【実施例】
【0033】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記実施例によって限定されるものではなく、前・後記の趣旨に適合しうる範囲で適宜変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0034】
<評価方法>
B金属微粒子の結晶子径
B金属微粒子の結晶子径の測定は、X線回折測定の結果について、結晶構造の帰属を行い、最大強度を示すピークの半値幅から下記のシェラー式を用いて算出した。
結晶子径(nm) = Kλ/βcosθ
ここで、Kは形状ファクター(球状として0.9を代入)、λは測定X線波長(CuKα:0.154nm)、βは半値幅(rad)、θはブラッグ角(回折角2θの半分;deg)である。
【0035】
X線回折測定条件
X線回折装置(製品名「RINT−TTRIII」、株式会社リガク製)を用いた。X線源には、CuKα(0.154nm)を用い、測定条件として、X線出力50kV、300mA、サンプリング幅0.02°、測定温度25℃であり、測定範囲は測定すべき物質に応じて適宜選択して実施した。
【0036】
製造例1−1
硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO
3)
2・6H
2O)23.26g、硝酸ランタン六水和物(La(NO
3)
3・6H
2O)34.64gを純水430mLに投入し、ニッケル−ランタン混合水溶液を調製した。25質量%TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液175gに純水を追加して液量約600mLにした希釈TMAH水溶液を調製した。
この希釈TMAH水溶液を激しく撹拌した状態で、ここに前記ニッケル−ランタン混合水溶液を1時間かけてゆっくりと滴下した。滴下終了後、1時間程度撹拌を継続することで熟成を行った。ブフナー漏斗を用いてろ過し、ろ取物を純水で水洗し、110℃で乾燥した。乾燥物を粉砕後、空気雰囲気中、400℃で1時間、更に昇温して850℃で2時間焼成して、ペロブスカイト構造を有するニッケル−ランタン複合酸化物(触媒前駆体1)を得た。
触媒前駆体1を管状炉に充填して、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、600℃で1時間熱処理(還元処理)し、酸化ランタン−ニッケル金属微粒子触媒(触媒1)を得た。触媒1のニッケルの結晶子径の値を表1に示した。
【0037】
製造例2−1
硝酸コバルト六水和物23.28g、硝酸ランタン六水和物34.64gを純水430mLに投入し、コバルト−ランタン混合水溶液を調製した。25質量%TMAH水溶液175gに純水を追加して液量約700mLにした希釈TMAH水溶液を調製した。
この希釈TMAH水溶液を激しく撹拌した状態で、ここに前記コバルト−ランタン混合水溶液を1時間かけてゆっくりと滴下した。滴下終了後、1時間程度撹拌を継続することで熟成を行った。ブフナー漏斗を用いてろ過し、ろ取物を純水で水洗し、110℃で乾燥した。乾燥物を粉砕後、空気雰囲気中、400℃で1時間、更に昇温して850℃で2時間焼成して、ペロブスカイト構造を有するランタン−コバルト複合酸化物(触媒前駆体2)を得た。
触媒前駆体2を管状炉に充填して、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、600℃で1時間熱処理(還元処理)し、酸化ランタン−コバルト金属微粒子触媒(触媒2)を得た。触媒2のコバルトの結晶子径の値を表1に示した。
【0038】
製造例3−1
硝酸コバルト六水和物11.64g、硝酸ランタン六水和物10.39g、硝酸ストロンチウム(Sr(NO
3)
2)3.39gを純水300mLに投入し、コバルト−ランタン−ストロンチウム混合水溶液を調製した。7.7質量%TMAH水溶液33.5gに純水を追加して液量約400mLにした希釈TMAH水溶液を調製した。
この希釈TMAH水溶液を激しく撹拌した状態で、ここに前記コバルト−ランタン−ストロンチウム混合水溶液を1時間かけてゆっくりと滴下した。滴下終了後、1時間程度撹拌を継続することで熟成を行った。ブフナー漏斗を用いてろ過し、ろ取物を純水で水洗し、110℃で乾燥した。乾燥物を粉砕後、空気雰囲気中、400℃で1時間、更に昇温して650℃で2時間焼成して、ペロブスカイト構造を有するストロンチウム−ランタン−コバルト複合酸化物(触媒前駆体3)を得た。
触媒前駆体3を管状炉に充填して、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、600℃で1時間熱処理(還元処理)し、酸化ストロンチウム−酸化ランタン−コバルト金属微粒子触媒(触媒3)を得た。触媒3のコバルトの結晶子径の値を表1に示した。
【0039】
【表1】
【0040】
製造例1−1、2−1、3−1で得られた触媒1〜3を用いて、99.9体積%以上の純度のアンモニアガスについて、アンモニア分解反応を行った(常圧下、SV=6,000h
-1)。反応温度を変更してアンモニア分解率(以下、分解率)を測定した。結果を表2に示した。なお、分解率は以下の式で求めた。
【0041】
【数1】
【0042】
【表2】
【0043】
製造例1−2a、2−2a
上記製造例1−1、2−1のアンモニア分解反応後の使用済みの触媒1及び2を管状炉に充填して、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら750℃で1時間熱処理(還元処理)した。還元処理後のコバルト又はニッケルの結晶子径の値を表3に示した。還元後の触媒1及び2は、いずれもB金属微粒子の結晶子径が増大していた。続いて製造例1−1、2−1と同様にアンモニア分解反応を行い、反応温度を変更して分解率を測定した。結果を表3に示した。
【0044】
製造例1−3a、2−3a
上記製造例1−2a、2−2aのアンモニア分解反応後の使用済みの触媒1及び2を管状炉に充填して、体積比10/90の空気/窒素ガスを流通させながら、650℃で3時間熱処理(酸化処理(再生処理))した後、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、600℃で1時間熱処理(還元処理)した。還元処理後のコバルトまたはニッケルの結晶子径の値を表3に示した。続いて製造例1−1、2−1と同様にアンモニア分解反応を行い、反応温度を変更して分解率を測定した。結果を表3に示した。製造例1−2a、2−2aと製造例1−3a、2−3aとの比較により、再生処理によって分解率の回復が見られた。
【0045】
【表3】
【0046】
製造例1−2b、2−2b
上記製造例1−1、2−1のアンモニア分解反応後の使用済みの触媒1及び2を管状炉に充填して、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、850℃で1時間熱処理(還元処理)した。還元処理後のコバルト又はニッケルの結晶子径の値を表4に示した。還元後の触媒1及び2は、いずれもB金属微粒子の結晶子径が25nm超に増大していた。続いて製造例1−1、2−1と同様にアンモニア分解反応を行い、反応温度を変更して分解率を測定した。結果は表4に示した。
【0047】
製造例1−3b、2−3b
上記製造例1−2b、2−2bのアンモニア分解反応後の使用済みの触媒1及び2を管状炉に充填して、体積比10/90の空気/窒素ガスを流通させながら、650℃で3時間熱処理(酸化処理(再生処理))した後、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、600℃で1時間熱処理(還元処理)した。還元処理後のコバルト又はニッケルの結晶子径の値を表4に示した。続いて製造例1−1、2−1と同様にアンモニア分解反応を行い、反応温度を変更して分解率を測定した。結果は表4に示した。製造例1−2b、2−2bと製造例1−3b、2−3bとの比較により、再生処理によって分解率の回復が見られた。なお、分解率の回復の度合いは、前記製造例1−3a、2−3aよりも小さいものとなった。これは、再生処理前のB金属微粒子の結晶子径が25nm超であり、酸化処理において再構築されるペロブスカイト構造が少なくなり、再分散されるB金属微粒子が少なくなったためと考えられる。
【0048】
【表4】
【0049】
比較例1−1
120℃で一晩乾燥させたγ−アルミナ(Strem Chemicals Inc.製)10.02gに、硝酸ニッケル六水和物12.39gを蒸留水5.00gに溶解させた水溶液を滴下して混合した。この混合物を密閉して1時間静置した後、湯浴上で乾燥させた。この乾燥した混合物を、窒素気流下、350℃で5時間焼成した後、空気気流下、500℃で3時間焼成した。この焼成物を管状炉に充填し、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、450℃で5時間熱処理(還元処理)して、触媒4を得た。なお、触媒4のニッケル担持量は、20質量%であった。触媒4のニッケルの結晶子径の値を表5に示した。
触媒4を用いて、99.9体積%以上の純度のアンモニアについて、アンモニア分解反応を行った(常圧下、SV=6,000h
-1)。反応温度を変更してアンモニア分解率(以下、分解率)を測定した。結果は表5に示した。
【0050】
比較例1−2
上記比較例1−1のアンモニア分解反応後の使用済みの触媒4を管状炉に充填して、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、750℃で1時間熱処理(還元処理)した。還元処理後のニッケルの結晶子径の値を表5に示した。続いて比較例1−1と同様にアンモニア分解反応を行い、反応温度を変更して分解率を測定した。結果は表5に示した。
【0051】
比較例1−3
上記比較例1−2のアンモニア分解反応後の使用済みの触媒4を管状炉に充填して、体積比10/90の空気/窒素ガスを流通させながら、650℃で3時間熱処理(酸化処理(再生処理))した後、10体積%水素ガス(窒素希釈)を流通させながら、600℃で1時間還元処理した。還元処理後のニッケルの結晶子径の値を表5に示した。続いて比較例1−1と同様にアンモニア分解反応を行い、反応温度を変更して分解率を測定した。結果は表5に示した。比較例1−2と比較例1−3との比較により、再生処理によって分解率の回復は見られなかった。
【0052】
【表5】
【0053】
製造例4
硝酸ニッケル六水和物(和光純薬工業社製、純度99.9質量%以上)を純水に溶解させた水溶液に、酸化ランタン(信越化学工業社製、純度99.99質量%以上)を加え、80℃に設定したスチームバス上で、蒸発、乾固した。乾固物を、空気雰囲気中、600℃で5時間焼成し、触媒前駆体5−1〜5−6を得た。各触媒前駆体のNi担持量は、触媒前駆体5−1〜5−6の順に、それぞれ10、20、30、40、50、70質量%となるように調整した。得られた触媒前駆体についてX線回折(XRD)測定を行い、結果を
図1に示した。
図1に示すように、Ni含有量が10質量%から40質量%では、Ni含有量が増加するにしたがい、ペロブスカイト構造であるLaNiO
3のピーク強度が増大し、La
2O
3及びLa(OH)のピーク強度が低下している。一方、Ni含有量が40質量%から70質量%では、Ni含有量が増加するにしたがい、LaNiO
3のピーク強度が低下し、NiOのピーク強度が増大している。
【0054】
続いて、前記触媒前駆体5−1〜5−6を、電気炉を用いて、体積比50/50の水素/ヘリウム混合ガスを流通させながら(100ml/min)、600℃で2時間熱処理(還元処理)し、触媒5−1〜5−6を得た。得られた触媒を用いて、純度100体積%のアンモニアガスについてアンモニア分解反応を行った。なお、アンモニアガスの流通量は、30ml/min、SV=6,000lkg
-1h
-1、反応温度は550℃とした。結果を
図2に示した。
【0055】
図2に示すように、Ni含有量が10質量%から40質量%では、Ni含有量が増加するにしたがい、アンモニア分解率が上昇し、一方、Ni含有量が40質量%から70質量%では、Ni含有量が増加するにしたがい、アンモニア分解率が減少している。
【0056】
製造例5
硝酸ニッケル六水和物(和光純薬工業社製、純度99.9質量%以上)を純水に溶解させた水溶液に、酸化ランタン(信越化学工業社製、純度99.99質量%以上)を加え、80℃に設定したスチームバス上で、蒸発、乾固した。なお、触媒前駆体のNi担持量は、40質量%となるように調整した。乾固物を、空気雰囲気中、5時間焼成し、触媒前駆体6−1〜6−5を得た。各触媒前駆体の焼成温度は、触媒前駆体6−1〜6−5の順に、それぞれ400、500、600、700、800℃とした。得られた触媒前駆体についてX線回折(XRD)測定を行い、結果を
図3に示した。
図3に示すように、焼成温度600、700、800℃では、LaNiO
3のピークが確認され、且つ焼成温度が高くなるほど、強度が増大している。一方、焼成温度400、500℃では、LaNiO
3のピークが確認されなかった。
【0057】
続いて、前記触媒前駆体6−1〜6−5を、前記製造例4と同様にして還元処理し、触媒6−1〜6−5を得た。得られた触媒を用いて、前記製造例4と同様にしてアンモニア分解反応を行い、分解率を測定した。結果を
図4に示した。
図4に示すように、触媒前駆体においてLaNiO
3のピークが確認されなかった触媒6−1、6−2はアンモニア分解率が低いのに対して、触媒前駆体においてLaNiO
3のピークが確認された触媒6−3ではアンモニア分解率が上昇している。一方、触媒前駆体においてLaNiO
3のピークが確認された触媒6−3〜6−5を比較すると、触媒前駆体におけるLaNiO
3のピーク強度が増大するほど、触媒性能が低下していることがわかる。このことから、あまり結晶化させすぎても触媒性能が向上しないことがわかる。
【0058】
製造例6
硝酸ニッケル六水和物(和光純薬工業社製、純度99.9質量%以上)を純水に溶解させた水溶液に、酸化ランタン(信越化学工業社製、純度99.99質量%以上)を加え、80℃に設定したスチームバス上で、蒸発、乾固した。なお、触媒前駆体のNi担持量は、26.5質量%となるように調整した。乾固物を、空気雰囲気中、5時間焼成し、触媒前駆体7−1〜7−5を得た。各触媒前駆体の焼成温度は、触媒前駆体7−1〜7−5の順に、それぞれ500、600、700、800、900℃とした。得られた触媒前駆体についてX線回折(XRD)測定を行い、結果を
図5に示した。
図5に示すように、焼成温度600、700、800、900℃では、LaNiO
3のピークが確認され、且つ焼成温度が高くなるほど、強度が増大している。一方、焼成温度500℃では、LaNiO
3のピークが確認されなかった。
【0059】
続いて、前記触媒前駆体7−1〜7−5を、前記製造例4と同様にして還元処理し、触媒7−1〜7−5を得た。得られた触媒を用いて、前記製造例4と同様にしてアンモニア分解反応を行い、分解率を測定した。結果を
図7に示した。
【0060】
製造例7
モル比でNi:La=1:1となるように硝酸ニッケル六水和物(和光純薬工業社製、純度99.9質量%以上)と硝酸ランタン六水和物(和光純薬工業社製、純度99.9質量%以上)を秤量して、純水に溶解させた。この水溶液を60℃で1時間攪拌した後、総カチオン量の1.5倍(モル比)のクエン酸水和物を加え、さらに攪拌を続けた。溶液がゲル状になったところで、液温を350℃まで段階的に昇温して、熱分解した。得られた粉末試料を空気中、350℃で24時間熱処理した後、空気雰囲気中で、5時間焼成し、触媒前駆体8−1〜8−5を得た。各触媒前駆体の焼成温度は、触媒前駆体8−1〜8−5の順に、それぞれ400、500、600、700、800℃とした。なお、各触媒前駆体のNi担持量は、26.5質量%である。得られた触媒前駆体についてX線回折(XRD)測定を行い、結果を
図6に示した。
図6に示すように、焼成温度600、700、800℃では、LaNiO
3のピークが確認され、且つ焼成温度が高くなるほど、強度が増大している。一方、焼成温度400、500℃では、LaNiO
3のピークが確認されなかった。
【0061】
続いて、前記触媒前駆体8−1〜8−5を、前記製造例4と同様にして還元処理し、触媒8−1〜8−5を得た。得られた触媒を用いて、前記製造例4と同様にしてアンモニア分解反応を行い、分解率を測定した。結果を
図7に示した。
【0062】
また、製造例7における焼成温度600℃の触媒前駆体8−3、この触媒前駆体8−3を600℃で2時間還元処理した触媒8−3、並びに、アンモニア分解反応に使用した後の触媒8−3について、X線回折(XRD)測定を行い、結果を
図8に示した。
図8より、還元処理を施すことにより、触媒前駆体で見られたLaNiO
3のピークが消滅し、Ni、La
2O
3及びLa(OH)
3のピークが現れている。また、アンモニア分解反応後には、La(OH)
3のピークが消滅し、NiとLa
2O
3のピークのみとなっている。
【0063】
製造例8
硝酸ニッケル六水和物(和光純薬工業社製、純度99.9質量%以上)を純水に溶解させた水溶液に、酸化ランタン(信越化学工業社製、純度99.99質量%以上)を加え、80℃に設定したスチームバス上で、蒸発、乾固した。なお、触媒前駆体のNi担持量は、26.5質量%となるように調整した。乾固物を、空気雰囲気中、5時間焼成し、触媒前駆体9−1〜9−5を得た。各触媒前駆体の焼成温度は、触媒前駆体9−1〜9−5の順に、それぞれ500、600、700、800、1000℃とした。得られた触媒前駆体についてX線回折(XRD)測定を行い、結果を
図9に示した。
図9に示すように、焼成温度600、700、800℃では、LaNiO
3のピークが確認され、且つ焼成温度が高くなるほど、強度が増大している。一方、焼成温度500℃では、LaNiO
3のピークが確認されなかった。また、焼成温度1000℃では、ペロブスカイト構造とは異なる構造(La
4Ni
3O
10)となっていた。
【0064】
続いて、前記触媒前駆体9−1〜9−5を、電気炉を用いて、体積比50/50の水素/ヘリウム混合ガスを流通させながら(100ml/min)、600℃で2時間熱処理(還元処理)し、触媒9−1〜9−5を得た。得られた触媒についてX線回折(XRD)測定を行い、結果を
図10に示した。また、XRD測定結果よりNi結晶子径を求め、表6に示した。
図10より、還元処理を施すことにより、触媒9−2〜9−5では、触媒前駆体で見られたLaNiO
3のピークが消滅し、Ni、La
2O
3及びLa(OH)
3のピークが現れていることがわかる。つまり、還元処理により、LaNiO
3が、Ni及びLa
2O
3に分解されていることがわかる。なお、La(OH)
3のピークが現れているが、これはLa
2O
3が空気中の水分と反応して生成したものと考えられる。また、焼成温度500、600、700℃の触媒9−1、9−2、9−3では、Niの結晶子径が17〜18nmであり、ほとんど差は見られなかった。これに対して、焼成温度800、1000℃の触媒9−4、9−5では、Niの結晶子径が22.1nm、27.8nmとなっており、焼成温度700℃以上では、焼成温度の上昇に伴い、結晶子径が増大することがわかる。
【0065】
得られた触媒を用いて、純度100体積%のアンモニアガスについてアンモニア分解反応を行った。なお、アンモニアガスの流通量は、30ml/min、SV=6,000lkg
-1h
-1、反応温度は550℃とした。結果を
図12に示した。
【0066】
製造例9
硝酸ニッケル六水和物(和光純薬工業社製、純度99.9質量%以上)を純水に溶解させた水溶液に、酸化ランタン(信越化学工業社製、純度99.99質量%以上)を加え、80℃に設定したスチームバス上で、蒸発、乾固した。なお、触媒前駆体のNi担持量は、40質量%となるように調整した。乾固物を、空気雰囲気中、5時間焼成し、触媒前駆体10−1〜10−5を得た。各触媒前駆体の焼成温度は、触媒前駆体10−1〜10−5の順に、それぞれ400、500、600、700、800℃とした。
【0067】
続いて、前記触媒前駆体10−1〜10−5を、電気炉を用いて、体積比50/50の水素/ヘリウム混合ガスを流通させながら(100ml/min)、600℃で2時間熱処理(還元処理)し、触媒10−1〜10−5を得た。得られた触媒についてX線回折(XRD)測定を行い、結果を
図11に示した。また、XRD測定結果よりNi結晶子径を求め、表6に示した。また得られた触媒を用いて、純度100体積%のアンモニアガスについてアンモニア分解反応を行った。なお、アンモニアガスの流通量は、30ml/min、SV=6,000lkg
-1h
-1、反応温度は550℃とした。結果を
図12に示した。
【0068】
【表6】