(57)【要約】【課題】特に 300〜 500℃の温度域における水素の生成量を増加させる。【解決手段】多孔質酸化物よりなる担体に、少なくともRhを含む触媒金属と、Cu、Ag、Au、Zn、Cd及びHgから選ばれる少なくとも一種からなる助触媒金属と、を担持した。  CO＋３H2→CH4 ＋ H2Oで表されるメタン生成反応が抑制されるので、炭化水素改質反応によって生成した水素の消費が抑制される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質酸化物よりなる担体と、該担体に担持された少なくともRhを含む触媒金属と、該担体に担持されたCu、Ag、Au、Zn、Cd及びHgから選ばれる少なくとも一種からなる助触媒金属と、からなることを特徴とする炭化水素改質反応用触媒。
【請求項２】
前記多孔質酸化物は酸化ジルコニウムを含む請求項１に記載の炭化水素改質反応用触媒。
【請求項３】
前記酸化ジルコニウムの平均結晶子径は２nm〜20nmである請求項２に記載の炭化水素改質反応用触媒。
【請求項４】
前記助触媒金属はCu、Ag及びZnから選ばれる少なくとも一種である請求項１に記載の炭化水素改質反応用触媒。
【請求項５】
前記助触媒金属は、当該炭化水素改質反応用触媒の重量 100重量部中に 0.1〜10重量部の範囲で含まれる請求項１に記載の炭化水素改質反応用触媒。
【請求項６】
前記触媒金属は、当該炭化水素改質反応用触媒の重量 100重量部中に 0.1〜10重量部の範囲で含まれる請求項１に記載の炭化水素改質反応用触媒。
【請求項７】
比表面積が10〜 300m2／ｇである請求項１に記載の炭化水素改質反応用触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭化水素改質反応用触媒に関し、詳しくは炭化水素改質反応を利用して炭化水素、水蒸気及び酸素を含むガスから効率よく水素を生成する触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
アンモニア合成、メタノール合成、オキソ合成など多くの化学工業プロセスあるいは石油精製において、水素あるいは水素と一酸化炭素との混合ガスは重要な化学原料である。また最近では、燃料電池を始めとするクリーンエネルギー源としての水素の重要性が増大している。さらに内燃機関の排ガス浄化においても、NOx を還元する能力に優れ、かつ硫黄被毒したNOx 吸蔵材から硫黄酸化物を脱離させてNOx 吸蔵還元型触媒を回復させる能力にも優れた水素が注目されつつある。
【０００３】
そして水素を製造する方法として、次式に示す炭化水素の水蒸気改質反応が多用されている。
【０００４】
CnHm＋nH2O→ nCO＋ (n+m/2)H2  （−ΔＨ＜０）
この水蒸気改質反応は大きな吸熱を伴うので、外部から必要な熱を供給する必要がある。そこで多くの場合には反応ガス中に酸素を添加し、次式に示す部分酸化反応や酸化反応の反応熱を利用して、水蒸気改質反応の進行を促進させることが行われている。
【０００５】
CnHm＋n/2O2 → nCO＋m/2 H2  （−ΔＨ＞０）
CnHm＋(n+m/4)O2 →nCO2＋H2  （−ΔＨ＞０）
また水蒸気改質反応においては、次式に示すCOシフト反応が同時に進行する。
【０００６】
CO＋ H2O→ CO2＋m/2 H2  （−ΔＨ＞０）
上記した反応を促進するために、各種の触媒が利用されている。例えば特開昭56−091844号公報には、酸化ジルコニウムにRhを担持した水素生成触媒が開示されている。しかし酸化ジルコニウムは耐熱性が低く、使用時の熱により比表面積が減少し、これにより担持されているRhの分散性が低下して水素生成能が低下するという不具合があった。
【０００７】
そこで特公平06−004135号公報や特開平03−080937号公報には、酸化イットリウムあるいは酸化セリウムなどを添加して部分安定化された酸化ジルコニウム担体にRhを担持した水素生成触媒が開示されている。また特開平04−265156号公報にはアルカリ金属、アルカリ土類金属を含有する酸化セリウムに貴金属を担持した水素生成触媒が、特開平11−226404号公報にはアルカリ土類金属、希土類元素で安定化された酸化ジルコニウムにRhを担持した水素生成触媒が開示されている。
【０００８】
ところがRhを担持した従来の炭化水素改質反応用触媒においては、特に 300〜 500℃の温度域において水素の生成量が低下するという問題があった。
【特許文献１】特開昭56−091844号
【特許文献２】特公平06−004135号
【特許文献３】特開平03−080937号
【特許文献４】特開平04−265156号
【特許文献５】特開平11−226404号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、特に 300〜 500℃の温度域における水素の生成量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の炭化水素改質反応用触媒の特徴は、多孔質酸化物よりなる担体と、担体に担持された少なくともRhを含む触媒金属と、担体に担持されたCu、Ag、Au、Zn、Cd及びHgから選ばれる少なくとも一種からなる助触媒金属と、からなることにある。
【００１１】
多孔質酸化物は酸化ジルコニウムを含むことが好ましく、酸化ジルコニウムの平均結晶子径は２nm〜20nmであることが望ましい。
【００１２】
触媒金属及び助触媒金属は、当該炭化水素改質反応用触媒の重量 100重量部中にそれぞれ 0.1〜10重量部の範囲で含まれることが好ましい。
【００１３】
また本発明の炭化水素改質反応用触媒は、比表面積が10〜 300m2／ｇであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の炭化水素改質反応用触媒によれば、水素と一酸化炭素からメタンが生成するメタン生成反応を抑制することができ、炭化水素改質反応によって生成した水素が消費されるのが抑制されるので、 300〜 500℃の温度域における水素の生成量が増加する。したがって燃料電池の燃料の合成、排ガス中のNOx の還元などにきわめて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
水素と一酸化炭素からメタンが生成するメタン生成反応は、次式で表される。
【００１６】
CO＋３H2→CH4 ＋ H2O
この反応には、H2吸着とこれに続くH2解離吸着の素過程が含まれ、Rhを担持した従来の触媒では、RhのH2吸着能とH2解離吸着能によってメタン生成反応が起こっていると考えられる。したがってメタン生成反応の抑制には、RhのH2吸着能とH2解離吸着能を低減することが有効である。
【００１７】
そこで本発明では、Rhに加えてCu、Ag、Au、Zn、Cd及びHgから選ばれる少なくとも一種からなる助触媒金属を担持している。これらの助触媒金属は周期表第1B族元素及び第2B族元素に帰属し、「C1ケミストリー」（触媒学会編、講談社サイエンティフィック（1984）、第11頁図 1.5）に記載されているように、Rhに比べて水素を吸着しにくい傾向がある。したがってこの助触媒金属をRhとともに担持することによって、RhのH2吸着能とH2解離吸着能が低減され、メタン生成反応が抑制される結果、 300〜 500℃の温度域における水素の生成量が増加すると考えられる。
【００１８】
より詳細に考察すれば、触媒金属にH2が吸着する際には、H2の結合性軌道に存在する電子が触媒金属元素のｄ軌道に入って非局在化するため、H2分子が吸着安定化する。しかしこのような軌道相互作用において、H2の結合性軌道と同じ対称性を有する触媒金属元素のｓ軌道に電子が存在する場合には、両軌道にある電子どうしが反撥し合うため、H2の結合性軌道に存在する電子はｄ軌道に入り難くなる。
【００１９】
Rh原子の基底状態における電子配置はd8s1であるが、ｓ軌道とｄ軌道との混成によって実際のｓ軌道にはホールが生じる。このため、H2の結合性軌道に存在する電子とRh原子のｓ軌道に存在する電子との反撥が緩和され、H2はRhに吸着すると考えられる。
【００２０】
一方、第1B族元素の基底状態における電子配置は d10s1であり、ｓ軌道とｄ軌道との混成があるとしてもｓ軌道には電子が残る。このためH2の結合性軌道に存在する電子と第1B族元素のｓ軌道に存在する電子との反撥が避けられず、第1B族元素にはH2が吸着しにくいと考えられる。また第2B族元素の基底状態における電子配置は d10s2であり、ｓ軌道に残る電子がさらに多くなるため、電子反撥がより大きくなり第2B族元素はH2がさらに吸着しにくいと考えられる。
【００２１】
本発明の炭化水素改質反応用触媒において、担体を構成する多孔質酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウムなどを用いることができるが、コーク析出の原因となる表面酸点が比較的少ない酸化ジルコニウムを少なくとも含むことが望ましい。酸化ジルコニウムを含む担体としては、ZrO2，Al2O3-ZrO2複合酸化物、TiO2−ZrO2複合酸化物、CeO2−ZrO2複合酸化物などが好ましく例示される。また複合酸化物は固溶体が望ましいが、ZrO2の周囲に他の金属酸化物がnmレベルで分散している状態のものも用いることができる。
【００２２】
酸化ジルコニウムの平均結晶子径は、２nm〜20nmであることが望ましい。平均結晶子径が２nm未満では焼結し易く耐熱性が低い不具合があり、20nmを超えると炭化水素改質活性が低すぎて実用的でない。
【００２３】
Rhの担持量は、触媒の重量 100重量部中に 0.1〜10重量部の範囲とすることが好ましい。Rhの担持量が 0.1重量部未満では炭化水素改質反応が生じにくくなり、生成する水素量が低下してしまう。またRhの担持量が10重量部を超えると、効果が飽和するとともにコストが高くなってしまう。
【００２４】
助触媒金属は、Cu、Ag、Au、Zn、Cd及びHgから選ばれる少なくとも一種であるが、Auは高価であり、Cd及びHgは有害物質であるので、Cu、Ag及びZnから選ばれる少なくとも一種を用いることが望ましい。また助触媒金属の担持量は、触媒の重量 100重量部中に 0.1〜10重量部の範囲とすることが好ましい。助触媒金属の担持量が 0.1重量部未満ではメタン生成反応を抑制することが困難となり、水素生成量が低下する。また10重量を超えると助触媒としてよりもむしろ触媒毒としての作用が現れる場合があるため好ましくない。
【００２５】
本発明の炭化水素改質反応用触媒は、比表面積が10〜 300m2／ｇであることが望ましい。この比表面積は担体である多孔質酸化物に起因するものであるので、多孔質酸化物の比表面積が10〜 300m2／ｇであることが望ましい。比表面積が10m2／ｇ未満では炭化水素改質反応活性が低すぎて実用的でなく、 300m2／ｇを超えると焼結し易く耐熱性が低下する場合があるため好ましくない。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例と比較例及び試験例により本発明を具体的に説明する。
【００２７】
（実施例１）
酸化ジルコニウム粉末（第一稀元素化学工業社製、平均結晶子径14nm、比表面積86m2／ｇ）の所定量に対し、所定濃度の硝酸ロジウムと硝酸銅の混合水溶液の所定量を含浸し、加熱撹拌後に蒸発乾固し、大気中 300℃で３時間焼成してRh及びCuを担持した。Rhの担持量は１重量％であり、Cuの担持量は 0.5重量％である。
【００２８】
この触媒粉末を成型、粉砕、整粒し、 0.5〜１mmのペレット触媒を調製した。
【００２９】
（実施例２）
硝酸ロジウムと硝酸銅の混合水溶液に代えて、硝酸ロジウムと硝酸亜鉛の混合水溶液を用いたこと以外は実施例１と同様にして、ペレット触媒を調製した。Rhの担持量は１重量％であり、Znの担持量は 0.5重量％である。
【００３０】
（実施例３）
硝酸ロジウムと硝酸銅の混合水溶液に代えて、硝酸ロジウムと硝酸銀の混合水溶液を用いたこと以外は実施例１と同様にして、ペレット触媒を調製した。Rhの担持量は１重量％であり、Agの担持量は 0.5重量％である。
【００３１】
（比較例）
硝酸ロジウムと硝酸銅の混合水溶液に代えて、硝酸ロジウム水溶液を用いたこと以外は実施例１と同様にして、ペレット触媒を調製した。Rhの担持量は１重量％である。
【００３２】
＜試験例１（水蒸気改質反応試験）＞
上記の各ペレット触媒をそれぞれ 2.0ｇ秤量し、内径14mmの石英反応管にそれぞれ充填した。これらに表１に示す反応ガスを流速2000ml／分一定で供給し、触媒入りガス温度を 500℃から 400℃に10℃／分の速度で降温させながら、入りガス温度が 500℃、 450℃、 400℃でそれぞれ落ち着いてから８分後に、触媒からの出ガスをガスクロマトグラフによりそれぞれ分析した。得られたチャートからC3H8転化率、 CH4濃度、H2濃度を算出し、結果をそれぞれ図１〜３に示す。なおC3H8転化率は次式から算出した。
【００３３】
C3H8転化率＝ 100×（入口C3H8濃度−出口C3H8濃度）／入口C3H8濃度
【００３４】
【表１】
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【００３５】
比較例の触媒では、C3H8転化率は比較的高いが、H2濃度は比較的低い。この理由は、比較例の触媒では CH4濃度が比較的高いことから、メタン生成反応によってH2が消費されたことが考えられる。
【００３６】
一方、実施例１及び実施例２の触媒は、H2濃度が比較例と同等であるものの CH4濃度が低くメタン生成反応が比較例に比べて抑制されていることがわかる。そして実施例３の触媒は、C3H8転化率は低いもののH2濃度は比較的高い。この理由は、 CH4濃度が比較的低いことから、メタン生成反応が抑制されたことでH2の消費が抑制されたことが考えられる。
【００３７】
＜試験例２（部分酸化反応試験）＞
上記の各ペレット触媒をそれぞれ 0.5ｇ秤量し、内径14mmの石英反応管にそれぞれ充填した。これらに表２に示す反応ガスを流速2000ml／分一定で供給し、触媒入りガス温度を 400℃から 300℃に10℃／分の速度で降温させながら、入りガス温度が 400℃、 350℃、 300℃でそれぞれ落ち着いてから８分後に、触媒からの出ガスをガスクロマトグラフによりそれぞれ分析した。得られたチャートからC3H8転化率、 CH4濃度、H2濃度を算出し、結果をそれぞれ図４〜６に示す。なおC3H8転化率は試験例１と同様に算出した。
【００３８】
【表２】
2005254107.tif 000004
【００３９】
比較例の触媒では、C3H8転化率は比較的高いが、H2濃度は比較的低い。この理由は、比較例の触媒では CH4濃度が比較的高いことから、メタン生成反応によってH2が消費されたことが考えられる。
【００４０】
一方、実施例２及び実施例３の触媒は、C3H8転化率は低いもののH2濃度は比較的高い。この理由は、 CH4濃度が比較的低いことから、メタン生成反応が抑制されたことでH2の消費が抑制されたことが考えられる。実施例１の触媒は、H2濃度が比較例より低いものの CH4濃度が低くメタン生成反応が比較例に比べて抑制されていることがわかる。
【００４１】
試験例１と試験例２において、比較例の触媒でH2濃度が低いのは、CH4濃度が比較的高いことからメタン生成反応によってH2が消費されたと考えた。しかし CH4が生成する反応としては、メタン生成反応の他にC3H8の分解反応も考えられる。そこでメタン生成反応がH2濃度にどの程度影響を及ぼしているかを調査するために、次の試験を行った。
【００４２】
＜試験例３（COシフト／ CH4生成反応試験）
上記の各ペレット触媒をそれぞれ 1.0ｇ秤量し、内径14mmの石英反応管にそれぞれ充填した。これらに表３に示す反応ガスを流速1000ml／分一定で供給し、触媒入りガス温度を 500℃から 300℃に10℃／分の速度で降温させながら、入りガス温度が 500℃、 450℃、 400℃、 350℃、 300℃でそれぞれ落ち着いてから８分後に、触媒からの出ガスをガスクロマトグラフによりそれぞれ分析した。得られたチャートからCO転化率、 CO2生成率、 CH4生成率、H2濃度を算出し、結果をそれぞれ図７〜10に示す。なおCO転化率、 CO2生成率及び CH4生成率は次式で定義され、 CO2生成率はCOシフト反応（CO＋ H2O→H2＋ CO2）の進行しやすさの指標であり、 CH4生成率はメタン生成反応（CO＋３H2→CH4 ＋H2O ）の進行しやすさの指標である。
【００４３】
CO転化率＝ 100×（入口CO濃度−出口CO濃度）／入口CO濃度
CO2生成率＝ 100×（入口 CO2濃度−出口 CO2濃度）／入口 CO2濃度
CH4生成率＝ 100×（出口 CH4濃度−入口 CH4濃度）
【００４４】
【表３】
2005254107.tif 000005
【００４５】
比較例の触媒では、CO転化率及び CO2生成率が比較的高いことから、H2の生成にCOシフト反応の寄与が大きいにも関わらず、H2濃度が低い。そして CH4生成率が高いことから、メタン生成反応によってH2が多く消費されたことを意味している。一方、各実施例の触媒では、CO転化率及び CO2生成率が低いにも関わらずH2濃度が高い。また CH4生成率も低いことから、メタン生成反応が抑制された結果、H2濃度が高くなったことが明らかである。
【００４６】
したがって各実施例の触媒では、比較例の触媒に比べて炭化水素改質反応におけるメタン生成反応が抑制され、炭化水素改質反応によって生成したH2が消費されるのが抑制されたことが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の炭化水素改質反応用触媒は、 300〜 500℃の温度域において水素を効率よく生成するので、燃料電池の燃料の合成、排ガス中のNOx の浄化などに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】試験例１におけるC3H8転化率を示すグラフである。
【図２】試験例１における CH4濃度を示すグラフである。
【図３】試験例１におけるH2濃度を示すグラフである。
【図４】試験例２におけるC3H8転化率を示すグラフである。
【図５】試験例２における CH4濃度を示すグラフである。
【図６】試験例２におけるH2濃度を示すグラフである。
【図７】試験例３におけるCO転化率を示すグラフである。
【図８】試験例３における CO2生成率を示すグラフである。
【図９】試験例３における CH4生成率を示すグラフである。
【図１０】試験例３におけるH2濃度を示すグラフである。
【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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