JP2025030888A - Catalyst for methanation and method for producing methane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタネーションのための触媒およびメタンを製造する方法に関する。 The present invention relates to a catalyst for methanation and a method for producing methane.
二酸化炭素(CO2)と水素(H2)とを原料としてメタンを生成する反応が、メタネーション反応(単にメタネーションということもある。)として知られている。メタネーション反応は次の反応式で表される。
CO2+4H2→CH4+2H2O
メタネーションのために用いる触媒が検討されている。例えば特許文献1は、担体と触媒成分とを含むメタネーションのための触媒を開示している。特許文献1に開示された触媒において、担体は、セリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム等の元素からなる群から選択された1種類以上を含み、触媒成分は前記担体に担持されたニッケルを含む。
The reaction of producing methane using carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) as raw materials is known as the methanation reaction (sometimes simply called methanation). The methanation reaction is represented by the following reaction formula.
CO 2 +4H 2 →CH 4 +2H 2 O
Catalysts for use in methanation have been studied. For example, Patent Document 1 discloses a catalyst for methanation comprising a carrier and a catalytic component. In the catalyst disclosed in Patent Document 1, the carrier comprises one or more elements selected from the group consisting of elements such as cerium, lanthanum, praseodymium, and neodymium, and the catalytic component comprises nickel supported on the carrier.
特許文献2は、メタネーションのために用いる触媒として、担体及び担体に担持された触媒金属を開示している。特許文献2に開示された触媒の担体は、セリウム、ジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、ケイ素、及びマグネシウムから選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む金属酸化物を含有する。触媒金属は、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム及びイリジウムから選ばれる少なくとも1種の金属を含有する。 Patent Document 2 discloses a carrier and a catalytic metal supported on the carrier as a catalyst used for methanation. The carrier of the catalyst disclosed in Patent Document 2 contains a metal oxide containing at least one metal element selected from cerium, zirconium, yttrium, aluminum, silicon, and magnesium. The catalytic metal contains at least one metal selected from nickel, ruthenium, rhodium, potassium, calcium, sodium, and iridium.
メタネーション反応は発熱反応であるが、約500℃付近からは逆水性ガスシフト反応によって一酸化炭素が生成する。このため、反応効率および安全性を考慮すると、500℃以下、かつ常圧でメタネーションを実施できることが好ましい。また、原料である水素ガスは可燃性であり、空気中での爆発範囲を有する(水素の爆発濃度範囲は、空気中では4.0~75%)。安全性の観点から、爆発限界以下の水素濃度においてメタネーション反応を実施できることが好ましい。そこで本開示は、500℃以下の温度、常圧条件下で、かつ、低水素濃度であってもメタネーションを進行させることができる触媒、および、メタンを製造する方法を提供することを目的の1つとする。 The methanation reaction is an exothermic reaction, but from about 500°C, carbon monoxide is generated by the reverse water gas shift reaction. For this reason, in consideration of reaction efficiency and safety, it is preferable to be able to carry out methanation at 500°C or less and at normal pressure. In addition, hydrogen gas, which is the raw material, is flammable and has an explosion range in air (the explosion concentration range of hydrogen in air is 4.0 to 75%). From the viewpoint of safety, it is preferable to be able to carry out the methanation reaction at a hydrogen concentration below the explosion limit. Therefore, one of the objectives of the present disclosure is to provide a catalyst and a method for producing methane that can proceed with methanation even at a low hydrogen concentration under normal pressure conditions at a temperature of 500°C or less.
本開示にかかるメタネーションのための触媒は、第1粒子と、第2粒子と、第3粒子と、を含む。前記第1粒子は、ニッケル、コバルト、ルテニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む金属からなる。前記第2粒子は、ZrSn1-xCexO4の組成式で表され、0≦x≦0.5を満たす複合金属酸化物からなる。前記第3粒子は、セラミックス材料からなる。前記第1粒子および前記第2粒子は、前記第3粒子に担持されている。 The catalyst for methanation according to the present disclosure includes first particles, second particles, and third particles. The first particles are made of a metal including at least one selected from the group consisting of nickel, cobalt, and ruthenium. The second particles are made of a composite metal oxide represented by a composition formula of ZrSn1 - xCexO4 , where 0≦x≦0.5 is satisfied. The third particles are made of a ceramic material. The first particles and the second particles are supported on the third particles.
上記触媒によれば、500℃以下の温度、常圧条件下で、かつ、低水素濃度であってもメタネーションを進行させることができる。 The above catalyst allows methanation to proceed even at temperatures below 500°C, under normal pressure conditions, and with low hydrogen concentrations.
[実施形態の概要]
始めに、本開示にかかる触媒および製造方法を列挙して説明する。
本開示にかかるメタネーションのための触媒は、第1粒子と、第2粒子と、第3粒子と、を含む。前記第1粒子は、ニッケル、コバルト、ルテニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む金属からなる。前記第2粒子は、ZrSn1-xCexO4の組成式で表され、0≦x≦0.5を満たす複合金属酸化物からなる。前記第3粒子は、セラミックス材料からなる。前記第1粒子および前記第2粒子は、前記第3粒子に担持されている。
[Overview of the embodiment]
First, the catalysts and production methods according to the present disclosure will be listed and described.
The catalyst for methanation according to the present disclosure includes first particles, second particles, and third particles. The first particles are made of a metal including at least one selected from the group consisting of nickel, cobalt, and ruthenium. The second particles are made of a composite metal oxide represented by a composition formula of ZrSn1 - xCexO4 , where 0≦x≦0.5 is satisfied. The third particles are made of a ceramic material. The first particles and the second particles are supported on the third particles.
メタネーションは、水素によって二酸化炭素をメタンに変換する反応である。メタネーションによれば、二酸化炭素を削減し、生成したメタンを燃料ガスとして再利用することができる。カーボンニュートラルを実現する技術としてメタネーションへの期待が高まっており、メタネーションのための触媒やその使用方法が検討されている。特許文献1では、特定の組成を有する触媒を用いてメタネーションを実施する方法を開示している。特許文献1の実施例では、原料ガスとして、水素80モル%と二酸化炭素20モル%とからなる原料ガス、また、水素8モル%と二酸化炭素2モル%と窒素90モル%とからなる原料ガスが用いられたことが記載されている。 Methanation is a reaction that converts carbon dioxide into methane using hydrogen. Methanation can reduce carbon dioxide and reuse the methane produced as fuel gas. Expectations are high for methanation as a technology that can achieve carbon neutrality, and catalysts for methanation and methods for using them are being studied. Patent Document 1 discloses a method for carrying out methanation using a catalyst with a specific composition. In the examples of Patent Document 1, it is described that a raw material gas consisting of 80 mol % hydrogen and 20 mol % carbon dioxide, and a raw material gas consisting of 8 mol % hydrogen, 2 mol % carbon dioxide, and 90 mol % nitrogen were used as the raw material gas.
特許文献2は、特定の触媒を用いて、メタネーションによってメタンを製造する方法を開示している。特許文献2には、二酸化炭素と水素と酸素と含む原料ガスを用いる方法が開示されている。特許文献2の技術は、実用上、メタネーションの原料ガスとなる排ガス等には二酸化炭素と水素だけでなく酸素も含有される場合があることに鑑み、酸素が存在する中でも効率的にメタンを製造できる方法を提案している。特許文献2の実施例では、原料ガスとして、10体積%の二酸化炭素と10体積%の酸素と60体積%の水素、及び残部の窒素からなる混合ガスが用いられている。 Patent Document 2 discloses a method for producing methane by methanation using a specific catalyst. Patent Document 2 discloses a method using a raw material gas containing carbon dioxide, hydrogen, and oxygen. In practice, the technology of Patent Document 2 proposes a method for efficiently producing methane even in the presence of oxygen, taking into consideration that exhaust gases and the like that serve as raw material gas for methanation may contain not only carbon dioxide and hydrogen but also oxygen. In the examples of Patent Document 2, a mixed gas consisting of 10% by volume of carbon dioxide, 10% by volume of oxygen, 60% by volume of hydrogen, and the remainder of nitrogen is used as the raw material gas.
原料ガス中に含まれる二酸化炭素や水素の濃度が低いと、メタネーションの反応は熱力学的に不利となる。一方で、水素は空気中での爆発範囲を有するため、爆発限界以下(4%以下)といった低い水素濃度であってもメタネーション反応が進行することが望ましい。また、反応効率を上げるためには加圧下でのメタネーションを実施することも考えられるが、エネルギー効率や安全性の観点から、常圧下でもメタネーションが進行することが望ましい。本開示にかかる触媒によれば、低水素濃度の原料ガスを用いて、常圧で反応を行う場合であっても、充分な二酸化炭素の転化率、メタンの収率が得られる。特定の理論に拘束されるものではないが、本開示にかかる触媒は、価数変化しやすいSnを含むために酸化還元能力を持つ金属酸化物である酸化ジルコニウムスズ(ZrSnO4)と、水素解離能を持つ触媒金属(典型的にはNi)とが、高比表面積のセラミック材料に担持されている構成によって、酸化還元能力が強化され、メタネーションにおける優れた触媒活性を発揮するものと考えられている。また、スズ(Sn)の一部にセリウム(Ce)が添加されている構造によれば、なおさらこの効果が確実なものとなる。 If the concentrations of carbon dioxide and hydrogen contained in the raw gas are low, the methanation reaction is thermodynamically disadvantageous. On the other hand, since hydrogen has an explosive range in air, it is desirable that the methanation reaction proceeds even at a low hydrogen concentration, such as below the explosive limit (4% or less). In addition, in order to increase the reaction efficiency, it is possible to carry out methanation under pressure, but from the viewpoint of energy efficiency and safety, it is desirable that methanation proceeds even at normal pressure. According to the catalyst of the present disclosure, even when a raw gas with a low hydrogen concentration is used and the reaction is carried out at normal pressure, a sufficient carbon dioxide conversion rate and methane yield can be obtained. Although it is not bound by a particular theory, it is believed that the catalyst of the present disclosure has a configuration in which zirconium tin oxide (ZrSnO 4 ), which is a metal oxide having oxidation-reduction ability because it contains Sn, which is easily changed in valence, and a catalytic metal (typically Ni) having hydrogen dissociation ability are supported on a ceramic material with a high specific surface area, thereby enhancing the oxidation-reduction ability and exhibiting excellent catalytic activity in methanation. Furthermore, this effect is even more pronounced when cerium (Ce) is added to a portion of the tin (Sn).
前記メタネーションのための触媒において、前記第1粒子の少なくとも一部は前記第2粒子に接触していてもよい。また、前記第1粒子の含有割合は、前記触媒の質量に対して3質量%以上40質量%以下であってよい。これらの構成および含有割合であるとき、本開示にかかる効果が確実に得られる。 In the catalyst for methanation, at least a portion of the first particles may be in contact with the second particles. The content of the first particles may be 3% by mass or more and 40% by mass or less with respect to the mass of the catalyst. With these configurations and content ratios, the effects of the present disclosure can be reliably obtained.
前記メタネーションのための触媒において、前記第2粒子の含有割合は、前記第2粒子および前記第3粒子の合計質量に対して5質量%以上60質量%以下であってよい。この範囲であるとき、本開示にかかる効果がより確実に得られる。 In the catalyst for methanation, the content of the second particles may be 5% by mass or more and 60% by mass or less with respect to the total mass of the second particles and the third particles. When it is in this range, the effects of the present disclosure can be obtained more reliably.
前記メタネーションのための触媒において、前記セラミックス材料は、アルミナ、シリカ、コージェライトおよびムライトからなる群から選択された1種以上であってよい。これらのセラミックス材料は安定性に優れた公知の材料であり、触媒金属および複合金属酸化物を含む触媒活性物質を担持した触媒を安定に得ることができる。 In the catalyst for methanation, the ceramic material may be one or more selected from the group consisting of alumina, silica, cordierite, and mullite. These ceramic materials are known materials with excellent stability, and can stably obtain a catalyst supporting a catalytically active substance including a catalytic metal and a composite metal oxide.
本開示にかかるメタンを製造する方法は、二酸化炭素および水素を含む原料ガスを準備する工程と、前記メタネーションのための触媒に、前記原料ガスを接触させて、二酸化炭素および水素からメタンを生成する工程と、を含む。本開示にかかる製造方法によれば、水素濃度が低い原料ガスを用いた場合でも二酸化炭素の転化率およびメタン収率が高く、好適にメタンを得ることができる。 The method for producing methane according to the present disclosure includes the steps of preparing a feed gas containing carbon dioxide and hydrogen, and contacting the feed gas with a catalyst for methanation to produce methane from carbon dioxide and hydrogen. According to the production method according to the present disclosure, even when a feed gas with a low hydrogen concentration is used, the carbon dioxide conversion rate and methane yield are high, and methane can be suitably obtained.
前記方法において、前記原料ガスにおける水素濃度が、前記原料ガスの体積を基準として1体積%以上8体積%以下であってよい。この範囲内であるとき、本開示にかかる効果がより明確になる。 In the method, the hydrogen concentration in the source gas may be 1% by volume or more and 8% by volume or less based on the volume of the source gas. When it is within this range, the effect of the present disclosure becomes more evident.
[実施形態の具体例]
以下、本開示にかかる触媒およびメタンを製造する方法について実施形態の具体例を示してより詳細に説明する。
[Specific Example of the Embodiment]
The catalyst and the method for producing methane according to the present disclosure will be described in more detail below with reference to specific examples of embodiments.
(触媒)
本開示にかかる触媒は、第1粒子と、第2粒子と、第3粒子と、を含む触媒である。第1粒子は触媒金属を含む。第2粒子は複合金属酸化物を含む。第3粒子はセラミック材料である。本開示にかかる触媒において、第1粒子および第2粒子は、第3粒子に担持されている。第1粒子の少なくとも一部は第2粒子の表面に接触している。すなわち第1粒子の少なくとも一部は、第2粒子に担持されている。第2粒子は、第3粒子の表面に接触している。第1粒子は、第2粒子の表面および第3粒子の表面に接触している粒子と、第2粒子の表面にのみ接触し、第2粒子を介して第3粒子に担持されている粒子と、を含む。
(catalyst)
The catalyst according to the present disclosure is a catalyst including a first particle, a second particle, and a third particle. The first particle includes a catalytic metal. The second particle includes a composite metal oxide. The third particle is a ceramic material. In the catalyst according to the present disclosure, the first particle and the second particle are supported by the third particle. At least a portion of the first particle is in contact with the surface of the second particle. That is, at least a portion of the first particle is supported by the second particle. The second particle is in contact with the surface of the third particle. The first particle includes a particle in contact with the surface of the second particle and the surface of the third particle, and a particle in contact only with the surface of the second particle and supported by the third particle via the second particle.
第1粒子は、例えば、X線回折法(XRD)によって組成を確認し、粒子として存在することを確認できる。第2粒子および第3粒子は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)または透過型電子顕微鏡(TEM)によって粒子の形態を確認し、X線回折法(XRD)または蛍光X線分析によって粒子の組成を確認することができる。 The composition of the first particles can be confirmed, for example, by X-ray diffraction (XRD), and the existence of the first particles can be confirmed. The particle morphology of the second and third particles can be confirmed, for example, by a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM), and the composition of the particles can be confirmed by X-ray diffraction (XRD) or X-ray fluorescence analysis.
(第1粒子)
第1粒子は、ニッケル、コバルト、ルテニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む金属からなる。第1粒子を構成する金属は、1種であってもよく、2種以上を含有してもよい。第1粒子としての金属は、水素解離能を有し、メタネーション反応を促進する触媒として機能する触媒金属である。
(First particle)
The first particles are made of at least one metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, and ruthenium. The metal constituting the first particles may be one type or may contain two or more types. The metal as the first particles is a catalytic metal that has hydrogen dissociation ability and functions as a catalyst for promoting a methanation reaction.
第1粒子は、ニッケルを含むことが好ましい。第1粒子におけるニッケルの含有割合は、第1粒子全体に対して50質量%以上であってよく、70質量%以上が好ましく、実質的にニッケルからなることが好ましい。実質的にニッケルからなるとは、不可避的不純物を除いて、第1粒子がニッケルで構成されることを意味する。 The first particles preferably contain nickel. The nickel content in the first particles may be 50% by mass or more, preferably 70% by mass or more, based on the entire first particle, and preferably consists essentially of nickel. "Substantially consists of nickel" means that the first particles are composed of nickel, excluding unavoidable impurities.
本開示にかかる触媒において、触媒金属である第1粒子の含有割合は、本開示にかかる効果を有する限り制限されないが、触媒の質量に対して、3質量%~40質量%であってよく、6質量%~30質量%であれば好ましい。触媒金属の含有量が3質量%以上であれば、第2粒子と共に機能することで、メタネーションを促進するという触媒の効果が得られる。触媒金属の含有量が40質量%以下であれば、十分な触媒効果が得られる。 In the catalyst according to the present disclosure, the content ratio of the first particles, which are catalytic metals, is not limited as long as it has the effect according to the present disclosure, but may be 3% by mass to 40% by mass, and preferably 6% by mass to 30% by mass, relative to the mass of the catalyst. If the content of the catalytic metal is 3% by mass or more, the catalytic effect of promoting methanation by functioning together with the second particles is obtained. If the content of the catalytic metal is 40% by mass or less, a sufficient catalytic effect is obtained.
(第2粒子)
第2粒子は、ZrSn1-xCexO4の組成式で表され、0≦x≦0.5を満たす酸化物からなる。すなわち、第2粒子は、ZrSnO4、または、ZrSnO4のSnの一部としてセリウム(Ce)が添加された複合金属酸化物である。xは0以上であり、0.5以下であることが好ましく、0.3以下であることがより好ましい。x=0である場合、Ceを含まないことを意味し、第2粒子を構成する複合金属酸化物はZrSnO4である。本開示にかかる触媒の第2粒子はCeを含むものに制限されないが、Ceを添加することによって触媒の酸化還元能力をさらに向上させることができる。
(Second Particle)
The second particles are made of an oxide represented by the composition formula ZrSn 1-x Ce x O 4 and satisfy 0≦x≦0.5. That is, the second particles are ZrSnO 4 or a composite metal oxide to which cerium (Ce) is added as a part of Sn in ZrSnO 4. x is 0 or more and preferably 0.5 or less, more preferably 0.3 or less. When x=0, it means that Ce is not included, and the composite metal oxide constituting the second particles is ZrSnO 4. The second particles of the catalyst according to the present disclosure are not limited to those containing Ce, but the oxidation-reduction ability of the catalyst can be further improved by adding Ce.
本開示にかかる触媒において、複合金属酸化物である第2粒子の含有割合は、本開示にかかる効果を有する限り制限されないが、触媒の質量に対して、5質量%~60質量%であってよく、8質量%~53質量%であれば好ましい。また、第2粒子の含有割合は、第2粒子および第3粒子の合計質量に対して、5質量%~60質量%であってよく、10質量%~60質量%であれば好ましい。第2粒子の含有割合が、第2粒子および第3粒子の合計質量に対して5質量%以上であれば、原料ガス中の二酸化炭素を転化させてメタネーションを促進する効果が得られる。第2粒子の含有割合が60質量%以下であれば、十分な触媒効果が得られる。 In the catalyst according to the present disclosure, the content ratio of the second particles, which are composite metal oxides, is not limited as long as it has the effect according to the present disclosure, but may be 5% by mass to 60% by mass, and preferably 8% by mass to 53% by mass, relative to the mass of the catalyst. The content ratio of the second particles may be 5% by mass to 60% by mass, and preferably 10% by mass to 60% by mass, relative to the total mass of the second particles and the third particles. If the content ratio of the second particles is 5% by mass or more relative to the total mass of the second particles and the third particles, an effect of converting carbon dioxide in the feed gas and promoting methanation is obtained. If the content ratio of the second particles is 60% by mass or less, a sufficient catalytic effect is obtained.
(第3粒子)
本開示にかかる触媒を構成する第3粒子は、担体として機能するセラミックス材料である。セラミックス材料としては、例えば、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)、コージェライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)およびムライト(3Al2O3・2SiO2)からなる群から選択された1種以上であってよい。上記材料は、第3粒子を構成するセラミックス材料として好適である。
(Third particle)
The third particles constituting the catalyst according to the present disclosure are ceramic materials that function as carriers. The ceramic materials may be, for example, one or more selected from the group consisting of alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), cordierite (2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 ) and mullite (3Al 2 O 3.2SiO 2 ). The above materials are suitable as ceramic materials constituting the third particles.
なかでも、立方晶であるγ-アルミナを好適に用いることができる。第3粒子は、分散媒として機能する。触媒が第3粒子を含むことによって、第1粒子同士および第2粒子同士が凝集することを抑制し、第1粒子および第2粒子の表面積の低下を抑制できる。第3粒子の平均粒子径は、例えば、5nm以上であり、好ましくは10nm以上である。第3粒子の平均粒子径の上限は、特に限定されるものでもないが、例えば1μm未満である。 Among these, γ-alumina, which is a cubic crystal, can be preferably used. The third particles function as a dispersion medium. When the catalyst contains the third particles, the first particles and the second particles are prevented from agglomerating with each other, and a decrease in the surface area of the first particles and the second particles can be prevented. The average particle size of the third particles is, for example, 5 nm or more, and preferably 10 nm or more. The upper limit of the average particle size of the third particles is not particularly limited, but is, for example, less than 1 μm.
本開示にかかる触媒における第3粒子の含有割合は、第2粒子および第1粒子の含有割合に応じて適宜決定することができる。 The content ratio of the third particles in the catalyst according to the present disclosure can be appropriately determined according to the content ratio of the second particles and the first particles.
(触媒の機能)
本開示にかかる触媒は、メタンを製造するための触媒として用いられる。本開示にかかる触媒はメタネーション反応を促進する。触媒の活性は、CO2転化率、CH4収率、および、CH4選択率を指標として示されうる。CO2転化率は、一定量かつ一定温度の触媒に対して原料ガスを接触させた時に、原料ガスにおけるCO2濃度に対する、反応後に得られたガスにおけるCO2濃度の減少割合である。CH4収率は、原料ガスにおけるCO2濃度に対する、反応後のガスにおけるCH4濃度の割合である。CH4選択率は、CO2転化率に対するCH4収率の割合である。
(Catalyst Function)
The catalyst according to the present disclosure is used as a catalyst for producing methane. The catalyst according to the present disclosure promotes a methanation reaction. The activity of the catalyst can be indicated by CO2 conversion, CH4 yield, and CH4 selectivity. The CO2 conversion is the ratio of the decrease in the CO2 concentration in the gas obtained after the reaction to the CO2 concentration in the raw gas when the raw gas is contacted with a constant amount of catalyst at a constant temperature. The CH4 yield is the ratio of the CH4 concentration in the gas after the reaction to the CO2 concentration in the raw gas. The CH4 selectivity is the ratio of the CH4 yield to the CO2 conversion.
本開示にかかる触媒は、250℃~400℃の反応温度においてCO2転化率が10%以上であってよい。またこのとき、CH4選択率が54%以上であってよい。好ましくは反応温度300℃~350℃におけるCO2転化率が27%以上であってよい。またこのとき、CH4選択率が67%以上であってよい。本開示のかかる触媒の性能は、特に制限されるものではないが、例えば、250℃におけるCO2転化率が10%以上、CH4選択率が55%以上である。例えば、300℃におけるCO2転化率が27%以上、CH4選択率が69%以上である。例えば、350℃におけるCO2転化率が42%以上、CH4選択率が67%以上である。例えば、400℃におけるCO2転化率が42%以上、CH4選択率が54%以上である。例えば、450℃におけるCO2転化率が43%以上、CH4選択率が26%以上である。例えば、500℃におけるCO2転化率が47%以上、CH4選択率が5%以上である。 The catalyst according to the present disclosure may have a CO2 conversion rate of 10% or more at a reaction temperature of 250°C to 400°C. At this time, the CH4 selectivity may be 54% or more. Preferably, the CO2 conversion rate at a reaction temperature of 300°C to 350°C may be 27% or more. At this time, the CH4 selectivity may be 67% or more. The performance of such a catalyst according to the present disclosure is not particularly limited, but for example, the CO2 conversion rate at 250°C is 10% or more and the CH4 selectivity is 55% or more. For example, the CO2 conversion rate at 300°C is 27% or more and the CH4 selectivity is 69% or more. For example, the CO2 conversion rate at 350°C is 42% or more and the CH4 selectivity is 67% or more. For example, the CO2 conversion rate at 400°C is 42% or more and the CH4 selectivity is 54% or more. For example, the CO2 conversion rate is 43% or more and the CH4 selectivity is 26% or more at 450° C. For example, the CO2 conversion rate is 47% or more and the CH4 selectivity is 5% or more at 500° C.
本開示にかかる触媒は、原料ガス中の二酸化炭素および水素濃度が低い場合でもメタネーションを進行させることができる。例えば、原料ガス中の水素濃度が10%以下、典型的には4%以下であってもメタネーションを進行させることができる。水素ガスは可燃性ガスであり、空気中における水素の爆発濃度範囲は4.0%~75%である。本開示にかかる触媒を用いると、爆発濃度下限以下の水素濃度であってもメタネーションを進行させることが可能であり、メタンの製造における安全性が高い。 The catalyst disclosed herein can cause methanation to proceed even when the carbon dioxide and hydrogen concentrations in the feed gas are low. For example, methanation can proceed even when the hydrogen concentration in the feed gas is 10% or less, typically 4% or less. Hydrogen gas is a flammable gas, and the explosive concentration range of hydrogen in air is 4.0% to 75%. When the catalyst disclosed herein is used, methanation can proceed even when the hydrogen concentration is below the lower explosive concentration limit, making methane production safer.
(触媒の製造方法)
本開示にかかる触媒の製造方法は特に制限されないが、例えば次の方法で製造できる。まず第2粒子であるZrSn1-xCexO4を作製する。ZrSn1-xCexO4はいわゆる共沈法によって好適に得ることができる。具体的には例えば、所定の割合で硝酸ジルコニル、シュウ酸スズおよび硝酸セリウム(IV)アンモニウムを含む硝酸性の水溶液に、アンモニア水溶液をゆっくり添加し、撹拌して析出物を得る。この析出物を回収および乾燥した後、焼成する。これらの工程によって、ZrSn1-xCexO4を得る。次いで、得られた複合金属酸化物と第3粒子としてのセラミックス材料とを混合し、焼成することによって、第3粒子としてのセラミックス材料に第2粒子としての複合金属酸化物が担持された組成物を得る。
(Catalyst Manufacturing Method)
The method for producing the catalyst according to the present disclosure is not particularly limited, but it can be produced, for example, by the following method. First, ZrSn 1-x Ce x O 4 , which is the second particle, is prepared. ZrSn 1-x Ce x O 4 can be suitably obtained by the so-called coprecipitation method. Specifically, for example, an aqueous ammonia solution is slowly added to a nitric acid aqueous solution containing zirconyl nitrate, tin oxalate, and cerium (IV) ammonium nitrate in a predetermined ratio, and the mixture is stirred to obtain a precipitate. This precipitate is recovered, dried, and then fired. Through these steps, ZrSn 1-x Ce x O 4 is obtained. Next, the obtained composite metal oxide is mixed with a ceramic material as the third particle, and fired to obtain a composition in which the composite metal oxide as the second particle is supported on the ceramic material as the third particle.
さらに、前記組成物と触媒金属(例えばNi)の硝酸塩とを、カルボン酸錯体重合法によって複合化することができる。より具体的には、前記組成物と、触媒金属の硝酸塩水溶液または塩化物水溶液を蒸発乾固させて、カルボン酸錯体重合物を作製する。次いで、得られたカルボン酸錯体重合物を焼成する。このようにして、第1粒子としての触媒金属と、第2粒子としての複合酸化物と、第3粒子としてのセラミック材料とを複合化できる。 Furthermore, the composition and a nitrate of a catalytic metal (e.g., Ni) can be composited by a carboxylic acid complex polymerization method. More specifically, the composition and an aqueous solution of a nitrate or chloride of the catalytic metal are evaporated to dryness to produce a carboxylic acid complex polymer. The resulting carboxylic acid complex polymer is then fired. In this way, a catalytic metal as the first particle, a composite oxide as the second particle, and a ceramic material as the third particle can be composited.
カルボン酸錯体重合において用いるカルボン酸としては、具体的には、シュウ酸、マロン酸、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、酒石酸、グリオキシル酸、クエン酸、グルコン酸が挙げられ、リンゴ酸が好ましく用いられる。カルボン酸錯体重合物の焼成工程は、例えば、大気中において、400℃~600℃で1~6時間、焼成を実施できる。これらの焼成温度および時間によれば、優れたメタネーション活性を有する触媒が得られる。 Specific examples of carboxylic acids used in carboxylic acid complex polymerization include oxalic acid, malonic acid, glycolic acid, lactic acid, malic acid, tartaric acid, glyoxylic acid, citric acid, and gluconic acid, with malic acid being preferred. The calcination process for the carboxylic acid complex polymer can be carried out, for example, in air at 400°C to 600°C for 1 to 6 hours. These calcination temperatures and times result in a catalyst with excellent methanation activity.
得られた触媒は単独で使用してもよいし、他の材料と混合して、触媒組成物として用いてもよい。焼成工程の前に、本開示にかかる触媒の材料と他の材料とが混合され、一体に焼成されてもよい。 The obtained catalyst may be used alone or may be mixed with other materials to be used as a catalyst composition. Prior to the calcination step, the catalyst material according to the present disclosure may be mixed with other materials and calcined together.
(メタンを製造する方法)
本開示にかかる触媒を用いて、メタンを製造する方法を説明する。図9は、本開示にかかる触媒を用いてメタンを製造する方法を示すフローチャートである。
(Method of Producing Methane)
A method for producing methane using the catalyst according to the present disclosure will now be described. Figure 9 is a flow chart showing a method for producing methane using the catalyst according to the present disclosure.
図9を参照して、本開示にかかる触媒を用いてメタンを製造する方法では、まず準備工程(S10)として、原料ガスを準備する工程が実施される。原料ガスは、二酸化炭素と水素とを含有する。本開示にかかる触媒を用いると、原料ガス中の水素濃度が比較的低い場合であってもメタネーションが生じ、メタンを得ることができる。 Referring to FIG. 9, in the method for producing methane using the catalyst according to the present disclosure, first, a preparation step (S10) is carried out in which a raw material gas is prepared. The raw material gas contains carbon dioxide and hydrogen. When the catalyst according to the present disclosure is used, methanation occurs and methane can be obtained even when the hydrogen concentration in the raw material gas is relatively low.
原料ガスにおける二酸化炭素の濃度は、本開示にかかる効果が得られる限り特に制限されないが、原料ガスの体積を基準として、例えば1体積%以上、2体積%以上、または3体積%以上であってもよく、50体積%以下、20体積%以下、または10体積%以下、8体積%以下であってよい。原料ガスにおける水素の濃度は、本開示にかかる効果が得られる限り特に制限されないが、原料ガスの体積を基準として、例えば、1体積%以上、2体積%以上、または4体積%以上であってよく、90体積%以下、80体積%以下、50体積%以下、または10体積%以下であってよい。原料ガスにおける水素の濃度は、典型的に、原料ガスの体積を基準として1体積%以上8体積%以下であってよい。 The concentration of carbon dioxide in the raw gas is not particularly limited as long as the effects of the present disclosure are obtained, but may be, for example, 1 vol.% or more, 2 vol.% or more, or 3 vol.% or more, and 50 vol.% or less, 20 vol.% or less, 10 vol.% or less, or 8 vol.% or less, based on the volume of the raw gas. The concentration of hydrogen in the raw gas is not particularly limited as long as the effects of the present disclosure are obtained, but may be, for example, 1 vol.% or more, 2 vol.% or more, or 4 vol.% or more, and 90 vol.% or less, 80 vol.% or less, 50 vol.% or less, or 10 vol.% or less, based on the volume of the raw gas. The concentration of hydrogen in the raw gas may typically be 1 vol.% or more and 8 vol.% or less, based on the volume of the raw gas.
原料ガスは、例えば、排ガス等の二酸化炭素を含むガスに水素を追加したガスであってもよい。原料ガスは、二酸化炭素および水素に加えて、窒素等の不活性ガスを含んでいてもよく、酸素や一酸化炭素等のガスを含んでもよい。原料ガスの準備工程において、例えば、水分や酸素等の特定の成分を原料ガスから除去するための前処理が行われてもよい。 The raw material gas may be, for example, a gas in which hydrogen has been added to a gas containing carbon dioxide, such as exhaust gas. In addition to carbon dioxide and hydrogen, the raw material gas may contain an inert gas, such as nitrogen, or may contain a gas such as oxygen or carbon monoxide. In the raw material gas preparation process, for example, pretreatment may be performed to remove specific components, such as moisture and oxygen, from the raw material gas.
次いで、メタネーション工程が実施される(S20)。具体的に、メタネーションは、本開示にかかる触媒が充填された反応管に原料ガスを導入し、原料ガスと触媒とを接触させることによって行うことができる。反応管に導入される原料ガスの流量は、反応管の管径に応じて適宜選択されるが、例えば直径10mmの反応管を用いるとき、原料ガスの流量は1~50mL/分、好ましくは10~50mL/分とすることができる。触媒は、反応管に直接充填されてもよいし、例えばセラミック製のハニカム構造体である基体の表面に付着した状態で保持されていてもよい。触媒が反応管に充填される場合、触媒の量は反応管の管径、反応ガスの流量に応じて適宜選択できる。例えば、1つの反応管内に配置される触媒の量は10mg~10gであってよく、10mg~1gが好ましい。触媒を基体の表面に保持させる場合、スラリー状の触媒を基体の表面に塗布することで、基体の表面に触媒層を形成することができる。保持される触媒の量は、例えば、基体の表面積を基準として、0.01~10mg/mm2であってもよい。 Next, the methanation step is carried out (S20). Specifically, methanation can be carried out by introducing a raw material gas into a reaction tube filled with the catalyst according to the present disclosure and contacting the raw material gas with the catalyst. The flow rate of the raw material gas introduced into the reaction tube is appropriately selected according to the diameter of the reaction tube. For example, when a reaction tube with a diameter of 10 mm is used, the flow rate of the raw material gas can be 1 to 50 mL/min, preferably 10 to 50 mL/min. The catalyst may be directly filled into the reaction tube, or may be held in a state of being attached to the surface of a substrate, for example, a ceramic honeycomb structure. When the catalyst is filled into the reaction tube, the amount of the catalyst can be appropriately selected according to the diameter of the reaction tube and the flow rate of the reaction gas. For example, the amount of catalyst placed in one reaction tube may be 10 mg to 10 g, and preferably 10 mg to 1 g. When the catalyst is held on the surface of the substrate, a catalyst layer can be formed on the surface of the substrate by applying a catalyst slurry to the surface of the substrate. The amount of catalyst carried may be, for example, from 0.01 to 10 mg/mm 2 based on the surface area of the substrate.
反応管は、メタネーションが生じる温度に保持される。反応管の温度は、例えば200℃を超える温度、例えば210℃以上、220℃以上、250℃以上、または270℃以上であってよい。反応管の温度は、400℃以下、370℃以下、または360℃以下であってよい。メタネーション反応は、例えば反応管に導入される原料ガスおよび反応管から排出される反応ガス中の二酸化炭素濃度を測定することによって、確認できる。反応管を加熱する熱源は、特に制限されず、例えば、電熱ヒーターを利用した電気炉であってもよいし、その他の熱媒体を用いることもできる。反応管の温度は、メタネーション工程(S20)の間、一定であってもよいし、反応の進行に応じて温度を変化させてもよい。 The reaction tube is maintained at a temperature at which methanation occurs. The temperature of the reaction tube may be, for example, a temperature exceeding 200°C, for example, 210°C or more, 220°C or more, 250°C or more, or 270°C or more. The temperature of the reaction tube may be 400°C or less, 370°C or less, or 360°C or less. The methanation reaction can be confirmed, for example, by measuring the carbon dioxide concentration in the raw material gas introduced into the reaction tube and the reaction gas discharged from the reaction tube. The heat source for heating the reaction tube is not particularly limited, and may be, for example, an electric furnace using an electric heater, or other heat medium. The temperature of the reaction tube may be constant during the methanation step (S20), or may be changed according to the progress of the reaction.
次いで、反応管から流出した反応ガスから、メタンを回収する(S30)。メタンの回収方法は任意の方法を利用できる。回収されたメタンは、例えば燃料として利用することができる。このようにして、排気ガス等に含まれる二酸化炭素をメタンに変換し、エネルギー源として再利用できる。 Next, methane is recovered from the reaction gas flowing out of the reaction tube (S30). Any method can be used to recover methane. The recovered methane can be used, for example, as fuel. In this way, carbon dioxide contained in exhaust gas, etc. is converted to methane and can be reused as an energy source.
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。ただし、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
次のとおり、本開示にかかる触媒を作製し、触媒の構造およびメタネーション反応の進行を確認した。
The present invention will now be described in more detail with reference to examples, although the present invention is not limited to these examples.
A catalyst according to the present disclosure was prepared as follows, and the structure of the catalyst and the progress of the methanation reaction were confirmed.
[実施例1]
脱イオン水(25mL)、ZrO(NO3)2・2H2O(0.4864g)、SnC2O4(0.2025g)、(NH4)2Ce(NO3)6(0.2302g)を混合した。次いで、60%HNO3を10mL追加した。室温にて、28%NH3(20mL)をゆっくり加えて、4時間撹拌した。撹拌終了後、沈殿物を吸引ろ過によって回収し、80℃で1時間乾燥した。次いで、空気流通下、600℃で1時間焼成した。以上の工程によって、金属酸化物である、セリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)を得た。
次いで、ZrSn0.7Ce0.3O4(0.2g)とγ-Al2O3(0.8g)とを、エタノール(25mL)中、ボールミルを用いて300rpmにて3時間混合した。混合後、大気中、500℃で4時間焼成した。以上の工程によって、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4を担持した組成物(20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
この組成物を0.40g取り、脱イオン水(40mL)に入れ、Ni(NO3)2・6H2O(0.462g)、プロピレングリコール(0.558mL)、リンゴ酸(0.590g、Niに対して3当量)を添加した。次いで、90℃にて4時間撹拌した。撹拌終了後、150℃に加熱して溶媒を除去した。その後、大気中、500℃で4時間焼成した。このようにして、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(18wt%Ni/20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 1]
Deionized water (25 mL), ZrO(NO 3 ) 2.2H 2 O (0.4864 g), SnC 2 O 4 (0.2025 g), and (NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 (0.2302 g) were mixed. Then, 10 mL of 60% HNO 3 was added. At room temperature, 28% NH 3 (20 mL) was slowly added and stirred for 4 hours. After stirring, the precipitate was collected by suction filtration and dried at 80° C. for 1 hour. Then, it was fired at 600° C. for 1 hour under air flow. Through the above process, cerium-doped zirconium tin oxide (ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 ), which is a metal oxide, was obtained.
Next, ZrSn0.7Ce0.3O4 ( 0.2 g ) and γ- Al2O3 (0.8 g ) were mixed in ethanol (25 mL) using a ball mill at 300 rpm for 3 hours. After mixing, the mixture was fired in air at 500 °C for 4 hours. Through the above steps, a composition in which ZrSn0.7Ce0.3O4 was supported on γ -alumina (20 wt% ZrSn0.7Ce0.3O4 / γ - Al2O3 ) was obtained.
0.40 g of this composition was taken and placed in deionized water (40 mL), and Ni(NO 3 ) 2.6H 2 O (0.462 g), propylene glycol (0.558 mL), and malic acid (0.590 g, 3 equivalents relative to Ni) were added. The mixture was then stirred at 90°C for 4 hours. After stirring was completed, the mixture was heated to 150°C to remove the solvent. The mixture was then calcined in air at 500°C for 4 hours. In this way, a catalyst (18 wt% Ni/20 wt% ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 /γ-Al 2 O 3 ) in which ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 and Ni were supported on γ-alumina was obtained.
(メタネーション装置)
上記で得た触媒を用いて次の条件にてメタネーションを行い、触媒の性能を確認した。
0.1gの触媒サンプルを反応管中に充填した。反応管中の所定位置に触媒サンプルを保持するため、触媒サンプルの両端には石英ウールを詰めた。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所定温度となるように加熱した。
二酸化炭素、水素およびアルゴンガスのそれぞれを収容したボンベを準備し、所定割合となるよう各ガスを取り出し、混合することによって原料ガスを構成した。原料ガスの組成(体積割合)は1%CO2-4%H2-95%Arとした。この原料ガスを50mL/minの流量で反応管内に導入し、反応管内を通過させることによってメタネーションを行なった。反応温度150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃および500℃の各温度にて、メタネーションを行った。
(Methanation device)
Using the catalyst obtained above, methanation was carried out under the following conditions to confirm the performance of the catalyst.
A 0.1 g catalyst sample was filled into a reaction tube. To hold the catalyst sample at a predetermined position in the reaction tube, both ends of the catalyst sample were filled with quartz wool. The reaction tube was placed in an electric furnace and heated so that the temperature of the gas introduced into the reaction tube reached a predetermined temperature.
Cylinders containing carbon dioxide, hydrogen and argon gas were prepared, and the gases were taken out and mixed in a predetermined ratio to prepare a raw material gas. The composition (volume ratio) of the raw material gas was 1% CO 2 -4% H 2 -95% Ar. This raw material gas was introduced into the reaction tube at a flow rate of 50 mL/min, and methanation was performed by passing it through the reaction tube. Methanation was performed at reaction temperatures of 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C and 500°C.
(反応後のガスの分析)
GC-MS(株式会社島津製作所製、GCMS-QP2010plus)を用いて、反応管を通過したガスの組成を分析し、次の計算式によってCO2転化率、CH4収率、CH4選択率を算出した。
(Analysis of gas after reaction)
The composition of the gas passing through the reaction tube was analyzed using GC-MS (Shimadzu Corporation, GCMS-QP2010plus), and the CO2 conversion rate, CH4 yield, and CH4 selectivity were calculated using the following formulas.
・CO2転化率(%)=(1-[CO2]/[CO2]0)×100
・CH4収率(%)=[CH4]/[CO2]0×100
・CH4選択率(%)=(CH4収率)/(CO2転化率)×100
以上の計算式中、[CO2]0は原料ガス中のCO2濃度、[CO2]は反応管通過後のガス中のCO2濃度、[CH4]は反応管通過後のガス中のCH4濃度を示す。
CO2 conversion rate (%) = (1 - [ CO2 ] / [ CO2 ] 0 ) x 100
CH4 yield (%) = [ CH4 ] / [ CO2 ] 0 × 100
CH4 selectivity (%) = ( CH4 yield) / ( CO2 conversion rate) x 100
In the above formula, [CO 2 ] 0 represents the CO 2 concentration in the raw gas, [CO 2 ] represents the CO 2 concentration in the gas after passing through the reaction tube, and [CH 4 ] represents the CH 4 concentration in the gas after passing through the reaction tube.
[比較例1]
比較例として、触媒としてγ-アルミナにNiを担持した触媒(12wt%Ni/γ-Al2O3)を用いた以外は実施例1と同様に、メタネーションを行い、反応後のガスを分析した。
[Comparative Example 1]
As a comparative example, methanation was carried out in the same manner as in Example 1, except that a catalyst in which Ni was supported on γ-alumina (12 wt % Ni/γ-Al 2 O 3 ) was used as the catalyst, and the gas after the reaction was analyzed.
反応温度300℃とした場合の、実施例1および比較例1の結果を表1に示す。また、各反応温度におけるCO2転化率のグラフを図1に、各反応温度におけるCH4収率(%)のグラフを図2に示す。図1中の点線(Equilibriumと表示)は、各温度における熱力学的に反応平衡に相当するCO2転化率を示す。図2中の点線(Equilibriumと表示)は、各温度における反応平衡に相当するCO2転化率を示す。
表1に示されるとおり、実施例1の触媒は、酸化ジルコニウムスズを担持しない比較例1の触媒を用いた場合よりも、CO2転化率、CH4収率が大幅に高かった。また図1,図2に示されるとおり、実施例1の触媒を用いると、二酸化炭素濃度が1%、水素濃度4%である原料ガスを用いる場合でも、十分にメタン化反応が進行することが確認された。特に400℃未満の範囲において、実施例1の触媒の効果が明確であった。 As shown in Table 1, the catalyst of Example 1 had a significantly higher CO2 conversion rate and CH4 yield than the catalyst of Comparative Example 1, which did not support zirconium tin oxide. Also, as shown in Figures 1 and 2, it was confirmed that the methanation reaction proceeded sufficiently when the catalyst of Example 1 was used, even when a raw material gas with a carbon dioxide concentration of 1% and a hydrogen concentration of 4% was used. The effect of the catalyst of Example 1 was particularly clear in the range of less than 400°C.
(セリウムドープ割合の検討)
実施例2~6として、酸化ジルコニウムスズに添加するセリウムの割合を変更し、メタネーションとの関係を検討した。Ni担持量は12wt%に固定した。
(Study of cerium doping ratio)
In Examples 2 to 6, the ratio of cerium added to zirconium tin oxide was changed to examine the relationship with methanation. The amount of Ni supported was fixed at 12 wt%.
[実施例2]
原料として(NH4)2Ce(NO3)6を用いないこと以外は実施例1と同様にして、酸化ジルコニウムスズ(ZrSnO4)を得た。この酸化ジルコニウムスズを、実施例1に準じる方法でγ-アルミナに担持し、γ-アルミナ担持酸化ジルコニウムスズ組成物を得た。さらに、この組成物に、実施例1に準じる方法でNiを担持させて、γ-アルミナにZrSnO4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/40wt%ZrSnO4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 2]
Zirconium tin oxide (ZrSnO 4 ) was obtained in the same manner as in Example 1, except that (NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 was not used as a raw material. This zirconium tin oxide was supported on γ-alumina by a method similar to Example 1 to obtain a γ-alumina-supported zirconium tin oxide composition. Furthermore, Ni was supported on this composition by a method similar to Example 1 to obtain a catalyst in which ZrSnO 4 and Ni were supported on γ-alumina (12 wt % Ni/40 wt % ZrSnO 4 /γ-Al 2 O 3 ).
[実施例3]
原料として用いるSnC2O4および(NH4)2Ce(NO3)6の量を変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.95Ce0.05O4)を得た。
また、γ-Al2O3に対するZrSn0.95Ce0.05O4の量を変更した以外は実施例1と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.95Ce0.05O4を担持した組成物(40wt%ZrSn0.95Ce0.05O4/γ-Al2O3)を得た。
組成物に対するNi(NO3)2・6H2Oの量を変更した以外は実施例1と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.95Ce0.05O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/40wt%ZrSn0.95Ce0.05O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 3]
Cerium-doped zirconium tin oxide (ZrSn 0.95 Ce 0.05 O 4 ) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amounts of SnC 2 O 4 and (NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 used as raw materials were changed.
In addition, a composition in which ZrSn 0.95 Ce 0.05 O 4 is supported on γ-alumina (40 wt % ZrSn 0.95 Ce 0.05 O 4 /γ-Al 2 O 3 ) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of ZrSn 0.95 Ce 0.05 O 4 relative to γ-Al 2 O 3 was changed.
A catalyst in which ZrSn0.95Ce0.05O4 and Ni were supported on γ-alumina ( 12 wt%Ni/40 wt%ZrSn0.95Ce0.05O4/ γ - Al2O3 ) was obtained in the same manner as in Example 1 , except that the amount of Ni( NO3 ) 2.6H2O relative to the composition was changed .
[実施例4]
原料として用いるSnC2O4および(NH4)2Ce(NO3)6の量を変更した以外は実施例3と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.90Ce0.10O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/40wt%ZrSn0.90Ce0.10O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 4]
A catalyst in which ZrSn0.90Ce0.10O4 and Ni were supported on γ-
[実施例5]
原料として用いるSnC2O4および(NH4)2Ce(NO3)6の量を変更した以外は実施例3と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.80Ce0.20O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/40wt%ZrSn0.80Ce0.20O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 5]
A catalyst in which ZrSn0.80Ce0.20O4 and Ni were supported on γ-
[実施例6]
原料として用いるSnC2O4および(NH4)2Ce(NO3)6の量を変更した以外は実施例3と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.70Ce0.30O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/40wt%ZrSn0.70Ce0.30O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 6]
A catalyst in which ZrSn0.70Ce0.30O4 and Ni were supported on γ-
(メタネーション)
実施例2~実施例6のそれぞれの触媒を用いて、前述のメタネーション装置において、実施例1と同じ条件で、反応温度150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃および500℃の各温度にてメタネーションを行った。
(Methanation)
Using each of the catalysts of Examples 2 to 6, methanation was carried out in the aforementioned methanation apparatus under the same conditions as in Example 1 at reaction temperatures of 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C, and 500°C.
実施例3~実施例6の触媒を使用し、反応温度350℃とした場合のメタネーションの結果を表2に示す。また、実施例2~実施例6の触媒について、各反応温度におけるCO2転化率のグラフを図3に、各反応温度におけるCH4収率(%)のグラフを図4に示す。図3中の点線は、各温度における反応平衡に相当するCO2転化率を示す。図4中の点線は、各温度における反応平衡に相当するCO2転化率を示す。 Table 2 shows the results of methanation using the catalysts of Examples 3 to 6 at a reaction temperature of 350°C. For the catalysts of Examples 2 to 6, a graph of the CO2 conversion rate at each reaction temperature is shown in FIG. 3, and a graph of the CH4 yield (%) at each reaction temperature is shown in FIG. 4. The dotted lines in FIG. 3 show the CO2 conversion rate corresponding to the reaction equilibrium at each temperature. The dotted lines in FIG. 4 show the CO2 conversion rate corresponding to the reaction equilibrium at each temperature.
表2に示されるとおり、実施例3~6の触媒を用いて反応温度350℃で反応を行うと、CO2転化率が50%程度となり、原料ガス中の水素濃度が4%、二酸化炭素濃度が1%の場合でもメタン化反応が進行することが確認された。また、CH4選択率が70%以上となり、特に実施例5では80%を超え、メタンへの転換効率に優れることが確認された。図3、図4に示されるとおり、実施例2~6の触媒を用いると、200℃を超える温度以上の温度範囲でメタネーションが生じることが確認された。CH4収率は350℃付近で最も良好となった。 As shown in Table 2, when the catalysts of Examples 3 to 6 were used to carry out the reaction at a reaction temperature of 350°C, the CO2 conversion rate was about 50%, and it was confirmed that the methanation reaction proceeded even when the hydrogen concentration in the raw gas was 4% and the carbon dioxide concentration was 1%. In addition, the CH4 selectivity was 70% or more, and in particular, in Example 5, it exceeded 80%, and it was confirmed that the conversion efficiency to methane was excellent. As shown in Figures 3 and 4, it was confirmed that methanation occurred in a temperature range exceeding 200°C when the catalysts of Examples 2 to 6 were used. The CH4 yield was the best around 350°C.
(担持割合の検討1)
実施例7~11として、Niの担持割合を12wt%に固定し、ZrSn0.7Ce0.3O4の担持割合とメタネーションとの関係を検討した。
(Consideration of Support Ratio 1)
In Examples 7 to 11, the Ni loading ratio was fixed at 12 wt %, and the relationship between the ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 loading ratio and methanation was examined.
[実施例7]
実施例1と同様に、セリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)を得た。
次いで、γ-アルミナに対する担持量を変更した以外は実施例1と同様にして、γ-アルミナに、セリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)およびニッケル(Ni)を担持させて、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/10wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 7]
As in Example 1, cerium-doped zirconium tin oxide (ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 ) was obtained.
Next, cerium-doped zirconium tin oxide ( ZrSn0.7Ce0.3O4 ) and nickel (Ni) were supported on γ-alumina in the same manner as in Example 1 , except that the amount of support relative to γ-alumina was changed, to obtain a catalyst in which ZrSn0.7Ce0.3O4 and Ni were supported on γ- alumina ( 12 wt% Ni /10 wt %ZrSn0.7Ce0.3O4/γ- Al2O3 ) .
[実施例8]
担持量を変更した以外は実施例7と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 8]
A catalyst in which ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 and Ni were supported on γ-alumina (12 wt % Ni/20 wt % ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 /γ-Al 2 O 3 ) was obtained in the same manner as in Example 7, except that the supported amounts were changed.
[実施例9]
担持量を変更した以外は実施例7と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/30wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 9]
A catalyst in which ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 and Ni were supported on γ-alumina (12 wt % Ni/30 wt % ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 /γ-Al 2 O 3 ) was obtained in the same manner as in Example 7, except that the supported amounts were changed.
[実施例10]
担持量を変更した以外は実施例7と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/40wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 10]
A catalyst in which ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 and Ni were supported on γ-alumina (12 wt % Ni/40 wt % ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 /γ-Al 2 O 3 ) was obtained in the same manner as in Example 7, except that the supported amounts were changed.
[実施例11]
担持量を変更した以外は実施例7と同様にして、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/60wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 11]
A catalyst in which ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 and Ni were supported on γ-alumina (12 wt % Ni/60 wt % ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 /γ-Al 2 O 3 ) was obtained in the same manner as in Example 7, except that the supported amounts were changed.
(メタネーション)
実施例7~実施例11のそれぞれの触媒を用いて、前述のメタネーション装置において、実施例1と同じ条件で、反応温度150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃および500℃の各温度にてメタネーションを行った。
(Methanation)
Using each of the catalysts of Examples 7 to 11, methanation was carried out in the above-mentioned methanation apparatus under the same conditions as in Example 1 at reaction temperatures of 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C, and 500°C.
反応温度350℃とした場合の、実施例7~11の結果を表3に示す。また、実施例7~実施例11の触媒について、各反応温度におけるCO2転化率のグラフを図5に、各反応温度におけるCH4収率(%)のグラフを図6に示す。図5中の点線は、各温度における反応平衡に相当するCO2転化率を示す。図6中の点線は、各温度における反応平衡に相当するCO2転化率を示す。 The results of Examples 7 to 11 when the reaction temperature was 350°C are shown in Table 3. In addition, for the catalysts of Examples 7 to 11, a graph of the CO2 conversion rate at each reaction temperature is shown in FIG. 5, and a graph of the CH4 yield (%) at each reaction temperature is shown in FIG. 6. The dotted lines in FIG. 5 show the CO2 conversion rate corresponding to the reaction equilibrium at each temperature. The dotted lines in FIG. 6 show the CO2 conversion rate corresponding to the reaction equilibrium at each temperature.
表3に示されるとおり、実施例7~11の触媒を用いて反応温度350℃において反応を行うと、CO2転化率が43.3%~57.7%となり、原料ガス中の水素濃度が4%、二酸化炭素濃度が1%の場合でもメタン化反応が進行することが確認された。また、CH4選択率が77.5%以上となり、特に実施例9、実施例10では80%を超え、メタンへの転換効率に優れることが確認された。図5,図6に示されるとおり、実施例7~11の触媒を用いると、200℃を超える温度以上の温度範囲でメタネーションが生じることが確認された。CH4収率は350℃付近で最も良好となった。 As shown in Table 3, when the catalysts of Examples 7 to 11 were used to carry out the reaction at a reaction temperature of 350°C, the CO2 conversion rate was 43.3% to 57.7%, and it was confirmed that the methanation reaction proceeded even when the hydrogen concentration in the raw gas was 4% and the carbon dioxide concentration was 1%. In addition, the CH4 selectivity was 77.5% or more, and in particular, in Examples 9 and 10, it was confirmed that the conversion efficiency to methane was excellent, exceeding 80%. As shown in Figures 5 and 6, it was confirmed that methanation occurred in a temperature range exceeding 200°C when the catalysts of Examples 7 to 11 were used. The CH4 yield was the best around 350°C.
(担持割合の検討2)
実施例12~17として、ZrSn0.7Ce0.3O4の担持割合を20wt%に固定し、Ni担持割合とメタネーション効率との関係を検討した。
(Consideration of Support Ratio 2)
In Examples 12 to 17, the supported ratio of ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 was fixed at 20 wt %, and the relationship between the supported Ni ratio and the methanation efficiency was examined.
[実施例12]
実施例1と同様に、セリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)を得た。
次いで、γ-アルミナに対するセリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)およびニッケル(Ni)の担持量を変更した以外は実施例1に準じる方法で、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(6wt%Ni/20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 12]
As in Example 1, cerium-doped zirconium tin oxide (ZrSn 0.7 Ce 0.3 O 4 ) was obtained.
Next, a catalyst in which ZrSn0.7Ce0.3O4 and Ni were supported on γ-alumina (6 wt% Ni /20 wt% ZrSn0.7Ce0.3O4 /γ- Al2O3 ) was obtained by a method similar to that of Example 1, except that the amounts of cerium-doped zirconium tin oxide ( ZrSn0.7Ce0.3O4 ) and nickel (Ni) supported on γ - alumina were changed.
[実施例13]
γ-アルミナに対するセリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)およびニッケル(Ni)の担持量を変更した以外は、実施例12に準じる方法で、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(12wt%Ni/20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 13]
A catalyst in which ZrSn0.7Ce0.3O4 and Ni were supported on γ-alumina ( 12 wt% Ni / 20 wt% ZrSn0.7Ce0.3O4 /γ- Al2O3 ) was obtained in the same manner as in Example 12, except that the amounts of cerium-doped zirconium tin oxide ( ZrSn0.7Ce0.3O4 ) and nickel (Ni) supported on γ -alumina were changed.
[実施例14]
γ-アルミナに対するセリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)およびニッケル(Ni)の担持量を変更した以外は、実施例12に準じる方法で、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(15wt%Ni/20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 14]
A catalyst in which ZrSn0.7Ce0.3O4 and Ni were supported on γ-alumina (15 wt% Ni / 20 wt% ZrSn0.7Ce0.3O4 /γ- Al2O3 ) was obtained by a method similar to that of Example 12, except that the amount of cerium-doped zirconium tin oxide ( ZrSn0.7Ce0.3O4 ) and nickel (Ni) supported on γ -alumina was changed.
[実施例15]
γ-アルミナに対するセリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)およびニッケル(Ni)の担持量を変更した以外は、実施例12に準じる方法で、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(18wt%Ni/20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 15]
A catalyst in which ZrSn0.7Ce0.3O4 and Ni were supported on γ-alumina (18 wt% Ni / 20 wt% ZrSn0.7Ce0.3O4 /γ- Al2O3 ) was obtained by a method similar to that of Example 12, except that the amount of cerium-doped zirconium tin oxide ( ZrSn0.7Ce0.3O4 ) and nickel (Ni) supported on γ -alumina was changed.
[実施例16]
γ-アルミナに対するセリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)およびニッケル(Ni)の担持量を変更した以外は、実施例12に準じる方法で、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(24wt%Ni/20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 16]
A catalyst in which ZrSn0.7Ce0.3O4 and Ni were supported on γ-alumina (24 wt%Ni/20 wt % ZrSn0.7Ce0.3O4 / γ - Al2O3 ) was obtained in the same manner as in Example 12, except that the amounts of cerium-doped zirconium tin oxide ( ZrSn0.7Ce0.3O4 ) and nickel (Ni) supported on γ -alumina were changed.
[実施例17]
γ-アルミナに対するセリウムドープ酸化ジルコニウムスズ(ZrSn0.7Ce0.3O4)およびニッケル(Ni)の担持量を変更した以外は、実施例12に準じる方法で、γ-アルミナにZrSn0.7Ce0.3O4とNiとを担持した触媒(30wt%Ni/20wt%ZrSn0.7Ce0.3O4/γ-Al2O3)を得た。
[Example 17]
A catalyst in which ZrSn0.7Ce0.3O4 and Ni were supported on γ-alumina (30 wt% Ni / 20 wt% ZrSn0.7Ce0.3O4 /γ- Al2O3 ) was obtained by a method similar to that of Example 12, except that the amount of cerium-doped zirconium tin oxide ( ZrSn0.7Ce0.3O4 ) and nickel (Ni) supported on γ -alumina was changed.
(メタネーション)
実施例12~実施例17のそれぞれの触媒を用いて、前述のメタネーション装置において、実施例1と同じ条件で、反応温度150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃および500℃の各温度にてメタネーションを行った。
(Methanation)
Using each of the catalysts of Examples 12 to 17, methanation was carried out in the above-mentioned methanation apparatus under the same conditions as in Example 1 at reaction temperatures of 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C, and 500°C.
反応温度300℃とした場合の、実施例12~17の結果を表4に示す。また、実施例12~実施例17の触媒について、各反応温度におけるCO2転化率のグラフを図7に、各反応温度におけるCH4収率(%)のグラフを図8に示す。図7中の点線は、各温度における反応平衡に相当するCO2転化率を示す。図8中の点線は、各温度における反応平衡に相当するCO2転化率を示す。 The results of Examples 12 to 17 when the reaction temperature was 300°C are shown in Table 4. In addition, for the catalysts of Examples 12 to 17, a graph of the CO2 conversion rate at each reaction temperature is shown in FIG. 7, and a graph of the CH4 yield (%) at each reaction temperature is shown in FIG. 8. The dotted lines in FIG. 7 show the CO2 conversion rate corresponding to the reaction equilibrium at each temperature. The dotted lines in FIG. 8 show the CO2 conversion rate corresponding to the reaction equilibrium at each temperature.
表4に示されるとおり、実施例12~17の触媒を用いて反応温度300℃において反応を行うと、CO2転化率が27.7%~68.4%となり、原料ガス中の水素濃度が4%、二酸化炭素濃度が1%の場合でもメタン化反応が進行することが確認された。また、CH4選択率が73.8%以上となり、特に実施例12、実施例16、実施例17では80%を超え、メタンへの転換効率に優れることが確認された。図7,図8に示されるとおり、実施例12~17の触媒を用いると200℃を超える温度以上の温度範囲でメタネーションが生じることが確認された。CH4収率は300℃付近で最も良好となった。 As shown in Table 4, when the catalysts of Examples 12 to 17 were used to carry out the reaction at a reaction temperature of 300°C, the CO2 conversion rate was 27.7% to 68.4%, and it was confirmed that the methanation reaction proceeded even when the hydrogen concentration in the raw gas was 4% and the carbon dioxide concentration was 1%. In addition, the CH4 selectivity was 73.8% or more, and it was confirmed that it exceeded 80% in Examples 12, 16, and 17 in particular, and that the conversion efficiency to methane was excellent. As shown in Figures 7 and 8, it was confirmed that methanation occurred in a temperature range of more than 200°C when the catalysts of Examples 12 to 17 were used. The CH4 yield was the best around 300°C.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and are not limiting in any respect. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the meaning described above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
本願の触媒は、メタネーション反応を利用したメタンの製造のための触媒として特に有利に適用される。 The catalyst of the present application is particularly advantageously used as a catalyst for the production of methane using a methanation reaction.
Claims (6)
前記第1粒子は、ニッケル、コバルト、ルテニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む金属からなり、
前記第2粒子は、ZrSn1-xCexO4の組成式で表され、0≦x≦0.5を満たす複合金属酸化物からなり、
前記第3粒子は、セラミックス材料からなり、
前記第1粒子および前記第2粒子は前記第3粒子に担持されている、メタネーションのための触媒。 comprising first particles, second particles, and third particles,
the first particles are made of at least one metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, and ruthenium;
The second particles are made of a composite metal oxide represented by a composition formula of ZrSn1 -xCexO4 , where 0≦x≦0.5 is satisfied ;
the third particles are made of a ceramic material;
A catalyst for methanation, wherein the first particles and the second particles are supported on the third particles.
前記第1粒子の含有割合は、前記触媒の質量に対して3質量%以上40質量%以下である、
請求項1に記載のメタネーションのための触媒。 At least a portion of the first particles contact the second particles;
The content ratio of the first particles is 3 mass% or more and 40 mass% or less with respect to the mass of the catalyst.
Catalyst for methanation according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載のメタネーションのための触媒。 The content ratio of the second particles is 5 mass% or more and 60 mass% or less with respect to the total mass of the second particles and the third particles.
Catalyst for methanation according to claim 1 or claim 2.
請求項1または請求項2に記載のメタネーションのための触媒。 The ceramic material is at least one selected from the group consisting of alumina, silica, cordierite, and mullite.
Catalyst for methanation according to claim 1 or claim 2.
請求項1または請求項2に記載のメタネーションのための触媒に、前記原料ガスを接触させて、二酸化炭素および水素からメタンを生成する工程と、を含む、
メタンを製造する方法。 Providing a feed gas comprising carbon dioxide and hydrogen;
and contacting the feed gas with the catalyst for methanation according to claim 1 or 2 to produce methane from carbon dioxide and hydrogen.
A method for producing methane.
請求項5に記載のメタンを製造する方法。 The hydrogen concentration in the source gas is 1 vol% or more and 8 vol% or less based on the volume of the source gas.
6. The method for producing methane according to claim 5.
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