(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成物の総重量の６０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の触媒と、
組成物の総重量の３から７ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの第１の変性剤と、組成物の総重量の３から７ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの第２の変性剤と、
組成物の総重量の２０から４０ｗ／ｗ％の範囲の量の担持材と、
を含む触媒組成物であって、
前記第１の変性剤が、Ｃｕ、Ｃｕの酸化物、およびそれらの混合物からなる群から選択され、前記第２の変性剤が、Ｚｎ、Ｚｎの酸化物、およびそれらの混合物からなる群から選択され、
前記担持材がγアルミナであり、
前記触媒組成物が、低級炭化水素の分解に使用されて酸化炭素を含まない水素およびカーボンナノチューブを生成する、触媒組成物。
【請求項２】
前記触媒組成物が、６０ｗ／ｗ％のＮｉ、５ｗ／ｗ％のＣｕ、５ｗ／ｗ％のＺｎ、および３０ｗ／ｗ％のＡｌ２Ｏ３である、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項３】
低級炭化水素が、メタン、エタン、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項４】
請求項１に記載の触媒組成物を製造するプロセスであって、
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群から選択される少なくとも２つの塩を水に溶解して溶液を得るステップと、
前記溶液に担持材を加えてペーストを得るステップと、
１２０℃の温度で１から４８時間の間、前記ペーストを乾燥させて乾燥ペーストを得るステップと、
４００から６００℃の温度範囲で１から６時間の間、前記乾燥ペーストをか焼して前駆体触媒を得るステップと、
３８０から４５０℃の温度範囲で１から６時間の間、窒素の存在下で前記前駆体触媒を水素で還元して触媒組成物を得るステップと、
を含むプロセス。
【請求項５】
Ｎｉの塩が、硝酸ニッケル、塩化ニッケル、ギ酸ニッケル、酢酸ニッケル、および炭酸ニッケルからなる群から選択される、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
Ｃｏの塩が、硝酸コバルト、塩化コバルト、ギ酸コバルト、酢酸コバルト、および炭酸コバルトからなる群から選択される、請求項４に記載のプロセス。
【請求項７】
Ｆｅの塩が、硝酸鉄、塩化鉄、ギ酸鉄、酢酸鉄、および炭酸鉄からなる群から選択される、請求項４に記載のプロセス。
【請求項８】
Ｃｕの塩が、硝酸銅、水酸化銅、炭酸銅、および酢酸銅からなる群から選択される、請求項４に記載のプロセス。
【請求項９】
Ｚｎの塩が、酢酸亜鉛、水酸化亜鉛、ギ酸亜鉛、炭酸亜鉛、および硝酸亜鉛からなる群から選択される、請求項４に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記触媒組成物が、ナノサイズまたはマイクロサイズの金属（ＮｉＯ）粒子を有するメソ孔またはマイクロ孔を備えた混合酸化物である、請求項４に記載のプロセス。
【請求項１１】
触媒組成物を製造するプロセスであって、
Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎの硝酸塩を水に溶解して溶液を得るステップと、
前記溶液にアルミナを加えてペーストを得るステップと、
１２０℃の温度で２４時間の間、前記ペーストを乾燥させて乾燥ペーストを得るステップと、
５５０℃の温度範囲で６時間の間、前記乾燥ペーストをか焼して前駆体触媒を得るステップと、
４５０℃の温度範囲で６時間の間、窒素の存在下で前記前駆体触媒を水素で還元して触媒組成物を得るステップと、
を含み、
前記触媒組成物が、組成物の総重量の６０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の触媒と、組成物の総重量の３から７ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの第１の変性剤と、組成物の総重量の３から７ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの第２の変性剤と、組成物の総重量の２０から４０ｗ／ｗ％の範囲の量の担持材とを含み、前記第１の変性剤が、Ｃｕ、Ｃｕの酸化物、およびそれらの混合物からなる群から選択され、前記第２の変性剤が、Ｚｎ、Ｚｎの酸化物、およびそれらの混合物からなる群から選択され、前記担持材がγアルミナであり、
前記触媒組成物が、低級炭化水素の分解に使用されて酸化炭素を含まない水素およびカーボンナノチューブを生成する、プロセス。
【請求項１２】
前記触媒組成物が、６０ｗ／ｗ％のＮｉ、５ｗ／ｗ％のＣｕ、５ｗ／ｗ％のＺｎ、および３０ｗ／ｗ％のＡｌ２Ｏ３である、請求項４または１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
酸化炭素を含まない水素およびカーボンナノチューブを製造するプロセスであって、
反応器に触媒組成物を配置するステップであって、前記触媒組成物が、
前記組成物の総重量の６０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の触媒と、
前記組成物の総重量の３から７ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの第１の変性剤と、前記組成物の総重量の３から７ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの第２の変性剤と、
前記組成物の総重量の２０から４０ｗ／ｗ％の範囲の量の担持材とを含み、
前記第１の変性剤が、Ｃｕ、Ｃｕの酸化物、およびそれらの混合物からなる群から選択され、前記第２の変性剤が、Ｚｎ、Ｚｎの酸化物、およびそれらの混合物からなる群から選択され、
前記担持材が、γアルミナである、ステップと、
５５０〜８００℃の温度、大気圧で、１０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲で、任意で使用されるキャリアガスの存在下で前記触媒組成物上に低級炭化水素のフローを流すステップと、
酸化炭素を含まない流れおよびカーボンナノチューブを回収するステップであって、前記流れが水素、未反応の低級炭化水素、および任意で使用されるキャリアガスを含む、ステップと、
を含むプロセス。
【請求項１４】
前記触媒組成物が６０ｗ／ｗ％のＮｉ、５ｗ／ｗ％のＣｕ、５ｗ／ｗ％のＺｎ、および３０ｗ／ｗ％のＡｌ２Ｏ３である、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記反応器が、固定床管型反応器および流動床反応器からなる群から選択される、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記低級炭化水素が、メタン、エタン、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記キャリアガスが、窒素および水素からなる群から選択される、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記温度が７５０℃である、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記カーボンナノチューブが、バンブー構造カーボンナノチューブである、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項２０】
アモルファス炭素に対して優先的に高純度バンブー構造カーボンナノチューブが製造される、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項２１】
外径および内径が６０〜５５ｎｍおよび２５〜３０ｎｍの範囲であり、長さが２〜３μｍである、高純度のバンブー構造のカーボンが得られる、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２２】
高純度バンブー構造カーボンナノチューブが、遠心分離によって分離される、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２３】
酸化炭素を含まない水素およびカーボンナノチューブを製造するプロセスであって、
固定床管型反応器に触媒組成物を配置するステップであって、前記触媒組成物が、６０ｗ／ｗ％のＮｉ、５ｗ／ｗ％のＣｕ、５ｗ／ｗ％のＺｎ、および３０ｗ／ｗ％のＡｌ２Ｏ３を含む、ステップと、
７５０℃の温度、大気圧で、２０ｍＬ／ｍｉｎの流量で、任意で使用されるキャリアガスの存在下で前記触媒組成物上にメタンのフローを流すステップと、
酸化炭素を含まない流れおよびカーボンナノチューブを回収するステップであって、前記流れが、水素、未反応のメタン、および任意で使用されるキャリアガスを含む、ステップと、
を含むプロセス。
【請求項２４】
前記キャリアガスが、窒素および水素からなる群から選択される、請求項２３に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載される主題は一般的に、担持材上の触媒および変性剤を含む、低級炭化水素を分解するための触媒組成物に関する。本発明はまた、低級炭化水素の分解のための触媒組成物を調製するプロセスに関する。本発明はさらに、適切な反応温度および大気圧で活性触媒の存在下で、低級炭化水素の触媒分解によって酸化炭素を含まない水素およびバンブー構造カーボンナノチューブを製造するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
世界中で、産業および輸送において、長い間、主に石油系燃料が使用されてきた。しかしながら、これらの燃料は入手に限度があり、また、特に酸化炭素、すなわち二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）を高レベルで排出する。水素（Ｈ２）は、従来の石油系燃料に代わる優れた代替物として提案されてきた。化石燃料の代わりとしてのＨ２の利用は、宇宙技術および燃料電池における成功が実証されたため、ここ２０年の間、非常に注目されてきたが、複雑かつ高価な製造プロセスを使用しなければならない。水素を製造する従来の方法は、メタン水蒸気改質、メタン部分酸化、または石炭ガス化である。しかしながら、水素の生成に加えて、これらの方法は、相当量の二酸化炭素、一酸化炭素などの酸化炭素（ＣＯＸ）もまた生成し、それらの分離には費用がかかり、燃料電池に使用される電極に悪影響を及ぼす。したがって、燃料電池への利用およびその他の利用では、従来の方法によって得られる水素は、ＣＯＸを含まないようにするために精製しなければならない。水素製造に使用される従来の方法は、多段階の工程を含み、商業的に実現可能ではない。
【０００３】
ＣＯＸを含まない水素の製造は、環境および経済の側面において有利であり得る。クリーン水素の製造のために提案される方法は、アンモニア（ＮＨ３）分解、水素分裂、およびメタンまたは低級炭化水素の触媒分解法（ＣＤＭ）である。後の方法は、ＣＯＸを含まない水素を製造する前の方法に比べて安価である。メタンの触媒分解は、以下のように表すことができる。
ＣＨ４→Ｃ＋２Ｈ２    ΔΗ＝１７．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ
【０００４】
メタンの触媒分解（ＣＤＭ）からの純水素は、従来の水素製造方法と比較していくつかの利点を有する。ＣＤＭは、それほど厳しくない条件で純水素を生成する。さらに、プロセスは同時に、水素とともに高価なナノカーボンの生成をもたらす。このことにより、上記のプロセスは、ＣＯＸを含まない水素を製造する重要な代替プロセスとなる。一方で、プロセスの重大な欠点は、触媒上に炭素堆積物を生成し、結果として触媒が不活性化する。不活性化触媒の再生は、炭素堆積物の燃焼により行われるが、これは酸化炭素の発生につながる。不活性担持材上のＮｉ、Ｆｅ、およびＣｏ系触媒でのＣＤＭにより水素が得られることが報告されている。Ｎｉ系触媒は、その他の遷移金属よりも活性が高く、安定であるため、メタン分解での水素および炭素の生成量がより多い（Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．  Ｃａｔａｌ．  Ｌｅｔｔ．  ２００４，７）。
【０００５】
メタンは、ＮｉｘＭｇｙＯ（ｘおよびｙはＮｉおよびＭｇのモル含有量を表す）系触媒上で分解されてＣＯＸを含まない水素および炭素を生成する。触媒組成物に促進剤としてＣｕを添加すると、メタン分解および固体炭素両方の収率が向上し、触媒寿命が１９時間まで増加する（ＵＳ２００５／００６３９００）。マイクロ波照射を使用することによって、ＦｅおよびＮｉ系触媒の存在下でのメタンを分解して水素リッチ燃料およびカーボンナノチューブを得る方法が実施された。この方法では、触媒およびメタンの両方が、選択されたマイクロ波電力でのマイクロ波照射に曝露された（ＵＳ２００８／０２１０９０８）。Ｆｅ塩と、Ｎｉ、Ｐｄ、およびＭｏとを組み合わせて混合することによって合成された触媒を使用して、軽質炭化水素が水素およびカーボンナノ材料に分解された。１つの金属として少なくともＦｅと、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｍｏとを組み合わせて有する二元金属塩は、５００から１０００℃の範囲の温度で水素の生成に活性を有することが見いだされた（ＵＳ６８７５４１７）。担持された遷移金属系触媒で炭素含有化合物を分解することによって、多層の寸法が制御されたカーボンナノチューブが生成された。プロセスに使用される典型的な担持材は、ＳｉＯ２、ＳｉＯ２／Ａ１２Ｇ３、エアロゲルＡ１２Ｏ３およびＭｇＯであった（ＵＳ７２１４３６０）。
【０００６】
非担持ナノサイズニッケル酸化物粒子は、特に３００から５００℃の低温でのメタン分解によるＣＯＸを含まない水素の生成に使用された。触媒性能は、触媒の粒子サイズに強く影響を受けることが観測された（ＵＳ２００９／０１４０２１５）。不活性担持体上にＣｏおよびＭｎを含有する固体触媒上での炭化水素の分解によって、１００を超えるアスペクト比を有し、３〜１５０ｎｍの寸法を有するカーボンナノチューブの生成が実現される（ＵＳ２００９／０１４０２１５）。低濃度の酸化／還元ガスまたは水蒸気の存在下での低級炭化水素を触媒の存在下で分解して機能性カーボンナノ材料および水素を生成することができる。触媒上に生成されたアモルファス炭素は除去される（ＵＳ７７６７１８２）。シリカ担持Ｎｉ触媒が、低い反応温度（５５０℃）での触媒メタン分解に使用され、これらの触媒は長い円筒形中空炭素繊維を生成した（Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．  Ａｐｐｌ．  Ｃａｔａｌ．  Ａ：  Ｇｅｎ  １９９８，  １６１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００６３９００号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０２１０９０８号明細書
【特許文献３】米国特許第７２１４３６０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００９／０１４０２１５号明細書
【特許文献５】米国特許第７７６７１８２号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．  Ｃａｔａｌ．  Ｌｅｔｔ．  ２００４，７
【非特許文献２】Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．  Ａｐｐｌ．  Ｃａｔａｌ．  Ａ：  Ｇｅｎ  １９９８，  １６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸化炭素を含まない水素およびカーボンナノチューブへとメタンを変換する方法の１つの欠点は、活性触媒の急速な不活性化にある。さらに、活性触媒は、アモルファス炭素の堆積に起因して急速に不活性化する。メタンの転化率は５０〜６０％の範囲であり、炭素の収率は低い。メタン分解反応における様々な触媒の活性に対するかなりの研究がおこなわれてきたが、より長時間不活性化せずに機能する有効な触媒は得られていない。水素を生成するためのメタンの触媒分解の概念が示されてきたが、より軽質な炭化水素を分解してカーボンナノチューブおよびＣＯＸを含まない水素を生成するための新規の触媒組成物を開発する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、組成物の総重量の１０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の触媒と、組成物の総重量の１から１４ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの変性剤と、組成物の総重量の２０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の担持材と、を含む触媒組成物に関する。本明細書に記載の触媒組成物は、低級炭化水素の分解に使用されて水素を含まない酸化炭素およびカーボンナノチューブを生成する。
【００１１】
本発明はまた、触媒組成物を製造するプロセスであって、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群から選択される少なくとも２つの塩を水に溶解して溶液を得るステップと、担持材を溶液に加えてペーストを得るステップと、１２０℃の温度で１から４８時間の間ペーストを乾燥させて乾燥ペーストを得るステップと、４００〜６００℃の温度範囲で１から６時間の間乾燥ペーストをか焼して前駆体触媒を得るステップと、３８０〜４５０℃の温度範囲で１から６時間の間、窒素の存在下で水素によって前駆体触媒を還元して触媒組成物を得るステップと、を含むプロセスに関する。
【００１２】
本発明はさらに、水素を含まない酸化炭素およびカーボンナノチューブを製造するプロセスであって、組成物の総重量の１０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の触媒と、組成物の総重量の１から１４ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの変性剤と、組成物の総重量の２０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の担持材とを含む触媒組成物を反応器に配置するステップと、５５０〜８００℃の温度、大気圧で、１０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲で、任意で使用されるキャリアガスの存在下で触媒組成物上に低級炭化水素のフローを流すステップと、酸化炭素を含まない流れおよびカーボンナノチューブを回収するステップであって、前記流れが水素、未反応の低級炭化水素、および任意で使用されるキャリアガスを含むステップと、を含むプロセスに関する。
【００１３】
本発明のこれらのおよびその他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照してさらに理解されるであろう。課題を解決する手段は、簡略化形態で概念の選択を導入するために提供されるものである。課題を解決する手段は、特許請求の範囲に記載された発明の主要な特徴または必須の特徴を特定することを意図するものでなく、特許請求の範囲に記載の発明の範囲を限定するために使用されることを意図するものでもない。
【００１４】
添付の図面を参照して詳細な説明について説明する。図面において、参照符号の最も左の桁は、参照符号が最初に付される図面を特定するものである。図面を通して、同様の特徴および部材を示すために同一の符号が使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】７００から８００℃の間のさまざまな反応温度でのＣＤＭを図示する。反応温度とメタン転化の関係を示す。
【図２】ＣＤＭにおける反応温度およびＧＨＳＶ（Ｌ／ｈ．ｇｃａｔ）の効果を図示する。
【図３】様々な温度での時間に対するＣｕ（５％）Ｚｎ（５％）−Ｎｉ（６０％）／Ａｌ２Ｏ３でのＣＤＭを図示する。
【図４】様々な温度での時間に対するＣｕ（５％）Ｚｎ（５％）−Ｎｉ（６０％）／Ａｌ２Ｏ３での水素収率を図示する。
【図５】メタンの分圧に対するＣｕ（５％）Ｚｎ（５％）−Ｎｉ（６０％）／Ａｌ２Ｏ３でのメタン転化率を図示する。
【図６】メタンの分圧に対するＣｕ（５％）Ｚｎ（５％）−Ｎｉ（６０％）／Ａｌ２Ｏ３での水素収率を図示する。
【図７】酸化処理を行わない様々な分離サイクルでの時間に対するＣＤＭでの効率を図示する。
【図８】酸化処理を行わない様々な分離サイクルでの時間に対するＣＤＭでの水素収率を図示する。
【図９】Ｃｕ（５％）Ｚｎ（５％）−Ｎｉ（６０％）／Ａｌ２Ｏ３触媒の場合に水素キャリアガスが水素収率に与える影響を図示する。
【図１０】７５０℃での反応後の６０％Ｎｉ／Ａｌ２０３およびＣｕ（５％）Ｚｎ（５％）−Ｎｉ（６０％）／Ａｌ２Ｏ３使用済触媒のＳＥＭ顕微鏡写真を図示する。
【図１１】７５０℃で作動したＣＤＭ後のＣＮＴ触媒の外観を示すＴＥＭ顕微鏡写真を図示する。
【図１２】触媒Ｃ上の、壁グラファイト層（矢印１）、グラファイト状区画（矢印２）、区画化後（矢印３）、およびグラファイト面間距離（矢印４）を表すバンブー構造多層ＣＮＴのＨＲＴＥＭ画像を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
当然ながら、当業者であれば、本明細書中のブロック図は、本願発明の原理を具体化する例示的システムの概念図を表すことを理解することができる。
【００１７】
以下において、本発明についてより詳細に説明する。実際には、発明は、多様な形態に具体化され得るが、明細書に記載された実施形態に限定されるものと考えるべきではなく、実施形態は本開示が法的制約を満たすように適用されるものである。明細書、および添付の特許請求の範囲において使用される単数であることを示す用語「１つ」は、明確に規定されていない限り複数を参照する。
【００１８】
本明細書に記載の主題は、酸化炭素を含まない水素およびバンブー構造カーボンナノチューブを生成するための低級炭化水素の触媒分解に関する。酸化炭素は、二酸化炭素および一酸化炭素を含む。
【００１９】
本発明の対象は、酸化炭素を含まない水素およびカーボンナノチューブを生成するための低級炭化水素の分解に使用するための触媒組成物に関する。
【００２０】
本発明のさらに別の対象は、組成物の総重量の１０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の触媒と、組成物の総重量の１から１４ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの変性剤と、組成物の総重量の２０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の担持材と、を含む触媒組成物に関する。
【００２１】
本発明の実施形態は、触媒が、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＦｅからなる群から選択される触媒組成物を提供する。触媒組成物中の金属は、元素形態で、または金属酸化物として、または金属塩もしくはそれらの混合物として存在し得る。
【００２２】
本発明の別の実施形態は、触媒が、組成物の総重量の５０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量で存在する触媒組成物を提供する。
【００２３】
本発明の別の実施形態は、変性剤が、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｕの酸化物、Ｚｎの酸化物、およびそれらの混合物からなる群から選択される触媒組成物を提供する。
【００２４】
本発明はさらに、担持材が、組成物の総重量の２０から４０ｗ／ｗ％の範囲の量で、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、ニオビア、ゼオライト、ＭＣＭ−２２、メソポーラス酸化物、およびマイクロポーラス酸化物からなる群から選択され、好ましくはＡ１２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＭＣＭ−２２からなる群から選択される触媒組成物に関する。好ましい担持材はγアルミナである。
【００２５】
本発明によると、触媒組成物は、より好ましくは、６０ｗ／ｗ％のＮｉ、５ｗ／ｗ％のＣｕ、５ｗ／ｗ％のＺｎ、および３０ｗ／ｗ％のＡ１２Ｏ３である。Ｃｕ（５％）Ｚｎ（５％）−Ｎｉ（６０％）／Ａｌ２Ｏ３として表される触媒組成物は、３０ｗ／ｗ％のＡ１２Ｏ３を含む。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態では、低級炭化水素は、メタン、エタン、およびそれらの混合物からなる群から選択される。
【００２７】
本発明は、触媒組成物を製造するプロセスであって、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群から選択される少なくとも２つの塩を水に溶解させて溶液を得るステップと、担持材を溶液に加えてペーストを得るステップと、１２０℃の温度で１から４８時間の間ペーストを乾燥させて乾燥ペーストを得るステップと、４００〜６００℃の範囲の温度で１から６時間の間乾燥ペーストをか焼して前駆体触媒を得るステップと、３８０〜４５０℃の範囲の温度で１から６時間の間窒素の存在下で水素によって前駆体触媒を還元して触媒組成物を得るステップと、を含むプロセスに関する。
【００２８】
本発明の実施形態は、Ｎｉの塩が、硝酸ニッケル、塩化ニッケル、ギ酸ニッケル、酢酸ニッケル、および炭酸ニッケルからなる群から選択されるプロセスに関する。ニッケルの塩は、単にＮｉを含む任意の有機または無機金属塩であり得る。本発明の実施形態は、好ましいＮｉの塩が硝酸ニッケルであるプロセスに関する。
【００２９】
本発明のさらに別の対象は、Ｃｏの塩が、硝酸コバルト、塩化コバルト、ギ酸コバルト、酢酸コバルト、および炭酸コバルトからなる群から選択されるプロセスに関する。Ｃｏの塩は、単にＣｏを含む任意の有機または無機金属塩であり得る。本発明の実施形態は、好ましいＣｏの塩が硝酸コバルトであるプロセスに関する。
【００３０】
本発明の別の実施形態は、Ｆｅの塩が、硝酸鉄、塩化鉄、ギ酸鉄、酢酸鉄、および炭酸鉄からなる群から選択されるプロセスを提供する。鉄の塩は、単に鉄を含む任意の有機または無機金属塩であり得る。本発明の実施形態は、Ｆｅの塩が硝酸鉄であるプロセスに関する。
【００３１】
本発明のＣｕの塩は、硝酸銅、水酸化銅、炭酸銅、ギ酸銅、および酢酸銅からなる群から選択される。銅の塩は、単に銅を含む任意の有機または無機金属塩であり得る。本発明の実施形態は、好ましいＣｕの塩が硝酸銅であるプロセスに関する。
【００３２】
本開示はさらに、Ｚｎの塩が、酢酸亜鉛、水酸化亜鉛、ギ酸亜鉛、炭酸亜鉛、および硝酸亜鉛からなる群から選択されるプロセスに関する。亜鉛の塩は、単に亜鉛を含む任意の有機または無機金属塩であり得る。本発明の実施形態は、好ましいＺｎの塩が硝酸亜鉛であるプロセスに関する。
【００３３】
本発明において使用される担持材は、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、ニオビア、ゼオライト、ＭＣＭ−２２、メソポーラス酸化物、およびマイクロポーラス酸化物からなる群から選択され、好ましくはＡ１２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＭＣＭ−２２からなる群から選択される。本発明の実施形態は、好ましい担持材がγアルミナであるプロセスに関する。アルミナは、触媒の調製に使用される費用効果の高い担持材である。
【００３４】
本発明はさらに、固体ゲルの調製に使用される水が蒸留水および脱イオン水であるプロセスに関する。任意のその他の水の精製された形態、好ましくは非イオン水もまた使用され得る。
【００３５】
本発明によると、触媒組成物は、ナノまたはマイクロサイズの金属（ＮｉＯ）粒子を有するメソ孔またはマイクロ孔を備えた混合酸化物である。金属酸化物（Ｎｉ）構造は、Ｘ線回折によって確認される。
【００３６】
本発明によると、触媒組成物は、ナノまたはマイクロサイズの金属活性粒子を有する孔が規則的にまたは無秩序に配列された形態のマクロ孔またはメソ孔またはマイクロ孔を有する混合酸化物である。ＮｉＯの平均結晶サイズは、２０から３５ｎｍの範囲である。触媒組成物には小さな結晶が好ましい。
【００３７】
本発明はさらに、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎの硝酸塩を水に溶解して溶液を得るステップと、アルミナを溶液に加えてペーストを得るステップと、１２０℃の温度で２４時間の間ペーストを乾燥させて乾燥ペーストを得るステップと、５５０℃の温度範囲で６時間の間乾燥ペーストをか焼して前駆体触媒を得るステップと、好ましくは４５０℃の温度範囲で６時間の間窒素の存在下で水素によって前駆体触媒を還元して触媒組成物を得るステップと、を含む触媒組成物を製造するプロセスに関する。
【００３８】
本開示はさらに、触媒組成物を反応器に配置するステップと、５５０〜８００℃の温度、大気圧で、１０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲で、任意で使用されるキャリアガスの存在下で、触媒組成物上に低級炭化水素のフローを流すステップと、酸化炭素を含まない流れおよびカーボンナノチューブを回収するステップであって、前記流れが水素、未反応の低級炭化水素、および任意で使用されるキャリアガスを含むステップと、を含む、酸化炭素を含まない水素およびカーボンナノチューブを製造するプロセスに関する。
【００３９】
本発明はさらに、触媒組成物を反応器に配置するステップであって、前記触媒組成物が、組成物の総重量の１０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の触媒と、組成物の総重量の１から１４ｗ／ｗ％の範囲の量の少なくとも１つの変性剤と、組成物の総重量の２０から７０ｗ／ｗ％の範囲の量の担持材と、を含むステップと、５５０〜８００℃の温度、大気圧で、任意で使用されるキャリアガスの存在下で、１０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲で触媒組成物上に低級炭化水素のフローを流すステップと、酸化炭素を含まない流れおよびカーボンナノチューブを回収するステップであって、前記流れが水素、未反応の低級炭化水素、および任意で使用されるキャリアガスを含むステップと、を含む、酸化炭素を含まない水素およびカーボンナノチューブを製造するプロセスに関する。
【００４０】
本発明において低級炭化水素の分解に使用される反応器は、固定床管型反応器および流動床反応器からなる群から選択され、好ましくは固定床管型反応器から選択される。
【００４１】
本発明の実施形態は、低級炭化水素を（６００〜１２０００ｍｌ／ｈ．ｇｃａｔ）の範囲のＧＨＳＶで１０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの流量で触媒上に流すプロセスに関する。好ましいＧＨＳＶは３６００ｍｌ／ｈ．ｇｃａｔである。
【００４２】
本発明のさらに別の対象は、キャリアガスが窒素および水素からなる群から選択されるプロセスに関する。本発明のさらなる実施形態は、キャリアガスが水素であるプロセスに関する。
【００４３】
本発明において開示される触媒組成物は、７００〜８００℃の温度で加熱される。本発明のさらに別の対象は、触媒が７５０℃の温度で加熱されるプロセスに関する。
【００４４】
本発明の別の実施形態は、カーボンナノチューブがバンブー構造カーボンナノチューブであるプロセスを提供する。
【００４５】
本発明の別の実施形態は、高純度バンブー構造カーボンナノチューブを優先的に製造するプロセスを提供する。
【００４６】
本開示の別の実施形態では、外径および内径が６０〜５５ｎｍおよび２５〜３０ｎｍであり、長さが２〜３μｍである高純度バンブー構造カーボンが得られる。
【００４７】
本発明の別の実施形態では、触媒組成物は、７５０℃で７０時間を超える高い安定性を示す。
【００４８】
本発明のさらに別の対象は、高純度バンブー構造カーボンナノチューブが遠心分離によって分離されるプロセスに関する。
【００４９】
本発明のさらに別の対象は、触媒組成物を固定床管型反応器に配置するステップであって、前記触媒組成物が６０ｗ／ｗ％のＮｉ、５ｗ／ｗ％のＣｕ、５ｗ／ｗ％のＺｎ、および３０ｗ／ｗ％のＡ１２Ｏ３を含むステップと、７５０℃の温度、大気圧で、キャリアガスの存在下で、メタンのフローを触媒組成物上に流すステップと、酸化炭素を含まない流れおよびカーボンナノチューブを回収するステップであって、前記流れが水素、未反応のメタン、および任意で使用されるキャリアガスを含むステップと、を含むプロセスに関する。任意で使用されるキャリアガスは水素または窒素であり得る。
【００５０】
本発明において、以下の定義および分析計測機器が使用される。
（ａ）ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）表面積分析装置は、この説明において形成および使用される触媒材料の詳細な表面積評価を提供する。
（ｂ）ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）は、外部形態（テクスチャ）、化学組成、および結晶構造を含むサンプル表面、ならびにサンプル表面を形成する材料の方向性に関する詳細な情報を提供する。
（ｃ）ＨＲＴＥＭ（高解像度透過型電子顕微鏡）は、原子スケールでのサンプルの結晶学的構造の画像化を可能にする透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の撮像モードである。この分析方法は、結晶材料のナノスケールの特徴を考察する方法を提供する。
（ｄ）熱重量分析（ＴＧＡ）は、化学吸着、脱水、固気反応の分解を含む化学現象に関する情報を提供する、材料の物理および化学特性の変化を温度の関数として測定する熱分析の方法である。
（ｅ）昇温還元（ＴＰＲ）は、酸化物表面の還元性の収率、および還元性表面の不均質の定量的情報を提供する、金属酸化物、混合金属酸化物、および担持材上に分散された金属酸化物の特性評価に使用される分析ツールである。
（ｆ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、円筒形ナノ構造を有する炭素の同素体であり、電子工学、光学、および材料科学の分野におけるナノテクノロジーの応用に有用な珍しい特性を有する。
（ｇ）バンブー構造カーボンナノチューブ（ＢＣＮＴ）は、管状構造にバンブー形状の節（ｋｎｏｔ）を有するカーボンナノチューブ構造である。
（ｈ）気体空間速度（ＧＨＳＶ＝反応物質ガス流量／反応器容量）は、反応器容量に対する反応物質ガス流量の関係の基準である。
（ｉ）超音波処理は、サンプル中の粒子を撹拌するために超音波エネルギーを印加する方法である。
（ｊ）ドーピングは、純物質に不純物を導入して特性を変化させる方法である。
（ｋ）ラマン分光法は、入射光の散乱によって物質の特性を分析する方法である。
【００５１】
本発明の対象は、多金属触媒上で、メタンなど、低級炭化水素を分解することによって、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）および酸化物を含まない水素を生成するための組成物および方法に関する。最適な反応条件の下、および本願主題の触媒を用いて、メタンが分解されて酸化物を含まない水素およびカーボンナノチューブが生成される。こうして得られた水素は燃料として使用することができ、炭素の同素体であるカーボンナノチューブは、電子工学、光学、および材料科学の分野において有用な応用を有する。
【００５２】
クリーン水素を製造するために提案される方法には、ＮＨ３分解、水素分裂、およびメタンなどの炭化水素の触媒分解がある。メタンを触媒分解して純水素を生成する方法は、ＣＯＸを含まない水素を生成するための重要かつ経済的な代替法である。このプロセスは、従来の水素製造と比較していくつかの利点を有する。この方法は、それほど厳しくない条件で純水素を生成する。さらに、プロセスの利点は、水素と同時に高価なナノカーボンが生成される点にある。メタンの触媒分解は、以下のように表される。
ＣＨ４→Ｃ＋２Ｈ２    ΔΗ＝７５．６ｋＪ／ｍｏｌ
【００５３】
不活性担持材上のＮｉ、Ｆｅ、およびＣｏ系触媒でメタンを水素へと触媒分解する方法が、最先端の方法において報告されている。ある従来の方法では、反応が４２５〜６２５℃未満で実施される場合、ＮｉｘＭｇｙＯ（ｘおよびｙはＮｉおよびＭｇのモル含有量を表す）で、メタンが水素と炭素に分解され、酸化炭素は形成されないことが観測されている。
【００５４】
別の実施では、触媒組成物にＣｕが及ぼす効果が研究されている。Ｃｕは、組成物ＮｉｘＭｇｙＣｕｚＯ、式中ｘ、ｙ、およびｚは、それぞれＮｉ、Ｍｇ、およびＣｕのモル含有量を示す、の触媒活性を増加させる促進剤として使用された。Ｃｕを添加していない同様の最適反応パラメータの下での反応と比較して、メタンの触媒分解の間、Ｃｕの添加により、メタン転化および固体炭素の収率が増加したことが観察された。例示的実施例では、７８％のＮｉ／ＭｇＯによって、５７５℃で１７時間の寿命で、最大メタン転化および固体炭素収率２４．４％および１４３ｇ−Ｃ／ｇ−Ｃａｔが得られた。Ｃｕ促進剤の添加により、最大メタン転化および固体炭素収率は、７２５℃で最大４６．５％および２６３ｇ−Ｃ／ｇ−Ｃａｔに増加した。
【００５５】
別の実施では、不活性担持材上にＣｏ、Ｍｎを含む固体触媒上での炭化水素の分解により、カーボンナノチューブの生成が実現した。６５０℃の反応温度で１０８分間の反応時間で、５０．３ｇＣＮＴ／ｇｃａｔの最大収率が得られた。
【００５６】
最新の方法は、合成触媒では通常５０〜６０％の範囲のメタン転化およびより低い炭素の収率が得られることを示している。その他にも、合成触媒は触媒表面により多くのアモルファス炭素が堆積するため、より早く触媒が不活性化される。これにより触媒が不活性化され、不活性化触媒の再生は炭素堆積物の燃焼によって一般的に実施されるが、これは酸化物の生成をもたらす。
【００５７】
本研究は主に、ＣＯＸを含まない水素とカーボンナノ材料を高収率で生成するメタン分解のための触媒組成物、プロセス分析、および反応速度研究を目的とする。
【００５８】
本発明の実施形態によると、触媒組成物は、担持材と、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの活性成分を有する混合金属酸化物と、変性剤とを含み、変性剤は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｋ等の酸化物、ＣｕもしくはＺｎの誘導体、または両方のくみあわせのいずれかを含み得る。前記実施形態において、促進剤としてＣｕもしくはＺｎ酸化物、誘導体、または両方の組み合わせを使用する目的は、組成物の触媒活性を増加させることにある。さらに、触媒担持材は、Ａ１２Ｏ３、ＳｉＯ２またはＭＣＭ−２２の１つを含み得る。混合金属酸化物は、多様な酸化状態のＮｉ、Ｃｏ、およびＦｅなど多様な活性金属の酸化物を含み得る。
【００５９】
１つの実施形態では、本発明の触媒は、Ａ１２Ｏ３担持材上のＮｉｘＣｕｙＺｎｚ（式中、ｘ、ｙ、およびｚはそれぞれＮｉ、Ｃｕ、およびＺｎの重量パーセントを反映する）によって表すことができる。Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎの重量パーセントは、Ｎｉでは５０〜７０％、Ｃｕでは３〜７％、Ｚｎでは３〜７％の範囲である。しかしながら、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎの重量パーセントがそれぞれ６０％、５％、および５％であるときに触媒は最も効果的であることが見いだされた。少量のＣｕを添加する目的は、分散されたＮｉ２＋種の還元性および触媒の熱安定性を高めるためである。本発明のＡ１２Ｏ３担持材上の触媒ＮｉｘＣｕｙＺｎｚを調製する好ましい方法の１つは、共沈法によるものである。前記方法において、共沈触媒は、水溶液における対応する硝酸塩の共沈によって合成され、続いて洗浄、乾燥され、５５０℃でか焼された。
【００６０】
別の方法では、触媒は、湿式含浸法によって調製された。前記方法において、湿式含浸触媒は、回転蒸発器内で２時間金属前駆体（Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎ）をγアルミナ（ＢＥＴ表面積＝１９７ｍ２／ｇ）上に含浸し、続いて乾燥させ、５５０℃で５時間か焼してそれぞれの酸化物への硝酸塩の熱分解を促進することによって調製された。触媒調製の方法は、利用可能な固着、堆積、沈殿、グラフト、化学気相堆積等のその他の調製方法を用いて実現することができる。
【００６１】
１つの実施形態では、本発明の触媒組成物は、５５０℃から８００℃の範囲の比較的低温でのメタンの分解によって、実質的に酸化炭素を含まない水素および実質的な純炭素を生成することが可能である。メタン分解を行うための触媒組成物の安定性は、５５０〜８００℃の範囲の温度のさまざまな条件下で評価され、さらに、安定性は様々な圧力条件下で評価される。さらに、こうしてメタンの触媒分解によって得られた、触媒の表面に堆積されたカーボンナノチューブは、超音波、遠心分離等の装置を使用して触媒から分離される。
【実施例】
【００６２】
以下の実施例は、本発明の例示のために与えられたものであり、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、典型的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲に記載の発明のさらなる説明を提供することが意図されたものであることを理解すべきである。
【００６３】
メタン転化および水素生成のための触媒の活性は、一般的なダウンフローモードで固定床石英反応器（内径＝１．９ｃｍ、外径＝２．１ｃｍ、長さ＝６０ｃｍ）において比較した。反応器内に触媒（１．０ｇ）を入れ、次いでチャネリングを防ぐために少量の不活性ガスを充填した。反応器と炉の間の環状空間内にクロム−アルミナ型の熱電対を配置して流動床と熱電対との間の温度差を最小化した。質量流量制御器（ＩＢｒｏｎｋｈｏｒｓｔ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈ，  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）を通して、ＣＨ４Ｎ２の反応ガス混合物を触媒床上に流すことによって、供給ガスを導入した。活性試験の前に、酸化状態のすべてのか焼されたサンプルは、Ｎ２およびＨ２（１：１比）の混合物において、４５０℃で５時間、６０ｍｌ／ｍｉｎの総体積流量でインサイチューで還元した。初めに、反応器内に不活性雰囲気を形成するために、反応器に純窒素を導入した。大気圧で、メタンとともにＮ２またはＨ２のフローを１０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲で５５０〜８００℃の反応温度で流すことによって、触媒のＣＨ４分解を実施した。反応器から出るガスの組成は、熱伝導検出器、キャリアガスとしてアルゴンを有するｃａｒｂｏｓｐｈｅｒｅカラム（８０−１００ｍｅｓｈ）を備えたＮｕｃｏｎ−５７００ガスクロマトグラフ（ＧＣ）によって決定した。
【００６４】
［実施例１：バンブー構造カーボンナノチューブ（ＢＣＮＴ）の製造および製造］
実験条件において、反応温度および気体空間速度（ＧＨＳＶ，ｈ−１）がメタン転化およびバンブー構造カーボンナノチューブ（ＢＣＮＴ）の形成に及ぼす影響を調査する実験を実施した。石英粒子で充填された反応器において、５５０〜８００℃の温度範囲で、メタンおよび窒素が１：１の比率でなるＧＨＳＶが３．６Ｌ／ｈ．ｇｃａｔの供給ガスで、ブランク実験もまた実施した。これらの実験の全てにおいて、メタンの転化率は２％未満であり、メタン分解は上記温度範囲において触媒なしではごくわずかであることが明らかとなった。
【００６５】
触媒の安定性を調査するために、７００、７５０、および８００℃の反応温度で時間に応じたメタン転化率を測定し、結果を図１に示した。高い反応温度（８００℃）では初期のメタン転化が増加したが、高い温度では触媒の安定性が低下したことがわかる。３つの異なる温度での最高メタン転化率は、それぞれ４７％、６２％、および７０％であった。また、触媒は、７００および７５０℃ではかなり安定であり、約１５時間の間、４５％および５７％のメタン転化率が着実に得られることがわかった。しかしながら、８００℃では、触媒はたった５時間後に触媒活性が低下し始め、Ｎｉ粒子の焼結および触媒失活のために高温では活性および安定性を失うことが示唆される。
【００６６】
［実施例２：分解反応の動力学］
物質移動および拡散抵抗を排除するために、様々なＧＨＳＶおよび粒子サイズで予備実験を実施した。Ｗｅｉｓｚ−Ｐｔａｔｅｒ基準による推測によって、拡散抵抗が存在しないことが確認された。この基準によると、細孔拡散抵抗が存在しない場合、以下の条件が満たされる。
【００６７】
【数１】
0006449251.tif 000002
【００６８】
式中、ｒ０は反応の初期速度、ｐは見かけ密度、Ｒｐは触媒粒子の半径、τは屈曲度、εは床の多孔率である。本システムにおいて、τおよびεの平均値はそれぞれ３および０．６２とした。見かけ密度ｐは、０．２ｇｃａｔ／ｃｍ３と推測され、Ｒｐは１．５ｍｍであると決定され、ＤＣＨ４−Ｎ２はメタン‐窒素混合物の拡散係数であり、Ｃｓは、触媒粒子の外表面でのメタン濃度である。全ての実験に対して、Ｗｅｉｓｚ係数は１未満であり、触媒床において拡散制限がないことを示す。メタンのＧＨＳＶは、６００〜８００℃の温度範囲でＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ／Ａｌ２Ｏ３の触媒性能に明確に影響を及ぼす（図２）。反応器内での滞留時間がより長いため、３．６Ｌ／ｈ．ｇｃａｔで最大メタン転化が得られた。一定のＧＨＳＶ（３．６Ｌ／ｈ．ｇｃａｔ）では５５０〜８００℃で反応温度が増加するにつれて転化率は著しく増加し（２６−７０％）、他のＧＨＳＶでも同様の傾向が観察された。
【００６９】
［実施例３：反応温度がバンブー構造カーボンナノチューブ構造に及ぼす効果］
ＧＨＳＶ３．６Ｌ／ｈ．ｇｃａｔで反応温度を５５０℃から８００℃まで上昇させて、６０％Ｎｉ−５％Ｃｕ−５％Ｚｎ−３０％Ａｌ２Ｏ３触媒上に形成されたナノチューブの形態およびサイズを調査した。図２は、ＧＨＳＶの増加に対するメタン転化率を示す。バンブー構造カーボンナノチューブに加えて、炭素がニッケル触媒と十分に相互作用しなかったニッケル粒子の低い触媒活性に起因し得るいくつかのアモルファス炭素が触媒上に見られた。
【００７０】
［実施例４：温度がメタン分解に及ぼす効果］
湿潤含浸法によってナノ孔６０％Ｎｉ−５％Ｃｕ−５％Ｚｎ−３０％Ａｌ２Ｏ３触媒を調製した。必要量の遷移金属硝酸塩（Ｎｉ：Ｃｕ：Ｚｎ，６０：５：５）を、必要な重量％のアルミナとともに蒸留脱イオン水に溶解させた。次いで、最終的なペーストをオーブンで一晩乾燥させ、続いて５５０℃でか焼した。各実験において、反応器の中央に触媒を配置し、窒素で３０分間パージして反応器内の雰囲気を不活性にした。次いで、４５０℃の温度で５〜６時間、インサイチューで水素により触媒を還元した。実験は、メタン転化率と７３０から７７０℃の範囲の反応温度との間の関係を調査するために実施された。総入力ガス流量は、最適値である４０ｍＬ／ｍｉｎに固定した。したがって、気体空間速度（ＧＨＳＶ）は、２．４Ｌ／ｈ．ｇｃａｔであった。より近い範囲においても、最大メタン転化率および水素生成が得られた最適温度は７５０℃であった（図３および４）。
【００７１】
［実施例５：メタンの分圧の影響］
実験は、実験条件でメタンの分圧がメタン転化およびＣＮＴ形成に及ぼす影響を調査するために行われた。メタン分圧を７５０℃で０．１から０．８ａｔｍまで変化させることによって、メタンの分圧（ＰＣＨ４）がメタン転化および水素収率に及ぼす影響を調査した。メタンおよび窒素の様々な流量と様々な空間時間とで（Ｗ／ＦＡｏ＝６１６．３３〜４９３０．６６ｇ−ｃａｔ  ｍｉｎ／メタンのｍｏｌ）実験を実施することによって行った。メタン分圧がメタン転化および水素収率に及ぼす影響を図５および６に示す。分圧（ＰＣＨ４）が増加すると、反応器内のメタン滞留時間が減少するためメタン転化率が低下した。最大転化率（８１％）および水素収率（９１％）は、２４６５．３３ｇ−ｃａｔ  ｍｉｎ／メタンのｍｏｌの空間時間およびＰＣＨ４０．２で得られた。先の結果に従って、最適な分圧は０．２から０．３の間であると結論付けられた。メタンの分圧の増加（０．２５から１．０ａｔｍ）もまた、ＴＣＤ反応に好ましくない。再生の調査は、７５０℃で、６０％Ｎｉ−５％Ｃｕ−５％Ｚｎ−３０％Ａｌ２Ｏ３触媒で最大４再生サイクルまで実施した。反復分解／再生サイクルの間に著しい活性の損失は生じなかった（９３から８５％）。
【００７２】
反応温度が７５０℃まで上昇した場合に、バンブー構造のＣＮＴが完全に成長した。この条件においてアモルファス炭素が観察されたが、今回はアモルファス炭素の形成はおそらくＣＮＴ上の炭素の分解によるものであった。７５０℃では、いくつかの炭素が金属粒子を包み込んだ短いバンブー構造チューブが生成された。さらに、より高い反応温度ではより大きな径のＣＮＴが合成されることも確認された。これは、主に高温でのニッケル粒子の凝集によるものであり、より大きな触媒粒子の形成、ひいてはより大きな径のＣＮＴに寄与する。７００および７５０℃では、３０および３５ｎｍの平均外径を有するナノチューブからなるバンブー構造ＣＮＴが生成される一方で、８００℃ではＣＮＴの平均外径は５０ｎｍまで増加した。
【００７３】
［実施例６：ナノファイバーの分離後のメタン分解］
さらなる処理を行わずにナノファイバーを分離した後、すなわち超音波分離後（ＴＧＡを使用せずに）、様々な再生サイクルにおいて反応を実施し、水素収率を確認した。４連続サイクルに対してアモルファス炭素の燃焼を行わずにカーボンナノファイバーを分離することでメタン転化率に及ぼす影響を調査した。反応は、各サイクルにおいて、最適条件（７５０℃および０．２５分圧）で５時間実施した。各サイクル後、超音波を１５分間使用して触媒をカーボンナノファイバーから分離し、分離された触媒で反応を再度実施した。これをさらに３回繰り返した。メタン転化率および水素収率の減少を図７および８に示す。
【００７４】
プロットから、転化率は３サイクルまで徐々に減少し、その後触媒の転化率は約５％まで急激に減少することがわかる。水素収率もまた、約１０％まで同様の減少パターンに従う様子が見られる。
【００７５】
［実施例７：遠心分離によるカーボンナノファイバーの分離］
超音波撹拌機に加えて、分離装置として高速冷却遠心分離機（−１８０００ｒｐｍ，−３５０００ｇ）を使用して、分離効率がさらに向上するか確認した。溶媒としてエタノールを使用した最初の超音波分離後の使用済み触媒を注ぎ出し、カーボンナノファイバーを含む上澄液が回収される。そして、１５０００ｒｐｍで作動する遠心分離機において２０℃で３０分間さらに分離される。遠心分離された溶液は、再度注ぎ出され、ＣＮＴからなる上澄液はオーブンで１００℃で６時間、触媒残留物は０．５時間乾燥される。分離された触媒残留物は、さらにアモルファス炭素からの完全な再生に送られ得るかまたはさらなる処理を必要とせずに反応に使用され得る。
【００７６】
［実施例８：キャリアガスとしての水素の効果］
生成水素ガスのさらなる分離の実施を避けるために、キャリアガスとして窒素の代わりに水素を使用する効果についての研究が実施された。このプロセスの利点は、反応において生成される同一の水素を再利用によってキャリアガスとして使用することができる点にある。水素の流量は、１３から４０ｍｌ／ｍｉｎ、メタンは１０から４８ｍｌ／ｍｉｎで、０．２から０．８の分圧となるように変更される。最大メタン転化率は、メタンの分圧が０．８の場合に得られた。この結果は、最大メタン転化率が、メタンの分圧が０．２の場合に得られたキャリアガスとしてＮ２ガスを使用した場合とは異なるものである。反応は、６０％Ｎｉ−５％Ｃｕ−５％Ｚｎ−３０％Ａｌ２Ｏ３触媒で、大気圧、７５０℃で実施された。６時間の反応時間の後、各データ点を記録した（図９）。
【００７７】
［実施例９：試験結果］
不活性化した触媒のＳＥＭおよびＴＥＭ画像から、堆積した炭素は本質的に繊維状であり、Ｎｉは繊維の先端を占領し、繊維の長さおよび性質は触媒組成物によって変化することが明らかとなった。７５０℃での反応後の６０％Ｎｉ／Ａｌ２０３および６０％Ｎｉ−５％Ｃｕ−５％Ｚｎ−３０％Ａｌ２Ｏ３使用済み触媒のＳＥＭ顕微鏡写真（図１０）。ＴＥＭおよびＨＴＲＥＭ画像により、６０％Ｎｉ−５％Ｃｕ−５％Ｚｎ−３０％Ａｌ２Ｏ３触媒で、外径および内径がそれぞれ３５〜４０ｎｍおよび１０〜１５ｎｍ、長さが２〜３μｍの高純度バンブー構造ＣＮＴが生成されたことが確認された（図１１および１２）。この炭素の繊維状の特性はまた、ラマン分光法により確認された。約８４％の炭素は、６０％Ｎｉ−５％Ｃｕ−５％Ｚｎ−３０％Ａｌ２Ｏ３触媒上に堆積され、これは、その他の触媒と比較して比較的高かった。厚い層のＣＮＴは、チューブ内部のニッケルが燃焼するのを防ぎ、ＴＧＡ処理後に残る最終残留重量割合は、主にニッケルの重量に起因するものであった。さらに、ＦＴＩＲは、いくらかの金属および水酸基（Ｏ−Ｈ）不純物が、成長した状態のＣＮＴ上に存在することを示す。
【００７８】
ＧＨＳＶ６００ｍＬ／ｈ．ｇｃａｔで、７００〜８００℃の反応温度に上昇することによって、形成されるナノチューブの形態およびサイズに及ぼす温度の影響もまた調査した。より高温でより径の大きなＣＮＴが合成されることが見いだされた。これは、高温でニッケル粒子が凝集することに主に起因するものであり、結果として径のより大きなＣＮＴを生成するより大きな触媒の形成をもたらす。生成されたＢＣＮＴは、７００および７５０℃でそれぞれ平均内径２３±２および３０±２ｎｍを有するナノチューブからなる一方で、８００℃では、ＣＮＴの平均内径が４５±２ｎｍまで増大することが観察された。
【００７９】
［実施例１０：触媒の再生研究］
触媒分解による水素生成の最大の課題は、使用済み触媒の再生である。プロセスの間の触媒の不活性化が多くの場合想定される。炭素は、反応物質のこれらの細孔内部の多くの微結晶へのアクセスを否定するように細孔をふさぎ得る。極端なケースでは、担持体の破砕につながる応力を及ぼす程度に炭素繊維が細孔に蓄積し、最終的には触媒ペレットの崩壊および反応器空間の閉塞につながる。触媒活性の可逆性は、触媒にとって非常に重要な要素である。したがって、これらの触媒における関心事は、高い触媒活性だけでなく、「寿命」がその製造コストに適合するように複数回再生することができることでもある。実際には、メタン分解のための繊維成長プロセスの結果として触媒担持体構造にもたらされる変更の点において、触媒再生は、無益であり得る。したがって、メタンの分解が、連続プロセスにおける水素の生成に利用されるべきである場合、高活性を有し、複数回再生することができる触媒が必要とされる。
【００８０】
反応後に触媒活性を再生するために、酸化（Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２）が実施された。酸素再生は、ＧＣによって生成物中にＣＯｘが検出されなくなるまで続けられた（通常４時間後）。再生サイクルの間、わずかな活性損失（約±５％）があった。酸素からメタンへの切り替え後、酸化炭素の大幅な増加があり、分解反応の最初の４〜５分間の間に急速に濃度が低下することが観察された。再生サイクルの間に金属酸化物が形成される。分解ステップの初期の酸化炭素の形成は、触媒表面上に吸着される金属酸化物および酸素とメタンの相互作用によって生成されたものであり得る。水素収率は、全ての触媒に対してわずかに減少した。
【００８１】
［実施例１１：温度に応じたサンプルの質量の変化］
ＴＧＡを使用して、制御された空気雰囲気下で温度に応じたサンプルの質量の変化を測定した。昇温速度１０℃／ｍｉｎでＮＥＴＺＳＣＨ  ＴＧ  ２０９  Ｆ３装置を使用して、空気中で、時間および温度に対する使用済み触媒の質量を調べた。ＣＮＴの熱安定性および金属不純物の量を調査するために、酸化雰囲気下で８００℃まで加熱される間、サンプルを連続的に秤量した。全ての触媒において、５５０℃で著しい重量減少が始まり、約７００℃に現れる安定な平坦領域まで、より高温では重量損失が急速に増え続けた。約５５０℃で８８〜９０ｗｔ％となる。ＢＣＮＴの５５０℃を超えるより高い酸化温度は、より高純度かつ欠陥の少ないＣＮＴサンプルをもたらす。文献において、同様のことが５００〜６５０℃の温度範囲においても報告されており、多層ＣＮＴの酸化のためである（Ｍｏｒｄｋｏｖｉｃｈ，２００７）。残留重量は２１〜２５ｗｔ％であり、これは、使用済み触媒上の質量が炭素であることを示唆している。炭素の形成はまた、ＸＲＤパターンによって確認される。さらに、ＴＧＡスペクトルにおいて、５００℃未満の温度でわずかな重量損失が観察され、これは、触媒中のごく少量のアモルファス炭素に対応する。
【００８２】
［実施例１２：触媒からのカーボンナノファイバーの分離］
超音波撹拌機に加えて、分離装置として高速冷却遠心分離機（−１８０００ｒｐｍ，−３５０００ｇ）を使用して分離効率がさらに向上し得るか確認した。溶媒としてエタノールを使用した最初の超音波後の使用済み触媒を注ぎ出し、カーボンナノファイバーを含んだ上澄液を回収する。さらに、１５０００ｒｐｍで作動する遠心分離機において、２０℃で３０分間分離する。遠心分離された溶液を再度注ぎ出し、ＣＮＴからなる上澄液をオーブンで１００℃で６時間、触媒残留物を０．５時間乾燥した。分離された触媒残留物は、アモルファス炭素からの完全な再生にさらに送られ、さらなる処理を必要とせずに反応に使用され得る。
【００８３】
［本発明における例示的プロセスにおいて得られる利点］
本発明に対して記載された上述の実装例は多くの利点を有しており、以下に記載されるものを含む。
１．アルミナ上のＮｉｘＣｕｙＺｎｚ触媒では、７５０℃で９０％を超えるメタン転化率（８５％を超える水素収率）が得られる。
２．変性剤として少量のＣｕを添加すると（５ｗｔ％）、７５０℃の反応温度でメタン転化率が７８から８２％まで増加する。
３．ＣｕおよびＺｎの両方の変性剤を（５ｗｔ％）Ｎｉ／Ａｌ２０３触媒に添加すると、転化率が増加し、その他の触媒と比較して最大のメタン転化率が得られ、転化率は８６％を超えた。
４．超音波法を使用して高純度ＣＮＴが回収された。
５．アルミナ上のＮｉｘＣｕｙＺｎｚ触媒は、７５０℃で７０〜７５時間の範囲の触媒寿命を示した。
【００８４】
特定の実施例およびその実施を参照して本発明をかなり詳細に説明したが、他の実施も可能である。添付の特許請求の範囲および精神は、好ましい実施例およびそこに含まれる実施の記載に限定されるべきではない。
【符号の説明】
【００８５】
１  壁グラファイト層
２  グラファイト区画
３  区画化後
４  グラファイト面間距離
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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