(57)【要約】【課題】本発明の目的は、触媒の性能を低下させる高分子保護材を用いず、触媒の効果を十分に発揮できる担持触媒を提供することである。【解決手段】本発明に係る担持触媒は、ナノ粒子としてＲｕ粒子が担持体に担持された担持触媒において、前記担持体は、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンナノホーンの中から選ばれる１種以上であり、前記担持触媒の外表面に高分子保護材が存在せず、前記Ｒｕ粒子は、Ｒｕの単一組成を有し、かつ、前記担持体の表面での析出粒子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ粒子としてＲｕ粒子が担持体に担持された担持触媒において、
前記担持体は、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンナノホーンの中から選ばれる１種以上であり、
前記担持触媒の外表面に高分子保護材が存在せず、
前記Ｒｕ粒子は、Ｒｕの単一組成を有し、かつ、前記担持体の表面での析出粒子であることを特徴とする担持触媒。
【請求項２】
前記高分子保護材を含有しないことを特徴とする請求項１に記載の担持触媒。
【請求項３】
前記ナノ粒子と前記担持体との間に前記高分子保護材が介在しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の担持触媒。
【請求項４】
前記Ｒｕ粒子は、ｆｃｃ構造を有していることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の担持触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子保護材フリーの担持触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、化学反応触媒又は燃料電池などでは、カーボン系の担体にナノ粒子を担持した不均一系触媒が用いられている。また、ボイラー又は排ガスの浄化などでは、セラミックス系の担体にナノ粒子を担持した不均一系触媒が用いられている。不均一系触媒に用いるナノ粒子として（ｆｃｃ）Ｒｕナノ粒子が開示されている（例えば、特許文献１、又は非特許文献１を参照。）。非特許文献１では、（ｆｃｃ）Ｒｕナノ粒子を担体に担持して不均一系触媒として使用する場合、ポリビニルピロリドンなどの高分子保護材を用いてナノ粒子を合成・精製した後に、得られたナノ粒子を担体に担持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／０３８６７４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１３，１３５（１５），ｐｐ５４９３−５４９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ナノ粒子の合成時に用いた高分子保護材が触媒中に残っていると、触媒の効果が十分に発揮されない場合がある。高分子保護材の除去を目的としてナノ粒子の精製を繰り返すと、精製回数が増加するにつれて得られるナノ粒子の収量が少なくなるという問題である。
【０００６】
本発明の目的は、触媒の性能を低下させる高分子保護材を用いず、触媒の効果を十分に発揮できる担持触媒を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る担持触媒は、ナノ粒子としてＲｕ粒子が担持体に担持された担持触媒において、前記担持体は、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンナノホーンの中から選ばれる１種以上であり、前記担持触媒の外表面に高分子保護材が存在せず、前記Ｒｕ粒子は、Ｒｕの単一組成を有し、かつ、前記担持体の表面での析出粒子であることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る担持触媒は、前記高分子保護材を含有しないことが好ましい。触媒活性をより高めることができる。
【０００９】
本発明に係る担持触媒では、前記ナノ粒子と前記担持体との間に前記高分子保護材が介在しないことが好ましい。触媒活性をより高めることができる。
【００１０】
本発明に係る担持触媒では、前記Ｒｕ粒子は、ｆｃｃ構造を有していることが好ましい。ｈｃｐ構造を有するＲｕ粒子を担持させた触媒と比較し、異なる触媒活性を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、触媒の性能を低下させる高分子保護材を用いず、触媒の効果を十分に発揮できる担持触媒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１ＡのＴＥＭ像である。
【図２】実施例２ＡのＴＥＭ像である。
【図３】実施例１ＡのＸＲＤパターンである。
【図４】実施例２ＡのＸＲＤパターンである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に本発明について実施形態を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。本発明の効果を奏する限り、実施形態は種々の変形をしてもよい。
【００１４】
本実施形態に係る担持触媒は、ナノ粒子としてＲｕ粒子が担持体に担持された担持触媒において、担持触媒の外表面に高分子保護材が存在しない。高分子保護材が担持触媒の外表面に存在しないことで、触媒の作用を十分の発揮させることができる。高分子保護材は、例えば、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）である。本実施形態に係る担持触媒では、高分子保護材がナノ粒子の外表面に付着していないことが好ましく、高分子保護材がナノ粒子の外表面及び担持体の外表面に付着していないことがより好ましい。
【００１５】
本実施形態に係る担持触媒では、ナノ粒子と担持体との間に高分子保護材が介在しないことが好ましい。
【００１６】
本実施形態に係る担持触媒は、高分子保護材を含有しないことが好ましい。担持触媒が高分子保護材を含有するか否かは、例えば、Ｘ線回折パターン（ＸＲＤパターン）によって確認できる。例えば高分子保護材がＰＶＰであるとき、室温でλ＝ＣｕＫαの測定条件で測定したＸＲＤパターンにおいて、１０°付近にＰＶＰ由来のパターンが確認されないことで、担持触媒が高分子保護材を含有しないことを確認することができる。
【００１７】
本実施形態に係る担持触媒は、従来の担持触媒の製造方法のように予め合成したナノ粒子を担持体に担持させる方法ではなく、ナノ粒子の合成とナノ粒子の担持体への担持とを同時に行う方法で製造することが好ましい。ナノ粒子の合成とナノ粒子の担持体への担持とを同時に行うことで、従来の製造方法と比較して製造工程を少なくすることができる。本明細書において、ナノ粒子とは、平均粒子径が１００ｎｍ以下の微細粒子をいう。ナノ粒子の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって得られた粒子像から少なくとも１００個以上の粒子の粒子径を計測し、その平均を求めることによって算出した値である。ＴＥＭの観察倍率は、例えば、１２００００倍又は１５００００倍であることが好ましい。ナノ粒子の平均粒子径の下限は、特に限定されないが、１ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１８】
本実施形態に係る担持触媒の製造方法は、Ｒｕ粒子の合成原料となるＲｕ化合物と、担持体と、炭素数が２以上の還元性をもつ有機溶媒と、を含有し、かつ、高分子保護材を含有しない混合物を加熱して、Ｒｕ粒子を合成するとともに、Ｒｕ粒子を担持体に担持させる工程１を有することが好ましい。
【００１９】
次に、工程１で用いる各物質について説明する。
【００２０】
（ナノ粒子の合成原料）
Ｒｕ粒子の合成原料となるＲｕ化合物はＲｕ有機化合物であることが好ましい。担持触媒をより効率的に得ることができる。Ｒｕ有機化合物は、ジケトナート又はアセテートを含有する化合物であることが好ましい。ジケトナートを含有するＲｕ有機化合物は、例えば、トリス（アセチルアセナト）ルテニウム（ＩＩＩ）（以降、Ｒｕ（ａｃａｃ）３という。）である。アセテートを含有するＲｕ有機化合物は、例えば、酢酸ルテニウム（以降、酢酸Ｒｕという。）である。このうち、Ｒｕ化合物はＲｕ（ａｃａｃ）３又は酢酸Ｒｕであることが好ましい。
【００２１】
（担持体）
担持体は、カーボン若しくはセラミックスのいずれか一方又は両方である形態を包含する。セラミックスは、例えば、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、カルシア、マグネシア、チタニア、セリア、ジルコニア、セリアジルコニア、ランタナ、ランタナアルミナ、酸化スズ、酸化タングステン、アルミノシリケート、アルミノホスフェート、ボロシリケート、リンタングステン酸、ヒドロキシアパタイト、ハイドロタルサイト、ペロブスカイト、コージェライト、ムライト又はシリコンカーバイドである。カーボンは、例えば、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ又はカーボンナノホーンである。本実施形態では、これらの担持体の中から１種だけを使用するか、又は２種以上を併用してもよい。２種以上を併用する場合は、セラミックスから２種以上を組合せて用いるか、カーボンから２種以上を組合せて用いるか、又はセラミックスから１種以上及びカーボンから１種以上を組合せて用いてもよい。より好ましくは、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、ジルコニア、活性炭及びカーボンブラックの中から選ばれる１種以上を用いる。
【００２２】
（有機溶媒）
有機溶媒は、炭素数が２以上であり、還元性をもつ。有機溶媒の炭素数は、４以上であることがより好ましい。有機溶媒の炭素数の上限は、特に限定されないが、常温において液体であることがより好ましい。
【００２３】
有機溶媒の沸点は１００℃以上であることが好ましい。取り扱い性に優れる。また、担持触媒をより安全に得ることができる。有機溶媒の沸点は、１６０℃以上であることがより好ましい。有機溶媒の沸点の上限は、特に限定されないが、担持触媒から溶媒をより容易に除去できる点で、３００℃以下であることが好ましく、２９０℃以下であることがより好ましい。
【００２４】
有機溶媒は、多価アルコール、ブタノール、イソブタノール、エトキシエタノール、ジメチルホルムアミド、キシレン、Ｎ−メチルピロリジノン、ジクロロベンゼン、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチルラクテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、リエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル及びポリエチレングリコールモノメチルエーテルの中から選ばれる１種以上であることが好ましい。担持触媒をより安全、かつ、より効率的に得ることができる。このうち、多価アルコールがより好ましい。
【００２５】
多価アルコールは、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール及びブチレングリコールの中から選ばれる１種以上であることが好ましい。このうち、トリエチレングリコールがより好ましい。担持触媒をより安全、かつ、より効率的に得ることができる。
【００２６】
次に、工程１について説明する。
【００２７】
工程１では、まず、Ｒｕ化合物と、担持体と、有機溶媒と、を含有する混合物を作製する。混合物中のＲｕ化合物の濃度は、１２５ｍＭ（ｍｍｏｌ／ｌ）以下であることが好ましく、１００ｍＭ以下であることがより好ましい。また、Ｒｕ化合物と担持体との割合は、担持触媒中のＲｕ粒子の担持量が所定の範囲となるように調整する。担持触媒中のＲｕ粒子の担持量は、０．００１〜６０質量％であることが好ましい。ここで、担持量は、乾燥状態の担持触媒の質量に対するナノ粒子の質量の割合であり、例えば高周波誘導結合プラズマ発光分光分析、原子吸光分光光度分析で測定することができる。
【００２８】
混合物の作製にあたり、Ｒｕ化合物及び担持体を有機溶媒中に懸濁させた後、例えば超音波などの分散機を用いて分散させることが好ましい。本発明は、各物質の添加順は特に限定されない。
【００２９】
次いで、混合物を加熱する。加熱方法は、特に限定されず、例えば、オイルバス、マントルヒーター、ブロックヒーター若しくは熱媒循環式ジャケットなどの外部加熱方式、又はマイクロ波照射方式である。加熱温度は、１００〜３００℃であることが好ましく、１８０〜２３０℃であることがより好ましい。目的とする加熱温度に到達させるまでの昇温速度は、４℃／分以上であることが好ましく、６℃／分以上であることがより好ましい。昇温速度を所定の範囲とすることで、ｆｃｃ構造を有するＲｕ粒子を形成することができる。また、目的とする加熱温度で保持する時間は、使用する化合物の種類、混合物の液量又は加熱温度などに依存するが、例えば、１０〜３００分であることが好ましく、１２０〜２４０分であることがより好ましい。
【００３０】
工程１では、Ｒｕ化合物が有機溶媒によって還元され、担持体の表面でＲｕ粒子の核生成及び粒成長が起こる。そして、Ｒｕ粒子が担持体に担持された担持触媒が得られる。このＲｕ粒子はｆｃｃ構造を有している。Ｒｕ粒子がｆｃｃ構造を有することで、ｈｃｐ構造を有するＲｕ粒子を担持させた触媒と比較し、異なる触媒活性を得ることができる。Ｒｕ粒子の結晶構造は、例えば、Ｘ線回折パターン（ＸＲＤパターン）によって確認できる。Ｒｕ粒子の平均粒子径は、３０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましい。Ｒｕ粒子の平均粒子径の下限は、特に限定されないが、１ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
工程１の後、担持触媒を溶媒から分離精製することが好ましい。担持触媒を分離精製する方法は、特に限定されないが、例えば、温度が下がった混合物をろ過し、洗浄・乾燥する方法である。
【実施例】
【００３２】
以降、実施例を示しながら本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は実施例に限定して解釈されない。
【００３３】
（実施例１Ａ）
フラスコにトリエチレングリコール（以下、ＴＥＧ）を１２５ｍＬ投入した。トリス（アセチルアセトナト）ルテニウム（ＩＩＩ）（以下、Ｒｕ（ａｃａｃ）３）を１．９９１８ｇ（５ｍｍｏｌ）と活性炭（ＦＡＭ−５０、日本エンバイロケミカルズ社製）を４．５０３１ｇとを秤とり前記ＴＥＧ中に添加し、超音波で３０ｍｉｎ分散して混合液を作製した。混合液に高分子保護材は添加しなかった。この混合液を６℃／分の昇温速度で２００℃まで加熱し、２００℃で３ｈｒ加熱撹拌し、その後冷却した。冷却した混合液を減圧ろ過し、固体成分（濾物）をエタノールで十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、担持触媒を得た。
【００３４】
（実施例２Ａ）
フラスコにＴＥＧを４０ｍＬ投入した。Ｒｕ（ａｃａｃ）３を１．９９２０ｇ（５ｍｍｏｌ）と活性炭（ＦＡＭ−５０）を４．５０２２ｇとを秤とり前記ＴＥＧ中に添加し、超音波で３０ｍｉｎ分散して混合液を作製した。混合液に高分子保護材は添加しなかった。この混合液を６℃／分の昇温速度で２００℃まで加熱し、２００℃で３ｈｒ加熱撹拌し、その後冷却した。冷却した混合液を減圧ろ過し、固体成分（濾物）をエタノールで十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、担持触媒を得た。
【００３５】
（実施例３Ａ）
フラスコにＴＥＧを１８５ｍＬ投入した。Ｒｕ（ａｃａｃ）３を５．９０５６ｇ（１４．８ｍｍｏｌ）とケッチェンブラック（ＥＣ３００Ｊ、ライオン社製）とを４．５０２２ｇ秤とり前記ＴＥＧ中に添加し、超音波で３０ｍｉｎの間分散して混合液を作製した。混合液に高分子保護材は添加しなかった。この混合液を６℃／分の昇温速度で２００℃まで加熱し、２００℃で３ｈｒ加熱撹拌し、その後冷却した。冷却した混合液を減圧ろ過し、固体成分（濾物）をエタノールで十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、担持触媒を得た。
【００３６】
（実施例４Ａ）
フラスコにＴＥＧを１２５ｍＬ投入した。Ｒｕ（ａｃａｃ）３を０．９８６９ｇ（２．５ｍｍｏｌ）と活性炭（ＦＡＭ−５０）を４．７４９６ｇとを秤とり前記ＴＥＧ中に添加し、超音波で３０ｍｉｎの間分散して混合液を作製した。混合液に高分子保護材は添加しなかった。この混合液を６℃／分の昇温速度で２００℃まで加熱し、２００℃で３ｈｒ加熱撹拌し、その後冷却した。遠心分離を用いて冷却後の混合液から固体成分を沈降させ上澄みを除去し、固体成分をエタノールで十分に洗浄した後減圧乾燥を実施し、担持触媒を得た。
【００３７】
（Ｒｕ粒子の平均粒子径）
実施例１Ａ及び実施例２Ａの担持触媒をＴＥＭでそれぞれ倍率１５００００倍、２０００００倍で観察し、得られた粒子像から１００個の粒子の粒子径を計測し、その平均を求め、Ｒｕ粒子の平均粒子径とした。図１に実施例１ＡのＴＥＭ像を、図２に実施例２ＡのＴＥＭ像を示す。実施例１Ａの平均粒子径は３．３４ｎｍ、実施例２Ａの平均粒子径は３．１４ｎｍであった。また、図１及び図２から、凝集した粒子の存在は確認されなかった。
【００３８】
（結晶状態）
実施例１Ａ及び実施例２Ａの担持触媒について、ＸＲＤ測定を行った。ＸＲＤ測定条件は、室温でλ＝ＣｕＫαである。図３に実施例１ＡのＸＲＤパターンを、図４に実施例２ＡのＸＲＤパターンを示す。図３において、Ｒｕのパターンは（ｆｃｃ）Ｒｕのパターンを示しており、Ｒｕ粒子がｆｃｃ構造を有することが確認できた。図４において、Ｒｕのパターンは（ｆｃｃ）Ｒｕのパターン及び（ｈｃｐ）Ｒｕのパターンを含むことが示されていた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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