)触媒成分2及び追加成分3を含まない層として板状もしくは粒状の担体1があり、その表面に触媒成分2及び追加成分3を含む担体1が存在する。   (1) There is a plate-like or granular carrier 1 as a layer not containing the catalyst component 2 and the additional component 3, and the carrier 1 containing the catalyst component 2 and the additional component 3 is present on the surface thereof.

(2)触媒成分2及び追加成分3を含まない粒状の担体1の表面上に触媒成分2及び追加成分3を含む担体1が存在する。   (2) The carrier 1 containing the catalyst component 2 and the additional component 3 is present on the surface of the granular carrier 1 not containing the catalyst component 2 and the additional component 3.

上記(1)及び(2)のいずれの場合においても、触媒成分2及び追加成分3を含む担体1に含有されている担体成分に対し、触媒成分2の量が0.1〜40質量部、追加成分3の量が0.1〜1質量部となる部分が存在することが好ましい。   In any of the cases (1) and (2), the amount of the catalyst component 2 is 0.1 to 40 parts by mass with respect to the carrier component contained in the carrier 1 including the catalyst component 2 and the additional component 3. It is preferred that there is a portion where the amount of additional component 3 is 0.1 to 1 part by mass.

触媒成分2及び追加成分3は、担体成分を含む担体1と接触していることが好ましく、担体成分を含む担体1の表面に触媒成分2及び追加成分3が設けられた状態が好ましい。   The catalyst component 2 and the additional component 3 are preferably in contact with the carrier 1 containing the carrier component, and the catalyst component 2 and the additional component 3 are preferably provided on the surface of the carrier 1 containing the carrier component.

追加成分3としては、Pt、Rh、Pdの他に、Ir、Ru、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等の金属を用いることができる。   As the additional component 3, in addition to Pt, Rh, and Pd, metals such as Ir, Ru, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn can be used.

触媒成分2及び追加成分3への一酸化炭素の吸着量(CO吸着量)は、0.7cm/g以上であることが好ましい。COは、金属の表面に選択的に吸着するため、CO吸着量が多いほど、触媒表面における金属露出量が多いと考えられる。金属露出量が多くなると、H吸着量が増加するため、COと反応できるH量が増加し、COメタン化性能が向上する。また、CO吸着量を元に触媒成分の平均粒径が算出できる。その平均粒径は、50nm以下であることが好ましい。平均粒径が小さいほど、触媒成分の分散度が高くなり、HとCOとの反応が促進される。 The carbon monoxide adsorption amount (CO adsorption amount) on the catalyst component 2 and the additional component 3 is preferably 0.7 cm 3 / g or more. Since CO is selectively adsorbed on the metal surface, it is considered that the larger the amount of CO adsorbed, the greater the amount of exposed metal on the catalyst surface. When metal exposure amount is increased, since the H 2 adsorption amount increases, an increase in H 2 amount that can react with CO 2, CO 2 methanation performance is improved. Further, the average particle diameter of the catalyst component can be calculated based on the CO adsorption amount. The average particle size is preferably 50 nm or less. The smaller the average particle size, the higher the degree of dispersion of the catalyst component, and the reaction between H 2 and CO 2 is promoted.

なお、後述の実施例に示すように、液相を用いて触媒を作製する場合は、実際上、触媒成分2の平均粒径が10nm以上となる場合が多い。ただし、これよりも小さい粒径の触媒成分2も生成される場合がある。よって、触媒成分2の平均粒径が現実的な下限値1nm以上であって10nm未満の場合であっても、触媒成分2として更に望ましい状態で有効に作用すると考えられる。このように平均粒径の小さい触媒成分2を担持させるためには、例えば、化学蒸着法(CVD)等の気相法を用いてもよい。   In addition, as shown in the below-mentioned Example, when producing a catalyst using a liquid phase, the average particle diameter of the catalyst component 2 is often 10 nm or more in practice. However, a catalyst component 2 having a particle size smaller than this may also be generated. Therefore, even if the average particle diameter of the catalyst component 2 is a practical lower limit value of 1 nm or more and less than 10 nm, it is considered that the catalyst component 2 works effectively in a more desirable state. In order to support the catalyst component 2 having a small average particle diameter in this way, for example, a vapor phase method such as chemical vapor deposition (CVD) may be used.

担体1は、CO吸着点となる他に、触媒成分2及び追加成分3の分散度を高める役割をするものと考えられる。担体1は担体成分を含むが、担体成分の比表面積を50〜300m/gとすると、COメタン化性能にとって好ましい。また、担体成分の粒径を0.5〜15μmとすると、COメタン化性能にとって好ましい。 In addition to being a CO 2 adsorption point, the carrier 1 is considered to play a role of increasing the degree of dispersion of the catalyst component 2 and the additional component 3. The carrier 1 includes a carrier component, and a specific surface area of the carrier component of 50 to 300 m 2 / g is preferable for CO 2 methanation performance. Moreover, it is preferable for the CO 2 methanation performance that the particle diameter of the carrier component is 0.5 to 15 μm.

担体1としては、Ce、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの他に、Al、Zr、Ti、Si、Mg等を含む金属酸化物や複合酸化物等を用いることができる。   As the support 1, in addition to Ce, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Zr, Ti, Si, Mg, etc. are included. A metal oxide, a complex oxide, or the like can be used.

COメタン化触媒100、110の形状は、用途に応じ、各種の形状で適用できる。粒状を初めとし、ペレット状、板状、粉末状、ハニカム形状等のものが適用できる。ハニカム形状のCOメタン化触媒100、110は、コージェライト、ステンレス鋼等の各種材料で形成されたハニカム構造体に各種成分を担持した触媒粉末をコーティングして得られる。この場合、ハニカム構造等の基材に担体1をコーティングした後に触媒成分2及び追加成分3を担持しても、触媒成分2及び追加成分3を担持した担体1を基材にコーティングしてもよい。 The shapes of the CO 2 methanation catalysts 100 and 110 can be applied in various shapes depending on the application. A granular shape, a pellet shape, a plate shape, a powder shape, a honeycomb shape, and the like can be applied. The honeycomb-shaped CO 2 methanation catalysts 100 and 110 are obtained by coating a catalyst structure carrying various components on a honeycomb structure formed of various materials such as cordierite and stainless steel. In this case, the catalyst component 2 and the additional component 3 may be supported after the carrier 1 is coated on a substrate such as a honeycomb structure, or the substrate 1 may be coated with the catalyst component 2 and the additional component 3 supported thereon. .

COメタン化触媒100、110の調製方法は、含浸法、混練法、共沈法、ゾルゲル法、イオン交換法、蒸着法等の物理的調製方法や、化学反応を利用した調製方法等、いずれも適用可能である。触媒成分2及び追加成分3の出発原料としては、硝酸化合物、酢酸化合物、錯体化合物、水酸化物、炭酸化合物、有機化合物などの種々の化合物や金属及び金属酸化物を用いることができる。 The methods for preparing the CO 2 methanation catalysts 100 and 110 include physical impregnation methods such as an impregnation method, a kneading method, a coprecipitation method, a sol-gel method, an ion exchange method, and a vapor deposition method, and a preparation method using a chemical reaction. Is also applicable. As starting materials for the catalyst component 2 and the additional component 3, various compounds such as nitric acid compounds, acetic acid compounds, complex compounds, hydroxides, carbonate compounds, and organic compounds, metals, and metal oxides can be used.

COメタン化触媒100、110に接触する反応ガス中のHとCOとの比は、上記反応式(3)に示す量論比のH/CO=4であることが好ましいが、モル基準でH/CO=1〜6であれば、COを副生することなくCOのメタン化が可能である。H/COが1よりも小さい場合、COに対してHの量が少ないため、COが副生する可能性がある。H/COが6よりも大きい場合、COと反応せずに排出されるHの量が増加する。 The ratio of H 2 and CO 2 in the reaction gas contacting the CO 2 methanation catalysts 100 and 110 is preferably the stoichiometric ratio H 2 / CO 2 = 4 shown in the above reaction formula (3). if H 2 / CO 2 = 1 to 6 on a molar basis, it is possible to methanation of without CO 2 to by-produce CO. When H 2 / CO 2 is smaller than 1, since the amount of H 2 is small with respect to CO 2 , CO may be by-produced. When H 2 / CO 2 is larger than 6, the amount of H 2 discharged without reacting with CO 2 increases.

COメタン化触媒100、110に接触する反応ガス中には、H及びCO以外に、窒素(N)や酸素(O)が含まれていてもよい。N濃度は、モル基準で0.1〜95%であることが好ましい。N濃度が95%よりも高い場合、H及びCOの触媒表面への吸着が阻害され、充分に反応が進行しない可能性がある。また、反応ガス中にOが含まれる場合、大部分のOは、Hと反応して水になるため、COと反応するHの量が少なくなり、CHの生成量が減少する。ただし、COの副生はないため、COのメタン化とO除去とを同時に行うことができる。O濃度は、モル基準で0.1〜20%であることが好ましい。O濃度が20%よりも高い場合、HがOとの反応に大量に消費されるため、COのメタン化反応が進行しない可能性がある。 Nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) may be contained in the reaction gas that contacts the CO 2 methanation catalysts 100 and 110 in addition to H 2 and CO 2 . The N 2 concentration is preferably 0.1 to 95% on a molar basis. When the N 2 concentration is higher than 95%, the adsorption of H 2 and CO 2 on the catalyst surface is inhibited, and the reaction may not proceed sufficiently. Further, when O 2 is contained in the reaction gas, most of the O 2 reacts with H 2 to become water, so that the amount of H 2 that reacts with CO 2 is reduced, and the amount of CH 4 produced is reduced. Decrease. However, since there is no CO byproduct, CO 2 methanation and O 2 removal can be performed simultaneously. The O 2 concentration is preferably 0.1 to 20% on a molar basis. When the O 2 concentration is higher than 20%, a large amount of H 2 is consumed for the reaction with O 2, and thus the CO 2 methanation reaction may not proceed.

COメタン化触媒100、110の300℃未満での最大CO転化率は、80%以上であることが好ましい。上記反応式(2)の反応は、発熱反応のため、低温度において反応が進行しやすい。そのため、COメタン化触媒100、110に接触する反応ガスの温度が低くなるほど、CHが生成しやすくなる。一方、上記反応式(1)の反応は、吸熱反応のため、高温度、特に300℃以上において反応が進行しやすい。そのため、COメタン化触媒100、110に接触する反応ガスの温度が高くなるほど、CHではなく、COが副生しやすくなる。したがって、COからCHを選択的に生成するためには、COメタン化触媒100、110における上記反応式(1)の反応が300℃未満で進行しやすいことが好ましい。 The maximum CO 2 conversion rate of the CO 2 methanation catalysts 100, 110 at less than 300 ° C. is preferably 80% or more. Since the reaction of the above reaction formula (2) is an exothermic reaction, the reaction is likely to proceed at a low temperature. Therefore, the lower the temperature of the reaction gas that contacts the CO 2 methanation catalysts 100, 110, the easier it is to generate CH 4 . On the other hand, the reaction of the above reaction formula (1) is an endothermic reaction, so that the reaction is likely to proceed at a high temperature, particularly 300 ° C. Therefore, the higher the temperature of the reaction gas in contact with the CO 2 methanation catalysts 100, 110, the easier it is for CO to form as a byproduct rather than CH 4 . Therefore, in order to selectively produce CH 4 from CO 2 , it is preferable that the reaction of the above reaction formula (1) in the CO 2 methanation catalysts 100 and 110 easily proceeds at less than 300 ° C.

また、製品グレードのCH濃度については、モル基準で80%以上が妥当であると考えられる。このため、COメタン化触媒100、110の最大CO転化率は80%以上であることが好ましい。 Further, it is considered that the product grade CH 4 concentration is appropriate to be 80% or more on a molar basis. For this reason, it is preferable that the maximum CO 2 conversion rate of the CO 2 methanation catalysts 100 and 110 is 80% or more.

以下、具体的な実施例及び比較例を用いて説明するが、本発明は、これらの実施例により制限されるものではない。   Hereinafter, although it demonstrates using a specific Example and a comparative example, this invention is not restrict | limited by these Examples.

CeO粉末を基材とし、これに触媒成分として硝酸ニッケル水溶液(Ni(NO水溶液)を含浸した。その後、120℃で乾燥し、続いて500℃で2時間焼成した。得られた粉末をプレス成形した後、粉砕した。そして、粒径範囲が0.85mm〜1.7mmになるように整粒した。以上の方法により、CeO100質量部に対して元素換算でNiが10質量部含まれる触媒サンプルを得た。 CeO 2 powder was used as a base material, and this was impregnated with a nickel nitrate aqueous solution (Ni (NO 3 ) 2 aqueous solution) as a catalyst component. Thereafter, it was dried at 120 ° C., and then calcined at 500 ° C. for 2 hours. The obtained powder was press-molded and then pulverized. And it sized so that a particle size range might be 0.85 mm-1.7 mm. By the above method, a catalyst sample containing 10 parts by mass of Ni in terms of element with respect to 100 parts by mass of CeO 2 was obtained.

得られた触媒サンプルに対して、次の条件でCOメタン化性能試験を行った。 The obtained catalyst sample was subjected to a CO 2 methanation performance test under the following conditions.

見かけの体積3mLの触媒サンプルを石英ガラス製反応管中に充填した。この反応管を電気炉内に設置し、反応管に導入されるガス温度が180〜500℃となるように加熱制御した。なお、本明細書においては、このガス温度を「触媒入口温度」という。反応管には、HとCOとのモル比をH/CO=4とした反応ガスを、空間速度19000h−1で導入した。反応ガスの組成は、H:80%、CO:20%とした。 A catalyst sample with an apparent volume of 3 mL was packed into a quartz glass reaction tube. This reaction tube was installed in an electric furnace, and heating was controlled so that the gas temperature introduced into the reaction tube was 180 to 500 ° C. In the present specification, this gas temperature is referred to as “catalyst inlet temperature”. The reaction tube, a reaction gas and the molar ratio between H 2 and CO 2 were of H 2 / CO 2 = 4, was introduced at a space velocity of 19000h -1. The composition of the reaction gas was H 2 : 80% and CO 2 : 20%.

まず、前処理として400℃でHを反応管に1時間流通した。次に、室温で反応ガスを導入し、180〜500℃まで昇温して、COメタン化性能を測定した。 First, as a pretreatment, H 2 was passed through the reaction tube at 400 ° C. for 1 hour. Next, a reaction gas was introduced at room temperature, the temperature was raised to 180 to 500 ° C., and CO 2 methanation performance was measured.

この結果から、CO転化率XCO2(単位%)及びCH選択率SCH4(単位%)を下記計算式(1)及び(2)により算出した。 From this result, the CO 2 conversion rate X CO2 (unit%) and the CH 4 selectivity S CH4 (unit%) were calculated by the following formulas (1) and (2).

Figure 2019155227
Figure 2019155227

式中、Fin,CO2は反応管に流入したCO量を、Fout,CO2は反応管から流出したCO量を表している。 Wherein, F in, CO2 is the amount of CO 2 which has flowed into the reaction tube, F out, CO2 represents the amount of CO 2 flowing out of the reaction tube.

Figure 2019155227
Figure 2019155227

式中、Fout,CH4は反応管から流出したCH量を、Fout,COは反応管から流出したCO量を表している。 In the formula, F out, CH4 represents the amount of CH 4 flowing out of the reaction tube, and F out, CO represents the amount of CO flowing out of the reaction tube.

また、得られた触媒サンプルに対して、次の条件でCO吸着試験を行った。   The obtained catalyst sample was subjected to a CO adsorption test under the following conditions.

プレス成形する前の触媒の粉末をガラス製のセルに充填した。まず、前処理として400℃でHeを15分流通した後、400℃でHを15分流通した。 The powder of the catalyst before press molding was filled in a glass cell. First, as pretreatment, He was circulated at 400 ° C. for 15 minutes, and then H 2 was circulated at 400 ° C. for 15 minutes.

CO吸着量は、触媒分析装置(日本ベル(株)製BELCAT(登録商標))を用いて、COパルス法により測定した。キャリアガスにはHeを用い、吸着ガスの組成はCO:3%、He:97%とした。   The amount of CO adsorption was measured by a CO pulse method using a catalyst analyzer (BELCAT (registered trademark) manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.). He was used as the carrier gas, and the composition of the adsorbed gas was CO: 3% and He: 97%.

さらに、上記の触媒分析装置を用いて、上記のCO吸着量から触媒成分の平均粒径を算出した。   Furthermore, the average particle diameter of the catalyst component was calculated from the CO adsorption amount using the catalyst analyzer.

(比較例1)
CeO粉末の代わりにAl粉末を用いた以外は、実施例1と同様の方法により触媒サンプルを得た。得られた触媒サンプルに対して、実施例1と同様の方法でCOメタン化性能試験及びCO吸着試験を行った。
(Comparative Example 1)
A catalyst sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that Al 2 O 3 powder was used instead of CeO 2 powder. The obtained catalyst sample was subjected to a CO 2 methanation performance test and a CO adsorption test in the same manner as in Example 1.

(比較例2)
CeO粉末及び硝酸ニッケル溶液の代わりにNiO粉末を用いた以外は、実施例1と同様の方法により触媒サンプルを得た。得られた触媒サンプルに対して、実施例1と同様の方法でCOメタン化性能試験及びCO吸着試験を行った。
(Comparative Example 2)
A catalyst sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that NiO powder was used instead of CeO 2 powder and nickel nitrate solution. The obtained catalyst sample was subjected to a CO 2 methanation performance test and a CO adsorption test in the same manner as in Example 1.

実施例1と同様の方法により触媒サンプルを得た。得られた触媒サンプルに対し、反応ガスのHとCOとのモル比をH/CO=5.25とし、反応ガスの組成をモル基準でH:84%、CO:16%とした以外は、実施例1と同様の方法でCOメタン化性能試験を行った。 A catalyst sample was obtained in the same manner as in Example 1. The obtained catalyst samples, a reaction molar ratio of H 2 and CO 2 gases were of H 2 / CO 2 = 5.25, the composition of the reaction gas on a molar basis H 2: 84%, CO 2 : 16 % CO 2 methanation performance test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the percentage was changed to%.

CeO粉末の代わりにCeO−ZrO粉末を用いた以外は、実施例1と同様の方法により触媒サンプルを得た。この場合、担体は、CeOを含む複合酸化物である。得られた触媒サンプルに対して、実施例2と同様の方法でCOメタン化性能試験及びCO吸着試験を行った。 Except for using CeO 2 -ZrO 2 powder instead of CeO 2 powder, to obtain a catalyst sample in the same manner as in Example 1. In this case, the carrier is a composite oxide containing CeO 2. The obtained catalyst sample was subjected to a CO 2 methanation performance test and a CO adsorption test in the same manner as in Example 2.

(比較例3)
CeO粉末の代わりにZrO粉末を用いた以外は、実施例1と同様の方法により触媒サンプルを得た。得られた触媒サンプルに対して、実施例2と同様の方法でCOメタン化性能試験及びCO吸着試験を行った。
(Comparative Example 3)
A catalyst sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that ZrO 2 powder was used instead of CeO 2 powder. The obtained catalyst sample was subjected to a CO 2 methanation performance test and a CO adsorption test in the same manner as in Example 2.

実施例1と同様の方法により触媒サンプルを得た。得られた触媒サンプルに対し、反応ガスの組成をモル基準でH:8%、CO:2%、N:90%とした以外は、実施例1と同様の方法でCOメタン化性能試験を行った。 A catalyst sample was obtained in the same manner as in Example 1. CO 2 methanation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the composition of the reaction gas was changed to H 2 : 8%, CO 2 : 2%, and N 2 : 90% with respect to the obtained catalyst sample. A performance test was performed.

実施例1と同様の方法により触媒サンプルを得た。得られた触媒サンプルに対し、反応ガスの組成をモル基準でH:8%、CO:2%、O:1.6%、N:88.4%とした以外は、実施例1と同様の方法でCOメタン化性能試験を行った。 A catalyst sample was obtained in the same manner as in Example 1. Except that the composition of the reaction gas was H 2 : 8%, CO 2 : 2%, O 2 : 1.6%, N 2 : 88.4% on a molar basis with respect to the obtained catalyst sample. The CO 2 methanation performance test was conducted in the same manner as in 1.

(比較例4)
実施例1とは異なるCeO粉末を用いた以外は、実施例1と同様の方法により触媒サンプルを得た。本比較例の触媒サンプルは、CO吸着量が0.63cm/gであり、実施例1より低活性である。得られた触媒サンプルに対して、実施例4と同様の方法でCOメタン化性能試験及びCO吸着試験を行った。
(Comparative Example 4)
A catalyst sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that CeO 2 powder different from that in Example 1 was used. The catalyst sample of this comparative example has a CO adsorption amount of 0.63 cm 3 / g and is less active than Example 1. The obtained catalyst sample was subjected to a CO 2 methanation performance test and a CO adsorption test in the same manner as in Example 4.

(試験結果)
図2は、実施例1並びに比較例1及び2のCO転化率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCO転化率をとっている。
(Test results)
FIG. 2 is a graph showing the CO 2 conversion rates of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The horizontal axis represents the catalyst inlet temperature, and the vertical axis represents the CO 2 conversion rate.

本図に示すように、実施例1は、190℃を超えると、CO転化率が急激に上昇し、200℃で極大となっている。これに対して、比較例1は、290℃まではCO転化率が低く、290℃を超えると、CO転化率が急激に上昇し、300〜360℃ではほぼ一定となっている。最大となった温度は、340℃である。また、比較例2の曲線は、400℃まで急峻な領域はなく、触媒が不活性であることを示している。 As shown in the figure, in Example 1, when the temperature exceeds 190 ° C., the CO 2 conversion rate increases rapidly and reaches a maximum at 200 ° C. On the other hand, in Comparative Example 1, the CO 2 conversion rate is low up to 290 ° C., and when it exceeds 290 ° C., the CO 2 conversion rate increases rapidly, and is almost constant at 300 to 360 ° C. The maximum temperature is 340 ° C. Further, the curve of Comparative Example 2 has no steep region up to 400 ° C., indicating that the catalyst is inactive.

図3は、実施例1並びに比較例1及び2のCH選択率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCH選択率をとっている。 FIG. 3 is a graph showing the CH 4 selectivity of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The horizontal axis represents the catalyst inlet temperature, and the vertical axis represents the CH 4 selectivity.

本図に示すように、実施例1は、180〜260℃でCH選択率がほぼ100%となっている。これに対して、比較例1は、240℃まではCH選択率がほぼ100%となっているが、260〜290℃では90%程度まで低下している。そして、300〜360℃では、CH選択率が約95%となっている。また、比較例2は、300℃まではほぼ100%となっているが、320〜400℃では約50%となっている。 As shown in this figure, in Example 1, the CH 4 selectivity is approximately 100% at 180 to 260 ° C. On the other hand, in Comparative Example 1, the CH 4 selectivity is almost 100% up to 240 ° C., but is reduced to about 90% at 260 to 290 ° C. Then, in 300 to 360 ° C., CH 4 selectivity of is about 95%. Moreover, although the comparative example 2 is almost 100% up to 300 ° C., it is about 50% at 320 to 400 ° C.

表1は、図2及び3の結果をまとめて示したものである。ここで、最大CO転化率は、それぞれの曲線の最大値を数値で表したものである。そして、最大CO転化率に対応する触媒入口温度及びCH選択率を示している。これらの用語は、他の実施例及び比較例についても同様である。なお、最大CO転化率は、触媒入口温度だけでなく、導入されるガスの組成によっても変化する値である。 Table 1 summarizes the results of FIGS. Here, the maximum CO 2 conversion is a numerical value representing the maximum value of each curve. The catalyst inlet temperature and CH 4 selectivity corresponding to the maximum CO 2 conversion are shown. These terms are the same for other examples and comparative examples. Note that the maximum CO 2 conversion is a value that varies depending not only on the catalyst inlet temperature but also on the composition of the introduced gas.

本表から、実施例1は、200℃という低温度でCO転化率が最大となり、その温度におけるCH選択率も高いという点で、非常に優れた特性を有することがわかる。 From this table, it can be seen that Example 1 has very excellent characteristics in that the CO 2 conversion rate is maximized at a low temperature of 200 ° C. and the CH 4 selectivity at that temperature is also high.

この理由としては、担体にCeOを用いたことで、担体を用いない場合や担体にAlを用いた場合よりも、CO吸着量や酸素引き抜き量が増加したためと考えられる。 The reason for this is thought to be that the use of CeO 2 as the carrier increased the amount of CO 2 adsorption and the amount of oxygen extracted compared with the case where no carrier was used and Al 2 O 3 was used as the carrier.

Figure 2019155227
Figure 2019155227

図4は、実施例2及び3並びに比較例3のCO転化率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCO転化率をとっている。 FIG. 4 is a graph showing the CO 2 conversion rates of Examples 2 and 3 and Comparative Example 3. The horizontal axis represents the catalyst inlet temperature, and the vertical axis represents the CO 2 conversion rate.

本図に示すように、実施例2は、180℃を超えると、CO転化率が急激に上昇し、200℃で極大となっている。また、実施例3は、220℃を超えると、CO転化率が急激に上昇し、230℃で極大となっている。これに対して、比較例3の曲線は、400℃まで急峻な領域はなく、触媒が不活性であることを示している。 As shown in this figure, in Example 2, when the temperature exceeds 180 ° C., the CO 2 conversion rate increases rapidly and reaches a maximum at 200 ° C. Further, in Example 3, when the temperature exceeds 220 ° C., the CO 2 conversion rate increases rapidly and reaches a maximum at 230 ° C. In contrast, the curve of Comparative Example 3 does not have a steep region up to 400 ° C., indicating that the catalyst is inactive.

図5は、実施例2及び3並びに比較例3のCH選択率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCH選択率をとっている。 FIG. 5 is a graph showing the CH 4 selectivity of Examples 2 and 3 and Comparative Example 3. The horizontal axis represents the catalyst inlet temperature, and the vertical axis represents the CH 4 selectivity.

本図に示すように、実施例2は、180〜260℃でCH選択率がほぼ100%となっている。また、実施例3は、180〜280℃でCH選択率がほぼ100%となっている。 As shown in this figure, in Example 2, the CH 4 selectivity is almost 100% at 180 to 260 ° C. In Example 3, the CH 4 selectivity is almost 100% at 180 to 280 ° C.

比較例3も、180〜400℃でCH選択率がほぼ100%となっている。 In Comparative Example 3, the CH 4 selectivity is almost 100% at 180 to 400 ° C.

実施例2及び3は、全温度域で、比較例3よりもCO転化率が高かった。これは、CeOの存在により、CO吸着量や酸素引き抜き量が増加したためと考えられる。 Examples 2 and 3 had higher CO 2 conversion than Comparative Example 3 in the entire temperature range. This is presumably because the CO 2 adsorption amount and oxygen extraction amount increased due to the presence of CeO 2 .

実施例3及び比較例3はともに、担体にZrOを含むが、実施例3においては、CeOを含むため、活性が向上したと考えられる。 Both Example 3 and Comparative Example 3 contain ZrO 2 in the carrier, but in Example 3, since CeO 2 was contained, it is considered that the activity was improved.

表2は、図4及び5の結果をまとめて示したものである。   Table 2 summarizes the results of FIGS.

本表から、実施例2は、200℃でCO転化率が最大となり、その温度におけるCH選択率も高いという点で、非常に優れた特性を有することがわかる。 From this table, it can be seen that Example 2 has very excellent characteristics in that the CO 2 conversion is maximum at 200 ° C. and the CH 4 selectivity at that temperature is also high.

実施例2の触媒成分は、実施例1と同一である。実施例2においては、反応ガスのHとCOとの比をH/CO=5.25とし、量論比よりもHを過剰に加えた。そのため、COの変換が促進され、実施例2における最大CO転化率が実施例1よりも向上した。 The catalyst components in Example 2 are the same as in Example 1. In Example 2, the ratio of H 2 to CO 2 in the reaction gas was H 2 / CO 2 = 5.25, and H 2 was added in excess of the stoichiometric ratio. Therefore, the conversion of CO 2 was promoted, and the maximum CO 2 conversion rate in Example 2 was improved as compared with Example 1.

Figure 2019155227
Figure 2019155227

実施例4及び5並びに比較例4においては、実施例1〜3及び比較例1〜3の場合とは異なり、反応ガスをNで10倍に希釈している。実施例5においては、更に1.6%のOを含む。 In Examples 4 and 5 and Comparative Example 4, unlike the case of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3, and the reaction gas is diluted 10-fold with N 2. Example 5 further includes 1.6% O 2 .

図6は、実施例4及び5並びに比較例4のCO転化率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCO転化率をとっている。 FIG. 6 is a graph showing the CO 2 conversion rates of Examples 4 and 5 and Comparative Example 4. The horizontal axis represents the catalyst inlet temperature, and the vertical axis represents the CO 2 conversion rate.

本図に示すように、実施例4は、180℃から240℃まで、CO転化率が急激に上昇し、80%を超え、280℃で極大となっている。300℃以上においては、CO転化率は緩やかに減少している。また、実施例5は、180℃から300℃までの範囲で、CO転化率が高く、260℃で極大となっている。この範囲では、CO転化率は40%以上となっている。300℃以上においては、CO転化率は緩やかに減少している。これに対して、比較例4は、CO転化率は180℃から350℃まで緩やかに上昇し、50%超に達している。350℃から500℃までの範囲では、CO転化率がほぼ一定となっている。 As shown in this figure, in Example 4, the CO 2 conversion rate rapidly increases from 180 ° C. to 240 ° C., exceeds 80%, and reaches a maximum at 280 ° C. Above 300 ° C., the CO 2 conversion rate gradually decreases. Further, the embodiment 5, in the range up to 300 ° C. from 180 ° C., CO 2 conversion is high, and has a maximum at 260 ° C.. In this range, the CO 2 conversion is 40% or more. Above 300 ° C., the CO 2 conversion rate gradually decreases. In contrast, in Comparative Example 4, the CO 2 conversion rate gradually increased from 180 ° C. to 350 ° C. and reached over 50%. In the range from 350 ° C. to 500 ° C., the CO 2 conversion is almost constant.

図7は、実施例4及び5並びに比較例4のCH選択率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCH選択率をとっている。 FIG. 7 is a graph showing the CH 4 selectivity of Examples 4 and 5 and Comparative Example 4. The horizontal axis represents the catalyst inlet temperature, and the vertical axis represents the CH 4 selectivity.

本図に示すように、実施例4は、180〜350℃でCH選択率がほぼ100%となっている。また、実施例5は、180〜300℃でCH選択率がほぼ100%となっている。 As shown in this figure, in Example 4, the CH 4 selectivity is almost 100% at 180 to 350 ° C. In Example 5, the CH 4 selectivity is almost 100% at 180 to 300 ° C.

比較例4も、180〜260℃でCH選択率がほぼ100%となっている。 In Comparative Example 4, the CH 4 selectivity at 180 to 260 ° C. is almost 100%.

で反応ガスを希釈したことにより、実施例4のCO転化率は、実施例1よりも低下する傾向にあるが、最大CO転化率は同程度となっている。 By diluting the reaction gas with N 2 , the CO 2 conversion rate of Example 4 tends to be lower than that of Example 1, but the maximum CO 2 conversion rate is comparable.

実施例4とは異なるCeOを用いた比較例4においては、実施例4よりも最大CO転化率は低下し、最大CO転化率となる温度が上昇した。 In Comparative Example 4 using CeO 2 different from Example 4, the maximum CO 2 conversion rate was lower than that in Example 4, and the temperature at which the maximum CO 2 conversion rate was reached increased.

また、実施例5は、反応ガス中のHの一部がOと反応したため、COとの反応量が低下し、CO転化率が減少したと考えられる。CH選択率は、実施例3と同程度であった。そのため、O共存下でもCOを副生することなく、COのメタン化が可能であることがわかる。 In Example 5, a part of H 2 in the reaction gas due to a reaction with O 2, the reaction of the CO 2 is reduced, believed to CO 2 conversion decreased. The CH 4 selectivity was similar to that in Example 3. Therefore, it can be seen that CO 2 can be methanated without CO as a by-product even in the presence of O 2 .

表3は、図6及び7の結果をまとめて示したものである。   Table 3 summarizes the results of FIGS.

本表から、実施例4は、Nが大量に含まれるガスを供給した場合に対応する実験結果であるが、この場合においても、300℃未満でCO転化率が高くなり、その温度範囲におけるCH選択率も高い。触媒入口温度300℃未満(280℃)で最大CO転化率が80%以上である。これらのことから、実施例4は、非常に優れた特性を示している。 From this table, Example 4 is an experimental result corresponding to the case where a gas containing a large amount of N 2 is supplied. Even in this case, the CO 2 conversion becomes high at less than 300 ° C., and the temperature range thereof. The CH 4 selectivity in is also high. The maximum CO 2 conversion is 80% or more at a catalyst inlet temperature of less than 300 ° C. (280 ° C.). From these facts, Example 4 shows very excellent characteristics.

また、実施例5は、燃焼ガスに残存する少量のOを想定した組成のガスを供給した場合に対応する実験結果であるが、この場合においては、実施例4に比べて、CO転化率が低くなる。しかし、このような条件であっても、300℃未満でCO転化率40%以上を維持することができることがわかる。 Further, Example 5 is an experimental result corresponding to the case where a gas having a composition that assumes a small amount of O 2 remaining in the combustion gas is supplied. In this case, compared with Example 4, CO 2 conversion is performed. The rate is lowered. However, it can be seen that even under such conditions, a CO 2 conversion of 40% or more can be maintained at less than 300 ° C.

Figure 2019155227
Figure 2019155227

表4は、実施例1〜5及び比較例1〜4の担体、CO吸着試験の結果及び触媒粒子の平均粒径をまとめて示したものである。   Table 4 summarizes the supports of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, the results of the CO adsorption test, and the average particle diameter of the catalyst particles.

本表に示すとおり、実施例1〜5は、比較例1〜4よりもCO吸着量が多く、平均粒径が小さい。そのため、実施例1〜5においては、金属成分の露出量が多く、活性成分の分散度が高い可能性がある。これは、担体に酸素を引き抜きやすいCeOの作用により、活性成分と結合した酸素が引き抜かれ、金属として存在する量が増加したためと考えられる。その結果、触媒表面へのH吸着量が増加し、COメタン化性能が向上したと考えられる。 As shown in this table, Examples 1 to 5 have a larger CO adsorption amount and a smaller average particle size than Comparative Examples 1 to 4. Therefore, in Examples 1-5, there is a possibility that the exposure amount of the metal component is large and the dispersity of the active component is high. This is presumably because oxygen bound to the active component was extracted due to the action of CeO 2 that easily extracts oxygen from the carrier, and the amount existing as a metal increased. As a result, it is considered that the amount of H 2 adsorbed on the catalyst surface increased and the CO 2 methanation performance was improved.

比較例4においては、担体がCeOで構成されているが、実施例1、2、4及び5の場合とは異なり、酸素を引き抜きにくいCeOを用いたため、金属として存在する活性成分量が減少し、COメタン化性能が低下したと考えられる。 In Comparative Example 4, the carrier is composed of CeO 2 , but unlike the cases of Examples 1, 2, 4 and 5, CeO 2 which does not easily extract oxygen is used, so that the amount of active ingredient present as a metal is small. It is considered that the CO 2 methanation performance was reduced.

Figure 2019155227
Figure 2019155227

1:担体、2:触媒成分、3:追加成分、100、110:COメタン化触媒。 1: support, 2: catalyst component, 3: additional component, 100, 110: CO 2 methanation catalyst.

Claims (15)

水素を用いて二酸化炭素をメタンに変換する触媒であって、
担体と、
触媒成分と、を含み、
前記担体は、Ce、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択された一種類以上を含み、
前記触媒成分は、前記担体に担持されたNiを含む、COメタン化触媒。
A catalyst for converting carbon dioxide into methane using hydrogen,
A carrier;
A catalyst component,
The carrier includes one or more selected from the group consisting of Ce, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu,
The catalyst component is a CO 2 methanation catalyst containing Ni supported on the carrier.
前記担体は、Ceと、Zr、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択された一種類以上と、を含む、請求項1記載のCOメタン化触媒。 The carrier includes Ce and one or more selected from the group consisting of Zr, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. The CO 2 methanation catalyst according to claim 1. 前記担体は、酸化物を含む、請求項1又は2に記載のCOメタン化触媒。 The CO 2 methanation catalyst according to claim 1 or 2, wherein the support contains an oxide. 前記触媒成分であるNiの含有量は、前記担体の有効成分100質量部に対して0.1〜40質量部である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のCOメタン化触媒。 The CO 2 methanation catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the content of Ni as the catalyst component is 0.1 to 40 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active ingredient of the carrier. . 前記触媒成分は、さらに、追加成分としてPt、Rh及びPdからなる群から選択された一種類以上を含む、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のCOメタン化触媒。 5. The CO 2 methanation catalyst according to claim 1, wherein the catalyst component further contains one or more kinds selected from the group consisting of Pt, Rh, and Pd as an additional component. 前記追加成分の含有量は、前記担体の有効成分100質量部に対して0.1〜1質量部である、請求項5記載のCOメタン化触媒。 6. The CO 2 methanation catalyst according to claim 5, wherein the content of the additional component is 0.1 to 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the active ingredient of the carrier. 一酸化炭素の吸着量が0.7cm/g以上である、請求項1乃至6のいずれか一項に記載のCOメタン化触媒。 The CO 2 methanation catalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein an adsorption amount of carbon monoxide is 0.7 cm 3 / g or more. 前記触媒成分の平均粒径は、1nm以上50nm以下である、請求項1乃至7のいずれか一項に記載のCOメタン化触媒。 The CO 2 methanation catalyst according to any one of claims 1 to 7, wherein an average particle diameter of the catalyst component is 1 nm or more and 50 nm or less. 触媒入口温度が300℃未満の条件における最大CO転化率が80%以上である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のCOメタン化触媒。 The CO 2 methanation catalyst according to any one of claims 1 to 8, wherein the maximum CO 2 conversion rate under a condition where the catalyst inlet temperature is less than 300 ° C is 80% or more. 供給されるガスに含まれる窒素の比率がモル基準で90%であって触媒入口温度が300℃未満の条件における最大CO転化率が80%以上である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のCOメタン化触媒。 9. The maximum CO 2 conversion rate is 80% or more under the condition that the ratio of nitrogen contained in the supplied gas is 90% on a molar basis and the catalyst inlet temperature is less than 300 ° C. 9. The CO 2 methanation catalyst according to Item. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載のCOメタン化触媒に水素及び二酸化炭素を含むガスを供給し、二酸化炭素を還元してメタンを生成する方法であって、
前記ガスに含まれる水素と二酸化炭素との濃度の比は、モル基準で1〜6である、二酸化炭素の還元方法。
A method for producing methane by supplying a gas containing hydrogen and carbon dioxide to the CO 2 methanation catalyst according to any one of claims 1 to 10, and reducing the carbon dioxide.
The concentration ratio between hydrogen and carbon dioxide contained in the gas is 1 to 6 on a molar basis.
前記ガスは、更に窒素を含む、請求項11記載の二酸化炭素の還元方法。   The method for reducing carbon dioxide according to claim 11, wherein the gas further contains nitrogen. 前記ガスに含まれる窒素の濃度は、モル基準で0.1〜95%である、請求項12記載の二酸化炭素の還元方法。   The method for reducing carbon dioxide according to claim 12, wherein the concentration of nitrogen contained in the gas is 0.1 to 95% on a molar basis. 前記ガスは、更に酸素を含む、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の二酸化炭素の還元方法。   The method for reducing carbon dioxide according to any one of claims 11 to 13, wherein the gas further contains oxygen. 前記ガスに含まれる酸素の濃度は、モル基準で0.1〜20%である、請求項13記載の二酸化炭素の還元方法。   The method for reducing carbon dioxide according to claim 13, wherein the concentration of oxygen contained in the gas is 0.1 to 20% on a molar basis.
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