(57)【要約】機能低下を抑制して長寿命化を実現することができ、煩雑な交換作業を要せず、省資源化を図ることができる機能性構造体を提供する。機能性構造体１は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体と、前記骨格体に内在する少なくとも１つの固体酸と、を備え、前記骨格体が、互いに連通する通路を有し、前記固体酸が、前記骨格体の少なくとも前記通路に存在している。
2018221693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体と、
前記骨格体に内在する少なくとも１つの固体酸と、
を備え、
前記骨格体が、互いに連通する通路を有し、
前記固体酸が、前記骨格体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする機能性構造体。
【請求項２】
前記通路は、拡径部を有し、かつ、
前記固体酸は、少なくとも前記拡径部に包接されていることを特徴とする、請求項１に記載の機能性構造体。
【請求項３】
前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、請求項２に記載の機能性構造体。
【請求項４】
前記固体酸は、触媒機能を有する微粒子であり、
前記骨格体は、前記固体酸を担持する担体であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の機能性構造体。
【請求項５】
前記微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、かつ、前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、請求項４に記載の機能性構造体。
【請求項６】
前記微粒子の平均粒径が、０．１ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とする、請求項４又は５に記載の機能性構造体。
【請求項７】
前記微粒子の平均粒径が、０．４５ｎｍ〜１４．０ｎｍであることを特徴とする、請求項６に記載の機能性構造体。
【請求項８】
前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、０．０６〜５００であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の機能性構造体。
【請求項９】
前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、０．１〜３６であることを特徴とする、請求項８に記載の機能性構造体。
【請求項１０】
前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、１．７〜４．５であることを特徴とする、請求項９に記載の機能性構造体。
【請求項１１】
前記固体酸が金属元素（Ｍ）を含有し、金属元素（Ｍ）が、前記機能性構造体に対して０．５〜２．５質量％で含有されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の機能性構造体。
【請求項１２】
前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部を有し、
前記通路の平均内径は、０．１ｎｍ〜１．５ｎｍであり、
前記拡径部の内径は、０．５ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の機能性構造体。
【請求項１３】
前記骨格体の外表面に保持された少なくとも１つの機能性物質を更に備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の機能性構造体。
【請求項１４】
前記骨格体に内在する前記少なくとも１つの固体酸の含有量が、前記骨格体の外表面に保持された前記少なくとも１つの機能性物質の含有量よりも多いことを特徴とする、請求項１３に記載の機能性構造体。
【請求項１５】
前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の機能性構造体。
【請求項１６】
ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料（Ａ）に固体酸の金属含有溶液が含浸された前駆体材料（Ｂ）を焼成する焼成工程と、
前記前駆体材料（Ｂ）を焼成して得られた前駆体材料（Ｃ）を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とする機能性構造体の製造方法。
【請求項１７】
前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料（Ａ）に対して５０〜５００質量％添加することを特徴とする、請求項１６に記載の機能性構造体の製造方法。
【請求項１８】
前記焼成工程の前に、前記前駆体材料（Ａ）に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料（Ａ）に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の機能性構造体の製造方法。
【請求項１９】
前記焼成工程の前に前記前駆体材料（Ａ）に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料（Ａ）に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料（Ａ）に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素（Ｍ）に対する、前記前駆体材料（Ａ）を構成するケイ素（Ｓｉ）の比（原子数比Ｓｉ／Ｍ）に換算して、１０〜１０００となるように調整することを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の機能性構造体の製造方法。
【請求項２０】
前記水熱処理工程において、前記前駆体材料（Ｃ）と構造規定剤とを混合することを特徴とする、請求項１６に記載の機能性構造体の製造方法。
【請求項２１】
前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、請求項１６に記載の機能性構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質構造の骨格体と固体酸とを備える機能性構造体及び機能性構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油コンビナートの製油所では、原油から、ナフサと呼ばれる石油化学原料、及び、重油、軽油、灯油、ガソリン、ＬＰガス等の各種燃料が製造されている。原油は、上記の石油化学原料及び各種燃料の他、様々な不純物が混ざり合った混合物であるため、原油に含まれる各成分を蒸留し、分離する工程が必要となる。【０００３】
そこで石油精製プロセスでは、各成分の沸点差を利用し、常圧蒸留装置における塔内の棚段で原油を加熱して成分毎に分離し、分離後の各成分を濃縮している。これにより、ＬＰガス、ナフサ等の低沸点物質が常圧蒸留装置の上部棚段で取り出されると共に、重油等の高沸点物質が常圧蒸留装置の底部から取り出される。そして、濃縮された各成分に脱硫等の二次処理を施すことにより、各種燃料製品が製造される。【０００４】
一般に、石油改質用触媒は、上記石油精製プロセスにおいて低沸点のナフサ等を効率良く改質してオクタン価の高いガソリン等を製造するために使用されている。原油中のナフサ留分はそのままではオクタン価が低く、車両を走らせるガソリンとしては不適合である。そのため、ナフサ留分中のオクタン価の低いパラフィン分及びナフテン分を、石油改質用触媒を用いてオクタン価の高い芳香族分に改質することにより、車両の燃料に適した性状の改質ガソリンを製造している。【０００５】
また、原油の重質化に伴い、重質油を直接脱硫装置、間接脱硫装置等の水素化脱硫装置にて水素化脱硫処理することにより得られる脱硫重油、脱硫重質軽油等を更に分解して、脱硫ナフサ、脱硫灯油、脱硫軽油等を増産する水素化分解処理が行われている。例えば、常圧蒸留残渣油を水素化分解処理することにより、脱硫灯軽油留分及び脱硫ナフサ留分の得率を増大させて脱硫重油を低減し、かつ、その脱硫重油から接触分解装置にてＬＰＧ留分、ＦＣＣガソリン留分及びＬＣＯ留分を生産することによって残渣油を低減し、軽質油留分を増大させる。水素化分解処理に使用される触媒として、代表的なゼオライトである結晶性アルミノシリケート担体からなる触媒、ゼオライトと多孔性無機酸化物とを特定の割合で含む水素化分解触媒が提案されている。【０００６】
例えば、特許文献１には、水素化分解触媒として、Ｙ型ゼオライトからなる担体の表面に、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びこれらの混合物から選択される材料からなる金属が沈着されてなる触媒が開示されている。【０００７】
また、特許文献２には、ディーゼルエンジンを搭載した車両の排気ガス用触媒構造体として、基材セラミック表面にセラミック担体を配置し、該セラミック担体に主触媒成分及び助触媒成分の双方を担持してなるセラミック触媒体が開示されている。このセラミック触媒体では、γ−アルミナからなるセラミック担体の表面に、結晶格子中の格子欠陥等からなる多数の細孔が形成されており、Ｃｅ−Ｚｒ、Ｐｔ等からなる主触媒成分がセラミック担体の表面近傍に直接担持された構成を有している。【０００８】
また、近年、ゼオライトは、エチレン、プロピレン等の低級オレフィンを製造するための固体酸触媒として使用されている。例えば、特許文献３には、炭素数４以上のオレフィンと含酸素化合物を接触させてプロピレンを製造する際に用いる触媒として、プロトン型シリカライト及びアンモニウム型シリカライトの少なくとも１つを第一成分として含み、アルカリ土類金属化合物を第二成分として含み、並びにアルミニウムの酸化物及び水酸化物の少なくとも１つを含有する非ゼオライト化合物を第三成分として含む複合体が開示されている。さらに、特許文献４には、炭素数４〜１２のオレフィンを含有する炭化水素原料からエチレン及びプロピレンを製造する際に用いる触媒として、ゼオライト含有成型体触媒が開示されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／００３０９３４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１０９３８３号明細書
【特許文献３】特許第５７００３７６号公報
【特許文献４】特許第４８７９５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１及び２に開示されている触媒構造体では、触媒粒子が担体の表面又は表面近傍に担持されているため、改質処理中に被改質物質等の流体から受ける力や熱等の影響に因って触媒粒子が担体の表面又は表面近傍から移動し、担体内で触媒粒子同士の凝集（シンタリング）が発生し易い。触媒粒子同士の凝集が生じると、触媒としての有効表面積が減少することで触媒活性が低下することから触媒構造体の寿命が通常よりも短くなる。そのため、触媒構造体自体を短期間で交換又は再生しなければならず、交換作業が煩雑であると共に、省資源化を図ることができないという問題がある。また、石油改質用触媒は、通常、常圧蒸留装置の下流側に連結されて石油精製プロセスにおいて連続的に使用されるため、触媒の再活性化技術を適用し難い。仮に触媒の再活性化技術を適用できたとしても作業が非常に煩雑となる。このような機能の経年的な低下の抑制又は防止は、触媒分野のみならず様々な技術分野での課題として挙げられている。【００１１】
また、特許文献３及び４に開示されているように、ゼオライトを固体酸触媒として用いた場合、ゼオライトの触媒機能が経時により失活することが知られている。この原因として、反応中に生成する水蒸気等によって骨格構造中のアルミニウム元素が脱離すること、反応に伴って析出するコークがアルミニウム元素に付着すること等が挙げられる。【００１２】
本発明の目的は、固体酸の機能低下を抑制して長寿命化を実現することができ、煩雑な交換作業を要せず、省資源化を図ることができる機能性構造体及び機能性構造体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体と、前記骨格体に内在する少なくとも１つの固体酸と、を備え、前記骨格体が、互いに連通する通路を有し、前記固体酸が、前記骨格体の少なくとも前記通路に存在していることによって、固体酸の機能低下を抑制し、長寿命化を実現できる機能性構造体が得られることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。【００１４】
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
［１］ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体と、前記骨格体に内在する少なくとも１つの固体酸と、を備え、前記骨格体が、互いに連通する通路を有し、前記固体酸が、前記骨格体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする機能性構造体。
［２］前記通路は、拡径部を有し、かつ、前記固体酸は、少なくとも前記拡径部に包接されていることを特徴とする、［１］に記載の機能性構造体。
［３］前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、［２］に記載の機能性構造体。
［４］前記固体酸は、触媒機能を有する微粒子であり、前記骨格体は、前記固体酸を担持する担体であることを特徴とする、［１］から［３］のいずれか１つに記載の機能性構造体。
［５］前記微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、かつ、前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、［４］に記載の機能性構造体。
［６］前記微粒子の平均粒径が、０．１ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とする、［４］又は［５］に記載の機能性構造体。
［７］前記微粒子の平均粒径が、０．４５ｎｍ〜１４．０ｎｍであることを特徴とする、［６］に記載の機能性構造体。
［８］前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、０．０６〜５００であることを特徴とする、［１］〜［７］のいずれか１つに記載の機能性構造体。
［９］前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、０．１〜３６であることを特徴とする、［８］に記載の機能性構造体。
［１０］前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、１．７〜４．５であることを特徴とする、［９］に記載の機能性構造体。
［１１］前記固体酸が金属元素（Ｍ）を含有し、金属元素（Ｍ）が、前記機能性構造体に対して０．５〜２．５質量％で含有されていることを特徴とする、請求項［１］から［１０］のいずれか１つに記載の機能性構造体。
［１２］前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部を有し、前記通路の平均内径は、０．１ｎｍ〜１．５ｎｍであり、前記拡径部の内径は、０．５ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とする、［１］〜［１１］のいずれか１つに記載の機能性構造体。
［１３］前記骨格体の外表面に保持された少なくとも１つの機能性物質を更に備えることを特徴とする、［１］から［１２］のいずれか１つに記載の機能性構造体。
［１４］前記骨格体に内在する前記少なくとも１つの固体酸の含有量が、前記骨格体の外表面に保持された前記少なくとも１つの機能性物質の含有量よりも多いことを特徴とする、［１３］に記載の機能性構造体。
［１５］前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、［１］〜［１４］のいずれか１つに記載の機能性構造体。
［１６］ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料（Ａ）に固体酸の金属含有溶液が含浸された前駆体材料（Ｂ）を焼成する焼成工程と、前記前駆体材料（Ｂ）を焼成して得られた前駆体材料（Ｃ）を水熱処理する水熱処理工程と、を有することを特徴とする機能性構造体の製造方法。
［１７］前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料（Ａ）に対して５０〜５００質量％添加することを特徴とする、［１６］に記載の機能性構造体の製造方法。
［１８］前記焼成工程の前に、前記前駆体材料（Ａ）に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料（Ａ）に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、［１６］又は［１７］に記載の機能性構造体の製造方法。
［１９］前記焼成工程の前に前記前駆体材料（Ａ）に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料（Ａ）に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料（Ａ）に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素（Ｍ）に対する、前記前駆体材料（Ａ）を構成するケイ素（Ｓｉ）の比（原子数比Ｓｉ／Ｍ）に換算して、１０〜１０００となるように調整することを特徴とする、［１６］〜［１８］のいずれか１つに記載の機能性構造体の製造方法。
［２０］前記水熱処理工程において、前記前駆体材料（Ｃ）と構造規定剤とを混合することを特徴とする、［１６］に記載の機能性構造体の製造方法。
［２１］前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、［１６］に記載の機能性構造体の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、固体酸の機能低下を抑制して長寿命化を実現することができ、煩雑な交換作業を要せず、省資源化を図ることができる機能性構造体及び機能性構造体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る機能性構造体の内部構造が分かるように概略的に示したものであって、図１（ａ）は斜視図（一部を横断面で示す。）、図１（ｂ）は部分拡大断面図である。
【図２】図２は、図１の機能性構造体の機能の一例を説明するための部分拡大断面図であり、図２（ａ）は篩機能、図２（ｂ）は触媒機能を説明する図である。
【図３】図３は、図１の機能性構造体の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、図１の機能性構造体の変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［機能性構造体の構成］
図１は、本発明の実施形態に係る機能性構造体の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は斜視図（一部を横断面で示す。）、（ｂ）は部分拡大断面図である。なお、図１における機能性構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図１のものに限られないものとする。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、機能性構造体１は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体１０と、該骨格体１０に内在する、少なくとも１つの固体酸２０とを備える。
【００１９】
固体酸２０は、単独で、又は骨格体１０と協働することで、一又は複数の機能を発揮する物質である。また、上記機能の具体例としては、触媒機能、発光（又は蛍光）機能、吸光機能、識別機能等が挙げられる。固体酸２０は、例えば触媒機能を有する触媒物質であり、微粒子であることが好ましい。なお、固体酸２０が触媒物質であるとき、骨格体１０は、触媒物質を担持する担体である。機能性構造体１において、複数の固体酸２０，２０，・・・は、骨格体１０の多孔質構造の内部に包接されている。
【００２０】
骨格体１０は、多孔質構造であり、図１（ｂ）に示すように、好適には複数の孔１１ａ，１１ａ，・・・が形成されることにより、互いに連通する通路１１を有する。ここで固体酸２０は、骨格体１０の少なくとも通路１１に存在しており、好ましくは骨格体１０の少なくとも通路１１に保持されている。
【００２１】
このような構成により、骨格体１０内での固体酸２０の移動が規制され、固体酸２０、２０同士の凝集が有効に防止されている。その結果、固体酸２０としての有効表面積の減少を効果的に抑制することができ、固体酸２０の機能は長期にわたって持続する。すなわち、機能性構造体１によれば、固体酸２０の凝集による機能の低下を抑制でき、機能性構造体１としての長寿命化を図ることができる。また、機能性構造体１の長寿命化により、機能性構造体１の交換頻度を低減でき、使用済みの機能性構造体１の廃棄量を大幅に低減することができ、省資源化を図ることができる。
【００２２】
通常、機能性構造体を、流体（例えば、重質油や、ＮＯｘ等の改質ガス等）の中で用いる場合、流体から外力を受ける可能性がある。この場合、固体酸が、骨格体１０の外表面に付着されているのみであると、流体からの外力の影響で骨格体１０の外表面から離脱しやすいという問題がある。これに対し、機能性構造体１では、固体酸２０は骨格体１０の少なくとも通路１１に存在しているため、流体から外力を受けたとしても、骨格体１０から固体酸２０が離脱しにくい。すなわち、機能性構造体１が流体内にある場合、流体は骨格体１０の孔１１ａから、通路１１内に流入するため、通路１１内を流れる流体の速さは、流路抵抗（摩擦力）により、骨格体１０の外表面を流れる流体の速さに比べて、遅くなると考えられる。このような流路抵抗の影響により、通路１１内に存在している固体酸２０が流体から受ける圧力は、骨格体１０の外部において固体酸が流体から受ける圧力に比べて低くなる。そのため、骨格体１１に内在する固体酸２０が離脱することを効果的に抑制でき、固体酸２０の機能を長期的に安定して維持することが可能となる。なお、上記のような流路抵抗は、骨格体１０の通路１１が、曲がりや分岐を複数有し、骨格体１０の内部がより複雑で三次元的な立体構造となっているほど、大きくなると考えられる。
【００２３】
また、通路１１は、ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部１２とを有していることが好ましく、このとき、固体酸２０は、少なくとも拡径部１２に存在していることが好ましく、少なくとも拡径部１２に包接されていることが好ましい。ここでいう一次元孔とは、一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の孔、もしくは複数の一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の複数の孔（複数の一次元チャンネル）を指す。また、二次元孔とは、複数の一次元チャンネルが二次元的に連結された二次元チャンネルを指し、三次元孔とは、複数の一次元チャンネルが三次元的に連結された三次元チャンネルを指す。
これにより、固体酸２０の骨格体１０内での移動がさらに規制され、固体酸２０の離脱や、固体酸２０、２０同士の凝集をさらに有効に防止することができる。包接とは、固体酸２０が骨格体１０に内包されている状態を指す。このとき固体酸２０と骨格体１０とは、必ずしも直接的に互いが接触している必要はなく、固体酸２０と骨格体１０との間に他の物質（例えば、界面活性剤等）が介在した状態で、固体酸２０が骨格体１０に間接的に保持されていてもよい。
【００２４】
図１（ｂ）では固体酸２０が拡径部１２に包接されている場合を示しているが、この構成だけには限定されず、固体酸２０は、その一部が拡径部１２の外側にはみ出した状態で通路１１に保持されていてもよい。また、固体酸２０は、拡径部１２以外の通路１１の部分（例えば通路１１の内壁部分）に部分的に埋設され、又は固着等によって保持されていてもよい。
また、拡径部１２は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔１１ａ，１１ａ同士を連通しているのが好ましい。これにより、骨格体１０の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、機能性物質２０の機能をより発揮させることができる。
【００２５】
また、通路１１は、骨格体１０の内部に、分岐部又は合流部を含んで三次元的に形成されており、拡径部１２は、通路１１の上記分岐部又は合流部に設けられることが好ましい。
【００２６】
骨格体１０に形成された通路１１の平均内径ＤＦは、上記一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかを構成する孔１１ａの短径及び長径の平均値から算出され、例えば０．１ｎｍ〜１.５ｎｍであり、好ましくは０．５ｎｍ〜０．８ｎｍである。また、拡径部１２の内径ＤＥは、例えば０．５ｎｍ〜５０ｎｍであり、好ましくは１．１ｎｍ〜４０ｎｍ、より好ましくは１．１ｎｍ〜３．３ｎｍである。拡径部１２の内径ＤＥは、例えば後述する前駆体材料（Ａ）の細孔径、及び包接される固体酸２０の平均粒径ＤＣに依存する。拡径部１２の内径ＤＥは、固体酸２０を包接し得る大きさである。
【００２７】
骨格体１０は、ゼオライト型化合物で構成される。ゼオライト型化合物としては、例えば、ゼオライト（アルミノケイ酸塩）、陽イオン交換ゼオライト、シリカライト等のケイ酸塩化合物、アルミノホウ酸塩、アルミノヒ酸塩、ゲルマニウム酸塩等のゼオライト類縁化合物、リン酸モリブデン等のリン酸塩系ゼオライト類似物質等が挙げられる。中でも、ゼオライト型化合物はケイ酸塩化合物であることが好ましい。
【００２８】
ゼオライト型化合物の骨格構造は、ＦＡＵ型（Ｙ型又はＸ型）、ＭＴＷ型、ＭＦＩ型（ＺＳＭ−５）、ＦＥＲ型（フェリエライト）、ＬＴＡ型（Ａ型）、ＭＷＷ型（ＭＣＭ−２２）、ＭＯＲ型（モルデナイト）、ＬＴＬ型（Ｌ型）、ＢＥＡ型（ベータ型）等の中から選択され、好ましくはＭＦＩ型であり、より好ましくはＺＳＭ−５である。ゼオライト型化合物には、各骨格構造に応じた孔径を有する孔が複数形成されており、例えばＭＦＩ型の最大孔径は０．６３６ｎｍ（６．３６Å）、平均孔径０．５６０ｎｍ（５．６０Å）である。
【００２９】
以下、固体酸２０について詳しく説明する。
固体酸２０が微粒子であるとき、微粒子は一次粒子の状態で通路１１に存在している場合と、一次粒子が凝集して形成された二次粒子の状態で通路１１に存在している場合とがある。いずれの場合においても、微粒子の平均粒径ＤＣは、好ましくは通路１１の平均内径ＤＦよりも大きく、且つ拡径部１２の内径ＤＥ以下である（ＤＦ＜ＤＣ≦ＤＥ）。このような固体酸２０は、通路１１内では、好適には拡径部１２に包接されており、骨格体１０内での固体酸２０の移動が規制される。よって、固体酸２０が流体から外力を受けた場合であっても、骨格体１０内での固体酸２０の移動が抑制され、骨格体１０の通路１１に分散配置された拡径部１２、１２、・・のそれぞれに包接された固体酸２０、２０、・・同士が接触するのを有効に防止することができる。
【００３０】
また、固体酸２０が微粒子である場合には、微粒子の平均粒径ＤＣは、一次粒子及び二次粒子のいずれの場合も、好ましくは０．１ｎｍ〜５０ｎｍであり、より好ましくは０．１ｎｍ以上３０ｎｍ未満であり、さらに好ましくは０．４５ｎｍ〜１４．０ｎｍ、特に好ましくは１．０ｎｍ〜３．３ｎｍである。また、通路１１の平均内径ＤＦに対する固体酸２０の平均粒径ＤＣの割合（ＤＣ／ＤＦ）は、好ましくは０．０６〜５００であり、より好ましくは０．１〜３６であり、更に好ましくは１．１〜３６であり、特に好ましくは１．７〜４．５である。
【００３１】
固体酸２０としては、具体的に、金属酸化物及びその水和物、硫化物、金属塩、複合酸化物、並びにヘテロポリ酸が挙げられる。金属酸化物としては、酸化鉄（ＦｅＯｘ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、三酸化セレン（ＳｅＯ３）、二酸化セレン（ＳｅＯ２）、三酸化テルル（ＴｅＯ３）、二酸化テルル（ＴｅＯ２）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化マンガン（Ｍｎ２Ｏ７）、酸化テクネチウム（Ｔｃ２Ｏ７）及び酸化レニウム（Ｒｅ２Ｏ７）が挙げられる。また、硫化物としては、硫化カドミウム（ＣｄＳ）及び硫化亜鉛（ＺｎＳ）が挙げられる。また、金属塩としては、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ４）、硫酸鉄（ＦｅＳＯ４）及び塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）が挙げられる。また、複合酸化物としては、ＳｉＯ２−ＴｉＯ２、ＳｉＯ２−ＭｇＯ及びＴｉＯ２−ＺｒＯ２が挙げられる。さらに、ヘテロポリ酸としては、リンタングステン酸、ケイタングステン酸、リンモリブデン酸及びケイモリブデン酸が挙げられる。これらの固体酸２０は、１種のみを用いてもよく、複数の種類を組み合わせて用いてもよい。固体酸２０としては、これらの金属酸化物の中でも、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる群から選択された少なくとも１種が好ましい。なお、固体酸２０は、骨格体１０を構成するゼオライト型化合物とは区別されるものである。固体酸２０には、例えば、ゼオライトは含まれない。
また、固体酸２０の金属元素（Ｍ）は、機能性構造体１に対して０．５〜２．５質量％で含有されているのが好ましく、機能性構造体１に対して０．５〜１．５質量％で含有されているのがより好ましい。例えば、金属元素（Ｍ）がＺｒである場合、Ｚｒ元素の含有量（質量％）は、（Ｚｒ元素の質量）／（機能性構造体１の全元素の質量）×１００で表される。
【００３２】
また、固体酸２０を構成する金属元素（Ｍ）に対する、骨格体１０を構成するケイ素（Ｓｉ）の割合（原子数比Ｓｉ／Ｍ）は、１０〜１０００であることが好ましく、５０〜２００であるのがより好ましい。上記割合が１０００より大きいと、活性が低く、固体酸としての作用が十分に得られない可能性がある。一方、上記割合が１０よりも小さいと、固体酸２０の割合が大きくなりすぎて、骨格体１０の強度が低下する傾向がある。なお、ここでいう固体酸２０は、骨格体１０の内部に保持され、又は担持された固体酸をいい、骨格体１０の外表面に付着した固体酸を含まない。
【００３３】
［機能性構造体の機能］
機能性構造体１は、上記のとおり、多孔質構造の骨格体１０と、骨格体に内在する少なくとも１つの固体酸２０とを備える。機能性構造体１は、骨格体１０に内在する固体酸２０が流体と接触することにより、固体酸２０の機能に応じた機能を発揮する。具体的に、機能性構造体１の外表面１０ａに接触した流体は、外表面１０ａに形成された孔１１ａから骨格体１０内部に流入して通路１１内に誘導され、通路１１内を通って移動し、他の孔１１ａを通じて機能性構造体１の外部へ出る。流体が通路１１内を通って移動する経路において、通路１１に存在している固体酸２０と接触することによって、固体酸２０の機能に応じた反応（例えば、触媒反応）が生じる。また、機能性構造体１は、骨格体が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
【００３４】
まず、機能性構造体１の分子篩能について、図２（ａ）を用いて、流体がベンゼン、プロピレン及びメシチレンを含む液体である場合を例として説明する。図２（ａ）に示すように、孔１１ａの孔径以下、言い換えれば、通路１１の内径以下の大きさを有する分子で構成される化合物（例えば、ベンゼン、プロピレン）は、骨格体１０内に浸入することができる。一方、孔１１ａの孔径を超える大きさを有する分子で構成される化合物（例えば、メシチレン）は、骨格体１０内へ浸入することができない。このように、流体が複数種類の化合物を含んでいる場合に、骨格体１０内に浸入することができない化合物の反応は規制され、骨格体１０内に浸入することができる化合物を反応させることができる。
【００３５】
反応によって骨格体１０内で生成した化合物のうち、孔１１ａの孔径以下の大きさを有する分子で構成される化合物のみが孔１１ａを通じて骨格体１０の外部へ出ることができ、反応生成物として得られる。一方、孔１１ａから骨格体１０の外部へ出ることができない化合物は、骨格体１０の外部へ出ることができる大きさの分子で構成される化合物に変換させれば、骨格体１０の外部へ出すことができる。このように、機能性構造体１を用いることにより、特定の反応生成物を選択的に得ることができる。
【００３６】
機能性構造体１では、図２（ｂ）に示すように、好適には通路１１の拡径部１２に固体酸２０が包接されている。固体酸２０が微粒子であるとき、固体酸２０の平均粒径ＤＣが、通路１１の平均内径ＤＦよりも大きく、拡径部１２の内径ＤＥよりも小さい場合には（ＤＦ＜ＤＣ＜ＤＥ）、固体酸２０と拡径部１２との間に小通路１３が形成される。そこで、図２（ｂ）中の矢印に示すように、小通路１３に浸入した流体が固体酸２０と接触する。各固体酸２０は、拡径部１２に包接されているため、骨格体１０内での移動が制限されている。これにより、骨格体１０内における固体酸２０同士の凝集が防止される。その結果、固体酸２０と流体との大きな接触面積を安定して維持することができる。
【００３７】
次に、固体酸２０が触媒機能を有する場合について説明する。具体的に、固体酸２０が酸化亜鉛（ＺｎＯｘ）微粒子であり、機能性構造体１の骨格体１０内に、重質油であるドデシルベンゼンを浸入させた場合を例として説明する。骨格体１０内にドデシルベンゼンが浸入すると、下記に示すように、ドデシルベンゼンが、酸化分解反応によって種々のアルコール及びケトンに分解される。さらに、分解物の１つであるケトン（ここではアセトフェノン）から、軽質油であるベンゼンが生成される。これは、固体酸２０が酸化分解反応における触媒として機能することを意味する。このように、機能性構造体１を用いることにより、重質油を軽質油に変換することができる。従来、重質油を軽質油に変換するためには、水素を用いた水素化分解処理が行われていた。これに対して、機能性構造体１を用いれば、水素が不要となる。そのため、水素の供給が難しい地域においても、軽質油を得るために重質油を利用することができる。また、水素が不要となることで、低コスト化を実現でき、これまで十分に利用することができなかった重質油の利用が促進されることが期待できる。
【００３８】
【化１】
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【化２】
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【００３９】
［機能性構造体の製造方法］
図３は、図１の機能性構造体１の製造方法を示すフローチャートである。以下、骨格体に内在する固体酸が金属酸化物微粒子である場合を例に、機能性構造体の製造方法の一例を説明する。
【００４０】
（ステップＳ１：準備工程）
図３に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料（Ａ）を準備する。前駆体材料（Ａ）は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、機能性構造体の骨格体を構成するゼオライト型化合物の種類（組成）に応じて適宜選択できる。
【００４１】
ここで、機能性構造体の骨格体を構成するゼオライト型化合物がケイ酸塩化合物である場合には、規則性メソ細孔物質は、細孔径１ｎｍ〜５０ｎｍの細孔が１次元、２次元又は３次元に均一な大きさかつ規則的に発達したＳｉ−Ｏ骨格からなる化合物であることが好ましい。このような規則性メソ細孔物質は、合成条件によって様々な合成物として得られるが、合成物の具体例としては、例えばＳＢＡ−１、ＳＢＡ−１５、ＳＢＡ−１６、ＫＩＴ−６、ＦＳＭ−１６、ＭＣＭ−４１等が挙げられ、中でもＭＣＭ−４１が好ましい。なお、ＳＢＡ−１の細孔径は１０ｎｍ〜３０ｎｍ、ＳＢＡ−１５の細孔径は６ｎｍ〜１０ｎｍ、ＳＢＡ−１６の細孔径は６ｎｍ、ＫＩＴ−６の細孔径は９ｎｍ、ＦＳＭ−１６の細孔径は３ｎｍ〜５ｎｍ、ＭＣＭ−４１の細孔径は１ｎｍ〜１０ｎｍである。また、このような規則性メソ細孔物質としては、例えばメソポーラスシリカ、メソポーラスアルミノシリケート、メソポーラスメタロシリケート等が挙げられる。
【００４２】
前駆体材料（Ａ）は、市販品及び合成品のいずれであってもよい。前駆体材料（Ａ）を合成する場合には、公知の規則性メソ細孔物質の合成方法を採用することができる。例えば、前駆体材料（Ａ）の構成元素を含有する原料と、前駆体材料（Ａ）の構造を規定するための鋳型剤とを含む混合溶液を調製し、必要に応じてｐＨを調整して、水熱処理（水熱合成）を行う。その後、水熱処理により得られた沈殿物（生成物）を回収（例えば、ろ別）し、必要に応じて洗浄及び乾燥し、さらに焼成することで、粉末状の規則性メソ細孔物質である前駆体材料（Ａ）が得られる。ここで、混合溶液の溶媒としては、例えば水、又はアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、原料は、骨格体の種類に応じて選択されるが、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）等のシリカ剤、フュームドシリカ、石英砂等が挙げられる。また、鋳型剤としては、各種界面活性剤、ブロックコポリマー等を用いることができ、規則性メソ細孔物質の合成物の種類に応じて選択することが好ましく、例えばＭＣＭ−４１を作製する場合にはヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド等の界面活性剤が好適である。水熱処理は、例えば、密閉容器内で、８０〜８００℃、５時間〜２４０時間、０〜２０００ｋＰａの処理条件で行うことができる。焼成処理は、例えば、空気中で、３５０〜８５０℃、２〜３０時間の処理条件で行うことができる。
【００４３】
（ステップＳ２：含浸工程）
次に、準備した前駆体材料（Ａ）に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料（Ｂ）を得る。
【００４４】
金属含有溶液は、金属酸化物微粒子を構成する金属元素（Ｍ）に対応する（例えば、金属イオン）を含有する溶液であればよく、例えば、溶媒に、金属元素（Ｍ）を含有する金属塩を溶解させることにより調製できる。このような金属塩としては、例えば、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、硝酸塩等が挙げられ、中でも硝酸塩が好ましい。溶媒としては、例えば水、アルコール等の有機溶媒、これらの混合溶媒などを用いることができる。
【００４５】
前駆体材料（Ａ）に金属含有溶液を含浸させる方法は、特に限定されないが、例えば、後述する焼成工程の前に、粉末状の前駆体材料（Ａ）を撹拌しながら、金属含有溶液を複数回に分けて少量ずつ添加することが好ましい。また、前駆体材料（Ａ）の細孔内部に金属含有溶液がより浸入し易くなる観点から、前駆体材料（Ａ）に、金属含有溶液を添加する前に予め、添加剤として界面活性剤を添加しておくことが好ましい。このような添加剤は、前駆体材料（Ａ）の外表面を被覆する働きがあり、その後に添加される金属含有溶液が前駆体材料（Ａ）の外表面に付着することを抑制し、金属含有溶液が前駆体材料（Ａ）の細孔内部により浸入し易くなると考えられる。
【００４６】
このような添加剤としては、例えばポリオキシエチレンオレイルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルなどの非イオン性界面活性剤が挙げられる。これらの界面活性剤は、分子サイズが大きく前駆体材料（Ａ）の細孔内部には浸入できないため、細孔の内部に付着することは無く、金属含有溶液が細孔内部に浸入することを妨げないと考えられる。非イオン性界面活性剤の添加方法としては、例えば、後述する焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前駆体材料（Ａ）に対して５０〜５００質量％添加するのが好ましい。非イオン性界面活性剤の前駆体材料（Ａ）に対する添加量が５０質量％未満であると上記の抑制作用が発現し難く、非イオン性界面活性剤を前駆体材料（Ａ）に対して５００質量％よりも多く添加すると粘度が上がりすぎるので好ましくない。よって、非イオン性界面活性剤の前駆体材料（Ａ）に対する添加量を上記範囲内の値とする。
【００４７】
また、前駆体材料（Ａ）に添加する金属含有溶液の添加量は、前駆体材料（Ａ）に含浸させる金属含有溶液中に含まれる金属元素（Ｍ）の量（すなわち、前駆体材料（Ｂ）に内在させる金属元素（Ｍ）の量）を考慮して、適宜調整することが好ましい。例えば、後述する焼成工程の前に、前駆体材料（Ａ）に添加する金属含有溶液の添加量は、前駆体材料（Ａ）に添加する金属含有溶液中に含まれる金属元素（Ｍ）に対する、前駆体材料（Ａ）を構成するケイ素（Ｓｉ）の比（原子数比Ｓｉ／Ｍ）に換算して、１０〜１０００となるように調整することが好ましく、５０〜２００となるように調整することがより好ましい。例えば、前駆体材料（Ａ）に金属含有溶液を添加する前に、添加剤として界面活性剤を前駆体材料（Ａ）に添加した場合、前駆体材料（Ａ）に添加する金属含有溶液の添加量を、原子数比Ｓｉ／Ｍに換算して５０〜２００とすることで、金属酸化物微粒子の金属元素（Ｍ）を、機能性構造体に対して０．５〜２．５質量％で含有させることができる。い。前駆体材料（Ｂ）の状態で、その細孔内部に存在する金属元素（Ｍ）の量は、金属含有溶液の金属濃度や、上記添加剤の有無、その他温度や圧力等の諸条件が同じであれば、前駆体材料（Ａ）に添加する金属含有溶液の添加量に概ね比例する。また、前駆体材料（Ｂ）に内在する金属元素（Ｍ）の量は、機能性構造体の骨格体に内在する金属酸化物微粒子を構成する金属元素の量と比例関係にある。したがって、前駆体材料（Ａ）に添加する金属含有溶液の添加量を上記範囲に制御することにより、前駆体材料（Ａ）の細孔内部に金属含有溶液を十分に含浸させることができ、ひいては、機能性構造体の骨格体に内在させる金属酸化物微粒子の量を調整することができる。
【００４８】
前駆体材料（Ａ）に金属含有溶液を含浸させた後は、必要に応じて、洗浄処理を行ってもよい。洗浄溶液として、水、アルコール等の有機溶媒、これらの混合溶媒などを用いることができる。また、前駆体材料（Ａ）に金属含有溶液を含浸させ、必要に応じて洗浄処理を行った後、さらに乾燥処理を施すことが好ましい。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、１５０℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、前駆体材料（Ａ）に、金属含有溶液に含まれる水分及び洗浄溶液の水分が多く残った状態で後述の焼成処理を行うと、前駆体材料（Ａ）の規則性メソ細孔物質としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥させることが好ましい。
【００４９】
（ステップＳ３：焼成工程）
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料（Ａ）に金属含有溶液が含浸された前駆体材料（Ｂ）を焼成して、前駆体材料（Ｃ）を得る。
【００５０】
焼成処理は、例えば、空気中で、３５０〜８５０℃、２〜３０時間の処理条件で行うことが好ましい。このような焼成処理により、規則性メソ細孔物質の孔内に含浸された金属成分が結晶成長して、孔内で金属酸化物微粒子が形成される。
【００５１】
（ステップＳ４：水熱処理工程）
次いで、前駆体材料（Ｃ）と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、前記前駆体材料（Ｂ）を焼成して得られた前駆体材料（Ｃ）を水熱処理して、機能性構造体を得る。
【００５２】
構造規定剤は、機能性構造体の骨格体の骨格構造を規定するための鋳型剤であり、例えば界面活性剤を用いることができる。構造規定剤は、機能性構造体の骨格体の骨格構造に応じて選択することが好ましく、例えばテトラメチルアンモニウムブロミド（ＴＭＡＢｒ）、テトラエチルアンモニウムブロミド（ＴＥＡＢｒ）、テトラプロピルアンモニウムブロミド（ＴＰＡＢｒ）等の界面活性剤が好適である。
【００５３】
前駆体材料（Ｃ）と構造規定剤との混合は、本水熱処理工程時に行ってもよいし、水熱処理工程の前に行ってもよい。また、上記混合溶液の調製方法は、特に限定されず、前駆体材料（Ｃ）と、構造規定剤と、溶媒とを同時に混合してもよいし、溶媒に前駆体材料（Ｃ）と構造規定剤とをそれぞれ個々の溶液に分散させた状態にした後に、それぞれの分散溶液を混合してもよい。溶媒としては、例えば水、アルコール等の有機溶媒、これらの混合溶媒などを用いることができる。また、混合溶液は、水熱処理を行う前に、酸又は塩基を用いてｐＨを調整しておくことが好ましい。
【００５４】
水熱処理は、公知の方法で行うことができ、例えば、密閉容器内で、８０〜８００℃、５時間〜２４０時間、０〜２０００ｋＰａの処理条件で行うことが好ましい。また、水熱処理は、塩基性雰囲気下で行われることが好ましい。
ここでの反応メカニズムは必ずしも明らかではないが、前駆体材料（Ｃ）を原料として水熱処理を行うことにより、前駆体材料（Ｃ）の規則性メソ細孔物質としての骨格構造は次第に崩れるが、前駆体材料（Ｃ）の細孔内部での金属酸化物微粒子の位置は概ね維持されたまま、構造規定剤の作用により、機能性構造体の骨格体としての新たな骨格構造（多孔質構造）が形成される。このようにして得られた機能性構造体は、多孔質構造の骨格体と、骨格体に内在する金属酸化物微粒子を備え、さらに骨格体はその多孔質構造により複数の孔が互いに連通した通路を有し、金属酸化物微粒子はその少なくとも一部分が骨格体の通路に保持されている。
また、本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料（Ｃ）と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料（Ｃ）を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料（Ｃ）と構造規定剤とを混合すること無く、前駆体材料（Ｃ）を水熱処理してもよい。
【００５５】
水熱処理後に得られる沈殿物（機能性構造体）は、回収（例えば、ろ別）後、必要に応じて洗浄処理、乾燥処理及び焼成処理を施すことが好ましい。洗浄溶液としては、水、又はアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥、１５０℃以下の高温乾燥等が挙げられる。なお、沈殿物に水分が多く残った状態で焼成処理を行うと、機能性構造体の骨格体としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥させることが好ましい。また、焼成処理は、例えば、空気中で、３５０〜８５０℃、２〜３０時間の処理条件で行うことができる。このような焼成処理により、機能性構造体に付着していた構造規定剤が焼失する。また、機能性構造体は、使用目的に応じて、回収後の沈殿物に対して焼成処理を施すことなくそのまま用いることもできる。例えば、機能性構造体の使用する環境が、酸化性雰囲気の高温環境である場合には、使用環境に一定時間晒すことで、構造規定剤は焼失する。この場合、焼成処理を施した場合と同様の機能性構造体が得られるので、焼成処理を施す必要がない。
【００５６】
［機能性構造体１の変形例］
図４は、図１の機能性構造体１の変形例を示す模式図である。
図１の機能性構造体１は、骨格体１０と、骨格体１０に内在する固体酸２０とを備えるが、この構成だけに限定されず、例えば、図４に示すように、機能性構造体２が、骨格体１０の外表面１０ａに保持された少なくとも１つの機能性物質３０を更に備えていてもよい。
【００５７】
この機能性物質３０は、一又は複数の機能を発揮する物質である。機能性物質３０が有する機能は、固体酸２０が有する機能と同一であってもよいし、異なっていてもよい。機能性物質３０が有する機能の具体例は、固体酸２０について説明したものと同様である。機能性物質３０は触媒機能を有することが好ましく、このとき機能性物質３０は触媒物質である。機能性物質３０は、固体酸であってもよく、機能性物質３０が固体酸である場合に、機能性物質３０は固体酸２０と同一の物質であってもよいし、異なる物質であってもよい。特に、機能性物質３０が固体酸である場合、機能性構造体１と比較して、機能性構造体２に保持された固体酸の含有量を増大させることができ、固体酸による触媒反応を更に促進させることができる。
【００５８】
この場合、骨格体１０に内在する固体酸２０の含有量は、骨格体１０の外表面１０ａに保持された機能性物質３０の含有量よりも多いことが好ましい。これにより、骨格体１０の内部に保持された固体酸２０による機能が支配的となり、固体酸の機能が安定的に発揮される。
【００５９】
以上、本発明の実施形態に係る機能性構造体について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【実施例】
【００６０】
（実施例１〜２８８）
［前駆体材料（Ａ）の合成］
シリカ剤（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、和光純薬工業株式会社製）と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜ｐＨ調整を行い、密閉容器内で、８０〜３５０℃、１００時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水及びエタノールで洗浄し、さらに６００℃、２４時間、空気中で焼成して、表１〜６に示す種類及び孔径の前駆体材料（Ａ）を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料（Ａ）の種類に応じて（「前駆体材料（Ａ）の種類：界面活性剤」）以下のものを用いた。
・ＭＣＭ−４１：ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（ＣＴＡＢ）（和光純薬工業株式会社製）
・ＳＢＡ−１：Ｐｌｕｒｏｎｉｃ Ｐ１２３（ＢＡＳＦ社製）【００６１】
［前駆体材料（Ｂ）及び（Ｃ）の作製］
次に、表１〜６に示す種類の固体酸微粒子を構成する金属元素（Ｍ）に応じて、該金属元素（Ｍ）を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、固体酸微粒子の種類に応じて（「固体酸微粒子：金属塩」）以下のものを用いた。
・ＺｎＯＸ：硝酸亜鉛六水和物（和光純薬工業株式会社製）
・ＡｌＯＸ：硝酸アルミニウム九水和物（和光純薬工業株式会社製）
・ＺｒＯＸ：硝酸ジルコニル二水和物（和光純薬工業株式会社製）【００６２】
次に、粉末状の前駆体材料（Ａ）に、金属含有水溶液を複数回に分けて少量ずつ添加し、室温（２０℃±１０℃）で１２時間以上乾燥させて、前駆体材料（Ｂ）を得た。【００６３】
なお、表１〜６に示す添加剤の有無の条件が「有り」の場合は、金属含有水溶液を添加する前の前駆体材料（Ａ）に対して、添加剤としてのポリオキシエチレン（１５）オレイルエーテル（ＮＩＫＫＯＬ  ＢＯ−１５Ｖ、日光ケミカルズ株式会社製）の水溶液を添加する前処理を行い、その後、上記のように金属含有水溶液を添加した。なお、添加剤の有無の条件が「無し」の場合については、上記のような添加剤による前処理は行っていない。【００６４】
また、前駆体材料（Ａ）に添加する金属含有水溶液の添加量は、該金属含有水溶液中に含まれる金属元素（Ｍ）に対する、前駆体材料（Ａ）を構成するケイ素（Ｓｉ）の比（原子数比Ｓｉ／Ｍ）に換算したときの数値が、表１〜６の値になるように調整した。【００６５】
次に、上記のようにして得られた金属含有水溶液を含浸させた前駆体材料（Ｂ）を、６００℃、２４時間、空気中で焼成して、前駆体材料（Ｃ）を得た。【００６６】
［機能性構造体の合成］
上記のようにして得られた前駆体材料（Ｃ）と、表１〜６に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、８０〜３５０℃、表１〜６に示すｐＨ及び時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、１００℃で１２時間以上乾燥させ、さらに６００℃、２４時間、空気中で焼成して、表１〜６に示す骨格体と機能性物質としての固体酸微粒子とを有する機能性構造体を得た（実施例１〜２８８）。【００６７】
（比較例１）
比較例１では、ＭＦＩ型シリカライトに平均粒径５０ｎｍ以下の酸化コバルト粉末（II，III）（シグマ アルドリッチ ジャパン合同会社製）を混合し、骨格体としてのシリカライトの外表面に、機能性物質として酸化コバルト微粒子を付着させた機能性構造体を得た。ＭＦＩ型シリカライトは、金属を添加する工程以外は、実施例５２〜５７と同様の方法で合成した。【００６８】
（比較例２）
比較例２では、酸化コバルト微粒子を付着させる工程を省略したこと以外は、比較例１と同様の方法にてＭＦＩ型シリカライトを合成した。【００６９】
［評価］
実施例１〜２８８及び比較例１〜２のシリカライトについて、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。【００７０】
［Ａ］断面観察
実施例１〜２８８の機能性構造体及び比較例１〜２のシリカライトについて、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）（ＴＩＴＡＮ  Ｇ２、ＦＥＩ社製）を用いて、断面観察を行った。【００７１】
その結果、上記実施例の機能性構造体では、シリカライトからなる骨格体の内部に固体酸微粒子が内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例１のシリカライトでは、固体酸微粒子が骨格体の外表面に付着しているのみで、骨格体の内部には存在していなかった。
また、上記実施例のうち固体酸微粒子がＺｒＯｘである機能性構造体について、ＦＩＢ（集束イオンビーム）加工により断面を切り出し、ＳＥＭ(ＳＵ８０２０、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)、ＥＤＸ(Ｘ−Ｍａｘ、株式会社堀場製作所製)を用いて断面元素分析を行った。その結果、骨格体内部からＺｒ元素が検出された。
上記ＴＥＭとＳＥＭ／ＥＤＸによる断面観察の結果から、骨格体内部にＺｒＯｘ微粒子が存在していることが確認された。【００７２】
［Ｂ］骨格体の通路の平均内径及び固体酸微粒子の平均粒径
上記評価［Ａ］で行った断面観察により撮影したＴＥＭ画像にて、骨格体の通路を、任意に５００個選択し、それぞれの長径及び短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し（Ｎ＝５００）、さらに内径の平均値を求めて、骨格体の通路の平均内径ＤＦとした。また、固体酸微粒子についても同様に、上記ＴＥＭ画像から、固体酸微粒子を、任意に５００個選択し、それぞれの粒径を測定して（Ｎ＝５００）、その平均値を求めて、固体酸微粒子の平均粒径ＤＣとした。結果を表１〜６に示す。
また、機能性物質の平均粒径及び分散状態を確認するため、ＳＡＸＳ（小角Ｘ線散乱）を用いて分析した。ＳＡＸＳによる測定は、Ｓｐｒｉｎｇ−８のビームラインＢＬ１９Ｂ２を用いて行った。得られたＳＡＸＳデータは、Ｇｕｉｎｉｅｒ近似法により球形モデルでフィッティングを行い、粒径を算出した。粒径は、固体酸が酸化鉄微粒子である機能性構造体について測定した。また、比較対象として、市販品である酸化鉄微粒子（Ｗａｋｏ製）をＳＥＭにて観察、測定した。
この結果、市販品では粒径約５０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で様々なサイズの酸化鉄微粒子がランダムに存在しているのに対し、ＴＥＭ画像から求めた平均粒径が１．２ｎｍ〜２．０ｎｍの各実施例の機能性構造体では、ＳＡＸＳの測定結果においても粒径が１０ｎｍ以下の散乱ピークが検出された。ＳＡＸＳの測定結果とＳＥＭ／ＥＤＸによる断面の測定結果から、骨格体内部に、粒径１０ｎｍ以下の機能性物質が、粒径が揃いかつ非常に高い分散状態で存在していることが分かった。【００７３】
［Ｃ］金属含有溶液の添加量と骨格体内部に包接された金属量との関係
原子数比Ｓｉ／Ｍ＝５０，１００，２００，１０００（Ｍ＝Ａｌ、Ｚｒ、Ｚｎ）の添加量で、固体酸を骨格体内部に包接させた機能性構造体を作製し、その後、上記添加量で作製された機能性構造体の骨格体内部に包接された金属量（質量％）を測定した。尚、本測定において原子数比Ｓｉ／Ｍ＝１００，２００，１０００の機能性構造体は、それぞれ実施例１〜２８８のうちの原子数比Ｓｉ／Ｍ＝１００，２００，１０００の機能性構造体と同様の方法で金属含有溶液の添加量を調整して作製し、原子数比Ｓｉ／Ｍ＝５０の機能性構造体は、金属含有溶液の添加量を異ならせたこと以外は、原子数比Ｓｉ／Ｍ＝１００，２００，１０００の機能性構造体と同様の方法で作製した。
金属量の定量は、ＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）単体か、或いはＩＣＰとＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析）を組み合わせて行った。ＸＲＦ（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置「ＳＥＡ１２００ＶＸ」、エスエスアイ・ナノテクノロジー社製）は、真空雰囲気、加速電圧１５ｋＶ（Ｃｒフィルター使用）或いは加速電圧５０ｋＶ（Ｐｂフィルター使用）の条件で行った。
ＸＲＦは、金属の存在量を蛍光強度で算出する方法であり、ＸＲＦ単体では定量値（質量％換算）を算出できない。そこで、Ｓｉ／Ｍ＝１００で金属を添加した機能性構造体の金属量は、ＩＣＰ分析により定量し、Ｓｉ／Ｍ＝５０および１００未満で金属を添加した機能性構造体の金属量は、ＸＲＦ測定結果とＩＣＰ測定結果を元に算出した。
この結果、少なくとも原子数比Ｓｉ／Ｍが５０〜１０００の範囲内で、金属含有溶液の添加量の増加に伴って、機能性構造体に包接された金属量が増大していることが確認された。【００７４】
［Ｄ］性能評価
実施例及び比較例の機能性構造体について、固体酸微粒子（触媒物質）がもつ触媒能（性能）を評価した。結果を表１〜６に示す。【００７５】
（１）触媒活性
触媒活性は、以下の条件で評価した。【００７６】
まず、機能性構造体を、常圧流通式反応装置に０．２ｇ充填し、窒素ガス（Ｎ２）をキャリアガス（５ｍｌ／ｍｉｎ）とし、４００℃、２時間、ブチルベンゼン(重質油のモデ
ル物質)の分解反応を行った。【００７７】
反応終了後に、回収した生成ガス及び生成液の成分を、ガスクロマトグラフィー質量分析法（ＧＣ／ＭＳ）により分析した。なお、生成ガスの分析装置には、ＴＲＡＣＥ １３
１０ＧＣ（サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器：熱伝導度検出器）を用い、生成液の分析装置には、ＴＲＡＣＥ ＤＳＱ（サーモフィッシャーサイエン
ティフィック株式会社製、検出器：質量検出器、イオン化方法：ＥＩ（イオン源温度２５０℃、ＭＳトランスファーライン温度３２０℃、検出器：熱伝導度検出器））を用いた。【００７８】
さらに、上記分析結果に基づき、ブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物（具体的には、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、スチレン、クメン、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン等）の収率（ｍｏｌ％）を求めた。上記化合物の収率は、反応開始前のブチルベンゼンの物質量（ｍｏｌ）に対する、生成液中に含まれるブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の物質量の総量（ｍｏｌ）の百分率（ｍｏｌ％）として算出した。【００７９】
本実施例では、生成液中に含まれるブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の収率が、４０ｍｏｌ％以上である場合を触媒活性（分解能）が優れていると判定して「◎」、２５ｍｏｌ％以上４０ｍｏｌ％未満である場合を触媒活性が良好であると判定して「○」、１０ｍｏｌ％以上２５ｍｏｌ％未満である場合を触媒活性が良好ではないものの合格レベル（可）でありと判定して「△」、そして１０ｍｏｌ％未満である場合を触媒活性が劣る（不可）と判定して「×」とした。【００８０】
（２）耐久性（寿命）
耐久性は、以下の条件で評価した。
まず、評価（１）で使用した機能性構造体を回収し、６５０℃で、１２時間加熱して、加熱後の機能性構造体を作製した。次に、得られた加熱後の機能性構造体を用いて、評価（１）と同様の方法により、ブチルベンゼン(重質油のモデル物質)の分解反応を行い、さらに評価（１）と同様の方法で、生成ガス及び生成液の成分を分析した。【００８１】
得られた分析結果に基づき、評価（１）と同様の方法で、ブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の収率（ｍｏｌ％）を求めた。そして、加熱前の機能性構造体による上記化合物の収率（評価（１）で求めた収率）に対して、加熱後の機能性構造体による上記化合物の収率が、どの程度維持されているかを評価した。具体的には、加熱前の機能性構造体による上記化合物の収率（評価（１）で求めた収率）に対する、上記加熱後の機能性構造体による上記化合物の収率（評価（２）で求めた収率）の百分率（％）を算出した。【００８２】
本実施例では、加熱後の機能性構造体による上記化合物の収率（評価（２）で求めた収率）が、加熱前の機能性構造体による上記化合物の収率（評価（１）で求めた収率）と比較して、８０％以上維持されている場合を耐久性（耐熱性）が優れていると判定して「◎」、６０％以上８０％未満維持されている場合を耐久性（耐熱性）が良好であると判定して「○」、４０％以上６０％未満維持されている場合を耐久性（耐熱性）が良好ではないものの合格レベル（可）でありと判定して「△」、そして４０％未満に低下している場合を耐久性（耐熱性）が劣る（不可）と判定して「×」とした。【００８３】
なお、参考例１についても、評価（１）及び（２）と同様の性能評価を行った。参考例１は、骨格体そのものであり、固体酸微粒子を有していない。そのため、上記性能評価では、機能性構造体に替えて、参考例１の骨格体のみを充填した。結果を表６に示す。【００８４】
【表１】
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【００８５】
【表２】
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【００８６】
【表３】
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【００８７】
【表４】
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【００８８】
【表５】
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【００８９】
【表６】
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【００９０】
表１〜６から明らかなように、断面観察により骨格体の内部に固体酸微粒子が保持されていることが確認された機能性構造体（実施例１〜２８８）は、単に固体酸微粒子が骨格体の外表面に付着しているだけの機能性構造体（比較例１）または機能性物質を何ら有していない骨格体そのもの（比較例２）と比較して、ブチルベンゼンの分解反応において優れた触媒活性を示し、触媒としての耐久性にも優れていることが分かった。【００９１】
また、上記評価［Ｃ］で測定された機能性構造体の骨格体内部に包接された金属量（質量％）と、生成液中に含まれるブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の収率（ｍｏｌ％）との関係を評価した。評価方法は、上記[Ｄ]「性能評価」における「（１）触媒活性」で行った評価方法と同じとした。
その結果、各実施例において、前駆体材料（Ａ）に添加する金属含有溶液の添加量が、原子数比Ｓｉ／Ｍ（Ｍ＝Ｚｒ）に換算して５０〜２００（機能性構造体に対する固体酸の金属元素（Ｍ）の含有量が０．５〜２．５質量％）であると、生成液中に含まれるブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の収率が、３２ｍｏｌ％以上となり、ブチルベンゼンの分解反応における触媒活性が合格レベル以上であることが分かった。【００９２】
一方、骨格体の外表面にのみ固体酸微粒子を付着させた比較例１の機能性構造体は、固体酸微粒子を何ら有していない比較例２の骨格体そのものと比較して、ブチルベンゼンの分解反応における触媒活性は改善されるものの、実施例１〜２８８の機能性構造体に比べて、触媒としての耐久性は劣っていた。【００９３】
また、機能性物質を何ら有していない比較例２の骨格体そのものは、ブチルベンゼンの分解反応において触媒活性は殆ど示さず、実施例１〜２８８の機能性構造体と比較して、触媒活性および耐久性の双方が劣っていた。
【符号の説明】
【００９４】
１、２  機能性構造体
１０  骨格体
１０ａ  外表面
１１  通路
１１ａ  孔
１２  拡径部
２０  固体酸
３０  機能性物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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