(57)【要約】【課題】  触媒担持前に担体を高熱処理することなく、特に低温でのアンモニア合成活性が向上するアンモニア合成用のルテニウム触媒を提供する。【解決手段】  比表面積の大きな単層カーボンナノチューブを担体として用いることにより、触媒担持前に水素あるいは窒素などのガス下での高温熱処理をすることなく、担体にルテニウム触媒と助触媒としてのアルカリ金属またはアルカリ土類金属を担持させて、アンモニア合成活性が向上したアンモニア合成触媒を得ることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒成分と助触媒成分を担体に担持してなるアンモニア合成触媒であって、前記触媒成分がルテニウムであり、前記助触媒成分がアルカリ金属またはアルカリ土類金属であり、前記担体が、比表面積が８００ｍ2／ｇ以上であり、長さが１００μｍ以上であり、平均直径が３ｎｍ〜５ｎｍであり、かつ炭素純度が９９％以上である未開孔の単層カーボンナノチューブであることを特徴とする、アンモニア合成触媒。
【請求項２】
前記ルテニウムの担持量が前記担体の質量に対する質量％で１％〜１５％である、請求項１に記載のアンモニア合成触媒。
【請求項３】
前記アルカリ金属の担持量が前記ルテニウムに対するモル比で１.５〜１５である、請求項１または２に記載のアンモニア合成触媒。
【請求項４】
前記アルカリ金属が、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種類以上である、請求項１ないし３のいずれかに記載のアンモニア合成触媒。
【請求項５】
前記アルカリ土類金属の担持量が前記ルテニウムに対するモル比で０.５〜１０である、請求項１または２に記載のアンモニア合成触媒。
【請求項６】
前記アルカリ土類金属が、カルシウム、ストロンチウム、バリウムからなる群から選ばれる少なくとも一種類以上である、請求項１ないし５のいずれかに記載のアンモニア合成触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と窒素からアンモニアを直接合成する目的に使用する工業的に利用可能な触媒に関するものであり、特に、担体に単層カーボンナノチューブを用いたルテニウム触媒に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒素と水素からアンモニアを直接合成する化学反応はモル数の減少を伴う発熱反応(標準生成熱は−４６.１ｋＪ・ｍｏｌ-1)であり、平衡論的にこの反応は低温、高圧ほど有利になる。
従来のアンモニア合成において使用されている鉄系の触媒は３００〜４００℃の低温での触媒活性が低く、上記化学反応において平衡論的に不利な４００〜６００℃の高温で反応を行わざるを得ない。このため、反応ガスの再循環比を大きくすることや、ＳＶ値(空間速度)を高くすること等が必要であり、運転経費が増大するという課題があった。
【０００３】
一方、ルテニウムを触媒に用いると、２００〜４００℃の低温においても高い触媒活性が得られ、運転経費を抑制できること等が報告されて以来、このルテニウム触媒を担持する担体に関する研究が進められ、担体に活性炭を用いること（特許文献１、２参照）や、担体に高比表面積の黒鉛を用いること（特許文献３、４参照）により高活性な触媒を得られることが報告されている。
【０００４】
また、ルテニウム触媒の場合、担体に活性炭や黒鉛などの炭素材料を用いるだけでは十分な触媒活性は得られず、助触媒としてアルカリ金属やアルカリ土類金属を用いることにより、高い触媒活性を得られること（特許文献１〜４）が知られており、アルカリ金属の中ではセシウム、アルカリ土類金属の中ではバリウムを用いると高い効果が得られることが報告されている。
さらに、ルテニウム触媒の担体として多層カーボンナノチューブを用いること（非特許文献１〜６）も報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭５１−４４５０９号公報
【特許文献２】特開平９−１６８７３９号公報
【特許文献３】特開昭５３−５７１９３号公報
【特許文献４】特表２００５−５１１２７８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Appl. Surf. Sci.(2001）Vol.180, p.328
【非特許文献２】J.Catal.(2006) Vol.239, p.313
【非特許文献３】Catal. Lett.(2008) Vol.122, p.287
【非特許文献４】Catal. Lett.(2008) Vol.124, p.168
【非特許文献５】Catal. Commun.(2007) Vol.8, p.1881
【非特許文献６】Chem. Eur. J.(2010) Vol.16, p.5379
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アンモニアの直接合成に用いるルテニウム触媒に従来用いられている炭素系の担体にはいくつかの課題がある。
活性炭の表面にはＳ、Ｎ、Ｏ、Ｃｌ等からなる不純物が存在し、触媒反応の阻害要因になっているところ、活性炭を水素気流中で熱処理すると不純物が除去され触媒活性は高くなるが、高温で水素処理する必要があるため危険を伴い、触媒を工業的に大量生産することには適していない。
また、活性炭は、炭素の結晶性が低いのでメタン化に対する耐性が低く、触媒の耐熱性が劣るという課題も有している。これらの課題を解決する目的で活性炭を不活性雰囲気中で高温熱処理し、炭素の結晶性を向上させると、細孔の狭小化・閉塞が進行して比表面積が大きく低下し、触媒活性が著しく低下するという別の課題を生じる。このため、結晶性を高めた活性炭を再度賦活処理して比表面積を回復させて触媒活性の向上を図っているが、高温での熱処理に加えて賦活操作を行うという二段階の工程を必要とするため、触媒を工業的に大量生産することには適していない。
【０００８】
また、高比表面積の黒鉛は、メタン化に対する耐性が高く、触媒の耐熱性には優れているものの、活性炭と比べると比表面積が小さく、結局、触媒活性は活性炭と同程度に留まり、触媒活性を向上させるという本質的な課題を解決し得ないものである。
さらに、多層カーボンナノチューブは、比表面積が小さいだけでなく、過酸化水素などの酸で還流処理し、触媒を除去したカーボンナノチューブは、一部チューブ構造が破壊され、不純物となるアモルファスカーボンが生成し、チューブ長さが短くなる。また、メタン化に対する耐性も低下する。
【０００９】
上記の従来技術の課題を踏まえて、本発明は、担体を処理することなく、低温でのアンモニア合成活性が向上するアンモニア合成用のルテニウム触媒を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、比表面積、長さ、平均直径、炭素純度が特定の範囲である未開孔の単層カーボンナノチューブを担体として用いることで、触媒担持前に水素あるいは窒素などの雰囲気下で高温熱処理することなく、担体にルテニウム触媒と助触媒としてのアルカリ金属またはアルカリ土類金属を担持させることにより、低温でのアンモニア合成活性が向上するアンモニア合成触媒を得られることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
本発明は、以下の（１）〜（６）のアンモニア合成触媒に関する。
（１）触媒成分と助触媒成分を担体に担持してなるアンモニア合成触媒であって、前記触媒成分がルテニウムであり、前記助触媒成分がアルカリ金属またはアルカリ土類金属であり、前記担体が、比表面積が８００ｍ2／ｇ以上であり、長さが１００μｍ以上であり、平均直径が３ｎｍ〜５ｎｍであり、かつ炭素純度が９９％以上である未開孔の単層カーボンナノチューブであることを特徴とする、アンモニア合成触媒。
（２）前記ルテニウムの担持量が前記担体の質量に対する質量％で１％〜１５％である、上記（１）に記載のアンモニア合成触媒。
（３）前記アルカリ金属の担持量が前記ルテニウムに対するモル比で１.５〜１５である、上記（１）または（２）に記載のアンモニア合成触媒。
（４）前記アルカリ金属が、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種類以上である、上記（１）ないし（３）のいずれかに記載のアンモニア合成触媒。
（５）前記アルカリ土類金属の担持量が前記ルテニウムに対するモル比で０.５〜１０ある、上記（１）または（２）に記載のアンモニア合成触媒。
（６）前記アルカリ土類金属が、カルシウム、ストロンチウム、バリウムからなる群から選ばれる少なくとも一種類以上である、上記（１）ないし（５）のいずれかに記載のアンモニア合成触媒。
【発明の効果】
【００１２】
従来技術の触媒では、触媒担持前に水素あるいは窒素などの雰囲気下で高温熱処理する必要があったが、本発明では担体を高温熱処理することなく高活性な触媒を得られる点で、工業的大量生産に適している。また、活性炭を担体とする触媒に比べて、メタン生成量が少なく耐熱性に優れるという利点もある。
本発明においては、担体の比表面積が大きいため、担持するルテニウム触媒とアルカリ金属またはアルカリ土類金属助触媒の活性を最大限に発揮でき、低温でのアンモニア合成活性が向上し、工業的に利用可能なアンモニア合成用のルテニウム触媒を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を説明するに当たり、具体例を挙げて説明するが、本発明の趣旨を逸脱しない限り以下の内容に限定されるものではなく、適宜変更して実施することができる。
なお、本明細書において数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。
【００１４】
本発明のアンモニア合成触媒の担体は、単層カーボンナノチューブであって、触媒成分がルテニウムであり、助触媒成分がアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。
本発明の単層カーボンナノチューブは、比表面積が８００ｍ2／ｇ未満であると、ルテニウム触媒や助触媒の分散が阻害され、高い触媒活性が得られないため、本発明に用いる担体の比表面積は、８００ｍ2／ｇ以上であることが好ましく、１０００ｍ2／ｇ以上であることがより好ましい。
【００１５】
本発明の単層カーボンナノチューブは、長さが１００μｍ未満であると、担体中の電子移動が阻害されるため、担体からルテニウム触媒へ供与される電子数が減少し活性が低下するので、この担体の長さは１００μｍ以上であることが好ましい。
【００１６】
本発明の単層カーボンナノチューブは、平均直径が３ｎｍ〜５ｎｍであることが好ましい。平均直径が３ｎｍ未満であると、担体の比表面積が小さくなるため、ルテニウム触媒や助触媒の分散が阻害され、高い触媒活性が得られない。また、平均直径が５ｎｍを超えると、構造が不安定であり、触媒寿命が短くなる。
また、炭素純度が９９％未満であると、担体となる単層カーボンナノチューブ量が減少して高い触媒活性が得られないため、担体の炭素純度は９９％以上であることが好ましい。また、単層カーボンナノチューブが開孔されていると、チューブ内部にルテニウム触媒や助触媒が分散し、窒素・水素の拡散が阻害され、活性が低下するため、本発明の担体は未開孔であることが好ましい。
【００１７】
本発明に用いるルテニウム触媒の担持量の範囲は、高い触媒活性が得られれば特に限定されるものではないが、担体の質量に対する質量％で１％未満では触媒担持量が不足し、十分な触媒活性が得られない。また、１５％を超えるとルテニウム触媒の凝集により触媒活性の低下を招くので、１％〜１５％であることが好ましく、２.５％〜１０％であることがより好ましい。
【００１８】
また、ルテニウム触媒を担持させる方法には、含浸法、メカノケミカル法、真空蒸着法など従来公知の方法を採用することができ、ルテニウム触媒の原料には、塩化ルテニウム、硝酸ルテニウム、ニトシロル硝酸ルテニウム、ルテニウム酸カリウム、ルテニウムアセチルアセトナート錯体、ルテニウムカルボニル錯体など従来公知の原料を採用し得る。
【００１９】
本発明に用いる助触媒の担持量の範囲は、高い触媒活性が得られれば特に限定されるものではないが、助触媒がアルカリ金属の場合は、ルテニウムに対するモル比で1.５未満では触媒担持量が不足し、十分な触媒活性が得られない。また、１５を超えるとルテニウム触媒の活性点の閉塞や助触媒の凝集による触媒活性の低下を招くので、１.５〜１５であることが好ましく、２.５〜１０であることがより好ましい。
また、助触媒に用いるアルカリ金属は、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種類以上であればよく、その中でも、セシウムが助触媒としての効果が顕著であり好ましい。
【００２０】
一方、助触媒がアルカリ土類金属の場合は、ルテニウムに対するモル比で０.５未満では触媒担持量が不足し、十分な触媒活性が得られず、１０を超えると担体の細孔の閉塞や助触媒の凝集による触媒活性の低下を招くので、０.５〜１０であることが好ましく、１〜５であることがより好ましい。
また、助触媒に用いるアルカリ土類金属は、カルシウム、ストロンチウム、バリウムからなる群から選ばれる少なくとも一種類以上であればよく、その中でも、バリウムが助触媒としての効果が顕著であり好ましい。
このような助触媒の担持方法には、含浸法、加熱溶融法、真空蒸着法、金属水素化物吸着分解法など従来公知の方法を用いることができる。
【実施例】
【００２１】
次に、本発明を実施例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限定されるものではない。
【００２２】
(実施例１)
触媒担体として未開孔の単層カーボンナノチューブ(日本ゼオン（株）、ＳＧ１０１、比表面積１２５０ｍ2／ｇ、直径３〜５ｎｍ、長さ１００〜６００μｍ、炭素純度９９％以上、以下、ＳＷＣＮＴ（ＳＧ）と表記する。)を使用した。ニトロシル硝酸ルテニウム(III)溶液(和光純薬工業（株）)を所定の濃度に希釈し、ルテニウム溶液を調製した。これとは別に、所定量の炭酸セシウム(和光純薬工業（株）)を水に溶解し、セシウム溶液を調製した。ＳＷＣＮＴ（ＳＧ）を１ｇ採取し、ルテニウム溶液１００ｍＬに添加後、３０分間撹拌しながら含浸した。続いて、エバポレーターを用いて溶媒を除去し、１１０℃で１時間乾燥した。その後、不活性雰囲気中４００℃で１時間熱処理し、ルテニウム担持単層カーボンナノチューブであるＲｕ／ＳＷＣＮＴ（ＳＧ）を得た。次に、Ｒｕ／ＳＷＣＮＴ（ＳＧ）を１ｇ採取し、セシウム溶液１００ｍＬに添加後、３０分間撹拌しながら含浸した。続いて、エバポレーターを用いて溶媒を除去し、１１０℃で１時間乾燥した。その後、触媒を水素気流中４５０℃で１０時間熱処理し、ルテニウム、セシウム担持単層カーボンナノチューブ触媒である１０Ｒｕ-２.５Ｃｓ／ＳＷＣＮＴ（ＳＧ）を調製した。Ｒｕ担持量は１０ｗｔ％、Ｃｓ／Ｒｕ比は２.５であった。
【００２３】
(比較例１)
触媒担体として、単層カーボンナノチューブ（名城ナノカーボン（株）、ＥＣ１.５−Ｐ、比表面積７８０ｍ2／ｇ、直径１〜２ｎｍ、長さ５〜１０μｍ程度、炭素純度９９％以上、以下、ＳＷＣＮＴ（ｅＤＩＰＳ）と表記する。）を使用した以外は、実施例１と同様の操作を行い、１０Ｒｕ-２.５Ｃｓ／ＳＷＣＮＴ（ｅＤＩＰＳ）を調製した。Ｒｕ担持量は１０ｗｔ％、Ｃｓ／Ｒｕ比は２.５であった。
【００２４】
(比較例２)
触媒担体として、多層カーボンナノチューブ（ＣＮａｎｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｔｄ.、ＦｌｏＴｕｂｅ９１１０、比表面積１９０ｍ2／ｇ、直径１０〜１５ｎｍ、長さ１０μｍ未満、炭素純度９９.8％以上、以下、ＭＷＣＮＴと表記する。）を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、１０Ｒｕ-２.５Ｃｓ／ＭＷＣＮＴを調製した。Ｒｕ担持量は１０ｗｔ％、Ｃｓ／Ｒｕ比は２.５であった。
【００２５】
(比較例３)
カーボンナノチューブに替えて、活性炭(大阪ガスケミカル（株）、ＨＧ１５−１１９)を水素気流中５００℃で３時間処理したものである活性炭（以下、ＡＣと表記する。）を用いた。ＡＣの比表面積は１２６０ｍ2／ｇ、平均細孔直径は０.９ｎｍであった。それ以外は、実施例１と同様の操作を行い、１０Ｒｕ-２.５Ｃｓ／ＡＣを調製した。Ｒｕ担持量は１０ｗｔ％、Ｃｓ／Ｒｕ比は２.５であった。
【００２６】
以下の方法により、本発明の実施例１の触媒及びそれに用いた担体、並びに比較例1〜３の触媒及びそれに用いた担体の特性測定を行った。
【００２７】
(方法１)触媒活性の測定方法
内径１０ｍｍの石英製反応管に触媒０.２ｇを設置し、Ｈ２とＮ２の混合ガスの流量をＳＶ＝９０００ｈ-1に設定し、触媒活性測定温度まで昇温する。混合ガスを流した状態でアンモニア合成反応を行い、反応管出口のガスを採取し、ガスクロマトグラフでアンモニア濃度を定量分析する。反応ガスのＨ２／Ｎ２比は３、圧力は０.９９ＭＰａとし、３２０℃、３６０℃で触媒活性を測定した。触媒活性は、触媒の単位質量当たり、反応の単位時間当たりに生成したアンモニアの物質量（ｍｍｏｌ・ｇ-1ｈ-1）で表す。
(方法２)担体の比表面積の測定方法
担体の比表面積は、吸着ガスにＮ２を用いてＢＥＴ法により算出した。
【００２８】
実施例１の触媒と比較例１〜３の触媒のアンモニア合成の触媒活性（ｍｍｏｌ・ｇ-1ｈ-1）を測定した結果を、表１に示す。
【表１】
2020157243.tif 000002
【００２９】
実施例１の触媒と比較例１〜３の担体の測定した比表面積、およびチューブの長さ、直径、純度を表２に示す。
【表２】
2020157243.tif 000003
【００３０】
実施例１の３６０℃での活性は比較例１〜３と比較して１.６倍〜８.４倍の高い値を示しており、本発明の触媒は従来技術の触媒に比較して触媒活性が大きく向上している。さらに、実施例１の３２０℃における活性は、比較例１〜３と比較して２.９倍〜３２倍の高い値を示しており、本発明の触媒は従来技術の触媒に比較して、より低温で高い触媒活性が得られ、アンモニア合成におけるエネルギー消費量を低減できるという効果も有する。
【００３１】
実施例１で使用したＳＷＣＮＴ（ＳＧ）の比表面積は、他のカーボンナノチューブと比べ１２５０ｍ2／ｇと非常に大きいため、触媒金属および助触媒金属のＳＷＣＮＴ表面への高分散、それに伴う活性サイト数の増加により高い活性が発現したと考えられる。
このように、高純度で長尺のＳＷＣＮＴを担体として用いることで、ＳＷＣＮＴ表面の非局在化した電子数の増加および高い導電性により、担体からルテニウム触媒へ供与される電子数の増加および電子移動の促進により高い活性が発現したと考えられる。
(実施例１)の実施形態において、炭酸セシウムに替えて硝酸バリウム(和光純薬工業（株）)を用いて、Ｒｕ担持量が１０ｗｔ％、Ｂａ／Ｒｕ比が１.８である、１０Ｒｕ-１.８Ｂａ／ＳＷＣＮＴ（ＳＧ）を調製したところ、(実施例１)と同様の効果が確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
アンモニアは、各種化合物の合成反応において原料化合物の１つとして用いられる等、化学工業において広く使用されている化合物であり、本願発明は、これらの化学工業の分野で広く利用し得るものであり、アンモニア合成におけるエネルギー消費量も低減できる。