JP2019155227A - Co2 methanation catalyst and carbon dioxide reduction method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CO2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(CO2)の排出を抑制するためには、分離回収したCO2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(H2)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H2を合成することが可能となる。このようにして得られたH2と分離回収したCO2とを用いて、メタン(CH4)を初めとする燃料へ変換することで、CO2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、H2を用いたCO2の変換は発熱反応であるため、CH4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。
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
特許文献3には、Al2O3等の基材と、基材に接したNi等の金属と、CeO2、ZrO2、TiO2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/CeO2を用いた場合のCO2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
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、CO2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CO2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
特許文献3に記載の触媒は、Ni等の金属、及びCeO2、ZrO2、TiO2等の酸化物のほか、Al2O3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CO2転化率が低い点で改良の余地がある。
The catalyst described in Non-Patent
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CO2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CO2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、CO2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
図1Bは、本発明のCO2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CO2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
本発明の触媒系におけるCO2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CO2及びH2が吸着する。CO2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H2が反応してCH4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).
触媒表面へのCO2及びH2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、CO2がCH4やCOに変換されずにCO2のまま排出される。上記反応式(2)の反応速度が遅い場合、CO2から変換されたCOがCH4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、CO2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、H2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
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
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 |
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、CO2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、CO2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、CO2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
CO2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
例えば、CO2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
(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
(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
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
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
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、0.7cm3/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、H2吸着量が増加するため、CO2と反応できるH2量が増加し、CO2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、H2とCO2との反応が促進される。
The carbon monoxide adsorption amount (CO adsorption amount) on the
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
担体1は、CO2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50〜300m2/gとすると、CO2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、CO2メタン化性能にとって好ましい。
In addition to being a CO 2 adsorption point, the
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
CO2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CO2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
CO2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
CO2メタン化触媒100、110に接触する反応ガス中のH2とCO2との比は、上記反応式(3)に示す量論比のH2/CO2=4であることが好ましいが、モル基準でH2/CO2=1〜6であれば、COを副生することなくCO2のメタン化が可能である。H2/CO2が1よりも小さい場合、CO2に対してH2の量が少ないため、COが副生する可能性がある。H2/CO2が6よりも大きい場合、CO2と反応せずに排出されるH2の量が増加する。
The ratio of H 2 and CO 2 in the reaction gas contacting the CO 2 methanation
CO2メタン化触媒100、110に接触する反応ガス中には、H2及びCO2以外に、窒素(N2)や酸素(O2)が含まれていてもよい。N2濃度は、モル基準で0.1〜95%であることが好ましい。N2濃度が95%よりも高い場合、H2及びCO2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O2が含まれる場合、大部分のO2は、H2と反応して水になるため、CO2と反応するH2の量が少なくなり、CH4の生成量が減少する。ただし、COの副生はないため、CO2のメタン化とO2除去とを同時に行うことができる。O2濃度は、モル基準で0.1〜20%であることが好ましい。O2濃度が20%よりも高い場合、H2がO2との反応に大量に消費されるため、CO2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
CO2メタン化触媒100、110の300℃未満での最大CO2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、CO2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、CH4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、CO2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、CH4ではなく、COが副生しやすくなる。したがって、CO2からCH4を選択的に生成するためには、CO2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
また、製品グレードのCH4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、CO2メタン化触媒100、110の最大CO2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
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.
CeO2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(NO3)2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、CeO2100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CO2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、H2とCO2とのモル比をH2/CO2=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、H2:80%、CO2:20%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H2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、CO2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、CO2転化率XCO2(単位%)及びCH4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).
式中、Fin,CO2は反応管に流入したCO2量を、Fout,CO2は反応管から流出したCO2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.
式中、Fout,CH4は反応管から流出したCH4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H2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)
CeO2粉末の代わりにAl2O3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CO2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)
CeO2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CO2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H2とCO2とのモル比をH2/CO2=5.25とし、反応ガスの組成をモル基準でH2:84%、CO2:16%とした以外は、実施例1と同様の方法でCO2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 /
CeO2粉末の代わりにCeO2−ZrO2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、CeO2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CO2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)
CeO2粉末の代わりにZrO2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CO2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H2:8%、CO2:2%、N2:90%とした以外は、実施例1と同様の方法でCO2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H2:8%、CO2:2%、O2:1.6%、N2:88.4%とした以外は、実施例1と同様の方法でCO2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CeO2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0.63cm3/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CO2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CO2転化率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCO2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、CO2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CO2転化率が低く、290℃を超えると、CO2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CH4選択率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCH4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CH4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CH4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、CH4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CO2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CO2転化率に対応する触媒入口温度及びCH4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CO2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CO2転化率が最大となり、その温度におけるCH4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CeO2を用いたことで、担体を用いない場合や担体にAl2O3を用いた場合よりも、CO2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.
図4は、実施例2及び3並びに比較例3のCO2転化率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCO2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、CO2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、CO2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CH4選択率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCH4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CH4選択率がほぼ100%となっている。また、実施例3は、180〜280℃でCH4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CH4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CO2転化率が高かった。これは、CeO2の存在により、CO2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ZrO2を含むが、実施例3においては、CeO2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CO2転化率が最大となり、その温度におけるCH4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H2とCO2との比をH2/CO2=5.25とし、量論比よりもH2を過剰に加えた。そのため、CO2の変換が促進され、実施例2における最大CO2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.
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N2で10倍に希釈している。実施例5においては、更に1.6%のO2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CO2転化率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCO2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、CO2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、CO2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、CO2転化率が高く、260℃で極大となっている。この範囲では、CO2転化率は40%以上となっている。300℃以上においては、CO2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、CO2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、CO2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
図7は、実施例4及び5並びに比較例4のCH4選択率を示すグラフである。横軸に触媒入口温度、縦軸にCH4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CH4選択率がほぼ100%となっている。また、実施例5は、180〜300℃でCH4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CH4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%.
N2で反応ガスを希釈したことにより、実施例4のCO2転化率は、実施例1よりも低下する傾向にあるが、最大CO2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CeO2を用いた比較例4においては、実施例4よりも最大CO2転化率は低下し、最大CO2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H2の一部がO2と反応したため、CO2との反応量が低下し、CO2転化率が減少したと考えられる。CH4選択率は、実施例3と同程度であった。そのため、O2共存下でもCOを副生することなく、CO2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、N2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CO2転化率が高くなり、その温度範囲におけるCH4選択率も高い。触媒入口温度300℃未満(280℃)で最大CO2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O2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、CO2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CO2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.
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CeO2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H2吸着量が増加し、CO2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CeO2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CeO2を用いたため、金属として存在する活性成分量が減少し、CO2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.
1:担体、2:触媒成分、3:追加成分、100、110:CO2メタン化触媒。 1: support, 2: catalyst component, 3: additional component, 100, 110: CO 2 methanation catalyst.
Claims (15)
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、CO2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.
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