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JP4385130B2 - INORGANIC COMPOSITE CONTAINING TITANIUM OXIDE, AND METHOD FOR PRODUCING PROPYLENE OXIDE USING THE COMPOSITE AS CATALYST - Google Patents

INORGANIC COMPOSITE CONTAINING TITANIUM OXIDE, AND METHOD FOR PRODUCING PROPYLENE OXIDE USING THE COMPOSITE AS CATALYST Download PDF

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JP4385130B2
JP4385130B2 JP2004185727A JP2004185727A JP4385130B2 JP 4385130 B2 JP4385130 B2 JP 4385130B2 JP 2004185727 A JP2004185727 A JP 2004185727A JP 2004185727 A JP2004185727 A JP 2004185727A JP 4385130 B2 JP4385130 B2 JP 4385130B2
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直樹 三村
和久 村田
恭子 阪東
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Description

本発明は、特殊なチタン酸化物構造体を含む新規な無機化合物複合体、及びその複合体を触媒とするプロピレンの酸化のよるプロピレンオキシドの製造方法に関するものである。    The present invention relates to a novel inorganic compound composite containing a special titanium oxide structure, and a method for producing propylene oxide by propylene oxidation using the composite as a catalyst.

近年、酸化チタンと他の無機化合物との複合体は、光触媒、触媒、触媒材料、化粧品、塗料及び電子材料などの広範な分野に利用されている。従来、酸化チタンを無機担体に複合化させる方法としては、酸化チタンの前駆体として中心にTi原子1個を持ち、その周囲に塩素原子、メトキシ基、エトキシ基、iso−,n−プロポキシ基などの官能基が結合した物質、例えば、塩化チタン(TiCl)やチタンテトライソプロポキシド(Ti(i−OC)を、アルコール類などの溶媒に溶解または分散させ、それを無機担体に接触させた後、加熱や加水分解などの方法により酸化チタンまたはその前駆物質に変化させる方法が採用されていた。その代表的な方法としては、含浸法(例えば、非特許文献1参照)及びゾルゲル法(例えば、非特許文献2参照)がある。 In recent years, composites of titanium oxide and other inorganic compounds have been used in a wide range of fields such as photocatalysts, catalysts, catalyst materials, cosmetics, paints, and electronic materials. Conventionally, as a method of complexing titanium oxide with an inorganic carrier, as a precursor of titanium oxide, there is one Ti atom at the center, and a chlorine atom, a methoxy group, an ethoxy group, an iso-, n-propoxy group, etc. around it. A substance having a functional group bonded thereto, for example, titanium chloride (TiCl 4 ) or titanium tetraisopropoxide (Ti (i-OC 3 H 7 ) 4 ) is dissolved or dispersed in a solvent such as alcohols, and the resultant is inorganic. After contacting with the carrier, a method of changing to titanium oxide or a precursor thereof by a method such as heating or hydrolysis has been adopted. Typical methods include an impregnation method (for example, see Non-Patent Document 1) and a sol-gel method (for example, see Non-Patent Document 2).

また、MFI構造のシリカライト−1の骨格の一部のケイ素をチタンに置き換えた構造のゼオライト(一般的な略称TS−1)などのように、ゼオライト系物質の骨格にチタン原子を導入することにより1個のチタン原子が孤立した状態で無機担体と複合化させる方法も行われている。また、技術文献等で一般的に広く用いられている略称でMCM−41と称されるシリカ系メソポーラス物質にチタン原子を導入した例も知られている(例えば、非特許文献3、4参照)。
ところが、上記の方法では、珪素原子、酸素原子に取り囲まれた一個のチタン原子からなる孤立したチタン種の作成は可能であるとしても、2個以上のチタン原子から構成される特殊な構造体をシリカなどの無機担体上に作成することは確率的に予測される範囲内で偶然的に目的の構造体が生じることはあっても、選択的に目的とする構造体を作成することは困難であるという問題があった。そのため、例えば、プロピレンの分子状酸素(O)を酸化剤に用いた気相酸化反応によるプロピレンオキサイドの合成などに有用である特殊な構造体からなる酸化チタン系触媒は未だ知られていない。
In addition, a titanium atom is introduced into the skeleton of a zeolitic material, such as zeolite (general abbreviation TS-1) having a structure in which part of silicon in the skeleton of silicalite-1 having an MFI structure is replaced with titanium. There is also a method in which one titanium atom is combined with an inorganic carrier in a state where one titanium atom is isolated. In addition, an example in which a titanium atom is introduced into a silica-based mesoporous material called MCM-41, which is an abbreviation commonly used in technical literature or the like, is also known (see, for example, Non-Patent Documents 3 and 4). .
However, in the above method, even though it is possible to create an isolated titanium species composed of one titanium atom surrounded by silicon atoms and oxygen atoms, a special structure composed of two or more titanium atoms is formed. It is difficult to create a target structure selectively even if it is produced on an inorganic support such as silica by chance, while the target structure may occur by chance within the probable range. There was a problem that there was. Therefore, for example, a titanium oxide catalyst having a special structure useful for the synthesis of propylene oxide by a gas phase oxidation reaction using molecular oxygen (O 2 ) of propylene as an oxidizing agent has not been known yet.

Chemical Communications,2001(15),p1356〜1357Chemical Communications, 2001 (15), p 1356-1357. Chem.Mater.1999,11,p1253〜1258Chem. Mater. 1999, 11, p1253-1258 シーエムシー発行、「機能性ゼオライトの合成と応用」p154〜160Issued by CMC, “Synthesis and Application of Functional Zeolite” p154-160 Chem.Rev.,97,p2373(1997)Chem. Rev. , 97, p2373 (1997)

本発明は、従来の技術における上記した実状に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、高活性で耐久性を有する特殊な構造体からなり、多様な分野への利用に好適な酸化チタン系無機複合体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、プロピレンの直接酸化でプロピレンオキシドを製造する際、長時間活性が持続し、比較的収率及び選択率の高い酸化チタン系反応触媒を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the above-mentioned actual condition in a prior art. That is, an object of the present invention is to provide a titanium oxide-based inorganic composite comprising a special structure having high activity and durability, and suitable for use in various fields. Another object of the present invention is to provide a titanium oxide-based reaction catalyst having a long activity and a relatively high yield and selectivity when producing propylene oxide by direct oxidation of propylene.

本発明者らは、広範な分野に利用される酸化チタン系無機複合体の構造について鋭意検討を重ねた結果、特異な局所構造を持つチタン酸化物の前駆体を担体などの無機化合物と結合させた後、外部エネルギーなどを付与してそのチタン前駆体を分解させることによりチタン前駆体が持つ特異な局所構造を保持したチタン酸化物と無機化合物との無機複合体が得られること、また、その無機複合体はプロピレンオキシドの製造用触媒として有用であることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies on the structure of titanium oxide-based inorganic composites used in a wide range of fields, the present inventors combined a precursor of titanium oxide having a specific local structure with an inorganic compound such as a carrier. After that, by applying external energy or the like to decompose the titanium precursor, an inorganic composite of a titanium oxide and an inorganic compound that retains the unique local structure of the titanium precursor can be obtained. The inorganic composite was found to be useful as a catalyst for producing propylene oxide, and the present invention was completed.

すなわち、本発明のチタン酸化物と無機化合物との無機複合体は、2個以上のチタン原子が酸素原子と交互に結合した環状構造を持つチタン酸化物と無機化合物とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の無機複合体の製造方法は、2個以上のチタン原子が酸素原子と交互に結合した環状構造を持つチタン化合物を無機化合物と結合させた後、外部エネルギーの付与または反応剤の添加によりチタン化合物を分解させることを特徴とする2個以上のチタン原子が酸素原子と交互に結合した環状構造を持つチタン酸化物と無機化合物との無機複合体の製造方法である。
That is, the inorganic composite of the titanium oxide and the inorganic compound of the present invention is characterized by comprising a titanium oxide having a cyclic structure in which two or more titanium atoms are alternately bonded to oxygen atoms and the inorganic compound. Is.
In addition, in the method for producing an inorganic composite of the present invention, a titanium compound having a cyclic structure in which two or more titanium atoms are alternately bonded to oxygen atoms is bonded to an inorganic compound, and then external energy is applied or a reactive agent is used. A method for producing an inorganic composite of a titanium oxide and an inorganic compound having a cyclic structure in which two or more titanium atoms are alternately bonded to oxygen atoms, wherein the titanium compound is decomposed by addition.

本発明のプロピレンオキシドの製造方法は、1分子中に2個以上のチタン原子が酸素原子と交互に結合した環状構造を持つチタン化合物と無機化合物とからなる無機複合体を触媒として、プロピレンと酸素含有ガスを気相反応させることを特徴とする。
また、本発明のプロピレンオキシド製造装置は、プロピレンと酸素含有ガスを気相反応させてプロピレンオキシドを製造する流通式プロピレンオキシド製造装置であって、1分子中に2個以上のチタン原子が酸素原子と交互に結合した環状構造を持つチタン化合物と無機化合物とからなる無機複合体を充填した触媒充填層及びその後部に反応温度またはそれに近い温度に保持した空間層を備えた反応管を用いることを特徴とする。
The method for producing propylene oxide of the present invention uses propylene and oxygen as a catalyst by using an inorganic complex composed of a titanium compound and an inorganic compound having a cyclic structure in which two or more titanium atoms are alternately bonded to oxygen atoms in one molecule. It is characterized by reacting the contained gas in a gas phase.
The propylene oxide production apparatus of the present invention is a flow-type propylene oxide production apparatus for producing propylene oxide by gas phase reaction of propylene and an oxygen-containing gas, wherein two or more titanium atoms are oxygen atoms in one molecule. And using a reaction tube equipped with a catalyst packed bed filled with an inorganic composite composed of a titanium compound and an inorganic compound having an annular structure alternately bonded to each other and a space layer held at or near the reaction temperature at the rear part. Features.

本発明の無機複合体は、特殊な結合形態のチタン化合物と無機化合物からなる安定な複合体であって、化学反応触媒などとして有用なものであり、特にプロピレンの気相酸化反応で直接エポキシ化させてプロピレンオキシドを製造する反応触媒として用いると、触媒活性が長時間維持され、比較的に高選択率及び高収率でプロピレンオキシドを得ることができるものである。   The inorganic composite of the present invention is a stable composite composed of a titanium compound and an inorganic compound in a special bond form, and is useful as a chemical reaction catalyst, etc., and is particularly directly epoxidized by a gas phase oxidation reaction of propylene. When used as a reaction catalyst for producing propylene oxide, the catalytic activity is maintained for a long time, and propylene oxide can be obtained with a relatively high selectivity and high yield.

本発明の無機複合体は、2個以上のチタン原子が酸素原子と交互に結合した環状構造を持つチタン酸化物と無機化合物とからなるもの、すなわち、1分子中に2個以上のチタン原子が酸素原子を介して結合した環状構造を、構造単位として少なくとも1個有するチタン化合物と無機化合物とが化学的または物理的に結合しているものである。    The inorganic composite of the present invention comprises a titanium oxide having a cyclic structure in which two or more titanium atoms are alternately bonded to oxygen atoms and an inorganic compound, that is, two or more titanium atoms in one molecule. A titanium compound having at least one cyclic structure bonded through an oxygen atom as a structural unit and an inorganic compound are chemically or physically bonded.

本発明の無機複合体を製造するには、チタン酸化物の前駆体として、あらかじめ2個以上のチタン原子が酸素原子と交互に結合した環状構造(以下、「チタン多核構造」ともいう。)を持つ特異な局所構造のチタン化合物が用いられ、なかでも、2個のチタン原子が酸素原子を介して配列した下記式(1)または(2)で示される4員環構造(以下、「チタン2核構造」ともいう。)を構造単位として持つチタン錯体等のチタン化合物が好ましく用いられる。   In order to produce the inorganic composite of the present invention, a cyclic structure (hereinafter also referred to as “titanium multinuclear structure”) in which two or more titanium atoms are alternately bonded to oxygen atoms in advance as a precursor of titanium oxide. A titanium compound having a unique local structure is used, and among them, a four-membered ring structure represented by the following formula (1) or (2) in which two titanium atoms are arranged through oxygen atoms (hereinafter referred to as “titanium 2”). A titanium compound such as a titanium complex having a “nuclear structure” as a structural unit is preferably used.

これらのチタン2核構造において、チタン原子の周辺[式中の結合手(A)〜(H)]は、それぞれ酸素、水素または炭素などの原子が配置しているものである。
チタン2核構造は、式(1)で示される4配位構造を採るものと式(2)で示される6配位構造を採るものとがあり、これらはチタン原子が酸素原子を介して配列した環状構造を有するものである。式(1)で示される4配位構造を持つ化合物としては、チタンペルオキソクエン酸アンモニウム(化学式:(NH[Ti(C(O]または(NH[Ti(C(O])またはその誘導体が例示される。この化合物の構造を図1に示す。図1に見られるように、チタンが酸素原子を介して菱形の環構造を形成し、式(1)の(A)、(C)の位置には酸素が結合し、(B)、(D)の位置にはペルオキソイオンO 2−が配位している。また架橋している酸素原子にも炭素原子などが結合しているものである。
また、式(2)で示される6配位構造の2核錯体の1例として、Inorganica Chimica Acta 332(2002)p41〜46に開示されているNa(THF)[Ti(μ−O)(calix[4]arene)]などがあり、これは式(2)及び図2に示すように2個のチタンと2個の酸素が交互に環状に配列した分子構造を持つものである。
さらに、本発明に用いられるチタン化合物は、上記のものに限定されず、特開平7−252277号公報に示されているオキソ−チタン錯体なども使用可能である。
In these titanium dinuclear structures, the atoms around the titanium atoms [bonds (A) to (H) in the formula] are arranged with atoms such as oxygen, hydrogen, or carbon, respectively.
Titanium dinuclear structures include those having a four-coordinate structure represented by formula (1) and those having a six-coordinate structure represented by formula (2), in which titanium atoms are arranged through oxygen atoms. It has an annular structure. Examples of the compound having a 4-coordinate structure represented by the formula (1) include titanium peroxocitrate ammonium (chemical formula: (NH 4 ) 4 [Ti 2 (C 6 H 4 O 7 ) 2 (O 2 ) 2 ] or ( NH 4 ) 8 [Ti 4 (C 6 H 4 O 7 ) 4 (O 2 ) 4 ]) or a derivative thereof is exemplified. The structure of this compound is shown in FIG. As shown in FIG. 1, titanium forms a diamond-shaped ring structure through an oxygen atom, oxygen is bonded to the positions of (A) and (C) in formula (1), and (B), (D ) Is coordinated with the peroxo ion O 2 2− . In addition, a carbon atom or the like is bonded to a cross-linked oxygen atom.
In addition, as an example of a binuclear complex having a six-coordinate structure represented by the formula (2), Na 4 (THF) 8 [Ti 2 (μ−O) disclosed in Inorganica Chimica Acta 332 (2002) p41 to 46 is used. ) 2 (calix [4] arene) 2 ], etc., which has a molecular structure in which two titanium and two oxygens are alternately arranged in a ring as shown in the formula (2) and FIG. is there.
Furthermore, the titanium compound used in the present invention is not limited to those described above, and an oxo-titanium complex disclosed in JP-A-7-252277 can also be used.

上記したチタン多核構造を持つチタン化合物を前駆体として担体などの無機化合物に担持または結合させた後、外部エネルギーまたは反応剤などを付与することにより、その前駆体を分解させて、チタン多核構造を保持したチタン酸化物を無機化合物上に生成させた無機複合体を得ることができる。図3には、チタン2核構造をシリカ及びアルミナを含有する無機化合物上に生成させた無機複合体、及びその無機複合体が酸素分子を活性化すると推定された反応機構を例示する。   After supporting or binding the titanium compound having the titanium multinuclear structure as a precursor to an inorganic compound such as a carrier, the precursor is decomposed by applying external energy or a reactive agent to form a titanium multinuclear structure. An inorganic composite in which the retained titanium oxide is formed on the inorganic compound can be obtained. FIG. 3 illustrates an inorganic composite in which a titanium binuclear structure is formed on an inorganic compound containing silica and alumina, and a reaction mechanism presumed that the inorganic composite activates oxygen molecules.

このような多核構造のチタン化合物を無機担体などの無機化合物上に担持しチタン酸化物に化学変化させることによって、前駆物質と同様の多核構造を持ったチタン酸化物が無機化合物上に生成し、チタン酸化物と無機担体の複合体が得られるが、従来の多核構造を持たない単独のチタン原子からなる前駆体、例えばチタンテトライソプロポキシド、を用いた場合は、偶然に類似の構造物が形成されることは確率的には予測されるとしても、選択的に所望の多核構造を持つ酸化チタンと無機担体の複合体を得ることはできない。
このチタン多核構造を無機化合物上に生成させる利点としては、溶液中における錯体触媒などに特徴的な反応機構を無機担体上で行うことができること、推定される反応機構に必要な中間生成物を生成できることなどが例示される。例えば、Catalysis Communications 4(2003)p385−391に示されている反応機構が成立するためには、2個のチタン原子が酸素原子を介して菱形に結合した4員環構造を有するチタン酸化物とゼオライトの複合体を必要とするが、単位構造内にチタン原子が1個しか含まれない単核構造のチタン化合物を原料とする場合、2個のチタン原子が酸素原子を介して菱形に結合した4員環構造は確率的に偶然に生成するに過ぎず、特徴的な菱形の2核構造のチタン錯体を前駆体として調製することによってはじめて選択的に所望の複合体が得られるのである。
By supporting such a multinuclear structure titanium compound on an inorganic compound such as an inorganic carrier and chemically changing it to a titanium oxide, a titanium oxide having a multinuclear structure similar to the precursor is generated on the inorganic compound, A composite of a titanium oxide and an inorganic carrier can be obtained. However, when a precursor consisting of a single titanium atom having no conventional polynuclear structure, such as titanium tetraisopropoxide, is used, a similar structure is accidentally formed. Even if it is predicted to be formed, it is not possible to selectively obtain a composite of titanium oxide and an inorganic carrier having a desired multinuclear structure.
Advantages of generating this titanium multinuclear structure on an inorganic compound are that a reaction mechanism characteristic of complex catalysts in solution can be performed on an inorganic support, and intermediate products necessary for the estimated reaction mechanism are generated. What can be done is exemplified. For example, in order to establish the reaction mechanism shown in Catalysis Communications 4 (2003) p385-391, a titanium oxide having a four-membered ring structure in which two titanium atoms are bonded in a rhombus shape through oxygen atoms; When a complex of zeolite is required, but the raw material is a mononuclear structure titanium compound in which only one titanium atom is contained in the unit structure, two titanium atoms are bonded in a diamond shape through oxygen atoms. A four-membered ring structure is produced only by chance, and a desired complex can be selectively obtained only by preparing a characteristic rhombus-shaped binuclear titanium complex as a precursor.

本発明に用いられる無機化合物としては、金属化合物、炭素材料、珪素化合物、ゼオライト系化合物またはメソポーラス物質などが例示されるが、これらに限定されるものではない。さらに詳しく例示すれば、金属化合物の例としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、テクネチウム、レニウム、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、亜鉛、カドミウム、水銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ツリウム、ゲルマニウム、スズ、鉛、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ユーロピウムの酸化物、塩化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、または硫化物などが例示される。中でも好ましく用いることができるのはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、ランタンの酸化物、炭酸塩である。例えば、アルミニウム酸化物(化学式:Al2O3)のように同じ原子組成であってもアルファ型、ガンマ型などの多様な結晶構造をもつ場合は如何なる結晶構造でも用いることができる。これらの化合物は2種以上の金属元素が含有されている複合化合物であっても良い。炭素材料の例としては、活性炭、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、ダイヤモンドなどが例示される。珪素化合物の例としては二酸化珪素、シリカゲル、窒化珪素、炭化珪素、シリカライトが例示される。ゼオライト系化合物はA型、X型、Y型、モルデナイト、ベータ、ZSM−5、ZSM−11、AlPOn(nは正の整数である)、SAPOn(nは正の整数である)などが例示され、メソポーラス物質としては、科学技術文献などで一般的に広く用いられている略称としてMCM−41、SBA−15、FSM−16と称される物質などが例示されるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the inorganic compound used in the present invention include, but are not limited to, a metal compound, a carbon material, a silicon compound, a zeolite compound, or a mesoporous material. More specifically, examples of metal compounds include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, scandium, yttrium, titanium, zirconium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten. , Manganese, technetium, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, gold, zinc, cadmium, mercury, aluminum, gallium, indium, thulium, germanium, tin, lead Lanthanum, cerium, praseodymium, samarium, europium oxide, chloride, carbonate, sulfate, nitrate, sulfide and the like. Among these, magnesium, calcium, strontium, barium, titanium, zirconium, aluminum, niobium, zinc, cerium, lanthanum oxide, and carbonate can be preferably used. For example, any crystal structure can be used as long as it has various crystal structures such as an alpha type and a gamma type even with the same atomic composition such as aluminum oxide (chemical formula: Al 2 O 3 ). These compounds may be composite compounds containing two or more metal elements. Examples of the carbon material include activated carbon, graphite, fullerene, carbon nanotube, and diamond. Examples of the silicon compound include silicon dioxide, silica gel, silicon nitride, silicon carbide, and silicalite. Zeolite compounds are A type, X type, Y type, mordenite, beta, ZSM-5, ZSM-11, AlPO - n (n is a positive integer), SAPO - n (n is a positive integer). Examples of mesoporous materials include materials called MCM-41, SBA-15, and FSM-16 as abbreviations commonly used widely in science and technology literature. It is not limited.

上記のチタン多核構造を持つチタン化合物を無機担体などの無機化合物上に担持させるには公知の方法を用いることができ、具体的には、含浸法、気層蒸着法、液相吸着法、ゾルゲル法などが挙げられるが、これらに限定されない。なかでも好ましく用いられる含浸法についてさらに詳細に説明する。まず、チタン化合物を溶媒に溶解して担体の無機化合物の粉末、ペレットを分散させて十分撹拌し、減圧、加熱などの方法で溶媒を除去し無機担体とチタン化合物を結合させる。その溶媒はチタン化合物に応じてその化合物が容易に溶解するように、また無機担体となじみ易い適切な溶媒を用いるが、その例としては、水、アルコール類、エーテル類、エステル類、石油系溶剤類などが挙げられる。また無機担体は、用いる担持方法に好適な公知の前処理を行ってもよい。前処理の例としては、加熱、乾燥、ガス処理などが挙げられるが、これらに限定されない。また、前記の炭素材料では、必要に応じて酸素処理、水蒸気処理などの公知の処理法で表面特性を変化させて用いることが例示される。しかし、これらの前処理を行うことは必須ではない。   A well-known method can be used to support the titanium compound having the above titanium multinuclear structure on an inorganic compound such as an inorganic carrier. Specifically, impregnation method, vapor deposition method, liquid phase adsorption method, sol gel Law, etc., but is not limited thereto. Of these, the impregnation method preferably used will be described in more detail. First, the titanium compound is dissolved in a solvent to disperse the powder and pellets of the inorganic compound as a carrier and sufficiently stirred, and the solvent is removed by a method such as reduced pressure and heating to bond the inorganic carrier and the titanium compound. As the solvent, an appropriate solvent is used so that the compound can be easily dissolved in accordance with the titanium compound, and easily compatible with the inorganic carrier. Examples thereof include water, alcohols, ethers, esters, petroleum solvents. And the like. The inorganic carrier may be subjected to a known pretreatment suitable for the loading method used. Examples of pretreatment include, but are not limited to, heating, drying, gas treatment and the like. In addition, the above carbon material is exemplified by changing surface characteristics by a known treatment method such as oxygen treatment or steam treatment, if necessary. However, it is not essential to perform these pretreatments.

本発明において、多核構造を持つチタン化合物の分解は、熱、電磁波、放射線などの外部からエネルギーを付与するかまたは反応剤を加えて行う。外部より熱、電磁波、放射線などのエネルギーを与える分解は、公知の方法を用いることができる。例えば、安全かつ容易に行える方法として電気炉、ガス炉、イメージ炉のような炉を用いての加熱、赤外線の照射、可視光線の照射、紫外線の照射、マイクロ波の照射、エックス線の照射、レーザーの照射、電子線の照射、アルファ線の照射、ベータ線の照射、ガンマ線の照射などが例示されるが、これらに限定されるものではない。また赤外線、紫外線、マイクロ波などの光、電磁波の波長は限定されない。分解時の雰囲気は、真空、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気及びこれらの混合ガスが好ましい雰囲気として例示されるが、これらに限定されない。また、加えられる熱、電磁波、放射線のエネルギーの総量は、前駆体の大部分を分解しチタン酸化物に変化するのに充分な量であることが望ましい。外部エネルギーに熱を選択した場合は、加熱温度は特に限定されないが、好ましい温度を例示すると100〜1500℃、より好ましくは300〜800℃である。好ましい加熱時間は1秒〜10日、さらに好ましくは10秒〜10時間である。
また、反応剤としては、塩酸、硝酸、硫酸などの酸性物質、水酸化ナトリウム、アンモニア水、炭酸ナトリウムなどの塩基性物質などが例示され、用いるチタン前駆体の分解に適した物質を適量用いることが好ましい。反応剤を用いる場合、反応の終了後に加熱、洗浄などの方法で反応剤を除去することが好ましい。
In the present invention, the decomposition of the titanium compound having a multinuclear structure is performed by applying energy from the outside such as heat, electromagnetic waves, radiation, or adding a reactant. A known method can be used for decomposing energy such as heat, electromagnetic waves, and radiation from the outside. For example, as a safe and easy method, heating using a furnace such as an electric furnace, gas furnace, or image furnace, infrared irradiation, visible light irradiation, ultraviolet light irradiation, microwave irradiation, X-ray irradiation, laser Irradiation, electron beam irradiation, alpha ray irradiation, beta ray irradiation, gamma ray irradiation, and the like, but are not limited thereto. In addition, the wavelengths of light such as infrared rays, ultraviolet rays, and microwaves, and electromagnetic waves are not limited. The atmosphere at the time of decomposition is exemplified by vacuum, air, oxygen, nitrogen, argon, helium, carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, and a mixed gas thereof, but is not limited thereto. Further, the total amount of heat, electromagnetic waves and radiation energy applied is desirably an amount sufficient to decompose most of the precursor and change it into titanium oxide. When heat is selected as the external energy, the heating temperature is not particularly limited, but a preferable temperature is 100 to 1500 ° C, more preferably 300 to 800 ° C. A preferable heating time is 1 second to 10 days, more preferably 10 seconds to 10 hours.
Examples of the reactive agent include acidic substances such as hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid, and basic substances such as sodium hydroxide, aqueous ammonia and sodium carbonate. Use an appropriate amount of a substance suitable for decomposing the titanium precursor to be used. Is preferred. When using a reactive agent, it is preferable to remove the reactive agent by a method such as heating or washing after completion of the reaction.

本発明の方法を用いると、上記のとおり、チタン多核構造を持つチタン化合物、例えば酸素原子を介して2個のチタン原子が菱形に配列した構造をもつチタン化合物、を前駆体に用い、そのチタン化合物を無機担体表面上に担持させた後、そのチタン化合物を分解させることにより前駆体に用いたチタン化合物と同じチタン多核構造からなる特徴的な局所構造をもつチタン酸化物を無機担体上に生成させたチタン酸化物と無機担体の複合体を容易に製造することができる。
さらに、図4を用いて本発明における無機複合体の生成に至る発明概念及び手法についてより明確にする。図4中の(1)は、チタン2核構造(特徴的な局所構造)を持つチタン化合物の模式図である。(2)は(1)のチタン化合物を無機担体に担持させた後、熱、電磁波または放射線により分解させる操作を模式的に示した図である。(3)は分解後に周辺の配位子が分解操作により除去されて特徴的な局所構造の酸化チタンが無機担体の表面に生成したことを模式的に示した図である。
When the method of the present invention is used, as described above, a titanium compound having a titanium multinuclear structure, for example, a titanium compound having a structure in which two titanium atoms are arranged in a rhombus via an oxygen atom, is used as a precursor. After the compound is supported on the surface of the inorganic carrier, the titanium compound is decomposed to produce titanium oxide with a characteristic local structure consisting of the same titanium multinuclear structure as the titanium compound used as the precursor on the inorganic carrier. A composite of the titanium oxide and the inorganic carrier thus produced can be easily produced.
Furthermore, the inventive concept and technique leading to the formation of the inorganic composite in the present invention will be clarified with reference to FIG. (1) in FIG. 4 is a schematic diagram of a titanium compound having a titanium binuclear structure (characteristic local structure). (2) is a diagram schematically showing an operation in which the titanium compound of (1) is supported on an inorganic carrier and then decomposed by heat, electromagnetic waves or radiation. (3) is a view schematically showing that the surrounding ligand is removed by the decomposition operation after decomposition, and titanium oxide having a characteristic local structure is generated on the surface of the inorganic carrier.

本発明により得られるチタン酸化物と無機化合物からなる無機複合体は、耐久性がありまた酸化チタン類の化学的特性を向上させたものであるから、光触媒、触媒材料、化粧品、塗料及び電子材料などの技術分野に応用できるが、特に、プロピレンの分子状酸素による直接酸化によるエポキシ化反応によりプロピレンオキシドを製造する際の触媒として用いると、触媒活性が長時間持続し、比較的高収率かつ高選択率でプロピレンオキシドを得ることができる。   Inorganic composites comprising titanium oxide and inorganic compounds obtained by the present invention are durable and have improved chemical properties of titanium oxides, so photocatalysts, catalyst materials, cosmetics, paints and electronic materials In particular, when used as a catalyst in the production of propylene oxide by epoxidation reaction by direct oxidation of propylene with molecular oxygen, the catalytic activity lasts for a long time, and the yield is relatively high. Propylene oxide can be obtained with high selectivity.

次に、本発明の前記無機複合体を触媒として用いるプロピレンの気相エポキシ化反応によるプロピレンオキシドの製造方法について説明する。
原料ガスとしては、プロピレン及び酸素を必須成分として含有し、さらに必要に応じて希釈用ガスとしてヘリウム、アルゴン、窒素、二酸化炭素などの不活性ガスを適宜含むガスが用いられる。反応温度または反応圧による爆発の危険等を防止するには、混合ガスの爆発限界を考慮して不活性ガスを適宜混合することが好ましい。反応温度は特に限定されないが、好ましい温度は100〜500℃、より好ましくは150〜350℃である。圧力は大気圧、加圧、減圧のいずれの条件でも可能であるが、なかでも大気圧または加圧条件が好ましく、好ましい圧力は1〜200気圧、よりに好ましくは1〜50気圧である。また、原料ガスの流量は、特に限定されないが、好ましくは触媒重量1gに対して毎分0.1〜1000mL、より好ましくは毎分1〜100mLである。
Next, a method for producing propylene oxide by vapor phase epoxidation reaction of propylene using the inorganic composite of the present invention as a catalyst will be described.
As the raw material gas, a gas containing propylene and oxygen as essential components, and further containing an inert gas such as helium, argon, nitrogen, carbon dioxide as a dilution gas is used as necessary. In order to prevent the risk of explosion due to the reaction temperature or reaction pressure, it is preferable to appropriately mix an inert gas in consideration of the explosion limit of the mixed gas. Although reaction temperature is not specifically limited, Preferred temperature is 100-500 degreeC, More preferably, it is 150-350 degreeC. The pressure can be any of atmospheric pressure, pressurization, and decompression, but atmospheric pressure or pressurization conditions are preferable, and a preferable pressure is 1 to 200 atm, and more preferably 1 to 50 atm. The flow rate of the raw material gas is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 1000 mL / min, more preferably 1 to 100 mL / min, with respect to 1 g of the catalyst weight.

反応装置としては、流通式、バッチ式などの固体触媒、粉体触媒が一般的に用いられている公知の反応形式を適用できるが、管状流通式反応器を用いることが好ましい。反応装置の材質は石英、ステンレスなど耐熱性が高く、不活性な材質で作製されていることが好ましく、さらに公知の不活性材料でコーティングなどの処理を施したものであっても良い。この反応装置には、前記したチタン酸化物と無機化合物との無機複合体の触媒充填層及びその後部に反応温度またはそれに近い温度で保温できる空間層を備えた反応管を用いる。触媒充填層と空間層の間は、触媒の移動及び流出を防止するために、ガスの流通を妨げず、かつ不活性な材質及び形状の仕切りで仕切られていることが望ましい。空間層は、触媒と接触した後の混合生成ガスがある程度長時間滞留する層であり、反応温度またはそれに近い温度、好ましくは100〜500℃、より好ましくは150〜350℃で保温されている。触媒層と後部空間層の温度差は特に限定されないが、(触媒層温度)−(空間層温度)の値が−200〜200℃の範囲が好ましい範囲として例示され、特に好ましくは−50〜50℃の範囲である。また、好ましい後部空間層の容積は触媒と接触した後の混合生成ガスをある程度長時間加熱可能である容積で、空間層容積を原料ガス流速で除した値(ガスの滞留時間)は特に限定されないが、5秒〜60分間、またはそれ以上の時間であることが好ましく、特に好ましい時間は10秒〜10分間である。
図8には、管状流通式反応器の構造をさらに明確にするための概念図を示す。供給ガスはまず触媒充填層に達し触媒に接触した後に、ガスの流通を妨げない材質および形状の仕切りを通過し後方の空間層に達する。ここである程度長時間滞留した後に生成物、未反応原料などが管外に達する。管は加熱用ヒーターなどで反応温度に保持されている。
また、この反応には流通式反応装置の一つである流動床触媒反応装置も好ましく用いることができるが、この場合にも同様に、触媒に接触したガスが反応温度またはそれに近い温度、好ましくは100〜500℃、より好ましくは150〜350℃で保温されていることが望ましい。この場合は、反応器内部容積から反応に供されている触媒容積を減じた容積が空間層容積となり、空間層容積を原料ガス流速で除した値(ガスの滞留時間)は特に限定されないが、前記の固定床装置と同様にある程度長時間、好ましくは5秒〜60分間、またはそれ以上の時間、特に好ましくは10秒〜10分間滞留する構造であることが好ましい。
As the reaction apparatus, a known reaction mode in which a solid catalyst such as a flow type or a batch type or a powder catalyst is generally used can be applied, but a tubular flow type reactor is preferably used. The material of the reaction apparatus is preferably made of an inert material having high heat resistance such as quartz or stainless steel, and may be a material treated with a known inert material such as coating. In this reaction apparatus, a reaction tube provided with a catalyst packed bed of the above-described inorganic complex of titanium oxide and an inorganic compound and a space layer that can be kept at the reaction temperature or a temperature close thereto at the rear part is used. In order to prevent movement and outflow of the catalyst, it is desirable that the catalyst packed bed and the space layer be partitioned by a partition made of an inert material and shape that does not disturb the gas flow. The space layer is a layer in which the mixed product gas after contact with the catalyst stays for a long time, and is kept at the reaction temperature or a temperature close to it, preferably 100 to 500 ° C, more preferably 150 to 350 ° C. Although the temperature difference between the catalyst layer and the rear space layer is not particularly limited, the value of (catalyst layer temperature) − (space layer temperature) is exemplified as a preferable range, and particularly preferably −50 to 50 It is the range of ° C. Further, the preferable volume of the rear space layer is a volume capable of heating the mixed product gas after contact with the catalyst to some extent for a long time, and the value obtained by dividing the space layer volume by the raw material gas flow rate (gas residence time) is not particularly limited. Is preferably 5 seconds to 60 minutes or more, and particularly preferably 10 seconds to 10 minutes.
FIG. 8 shows a conceptual diagram for further clarifying the structure of the tubular flow reactor. The supply gas first reaches the catalyst packed bed and comes into contact with the catalyst, and then passes through a partition of a material and shape that does not hinder the gas flow and reaches the rear space layer. Here, the product, unreacted raw materials, etc. reach the outside of the tube after staying for a long time. The tube is maintained at the reaction temperature by a heater or the like.
In addition, a fluidized bed catalytic reactor, which is one of flow-type reactors, can also be preferably used for this reaction. In this case as well, similarly, the gas in contact with the catalyst is at or near the reaction temperature, preferably It is desirable that the temperature is kept at 100 to 500 ° C, more preferably 150 to 350 ° C. In this case, the volume obtained by subtracting the catalyst volume provided for the reaction from the internal volume of the reactor is the space layer volume, and the value obtained by dividing the space layer volume by the raw material gas flow rate (gas residence time) is not particularly limited. Like the above fixed bed apparatus, it is preferable that the structure stays for a long time, preferably 5 seconds to 60 minutes, or more, particularly preferably 10 seconds to 10 minutes.

実施例
以下、本発明を実施例等によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
Examples Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and the like, but the present invention is not limited to these examples.

2個のチタン原子が酸素を介して菱形に環状に配列した構造を分子内に有する2核のチタン化合物であるチタンペルオキソクエン酸アンモニウム四水和物(化学式:(NH[Ti(C(O]・4HOまたは(NH[Ti(C(O]・8HO)(商品名:タスファイン、フルウチ化学社製)0.6gを蒸留水50mLに溶解させた均一な溶液を得た。その溶液に二酸化珪素粉末(キャリアクトQ−30、富士シリシア化学社製、物性値(カタログに記載の値):表面積100m/g、平均細孔径30nm、細孔容積1.0mL/g、粒子径75〜500μm)9.8gを分散させてスラリー状にした。これを十分撹拌した後、80℃で減圧乾燥を行って水を除去し、チタン化合物と二酸化珪素からなるチタン前駆体を含む粉末を生成した。
生成したチタン前駆体を含む粉末を、空気中600℃で3時間焼成することにより無機複合体の粉末を得た。得られた無機複合体は、チタン酸化物2%と二酸化珪素98%の重量組成比からなるものであり、これをサンプルA−2とした。
また、同様にして、それぞれ二酸化チタン含有率の異なる無機複合体を作製し、チタン酸化物含有率7重量%(サンプルA−7)及びチタン酸化物含有率15重量%(サンプルA−15)の無機複合体を調製した。
(比較例1)
Titanium peroxocitrate tetrahydrate (chemical formula: (NH 4 ) 4 [Ti 2 (), which is a binuclear titanium compound having a structure in which two titanium atoms are arranged in a diamond shape in a ring shape through oxygen. C 6 H 4 O 7) 2 (O 2) 2] · 4H 2 O or (NH 4) 8 [Ti 4 (C 6 H 4 O 7) 4 (O 2) 4] · 8H 2 O) ( trade name : Tasfine, manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) A homogeneous solution in which 0.6 g was dissolved in 50 mL of distilled water was obtained. Silicon dioxide powder (Caractect Q-30, manufactured by Fuji Silysia Chemical Ltd., physical property values (values described in the catalog)): surface area 100 m 2 / g, average pore diameter 30 nm, pore volume 1.0 mL / g, particles 9.8 g (diameter 75 to 500 μm) was dispersed to form a slurry. After sufficiently stirring this, it dried under reduced pressure at 80 degreeC, water was removed, and the powder containing the titanium precursor which consists of a titanium compound and silicon dioxide was produced | generated.
The powder containing the produced titanium precursor was fired at 600 ° C. in air for 3 hours to obtain an inorganic composite powder. The obtained inorganic composite consisted of a weight composition ratio of 2% titanium oxide and 98% silicon dioxide, and this was designated as sample A-2.
Similarly, inorganic composites each having a different titanium dioxide content were prepared, and the titanium oxide content was 7% by weight (sample A-7) and the titanium oxide content was 15% by weight (sample A-15). An inorganic composite was prepared.
(Comparative Example 1)

実施例1に用いたチタンペルオキソクエン酸アンモニウム四水和物に代えて、2核構造とは異なる単核のチタンテトライソプロポキシド(化学式:Ti(iso−CO))を用いて複合体を調製した。
まず、チタンテトライソプロポキシド0.35mLをエタノールと混合し均一な溶液を得た。その溶液に150℃で乾燥した二酸化珪素粉末(キャリアクトQ−30、富士シリシア化学株式会社製、物性値(カタログに記載の値):表面積100m/g、平均細孔径30nm、細孔容積1.0mL/g、粒子径75〜500μm)4.9gを分散させてスラリー状にした。次に、このスラリーにアンモニア水を滴下し、チタンテトライソプロポキシドを加水分解し一晩放置し熟成した。熟成後ゲル状になったスラリーを蒸発皿に移し残留溶媒を加熱除去した。生成したチタンテトライソプロポキシドの加水分解物を含む粉末を空気中600℃で3時間焼成することにより複合体粉末を得た。得られた無機複合体のチタン酸化物含有率は、実施例1と同じく2%であり、これをサンプルB−2とした。
Instead of the titanium peroxoammonium citrate tetrahydrate used in Example 1, mononuclear titanium tetraisopropoxide (chemical formula: Ti (iso-C 3 H 7 O) 4 ) different from the binuclear structure was used. A composite was prepared.
First, 0.35 mL of titanium tetraisopropoxide was mixed with ethanol to obtain a uniform solution. Silicon dioxide powder dried at 150 ° C. in the solution (Caractect Q-30, manufactured by Fuji Silysia Chemical Ltd., physical property values (values described in the catalog): surface area 100 m 2 / g, average pore diameter 30 nm, pore volume 1 (4.9 mL / g, particle diameter 75 to 500 μm) was dispersed to form a slurry. Next, aqueous ammonia was added dropwise to the slurry to hydrolyze titanium tetraisopropoxide and left to stand for aging. After aging, the gelled slurry was transferred to an evaporating dish and the residual solvent was removed by heating. The powder containing the hydrolyzate of titanium tetraisopropoxide produced was fired in air at 600 ° C. for 3 hours to obtain a composite powder. The titanium oxide content of the obtained inorganic composite was 2% as in Example 1, and this was designated as Sample B-2.

実施例1と比較例1で得られた4種の複合体と、標準物質としてTS−1、ルチル型酸化チタン、アナターゼ型酸化チタン、及びチタンペルオキソクエン酸アンモニウム4水和物のX線吸収測定を行った。この測定は高エネルギー加速器研究機構、放射光施設において透過法または蛍光法で行った。
両例で調製した4種の複合体は、あらかじめ空気中300℃で加熱処理を行い、ヘリウムガスとともにポリエチレンフィルム製の袋に封入して外気の影響を排除した。得られた吸収スペクトルよりXANESとEXAFS分析を行った。
X-ray absorption measurement of the four types of complexes obtained in Example 1 and Comparative Example 1, TS-1, rutile titanium oxide, anatase titanium oxide, and titanium peroxocitrate ammonium tetrahydrate as standard substances Went. This measurement was performed by the transmission method or the fluorescence method at the High Energy Accelerator Research Organization, Synchrotron Radiation Facility.
The four types of composites prepared in both cases were pre-heated at 300 ° C. in air and sealed in a polyethylene film bag together with helium gas to eliminate the influence of outside air. XANES and EXAFS analysis was performed from the obtained absorption spectrum.

図5はXANESスペクトルを示す。図5において、スペクトルAはチタンペルオキソクエン酸アンモニウム4水和物、スペクトルBはTS−1、スペクトルCはルチル型酸化チタン、スペクトルDはアナターゼ型酸化チタン、スペクトルEは実施例1のサンプルA−2、スペクトルFは比較例1のサンプルB−2である。
BのTS−1は1つの鋭いプレエッヂピークが観察され公知のTS−1内でのチタンの状態より酸素がチタンに4配位した4面体構造と帰属できる。Cのルチル型酸化チタンは3本の特徴的なプレエッヂピークが観察された。Dのアナターゼ型酸化チタンは3本のプレエッヂピークを示しているがルチル型とは明確に異なるスペクトルを示した。Aのチタン前駆体の錯体はルチル、アナターゼ及びTS−1と異なるプレエッヂを示した。
Eの実施例1のサンプルは、原料のチタン錯体に極めて類似したプレエッヂピークを示し、かつスペクトル全体が酸化チタン前駆体のチタン錯体に類似しており、チタン錯体以外の標準物質とは異なる構造であることも確認された。これに対し、比較例1のサンプルは、実施例1のサンプルとは微妙に異なるスペクトルを示したが、明確な差異を確認できなかった。
FIG. 5 shows the XANES spectrum. In FIG. 5, spectrum A is titanium peroxocitrate tetrahydrate, spectrum B is TS-1, spectrum C is rutile titanium oxide, spectrum D is anatase titanium oxide, and spectrum E is sample A- of Example 1. 2. Spectrum F is Sample B-2 of Comparative Example 1.
TS-1 of B has one sharp pre-edge peak observed and can be attributed to a tetrahedral structure in which oxygen is tetracoordinated to titanium from the state of titanium in the known TS-1. In the rutile titanium oxide of C, three characteristic pre-edge peaks were observed. The anatase type titanium oxide of D showed three pre-edge peaks, but showed a spectrum clearly different from the rutile type. The titanium precursor complex of A showed a pre-edge different from rutile, anatase and TS-1.
The sample of Example 1 of E shows a pre-edge peak very similar to the titanium complex of the raw material, and the whole spectrum is similar to the titanium complex of the titanium oxide precursor, and is different from the standard material other than the titanium complex. It was also confirmed. In contrast, the sample of Comparative Example 1 showed a slightly different spectrum from the sample of Example 1, but no clear difference could be confirmed.

そこで、実施例1と比較例1のサンプルの差異を明確にするために、EXAFS分析を行った。図6は、X線吸収スペクトルからEXAFS振動を抽出しフーリエ変換を行った結果である。スペクトルAが実施例1のサンプルA−2、スペクトルBが比較例1のサンプルB−2である。図中に線で示した1.5Å付近のピークは4配位のTi−O結合に帰属される。両者の明確な相違点は、図中に矢印で指し示した2.7Å付近のピークであり、スペクトルAでは明確に現れているのに対し、スペクトルBでは強度が非常に小さく不明確である。この2.7ÅのピークはTi−O−Ti結合におけるTi原子間の距離に帰属される。比較例1のサンプルで2.7Åの距離に明確なピークが見られないのは、チタン原子周辺の中心チタンから2.7Å前後の距離の構造が乱雑であり、チタン原子が酸素を介して菱形に結合した規則的な環状クラスター構造を持たないことによるものである。これに対して、実施例1のサンプルはTi−O−Tiの結合に起因するピークがはっきり確認されており、XANESスペクトルが原料に用いた前駆体錯体に類似していることを併せて見ると、Ti原子が酸素を介して菱形に配列した環状構造を形成しているものと結論付けられる。
以上の検討結果より、SiO表面に作製された酸化チタンはルチル、アナターゼ、TS−1と異なり、またチタンテトライソプロポキシドを前駆体として調製した触媒とも異なること、及び2個のTi原子が酸素を介して菱形に配列した環状クラスター構造を形成していることが明確になった。
In order to clarify the difference between the samples of Example 1 and Comparative Example 1, EXAFS analysis was performed. FIG. 6 shows the result of extracting the EXAFS vibration from the X-ray absorption spectrum and performing the Fourier transform. Spectrum A is Sample A-2 of Example 1, and Spectrum B is Sample B-2 of Comparative Example 1. The peak in the vicinity of 1.5 mm indicated by a line in the figure is attributed to a tetracoordinate Ti—O bond. A clear difference between the two is a peak in the vicinity of 2.7 mm indicated by an arrow in the figure, which appears clearly in the spectrum A, whereas the intensity in the spectrum B is very small and unclear. This 2.72 peak is attributed to the distance between Ti atoms in the Ti—O—Ti bond. In the sample of Comparative Example 1, no clear peak is observed at a distance of 2.7 mm, because the structure at a distance of about 2.7 mm from the center titanium around the titanium atom is messy, and the titanium atom is rhombus via oxygen. This is because it does not have a regular cyclic cluster structure bonded to the. On the other hand, in the sample of Example 1, the peak due to the Ti—O—Ti bond is clearly confirmed, and it is also seen that the XANES spectrum is similar to the precursor complex used as the raw material. It can be concluded that Ti atoms form a ring structure arranged in a diamond shape through oxygen.
From the above examination results, titanium oxide produced on the SiO 2 surface is different from rutile, anatase and TS-1, and is also different from a catalyst prepared using titanium tetraisopropoxide as a precursor, and two Ti atoms are It was clarified that a ring-shaped cluster structure arranged in a diamond shape was formed through oxygen.

さらに、図6に示したEXAFSスペクトルについて、カーブフィッティング分析を行うことによりチタン原子の配位数及び配位原子を求めた。この構造解析にはREX2000(リガク社製のソフトウェア)を用い、また解析に用いる理論パラメータには、上記ソフトウェアに内蔵されているMcKaleパラメータを用いた。
まず、上記理論パラメータを適用する妥当性について検討するために、標準物質である金属チタン箔のスペクトルを解析した。得られた生スペクトルより抽出されたEXAFS振動に波数の3乗を乗じた後、フーリエ変換したスペクトルより、解析対象として切り出すスペクトルを決める動径分布距離のレンジ(Rレンジ)は1.7〜3.4オングストローム、逆フーリエ変換したスペクトルのフィッティングの範囲を決める波数範囲は3.0〜12(オングストローム)−1を選択した。その結果、Ti−Ti間について、配位数が
子ボルト、デバイワラー因子が0.091オングストロームという結果が得られた。解析値の収束度を示すRファクターは1.0%と非常に良好な値であった。文献(化学便覧基礎編(II)改定4版、丸善発行)によると、金属チタンは原子が六方最密充填構造をとり、Ti−Ti間の配位数は12である。理論パラメータでは配位数が多少小さめに算出されることが知られていることから計算で得られた配位数は妥当であった。また、前記文献に記載の金属チタンの格子定数(a=2.950オングストローム)と解析で得られた原子間距離の値は非常に近く、原子間距離においても理論パラメータの妥当性が確認された。したがって、チタン系物質の解析には、この理論パラメータを用いることが妥当であると結論付けられた。
Furthermore, the coordination number and coordination atom of the titanium atom were obtained by performing curve fitting analysis on the EXAFS spectrum shown in FIG. For this structural analysis, REX2000 (Rigaku software) was used, and for the theoretical parameters used for the analysis, McKale parameters built in the software were used.
First, in order to examine the validity of applying the above theoretical parameters, the spectrum of a metal titanium foil as a standard material was analyzed. The range of the radial distribution distance (R range) that determines the spectrum to be extracted as the analysis target from the spectrum obtained by multiplying the EXAFS vibration extracted from the obtained raw spectrum by the cube of the wave number and then Fourier-transformed is 1.7-3. The wave number range that determines the fitting range of the spectrum obtained by inverse Fourier transform of .4 angstrom was selected to be 3.0 to 12 (angstrom) -1 . As a result, the coordination number between Ti and Ti is
The result was that the child bolt and the Debye-Waller factor were 0.091 angstroms. The R factor indicating the degree of convergence of the analysis value was a very good value of 1.0%. According to the literature (Chemical Handbook Basic Edition (II) revised 4th edition, published by Maruzen), metal titanium has a hexagonal close-packed structure, and the coordination number between Ti and Ti is 12. Since it is known that the coordination number is calculated to be a little smaller in the theoretical parameters, the coordination number obtained by the calculation was appropriate. In addition, the lattice constant (a = 2.950 angstrom) of metallic titanium described in the above literature and the value of the interatomic distance obtained by the analysis are very close, and the validity of the theoretical parameters was confirmed also in the interatomic distance. Therefore, it was concluded that it is appropriate to use this theoretical parameter for the analysis of titanium-based materials.

次に、この妥当性が確かめられた理論パラメータを用いて2核のチタン錯体から調製した複合体のスペクトルである、図6中のスペクトルA)の解析を行った。フーリエフィルターレンジ(Rレンジ)は1.0〜3.3オングストローム、逆フーリエ変換したスペクトルのフィッティングの範囲を決める波数範囲は4.0〜11(オングストローム)−1 で行った。その結果、Ti−O間については、配位数が3.7個、原子間距離が1.9
トロームであり、またTi−Ti間については、配位数が0.79個、原子間距離が
ームであった。また、解析値の収束度を示すRファクターは17%と実際のサンプル分析では問題の無い数値であった。この結果を用いて、理想的な状態では配位数は整数であること、また、理論パラメータを用いたときには配位数が多少小さめに計算されることを考慮し、Ti−O間の配位数を4、Ti−Ti間の配位数を1と近似して解析結果に妥当な構造を導き出した結果、担体上に存在する4配位のチタン原子が酸素を介して菱形に結合している構造となり、図7に見られるように、チタンと酸素が交互に結合した環状構造であることを確認した。以上のカーブフィッティング分析より、請求項1〜4に示された新規複合体の存在及び請求項5〜7に示された複合体の調製法の有効性が明確に示された。
Next, the spectrum A) in FIG. 6, which is a spectrum of a composite prepared from a binuclear titanium complex, was analyzed using theoretical parameters whose validity was confirmed. The Fourier filter range (R range) was 1.0 to 3.3 angstroms, and the wave number range for determining the fitting range of the spectrum obtained by inverse Fourier transform was 4.0 to 11 (angstroms) −1 . As a result, for Ti-O, the coordination number is 3.7 and the interatomic distance is 1.9.
And between Ti and Ti, the coordination number is 0.79 and the interatomic distance is
It was. Further, the R factor indicating the convergence of the analysis value was 17%, which was a numerical value that caused no problem in the actual sample analysis. Using this result, considering the fact that the coordination number is an integer in an ideal state, and that the coordination number is calculated slightly smaller when theoretical parameters are used, the coordination between Ti-O As a result of approximating the number 4 and the coordination number between Ti and Ti to 1 and deriving an appropriate structure from the analysis results, the tetracoordinate titanium atoms present on the support are bonded to the rhombus via oxygen. As shown in FIG. 7, it was confirmed that the structure was an annular structure in which titanium and oxygen were alternately bonded. From the above curve fitting analysis, the existence of the novel complex shown in claims 1 to 4 and the effectiveness of the preparation method of the complex shown in claims 5 to 7 were clearly shown.

実施例1で得られた無機複合体を触媒とし、プロピレンと分子状酸素を原料とするプロピレンオキシドの製造
実施例1で得られた複合体粉末(サンプルA−2)1.0gを触媒とし、これを石英砂3.0gと物理混合して石英製反応管に充填した。この反応管は触媒充填層とその後に25mLの空間を設けたものである。この反応管内にヘリウムを流通させながら反応温度の285℃まで温度を上昇させ、温度の安定を確認した後、プロピレン毎分10mLと酸素毎分10mLの混合ガスに切り替え反応を開始した。この場合、反応後のガスが触媒層後方の空間に滞留する時間は1.25分である。反応圧は3.5気圧(圧力計指示値)で行った。25分後に295℃で温度と圧力が安定したことを確認した後、オンラインガスクロマトグラフを用いて生成物の分析を行った。 その結果、プロピレンの転化率は9.21%であり、プロピレンオキシドの収率は3.20%、プロピレンオキシドの選択率は34.7%であった。
(比較例2)
Production of propylene oxide using propylene and molecular oxygen as raw materials, using the inorganic composite obtained in Example 1 as a catalyst, 1.0 g of the composite powder (Sample A-2) obtained in Example 1 as a catalyst, This was physically mixed with 3.0 g of quartz sand and filled into a quartz reaction tube. This reaction tube is provided with a catalyst packed bed followed by a 25 mL space. The temperature was raised to a reaction temperature of 285 ° C. while circulating helium in the reaction tube, and after confirming the stability of the temperature, the reaction was started by switching to a mixed gas of 10 mL of propylene per minute and 10 mL of oxygen per minute. In this case, the time for the gas after the reaction to stay in the space behind the catalyst layer is 1.25 minutes. The reaction pressure was 3.5 atm (pressure gauge indicated value). After confirming that the temperature and pressure were stable at 295 ° C. after 25 minutes, the product was analyzed using an on-line gas chromatograph. As a result, the conversion of propylene was 9.21%, the yield of propylene oxide was 3.20%, and the selectivity for propylene oxide was 34.7%.
(Comparative Example 2)

比較例1で得られた複合体粉末(サンプルB−2)を触媒に用いたこと以外は、実施例2と同様にしてプロピレンオキシドの製造反応及び生成物の分析を行った。その結果、プロピレンの転化率は4.36%であり、プロピレンオキシドの収率は1.16%、プロピレンオキシドの選択率は26.7%であった。実施例2と比較例2との比較から、複合体チタン酸化物の前駆体に2核構造をもつチタンペルオキソクエン酸アンモニウム四水和物を用い、複合体に含まれるチタン酸化物の構造が2個のTi原子が酸素を介して菱形に配列した環状クラスター構造である効果が確認された。
(比較例3)
Propylene oxide production reaction and product analysis were performed in the same manner as in Example 2 except that the composite powder (Sample B-2) obtained in Comparative Example 1 was used as a catalyst. As a result, the conversion of propylene was 4.36%, the yield of propylene oxide was 1.16%, and the selectivity for propylene oxide was 26.7%. From comparison between Example 2 and Comparative Example 2, titanium peroxocitrate ammonium tetrahydrate having a binuclear structure was used as the precursor of the composite titanium oxide, and the structure of the titanium oxide contained in the composite was 2 The effect of the cyclic cluster structure in which Ti atoms are arranged in a diamond shape through oxygen was confirmed.
(Comparative Example 3)

チタンペルオキソクエン酸アンモニウム四水和物を二酸化珪素に担持させないで600℃において3時間加熱焼成して得られたチタン酸化物の粉末を触媒に用いた。この粉末はX線回折によりルチル型とアナターゼ型の両方の結晶相が含まれていることを確認した。そのBET表面積は6.34m/gであった。
この触媒を用いて、実施例1と同じ条件で反応及び分析を行ったところ、プロピレンの転化率2.25%、プロピレンオキシドの収率0.48%、プロピレンオキシドの選択率21.5%であった。この結果より、チタン酸化物単独では十分な触媒性能を発揮せず、二酸化珪素などの無機担体との複合体にする有効性が確認された。
Titanium oxide powder obtained by heating and calcining at 600 ° C. for 3 hours without supporting ammonium peroxocitrate tetrahydrate on silicon dioxide was used as a catalyst. This powder was confirmed by X-ray diffraction to contain both rutile and anatase crystalline phases. Its BET surface area was 6.34 m 2 / g.
When this catalyst was used for the reaction and analysis under the same conditions as in Example 1, the conversion of propylene was 2.25%, the yield of propylene oxide was 0.48%, and the selectivity of propylene oxide was 21.5%. there were. From these results, it was confirmed that titanium oxide alone does not exhibit sufficient catalytic performance and is effective in forming a composite with an inorganic carrier such as silicon dioxide.

触媒量を複合体(サンプルA−2)触媒の粉末2.0gと石英砂2.0gとの混合物に代えたこと以外は、実施例2と同様にして反応させ、その生成物の分析を行った。その結果、プロピレンの転化率は21.4%であり、プロピレンオキシドの収率は8.0%、プロピレンオキシドの選択率は37.4%であった。   The reaction was conducted in the same manner as in Example 2 except that the amount of catalyst was changed to a mixture of 2.0 g of composite (sample A-2) catalyst powder and 2.0 g of quartz sand, and the product was analyzed. It was. As a result, the conversion of propylene was 21.4%, the yield of propylene oxide was 8.0%, and the selectivity for propylene oxide was 37.4%.

実施例2において反応温度を290℃に代えたこと以外は、実施例2と同様にして反応させ、その生成物の分析を行った結果、プロピレンの転化率は9.0%であり、プロピレンオキシドのは収率2.5%、プロピレンオキシドの選択率は28.3%であった。   The reaction was conducted in the same manner as in Example 2 except that the reaction temperature was changed to 290 ° C. in Example 2, and the product was analyzed. As a result, the conversion of propylene was 9.0%, and propylene oxide The yield was 2.5%, and the selectivity for propylene oxide was 28.3%.

実施例1において二酸化珪素担体を異なる物性のもの(キャリアクトQ−3、富士シリシア化学株式会社製、物性値(メーカー発表の値):表面積500m2/g、平均細孔径3nm、細孔容積0.3mL/g、粒子径75〜500μm)に代えたこと以外は、実施例1と同様にして調製し複合体(サンプルC−2)を得た。これを触媒として用い、実施例2と同様に反応させ、得られた生成物の分析を行ったところ、プロピレンの転化率20.2%、プロピレンオキシドの収率6.2%、プロピレンオキシドの選択率30.5%という値を得た。この結果より複合体の担体である二酸化珪素の物性は、触媒に応用した際に反応結果にはあまり大きな影響を及ぼさないことがわかった。   In Example 1, the silicon dioxide carrier has different physical properties (Caract Q-3, manufactured by Fuji Silysia Chemical Ltd., physical property values (values announced by the manufacturer): surface area 500 m 2 / g, average pore diameter 3 nm, pore volume 0. A composite (sample C-2) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the volume was changed to 3 mL / g and the particle diameter was 75 to 500 μm. When this was used as a catalyst and reacted in the same manner as in Example 2, the obtained product was analyzed. As a result, the conversion of propylene was 20.2%, the yield of propylene oxide was 6.2%, and the selection of propylene oxide. A value of 30.5% was obtained. From these results, it was found that the physical properties of silicon dioxide, which is a carrier of the composite, do not have a great influence on the reaction results when applied to a catalyst.

実施例及び比較例の反応に用いた反応器は、触媒充填層の後方に25mLの空間を持ち反応温度とほぼ同じ温度に保たれていて触媒に接触したガスが1.25分間反応管内に滞留する構造であったが、その後方の空間に石英砂を充填し、空間の大部分をガスの流通を妨げないようにふさぎ、空間層の実効容積を減少させてガス滞留時間を3秒未満とした。そして、実施例1で調製したチタン酸化物を2%含有する複合体1.0gと不活性な石英砂3.0gの混合物を触媒として用い、供給ガスをプロピレン毎分10mL、酸素毎分5mL、ヘリウム毎分10mLとし、反応温度295℃、反応圧3.5気圧で反応を行い、実施例2と同様に分析をおこなった。その結果、プロピレン転化率0.6%、プロピレンオキシド収率0%、プロピレンオキシド選択率0%であった。また温度を300℃に設定して同様に反応活性測定を行った結果、プロピレン転化率0.7%、プロピレンオキシド収率0%、プロピレンオキシド選択率0%であった。さらに300℃でガス組成をプロピレン毎分10mL、酸素毎分10mL、ヘリウム毎分5mLとした結果、プロピレン転化率1.2%、プロピレンオキシド収率0%、プロピレンオキシド選択率0%であった。さらに300℃でガス組成をプロピレン毎分10mL、酸素毎分10mLとした結果、プロピレン転化率1.9%、プロピレンオキシド収率0.04%、プロピレンオキシド選択率1.9%であった。この結果、触媒充填層の後方の空間を持ち触媒に接触した後のガスが、比較的長時間滞留する構造の反応器の有効性が示された。   The reactors used in the reactions of Examples and Comparative Examples have a space of 25 mL behind the catalyst packed bed and are kept at the same temperature as the reaction temperature, so that the gas in contact with the catalyst stays in the reaction tube for 1.25 minutes. However, the space behind it was filled with quartz sand so that most of the space was blocked so as not to hinder the flow of gas, and the effective volume of the space layer was reduced to reduce the gas residence time to less than 3 seconds. did. Then, a mixture of 1.0 g of a composite containing 2% of titanium oxide prepared in Example 1 and 3.0 g of inert quartz sand was used as a catalyst, the supply gas was 10 mL of propylene per minute, 5 mL of oxygen per minute, The reaction was carried out at a reaction temperature of 295 ° C. and a reaction pressure of 3.5 atm. As a result, propylene conversion was 0.6%, propylene oxide yield was 0%, and propylene oxide selectivity was 0%. Further, the reaction activity was measured in the same manner at a temperature of 300 ° C. As a result, the propylene conversion was 0.7%, the propylene oxide yield was 0%, and the propylene oxide selectivity was 0%. Further, at 300 ° C., the gas composition was 10 mL of propylene per minute, 10 mL of oxygen per minute, and 5 mL of helium per minute. As a result, propylene conversion was 1.2%, propylene oxide yield was 0%, and propylene oxide selectivity was 0%. Furthermore, as a result of setting the gas composition to 10 mL of propylene per minute and 10 mL of oxygen at 300 ° C., the propylene conversion was 1.9%, the propylene oxide yield was 0.04%, and the propylene oxide selectivity was 1.9%. As a result, the effectiveness of the reactor having a space behind the catalyst packed bed and in which the gas after contacting the catalyst stays for a relatively long time was shown.

実施例1で得られた複合体粉末(サンプルA−2)1.0gを触媒とし、これを石英砂3.0gと物理混合して石英製反応管に充填した。プロピレン毎分5mL、酸素毎分10mL及びヘリウム5mLの混合ガスに切り替え反応を開始した。この場合、反応後のガスが触媒層後方の空間に滞留する時間は1.25分である。反応圧は3.5気圧(圧力計指示値)で行った。25分後に293℃で温度と圧力が安定したことを確認した後、オンラインガスクロマトグラフを用いて生成物の分析を行った。
その結果、プロピレンの転化率は7.8%であり、プロピレンオキシドの収率は3.0%、プロピレンオキシドの選択率は38.5%であった。そのまま同条件で原料を供給し続け、反応を継続し465分後に25分後と同様に生成物の分析を行った結果プロピレンの転化率は9.2%であり、プロピレンオキシドの収率は3.4%、プロピレンオキシドの選択率は36.9%であり。25分後の結果と比較してプロピレン転化率及びプロピレンオキシドの収率が僅かに上昇した。このことより、この触媒は長時間の反応でも活性が低下せず安定した性能を長時間維持できることが確認された。
1.0 g of the composite powder (sample A-2) obtained in Example 1 was used as a catalyst, which was physically mixed with 3.0 g of quartz sand and filled into a quartz reaction tube. The reaction was switched to a mixed gas of 5 mL of propylene per minute, 10 mL of oxygen per minute and 5 mL of helium. In this case, the time for the gas after the reaction to stay in the space behind the catalyst layer is 1.25 minutes. The reaction pressure was 3.5 atm (pressure gauge indicated value). After confirming that the temperature and pressure were stable at 293 ° C. after 25 minutes, the product was analyzed using an online gas chromatograph.
As a result, the conversion of propylene was 7.8%, the yield of propylene oxide was 3.0%, and the selectivity for propylene oxide was 38.5%. The raw material was continuously supplied under the same conditions, and the reaction was continued. After 465 minutes, the product was analyzed in the same manner as 25 minutes later. As a result, the conversion of propylene was 9.2%, and the yield of propylene oxide was 3. .4%, propylene oxide selectivity is 36.9%. Compared with the result after 25 minutes, the propylene conversion and the yield of propylene oxide were slightly increased. From this, it was confirmed that this catalyst can maintain stable performance for a long time without decreasing its activity even in a long-time reaction.

本発明の無機複合体は、酸化チタン単独を含む複合体に比べて、活性及び耐久性に優れたものであるから、従来の酸化チタン系複合体の使用分野に応用でき、特にプロピレンの直接酸化によるプロピレンオキドの製造触媒として有用である。 Since the inorganic composite of the present invention is superior in activity and durability compared to a composite containing titanium oxide alone, it can be applied to the field of use of conventional titanium oxide-based composites, particularly direct oxidation of propylene. it is useful as propylene Oki shea de fabrication catalyst by.

本発明の無機複合体に含まれるチタンの4配位構造からなる2核構造例(上段)及びチタンペルオキソクエン酸アンモニウムの化学構造(下段)を示す。The example of the binuclear structure (upper part) which consists of the tetracoordinate structure of titanium contained in the inorganic composite of this invention and the chemical structure (lower part) of titanium peroxocitrate are shown. 本発明の無機複合体に含まれるチタンの6配位構造からなる2核構造例(上段)及びNa(THF)[Ti(μ−O)(calix[4]arene)]の化学構造(下段)を示す。Examples of a binuclear structure composed of a six-coordinate structure of titanium contained in the inorganic composite of the present invention (upper stage) and Na 4 (THF) 8 [Ti 2 (μ-O) 2 (calix [4] arene) 2 ] Chemical structure (bottom) is shown. 本発明の無機複合体の要部であるチタン2核構造とするシリカ及びアルミナとの結合の1例及びその反応機構の1例を示す。An example of a bond with silica and alumina having a titanium binuclear structure, which is the main part of the inorganic composite of the present invention, and an example of its reaction mechanism are shown. 本発明の無機複合体の形成過程を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the formation process of the inorganic composite_body | complex of this invention. 本発明の1例の無機複合体及び他の化合物のXANESスペクトル図である。It is a XANES spectrum figure of the inorganic composite of one example of this invention, and another compound. 本発明の実施例1及び比較例1で得られた無機複合体のEXAFSスペクトル図である。It is an EXAFS spectrum figure of the inorganic composite_body | complex obtained in Example 1 and Comparative Example 1 of this invention. 実施例1で得られたチタン酸化物2核構造体のカーブフィッティング分析から導き出された化学構造の要部である。2 is a main part of the chemical structure derived from curve fitting analysis of the titanium oxide binuclear structure obtained in Example 1. FIG. 本発明のプロピレンオキシド製造装置の1例を示す概略図である。It is the schematic which shows one example of the propylene oxide manufacturing apparatus of this invention.

Claims (5)

2個以上のチタン原子が酸素原子と交互に結合した環状構造を持つチタン酸化物と無機化合物とからなる、プロピレンと酸素含有ガスを気相反応させてプロピレンオキシドを製造するためのプロピレンオキサイド製造用触媒。 Propylene oxide production for producing propylene oxide by gas phase reaction of propylene and oxygen-containing gas consisting of titanium oxide and inorganic compound having a cyclic structure in which two or more titanium atoms are alternately bonded to oxygen atoms catalyst. 前記環状構造が、2個のチタン原子が酸素原子を介して結合した4員環構造である請求項1に記載のプロピレンオキシド製造用触媒。The catalyst for producing propylene oxide according to claim 1, wherein the cyclic structure is a four-membered ring structure in which two titanium atoms are bonded through an oxygen atom. 前記無機化合物が、珪素化合物、炭素材料及びゼオライト系化合物から選ばれる1種以上である請求項1又は2に記載のプロピレンオキシド製造用触媒。The catalyst for producing propylene oxide according to claim 1 or 2, wherein the inorganic compound is at least one selected from a silicon compound, a carbon material, and a zeolite compound. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の触媒を用いて、プロピレンと酸素含有ガスを気相反応させることを特徴とするプロピレンオキシドの製造方法。 A method for producing propylene oxide, comprising using the catalyst according to any one of claims 1 to 3 to cause gas phase reaction between propylene and an oxygen-containing gas. プロピレンと酸素含有ガスを気相反応させてプロピレンオキシドを製造する流通式プロピレンオキシド製造装置において、請求項1〜3のいずれか1項に記載の触媒を充填した触媒充填層及びその後部に反応温度、またはそれに近い温度に保持した空間層を備えた反応管を用いることを特徴とするプロピレンオキシド製造装置。 In the flow-type propylene oxide manufacturing apparatus which manufactures propylene oxide by carrying out the gas phase reaction of propylene and oxygen-containing gas, the catalyst packed bed filled with the catalyst according to any one of claims 1 to 3, and the reaction temperature in the rear part thereof Or an apparatus for producing propylene oxide, characterized in that a reaction tube having a space layer maintained at a temperature close to that is used.
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