(57)【要約】  一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる触媒の使用を含むカットフィラー組成物、シガレット用紙、シガレットフィルター、シガレット、シガレットの製造方法及びシガレットの喫煙方法を提供する。触媒は、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又は金属酸化物粒子を含む。金属前駆体溶液を高表面積担体粒子と混ぜ合わせて混合物を形成することによって、或いは金属前駆体溶液をコロイド溶液と混ぜ合わせて混合物を形成してから、該混合物を熱処理することによって触媒を調製することができる。
2007527698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タバコと、一酸化炭素の二酸化炭素への変換用触媒とを含んでなるカットフィラー組成物であって、前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含む、前記カットフィラー組成物。
【請求項２】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、Ｂ、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt、Au及びその混合物を含む、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項３】
前記高表面積担体粒子が、シリカゲルビーズ、活性炭、分子ふるい、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、イットリア（任意にジルコニウムでドープされていてもよい）、酸化マンガン（任意にパラジウムでドープされていてもよい）、セリア及びその混合物を含む、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項４】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、Cu、Zn、Co及び／又はFeを含み、かつ前記高表面積担体が、シリカゲルビーズ及び／又は活性炭を含む、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項５】
前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持された約0.1〜25wt.％のナノスケール粒子を含む、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項６】
前記高表面積担体粒子が、コロイド溶液から誘導される、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項７】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、約50nm未満の平均粒径を有する、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項８】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、約10nm未満の平均粒径を有する、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項９】
前記高表面積担体粒子の表面積が、約20〜2500m2/gである、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項１０】
前記高表面積担体粒子が、ミリメーター、ミクロン、サブミクロン及び／又はナノスケールの粒子を含む、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項１１】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、金属前駆体及び／又は溶媒の部分的分解による炭素を含む、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項１２】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が磁性粒子を含む、請求項１記載のカットフィラー組成物。
【請求項１３】
タバコと、一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる触媒とを含んでなるシガレットであって、前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含む、前記シガレット。
【請求項１４】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、Ｂ、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt、Au及びその混合物を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項１５】
前記高表面積担体粒子が、シリカゲルビーズ、活性炭、分子ふるい、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、イットリア（任意にジルコニウムでドープされていてもよい）、酸化マンガン（任意にパラジウムでドープされていてもよい）、セリア及びその混合物を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項１６】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、Cu、Zn、Co及び／又はFeを含み、かつ前記高表面積担体粒子が、シリカゲルビーズ及び／又は活性炭を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項１７】
前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持された約0.1〜25wt.％のナノスケール粒子を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項１８】
前記高表面積担体粒子が、コロイド溶液から誘導される、請求項１３記載のシガレット。
【請求項１９】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、約50nm未満の平均粒径を有する、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２０】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、約10nm未満の平均粒径を有する、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２１】
前記高表面積担体粒子の表面積が、約20〜2500m2/gである、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２２】
前記高表面積担体粒子が、ミリメーター、ミクロン、サブミクロン及び／又はナノスケールの粒子を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２３】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、金属前駆体及び／又は溶媒の部分的分解による炭素を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２４】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が磁性粒子を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２５】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、実質的に炭素フリーである、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２６】
前記シガレットが、シガレット１本当たり約５mg〜シガレット１本当たり約200mgの前記触媒を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２７】
前記シガレットが、シガレット１本当たり約10mg〜シガレット１本当たり約100mgの前記触媒を含む、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２８】
さらにフィルターとシガレット用紙を含み、前記フィルター及び／又はシガレット用紙が前記触媒を組み込んでいる、請求項１３記載のシガレット。
【請求項２９】
一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる触媒を含んでなるシガレットフィルターであって、前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含む、前記シガレットフィルター。
【請求項３０】
シガレットの製造方法であって、以下の工程：
（ｉ）タバコカットフィラー、シガレット用紙及び／又はシガレットフィルターに触媒を添加する工程（ここで、前記触媒は、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含む）；
（ii）前記カットフィラーをシガレット製造機に供給してタバコ円柱を形成する工程；
（iii）前記タバコ円柱の周りに包装紙を配置してタバコロッドを形成する工程；及び
（iv）前記タバコロッドに前記シガレットフィルターを取り付けてシガレットを形成する工程；
を含む方法。
【請求項３１】
Ｂ、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt、Au及びその混合物を含むナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子と、シリカゲルビーズ、活性炭、分子ふるい、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、イットリア（任意にジルコニウムでドープされていてもよい）、酸化マンガン（任意にパラジウムでドープされていてもよい）、セリア及びその混合物を含む高表面積担体粒子とをタバコカットフィラーに添加する、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
Cu、Zn、Co及び／又はFeを含むナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子と、シリカゲルビーズ及び／又は活性炭を含む高表面積担体粒子とをタバコカットフィラーに添加する、請求項３０記載の方法。
【請求項３３】
高表面積担体粒子上に担持された約0.1〜25wt.％のナノスケール粒子をタバコカットフィラーに添加する、請求項３０記載の方法。
【請求項３４】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子がAuを含み、かつ前記高表面積担体粒子が酸化鉄を含む、請求項３０記載の方法。
【請求項３５】
少なくとも約10％の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するために有効な量で前記触媒を前記タバコカットフィラーに添加する、請求項３０記載の方法。
【請求項３６】
シガレット１本当たり約５mg〜約200mgの前記触媒を添加する、請求項３０記載の方法。
【請求項３７】
シガレット１本当たり約10mg〜約100mgの前記触媒を添加する、請求項３０記載の方法。
【請求項３８】
以下の工程：
金属前駆体と溶媒を混ぜ合わせて金属前駆体溶液を形成する工程；
前記金属前駆体溶液を高表面積担体粒子と混ぜ合わせて混合物を形成する工程；
前記金属前駆体を熱的に分解するために十分な温度に前記混合物を加熱して、前記高表面積担体内及び／又は高表面積担体上にナノスケール粒子を形成する工程；及び
前記混合物を乾燥させる工程；
によって前記触媒を形成する工程をさらに含む、請求項３０記載の方法。
【請求項３９】
前記金属前駆体溶液にナノスケール粒子の分散系を添加する工程をさらに含む、請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
平均直径が約７nm未満のナノスケール粒子を前記金属前駆体溶液に添加する、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記高表面積担体粒子のキャビティ又は細孔内に前記ナノスケール粒子を配置する、請求項３９記載の方法。
【請求項４２】
前記高表面積担体粒子がコロイド溶液から誘導される、請求項３８記載の方法。
【請求項４３】
前記混合物を加熱する工程の前に、前記コロイド溶液の粘度を上昇させてゲルを形成する、請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記混合物を加熱する工程の前に、前記ゲルを洗浄する、請求項４３記載の方法。
【請求項４５】
前記コロイド溶液の粘度を上昇させる工程が、前記混合物のpHを変えることを含む、請求項４２記載の方法。
【請求項４６】
前記コロイド溶液の粘度を上昇させる工程が、前記混合物に希酸又は希塩基を添加することを含む、請求項４２記載の方法。
【請求項４７】
前記希酸がHClである、請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
前記コロイド溶液中のコロイドの濃度が、約10〜60質量％である。請求項４２記載の方法。
【請求項４９】
シリカゲルビーズ、活性炭、分子ふるい、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、イットリア（任意にジルコニウムでドープされていてもよい）、酸化マンガン（任意にパラジウムでドープされていてもよい）、セリア及びその混合物の少なくとも１つを含む高表面積担体粒子を前記金属前駆体溶液と混ぜ合わせる、請求項３８記載の方法。
【請求項５０】
β-ジケトネート、ジオネート、オキサレート及び水酸化物から成る群より選択される金属前駆体を溶媒と混ぜ合わせる、請求項３８記載の方法。
【請求項５１】
Ｂ、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt及びAuの少なくとも１つを含む金属前駆体を溶媒と混ぜ合わせる、請求項３８記載の方法。
【請求項５２】
蒸留水、エチルアルコール、メチルアルコール、クロロホルム、アルデヒド、ケトン及び芳香族炭化水素の少なくとも１つを含む溶媒を前記金属前駆体と混ぜ合わせる、請求項３８記載の方法。
【請求項５３】
前記混合物を約200〜400ECの温度に加熱する、請求項３８記載の方法。
【請求項５４】
ミリメーター、ミクロン、サブミクロン及び／又はナノスケールの粒子を含む高表面積担体粒子を前記金属前駆体溶液と混ぜ合わせる、請求項３８記載の方法。
【請求項５５】
前記ナノスケール金属粒子が、前記金属前駆体及び／又は溶媒の部分的分解による炭素をさらに含む、請求項３８記載の方法。
【請求項５６】
Cu、Zn、Co及び／又はFeを含む前駆体溶液と、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、イットリア、ジルコニア及び／又はセリアを含むコロイド溶液とを混ぜ合わせる、請求項４２記載の方法。
【請求項５７】
シガレットに点火して煙を形成し、この煙を前記シガレットを通じて吸い込むことを含む請求項１３記載のシガレットの喫煙方法であって、前記シガレットの喫煙中、前記触媒が一酸化炭素を二酸化炭素に変換する、前記喫煙方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般的に、喫煙中のシガレットの主流煙中の一酸化炭素のような成分を減らす方法に関する。より詳細には、本発明は、タバコの煙中の種々の成分の量を減らすことができるナノ粒子添加剤の使用を含むカットフィラー組成物、シガレット、シガレットの製造方法及びシガレットの喫煙方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
以下の説明では特定の構造と方法を参照するが、このような参照は、適用可能な法定条項下でこれら構造と方法を先行技術とみなすことを許容するものと必ずしも解釈するものではない。出願人らは、参照したいずれの主題も先行技術を構成しないことを実証する権利を留保する。
シガレット又はシガーのような喫煙品は、吹く間の主流煙と、静的燃焼中の副流煙の両方を生成する。主流及び副流の両煙の一成分は一酸化炭素（ＣＯ）である。煙中の一酸化炭素の減少が望ましい。
喫煙品用の触媒、吸収剤、及び／又は酸化剤が以下の文献に開示されている：Sniderらに発行された米国特許第6,371,127号、Bowenらに発行された米国特許第6,286,516号、Yamazakiらに発行された米国特許第6,138,684号、Rongvedに発行された米国特許第5,671,758号、Quincy, IIIらに発行された米国特許第5,386,838号、Shannonらに発行された米国特許第5,211,684号、Deffevesらに発行された米国特許第4,744,374号、Cohnに発行された米国特許第4,453,553号、Owensに発行された米国特許第4,450,847号、Seehoferらに発行された米国特許第4,182,348号、Martinらに発行された米国特許第4,108,151号、米国特許第3,807,416号及び米国特許第3,720,214号。公開された出願WO 02/24005、WO 87/06104、WO 00/40104及び米国特許出願公開番号2002/0002979 A1、2003/0037792 A1及び2002/0062834 A1も触媒、吸収剤、及び／又は酸化剤に言及している。
タバコ製品で使うための鉄及び／又は酸化鉄について記述されている（例えば、米国特許第4,197,861号；第4,489,739号及び第5,728,462参照）。酸化鉄は、着色剤として（例えば、米国特許第4,119,104号；第4,195,645号；第5,284,166号)及び燃焼調節剤として（例えば、米国特許第3,931,824号；第4,109,663号及び第4,195,645号)記述されており、また食味、色及び／又は外観を改良するために使用されている（例えば、米国特許第6,095,152号；第5,598,868号；第5,129,408号；第5,105,836号及び第5,101,839号）。
現在までのこのような発展にもかかわらず、喫煙中の喫煙品の主流煙中の一酸化炭素の量を減らすための改良された、より効率的な方法と組成物が未だに要望されている。
【０００３】
（概要）
タバコカットフィラー組成物、シガレット用紙（cigarette paper）、シガレットフィルター、シガレット、シガレットの製造方法及びシガレットの喫煙方法は、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒を備える。
一態様は、タバコと、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒とを含んでなるタバコカットフィラー組成物であって、前記触媒が、高表面積担体粒子に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含む、前記組成物を提供する。
別の態様は、一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる触媒を含むタバコカットフィラーを含んでなるシガレットであって、前記触媒が、高表面積担体粒子に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含む、前記シガレットを提供する。
このシガレットは、任意に、触媒がフィルター材料の上及び／又はフィルター材料内に分散しているフィルターをさらに含むことができる。なおさらなる態様は、一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる触媒を含むシガレットフィルターであって、前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含む、前記シガレットフィルターを提供する。
【０００４】
本発明によって製造されるシガレットは、シガレット１本当たり好ましくは約200mgまでの触媒、さらに好ましくはシガレット１本当たり約10mg〜約100mgの触媒を含む。触媒は、好ましくはシガレットの喫煙前に生成される。
さらなる態様は、シガレットの製造方法であって、以下の工程：
（ｉ）タバコカットフィラーに触媒を添加する工程（ここで、前記触媒は、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含む）；（ii）前記カットフィラーをシガレット製造機に供給してタバコロッド（tobacco rod）を形成する工程；及び（iii）前記タバコロッドの周りに包装紙を配置してシガレットを形成する工程；を含む方法を提供する。
好ましい態様では、ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子は、IIIB族及びIVB族の金属及びメタロイド、高融点金属、並びに遷移金属、耐火性金属、希土類金属及び貴金属、例えば、Ｂ、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt、Au及びその混合物を含み、かつ高表面積担体粒子は、シリカゲルビーズ、活性炭、分子ふるい、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、イットリア(yttria)（任意にジルコニアでドープされていてもよい）、酸化マンガン（任意にパラジウムでドープされていてもよい）、セリア(ceria)及びその混合物を含む。
【０００５】
別の好ましい態様によれば、少なくとも約10％、好ましくは少なくとも約25％の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するために有効な量で、ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子はCu、Zn、Co、Fe及び／又はAuを含み、高表面積担体粒子はシリカゲル、酸化鉄及び／又は活性炭を含む。例えば、触媒は、高表面積担体粒子上に担持された約0.1〜25wt.％のCu、Zn、Co及び／又はFeのナノスケール粒子を含みうる。
一方法では、金属前駆体と溶媒を混ぜ合わせて金属前駆体溶液を形成し、この金属前駆体溶液を高表面積担体粒子と混ぜ合わせて混合物を形成し、金属前駆体を熱的に分解して高表面積担体粒子内及び／又は該粒子上にナノスケール粒子を形成するために十分な温度に前記混合物を加熱し、この混合物を乾燥させることによってシガレットを製造する。任意に、ナノスケール粒子の分散系（dispersion）を金属前駆体溶液に添加してもよい。
ナノスケール粒子は約100nm未満、好ましくは約50nm未満、さらに好ましくは約10nm未満、最も好ましくは約７nmの平均粒径を有しうる。ナノスケール粒子は、金属前駆体及び／又は溶媒中に存在する有機成分又は無機成分の部分的分解による炭素を含んでもよい。好ましくは、ナノスケール粒子は実質的に炭素フリーである。ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子は、磁気粒子を含むことができる。高表面積担体粒子は、好ましくは約20〜2500m2/gの表面積を有し、ミリメーター、ミクロン、サブミクロン及び／又はナノスケールの粒子を含むことができる。
【０００６】
さらなる方法により、金属前駆体は、１種以上のβ-ジケトネート、ジオネート、オキサレート及び水酸化物であり、金属は、Ｂ、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt及びAuから選択される少なくとも１種の元素を含む。溶媒は、蒸留水、メチルアルコール、エチルアルコール、クロロホルム、アルデヒド、ケトン、芳香族炭化水素及びその混合物の少なくとも１種を含みうる。好ましくは、混合物を約200〜400ECの温度に加熱する。ナノスケール粒子は、好ましくは高表面積担体粒子のキャビティ内、細孔内及び／又は表面上に沈着される。高表面積担体の細孔の大きさは約50nm未満でよい。
高表面積担体粒子は、コロイド溶液から誘導することができ、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、イットリア、ジルコニア及び／又はセリアを含むことができ、コロイド溶液中のコロイドの濃度は、約10〜60質量％でよい。コロイド溶液の粘度は、コロイド溶液のpHを変えることで上昇させることができる。コロイド溶液の粘度を上昇させる工程は、希酸又は希塩基をコロイド溶液に添加することを含みうる。希酸はHClを含みうる。好ましい方法では、混合物を加熱する工程の前にコロイド溶液の粘度を上昇させてゲルを形成する。好ましくは、ゲルを洗浄する。混合物を乾燥させる工程は空気乾燥を含むことができる。
さらに別の態様は、シガレットに点火して煙を形成し、この煙をシガレットを通じて吸い込むことを含む上記シガレットの喫煙方法であって、シガレットの喫煙中、触媒が一酸化炭素を二酸化炭素に変換する、前記喫煙方法を提供する。
【０００７】
（詳細な説明）
一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる、高表面積担体粒子上にナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を有する触媒を使うタバコカットフィラー組成物、シガレット用紙、シガレットフィルター材料、シガレット、シガレットの製造方法及びシガレットの喫煙方法を提供する。
シガレットの“喫煙”は、シガレットを通して吸い込みうる煙を形成するためのシガレットの加熱又は燃焼を意味する。一般的に、シガレットの喫煙は、シガレットの一端に点火することと、この中に含まれるタバコが燃焼反応を受けながら、シガレットの口側端を通じてシガレットの煙を吸い込むことを含む。シガレットを他の手段で喫煙することもできる。例えば、一般譲渡された米国特許第6,053,176号；第5,934,289号；第5,591,368号及び第5,322,075号に記載されているように、シガレットを加熱して、及び／又は電気ヒーター手段を用いて加熱してシガレットを喫煙することができる。
用語“主流”煙は、タバコロッドを下方に進むガスとフィルター端を通じて出るガスの混合物を指し、すなわち、シガレットの喫煙中、シガレットの口側端から出る、或いは吸い込まれる煙の量を指す。
タバコ中の成分に加え、温度と酸素濃度は一酸化炭素と二酸化炭素の形成及び反応に影響する因子である。喫煙中に形成される一酸化炭素の総量は、以下の３つの主原因の組合せの結果として生じる：熱分解（約30％）、燃焼（約36％）及び炭化されたタバコによる二酸化炭素の還元（少なくとも23％）。熱分解による一酸化炭素の形成は、化学反応速度論によって大きく制御されるが、約180℃の温度で始まり、約105℃で終わる。燃焼中の一酸化炭素と二酸化炭素の形成は、表面への酸素の拡散（ｋa）と表面反応（ｋb）によって大きく制御される。250℃では、ｋaとｋbがほぼ同じである。約400℃では、反応が、制御された拡散になる。最後に、約390℃以上の温度で、炭化されたタバコ又は木炭による二酸化炭素の還元が起こる。
【０００８】
喫煙中、シガレットには以下の３つの別個の領域がある：燃焼ゾーン、熱分解／蒸留ゾーン、及び濃縮／ろ過ゾーン。理論に拘泥されたくないが、高表面積担体粒子上にナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を有する触媒は、喫煙中のシガレットの異なる領域で起こる種々の反応を標的にできると考えられる。
まず、燃焼ゾーンは、シガレットの喫煙中に、通常、シガレットの点火された末端に生成される、シガレットの燃焼するゾーンである。燃焼ゾーンの温度は、約700℃〜約950℃であり、加熱速度は500℃／秒程度と高い。タバコの燃焼で酸素が消耗されて一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、及び種々の有機化合物が生成するので、燃焼ゾーン内の酸素濃度は低い。低い酸素濃度と高温が結びついて、炭化されたタバコによる二酸化炭素の一酸化炭素への還元をもたらす。この領域内では、触媒は触媒作用と酸化機構の両方で一酸化炭素を二酸化炭素に変換することができる。燃焼ゾーンは、非常に発熱を伴い、生成される熱が熱分解／蒸留ゾーンに運ばれる。
熱分解ゾーンは、燃焼ゾーンの後の領域であり、温度範囲は約200℃〜約600℃である。熱分解ゾーンは、大部分の一酸化炭素が生成されるところである。主反応はタバコの熱分解（すなわち、熱的分解）であり、燃焼ゾーンで生成された熱で一酸化炭素、二酸化炭素、煙成分、木炭及び／又は炭素が生じる。この領域内にはいくらかの酸素が存在するので、触媒は一酸化炭素の二酸化炭素への酸化のための酸化触媒として作用しうる。触媒反応は150℃で始まり、ほぼ300℃で最大活性に達する。
濃縮／ろ過ゾーンでは、温度は周囲温度〜約150℃の範囲である。このゾーンの主プロセスは、煙成分の濃縮／ろ過である。シガレットからいくらかの量の一酸化炭素と二酸化炭素が拡散し、かつシガレット中にいくらかの酸素が拡散する。濃縮／ろ過ゾーン内の酸素の分圧は、一般的に大気圧レベルには回復しない。
【０００９】
本触媒は、高表面積担体粒子上に担持された金属及び／又は金属酸化物のナノスケール粒子を含む。高表面積担体粒子は、多孔性の顆粒及びビードを含むことができ、担体の一表面から別の表面に伸長する相互に連結した通路を含んでも含まなくてもよい。さらに、高表面積担体粒子は、ナノスケール粒子を含むことができる。高表面積担体は、好ましくは約20m2/gより大きい、好ましくは約50m2/gより大きい表面積を有する粒子を含む。本担体は、触媒的に活性な担体でよい。
ナノスケール粒子は、その識別する特徴が、その平均直径、すなわち粒子サイズ又は他の構造ドメインサイズが約100ナノメーター未満である分類の材料である。ナノスケール粒子は、約100nm未満、好ましくは約50nm未満、さらに好ましくは約10nm未満、最も好ましくは約７nm未満の平均粒径を有しうる。ナノスケール粒子は、体積に対して非常に高い表面積比を有し、粒子を触媒用途で魅力的にする。
【００１０】
触媒的に活性なナノスケール粒子と触媒的に活性な高表面積担体の相乗的組合せは、より効率的な触媒をもたらしうる。従って、高表面積担体上に沈着したナノスケール粒子は、有利には小量の材料を用いて触媒作用、例えば、ＣＯからＣＯ2への酸化をすることができる。
本触媒は、金属及び／又は金属酸化物粒子と高表面積担体を含む。担体は、シリカゲルビーズ、分子ふるい、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、イットリア（任意にジルコニアでドープされていてもよい）、酸化マンガン（任意にパラジウムでドープされていてもよい）、セリア及びその混合物のような無機酸化物粒子を含むことができる。また、担体は、PICA(PICA炭素, Levallois, France)のような活性炭粒子を含むことができる。担体は、好ましくは、細孔サイズが約３Åより大きい、例えば10Å〜10ミクロンの細孔孔を有する、約50m2/gより大きい、例えば100m2/g〜2,500m2/gのBET表面積を特徴とする。
非多孔性の高表面積担体の例は、ナノスケールの酸化鉄粒子である。例えば、MACH I, Inc., King of Prussia, PAは商標名NANOCAT(登録商標)Superfine Iron Oxide(SFIO)及びNANOCAT(登録商標)Magnetic Iron OxideでFe2Ｏ3のナノスケール粒子を販売している。NANOCAT(登録商標)Superfine Iron Oxide(SFIO)は、自由流動粉末の形態で約３nmの粒径、約250m2/gの比表面積、及び約0.05g/mlのかさ密度を有する非晶質の酸化第二鉄である。NANOCAT(登録商標)Superfine Iron Oxide(SFIO)は気相法で合成され、従来の触媒に存在しうる不純物がなく、食品、薬物、及び化粧品で使うのに好適である。NANOCAT(登録商標) Magnetic Iron Oxideは、約25nmの粒径と約40m2/gの比表面積を有する自由流動粉末である。好ましい態様により、ナノスケール金属粒子、例えば金のような貴金属粒子を高表面積の酸化鉄粒子上に担持させることができる。
【００１１】
多孔性の高表面積担体の例は、シリカゲルビーズである。Fuji-Silysia(Nakamura-ka, Japan)は、大きさが約５〜30ミクロンの範囲であり、かつ約2.5nm〜約100nmの平均孔径の範囲を有するシリカゲルビーズを販売している。このシリカゲルビーズの表面積は約30〜800m2/gの範囲である。
高表面積担体として使用できる典型的分類の多孔性セラミック材料は、ゼオライト、微孔性リン酸アルミニウム、リン酸シリコアルミニウム、鉄酸ケイ素、ホウ酸ケイ素、チタン酸ケイ素、アルミン酸マグネシウムスピネル及びアルミン酸亜鉛のような分子ふるいが挙げられる。
好ましい方法により、ナノスケール粒子と高表面積担体は両方とも適切な金属前駆体化合物の混合物を加熱するとインサイツ形成されうる。例えば、水酸化金、ペンタン二酸銀、ペンタン二酸銅(II)、シュウ酸銅-シュウ酸亜鉛、又はペンタン二酸鉄のような金属前駆体をアルコールのような適切な溶媒に溶かし、ペンタン二酸チタンのような第２の金属前駆体と混合することができる。この金属前駆体混合物を比較的低温、例えば約200〜400ECに加熱することができ、金属前駆体の熱的分解の結果、大きさが約100nm〜500nmの範囲でありうる、多孔性のチタニア担体粒子上に担持されたナノスケールの金属又は金属酸化物粒子の形成となる。
【００１２】
或いは、適切な金属前駆体化合物と高表面積担体の混合物を加熱すると、ナノスケール粒子がインサイツ形成されうる。例として、水酸化金、ペンタン二酸銀、ペンタン二酸銅(II)、シュウ酸銅-シュウ酸亜鉛、又はペンタン二酸鉄をアルコールのような適切な溶媒に溶かし、コロイドシリカのような担体材料の分散系と混合することができ、酸又は塩基の存在下でゲル化して、空中乾燥によってのように乾燥させることができる。コロイド混合物をゲル化するために使用できる酸及び塩基として、塩酸、酢酸、ギ酸、水酸化アンモニウム等が挙げられる。塩素含有酸を用いてコロイド混合物をゲル化する場合、好ましくはゲルを脱イオン水で洗浄してゲル中の塩化物イオンの濃度を減らす。コロイド担体材料は、例えば、10〜60wt.％、例えば、15wt.％分散系又は40wt.％分散系のようないずれの適切な濃度でもよい。ゲル化中又はゲル化後、金属前駆体-コロイドシリカ混合物を比較的低温、例えば200〜400ECに加熱することができ、金属先駆体の熱的分解の結果、シリカ担体粒子上に沈着したナノスケールの金属又は金属酸化物粒子の形成となる。コロイドシリリカに代えて、コロイドチタニア又はコロイドシリカ-チタニア混合物を担体として使用することができる。コロイド担体粒子の大きさは約10〜500nmの範囲でよい。
【００１３】
シリカアクアゲルとしても知られるシリカヒドロゲルは水中で形成されるシリカゲルである。シリカヒドロゲルの細孔は水で満たされている。キセロゲルは水が除去されたヒドロゲルである。エーロゲルは、水が除去されるときに構造の崩壊又は変化を最小限にするように液体が除去されたタイプのキセロゲルである。
シリカゲルは、アルカリ金属ケイ酸塩（例えば、ケイ酸ナトリウム）の水溶液を硝酸又は硫酸のような強酸と混合することによってのような従来の手段で調製することができ、前記混合は、凝固してヒドロゲルになるクリアなシリカゲルを形成するのに適した撹拌条件下で行われる。結果のゲルを洗浄することができる。ヒドロゲル中のSiＯ2の濃度は、通常約10〜60質量％の範囲であり、ゲルのpHは約１〜９でよい。
洗浄は、新たに形成されるゲルを連続的に移動する水流に浸漬することによって容易に達成することができ、望ましくない塩を浸出して本質的に純粋なシリカ（SiＯ2）が残る。洗浄水のpH、温度、及び持続時間は、表面積や細孔容積のようなシリカ粒子の物理的性質に影響しうる。
【００１４】
分子有機分解（MOD）を用いてナノスケール粒子を調製することができる。MODプロセスは、適切な溶媒に溶かした所望の金属元素を含有する金属前駆体で開始する。例えば、このプロセスは１つ以上の金属原子を有する単金属前駆体を含み、或いはこのプロセスは、溶液中で混ざって溶液混合物を形成している複数の単金属前駆体を含みうる。上述したように、MODを用いてナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子（担体粒子を含む）を調製することができる。
金属前駆体の分解温度は、リガンドが実質的に金属原子から解離する（又は揮発する）温度である。このプロセスの間に、リガンドと金属原子との間の結合は、リガンドが気化するか又は別なふうに金属から離れるように切断される。好ましくはすべてのリガンドが分解する。しかし、ナノスケール粒子は、金属前駆体及び／又は溶媒中に存在する有機又は無機成分の部分的な分解から得られる炭素を含んでもよい。好ましくはナノスケール粒子は実質的に炭素フリーである。
MOD処理で用いられる金属前駆体は、好ましくは高純度で無毒かつ扱いやすく、貯蔵しやすい（長い貯蔵寿命）。望ましい物理的性質として、溶媒系における溶解性、多成分合成の他の前駆体との適合性、及び低温処理のための揮発性が挙げられる。
【００１５】
ナノスケール粒子は、金属前駆体の混合物から又は単一源の金属前駆体分子（１つ以上の金属元素が化学的に会合している）から得られる。結果の粒子の所望の化学量論は、金属前駆体溶液の化学量論と一致しうる。
触媒を製造するためのMOD法の局面は、商業的に望ましい化学量論が得られることである。例えば、触媒中の所望の原子比は、第１金属の第２金属に対する比が所望の原子比に等しい金属前駆体又は金属前駆体の混合物を選択することで達成されうる。
【００１６】
金属前駆体化合物は、好ましくは金属有機化合物であり、中心に典型金属、遷移金属、ランタニド金属、又はアクチニド金属原子があり、架橋原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｐ又はＳ）に結合しており、それが有機基に結合している。典型金属原子の例として、限定するものではないが、Ｂ、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Ｙ、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt及びAuが挙げられる。このような化合物として金属アルコキシド、β-ジケトネート、カルボキシレート、オキサレート、シトレート、金属ヒドリド、チオレート、アミド、ニトレート、カーボネート、シアネート、スルフェート、ブロミド、クロリド、及びその水和物が挙げられる。金属前駆体は、いわゆる有機金属化合物でもよく、この場合、中心の金属原子が有機基の１つ以上の炭素原子に結合している。これら金属前駆体による処理の局面を以下に述べる。
【００１７】
ナノスケールの酸化物の合成用前駆体は、金属アルコキシドＭ(ＯＲ)n又はオキソアルコキシドＭＯ(ＯＲ)n（Ｒ＝飽和若しくは不飽和有機基、アルキル又はアリール）、β-ジケトネートＭ(β-ジケトネート)n（β-ジケトネート＝ＲＣＯＣＨＣＯＲ'）及び金属カルボキシレートＭ(Ｏ2ＣＲ)nのような先在する金属-酸素結合を有する分子である。金属アルコキシドは良い溶解性と揮発性を両方とも有しており、MOD処理に容易に適用しうる。しかし、一般的に、これら化合物は非常に吸湿性であり、不活性な雰囲気で貯蔵する必要がある。ケイ素アルコキシドが液体かつ単量体であるのと対照的に、ほとんどの金属を主成分とするアルコキシドは固体である。他方、金属アルコキシド結合の高い反応性は、これら金属前駆体材料を、Ｍ(ＯＲ)n-xＺx（Ｚ＝β-ジケトネート又はＯ2ＣＲ）のようないろいろなヘテロレプティック(heteroleptic)種（すなわち、異なるタイプのリガンドを有する種）用の開始化合物として役に立つようにすることができる。
金属アルコキシドＭ(ＯＲ)nは多種の分子のプロトンと容易に反応する。このことは、例えば、アルコール、シラノール（Ｒ3SiＯＨ）、グリコールＯＨ(ＣＨ)nＯＨ、カルボン酸及びヒドロキシカルボン酸、ヒドロキシル界面活性物質などのような有機ヒドロキシ化合物を用いることによる簡単な化学変化を可能にし、化学量論の制御を可能にする。
フッ素化アルコキシドＭ(ＯＲF)n（ＲF＝ＣＨ(ＣＦ3)、Ｃ6Ｆ5、…）は有機溶媒に容易に溶け、かつ古典的アルコキシドより加水分解に対して感受性が低い。これら材料をフッ化物、酸化物又はＦ-ドープ酸化スズのようなフッ化物-ドープ酸化物用前駆体として使用でき、金属酸化物のナノスケール粒子及び／又は高表面積担体として使用しうる。
【００１８】
金属アルコキシドの変化は、加水分解に利用できるＭ-ＯＲ結合の数、ひいては加水分解感受性を低減する。従って、例えば、アルコキシドの改質剤として又はアルコキシドに代えて、金属β-ジケトネート（例えば、アセチルアセトン）又はカルボン酸（例えば、酢酸）を用いて溶液化学をインサイツ制御することができる。
金属β-ジケトネート[Ｍ(ＲＣＯＣＨＣＯＲ')n]mは、その揮発性と高い溶解度のためMOD処理用の魅力的な前駆体である。その揮発性は、Ｒ基、Ｒ'基のかさ及び金属の性質によって大きく支配され、上式で表される会合度、ｍを決定する。アセチルアセトネート（Ｒ=Ｒ'=ＣＨ3）は、良い収率を与えるので有利である。
金属β-ジケトネートは、これら前駆体の原子核性の減少につながりうるキレート化挙動の傾向がある。これらリガンドは、表面キャッピング試薬及び重合開始剤として作用しうる。こうして、Ｍ(ＯＲ)n-xＺx(β-ジケトネート)xの加水分解後に小粒子が得られる。例えば、アセチルアセトンはナノスケールのコロイドを安定化する。従って、金属β-ジケトネート前駆体はナノスケール粒子の調製に好ましい。
【００１９】
アセテート（Ｍ(Ｏ2ＣMe)n）のような金属カルボキシレートは水和物として商業的に入手可能であり、無水酢酸又は2-メトキシエタノールと加熱することで無水物にすることができる。多くの金属カルボキシレートは、カルボキシレートリガンドが主に架橋キレート化リガンドとして作用し、容易にオリゴマー又はポリマーを形成するので、一般的に有機溶媒にあまりよく溶けない。しかし、最小数の炭素原子のカルボキシレートである2-エチルヘキサノエート（Ｍ(Ｏ2ＣＣＨEtnBu)n）は、一般的にほとんどの有機溶媒に溶ける。多数のカルボキシレート誘導体がアルミニウムで利用できる。ナノスケールのアルミニウム-酸素巨大分子及びクラスター（アルモキサン(alumoxanes)）を触媒材料として使用しうる。例えば、式Al(Ｏ2ＣＨ)3(Ｈ2Ｏ)及びカルボキシレート-アルモキサン[AlＯx(ＯＨ)y(Ｏ2ＣＲ)z]mは安価な鉱物ギブサイト又はベーマイトから調製することができる。
混合金属（ヘテロ金属）前駆体から、或いは単金属（ホモ金属）前駆体の混合物から多成分材料を調製することができる。
複数の単金属前駆体を使用すると、前駆体のレオロジー及び生成物の化学量論の設計におけるフレキシビリティーという利点がある。他方、ヘテロ金属前駆体は、金属系（その単金属前駆体は望ましくない溶解性、揮発性又は適合性を有する）へのアクセスを提供しうる。
アルコキシド及び／又はアセテート、β-ジケトネート若しくはニトレートのような他の金属前駆体を混合することでルイス酸-塩基反応又は置換反応によって混合金属種を得ることができる。しかし、混合反応は熱力学的に制御されるので、一旦単離されたヘテロ化合物の化学量論は、そのヘテロ化合物が調製された混合物の組成比を反映しないかもしれない。他方、大部分の金属アルコキシドは、混ぜ合わせてヘテロ金属種を生成することができ、この金属種は出発原料より可溶性であることが多い。
【００２０】
MOD処理で用いる溶媒はいくつかの基準に基づいて選択され、この基準として、金属前駆体化合物に対する高い溶解性；金属前駆体化合物に対して化学的に不活性なこと；使用する沈着法との流体力学的適合性（例えば、所望粘度、湿潤性及び／又は他のレオロジーアジャスターとの適合性）；沸点；蒸気圧及び／又は気化速度；及び経済的因子（例えば、コスト、回収可能性、毒性など）が挙げられる。
MOD処理で使用しうる溶媒として、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、キシレン、酢酸エチル、トルエン、ベンゼン、テトラヒドロフラン、アセトン、二硫化炭素、ジクロロベンゼン、ニトロベンゼン、ピリジン、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール、クロロホルム及びミネラルスピリットが挙げられる。
【００２１】
好ましい態様により、金属又は金属酸化物のナノスケール粒子を高表面積の酸化鉄担体上に形成することができる。金属、金属酸化物又は酸化鉄の好適な前駆体化合物は、上述したような比較的低温で熱的に分解する化合物である。一態様により、金属前駆体溶液を酸化鉄粒子の分散系と混ぜ合わせることができる。この担体はNANOCAT(登録商標)酸化鉄粒子のように商業的に入手可能であり、或いは上述したようなコロイド溶液又は金属前駆体溶液から担体を調製することができる。
ナノスケールの金属粒子は、イオン交換、浸漬、又は物理的混合のような種々の方法で担体に組み込むことができる。例えば、金属前駆体を液体に懸濁又は溶解させ、分散又は懸濁した金属前駆体を有する前記液体と高表面積担体を混合することができる。溶解又は懸濁した金属前駆体が担体の表面上に吸着し、或いは担体中に吸収されうる。例えば金属前駆体が担体上に残存するようにエバポレーションによって液体を除去して担体の表面上に金属前駆体を沈着させてもよい。金属前駆体を熱処理する間又はその前に、液体の沸点より高温で担体を加熱して、或いは担体周囲の環境の圧力を下げることによってのように、担体から液体を実質的に除去することができる。
【００２２】
例えば、分子ふるいを適切な金属前駆体の溶液、好ましくは水溶液と混合することによって金属の分子ふるいへの添加を達成することができる。ほぼ周囲温度又は高温で、例えば還流によって混合を行うことができる。金属前駆体の組込み後であるが、加熱前、任意に、金属前駆体溶液-分子ふるい混合物をろ過かつ水洗することができる。
熱処理が金属前駆体を分解して構成金属原子に解離し、それによって金属原子が結びついて、金属前駆体溶液中の金属の化学量論比にほぼ等しい原子比を有するナノスケールの金属又は金属酸化物粒子を形成しうる。
種々の雰囲気で熱処理を行うことができる。例えば、担体を金属前駆体溶液と接触させ、この接触した担体を不活性又は還元雰囲気内で加熱して活性化ナノスケール金属粒子を形成することができる。或いは、担体を金属前駆体溶液と接触させ、この接触した担体を酸化雰囲気の存在下で加熱してから酸化雰囲気の実質的な非存在下で加熱して活性化ナノスケール金属酸化物粒子を形成することができる。
金属前駆体-接触担体は、好ましくは金属前駆体の分解温度又はそれ以上の温度に加熱される。好ましい加熱温度は、使用する特定のリガンドによって、また金属及び残存すべく所望の他のいずれかの基の分解温度によっても左右されるだろう。しかし、好ましい温度は、約200EC〜約400EC、例えば300EC又は350ECである。金属前駆体-接触担体の加熱は、酸化雰囲気及び／又は還元雰囲気で起こりうる。
【００２３】
一実施例として、100nm未満の酸化鉄粒子をナノスケールの金粒子の担体として使用することができる。Au-FeＯ3触媒は、アルコールに溶かして酸化鉄粒子と混合した水酸化金から製造することができる。混合物を約300又は400ECに加熱することによって、水酸化物を、酸化鉄粒子で緻密に被覆され／酸化鉄粒子と密接に混合されうるナノスケールの金粒子に分解させることができる。ナノメータースケールの酸化鉄粒子上に担持されたナノメータースケールの金粒子のTEM画像を図１〜４に示す。
【００２４】
さらなる実施例として、シリカゲルビーズ、活性炭、分子ふるい、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、イットリア（任意にジルコニアでドープされていてもよい）、酸化マンガン（任意にパラジウムでドープされていてもよい）、セリア及びその混合物のような高表面積の基材上にナノスケールの銅粒子を沈着させるうる。例えば、ペンタン二酸銅、シュウ酸銅、又は低温分解を受ける他の銅化合物を、PICA炭素又はシリカゲルビーズのような基材と混ぜ合わせ、かつ前駆体の分解温度より高温に加熱して前記基材上にナノスケールの銅粒子を沈着させることができる。
【００２５】
表１は種々の実施例を示す。表１に示されるように、金属前駆体化合物、金属前駆体化合物の混合物及び／又はナノスケール粒子と金属前駆体化合物の混合物を用いて高表面積担体上でナノスケールの金属及び／又は金属酸化物粒子を調製することができる。各実施例で、基材の分散系を、金属前駆体化合物及び／又はナノスケール粒子を含有する溶液と混ぜ合わせた。実施例１〜４では、シリカゲルとPICA炭素の両基材を用いた。実施例５は、多孔性のシリカゲル基材のみの上で調製した。アルゴン流下、約300〜400ECの温度に混合物を加熱した。生成物は、高表面積担体粒子上に担持された、典型的には約300〜500nmの範囲のナノスケールの金属及び／又は金属酸化物粒子だった。実施例４の酸化コバルト-酸化鉄のナノスケール粒子は磁性であることが分かった。
【００２６】
表１．高表面積担体上のナノスケール粒子の調製
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【００２７】
一般に、金属前駆体と担体は、担体上に金属粒子の所望の装填を与えるのに適したいずれの比率で混ぜ合わせてもよい。水酸化金と酸化鉄は、例えば、酸化鉄に対して約0.1〜25wt.％、例えば、２wt.％、５wt.％、又は15wt.％の金を生じさせるように混ぜ合わせうる。
担体は、その表面上で金属前駆体が金属に変換される温度に加熱したとき、融けず、完全には気化せず、或いは別なふうにナノスケール粒子を担持できなくならないいずれの材料も包含しうる。
ＣＯからＣＯ2への変換中、ナノスケール粒子及び／又は高表面積担体は還元されうる。例えば、担体又は担体上に配置された粒子を構成しうるFe2Ｏ3は、ＣＯからＣＯ2への反応中にFe3Ｏ4、FeＯ又はFeに還元されうる。
酸化鉄は、酸素の存在下ではＣＯ又はＮＯx触媒としての機能、また酸素の非存在下ではＣＯの直接酸化のＣＯ酸化剤としての機能という二重機能を有するので触媒の好ましい構成成分である。酸化剤としても使用できる触媒は、酸素の部分圧が非常に低くなりうる燃焼しているシガレット内のような特定用途で特に有用である。
【００２８】
触媒は、反応物又は反応生成物として関与せずに化学反応の速度に影響を与え、例えば、一酸化炭素から二酸化炭素への酸化の速度を高めることができる。酸化剤は、例えば、酸化剤自体は還元されるように反応物に酸素を供与することによって反応物を酸化することができる。
触媒の選択では、当業者に明かなように、種々の熱力学的理由を考慮して、触媒作用が効率的に生じることを確実にしうる。例えば、図５は、一酸化炭素の二酸化炭素への酸化のギブスの自由エネルギーとエンタルピーの温度依存性の熱力学的分析を示す。図６は、一酸化炭素を形成するための炭素による二酸化炭素変換率の温度依存性を示す。
図７は、平均粒径が約３nmのFe2Ｏ3ナノスケール粒子(NANOCAT(登録商標)Superfine Iron Oxide(SFIO)；MACH I, Inc., King of Prussia, PA)と平均粒径が約５μmのFe2Ｏ3粉末(Aldrich Chemical Company)の触媒活性の比較を示す。Fe2Ｏ3ナノスケール粒子は、より大きいFe2Ｏ3粉末よりずっと高い一酸化炭素の二酸化炭素への変換率を示す。
上述したように、Fe2Ｏ3ナノスケール粒子は一酸化炭素の二酸化炭素への酸化剤として、また一酸化炭素の二酸化炭素への変換用触媒として作用することができる。Fe2Ｏ3ナノスケール粒子は、熱分解ゾーンでは一酸化炭素の二酸化炭素への変換用触媒として作用し、燃焼領域では一酸化炭素の二酸化炭素への変換用酸化剤として作用することができる。
【００２９】
ナノスケールの金属酸化物の有効性を実証するため、図８は、石英管反応器内で触媒として50mgのCuＯ粒子及び50mgのFe2Ｏ3ナノスケール粒子を用いたCuＯ（曲線Ａ）及びFe2Ｏ3（曲線Ｂ）の変換率の温度依存性の比較を示す。ガス（3.4％のＣＯ、21％のＯ2、バランスHe）の流速は1000ml/分、加熱速度は12.4Ｋ/分だった。CuＯナノスケール粒子は低温で高い変換率を有するが、高温では、CuＯとFe2Ｏ3は匹敵する変換率を有する。
表２は、CuＯ及びFe2Ｏ3ナノスケール粒子を用いた場合の一酸化炭素の二酸化炭素に対する比、及び酸素消耗率の比較を示す。
【００３０】
表２．CuＯナノスケール粒子とFe2Ｏ3ナノスケール粒子の比較
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【００３１】
ナノスケール粒子の非存在下では、一酸化炭素の二酸化炭素に対する比は約0.51で、酸素消耗は約48％だった。表２のデータは、ナノスケール粒子を使用することで得られる改善を示す。一酸化炭素の二酸化炭素に対する比はCuＯ及びFe2Ｏ3でそれぞれ0.29及び0.23に下がる。酸素消耗はCuＯ及びFe2Ｏ3でそれぞれ67％及び100％に増える。
本触媒は、好ましくはシガレットのタバコロッド部分全体に分布する。タバコロッド全体に触媒を供給することによって、シガレットを通じて吸い込まれる一酸化炭素の量を減らすことができ、特に燃焼領域と熱分解ゾーンの両方で減らすことができる。
【００３２】
上述したように、本触媒を適切な方法でタバコ上に分布させ、或いは本触媒をカットフィラータバコ中に組み込むことによって、本触媒をタバコの長さに沿って供給することができる。粉末の形態で又は分散系の形態の溶液で本触媒を提供することができる。乾燥粉末形態の触媒をカットフィラータバコ及び／又はシガレットフィルター材料の上に振りかけ、或いはシガレット用紙製造機の紙原料に触媒材料を添加することができる。触媒は分散系の形態で存在し、カットフィラータバコ、シガレット用紙及び／又はシガレットフィルター材料上に噴霧してもよい。或いは、本触媒を含有する分散系でタバコ及び／又はシガレットフィルター材料を被覆してもよい。シガレット製造機に供給されるカットフィルタータバコ原料に触媒を添加してもよく、或いはタバコ円柱（tobacco column）の周りにシガレット用紙で包装する前にタバコ円柱に触媒を添加してもよい。金属前駆体溶液を含む混合物を、該金属前駆体を熱的に分解してナノスケール粒子にするために十分な温度に加熱する工程は、好ましくはシガレットに触媒を添加する前に行う。
触媒の量を選択して、シガレットの喫煙中に主流煙中の一酸化炭素の量を減少させることができる。好ましくは、触媒の量は、触媒的に有効な量、例えば、約数ミリグラム、例えば約５mg/シガレットから約200mg/シガレットである。さらに好ましくは、触媒の量は、約10mg/シガレット〜約100mg/シガレットである。
【００３３】
一態様は、タバコと、一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる少なくとも１種の触媒とを含んでなるカットフィラー組成物であって、前記触媒が、高表面積担体上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子の形態である、前記カットフィラー組成物を提供する。
カットフィラーには、いずれの好適なタバコ混合物も使用することができる。好適なタイプのタバコ原料の例として、煙道(flue)-硬化型、バーレイ(Burley)、メリーランド(Maryland)又はオリエンタル(Oriental)タバコ、珍しいか又は特殊なタバコ、及びそのブレンドが挙げられる。タバコラミナ、加工タバコ原料（例えば増量タバコ又はパフ(puffed)タバコ）、加工タバコ茎（例えばカット-ロール茎又はカット-パフ茎）、再構成タバコ原料、又はそのブレンドの形態でタバコ原料を供給することができる。タバコは、タバコ代用物も包含しうる。
シガレット製造では、タバコは一般的にカットフィラーの形態、すなわち、約2.54mm(1/10インチ)〜約1.27mm(1/20インチ)又は0.635mm(1/40インチ)でさえの範囲の幅にカットされた断片又はストランドの形態で利用される。ストランドの長さは、約6.35mm(0.25インチ)〜約76.2mm(3.0インチ)の範囲である。シガレットは、１種以上の風味剤又は当技術で公知の他の添加剤（例えば、燃焼添加剤、燃焼改良剤、着色剤、結合剤など）をさらに含んでよい。
【００３４】
別の態様は、タバコロッドを含んでなるシガレットであって、前記タバコロッドが、上述したような一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる少なくとも１種の触媒を有するタバコカットフィラーを含む、前記シガレットを提供する。さらなる態様は、シガレットの製造方法であって、（ｉ）タバコカットフィラーに触媒を添加する工程；（ii）前記カットフィラーをシガレット製造機に供給してタバコ円柱を形成する工程；及び（iii）前記タバコ円柱の周りに包装紙を配置してシガレットを形成する工程；を含む前記方法を提供する。
シガレット製造法は、当分野で公知である。いずれの従来のシガレット製造法又は改変したシガレット製造法を使用しても本触媒を組み込むことができる。結果のシガレットは、標準的な又は改変したシガレット製造法及び製造設備を用いていずれの既知の仕様にも製造されうる。典型的には、カットフィラー組成物を任意的に他のシガレット添加剤と混ぜ合わせ、シガレット製造機に供給してタバコロッドを生成してからシガレット用紙で包装し、任意的に先端にフィルターを付ける。
シガレットは、約50mm〜約120mmの長さである。一般に、定型的なシガレットは約70mmの長さ、“キングサイズ”は約85mmの長さ、“スーパーキングサイズ”は約100mmの長さであり、“ロング”は通常約120mmの長さである。円周は約15mm〜約30mm、好ましくはほぼ25mmである。タバコの充填密度は典型的に約100mg/cm3〜約300mg/cm3、好ましくは150mg/cm3〜約275mg/cm3の範囲である。
さらに別の態様は、シガレットに点火して煙を形成すること、この煙をシガレットを通じて吸い込むことを含む上記シガレットの喫煙方法であって、シガレットの喫煙中に、前記触媒が一酸化炭素から二酸化炭素への変換の触媒として作用する、前記喫煙方法を提供する。
【００３５】
好ましい態様を参照して本発明について述べたが、本技術の当業者には明かなように、変更及び修正を為しうることを理解すべきである。このような変更及び修正は、本明細書に添付の特許請求の範囲によって定義されるとおりの本発明の範囲内であると解釈するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ナノスケールの金粒子が酸化鉄担体粒子上に沈着している態様で調製した触媒のTEM画像を示す。
【図２】ナノスケールの金粒子が酸化鉄担体粒子上に沈着している態様で調製した触媒のTEM画像を示す。
【図３】ナノスケールの金粒子が酸化鉄担体粒子上に沈着している態様で調製した触媒のTEM画像を示す。
【図４】ナノスケールの金粒子が酸化鉄担体粒子上に沈着している態様で調製した触媒のTEM画像を示す。
【図５】一酸化炭素の二酸化炭素への酸化反応のギブスの自由エネルギーとエンタルピーの温度依存性を示す。
【図６】二酸化炭素の一酸化炭素への変換率の温度依存性を示す。
【図７】平均粒径が約３nmのFe2Ｏ3ナノスケール粒子(NANOCAT(登録商標)Superfine Iron Oxide(SFIO)；MACH I, Inc., King of Prussia, PA)と平均粒径が約５μmのFe2Ｏ3粉末(Aldrich Chemical Company)の触媒活性の比較を示す。
【図８】一酸化炭素を酸素で酸化して二酸化炭素を生じさせるための触媒としてのCuＯ及びFe2Ｏ3ナノスケール粒子の変換率の温度依存性を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月11日(2007.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タバコと、一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる触媒とを含んでなるシガレットであって、
前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含み、
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、Cu、Zn、Co及び／又はFeを含み、
前記高表面積担体粒子が20m2/gより大きい表面積を有するシリカゲルビーズ及び／又は活性炭を含む、前記シガレット。
【請求項２】
タバコカットフィラーを含み、前記カットフィラーが触媒を含む、請求項１に記載のシガレット。
【請求項３】
さらにフィルターとシガレット用紙を含み、前記フィルター及び／又はシガレット用紙が前記触媒を組み込んでいる、請求項１又は２に記載のシガレット。
【請求項４】
タバコと、一酸化炭素の二酸化炭素への変換用触媒とを含んでなるカットフィラー組成物であって、
前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含み、
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、Cu、Zn、Co及び／又はFeを含み、
前記高表面積担体粒子が20m2/gより大きい表面積を有するシリカゲルビーズ及び／又は活性炭を含む、前記カットフィラー組成物。
【請求項５】
前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、Ｂ、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ce、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt、Au及びその混合物を含む、請求項１記載のシガレット。
【請求項６】
前記高表面積担体粒子が、シリカゲルビーズ、活性炭、分子ふるい、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、イットリア（任意にジルコニウムでドープされていてもよい）、酸化マンガン（任意にパラジウムでドープされていてもよい）、セリア及びその混合物を含む、請求項１記載のシガレット。
【請求項７】
前記触媒が、高表面積担体粒子上に担持された0.1〜25wt.％のナノスケール粒子を含む、請求項１記載のシガレット。
【請求項８】
請求項１に記載のシガレットの製造方法であって、以下の工程：
（ｉ）タバコカットフィラー、シガレット用紙及び／又はシガレットフィルターに触媒を添加する工程（ここで、前記触媒は、高表面積担体粒子上に担持されたナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子を含み、前記ナノスケールの金属粒子及び／又はナノスケールの金属酸化物粒子が、Cu、Zn、Co及び／又はFeを含み、前記高表面積担体粒子が20m2/gより大きい表面積を有するシリカゲルビーズ及び／又は活性炭を含む）；
（ii）前記カットフィラーをシガレット製造機に供給してタバコ円柱を形成する工程；
（iii）前記タバコ円柱の周りに包装紙を配置してタバコロッドを形成する工程；及び
（iv）前記タバコロッドに前記シガレットフィルターを取り付けてシガレットを形成する工程；
を含む方法。
【請求項９】
高表面積担体粒子上に担持された0.1〜25wt.％のナノスケール粒子をタバコカットフィラーに添加する、請求項８記載の方法。
【国際調査報告】
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