(57)【要約】  制御された配位構造を有する担持型反応性触媒およびその製造方法が開示される。担持型触媒は、原子の最上位層すなわち外層を有する触媒粒子を含み、その中で原子の少なくとも一部分は制御された配位数２を示す。そのような触媒は、その中で分子の大半が枝分れ状よりはむしろ直鎖状である制御剤を含む中間前駆体組成物から製造することができる。担持型触媒（１０）は、当初その表面にヒドロキシル基を含む担体（１２）と、縮合反応によって担体（１２）のヒドロキシル基に化学的に結合される固定剤（１４）と、固定剤に何らかの方法（図示せず）で結合されまたは付着される触媒粒子（６）とを含む。本発明の担持型触媒は、高選択性での過酸化水素の調製および他の化学転化反応に対して有用である。
2007530248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
担体材料と、
該担体材料上に配置される複数の反応性触媒粒子であって、貴金属、卑遷移金属、希土類金属および固体非金属を含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含む複数の触媒反応性原子を含む反応性触媒粒子と
を含み、
該触媒反応性原子は、該触媒反応性原子の最上位面層すなわち外面層の少なくとも約５０％が最隣接原子配位数２を有するように配置されており、および、
固定材料は、該反応性触媒粒子の少なくとも一部分を該担体材料に化学的に結合するポリマー、オリゴマーまたは有機化合物のうちの少なくとも１つのタイプを含み、該固定材料の少なくとも一部分は、該触媒反応性原子の最下層と該担体材料との間に配置されている
ことを特徴とする制御された配位構造を有する担持型反応性触媒。
【請求項２】
該担体材料は、カーボンブラック、黒鉛、シリカ、アルミナ、ゼオライト、金属酸化物およびポリマーを含む群から選択された複数の粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項３】
該担体材料は、高分子シートまたは高分子膜のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項４】
該担体材料は、それ自体が触媒性であることを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項５】
該触媒性担体材料は、ケイ酸チタンを含むことを特徴とする請求項４に記載の担持型反応性触媒。
【請求項６】
該担体材料および該固定材料は、一緒に反応して該担体材料と該固定材料との間に化学結合を形成した対応する官能基を含むことを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項７】
該担体材料と該固定材料との間の該化学結合は、該担体材料および該固定材料の該対応する官能基の縮合反応生成物であることを特徴とする請求項６に記載の担持型反応性触媒。
【請求項８】
該縮合反応生成物は、エステル、エーテルまたはアミドのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７に記載の担持型反応性触媒。
【請求項９】
該触媒反応性原子の最上位面層すなわち外面層の少なくとも約６０％は、最隣接原子配位数２を有することを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１０】
該触媒反応性原子の最上位面層すなわち外面層の少なくとも約７０％は、最隣接原子配位数２を有することを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１１】
該触媒反応性原子の最上位面層すなわち外面層の少なくとも約８０％は、最隣接原子配位数２を有することを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１２】
該触媒反応性原子の最上位面層すなわち外面層の少なくとも約９０％は、最隣接原子配位数２を有することを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１３】
該触媒反応性原子の最上位面層すなわち外面層の少なくとも約９５％は、最隣接原子配位数２を有することを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１４】
該触媒粒子は約１０ｎｍ未満の表面直径を有することを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１５】
該触媒粒子は約６ｎｍ未満の表面直径を有することを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１６】
該触媒粒子は約４ｎｍ未満の表面直径を有することを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１７】
該触媒反応性原子の少なくとも一部分は、パラジウム、白金、イリジウム、金、オスミウム、ルテニウム、ロジウムおよびレニウムを含む群から選択される少なくとも１つの貴金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１８】
該触媒反応性原子は、卑遷移金属、希土類金属および固体非金属を含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含むことを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項１９】
該触媒反応性原子は、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、スズ、亜鉛、タングステン、チタン、モリブデンおよびバナジウムを含む群から選択される少なくとも１つの卑遷移金属を含むことを特徴とする請求項１８に記載の担持型反応性触媒。
【請求項２０】
該触媒反応性原子の少なくとも一部分は、ランタンおよびセリウムを含む群から選択される少なくとも１つの希土類金属を含むことを特徴とする請求項１８に記載の担持型反応性触媒。
【請求項２１】
該触媒粒子は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項２２】
該固定剤は、少なくとも１つの電子豊富原子に結合される炭素原子を含む官能基を含み、該電子豊富原子は、該炭素原子より電気的陰性であり、および少なくとも１つの該触媒反応性原子と結合または引力を形成するように、１つまたは複数の電子を供与することができることを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項２３】
該電子豊富原子は酸素または窒素のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２２に記載の担持型反応性触媒。
【請求項２４】
該電子豊富原子は負電荷を有し、および該固定剤に結合される該触媒反応性原子の少なくとも一部分は正電荷を有することを特徴とする請求項２２に記載の担持型反応性触媒。
【請求項２５】
該反応性触媒粒子は、少なくとも２つの異なるタイプの反応性触媒原子のランダム分布を含むことを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項２６】
該固定剤は、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリ安息香酸ビニル、ポリビニルサルフェート、スルホン化スチレンを含むポリビニルスルホネート、ポリビスフェノールカーボネート、ポリベンゾイミジゾール、ポリピリジン、スルホン化ポリエチレンテレフタラート、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールおよびポリプロピレングリコールを含む群から選択される少なくとも１つの制御剤に由来するものであることを特徴とする請求項１に記載の担持型反応性触媒。
【請求項２７】
制御された配位構造を有する担持型触媒の製造方法であって、
（ａ）（ｉ）貴金属、希土類金属、卑遷移金属および固体非金属を含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含む複数の触媒原子と、
（ｉｉ）ポリマー、オリゴマーおよび有機化合物を含む群から選択される複数の錯体化分子を含み、その少なくとも約５０％が直鎖状である制御剤と
を一緒に反応させることによって中間触媒錯体を調製すること、
（ｂ）該中間触媒錯体を担体材料と接触させること、
（ｃ）該制御剤の一部分を該担体材料と化学的に結合させること、および
（ｄ）該制御剤の一部分を除去して該触媒原子の一部分を露出させ、それによって複数の反応性触媒粒子を含む担持型触媒を与えること
を含み、
該反応性触媒粒子は、（ｉ）前記制御剤の残存する部分を含む固定剤によって該担体材料に化学的に固定され、および（ｉｉ）その中で該反応性触媒粒子の上面の該触媒原子のうち少なくとも約５０％は最隣接原子配位数２を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項２８】
該触媒錯体は、縮合反応によって該担体材料に化学的に結合されることを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項２９】
（ａ）は、該触媒原子および制御剤を液体の中で反応させることをさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３０】
（ｃ）は液体の中で実施されることを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３１】
（ｃ）は、前記液体と前記担体材料に化学的に結合された前記触媒錯体とを含む中間組成物を与え、該方法は、前記中間組成物から前記液体のかなりの部分を除去することをさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３２】
（ｄ）は、制御剤の該一部分を還元することを含むことを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３３】
（ｄ）は、制御剤の該一部分を水素化することを含むことを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３４】
（ｄ）は、該制御剤の該一部分を酸化することを含むことを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３５】
（ｄ）で得られる該担持型触媒を、約５０℃から約３００℃の範囲の温度で少なくとも約３０分間熱処理することをさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３６】
前記熱処理は不活性雰囲気中で実施されることを特徴とする請求項３５に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３７】
前記熱処理は、約１００℃から約２５０℃の範囲の温度で少なくとも約３０分間実施されることを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項３８】
前記熱処理は、約１２５℃から約２００℃の範囲の温度で少なくとも約３０分間実施されることを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒製造方法。
【請求項３９】
該反応性触媒粒子は、少なくとも２つの異なるタイプの反応性触媒原子のランダム分布を含むことを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項４０】
該触媒原子は、希土類金属、卑遷移金属および非金属を含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含むことを特徴とする請求項２７に記載の担持型触媒の製造方法。
【請求項４１】
請求項１に記載の担持型反応性触媒の使用方法であって、１つまたは複数の所望の反応生成物を与えるように、１つまたは複数の反応剤を該担持型反応性触媒と接触させることを含むことを特徴とする方法。
【請求項４２】
該１つまたは複数の反応剤は水素および酸素を含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
該１つまたは複数の反応生成物は過酸化水素を含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
該１つまたは複数の反応剤は少なくとも１つのタイプの有機化合物をさらに含み、および該１つまたは複数の反応生成物は、少なくとも１つのタイプの酸化された有機化合物を含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
該過酸化水素は、該少なくとも１つのタイプの有機化合物と反応して該少なくとも１つのタイプの酸化された有機化合物を与える中間反応生成物であることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
該１つまたは複数の反応剤は酸素および少なくともタイプの有機化合物を含み、および該１つまたは複数の反応生成物は少なくとも１つの酸化された有機化合物を含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４７】
該１つまたは複数の反応剤は水素および少なくとも１つのタイプの有機化合物を含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４８】
該１つまたは複数の反応生成物は、少なくとも１つのタイプの水素化された有機化合物を含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
水素処理法および水素化分解法のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
該１つまたは複数の反応剤は少なくとも１つのタイプの有機化合物を含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項５１】
該１つまたは複数の反応生成物は、少なくとも１つの脱水素された有機化合物および遊離水素を含むことを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
該１つまたは複数の反応生成物は、少なくとも１つの改質された有機化合物および遊離水素を含むことを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
該担持型反応性触媒は溶媒中に分散されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項５４】
該溶媒は、約０．１４×１０−４から約５×１０−４までの範囲の値を有する溶媒溶解度パラメータを有する少なくとも１つの液体を含むことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
該溶媒は、約０．２×１０−４から約４×１０−４までの範囲の値を有する溶媒溶解度パラメータを有する少なくとも１つの液体を含むことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
該溶媒は、酸素含有有機化合物、アルコール、エタノール、メタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ケトン、アルデヒド、フラン、テトラヒドロフラン、エーテル、エステル、窒素含有有機化合物、ニトリル、アセトニトリル、アミン、１−プロピルアミン、アミド、ジメチルホルムアミド、リン含有有機化合物およびホスフィンオキシドを含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含むことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
該溶媒は水を含むことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５８】
該溶媒は、液体炭化水素、脂肪族炭化水素および芳香族炭化水素を含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含むことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５９】
制御された配位構造を有する担持型触媒を製造する際に使用される中間前駆体組成物であって、
貴金属、希土類金属、卑遷移金属および非金属を含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含む複数の触媒原子と、
ポリマー、オリゴマーおよび有機化合物を含む群から選択される複数の錯体化分子を含む制御剤であって、それぞれの制御剤分子が、該反応性触媒原子を該制御剤分子に錯体化させるために主鎖に沿って配置される複数の官能基を有する制御剤と
を含み、
該制御剤分子の少なくとも約５０％は直鎖状であり、および該制御剤分子の少なくとも一部分は、該触媒原子と該制御剤分子との間で触媒錯体を形成し、該触媒錯体は、担体および複数の反応性触媒粒子を含む担持型反応性触媒を形成する能力を有し、該反応性触媒粒子は、該反応性触媒粒子の上面の該触媒原子の大半が最隣接原子配位数２を有するように該担体上に分散される
ことを特徴とする中間前駆体組成物。
【請求項６０】
該触媒原子の少なくとも一部分は、パラジウム、白金、イリジウム、金、オスミウム、ルテニウム、ロジウムおよびレニウムを含む群から選択される少なくとも１つの貴金属を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６１】
該触媒原子の少なくとも一部分は、卑遷移金属、希土類金属および非金属を含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６２】
該触媒原子は、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、スズ、亜鉛、タングステン、チタン、モリブデンおよびバナジウムを含むグループから選択される少なくとも１つの卑遷移金属を含むことを特徴とする請求項６１に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６３】
該触媒原子の少なくとも一部分は、ランタンおよびセリウムを含む群から選択される少なくとも１つの希土類金属を含むことを特徴とする請求項６１に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６４】
アルカリ金属またはアルカリ土類金属のうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６５】
該官能基の少なくとも一部分は、少なくとも１つの電子豊富原子に結合される炭素原子を含み、該電子豊富原子は、前記炭素原子よりも電気的陰性であり、および少なくとも１つの該触媒原子との間に結合または引力を形成するように、１つまたは複数の電子を供与することができることを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６６】
該電子豊富原子は酸素または窒素のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６５に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６７】
該電子豊富原子は負電荷を有し、および該触媒原子は正電荷を有することを特徴とする請求項６５に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６８】
該制御剤分子の少なくとも約６０％は直鎖状であることを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項６９】
該制御剤分子の少なくとも約７５％は直鎖状であることを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７０】
該制御剤分子の少なくとも約９０％は直鎖状であることを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７１】
該制御剤分子の少なくとも約９５％は直鎖状であることを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７２】
該制御剤分子の約１００％は直鎖状であることを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７３】
該触媒錯体ならびに任意の残存する触媒原子および制御剤がその中に混合される溶媒またはキャリアをさらに含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７４】
該溶媒またはキャリアは水を含むことを特徴とする請求項７３に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７５】
該溶媒またはキャリアは少なくとも１つの水性酸を含むことを特徴とする請求項７３に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７６】
該溶媒またはキャリアは少なくとも１つの有機溶媒を含むことを特徴とする請求項７３に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７７】
少なくとも１種の担体材料をさらに含むことを特徴とする請求項７３に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７８】
該触媒錯体は該担体材料内に含浸されているが、しかし該担体材料に化学的に結合されていないことを特徴とする請求項７７に記載の中間前駆体組成物。
【請求項７９】
該触媒錯体は該担体材料に化学的に結合されていることを特徴とする請求項７７に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８０】
該触媒錯体が化学的に結合された少なくとも１つの担体材料をさらに含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８１】
該制御剤は、約３００から約１５，０００ダルトンの範囲の数平均分子量を有することを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８２】
該制御剤は、約６００から約６，０００ダルトンの範囲の数平均分子量を有することを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８３】
該制御剤のかなりの部分は、制御剤１分子あたり約４から約２００個の官能基を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８４】
該制御剤のかなりの部分は、制御剤１分子あたり約８から約８０個の官能基を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８５】
該制御剤のかなりの部分は、制御剤１分子あたり約１０から約２０個の官能基を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８６】
約０．５：１から約４０：１までの範囲の制御剤官能基と触媒原子のモル比を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８７】
約１：１から約３５：１までの範囲の制御剤官能基と触媒原子のモル比を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８８】
約３：１から約３０：１までの範囲の制御剤官能基と触媒原子のモル比を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項８９】
該制御剤は、ポリアクリル酸またはポリアクリル酸塩のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項９０】
該制御剤は、ポリ安息香酸ビニル、ポリビニルサルフェート、スルホン化スチレンを含むポリビニルスルホネート、ポリビスフェノールカーボネート、ポリベンゾイミジゾール、ポリピリジン、スルホン化ポリエチレンテレフタラート、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールおよびポリプロピレングリコールを含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項９１】
該触媒錯体は、少なくとも２つの異なるタイプの触媒原子のランダム分布を含むことを特徴とする請求項５９に記載の中間前駆体組成物。
【請求項９２】
制御された配位構造を有する担持型触媒を製造する際に使用される中間前駆体組成物の調製方法であって、
貴金属、希土類金属、遷移金属および非金属を含む群から選択される少なくとも１つの構成要素を含む複数の触媒原子を提供する工程と、
ポリマー、オリゴマーおよび有機化合物を含む群から選択される複数の錯体化分子を含む制御剤であって、それぞれの制御剤分子が、該反応性触媒原子を該制御剤分子に錯体化させるために主鎖に沿って配置される複数の官能基を有し、該制御剤分子の少なくとも約５０％が直鎖状である制御剤を提供する工程と、
該触媒原子および制御剤を液体の中で一緒に混合して混合物を形成する工程と、
該触媒原子の少なくとも一部分を該制御剤の少なくとも一部分と反応させて、担体および複数の反応性触媒粒子を含む担持型反応性触媒を形成する能力を有する触媒錯体を与える工程と
を含み、
該反応性触媒粒子は、該反応性触媒粒子の上面の該触媒原子の大半が最隣接原子配位数２を有するように前記担体上に分散される
ことを特徴とする方法。
【請求項９３】
該触媒錯体を担体と接触させることをさらに含むことを特徴とする請求項９２に記載の中間前駆体組成物の調製方法。
【請求項９４】
該触媒錯体は該担体に含浸されているが、しかし該担体に結合されていないことを特徴とする請求項９３に記載の中間前駆体組成物の調製方法。
【請求項９５】
該制御剤の一部分が該触媒錯体を該担体に化学的に結合させるように、該触媒錯体を該担体と反応させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項９３に記載の中間前駆体組成物の調製方法。
【請求項９６】
該触媒錯体を該担体に結合させる該制御剤の該一部分は、縮合反応によってこれを実行することを特徴とする請求項９５に記載の中間前駆体組成物の調製方法。
【請求項９７】
該担体に結合された該触媒錯体を含む担持型触媒前駆体組成物を与えるように、該液体を除去することをさらに含むことを特徴とする請求項９３に記載の中間前駆体組成物の調製方法。
【請求項９８】
該触媒錯体は、少なくとも異なるタイプの触媒原子のランダム分布を含むことを特徴とする請求項９２に記載の中間前駆体組成物の調製方法。
【請求項９９】
該触媒原子は、希土類金属、卑遷移金属および非金属を含む群から選択される少なくとも構成要素を含むことを特徴とする請求項９２に記載の中間前駆体組成物の調製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、さまざまな化学プロセスにおける使用のための触媒に関する。より詳細には本発明は、制御された配位構造を有する高選択性の担持型触媒（supported catalyst）および該触媒の製造方法に関する。また、本発明は、担持型触媒を製造するために使用される中間前駆体組成物（intermediate precursor composition）および中間前駆体組成物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒は、化学、石油、製薬、エネルギーおよび自動車を含む多くの産業で幅広く使用されている。これらの産業で使用される触媒の多くは、一般に金属または金属と他の元素の組合せである、特定の活性成分の分散粒子に基づく。このタイプの触媒では、物質の触媒的特性は、選択された活性成分のタイプ、すなわち触媒の元素組成、ならびに分散粒子の詳細な構造、すなわち分散粒子の原子スケールの構造および配向の両方によって決まる。
【０００３】
歴史的に、触媒の開発および最適化の研究の多くは、好適な触媒成分の選択にその重点を置いてきた。従来の方法は、触媒開発者に、触媒成分の選択および相対量を制御することを可能にしている。しかしながら、触媒の詳細構造の制御は、特に原子スケールで、はるかに大きな困難を示してきた。原子スケールの構造の制御は、元素組成の選択と同じくらい、効果的な触媒の開発において重要である可能性がある。例えば、詳細な触媒結晶構造の制御は触媒の選択性に直接に関係する可能性がある。特定の触媒活性部位の制御された露出を可能にする方法は、さまざまなタイプの活性部位の混合物を含有する触媒を使用しては現在不可能な程度まで、特定の反応径路が優先されることを可能にするであろう。
【０００４】
好ましい触媒構造を定義する１つの特に有用な方法は表面活性部位の幾何学的配置に基づく。熱力学的考慮から、通常、結晶性材料の粒子が、限定された数の低指数結晶面のうちの１つまたは複数を露出することは、事実である。金属粒子の一般的な低指数結晶面露出は、例えば、面心立方（ＦＣＣ）、体心立方（ＢＣＣ）、六方最密（ＨＣＰ）を含む一般的な結晶格子の１１１、１００および１１０結晶面を含む。例示的な結晶面を図１に概略的に示す。これらの結晶面のそれぞれは、異なる原子配置を有し、したがって特定の化学反応に関して異なる触媒特性を示す可能性がある。したがって、触媒粒子の原子スケールの構造に対する効果的な制御を発揮するための方法が得られるならば、理論的には、触媒機能の大幅な向上を達成することができるであろう。金属結晶表面構造のより詳細な説明は、米国国立標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology：ＮＩＳＴ）のＷＷＷホームページ、具体的には、表面構造データベース（Surface Structure Database：ＳＳＤ）にアクセスすることによって見付けることができる。
【０００５】
触媒開発の長い歴史にもかかわらず、触媒機能を向上させ最適化する手段として分散触媒粒子の詳細結晶構造を制御することを可能にする確実な方法は、たとえあったとしても、わずかである。一つには、これは、原子スケールで構造を制御することの本質的な困難さに起因する。また、これには、所望の原子スケール構造がうまく達成されたかどうかを正確に判定する方法の欠如が関係している。さらに、触媒結晶格子の形状を制御することは同じくらい難しいかもしれないが、当業者は、触媒結晶の結晶面露出を制御することはなおさら難しいと感じるであろう。
【０００６】
活性触媒粒子の結晶格子構造を制御するための試みがなされている。非特許文献１は、成形材料の濃度とイオン性白金の濃度との比を制御することによる、形状制御された白金粒子の合成方法を説明する（非特許文献１参照）。「四面体、立方体、不規則な角柱、二十面体および立方八面体の粒子形状が観察され、それらの分布は、キャッピングポリマー材料と白金カチオンの濃度比に依存していた」（非特許文献１、１９２４ページ）。しかしながら、所与の結晶形状の結晶面露出を制御する方法に関して非特許文献１は何も言及していない。また、非特許文献１は、触媒結晶構造の１つの結晶面露出の別の結晶面露出に対する優位性をどのように選択しまたは増大させるかを教示していないだけでなく、別の結晶面露出に優先する任意の特定の結晶面露出の選択を動機付けるであろう教示または示唆を一切提供していない。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，５００，９６８号明細書
【非特許文献１】Termer S. Ahmadiら（ジョージア工業大学（Geogia Institute of Technology））、「Shape-Controlled Synthesis of Colloidal Platinum Nanoparticles」、Science、第272巻、1924〜26ページ
【非特許文献２】Hiemenz、Polymer Chemistry: The Basic Concepts (1984)、394ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、特定の反応に対して高い特異性を有する担持型反応性触媒および該担持型反応性触媒を製造するための方法を対象とする。該担持型反応性触媒は、制御された配位構造を有する触媒粒子を含み、その中で反応性触媒原子の最上位面すなわち外面の大半が最隣接原子配位数（nearest neighbor coordination number）２を有する。すなわち、担持型反応性触媒の中の触媒的に反応性の原子（触媒反応性原子）は、個々の触媒原子の大半が、触媒粒子の最上位層すなわち外層内で正確に２つの他の触媒原子と配位するように配置される。そのような反応性触媒は、特定の反応に対して高い特異性を有する。
【０００９】
また、本発明は、制御された配位構造を有する担持型触媒を製造するために使用される前駆体組成物、および該前駆体組成物の製造方法を対象とする。本発明の前駆体組成物は、反応性触媒原子の最上位面すなわち外面の大半が最隣接原子配位数２を有する担持型触媒を生成するように設計される。
【００１０】
配位数２を有する触媒反応性原子を担持型触媒の反応性の表面に提供することは、所与の化学反応の化学反応物が、その触媒化学反応中に触媒表面にどのように配置されおよび分布されるかを、大幅に限定する。化学反応物がどのように配置および分布されるかを触媒原子によって限定することは、化学反応物の濃度および同一性を前提として生成しうる可能な反応生成物の範囲およびタイプに直接に影響を与え、およびこれらを制御する。一例として、および限定目的ではなく、酸素および水は一緒に反応して水（Ｈ２Ｏ）および過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）の両方を形成することができるが、水は、熱力学的に優勢であり、反応条件を変更する何らかの方法がない限り、通常は過酸化水素よりも多く形成される。また、このことは、酸素と水素との間の触媒反応の場合にも当てはまり、該反応において水の形成が自然に優勢である。最上位層すなわち外層に配位数２を有するように触媒反応性原子の大半が配置された触媒を提供することは、酸素および水素を含むフィードストリームを使用して水よりも過酸化水素の生成を優先する高い選択性を示すことが現在発見されている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの実施形態では、本発明に従う担持型反応性触媒は、１つまたは複数の制御剤または鋳型剤（templating agent）と錯体化される１つまたは複数の触媒原子を含む中間前駆体組成物から製造されて、触媒反応性原子の大半が最上位層すなわち外層において配位数２を有する触媒粒子の形成を促進する中間触媒錯体を形成する。別の実施形態によれば、本発明に従う前駆体組成物は、１つまたは複数の液体溶媒、キャリアまたは分散剤をさらに含む。さらに別の実施形態によれば、本発明に従う前駆体組成物は、１つまたは複数の担体粒子または基体をさらに含む。
【００１２】
本発明の前駆体組成物は、触媒反応性原子を担体に付着させる方法と相まって、触媒クリスタリットのどの面を主に露出させるかを制御する。配位数２を有する低指数結晶面の例は、最上位層すなわち外層に直線的な原子列を含む面心立方（ＦＣＣ）または六方最密充填（ＨＣＰ）結晶格子の（１１０）結晶面、ＨＣＰ結晶格子の（１０１）、（１２２）または（１２０）結晶面、および体心立方（ＢＣＣ）結晶格子の（１１２）、（１２２）または（１２３）結晶面を含む。触媒結晶またはクリスタリットの形成は、不可避的に起こる可能性があり、および触媒原子の最上位層すなわち外層が配位数２を有する触媒粒子を生成するための、現在暗黙の方法である。それにもかかわらず、少なくとも理論的には、触媒反応性原子が触媒結晶を形成すること自体は必須でなく、担体に付着する触媒粒子の最上位層すなわち外層の原子の大半が配位数２を有することのみが必須である。原子が、一直線の列として、ジクザグフォーメーションに、あるいは均一な形状を持たずあまり秩序のない列に並んでいるかどうかにかかわらず、触媒反応性原子の大半が配位数２を有する限り、高い反応特異性を得ることが可能であろう。
【００１３】
１つの実施形態によれば、有利には、担持型触媒の触媒反応性原子の少なくとも約５０％は、原子の最上位層すなわち外層において配位数２を有する。好ましくは触媒反応性原子の少なくとも約６０％が原子の最上位層すなわち外層において配位数２を有し、より好ましくは触媒反応性原子の少なくとも約７０％が最上位層すなわち外層において、なおとりわけ好ましくは触媒反応性原子の少なくとも約８０％が最上位層すなわち外層において、最も好ましくは触媒反応性原子の少なくとも約９０％が最上位層すなわち外層において、配位数２を有する。最上位層すなわち外層において触媒反応性原子の少なくとも約９５％が配位数２を有する場合、反応選択性はよりいっそう高まると予想される。最上位層すなわち外層の触媒反応性原子の１００％が配位数２を有する場合、反応選択性は最大となろう。
【００１４】
本発明に従う担持型触媒は、最上位層すなわち外層の原子の大半が配位数２を有する反応性触媒原子を提供することに加えて、（ａ）サイズが小さく（例えば１０ナノメートル以下）、（ｂ）均一なサイズ、形状および分布を有し、（ｃ）集塊化および／または結晶面再配向を阻止するように担体に確実に固定される、個々の触媒粒子を含んでもよい。
【００１５】
さまざまな異なる元素を担持型触媒内の反応性触媒原子として使用することができる。例えば触媒原子は、１つまたは複数の貴金属、卑遷移金属（base transition metal）、希土類金属、および非金属さえをも含むことができる。上記の触媒原子の他に、アルカリ金属およびアルカリ土類金属が存在してもよい。上記の触媒原子を、希望に応じて単独でまたは組み合わせて利用して、１つまたは複数の目標とされる化学反応に関連する所望の触媒反応性および／または選択性を有する担持型触媒を生成することができる。
【００１６】
本発明は、１つまたは複数の触媒原子と錯体化させて中間触媒錯体を形成するときに、触媒反応性原子の最上位層すなわち外層が配位数２を有する担持型触媒の形成に使用することができる、さまざまな異なる制御剤または鋳型剤の使用を企図する。１つの態様では、制御剤または鋳型剤は、前駆体溶液中で所望の触媒原子と錯体を形成する能力がある。特異的な構造および化学特性のため、制御剤は、触媒粒子またはクリスタリットの形成に介在し、特異的かつ所望の構造の優先的な形成をもたらす。具体的には、中間触媒錯体は触媒粒子形成中に相互作用して、触媒反応性原子の最上位層すなわち外層が最隣接原子配位数２を有する制御された配位結晶面構造の優勢な露出を有する分散された粒子構造の形成を誘導する。
【００１７】
本発明の範囲に含まれる制御剤は、さまざまな異なるポリマー、オリゴマーまたは有機分子を含む。それぞれの制御剤分子は、制御剤に対して触媒反応性原子を錯体化するための複数の官能基がそれに沿って配置される構造主鎖を有する。いくつかのケースでは、触媒原子は、２つ以上の異なる化合物またはポリマーによって提供される官能基によって錯体化されてもよい。例えば、原子価２の８つの触媒原子は、一方の側で第１のポリマー、オリゴマーまたは有機分子によって提供される８つの官能基によって、および反対側で第２のポリマー、オリゴマーまたは有機分子によって提供される８つの官能基によって、錯体化されてもよい。
【００１８】
最上位層すなわち外層で配位数２を有するように担体上に配置される触媒反応性原子の傾向は、枝分れ状である分子ではなく、制御剤を構成する直鎖状分子のパーセンテージによって、少なくとも部分的に決定されることが現在見出されている。より具体的には、直鎖状分子のパーセンテージを増大させることが、配位数２を有する触媒反応性原子の傾向を高めることが見出されている。このことを考慮して、制御剤は、典型的には、少なくとも約５０％が直鎖状であるポリマー、オリゴマーまたは有機分子を含む。好ましい実施形態では、制御剤のポリマー、オリゴマーまたは有機分子の少なくとも約６０％、より好ましくは少なくとも約７５％、さらにより好ましくは少なくとも約９０％、最も好ましくは少なくとも約９５％が直鎖状である。最上位層すなわち外層で配位数２を有するように配置される触媒反応性原子の傾向は、制御剤を構成するポリマー、オリゴマーまたは有機分子の１００％が直鎖状である場合に最大となる。
【００１９】
いくつかのケースでは、制御ポリマー、オリゴマーまたは有機分子が直鎖状である傾向は、分子量の低下とともに高まる。低分子量のより線状である制御ポリマーまたはオリゴマーの例はポリアクリル酸である。ポリアクリル酸の分子量を低下させることは、その長さを減少させ、このことは、言い換えると、特定のポリアクリル酸ポリマーまたはオリゴマーが枝分れ化される可能性を統計学的に低下させる。過剰の制御剤の使用は、サイズがより小さく、担体表面により均一に分散される触媒活性粒子をもたらすと考えられる。
【００２０】
また、最終的な担持型触媒がどのように形成されるかに依存して、制御剤は、反応性触媒粒子を担体に化学的に固定する働きをする可能性がある。好ましくは、担体は、例えば縮合反応によって、制御剤の１つまたは複数の官能基に化学的に結合することができる複数のヒドロキシル基または他の官能基を、その表面に有する。また、制御剤の１つまたは複数のさらなる官能基は、触媒粒子内の１つまたは複数の原子に結合され、それによって触媒粒子を担体に固定する。触媒粒子を担体に確実に固定することは、触媒粒子の使用可能な表面積を低減させるであろう触媒粒子が集塊化される傾向を低減させることによって、時間が経過しても触媒を活性に保つのに役立つ。また、触媒粒子を担体に固定することは、担体から完全に分離される触媒粒子の傾向を低減または排除する。このような分離も触媒の効力を低減させる可能性がある。
【００２１】
本発明に従う触媒粒子を任意の知られている担体上に配置することは本発明の範囲である。担体は２次元または３次元であってもよく、多孔質または非多孔質であってもよく、および有機材料または無機材料を含んでもよい。担体はそれ自体が触媒であってもよく、または不活性であってもよい。例示的な担体材料は、アルミナ、シリカ、チタニア、キースラガー（kieselguhr）、ケイ藻土、ベントナイト、クレー、ジルコニア、マグネシアはもちろん他のさまざまな金属酸化物の、単独または組合せを含み、これらに限定されない。例示的な担体材料は、秩序多孔質構造を有する天然または合成のゼオライトとして集合的に知られている多孔質固体のクラスを含む。いくつかの用途に好ましい担体の別の重要なクラスは、カーボンブラック、活性炭、黒鉛、フッ素添加炭素（fluoridated carbon）などのような炭素ベースの材料である。また、担体材料は金属または金属合金で構成されてもよい。
【００２２】
中間前駆体組成物において錯体化される触媒原子は、一般に、塩化物、硝酸塩、リン酸塩、硫酸塩、タングステン酸塩、酢酸塩、クエン酸塩およびグリコール酸塩を含む金属塩溶液またはコロイド懸濁液の形態をとり、これらに限定されない。触媒成分または制御剤のビヒクルとして溶媒を使用することができる。好ましい溶媒は、水、希釈水性酸（dilute aqueous acids）、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノールおよびイソプロパノール、アセトニトリル、アセトン、テトラヒドロフラン、エチレングリコール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、塩化メチレン、およびそれらの混合物などを含む。該前駆体溶液またはコロイド懸濁液は、有機酸および無機酸を含む任意の適当な酸で酸性化されてもよい。
【００２３】
本発明に従う中間前駆体組成物および担持型触媒を製造する例示的な方法は、溶液中の触媒原子を（例えばイオン性塩の形態で）準備する工程、溶液中の制御剤を（例えばカルボン酸塩の形態で）準備する工程、および触媒原子を制御剤と反応させて、触媒原子と制御剤との触媒錯体を含む中間前駆体組成物を形成する工程を含む。本発明の１つの態様では「中間前駆体組成物」を、周囲の溶媒またはキャリアを除いて触媒原子および制御剤から形成される中間触媒錯体であると考えてもよい。実際、このような錯体を溶液中にまたはコロイド懸濁液として生成し、次いで、後に適当な溶媒またはキャリアに加えて触媒錯体を含む溶液またはコロイド懸濁液を再構成することができる固体前駆体触媒錯体をもたらすように、溶媒またはキャリアを除去することは本発明の範囲内である。したがって本発明の別の態様では、本発明に従う「中間前駆体組成物」は、その中に中間触媒錯体が分散した１つまたは複数のの異なる溶媒またはキャリアを含んでもよい。
【００２４】
次に、担体に触媒錯体を付着または含浸させるために、典型的には適当な液体溶媒またはキャリアを用いて、中間触媒錯体を担体に付着させる。その後、任意選択で、制御剤を担体に結合させる反応ステップに関連して、溶媒またはキャリアを除去する。これは、その中で触媒原子が所望のやり方で配置されるが、しかしまだ露出または別な方法で活性化されない、担持型前駆体触媒をもたらす。以上のことを考慮して、用語「中間前駆体組成物」は、同様に、触媒錯体と、触媒錯体がその上に付着される担体とを含むことができる。
【００２５】
触媒原子の少なくとも一部分を露出させ、活性な担持型触媒を生成するために、制御剤の一部分を、例えば還元（例えば水素化）または酸化によって除去する。本明細書で論じられるように、制御剤の一部分を除去することは、触媒原子を露出させるだけでなく、触媒原子を崩壊または合体させて、触媒原子を所望の配置（すなわち、その中で触媒原子の大半が最隣接原子配位数２を有する）を可能にするかまたは引き起こすと考えられる。好ましい実施形態では、制御剤を除去して触媒原子を露出させるプロセスを慎重に制御して、触媒粒子を担体に確実に固定するように制御剤の十分な量が残ることを保証する。したがって、少なくとも担体と該担体に面する触媒粒子の下面との間に間置される制御剤のその一部分は、好都合に、無傷のまま残される。制御剤の残存物は「固定剤」を構成すると考えられる可能性がある。（制御剤の残存する部分に加えて、「固定剤」は任意選択で、触媒粒子と担体との間に間置されて触媒粒子を担体に固定するのを助ける他のポリマー、オリゴマーまたは有機化合物を含んでもよい。）
【００２６】
一方、触媒粒子を担体に固定するための制御剤がほとんどまたは全く残存しない程度にまで制御剤を除去することは、担持型触媒の長期安定性を低下させることが見出された。制御剤の全てを除去することは、担持型触媒の長期安定性を大幅に低下させる可能性がある。制御剤の全てを除去することは、当初は、所望の結晶面露出を有する触媒粒子をもたらすが、一方、不適当な制御剤を残し、および／または触媒粒子を担体に確実に結合するための別のポリマー、オリゴマーまたは有機化合物を提供しそこなうことは、より相当に移動性である触媒粒子をもたらす。このことは、言い換えると、熱に対して露出され（例えば、触媒使用時など）、および／または担体から完全に分離される場合に集塊化する触媒粒子のより大きな傾向をもたらす。
【００２７】
結果として生じる担持型触媒を任意選択で熱処理して、触媒原子をさらに活性化させることができる。担持型触媒を熱処理することは、担持型触媒の触媒活性を増進させることが見出された。また、このことは、改良された活性および／または選択性を有する担持型触媒をもたらす可能性がある。
【００２８】
一例として、本発明に従う担持型触媒は、以下の化学反応を触媒的に促進するのに有用である可能性がある。
【００２９】
１．水の代わりに過酸化水素を選択的に形成するための、水素および酸素を伴う反応。そのように形成される過酸化水素を、製品として使用または販売し、あるいは統合された製造プロセスにおいて酸化剤として使用して、他の化学製品を生成してもよい；
２．化学製品を形成するための、水素、酸素および有機化合物を伴う反応、例えば、有機化合物と反応して他の化学製品を形成する中間酸化剤としての過酸化水素のインサイチュー形成；
３．酸化された化学製品を形成するための、酸素および有機化合物を伴う反応、すなわち中間体としての過酸化水素を使用しない直接酸化；
４．化学製品または燃料製品を形成するための、水素と有機化合物との間の反応、すなわち水素化、水素処理および水素化分解；
５．水素を遊離させるための化学製品の反応、すなわち脱水素および改質；および
６．燃料電池電極における水素および／または酸素の電気化学的反応。
【００３０】
また、特定の溶媒溶解度パラメータ（Solvent Solubility Parameter：ＳＳＰ）を有する有機溶媒中でプロセスを実施することによって、水素および酸素からの過酸化水素の製造に関してさらなる改良を行うことができることが発見された。本発明の特徴は、選択された有機溶媒を少なくとも部分的に含む液体媒質の中で過酸化水素の合成反応を実施することによって達成される重大な性能向上の発見である。さまざまな知られている有機溶媒を使用してもよいが、適当な溶媒の選択は、触媒性能の向上、再循環のために過酸化水素を含有する液体生成物から液体溶媒を分離することの容易さ、過酸化水素生成物の最終用途、および溶媒と過酸化水素との間に起こる副反応の可能性を含むさまざまな因子に左右される。
【００３１】
有機溶媒を純粋な溶媒として、または水との混合物として使用してもよく、その選択は、固有の溶媒選択パラメータ（Solvent Selection Parameter：ＳＳＰ）によって定義される同様の因子に関連する。溶媒選択パラメータは、溶媒中の水素の溶解度に基づいて定義され、具体的には以下のように定義される。
【００３２】
溶媒選択パラメータ＝Σ（ｗｉ×Ｓｉ）
式中、
ｗｉは、液体反応混合物中の溶媒成分ｉの重量分率；
Ｓｉは、２５℃、１気圧の標準状態におけるモル分率で表される純粋成分ｉ中の水素の溶解度；および
記号「Σ」は、液体反応混合物を構成する成分の総和を示す。
【００３３】
溶媒選択パラメータ（ＳＳＰ）は、公開文献において入手可能である水素の溶解度データに基づいて簡単に計算できる。溶媒選択パラメータは、異なる液体を混合する際に起こる可能性がある水素溶解度の非線形変化を考慮しないが、しかしながら、溶媒選択パラメータは、本発明を実施するための液体媒質向けの好適な有機溶媒の選択において非常に有用であることが見出された。
【００３４】
本発明のために有用な有機溶媒は、アルコール、ケトン、アルデヒド、フラン（例えばＴＨＦ）、エーテル、エステルのような酸素含有化合物、ニトリル、アミン、アミド（例えばＤＭＦ）のような窒素含有化合物、有機ホスフィンオキシドのようなリン含有化合物、脂肪族炭化水素および芳香族炭化水素のような炭化水素など、またはこれらの混合物を含む。好ましい溶媒は、水と混和性であり、過酸化水素に対して良好な溶解度を有する溶媒である。なぜならば、本発明の実施においては、一相の液体反応媒質が優れた収率の成果を提供することが見出されているためである。さらに、溶媒は、水または過酸化水素の沸点よりも低い沸点を有することが好ましい。こうすると、過酸化物を含有する生成物から蒸留ステップによってオーバーヘッドストリームとして溶媒を回収することができる。そのような、より低い沸騰温度の関係は、より重い溶媒から過酸化水素のオーバーヘッドを蒸留する危険な操作の必要性を回避する。好ましい溶媒の例は、エタノール、メタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノールのような軽質アルコール、アセトンのような軽質ケトン、アセトニトリル、１−プロピルアミンのような窒素含有溶媒である。
【００３５】
１つまたは複数の反応促進剤を含めることによって触媒活性をさらに高めることができる。過酸化水素の製造では、臭化ナトリウムのような金属ハロゲン化物が、過酸化水素を生成する酸素と水素の反応を促進することが示された。
【００３６】
本発明のこれらの利点および特徴ならびにその他の利点および特徴は、以下の説明および添付の請求項からより明白となり、または以下に記載される本発明の実施によって知ることができる。
【００３７】
次に、本発明の上記の利点および特徴ならびにその他の利点および特徴を明らかにするため、添付図面に示される本発明の具体的な実施形態を参照することによって本発明をより詳細に説明する。これらの図面は本発明の代表的な実施形態のみを示すものであり、したがってこれらの図面を本発明の範囲を限定するものとみなしてはならないことを理解されたい。添付の図面を使用することによって、本発明をさらに具体的および詳細に記載しおよび説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
Ｉ．緒言および定義
本発明は、制御された配位構造を有する担持型反応性触媒を対象とする。具体的には、担持型触媒の触媒粒子中の反応性触媒原子の最上位層すなわち外層の大半が最隣接原子配位数（nearest neighbor coordination number）２を有する。そのような担持型触媒は、さまざまな異なる化学反応に対して高い特異性を示す。また、本発明は、中間前駆体組成物、該前駆体組成物の製造方法、および該前駆体組成物から担持型反応性触媒を製造する方法に関する。
【００３９】
用語「前駆体組成物（precursor composition）」は、制御された配位構造を有する反応性担持型触媒の製造に使用される一連の中間組成物を指す。前駆体組成物自体は、さらに処理されない限り、触媒的に活性でなくてもよい。本発明の前駆体組成物の例は、（１）制御剤と錯体化した触媒原子を含む中間触媒錯体、（２）中間触媒錯体と液体溶媒またはキャリアとを含む溶液またはコロイド懸濁液、（３）中間触媒錯体と、溶媒またはキャリアと、担体とを含む溶液またはコロイド懸濁液（触媒錯体が担体に実際に結合しているか否かは問わない）、ならびに（４）溶媒またはキャリアの非存在下で担体に結合した中間触媒錯体が含まれる。
【００４０】
用語「中間触媒錯体（intermediate catalyst complex）」および「触媒錯体」は、その中で制御剤または鋳型剤と１つまたは複数の異なるタイプの触媒原子との間に結合または配位錯体が形成される、溶液、コロイドまたは懸濁液を指す。制御剤と触媒原子との間の「結合」はイオン性、共有結合性、静電性であってもよく、または、非結合電子との配位、ファンデルワールス力などの他の結合力を含んでもよい。
【００４１】
用語「制御剤（control agent）」および「鋳型剤（templating agent）」は、本発明の制御された配位構造を有する担持型触媒粒子の形成を促進するポリマー、オリゴマーまたは有機化合物のクラスを指す。中間前駆体組成物の範囲では、触媒原子の溶液中またはコロイド縣濁液中の溶液または分散液を形成するために、制御剤または鋳型剤は、まず、触媒原子と中間触媒錯体を形成する。担体上に付着されると、中間触媒錯体は触媒原子の秩序配列を形成する。制御剤の一部を除去すると、露出される触媒原子の大半は最隣接原子配位数２を有するように配置される。
【００４２】
用語「触媒原子」は、制御剤または鋳型剤と錯体化して中間触媒錯体を形成する金属または非金属原子を指す。制御剤の一部を除去した後に、触媒原子は、所望の化学反応を触媒的に促進することのできる「反応性触媒原子」となる。
【００４３】
用語「触媒粒子」は担持型触媒の触媒的に活性な部分を指す。いくつかの（またはおそらく全ての）ケースで、触媒粒子は、その中で反応性触媒原子が秩序結晶構造に配置された「結晶粒子」である。とは言え、その中で活性な触媒粒子が秩序結晶構造に配置されていない担持型反応性触媒を形成することも本発明の範囲に含まれる。本発明に従う本発明の触媒粒子の顕著な特徴は、触媒粒子の最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の大半が最隣接原子配位数２を有することである。
【００４４】
用語「結晶面」は、触媒結晶内の反応性触媒原子の最上位層すなわち外層を指す。用語「結晶面露出」および「結晶面曝露」は、特定の結晶面内の触媒原子の具体的な配置を指す（例えば、低指数結晶面露出（１００）、（１１０）および（１１１））。
【００４５】
本明細書では、用語「制御された相曝露」または「制御された面露出」は、触媒結晶または粒子が、所望の配位構造に触媒原子の最上位層すなわち外層を有する状況を指すために使用される。
【００４６】
用語「配位数２」は、低指数であるかまたは高指数であるかにかかわらず、最上位層すなわち外層の反応性触媒原子が、所与の列の末端の原子を除いてそれぞれの原子が正確に２つの他の触媒原子と配位するように配置される結晶面露出を指す。それぞれの列の末端の原子は、もちろん他の１つの触媒原子としか配位しないが、最隣接原子配位数２を有する最上位層すなわち外層の触媒原子のパーセンテージを測定する目的のために、「配位数２」を有するとみなされる。実際には結晶でない触媒粒子の場合、最上位層すなわち外層の反応性触媒原子は、真の結晶面を実際に模倣してもしなくてもよい。
【００４７】
用語「担持型反応性触媒（supported reactive catalyst）」は、担体に付着される１つまたは複数の触媒粒子を含有する組成物を指す。担体自体は、触媒的に活性であってもよく、または触媒的に不活性であってもよい。
【００４８】
ＩＩ．制御された配位構造を有する担持型反応性触媒の概要
本発明の担持型反応性触媒は、その中で最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の大半が最隣接原子配位数２を有する触媒粒子を含む。用語「配位数２」が意味すること、およびそのように配置された反応性触媒原子が特定の反応に対して高い選択性を示す理由をよりよく理解するため、図１および２を参照する。
【００４９】
図１Ａおよび１Ｂは、望ましい結晶面露出または望ましくない結晶面露出を概略的に説明する。望ましい体裁は、結晶面の触媒原子の最上位層すなわち外層が主として配位数２を示すことによって識別され、それに対して望ましくない結晶面露出はそれよりも大きな配位数を有する。図１ＡのＦＣＣ（１１０）面露出およびＨＣＰ（１２０）面露出は、最上位層すなわち外層の原子が配位数２を有する望ましい原子配置の例である。ＦＣＣ（１１０）面露出の最上位層すなわち外層の原子は直線的型式に配置されており、一方、ＨＣＰ（１２０）面露出の最上位層すなわち外層の原子はジクザグ型式に配置されている。いずれのケースでも、最上位層すなわち外層のそれぞれの触媒原子は正確に２つの他の触媒原子と配位する（１つの触媒原子と配位するそれぞれの列の末端の原子を除く）。以下により十分に論じるように、触媒原子のこの配置は、酸素および水素を含むフィードストリームを使用する反応を触媒するためにこの触媒が使用される場合、水の形成の代わりに過酸化水素の形成に有利に働く。
【００５０】
この好ましい面露出とは対照的に、図１ＢのＦＣＣ（１００）面露出およびＦＣＣ（１１１）面露出は、最上位層すなわち外層の触媒原子が３つ以上の他の触媒原子と配位しているため、あまり望ましくないまたは望ましくない配置の例である。ＦＣＣ（１００）面露出の場合、最上位層すなわち外層において、内部の触媒原子はそれぞれ４つの他の触媒原子と配位している。ＦＣＣ（１１１）面露出では、最上位層すなわち外層の内部の触媒原子はそれぞれ６つの他の触媒原子と配位している。ＦＣＣ（１００）面露出およびＦＣＣ（１１１）面露出はともに、水よりも過酸化水素に対して非選択性である。水は熱力学的に優勢であるため（すなわち、水は過酸化水素よりもはるかに安定であるため）、ＦＣＣ（１００）面露出およびＦＣＣ（１１１）面露出はともに水の形成に有利に働く。
【００５１】
その中で最上位層すなわち外層の反応性触媒原子が最隣接原子配位数２を有する触媒粒子が、熱力学的には水よりも劣勢な過酸化水素の形成に有利に働く理由をよりよく説明するために、図２Ａおよび２Ｂを参照する。図２Ａに見られるように、望ましい露出を有する触媒原子は、少なくとも理論的には過酸化水素の生成しか可能にしない体裁において、触媒粒子表面への水素および酸素の制御された表面吸着を可能にする。水素および酸素はともに、２つの水素原子（Ｈ−Ｈ、またはＨ２）または２つの酸素原子（Ｏ＝Ｏ、またはＯ２）を含む２原子分子としてそれぞれ存在する（「−」は単結合を表し、「＝」は２重結合を表す）。ＦＣＣ（１１０）面露出およびＨＣＰ（１２０）面露出の触媒原子に吸着されるとき、またはこれらと配位するとき、酸素は通常２つの結合を形成するが、水素は１つの結合しか形成しないので、個々の水素原子と酸素原子との間の反応を促進する水素分子と酸素分子の唯一の配置は、図２Ａに示されるように（Ｈ  Ｏ  Ｏ  Ｈ）である。配位した水素原子と酸素原子との間の分子結合が形成されると、過酸化水素分子（Ｈ−Ｏ−Ｏ−Ｈ）が形成される。
【００５２】
配位数２を有する４つの触媒原子の群毎に関連する、水素と分子との唯一の他の可能な配置、すなわち（Ｈ  Ｈ  Ｈ  Ｈ）、（Ｏ  Ｏ  Ｏ  Ｏ）および（Ｈ  Ｈ  Ｏ  Ｏ）は、水素と酸素との間の反応を促進しない。水（Ｈ−Ｏ−Ｈ）を形成するためには２つの水素と配位する孤立した酸素原子（Ｈ  Ｏ  Ｈ）が必要となるため、Ｈ２分子とＯ２分子の配置は水の形成を促進しない。しかしながら、典型的な反応条件下の酸素ガスのフィードストリーム内には孤立した酸素原子は通常検出されない。したがって、過酸化水素の形成は、水の形成よりも優勢である。
【００５３】
ＦＣＣ（１１０）面露出およびＨＣＰ（１２０）面露出とは対照的に、最上位層の原子の望ましくない表面配位、例えばＦＣＣ（１００）面露出およびＦＣＣ（１１１）面露出は、水を超える過酸化水素の生成に対する特異性を示さない。図２Ｂは、ＦＣＣ（１１０）面露出およびＨＣＰ（１２０）面露出の両方の触媒原子に吸着されまたはこれらと配位する場合の酸素原子および水素原子の可能な配置を示す。酸素および水素がそのように配置される場合、水だけが形成される。明らかに、図２Ｂは過酸化水素の生成の最悪のケースのシナリオを示す。ＦＣＣ（１１０）面露出およびＨＣＰ（１２０）面露出の触媒原子に吸着されまたはこれらと配位する水素分子と酸素分子のランダムな分布を前提とすると、過酸化水素と水の両方が生成されうる。しかしながら、水のほうがはるかに安定なので、水の生成は、過酸化水素よりも熱力学的に優勢である。
【００５４】
過酸化水素の代わりに水を生成する慣用の触媒の傾向に打ち勝つためには、過酸化水素形成の商業的に実行可能な濃度を得るために、他の戦略をとらなければならない。例えば、水素よりも酸素に大幅に富んだフィードストリームは、酸素原子および水素原子が過酸化水素を形成するように触媒表面上に配置される可能性を高めることができる。しかしながら、酸素と水素との相対濃度をこのように大幅に変化させることは、反応を減速し、収率を低下させる可能性がある。対照的に、その中で触媒原子の大半が配位数２を有する触媒を使用することは、触媒だけに基づいて、水よりも過酸化水素の生成に有利に働く。これは慣用の触媒に勝る大きな利点である。
【００５５】
図１および２に示される結晶相露出は、配位数２を有する最上位層すなわち外層の触媒原子の非限定的な例であることを理解されたい。本発明は、最隣接原子配位数２を示す任意の配置（すなわち、その中で全ての他の近隣の原子が、最も近い隣接原子との間隔（最隣接原子間隔）よりも大きな間隔を空け、最上位層もしくは外原子層に位置せず、あるいはその両方である）を企図する。本発明の目的上、上記の説明で述べた最隣接原子間隔は、結晶の最上位原子層内の実際の最隣接原子間隔である。この間隔は、触媒成分のバルク結晶格子の最隣接原子間隔と同様であることもあるが、結晶性物質の露出した表面で起こる可能性のある結晶構造の変形または緩和のため、このバルク間隔とはある程度異なることもある。
【００５６】
好ましい配位構造は、最隣接配位部位に位置する吸着された成分間の反応を促進し、一方、最隣接原子間隔よりも広い間隔のある場所に位置する非配位部位間で起こる反応を妨げまたは実質的に防止するものであると考えられる。触媒表面の分子間または原子間の反応に使用可能な最隣接部位の数を制限することによって、制御された配位構造は、本発明の触媒を使用して達成することができる非常に高い選択性に対して責任を負うと考えられる。例えば、配位数２を有する最上位面すなわち外面原子を含む含パラジウム触媒を使用して水素および酸素ガスフィードストリームから過酸化水素を生成する本発明の１つの応用では、最大１００％の選択性を達成することができる。
【００５７】
先に論じたとおり、本発明に従う制御された配位構造は、図１Ａに示されるＦＣＣ（１１０）面のような直線的配列、または図１Ａに同様に示されるＨＣＰ（１２０）面のようなジグザグ配列を含むことができる。また、本発明の制御された配位構造は、適当な配位構造を有することが見出されていてかつ本発明の触媒のために有用な構造である、いくつかの低指数結晶面群を含む。その例は以下のものを含む。
【００５８】
（ａ）ＦＣＣ（面心立方）格子の（１１０）面
（ｂ）ＦＣＣ格子の（２２１）、（３３１）および（３３２）結晶面
（ｃ）（２２０）、（３３０）などを含むＨＣＰ（六方最密）格子の（１１０）結晶面
（ｄ）（２０２）、（３０３）などを含むＨＣＰ格子の（１０１）結晶面
（ｅ）ＨＣＰ格子の（１２２）結晶面
（ｆ）ＨＣＰ格子の（１２０）結晶面
（ｇ）ＢＣＣ（体心立方）格子の（１２２）結晶面
（ｈ）ＢＣＣ格子の（１１２）および（１２３）結晶面
上記の結晶面表示の全てにおいて、それぞれの名前を挙げた結晶面は、その各々が先に挙げたものと等価である多くの代替ミラー指数表示を有することを当業者は理解されたい。名前は挙げなかったが等価の結晶面表示は全て、本発明の範囲に含まれることを理解されたい。例えば、ＦＣＣおよびＢＣＣ結晶格子では、３つの座標の方向が全て等価である。この例では、（１１０）結晶面が（１０１）結晶面および（０１１）結晶面と同一である。ＨＣＰ格子では最初の２つの座標だけが等価である。例えば、（１０１）結晶面と（０１１）結晶面は同一であり、一方、（１１０）結晶面は異なっている。
【００５９】
最上位層すなわち外層の触媒原子が２つの触媒原子だけと最隣接配位している限り、理論的には、用語「配位数２」は、触媒的に反応性の原子（触媒反応性原子）を任意の配置で含む可能性がある。図３に示されるように、最隣接原子配位数２を示す最上位層すなわち外層原子の代替配置は、秩序結晶格子に通常は関連しないより秩序のない列を含む可能性がある。触媒原子の最上位層すなわち外層が最隣接原子配位数２を有する限り、そのタイプの触媒粒子も、水よりも過酸化水素の生成に対してやはり有利に働くはずである。
【００６０】
１つの実施形態によれば、有利には、担持型反応性触媒の最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の少なくとも約５０％が配位数２を有する。好ましくは、最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の少なくとも約６０％が配位数２を有し、より好ましくは最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の少なくとも約７０％が配位数２を有し、より特に好ましくは最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の少なくとも約８０％が配位数２を有し、最も好ましくは最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の少なくとも約９０％が配位数２を有する。最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の少なくとも約９５％が配位数２を有する場合、反応選択性はなおさらに増大すると予想される。最上位層すなわち外層の反応性触媒原子の１００％が配位数２を有する場合、反応選択性は最大になるであろう。
【００６１】
本発明の触媒粒子は任意のサイズで存在することができるが、本発明の触媒粒子は１〜１００ｎｍのサイズ範囲における小さなサイズの粒子であることが好ましい。また、必須ではないが、触媒粒子が全体に均一なサイズの粒子であることも好ましい。例えば粒子の集塊化または焼結による活性の低下、選択性の低下のような望ましくない効果につながる可能性がある粒子間相互作用の効果を低減させるために、触媒粒子が担体上に均一に分散されているとさらに好ましい。
【００６２】
２つ以上の異なるタイプの触媒原子が使用される場合、本明細書に記載の概念によれば、担持型触媒は、触媒原子の均一分布を含むことが可能である。これは、同種の原子を引きつけて集合する触媒原子の自然の傾向のために、その中で異なる触媒原子が典型的に一緒にクラスター化する担持型触媒を製造する慣用の方法から、著しく逸脱している。例えばパラジウムと白金との混合物を含む慣用の触媒では、パラジウム原子の大部分が、パラジウムが支配的である結晶に一緒にクラスター化し、白金原子の大部分が、白金が支配的である結晶に一緒にクラスター化する。対照的に、制御剤または鋳型剤を使用して個々の原子を錯体化する能力は、後により十分に論じるように、２つ以上の異なるタイプの触媒原子の密接な、高度にランダム化された混合を可能にする。
【００６３】
制御された配位構造を有する担持型反応性触媒は、過酸化水素の形成、有機分子の酸化における中間反応物としての過酸化水素の形成および使用、有機分子の直接酸化、水素化、還元、脱水素、ならびに潜在的に燃料電池の製造を含む、さまざまな反応において有用である。
【００６４】
次に、本発明に従う触媒粒子を形成するために選択することができる触媒材料、制御剤、担体材料および他の成分を、詳細に論じる。
【００６５】
Ｃ．中間前駆体組成物および中間前駆体組成物から製造される担持型反応性触媒に中間前駆体組成物が及ぼす影響
一般に、望ましい制御された配位構造を生成するように設計される中間前駆体組成物から、本発明に従う本発明の担持型触媒を製造することができる。中間前駆体組成物は、望ましい制御された配位構造を有する任意の成分（触媒粒子が最上位層すなわち外層に触媒原子の大半を含む担持型触媒の形成を助ける）を含んでもよい。このような成分の例は、触媒原子、制御剤または鋳型剤、触媒原子と制御剤とから形成された中間触媒錯体、溶媒またはキャリア、および担体材料を含むが、これらに限定されるわけではない。前駆体組成物は、１つまたは複数の異なるタイプの触媒原子と１つまたは複数の制御剤または鋳型剤とから形成される中間触媒錯体を典型的に含む。
【００６６】
Ａ．中間触媒錯体
中間触媒錯体は、１つまたは複数の異なるタイプの制御剤または鋳型剤と錯体化される１つまたは複数の異なるタイプの触媒原子を含む。そのように錯体化されるときには、中間触媒錯体を使用して担持型反応性触媒を製造し、および制御剤の一部分を除去して触媒原子の一部分を望ましい形で露出させるときに、反応性触媒原子の大半が望ましい制御された配位構造を有するように触媒原子が配置される。
【００６７】
１．触媒原子
触媒活性を示すことができる元素のうち任意の元素または元素群を使用して、本発明に従う触媒錯体および触媒を形成することができる。これらは、主触媒活性を示す元素または元素群、ならびに促進剤および改質剤を含む。主触媒活性成分としては金属が好ましい。例示的な金属は、貴金属、卑遷移金属および希土類金属を含むことができる。また、触媒粒子は、非金属原子、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を、典型的には改質剤または促進剤として含んでもよい。
【００６８】
触媒活性を示すことができる卑遷移金属の例は、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、スズ、亜鉛、タングステン、チタン、モリブデン、バナジウムなどを含んでもよいが、これらに限定されるわけではない。これらを、単独で、または卑遷移金属どうしとのさまざまな組み合わせにおいて、あるいは貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、または非金属のような他の元素との組み合わせにおいて使用することができる。
【００６９】
触媒活性を示す、白金族金属とも呼ばれる貴金属の例は、白金、パラジウム、イリジウム、金、オスミウム、ルテニウム、ロジウム、レニウムなどを含む。これらを、単独で、または貴金属どうしとのさまざまな組み合わせにおいて、あるいは卑遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、または非金属のような他の元素との組み合わせにおいて使用してもよい。
【００７０】
さまざまな理由から貴金属は本発明で使用するのに特に適している。貴金属は、多数の化学変換において有用である高度に活性な触媒である。分散させると、貴金属は、望ましい制御された配位表面構造をその表面に形成することができる、貴金属結晶格子の知られている低指数結晶面のうちの１つまたは複数の結晶面を有する小さなクリスタリットを形成することができる。貴金属は非常に高価なので、最も望ましい活性部位の大半が露出されることを保証することによって、貴金属成分を可能な限り最も効率的に使用することが特に望ましい。
【００７１】
触媒活性を示す希土類金属の例は、ランタンおよびセリウムを含むが、これらに限定されるわけではない。これらを、単独で、または希土類金属どうしとのさまざまな組み合わせにおいて、あるいは卑遷移金属、貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、非金属のような他の元素との組み合わせにおいて使用してもよい。
【００７２】
非金属の例は、リン、酸素、イオウ、ならびに塩素、臭素およびフッ素のようなハライドを含むが、これらに限定されるわけではない。これらは、典型的に、上記に挙げた金属のような１つまたは複数の金属の官能基化剤として含まれる。
【００７３】
好ましい触媒活性成分は具体的な応用によって異なる。例えば、本発明の触媒の１つの有利な使用法は、製品としてまたは他の化学製品の合成における化学中間体としての、水素および酸素からの過酸化水素の直接合成である。この応用では、好ましい触媒活性成分は、単独でまたは他の金属（例えば白金）と組み合わせて使用されるパラジウムである。
【００７４】
本発明の別の有用な応用は触媒的水素化であり、その好ましい主活性成分は、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、銅または鉄であり、これらを単独で、あるいは、互いに組み合わせて、かつ／または他の成分と組み合わせて使用される。
【００７５】
本発明の別の有用な応用は触媒的改質であり、その好ましい触媒活性成分は白金であり、白金は単独で、または他の成分と組み合わせて使用することができる。また、白金は、対象触媒が、高分子電解質膜型（ＰＥＭ）燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）のような燃料電池のカソードおよび／またはアノード触媒として使用されるときの好ましい主活性成分である。
【００７６】
好適な溶媒またはキャリアに加えて中間前駆体組成物を形成するとき、触媒原子は、典型的に、溶媒またはキャリアにより容易に溶解または分散するよう、イオンの形態である。金属触媒の場合には、触媒原子が、金属ハロゲン化物、硝酸塩、または溶媒またはキャリアに容易に溶解する他の好適な塩、例えば金属リン酸塩、硫酸塩、タングステン酸塩、酢酸塩、クエン酸塩またはグリコール酸塩の形態であってもよい。
【００７７】
２．制御剤
触媒形成の高度に制御された特異性を達成するため、制御剤または鋳型剤は、最上位層すなわち外層の原子の大半が配位数２を有する触媒結晶または粒子の形成を促進するように選択される。１つまたは複数の特定の制御剤の使用によって、本発明は、それによって触媒粒子が形成されるプロセスを制御してこれらの粒子が主として望ましい結晶面を露出することを保証する手段を提供する。
【００７８】
本発明の範囲に含まれる制御剤または鋳型剤は、分散触媒粒子の形成に介在する個々の分子を構成するさまざまなポリマー、オリゴマーまたは有機化合物を含む。制御剤分子は、主鎖に沿って配置され、触媒原子と制御剤の間に錯体を形成することができる複数の官能基を含む。中間触媒錯体から触媒粒子が形成されるとき、触媒粒子の形成は、制御剤または鋳型剤の構造、コンフォメーションまたは他の特性によって、制御された配位構造の形成に有利に働く制御されたやり方で進行する。
【００７９】
一般に、有用な制御剤は、制御剤、触媒原子、適当な溶媒またはキャリア、および任意選択の促進剤または担体材料を含む中間前駆体組成物の範囲内の触媒錯体を形成することができるポリマー、オリゴマーおよび有機化合物を含む。制御剤は、好適な溶媒またはキャリアに溶解または分散した触媒原子と、イオン結合、共有結合、ファンデルワールス相互作用または水素結合を含むさまざまな機構を介して相互作用し、錯体化することができる。このために、制御剤は１つまたは複数の好適な官能基を含む。
【００８０】
１つの実施形態では、この官能基が、少なくとも１つの電子豊富原子に結合した炭素原子を含み、この電子豊富原子は、この炭素原子より電気的陰性が強く、触媒原子と結合または引力を形成するように１つまたは複数の電子を供与することができる。好ましい制御剤は、触媒原子の錯体化に使用することができる負電荷あるいは１つまたは複数の孤立電子対を有する官能基を含む。このことは、制御剤が、好ましくは溶液中で正に帯電したイオンの形態である溶解した触媒原子との間に強力な結合相互作用を有することを可能にする。
【００８１】
１つの実施形態では、制御剤の官能基が、制御剤分子の主鎖に沿って、単独で、または他のタイプの官能基と組み合わせて、カルボキシル基を含む。他の実施形態では、官能基が、ヒドロキシル、エステル、ケトン、アルデヒド、アミンおよびアミド基のうちの１つまたは複数の官能基、あるいはこれらの組合せを含む。
【００８２】
本発明に従う制御剤は有利には有機ポリマー、オリゴマーまたは化合物だが、制御剤は無機化合物（例えばケイ素ベースの無機化合物）であってもよい。制御剤は天然または合成化合物であってもよい。触媒原子が金属で、制御剤が有機化合物の場合、そのように形成される触媒錯体は有機金属錯体である。
【００８３】
好ましい制御剤はさまざまなオリゴマーおよびポリマーを含む。制御剤がオリゴマーまたはポリマーである場合、数平均分子量は約３００から約１５，０００ダルトンの範囲、より好ましくは約６００から約６０００ダルトンの範囲であることが好ましい。しかしながら、制御剤が、触媒原子と相溶性のある溶媒、キャリアまたはビヒクル中に易溶であり、有機金属錯体を形成することができる場合には、さらに高い分子量のポリマー、すなわち分子量が１５，０００を超えるポリマーを制御剤として使用することができることが理解される。
【００８４】
分子量は、所望の数の官能基を有する制御剤ポリマー、オリゴマーまたは分子が得られるように選択することができる。一般に官能基の数は４から２００まで変動してもよく、好ましくは約８から約８０官能基、より好ましくは約１０から約２０官能基まで変動してもよい。多くの場合、ポリマーまたはオリゴマーの官能基の数は、反復単位の数に少なくともほぼ一致する。他の場所で述べるとおり、より少ない数の反復単位、例えば２０未満の反復単位を有する制御ポリマーまたはオリゴマーを選択することによって、枝分れを減らしまたは最小化することができる可能性がある。
【００８５】
本発明の範囲に含まれる適当なポリマーおよびオリゴマーは、ポリアクリレート、ポリ安息香酸ビニル、ポリビニルサルフェート、スルホン化スチレンを含むポリビニルスルホネート、ポリビスフェノールカーボネート、ポリベンゾイミジゾール、ポリピリジン、スルホン化ポリエチレンテレフタラートが含まれが、これらに限定されるわけではない。他の適当なポリマーは、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどを含む。
【００８６】
中間触媒錯体では、触媒原子、より正確には触媒原子のイオンが、ポリマー、オリゴマーまたは分子主鎖上に位置する官能基に対応するフォーメーションで存在する。例えば触媒原子は、図４に示されるように、片側で、第１のポリマーまたはオリゴマー鎖に対して、より具体的には制御剤分子の全長に沿った官能基によって錯体化し、第２の側で、第２のポリマー鎖によって錯体化する。このように触媒原子は、担体に付着または結合される前の溶液またはコロイド懸濁液中にある間に、第１および第２の制御剤分子の主鎖に沿った官能基に対応する制御された配置に配置されると考えることができる。
【００８７】
触媒原子の数に比べて過剰の官能基を提供するように過剰の制御剤を供給することは、有利である可能性がある。過剰の官能基を含めることは、全てまたは実質的に全ての触媒原子が制御剤によって錯体化されることを保証するのに役立ち、このことは、貴金属の場合のように触媒材料が高価である場合に特に有益である。また、過剰の制御剤を供給することは、触媒錯体を担体に結合する官能基の可用性を保証するのにも役立つ。過剰の官能基を使用することはさらに、触媒粒子がより均一に分散した担持型触媒を生成するのに役立つと考えられる。過剰な制御剤分子は、触媒錯体を形成する制御剤分子間に介在しおよびその間隔を維持して、個々の触媒錯体クラスターを凝集または集塊化させるよりもむしろ担体表面全体にわたってより良好に分布させると考えられる。
【００８８】
現在では、表面に配位数２を有する触媒粒子を形成する傾向は、枝分れ分子に対する直鎖状制御剤分子のパーセンテージに関係することが分かっている。直鎖状分子の濃度を高めることは、触媒原子の最上位層すなわち外層に配位数２を有する触媒結晶または粒子の形成の尤度を高める。このことは、ひいては、所望の触媒反応の特異性を高める。
【００８９】
用語「直鎖状」は、枝分れ点を持たない主鎖を含むポリマー、オリゴマーまたは有機化合物を表す。したがって、これは、特定の制御剤分子が直鎖状であるか否かを決定する主鎖に関連する。制御剤分子の主鎖が枝分れ点を持たない線状である場合、その分子は「直鎖状」分子である。主鎖が枝分れ点を含み、そのため主鎖が線状でなく枝分かれしている場合、その分子は「枝分れ」分子である。
【００９０】
用語「主鎖」は、それに触媒原子の錯体化に役立つ官能基が付着する制御剤分子の部分を指す。したがって、それに錯体化官能基が付着していないはぐれた基または鎖を含む主鎖は、依然として直鎖状であるとみなしてもよい。したがって、主鎖が枝分れ点を含むかどうかを単に測定することよりはむしろ、主鎖に沿った官能基の配置を測定することによって、特定のポリマー、オリゴマーまたは有機化合物が直鎖状であるのかまたは枝分れ状であるのかを特定することの方がより正確なことがある。
【００９１】
以上のことを考慮して、本発明に従う典型的な制御剤は、その中で制御剤分子の少なくとも約５０％が直鎖状である制御剤である。好ましくは制御剤分子の少なくとも約６０％が直鎖状であり、より好ましくは制御剤分子の少なくとも約７５％が直鎖状であり、さらにより好ましくは制御剤分子の少なくとも約９０％が直鎖状であり、および最も好ましくは制御剤分子の少なくとも約９５％が直鎖状である。その中で触媒原子の最上位層すなわち外層が配位数２を有する触媒粒子を生成する制御剤の傾向は、制御剤分子の約１００％が直鎖状である場合に最大化される。
【００９２】
上記のことの必然的結果として、制御剤は一般に約５０％未満の枝分れ分子、好ましくは約４０％未満の枝分れ分子、より好ましくは約２５％未満の枝分れ分子、さらにより好ましくは約１０％未満の枝分れ分子、および最も好ましくは約５％未満の枝分れ分子を含む。その中で触媒原子の最上位層すなわち外層が配位数２を有する触媒粒子を生成する制御剤の傾向は、分子の約０％が枝分れ状である場合に最大化される。
【００９３】
いくつかのケースでは、ポリマー、オリゴマーまたは有機分子が枝分れ状である傾向は、分子量の低下とともに、より具体的には反復単位数の減少とともに低下する。したがって、ポリマー、オリゴマーまたは有機分子の分子量、より正確にはポリマー、オリゴマーまたは有機分子の反復単位数を低減させることは、直鎖状であるそれらの傾向を高める。分子量の低下（すなわち、反復単位数の減少）につれて直鎖状である傾向が高まる制御ポリマーまたはオリゴマーの例はポリアクリル酸である。ポリアクリル酸の分子量を低下させることは、反復単位数を減少させ、このことは、ひいては、特定のポリアクリル酸ポリマーまたはオリゴマー分子が枝分れ状となる尤度を統計学的に低減させる。
【００９４】
例えば、分子量１２００を有するポリアクリル酸（反復単位を約１６単位有し、約３〜５ｎｍの表面直径を有する触媒粒子を生成する）は、枝分れを最小限しか持たないと考えられる。現時点のデータに基づくと、分子量１２００を有するポリアクリル酸を含む分子の少なくとも約８０〜９０％は直鎖状であると考えられる。これは、非特許文献２に見出されるポリマーの枝分れに関連する教示と矛盾しない。この文献は、ポリエチレンの高転化に関して、「側鎖は、平均して１５主鎖反複単位に１回の頻度で生じる可能性がある」と述べている。したがって、少なくともポリエチレンおよび同様のポリマーに関しては、１５単位よりも少ない反復単位を有するオリゴマーは、枝分れ点を持たない完全な直鎖状であることが予想される。したがって、１６単位のポリアクリル酸オリゴマーは、たとえあったとしても、特に、枝分れの発生を低減させるために反応条件がより慎重に制御されている場合には、枝分れの発生率がほんの僅かであると予想される。
【００９５】
直鎖状制御剤分子の濃度を増大させることが、その中で最上位層すなわち外層の触媒原子が配位数２を有する触媒粒子を形成することの尤度を増大させることをいったん理解すると、当業者は、好適な濃度の直鎖状制御剤分子に対する枝分れ制御剤分子を有する好適な制御剤を選択することができる。したがって、より大きな分子量のポリマーでさえ、直鎖を有するように慎重に設計することができ、したがって本発明の組成物および方法において有用性を有する可能性がある。サイズ、形状、フォーメーション、分散のような触媒粒子の構造的な態様の大部分は、一直線の分子に対する枝分れ分子の特定のサイズおよび／またはパーセンテージを有する１つまたは複数の制御剤または鋳型剤の選択に基づいて設計することができる。
【００９６】
制御剤の該特性に加えて、本発明の望ましい制御された配位構造の選択的な形成を制御することができる第２の因子は、中間前駆体組成物中の制御剤と触媒原子のモル比である。約１：０．１から約１：１０までの範囲の制御剤分子と触媒原子のモル比を含むことは本発明の範囲内である。好ましくは、制御剤分子と触媒原子のモル比が約１：０．２から約１：５の範囲である。
【００９７】
場合によっては、より有用な尺度は、制御剤官能基と触媒原子のモル比である。例えば、Ｐｄ＋２などの２価の触媒金属イオンの場合、理論的な化学量論比を提供するためには、カルボン酸イオンのような１価の官能基の２モル当量が必要となろう。（１）全てまたは実質的に全ての触媒原子が錯体化されることを保証し、（２）触媒錯体を担体に結合し、（３）触媒粒子が一緒に凝集または集塊化しないように触媒粒子を分離された状態に保つのに資するためには、過剰の制御剤官能基を提供することが望ましいことがある。一般に、約０．５：１から約４０：１、より好ましくは約１：１から約３５：１、および最も好ましくは約３：１から約３０：１の制御剤官能基と触媒原子のモル比を含むことが好ましい。
【００９８】
上記の比は因子となると考えられる。なぜならば、それぞれの触媒原子を取り囲む制御剤分子の数は、触媒粒子が形成される速度および方向を決定するためである。制御剤と触媒原子の最も好ましい比は、使用される制御剤のタイプ、使用される触媒原子のタイプ、および制御剤の分子量に依存することに留意されたい。より大きい分子量を有する制御剤に関しては、一般に、より小さい分子量を有する制御剤の場合に比べて、制御剤と触媒成分の比がより小さいことが好ましい。このことは、制御剤がしばしば、溶解された触媒成分との相互作用および錯体形成の多数の点を有するという事実に由来すると考えられる。したがって、制御剤分子の主鎖に沿ってより多くの官能基を有するより高分子量の制御剤は、より多くの触媒原子と錯体化することができ、および制御剤と触媒成分のより小さいモル比が好ましい。より低分子量の制御剤に関してはこの逆のことが当てはまり、そこでは制御剤と触媒成分のより大きいモル比が好ましい。
【００９９】
中間前駆体組成物に担体材料を加えるとき、制御剤は、錯体化された触媒原子を担体材料上へ均一に分散させる働きをする。触媒原子は分散されているため、触媒原子の合体によって生じる粒子も均一に分散する。熱力学的に最も安定なフォーメーションで粒子が形成するからである。触媒粒子を均一に分散させることがより多くの反応部位が露出されることを可能にするので、これによってより活性な触媒が得られる。
【０１００】
最後に、担持型触媒が形成される方法にもよるが、制御剤または鋳型剤の他の態様は、制御剤または鋳型剤が、触媒粒子を担体に固定する働きをすることができることである。すなわち、触媒粒子の形成中および形成後に、制御剤は固定剤として働いて、粒子を基体材料に固定することができる。好ましくは、基体はその表面に、制御剤の１つまたは複数の官能基に例えば縮合反応によって化学結合することができる複数のヒドロキシル基または他の官能基を有する。また、制御剤の１つまたは複数の追加の官能基は、触媒粒子内の１つまたは複数の原子に結合され、それによって触媒粒子を基体に固定する。制御剤によって触媒粒子を基体表面に化学的に結合させることは、集塊化する触媒粒子の傾向を低減させることによって、長い間触媒を活性に保つのに役立つ。
【０１０１】
Ｂ．溶媒およびキャリア
溶媒またはキャリアは、触媒原子（典型的には、イオン性塩の形態をとる）および／または制御剤のビヒクルとして使用することができる。本発明の前駆体組成物を製造するために使用される溶媒は、有機溶媒、水またはそれらの組合せであってもよい。好ましい溶媒は金属塩を溶解するのに十分な極性を有する液体であり、これは、触媒成分を前駆体溶液に導入する好ましい手段である。これらの好ましい溶媒は、水、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノールおよびイソプロパノール、アセトニトリル、アセトン、テトラヒドロフラン、エチレングリコール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、塩化メチレン、これらの混合物などを含む。
【０１０２】
前駆体溶液の溶媒はニート（neat）な溶媒であってもよいが、酸は前駆体化合物の溶解に役立つので、酸性溶液を使用することが好ましい。溶液を、有機酸および無機酸を含む任意の適当な酸で酸性化してもよい。好ましい酸は、硫酸、リン酸、塩酸など、またはこれらの組み合わせのような鉱酸である。前駆体溶液中では広範囲の濃度の酸を使用することができるが、所望の溶解度の向上を達成するためには一般に、比較的に薄い溶液を使用すれば足りる。さらに、濃酸溶液は付加的な危険および出費を示す可能性がある。したがって希酸溶液が現在は好ましい。
【０１０３】
Ｃ．担体および担体材料
本発明の触媒粒子を、固体担体材料なしで分散させてもよい。例えば、それらを、溶液、懸濁液、スラリー、エマルションまたは他の液体媒質中に分散させてもよい。また、触媒粒子を、例えば微粉として分離させてもよい。しかしながら、担体上に触媒粒子を成長させることが、望ましい制御された配位構造を有する触媒粒子を得る能力を大幅に向上させると思われる。担体を用いないと、触媒粒子を形成し、そして所望の結晶面を露出させて所望の面露出をもたらすことができない可能性がある。
【０１０４】
したがって、本発明の好ましい形態は、固体担体材料上に触媒粒子を付着させ、この固体担体材料によって触媒粒子を担持することである。用語「中間前駆体組成物」は、最終的な担持型反応性触媒の形成の前に存在するいかなる成分を含んでもよいため、中間前駆体組成物は担体を同様に含んでもよい。触媒粒子を触媒的に活性にするように、制御剤の一部分を除去して触媒粒子の一部分を露出させると、担体は、その結果、最終的な担持型活性触媒の一部となる。
【０１０５】
固体担体材料は、好ましくは、それ自体が粒子であってもよく、または固体担体は、フィルム、繊維、あるいはロッドのような本質的に連続的な固体表面であってもよい。固体担体材料は有機材料または無機材料あってもよい。固体担体材料は、化学反応環境において化学的に不活性であってもよく、または固体担体自体は、本発明の触媒粒子の機能に相補的な触媒機能を果たしてもよい。また、担体材料は、例えば、分散触媒粒子の構造的、電子的または化学的特性を変更することによって、あるいは全体的な触媒プロセスに直接に参加する追加の触媒的に活性な部位に寄与することによって、触媒反応プロセスにおいて化学的役割を果たすことができる。
【０１０６】
より少量の分散触媒粒子の担体として役立つようにより大量の固体材料を使用することは、触媒反応においては普通の戦略であり、多くの知られている利点を提供する。これらの利点には、触媒活性成分のより効率的かつ経済的な使用、小さな触媒粒子のより高い安定性、ならびに粒子間効果を防止するための触媒粒子の分離および離隔を含むが、これらに限定されるわけではない。
【０１０７】
有用な触媒担体として当業者に知られている任意の固体担体材料を、本発明の制御された配位構造の分散触媒粒子の担体として使用してもよい。これらの担体は、さまざまな物理的な形状であってもよい。それらは、多孔質または非多孔質のどちらであってもよい。それらは、粉末、顆粒、錠剤、押出物、あるいは他の３次元構造体のような３次元構造体であってもよい。他の３次元構造体は、構造化充填物のようないわゆる「構造化」材料を含み、これらは、リング、サドル、または他の形のような制御された形の多数の個別片の形状であってもよく、またはより大きな構造体の形状であってもよく、それらの例は、回旋状表面の規則的な幾何配置の使用を含む蒸留器および他の相接触器のために一般に使用される構造化充填物を含む。また、担体は、主として球形の粒子（すなわちビーズ）の形状であってもよい。また、担体は、フィルム、膜、コーティング、あるいは他の主として２次元の構造体のような２次元構造体の形状であってもよい。
【０１０８】
さまざまな材料成分が単独または組合せて担体を構成することができる。いくつかの応用に対して好ましい担体材料の１つの重要なクラスは多孔質無機材料である。多孔質無機材料は、アルミナ、シリカ、チタニア、キースラガー、ケイ藻土、ベントナイト、クレー、ジルコニア、マグネシア、およびさまざまな他の金属の酸化物を、単独であるいは組合せて含むが、これらに限定されるわけではない。また、これらは、集合的にゼオライトとして知られる、天然または合成の、秩序多孔質構造を有する多孔質固体のクラスを含む。
【０１０９】
いくつかの応用に対して好ましい担体の別の有用なクラスは、カーボンブラック、活性炭、黒鉛、フッ素添加炭素のような炭素ベースの材料を含む。
【０１１０】
担体材料の別の有用なクラスは、ポリマーのような有機固体を含む。有機固体は、燃料電池の電極に使用されるもののような高分子膜を含む。また、それらは、イオン交換樹脂および高分子吸着剤として一般的に使用されるもののようなポリマービーズまたは樹脂ビーズを含むことができる。
【０１１１】
担体材料の別の有用なクラスは、金属および金属合金を含む。
【０１１２】
最終的な担持型反応性触媒の一部として本発明の触媒粒子を担体に付着させる場合には、担持型反応性触媒の全重量の０．０１重量％から７５重量％までに及ぶ、好ましくは担持型反応性触媒の全重量の０．１重量％から２５重量％までの範囲の、広範囲の装填量で触媒粒子を担体材料に付着させてもよい。しかしながら、分散粒子の主触媒成分が１つまたは複数の貴金属を含むときには、高価な活性金属を節約し、および粒子間相互作用、集塊化、焼結および他の望ましくない現象を防止するように、貴金属の装填量が比較的に低いことが好ましい。これらのケースでは、好ましい触媒装填は、担持型反応性触媒の約０．０１重量％から約１０重量％、より好ましくは担持型反応性触媒の約０．１重量％から約５重量％の範囲内である。貴金属を使用するときでも、触媒粒子に他の成分を同様に加えてもよく、これらの他の成分は、触媒粒子の全重量が担持型反応性触媒の全重量の７５％ほどを構成することができるように、より高い装填量で加えてもよいことに留意されたい。
【０１１３】
担体材料として多孔質固体を使用する場合には、担体の表面積が少なくとも２０ｍ２／ｇであることが好ましく、５０ｍ２／ｇ超であるとより好ましい。
【０１１４】
ＩＶ．制御された配位構造を有する中間前駆体組成物および担持型反応性触媒の製造方法
制御された配位構造体を有する中間前駆体組成物および担持型反応性触媒の製造方法を、以下のように大まかに要約することができる。第１に、１つまたは複数のタイプの触媒原子および１つまたは複数のタイプの制御剤を選択する。第２に、触媒原子と制御剤とを反応させ、または一緒に結合させて、触媒錯体を形成する。これは一般に、最初に、触媒原子および制御剤を好適な溶媒またはキャリアにイオン性塩の形態で溶解させ、次いで、溶液またはコロイド懸濁液を形成するように、塩を触媒錯体として再結合させることによって実施される。第３に、触媒錯体を担体材料に付着させて、中間担持型触媒錯体を形成する。第４に、活性触媒粒子を形成するように、制御剤の一部を除去して、触媒原子の少なくとも最上位層すなわち外層を露出させる。この間、制御剤の一部は、担体と触媒粒子の間の界面にとどまって、触媒粒子を担体に固定するのを助ける。途中のある時点で、制御剤は担体と化学結合を形成してもよい。
【０１１５】
触媒金属（すなわちパラジウム）と制御剤との間の例示的な触媒錯体を図４に概略的に示す。制御剤の一部を除去することは、図５に概略的に示されるように、制御剤の残存する部分によって担体材料に化学的に固定される可能性のある触媒粒子をもたらす。図示のとおり、担持型触媒１０は、当初その表面にヒドロキシル基を含む担体１２と、縮合反応によって担体１２のヒドロキシル基に化学的に結合される固定剤１４と、固定剤に何らかの方法（図示せず）で結合または付着される触媒粒子１６とを含む。水素化または後に開示する他のプロセスによって制御剤が除去されるとき、触媒原子は崩壊または一緒に合体して構造化結晶または粒子を形成することが理論上想定される。
【０１１６】
以上のことを考慮すれば、最終的な担持型反応性触媒が形成される前のあらゆるステップは、１つの形状または別の形状の中間前駆体組成物の形成または使用を伴うことが明らかである。本発明の１つの態様では、「中間前駆体組成物」を、周囲の溶媒またはキャリアを除いた、触媒原子と制御剤とを含む触媒錯体であると考えることができる。実際、溶液中、またはコロイドまたは懸濁液として触媒錯体を生成し、次いで、乾燥した触媒錯体を生成するように溶媒またはキャリアを除去することは本発明の範囲に含まれ、この乾燥した触媒錯体を後に好適な溶媒またはキャリアに加えて、触媒錯体を含有する溶液またはコロイド懸濁液を再構成することができる。したがって、本発明の別の態様では、本発明に従う「中間前駆体組成物」は、その中に触媒錯体を分散させることができる１つまたは複数の異なる溶媒またはキャリアを含んでもよい。制御剤の一部を除去し、触媒原子の一部を露出させて、望ましい制御された配位構造を露出させる前に、触媒錯体を担体に付着させまたは結合さえさせてもよい。したがって、本発明に従う「中間前駆体組成物」は、触媒錯体と担体とを含んでもよく、溶媒またはキャリアを含んでもまたは含まなくてもよい。したがって、秩序配列に制御剤と錯体化した触媒原子を含む触媒錯体を含む任意の組成物（図４に概略的に示されている）は、「中間前駆体組成物」を含むと考えることができる。
【０１１７】
本発明に従う触媒を製造するための例示的な方法は、溶液中の１つまたは複数のタイプの触媒原子を（例えばイオン性塩の形態で）準備すること、溶液中の制御剤を（例えばカルボン酸塩の形態で）準備すること、および触媒原子を制御剤と反応させて、触媒成分と制御剤との錯体を含む前駆体組成物を形成することを含む。好適な溶媒またはキャリア中の制御剤による触媒成分の良好な分散はコロイド分散とすることができる。
【０１１８】
触媒原子は、触媒錯体を形成するために使用される溶媒またはキャリアに可溶または分散可能となるような任意の形状で提供することができる。触媒原子が１つまたは複数の金属を含む場合、溶媒またはキャリアに易溶であるこれらの金属の塩を形成することができる。貴金属の塩化物および硝酸塩は他の塩よりも易溶であるので、触媒原子が貴金属を含む場合には、貴金属の塩化物および硝酸塩を使用すると有利である。塩化物および硝酸塩は典型的に他のタイプの塩よりも溶けやすいなので、卑遷移金属、希土類金属のような他の金属触媒原子の塩化物および硝酸塩を同様に使用してもよい。
【０１１９】
これらの触媒原子を、単独でまたは組み合わせて溶媒またはキャリアに加えて、さまざまなタイプの触媒原子の混合物を含む最終的な触媒粒子を提供することができる。例えば、２元金属パラジウム／白金触媒は、塩化パラジウムのようなパラジウム塩およびクロロ白金酸のような白金塩がその中に溶解する前駆体溶液を最初に形成することによって形成することができる。一般に、最終的な触媒の組成は、前駆体溶液に加えられる触媒原子のタイプによって決まる。したがって、溶液に加えられる前駆体塩の量の制御は、最終的な触媒粒子中の異なるタイプの触媒原子の相対濃度を制御する便利な方法を提供する。
【０１２０】
制御剤は、触媒錯体を形成するために、触媒原子との会合を容易にするような方法で溶媒またはキャリアに加えられる。いくつかの制御剤はそれ自体が溶媒またはキャリアに可溶である可能性がある。カルボン酸基を含む制御剤の場合、酸の金属塩（例えばアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩）を形成すると有利である。例えば、ポリアクリル酸を、水性溶媒系に易溶でもありかつ触媒金属塩と反応することもできるポリアクリル酸ナトリウム塩として提供して、溶媒またはキャリア中で可溶であるかまたはコロイド懸濁液を形成することができる触媒金属−ポリアクリレート錯体を形成することができる。
【０１２１】
本発明の１つの態様は、非常に小さな触媒粒子（例えば、約１００ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満、より好ましくは６ｎｍ未満、および最も好ましくは４ｎｍ未満）を制御可能に形成することができることである。本発明の発明者は、過剰量の制御剤の使用は、結果として生じる触媒粒子のサイズを決定する因子となると考えている。
【０１２２】
本発明の触媒粒子を固体担体材料上に形成する場合には、触媒原子と制御剤との間の触媒錯体を含む中間前駆体組成物を、固体担体と物理的に接触させる。触媒錯体を固体担体と接触させることは、典型的に、担体表面に触媒錯体を付着または含浸させるために、中間前駆体組成物中の好適な溶媒またはキャリアによって達成される。
【０１２３】
固体担体の物理的な形状に応じて、触媒錯体を担体に接触または付着させるプロセスを、さまざまな方法によって達成してもよい。例えば、溶媒またはキャリアと触媒錯体とを含む溶液または懸濁液に担体を沈めまたは浸してもよい。あるいはまた、溶液もしくは懸濁液を担体に吹き付け、注ぎ、塗り、または別の方法で付着させてもよい。その後、任意選択で、制御剤を担体に化学的に結合または付着させる反応ステップに関連して、溶媒またはキャリアを除去する。これによって、制御剤に由来するそれらの特別な配向と担体上の制御剤の配置との両方に関して活性触媒原子が望ましいふうに配置される担持型触媒錯体が得られる。
【０１２４】
触媒原子の少なくとも一部分を露出させ、活性な担持型触媒を生成するために、例えば還元（例えば水素化）または酸化によって、制御剤の一部を除去する。水素は好ましい還元剤である。水素を還元剤として使用することの代わりに、または水素を還元剤として使用することに加えて、水素化アルミニウムリチウム、水素化ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、重亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ヒドロキノン、メタノール、アルデヒドなどを含むさまざまな他の還元剤を使用してもよい。この還元プロセスを、２０℃と５００℃との間の温度、好ましくは１００℃と４００℃との間で実施してもよい。触媒原子が貴金属を含まないときは、酸化はより適当であることを指摘しておく。貴金属触媒は、制御剤全体の酸化を触媒し、固定のための制御剤を残さない可能性があるためである。例えば、触媒原子が遷移金属を含みおよび担体が不燃性である場合（例えば、カーボンブラック、黒鉛、または高分子膜よりはむしろシリカまたはアルミナ）には、（例えば最高温度１５０℃の）酸化はより適当である。
【０１２５】
本発明の範囲を限定するものと解釈してはならないが、還元ステップの有用性について以下の説明を提示する。触媒粒子の形成中、触媒粒子の活性表面の多くは制御剤分子によって被覆されていると考えられる。還元ステップはこの表面構造を変更して、触媒粒子の望ましい制御された配位構造を露わにする役目を果たす。このステップは、制御剤分子を除去し、あるいは触媒表面上で制御剤分子を再配置または再配向し、あるいはこれらの組合せを実施する可能性がある。
【０１２６】
制御剤を除去して触媒原子を露出させるプロセスは、触媒粒子を担体に確実に固定するように十分な量の制御剤が残存することを保証するために慎重に制御される。したがって、少なくとも担体と担体に面する触媒粒子の下面との間に間置される制御剤の部分は手付かずのまま有利に残される。（水素化／還元、還流／沸騰または他のプロセスによる）制御剤の除去の間に、触媒粒子の外面の制御剤は、担体と触媒粒子との間に結合された制御剤よりも容易に除去されることが理論上想定される。したがって、担体と触媒粒子との間に残存する制御剤は触媒粒子を担体に固定する働きをする。この結果、表面移動、集塊化および焼結について強化された安定性を有する触媒粒子が得られる。一方、触媒粒子を担体に固定するための制御剤がほとんどまたは全く残存しない程度にまで制御剤を除去することは、担持型触媒の長期安定性を低下させることが分かった。
【０１２７】
結果として生じる担持型反応性触媒を、任意選択で熱処理して、触媒をさらに活性化させることができる。いくつかのケースでは、担持型触媒を最初に使用する前に、担持型反応性触媒を熱処理プロセスにかけると、触媒が当初、より活性になることが分かった。担持型触媒を熱処理するステップを、「か焼」と呼ぶことができる。なぜならば、それは担持型触媒の特定の成分を揮発させる作用を有するためである。しかしながら、この熱処理は、固定剤を炭化または破壊するほどの高温では実施されない。熱処理プロセスは、不活性、酸化または還元雰囲気中で実施してもよいが、不活性雰囲気中で実施することが好ましい。担持型触媒を熱処理プロセスにかける場合には、このプロセスを約５０℃から約３００℃の範囲の温度で、より好ましくは約１００℃から約２５０℃の範囲で、および最も好ましくは約１２５℃から約２００℃の範囲で実施することが好ましい。熱処理プロセスの持続時間は、好ましくは約３０分から約１２時間の範囲であり、より好ましくは約１時間から約５時間の範囲である。
【０１２８】
先に論じたとおり、反応性触媒原子の最上位層または外層の原子に、配位数が２に制御された触媒を提供することは、さまざまな化学プロセスに役立つ。これらの化学プロセスの１つは、過酸化水素を形成するための水素と酸素との直接反応を伴う。よって本発明のこの態様を、以下の実施例の助けを借りてさらに説明する。これらの実施例を本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【実施例】
【０１２９】
（実施例１）
炭素担体上のＰｄ／Ｐｔの制御された配位触媒の調製
この実施例は、配位数が２に制御された貴金属原子の最上位層すなわち外層を有する炭素担体上の貴金属触媒の調製を説明する。活性貴金属成分はパラジウムと白金の混合物を含む。触媒担体はカーボンブラックである。
【０１３０】
塩酸０．１５％を含む酸性水溶液１０００ｍｌに塩化パラジウム１．３３３ｇを溶解することによって第１の溶液を調製した。４５％ポリアクリル酸ナトリウム溶液１５ｇを水１００ｍｌに溶解することによって第２の溶液を調製した。ポリアクリル酸ナトリウムの分子量は１２００であった。このポリアクリル酸ナトリウムのバッチは、直鎖状分子を約８０〜９０％含むと考えられた。次いで、塩化白金０．２６１４ｇを水１０００ｍｌに溶解することによって第３の溶液を調製した。その後、第１の溶液３００ｍｌ、第２の溶液４０ｍｌおよび第３の溶液４８ｍｌを一緒に混合した。次いで組合せ溶液を、全容積が４０００ｍｌになるまで水で希釈した。
【０１３１】
次いで希釈された組合せ溶液を、連続窒素流で１時間パージし、次いで連続水素流によって２０分間還元した。この組合せ溶液混合物を「触媒前駆体溶液」と称する。
【０１３２】
次いで触媒前駆体溶液を、表面積２００ｍ２／ｇを有するカーボンブラック２４ｇと混合した。前駆体溶液／カーボンブラック混合物を１７時間混合して、触媒前駆体溶液による担体の完全な含浸を保証した。次いで、含浸カーボンブラックを一晩乾燥させて、カーボンブラック担体に付着されたパラジウム、白金およびポリアクリレートからなる触媒錯体を含む中間前駆体組成物を得た。
【０１３３】
乾燥後、この中間前駆体組成物を３００℃の連続水素流下で１７時間還元した。このプロセスを完了した後、本発明に従う反応性担持型触媒の一例である活性な制御された配位の触媒が得られた。この反応性担持型触媒の貴金属装填量は０．７重量％であった。
【０１３４】
図６に示されるように、高解像度透過型電子顕微鏡の使用によって、望ましい制御された配位構造の存在を立証した。この顕微鏡写真では、炭素担体材料がより明色のマトリックスとして見え、貴金属クリスタリットがより暗色の斑点として見える。低倍率パネルは、小さな（＜５ｎｍ）貴金属クリスタリットの均一な分散を示す。担体と貴金属粒子との間のコントラストの欠如が画像の解釈をいくぶん妨げているが、図６の左上のパネルに示された単一の貴金属粒子の拡大像では、制御された配位構造が明らかである。この粒子の表面に見える一連の線は原子寸法のものであり、表面の原子構造の直接像を表している。この構造は、最隣接の最上位層すなわち外層の原子２つだけと配位する表面原子の直接の証拠である。全ての他の最上位層すなわち外層の原子は、より広い間隔で存在する。
【０１３５】
ＩＲ分光法を含む担持型触媒の試験は、制御剤のいくらかは還元ステップ後でさえ残存するようであることを示した。具体的には、ＩＲ分光法は、担体上にもともと存在するヒドロキシル基のかなりの部分がもはや存在しないことを示し、これらのヒドロキシル基が制御剤と反応したことを示唆した。また、ＩＲ分光法は、Ｃ−Ｈ基の存在を示し、水素化後も制御剤の一部が残存することを示唆した。制御剤をなんら含まない担持型触媒に比べて、触媒粒子は移動性がはるかに劣るという事実は、残存する制御剤が触媒粒子を担体に固定する働きをすることを示唆した。
【０１３６】
（実施例２）
ＴＳ−１担体上のＰｄ／Ｐｔの制御された配位触媒の調製
この実施例は、配位数が２に制御された貴金属原子の最上位層すなわち外層を有するゼオライト担体上の貴金属触媒の調製について説明する。活性貴金属成分はパラジウムと白金との混合物を含む。触媒担体はチタンシリカライト−１（ＴＳ−１）であった。
【０１３７】
塩酸０．１５％を含む酸性水溶液１０００ｍｌに塩化パラジウム１．３３３９ｇを溶解することによって第１の溶液を調製した。４５％ポリアクリル酸ナトリウム溶液１５ｇを水１００ｍｌに溶解することによって第２の溶液を調製した。このポリアクリル酸ナトリウムの分子量は１２００であった。次いで、塩化白金０．２６１４ｇを水１０００ｍｌに溶解することによって第３の溶液を調製した。その後、第１の溶液７５ｍｌ、第２の溶液１０ｍｌおよび第３の溶液１２ｍｌを一緒に混合した。次いで、この混合溶液を、全容積が５００ｍｌになるまで水で希釈した。
【０１３８】
次いで希釈混合溶液を、連続窒素流で１時間パージし、次いで連続水素流によって２０分間還元して、触媒前駆体溶液を形成した。
【０１３９】
次いで、触媒前駆体溶液を、表面積３７０ｍ２／ｇを有するチタンシリカライト−１（ＴＳ−１）６ｇと混合した。前駆体溶液／ＴＳ−１混合物を１７時間混合して、前駆体溶液による担体の完全な含浸を保証した。次いで、含浸ＴＳ−１を一晩乾燥させた。乾燥後、この含浸ＴＳ−１を３００℃の連続水素流下で１７時間還元した。還元後、貴金属装填量０．８重量％の活性な制御された配位の触媒が得られた。
【０１４０】
ここでも、望ましい制御された配位の表面構造の存在を、高解像度透過型電子顕微鏡の使用によって確認した。図７に示されるＴＥＭ画像では、より明るい担体の背景に対して、貴金属粒子がより暗いパッチとして容易に見える。実施例１と比べるとやや良好な画像コントラストを達成し、そのため貴金属粒子中の制御された配位構造をより容易に見ることができる。粒子表面は原子スケールの線を示し、個々の表面原子が、最上位層すなわち外層の２つの近接する最隣接原子と配位結合しているのみであることを示している。
【０１４１】
Ｖ．制御された配位構造を有する担持型反応性触媒の使用方法
先に開示された担持型反応性触媒は、原料としてまたは有機分子の酸化の中間体としての過酸化水素の形成、有機分子の直接酸化、水素化、還元、脱水素および潜在的に燃料電池を製造することを含む、さまざまな反応において有用であり、その反応を以下に要約する。これらの反応を、溶媒、ｐＨおよび他の反応条件を最適化することによってさらに最適化することができる。
【０１４２】
Ａ．過酸化水素の生成
本発明の触媒を使用して製造される過酸化水素を、選択性９５％から１００％の生成物として回収することができる。あるいはまた、生成される過酸化水素を、他の化学製品の生成のための中間体として使用することができる。過酸化水素中間体を使用して実施することができる有用な化学反応の例は、プロピレンのようなオレフィンのプロピレンオキシドを含むエポキシドへの転化；ベンゼンのような芳香族化合物のフェノールを含むヒドロキシル化芳香族化合物への転化；および酢酸のような酸の過酢酸を含む過酸への転化である。
【０１４３】
過酸化水素中間体を、ｅｘ  ｓｉｔｕまたはｉｎ  ｓｉｔｕで使用してもよい。ｅｘ  ｓｉｔｕは、過酸化水素中間体が過酸化水素合成反応器から中間生成物として取り出され、次いで下流の処理ステップに渡されて、そこで所望の化学製品を形成する際の反応剤として利用される場合を意味する。ｉｎ  ｓｉｔｕは、本発明の触媒によって形成された過酸化水素中間体が、形成後すぐに同じ化学反応器内で、第２の化学反応で転化されて、所望の生成物を形成することを意味する。第２ステップの反応のために、第２の物理的に別個の触媒を使用することによって、このｉｎ  ｓｉｔｕ転化を達成してもよい。あるいは、第２ステップの触媒を、本発明の分散される制御された配位触媒粒子の付着のための基体として使用することにより、この第２ステップの触媒を本発明の触媒と物理的に一体化して、２元機能触媒としてもよい。さらに別の代替案では、第２ステップの反応は非触媒性であってもよい。
【０１４４】
（実施例３）
制御された配位触媒を使用する過酸化水素のバッチ合成
実施例１に従って調製された担持型触媒０．２ｇを、公称液体容積２００ｍｌの半バッチ撹拌槽型反応器に入れた。また、Ｈ２ＳＯ４１重量％およびＮａＢｒ５ｐｐｍｗを含む水からなる溶液２００ｍｌを反応器に加えた。水素３体積％、酸素２０体積％および窒素７７体積％からなるガスフィードを反応器に１０００ｓｃｃｍの速度で連続的に供給した。未反応のガスを反応器から連続的に抜き取った。反応器を、温度４５℃、圧力１４００ｐｓｉｇに維持した。機械式撹拌機を使用して反応媒質を撹拌した。
【０１４５】
連続ガス流を３時間維持した。３時間の連続稼動の終わりに、ガスフィードを止め、最終的な液体を反応器から取り出した。ガス分析によれば、全体の平均水素転化率は３３％であった。液体分析は、４．８重量％の最終過酸化水素濃度を示した。転化された水素に対する過酸化水素の選択性は１００％であることがわかった。
【０１４６】
（実施例４）
制御された配位触媒を使用する過酸化水素の連続合成
実施例１に従って調製した担持型触媒０．８３７ｇを、公称液体容積２００ｍｌの連続式撹拌槽型反応器（ＣＳＴＲ）に入れた。Ｈ２ＳＯ４１重量％およびＮａＢｒ５ｐｐｍｗを含むメタノールからなる溶液を反応器に１００ｃｃ／時の速度で連続的に供給した。水素３体積％および酸素９７体積％からなるガスフィードを反応器に５２００ｓｃｃｍの速度で供給した。反応器を、温度３５℃、圧力１４００ｐｓｉｇに維持した。機械式撹拌機を使用して反応媒質を撹拌した。反応器内に触媒を保持したまま気体および液体生成物を反応器から連続的に抜き取ることができるように、反応器の出口接続部に内部フィルタを取り付けた。
【０１４７】
反応器をこの連続操作の状態で１５０時間維持した。約３０時間の初期ラインアウト期間を考慮した後、定常状態操作の期間を１２０時間維持した。この期間中、水素の平均転化率は４２％であることがわかった。転化された水素に基づく過酸化水素形成の平均選択性は、９５％であることがわかった。平均液体生成物過酸化水素濃度は６．８重量％であることがわかった。
【０１４８】
１．過酸化水素生成に対する担持型触媒の熱処理の効果
担持型反応性触媒を熱処理するプロセスは、担持型触媒の製造に関連する任意選択のプロセスであると考えられるであろうが、熱処理の結果として生じる改良を過酸化水素の生成と関連して測定したので、以下の実施例を、前のセクションではなくむしろこのセクションで論じる。
【０１４９】
（実施例５〜１２）
触媒活性／選択性を増大させるための担持型触媒の熱処理
８つの触媒試料を調製した。以下の手順は８つの触媒全てに共通であった。ＰｄＣｌ２１．３３３９ｇをＨＣｌ４ｍｌおよび脱イオン水９９６ｍｌと混合することによってパラジウム塩溶液を調製した。その結果生じる溶液は、パラジウム０．０７９９重量％（７．５１１×１０−３Ｍ）を含有した。Ｈ２ＰｔＣｌ６０．２６１４ｇを脱イオン水１０００ｍｌと混合することによって白金塩溶液を調製した。その結果生じる溶液は、白金０．０１０重量％（５．１２６×１０−４Ｍ）を含有した。４５重量％ポリアクリル酸溶液（ＭＷ約１２００ダルトン）１６ｇを総重量が１００ｇになるように脱イオン水で希釈することによって、鋳型剤溶液を調製した。その結果生じる溶液は、ポリアクリル酸６．７５重量％を含有した。
【０１５０】
１％Ｐｄ＋０．０２％Ｐｔ／Ｃ触媒４８グラムを調製するため、パラジウム塩溶液６００ｍｌを、白金塩溶液９６ｍｌおよびポリアクリル酸溶液８０ｍｌと混合した。得られた混合物を脱イオン水で８０００ｍｌに希釈した。希釈溶液を１００ｍｌ／分のＮ２で１時間パージした。次いで、Ｎ２を１００ｍｌ／分のＨ２で２０分間置換した。希釈溶液にカーボンブラック（Ｃａｂｏｔ社のＢＰ−７００）４８ｇを加えた。次いで、その結果生じた混合物を沸騰させて液体の大部分を除去し、続いて乾燥させて乾燥固体を得た。
【０１５１】
次いでこの乾燥固体を以下のように還元した。
１．１００ｍｌ／分のＮ２で３０分間パージした。
２．１００ｍｌ／分のＨ２に切り換えた。
３．３０分かけて温度を３０℃から９０℃まで傾斜させた。
４．２時間にわたって温度を９０℃に保持した。
５．２時間かけて温度を９０℃から３００℃まで傾斜させた。
６．１７時間にわたって温度を３００℃に保持した。
【０１５２】
次いで、さまざまな触媒試料を、不活性Ｎ２雰囲気下で、下表に従うさまざまな温度で３時間にわたり、熱処理プロセスにかけた。
【０１５３】
【表１】
2007530248.tif 000003
【０１５４】
実施例５〜１２に従って製造された担持型触媒を使用して、水素および酸素からの過酸化水素の半バッチ合成を撹拌反応器内で実施した。バッチごとに、Ｈ２ＳＯ４１％およびＮａＢｒ５ｐｐを含む水からなるフィード混合物７５ｇを使用した。下表に従って触媒０．２５ｇを加えた。合成反応を、４５℃および圧力１０００ｐｓｉｇにおいて、空気中に水素３．１５％を含有するガスの１０００ｓｃｃｍの連続フィードで実施した。排気をＧＣによって分析して水素転化の程度を求めた。反応を２時間行い、その時点でフィードガスを止め、液体生成物を取り出し、過酸化水素の含量を分析した。結果は下表のとおりであった。過酸化水素選択性を、消費された水素のモルあたりの生成された過酸化水素のモルとして計算する。
【０１５５】
【表２】
2007530248.tif 000004
【０１５６】
上記のデータを、熱処理にかけていない本発明に従う担持型触媒が高い特異性を欠いていることを意味すると解釈してはならない。実際、熱処理されていない触媒の選択性は時間の経過ととともに増大し、初期ブレークイン期間後は高かった。熱処理プロセスは選択性を促進するようであり、また、おそらく時間とともにそれを増大させる。
【０１５７】
２．溶媒選択パラメータ
本発明の別の態様は特定の液体反応媒質の使用を伴い、この液体反応媒質は、好ましくは、少なくとも部分的に０．１４×１０−４と５．０×１０−４との間の値を有する溶媒選択パラメータ（ＳＳＰ）によって定義されるような有機溶媒を含む。より好ましい液体溶媒は、０．２×１０−４と４．０×１０−４との間のＳＳＰを有する。本明細書に記載される本発明の担持型反応性触媒と組み合わせての、上記の範囲内のＳＳＰを有する溶媒の使用は、水素および酸素含有フィードガスから過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が生成されるときの速度および収率を、気相の水素濃度が約５．０体積％未満に維持されるときでさえも、さらに増大させる。
【０１５８】
本発明では、さまざまな知られている有機溶媒を使用してもよいが、好適な溶媒の選択は、触媒性能強化、再循環のために過酸化水素を含有する液体生成物から液体溶媒を分離することの容易さ、過酸化水素生成物の最終用途、および望ましくない非選択的な生成物を形成しまたは安全上の問題をもたらす可能性がある、溶媒と過酸化水素との間に生じる副反応の可能性を含むさまざまな因子に左右される。有機溶媒を、純粋な溶媒として、または水との混合物として使用してもよく、その選択は、好ましいＳＳＰによって定義される同様の因子に関連する。ＳＳＰは、溶媒中の水素の溶解度に基づいて定義され、具体的には以下のように定義される。
【０１５９】
溶媒選択パラメータ＝Σ（ｗｉ×Ｓｉ）
式中、
ｗｉは、液体反応混合物中の溶媒成分ｉの重量分率；
Ｓｉは、２５℃、１気圧の標準状態におけるモル分率で表される純粋成分ｉ中の水素の溶解度；および
記号「Σ」は、液体反応混合物を構成する成分の総和を示す。
【０１６０】
ＳＳＰは、公開文献において入手可能な水素の溶解度データに基づいて簡単に計算できる。ＳＳＰは、異なる液体を混合する際に起こる可能性がある水素溶解度の非線形変化を考慮しないが、ＳＳＰは、本発明を実施するための液体媒質向けの好適な有機溶媒の選択において非常に有用であることが見出された。
【０１６１】
本発明のＳＳＰは、プロセス性能の主要な尺度、すなわち触媒過酸化水素生産性（catalyst hydrogen peroxide productivity）に強く相関することが分かっている。触媒過酸化水素生産性は、時間あたり、活性貴金属の重量あたりに生産される過酸化水素の重量として定義される。実験室触媒性能試験において、水、純粋な有機溶媒、または水と溶媒との混合物を含む一連の液体反応混合物についてＳＳＰを計算し、触媒過酸化水素生産性を測定した。これらのデータの結果を、図８のグラフに示す。
【０１６２】
図８において明らかなように、ＳＳＰと触媒過酸化水素生産性との間には強い線形相関があり、ＳＳＰが増大するにつれて高い生産性が達成される。比較標準は、液体反応媒質として水を単独で使用したものであり、これは、０．１４×１０−４のＳＳＰを有し、性能試験において２０７ｇＨ２Ｏ２／ｇＰｄ／時の触媒過酸化水素生産性を与える。より高いＳＳＰを有する異なる溶媒または溶媒／水混合物を使用することによって、最大約９００ｇＨ２Ｏ２／ｇＰｄ／時のより高い生産性を達成することができる。これらの結果は、溶媒媒質中の高い水素溶解度が、過酸化水素濃度および収率を向上させる制御因子であることを立証する。
【０１６３】
図８は、ＳＳＰの増大に伴う触媒過酸化水素生産性の概ね線形の増大を示すが、そのような増大は無限に続くわけではない。本発明の実施のためのＳＳＰの好適な値に関して、上限を発見した。この限界は、好ましい溶媒が水に可溶でなければならないこと、および液体反応混合物が単一の液相を構成しなければならない事実に由来する。
【０１６４】
最も高い水素溶解度を有する有機溶媒は、一般に、高度に疎水性のものであり、ヘキサンなどのパラフィン系炭化水素、およびベンゼン、トルエンなどの芳香族炭化水素のような広く使用されている溶媒を含む。このタイプの溶媒の全部または一部を含む液体反応混合物は比較的に高いＳＳＰ値を有するが、本発明の実施に対しては好ましくない。なぜならば、それらは水との混和性が劣るからである。過酸化水素はこれらの溶媒に十分には溶解せず、それによって触媒表面から周囲の液体媒質への生成物の脱離の決定的に重要なステップが妨げられる。この脱離の問題は、過酸化水素生成物を触媒の表面またはその近く（そこで過酸化水素生成物はさらに化学反応を受けて望ましくない水副生物を形成する傾向がある）に残存させ、劣った触媒過酸化水素生産性をもたらす。したがって、本発明の実施のためには、液体反応媒質は、５．０×１０−４未満、好ましくは４．０×１０−４未満のＳＳＰ値を有さなければならない。
【０１６５】
本発明のために有用な有機溶媒は、アルコール、ケトン、アルデヒド、フラン（例えばＴＨＦ）、エーテルおよびエステルのような酸素含有化合物、ニトリル、アミンおよびアミド（例えばＤＭＦ）のような窒素含有化合物、有機ホスフィンオキシド（例えばＣｙｔｅｃ社によって生産されるＣｙａｎｅｘ製品）のようなリン含有化合物、脂肪族炭化水素および芳香族炭化水素のような炭化水素など、またはこれらの混合物を含む。本発明の実施においては一相液体反応媒質が優れた収率結果を提供することが分かっているので、好ましい溶媒は、水と混和性であり、および過酸化水素対して良好な溶解度を有する溶媒である。さらに、溶媒が、水または過酸化水素の沸点温度よりも低い沸点温度を有することが好ましい。こうすると、過酸化物を含有する生成物から蒸留ステップによってオーバーヘッドストリームとして溶媒を回収することができる。そのようなより低い沸騰温度の関係は、より重い溶媒から過酸化水素のオーバーヘッドを蒸留する危険な操作の必要性を回避する。好ましい溶媒の例は、エタノール、メタノール、ｎ−プロパノールおよびイソプロパノールのような軽質アルコール、アセトンのような軽質ケトン、アセトニトリルおよび１−プロピルアミンのような窒素含有溶媒である。
【０１６６】
液体反応媒質は、水を含まない本質的に純粋な有機溶媒を含んでもよいが、少量の水を含有する反応媒質中で過酸化水素合成を行うことが好ましい。商業的な実施では、触媒過酸化物合成反応器に供給される溶媒は回収されてプロセスの下流のある点からもとの反応器へ再循環され、これはこの溶媒を高度に精製する必要性を回避するのに好ましく、その代わりに一部の水を溶媒とともに再循環させ、蒸留または他の分離のコストを低減させる。また、過酸化水素は、典型的には、水溶液として生産され販売される。このプロセスによって生産される過酸化水素の目的が商業販売である場合、有機溶媒の除去および再循環の際の反応混合物中の水の存在は、さらなる処理および商業的使用に適当である過酸化水素水溶液の形成をもたらす。
【０１６７】
３．促進剤
また、本発明の担持型触媒に基づく過酸化水素の収率を、反応媒質に対して適当な促進剤を添加することによって向上させてもよい。有効な促進剤の例は、臭化ナトリウム、塩化ナトリウム、ヨウ化ナトリウムなどのようなアルカリ金属のハロゲン化物塩である。液体反応媒質の重量の１ｐｐｍから５００ｐｐｍ、好ましくは３ｐｐｍから２００ｐｐｍの範囲の量のハロゲン化物塩を加えることによって、過酸化水素の収率を大幅に向上させることができる。
【０１６８】
図８を参照すると、促進剤の添加は、所望の濃度の促進剤が液体混合物に十分に可溶であるときに、より有効であることが明らかである。図８の上側の曲線「Ａ」に沿ったデータ点に関しては、５重量ｐｐｍの臭化ナトリウム（ＮａＢｒ）を液体混合物に加えた。これらの液体混合物中のＮａＢｒの溶解度は５ｐｐｍよりも大きく、そのため加えたＮａＢｒは完全に溶解した。これらのケースでは、触媒過酸化水素生産性はＳＳＰが増大するにつれて急速に上昇し、その結果、ＳＳＰを０．１４×１０−４から１．６×１０−４に増大させることによって、液体反応溶媒として水だけを使用する比較例に比べて、４倍超の収率の増大が達成される。
【０１６９】
ハロゲン化物塩のような促進剤を使用しないか、または促進剤が液体溶媒混合物に不溶である場合には、図８の下側の曲線「Ｂ」によって示されるように、より劣った結果が得られる。これらのケースでは、ＳＳＰの増大は改善された触媒過酸化水素収率を同様にもたらすが、しかし、増大の割合はＮａＢｒ促進剤を使用するときよりも小さい。しかしながら、促進剤を使用しない場合でさえも、より高いＳＳＰ値に関して達成される触媒過酸化水素生産性は、促進剤を使用して低ＳＳＰ値で達成されるそれよりも大幅に高い。ＮａＢｒ可溶性促進剤とともに水を反応媒質として使用する比較のケースに比べて、促進剤を使用しない場合の触媒過酸化水素生産性は、ＳＳＰ値を２．７×１０−４まで増大させることによって、ほぼ４倍に増大する。
【０１７０】
（実施例１３）
水５０ｍｌおよび表面配位数２を有する相制御されたパラジウム触媒０．５ｇを、１重量％硫酸（Ｈ２ＳＯ４）および５ｐｐｍＮａＢｒととともに最大容積１リットルの撹拌オートクレーブユニットに導入した。これは液体ＳＳＰ０．１４×１０−４を有する。温度４５℃および圧力１４００ｐｓｉｇにおいて、空気中に３％の水素を含有するフィードガスのガスフィード流量１．０リットル／分で、反応条件を維持した。３時間の反応時間の後、水素転化率は２４．３％に達した。過マンガン酸カリウムを用いた滴定によって液体生成物を分析し、過酸化水素生成物濃度２．９重量％を得た。収率は２０７ｇ／ｇＰｄ／時であった。これらの実施例および結果は図８にグラフとして示されている。
【０１７１】
（実施例１４）
実施例１３の水溶媒を、より高いＳＳＰ０．５７８×１０−４を有する、メタノール３０体積％および水７０体積％の溶媒７５ｍｌで置換した。メタノールは水と完全に混和性であり、相制御されたパラジウム触媒０．２５ｇを、１重量％のＨ２ＳＯ４および５ｐｐｍのＮａＢｒとともに使用した。２時間の反応時間の後、水素転化率は２２．０％であり、過酸化水素濃度２．１重量％が得られ、収率は４５０ｇ／ｇＰｄ／時まで増大した。
【０１７２】
（実施例１５）
実施例１４のメタノールを、ＳＳＰ０．６２６×１０−４を提供するアセトニトリルで置換した。アセトニトリルは水と混和性であった。２時間の反応の後、水素転化率は１８．９％であり、過酸化水素濃度１．９重量％が収率４０７ｇ／ｇＰｄ／時で得られた。
【０１７３】
（実施例１６）
実施例１４のメタノールを２−プロパノールで置換し、これは、ＳＳＰを０．９０８×１０−４まで増大させた。２−プロパノールは水と混和性であった。２時間の反応の後、水素転化率は１９．８％であり、過酸化水素濃度２．３重量％が収率４９３ｇ／ｇＰｄ／時で得られた。
【０１７４】
（実施例１７）
実施例１４のメタノールを、水と完全に混和性であるアセトンで置換し、およびＳＳＰを０．９９８×１０−４まで増大させた。２時間の反応の後、水素転化率は６１．１％まで増大し、過酸化水素濃度２．６重量％が、５５７ｇ／ｇＰｄ／時まで増大した収率で得られた。
【０１７５】
（実施例１８）
実施例１４のメタノールと水溶媒を、ＳＳＰ１．６×１０−４を有する純粋なメタノール７５ｍｌで置換した。２時間の反応の後、水素転化率は８５．２％まで増大し、過酸化水素濃度４．１重量％が収率８７９ｇ／ｇＰｄ／時で得られた。
【０１７６】
（実施例１９）
実施例１８のメタノールを、ＳＳＰ１．４４×１０−４を有するジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）で置換した。５ｐｐｍのＮａＢｒはＤＭＦには完全には溶解しなかった。２時間の反応の後、水素転化率は６４．４％に達し、過酸化水素濃度１．８重量％が、収率３８５ｇ／ｇＰｄ／時で得られた。
【０１７７】
（実施例２０）
実施例１８のメタノールを、ＳＳＰ２．７×１０−４を提供する２−プロパノールで置換した。５ｐｐｍのＮａＢｒは２−プロパノールには完全には溶解しなかった。２時間の反応の後、水素転化率は８２．４％まで増大し、過酸化水素濃度３．５重量％が、収率７５０ｇ／ｇＰｄ／時で得られた。
【０１７８】
（実施例２１）
実施例１８のメタノールを、ＳＳＰを２．０７８×１０−４まで増大させる、ヘキサン３０％および水７０％で置換した。５ｐｐｍのＮａＢｒはヘキサンには溶解せず、水にだけ溶解した。ヘキサンは水と混和性でなかった。２時間の反応の後、水素転化率は７９．０％に達したが、過酸化水素生成物は得られなかった。
【０１７９】
（実施例２２）
実施例２１のヘキサンを、ホルムアルデヒドで置換した。ホルムアルデヒドのＳＳＰ値は文献から得られなかった。ホルムアルデヒドは水と完全に混和性であった。２時間の反応の後、水素転化率は１１．８％でしかなく、過酸化水素濃度０．３重量％が得られ、収率は６５ｇ／ｇＰｄ／時にとどまった。
【０１８０】
Ｂ．酸化反応
本発明の担持型反応性触媒は、酸化された化学生成物を形成する酸素と有機化合物の反応（直接酸化）に対しても有用である。さまざまな化学的基質を酸化して有用な生成物を形成することができる。例のリストは、（ａ）プロピレンのアクリル酸への酸化、エチレンの酢酸への酸化のような、酸を生成するオレフィンの直接酸化、（ｂ）エポキシドを形成するオレフィンの直接エポキシ化、例えばプロピレンのプロピレンオキシドへのエポキシ化またはエチレンのエチレンオキシドへのエポキシ化、（ｃ）キシレンのフタル酸または関連化合物への酸化、例えばｐ−キシレンのテレフタル酸への酸化、ｏ−キシレンの無水フタル酸への酸化、およびｍ−キシレンのイソフタル酸への酸化、（ｄ）エチレンの酢酸ビニルへの酸化、（ｅ）エチレンのアセトアルデヒドへの酸化、ならびに（ｆ）イソブチレンのメタクリル酸への酸化を含む。ただしこれらを本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。これらの触媒のための活性成分の好ましい選択は、具体的な応用に依存する。例えば、オレフィンのカルボン酸への転化に対して好ましい主活性成分はパラジウムであり、一方、オレフィンのエポキシドへの転化に対して好ましい活性成分は銀である。上記の反応に関する追加の議論は、例えば、参照によって組み込まれる特許文献１中に見出すことができる。
【０１８１】
Ｃ．水素化反応
本発明の担持型反応性触媒は水素化反応に対しても有用である。この触媒は、選択性が決定的に重要な因子である場合、すなわち、供給原料が２種以上の還元可能な官能基を含み、これらのうちの特定ものだけを水素化しなければならない場合に、特に有利である。本発明の有用性を示すのに、本発明の範囲の限定を意味しない具体的例が役立つ。アセトフェノンのメチルベンジルアルコールへの選択的な水素化では、触媒は、アセトフェノン分子のカルボニル基を選択的に水素化し、一方、アセトフェノン分子のベンゼン環を無影響で残さなければならない。この応用のための好ましい触媒は、白金、パラジウムまたはルテニウムの主活性成分に基づく。本発明に基づく触媒粒子に、このカルボニル基の２重結合は容易に吸着することができ、この結合は、触媒表面の表面原子の最上位列と整列し、それによって隣接する表面部位由来の水素による攻撃対象となるように配置される。
【０１８２】
しかしながら、よりかさ高の芳香環は、この直線的な表面構造にフィットせず、容易には水素化されない。
【０１８３】
Ｄ．還元反応
本発明の触媒は、アンモニア合成、カルボニル化、ヒドロホルミル化、油脂の硬化、還元的アルキル化、還元的アミノ化およびヒドロシレーション（hydrosilation）を含む他の還元反応に対しても有用である。ただし還元反応はこれらに限定されるわけではない。
【０１８４】
Ｅ．脱水素反応
本発明の触媒は、脱水素および改質を含む、反応剤分子から水素を遊離させる反応に対しても有用である。芳香族化合物を形成する石油留分および他の炭化水素の触媒的改質に関しては、好ましい活性触媒成分は白金または白金とレニウムの組合せである。合成ガスを形成する炭化水素の改質に関しては、有用な触媒成分は、パラジウム、白金、イリジウム、金、オスミウム、ルテニウム、ロジウム、レニウムおよびそれらの組合せのような貴金属である。同じ貴金属が、単独であるいは組み合わせて、プロパンのプロピレンへの転化またはエタンのエチレンへの転化のような脱水素反応に対して有用である。
【０１８５】
Ｆ．燃料電池
本発明の触媒は、高分子電解質膜型燃料電池および直接メタノール型燃料電池のための燃料電池電極における触媒成分としても有用である。主活性成分として白金に基づく制御された配位触媒は、これらの燃料電池のアノードとカソードの両方に対して有用である。
【０１８６】
本発明は、本発明の趣旨または必須の特徴から逸脱することなく他の具体的な形態で具現化することができる。記載の実施形態は、あらゆる点で、単に例示のためのものであって、限定のためのものではではない。したがって本発明の範囲は、以上の説明よりはむしろ添付の請求項によって示される。請求項の等価の意味および範囲に含まれる全ての変更は、請求項の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１８７】
【図１Ａ】例示的な低指数結晶面を概略的に示す図である。
【図１Ｂ】例示的な低指数結晶面を概略的に示す図である。
【図２Ａ】さまざまな低指数結晶面の触媒原子に対して水素および酸素がどのように配置されまたは配位するのかを概略的に比較する図である。
【図２Ｂ】さまざまな低指数結晶面の触媒原子に対して水素および酸素がどのように配置されまたは配位するのかを概略的に比較する図である。
【図３】配位数２を有し、不規則に配置された列に配置された反応性触媒原子の例示的な最上位層すなわち外層の概略的な上面図である。
【図４】本発明の例示的な中間触媒錯体の化学構造の概略図である。
【図５】固定剤によって担体に化学結合した触媒粒子を概略的に示す図である。
【図６】貴金属触媒原子の秩序配列を示す本発明に基づく担持型Ｐｄ−Ｐｔ／Ｃ触媒の高解像度ＴＥＭを示す図である。
【図７】ＴＳ１担体上の貴金属触媒原子の秩序配列を示す本発明に従う担持型Ｐｄ−Ｐｔ／ＴＳ１触媒の高解像度ＴＥＭを示す図である。
【図８】過酸化水素生成物の収率と溶液選択パラメータ（ＳＳＰ）との間の相関を示すグラフである。
【図１Ａ】
2007530248.tif 000005
【図１Ｂ】
2007530248.tif 000006
【図２Ａ】
2007530248.tif 000007
【図２Ｂ】
2007530248.tif 000008
【図３】
2007530248.tif 000009
【図４】
2007530248.tif 000010
【図５】
2007530248.tif 000011
【図６】
2007530248.tif 000012
【図７】
2007530248.tif 000013
【図８】
2007530248.tif 000014
【国際調査報告】
2007530248.tif 000015