JP2016055228A - 触媒構造体、触媒構造体の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた触媒機能を有する触媒構造体および当該触媒構造体を製造する技術を提供する。【解決手段】粒状の触媒担体の表面に前記触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた複数の担持触媒がバインダーによって結合された触媒層を有する。このため、比表面積を大幅に向上させることができ、触媒機能を高めることができる。【選択図】図4
Description
本発明は、触媒層を有する触媒構造体およびその製造技術に関するものである。
化学工業においては、特定の化学反応の反応速度を速めるために、種々の触媒が用いられている。例えば特許文献1では、互いに異なる複数の触媒の活性種(触媒粒子)を含むゾルまたはペースト状の吐出液を調製しておき、各吐出液を順番にインクジェットノズルからガラス基板や金属基板の表面に吐出して活性種を積層させることで複数の活性サイトを形成している。
化学工業で使用される触媒では、触媒粒子、たとえば金や白金などの金属、合金、金属酸化物あるいは金属水酸化物などが触媒担体に担持されている。この触媒担体は積極的に触媒反応に関与するものではないが、触媒担体と触媒粒子との界面が触媒反応の反応サイトあるいは活性サイトとして機能する。したがって、触媒機能を高めるためには、比表面積(=単位質量あたりの表面積または単位体積あたりの表面積)を向上させる技術が望まれている。
しかしながら、上記特許文献1に記載の発明では、ガラス基板や金属基板が触媒担体として機能しており、当該触媒担体の表面に対して活性種(触媒粒子)を担持させることで触媒構造体を構成している。このため、特許文献1に記載の発明において比表面積を向上させるには一定の限界があった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、優れた触媒機能を有する触媒構造体および当該触媒構造体を製造する技術を提供することを目的とする。
本発明の第1態様は、触媒構造体であって、粒状の触媒担体の表面に触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた複数の担持触媒がバインダーによって結合された触媒層を有することを特徴としている。
また、本発明の第2態様は、触媒層を有する触媒構造体を製造する触媒構造体の製造方法であって、粒状の触媒担体の表面に触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた担持触媒と、バインダーと、水または溶剤を含む液体とを混合して流動性材料を調製する調製工程と、流動性材料により触媒層を形成する触媒層形成工程とを備えることを特徴としている。
さらに、本発明の第3態様は、触媒層を有する触媒構造体を製造する触媒構造体の製造装置であって、粒状の触媒担体の表面に触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた担持触媒と、バインダーと、水または溶剤を含む液体である流動性材料を吐出する吐出ノズル部と、吐出ノズル部に対して基材または製造治具を相対的に移動させる移動機構と、備え、移動機構により吐出ノズル部に対して基材または製造治具を相対移動させつつ、基材の主面または製造治具の平面上に向けて吐出ノズル部から流動性材料を吐出して、基材の主面または製造治具の平面上に流動性材料を塗布することを特徴としている。
本発明にかかる触媒構造体、触媒構造体の製造方法および製造装置によれば、触媒構造体の構成要素たる触媒層は粒状の触媒担体の表面に触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた複数の担持触媒をバインダーによって結合したものである。このため、特許文献1に記載の触媒構造体、つまり触媒構造体の最終形状とほぼ等しい形状を有する触媒担体(基板)に対して微細ドメイン(触媒粒子で形成される領域)を形成してなるものに比べ、比表面積を大幅に向上させることができ、触媒機能を高めることができる。
<第1実施形態>
図1は本発明にかかる触媒構造体の第1実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。この触媒構造体の製造装置(以下、単に「製造装置」という)MAは、平板状の基材11上に複数の棒状触媒部よりなる触媒層を形成した触媒構造体を製造するための装置である。この装置MAは、例えば工業化学で用いられる工業触媒を形成するという用途に好適に使用することができる。
図1は本発明にかかる触媒構造体の第1実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。この触媒構造体の製造装置(以下、単に「製造装置」という)MAは、平板状の基材11上に複数の棒状触媒部よりなる触媒層を形成した触媒構造体を製造するための装置である。この装置MAは、例えば工業化学で用いられる工業触媒を形成するという用途に好適に使用することができる。
この製造装置MAでは、基台B上にステージ移動機構2が設けられ、基材11を保持するステージ3がステージ移動機構2により図1に示すX−Y平面内で移動可能となっている。基台Bにはステージ3を跨ぐようにしてフレーム121が固定され、フレーム121にはヘッド部5が取り付けられる。
ステージ移動機構2は、下段からステージ3をX方向に移動させるX方向移動機構21およびY方向に移動させるY方向移動機構22を有する。X方向移動機構21は、モータ211にボールねじ212が接続され、さらに、Y方向移動機構22に固定されたナット213がボールねじ212に取り付けられた構造となっている。ボールねじ212の上方にはガイドレール214が固定され、モータ211が回転すると、ナット213とともにY方向移動機構22がガイドレール214に沿ってX方向に滑らかに移動する。
Y方向移動機構22もモータ221、ボールねじ機構(図示省略)およびガイドレール224を有し、モータ221が回転するとボールねじ機構によりステージ3がガイドレール224に沿ってY方向に移動する。以上の構成により、ヘッド部5の基材11に対する相対的な移動方向が変更可能とされる。ステージ移動機構2の各モータは装置全体を制御する制御部4により制御される。
ヘッド部5では、ベース51の下面に対し、予め調製された流動性材料(図3中の符号10)を吐出する吐出ノズル部52と、基材11に向けてUV光(紫外線)を照射する光照射部53とが設けられている。また、吐出ノズル部52には供給管522が取り付けられる。供給管522は、制御弁523、ポンプ524および流量計525を介して担持触媒を含む流動性材料を貯留するタンク526に接続される。そして、制御部4がポンプ524を駆動するとともに制御弁523の開閉を制御することにより、吐出ノズル部52からの流動性材料吐出のオン・オフが制御される。
光照射部53は、光ファイバ531を介して紫外線を発生する光源ユニット532に接続される。図示を省略しているが、光源ユニット532はその光出射部に開閉自在のシャッターを有しており、その開閉および開度によって出射光のオン・オフおよび光量を制御することができる。光源ユニット532は制御部4により制御される。
図2はヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図であり、ヘッド部5を下方から見たときの吐出ノズル部52先端付近を示す図である。吐出ノズル部52は内部が筒状の空洞になったノズルベース520に、この空洞に連通された吐出口521aを有する筒状の先端ノズル521が複数個(この例では4個であるがこれに限定されない)、Y方向に等間隔に突設された構造となっている。タンク526から供給管522を経由して輸送されてくる流動性材料は、先端ノズル521下端の吐出口521aから基材11に向けて吐出される。図1および図2に示すように、先端ノズル521は、ノズルベース520から(−Z)方向および(+X)方向に延びている。
また、光照射部53は、複数の吐出口521aから吐出される流動性材料全体に光を照射するために、Y方向サイズがノズルベース520とほぼ同じになっており、その下端は光を集光させるためのレンズ532となっている。
先端ノズル521の材質については特に限定されないが、吐出口521aから吐出される流動性材料に対し汚染物質を混入させることがなく、微細加工ができるという点から、例えばシリコンやジルコニアの結晶を用いることができる。ただし、ヘッド部5に設けられた複数の先端ノズル521はいずれも同一形状とされる。このような微細な加工を要する先端ノズルの形状を全て同一とすることにより、先端ノズルの加工コスト、ひいては装置全体のコストを低減することができる。また、それぞれ1つの吐出口を有し同一形状の複数の先端ノズルをノズルベースに着脱可能に取り付けるようにすれば、例えばいずれかの吐出口が流動性材料によって目詰まりや損傷を起こした場合、当該先端ノズルのみを交換すればよいので、吐出ノズル部全体を交換するのに比べれば装置のランニングコストの点でも有利である。
図3はヘッド部からの流動性材料の吐出の様子を模式的に示す図である。後述するように、この実施形態では、ステージ3に載置された基材11をステージ移動機構2によりX方向に移動させながら、先端ノズル521の吐出口521aから流動性材料10を吐出させる。したがって、基材11に吐出された流動性材料10は、最初に基材11に接触する着液位置P1から、基材11とともにX方向(図において右方)に移動してゆく。基材11に対する走査移動という点では、基材11を固定しヘッド部5を移動させるようにしても等価であるが、ヘッド部5には各種の配管が接続されており、またノズルの振動に起因する吐出量の変動を抑えるという点から、ヘッド部5を固定して基材11を移動させるのが好ましい。
基材移動方向Xにおいて吐出ノズル部52の下流側には光照射部53が設けられており、基材11に塗布された流動性材料10に対して光L(例えば紫外線)を照射する。第1実施形態では、後述するように光硬化性のバインダー樹脂を本発明の「バインダー」として含んでいる。このため、基材11上に光Lが照射される光照射位置P2では、光照射部53からの光照射を受けて基材11上の流動性材料10の硬化が始まる。このようにして、この装置1は基材11上に棒状の触媒部(図4中の符号13)を形成し、その形状を維持させることができる。
図4は図1に示す製造装置によって製造される触媒構造体の一例を示す図であり、本発明にかかる触媒構造体の第1実施形態を示している。この触媒構造体1Aは、基材11と、基材11の上面(一方主面)111に形成される触媒層12とで構成される。基材11を構成する材料は特に限定されるものではないが、金属材料、ガラス材料、セラミック材料や樹脂材料などを用いることができ、図1に示す製造装置MAにより触媒構造体1Aを製造する場合には、板状の基材11が用いられる。
また、図1に示す製造装置MAにより形成される触媒層12は、図4に示すように、複数本の触媒部13で構成されている。各触媒部13は、図4(a)に示すように、X方向に延びる棒状またはライン形状を有しており、これら複数の触媒部13はY方向において互いに一定間隔だけ離間しながら平行に設けられている、つまりストライプ状に設けられている。このため、基材11の上面111のうち触媒部13を形成していない領域は露出した領域となっている。また、各触媒部13は触媒担体141の表面で当該触媒担体141よりも小径の触媒粒子142を担持している担持触媒14を含有して触媒機能を発揮する。
なお、本実施形態では、次に詳述するように吐出ノズル部52を用いた塗布技術を用いて触媒部13を形成するため、粒径1ないし100[μm]の粉末状のシリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)などを触媒担体141として用いている。また、担持触媒14によって触媒機能を発揮させるために、本実施形態では、触媒担体141よりも小径の金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)などの単体元素、それらの酸化物あるいは水酸化物を触媒粒子142として用いている。
次に、前述した製造装置MAにより、上記の触媒構造体1Aを製造する方法について図4および図5を参照しつつ説明する。
図5は本発明にかかる触媒構造体の第1実施形態を製造する方法を示すフローチャートである。この第1実施形態では、担持触媒14と、光硬化性を有するバインダー樹脂と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料10を調製しておき(ステップS1)、当該流動性材料10をタンク526の貯留しておく。当該流動性材料10は非ニュートン流体であり、基材11への吐出後における形状維持を考慮すると、せん断速度1[s−1]において100ないし1000[パスカル秒]の粘度を有するものが望ましい。
そして、上記のようにして触媒構造体1Aの製造準備を完了している装置MA内に基材11を搬入し、ステージ3に載置する(ステップS2)。そして、ステージ移動機構2を動作させて、基材11をその右端がヘッド部5の直下近傍位置に来るような所定の塗布開始位置(図1における基材11の位置)へ移動させる(ステップS3)。
次いで、基材11をX方向に移動させながら、ヘッド部5に設けた吐出ノズル部52および光照射部53からの流動性材料吐出および光照射をそれぞれ開始する(ステップS4)。先端ノズル521から流動性材料10が連続的かつ棒状に吐出されることにより、基材11上には互いに平行な複数(この例では4本)の棒状(例えば、Y方向幅70[μm]×Z方向高さ150[μm]の断面形状を有し、X方向に延設された形状)で流動性材料10が塗布されて触媒部13がX方向に延設される。また、基材移動方向Xにおいて吐出ノズル部52の下流側に設けた光照射部53から紫外線を照射されることにより、触媒部13は硬化してYZ平面において凸形状が維持される。さらに、触媒部13の内部では、図4(b)において模式的に示すように、バインダー樹脂15によって担持触媒14が相互に結合されるとともに、流動性材料吐出および光照射を行っている間に液体成分の一部が蒸発によって数多くの空隙16が形成され、空隙16の全容積は触媒部13の体積に対して10〜30[%]程度に達する。なお、このように液体成分の一部を蒸発させる工程が本発明の「蒸発工程」の一例に相当するが、光照射前後で触媒部13に熱を加え、液体成分の蒸発を促進させて空隙16の量を増大させるように構成してもよい。
基材11の一方端から他方端まで流動性材料10の塗布(塗布工程)および光照射が終了すると、基材11の全面に触媒部13を形成し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う(ステップS5)。このとき、1回の動作を終えるごとに基材11の位置をY方向に所定量移動させることで、図4(a)に示すように基材11の上面111全体に棒状の触媒部(以下「棒状触媒部」という)13を形成することができる。こうして複数本の棒状触媒部13からなる触媒層12が基材11の上面に形成されて触媒構造体1Aが製造されると、当該触媒構造体1Aを装置MAの外へ搬出する(ステップS6)。そして、こうして製造された触媒構造体1Aを種々の装置、例えば改質ガスを製造するための改質触媒として改質装置の反応容器に収容する。
以上のように、この実施形態では、担持触媒14と、光硬化性を有するバインダー樹脂(バインダー)と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合して調製された流動性材料10を基材11の上面111に棒状に塗布して複数の触媒部13よりなる触媒層12を形成している。こうして形成された触媒構造体1Aの触媒層12では、図4(b)に示すように、粒状の触媒担体141の表面に触媒担体141よりも小径の触媒粒子142を分散して担持させた複数の担持触媒14がバインダー樹脂15によって結合されており、特許文献1に記載の製造方法により製造された触媒構造体に比べ、比表面積を大幅に向上させることができる。また、上記実施形態では、流動性材料10の塗布後に、流動性材料10中の液体成分を蒸発させて各触媒部13内に空隙16を形成しているため、比表面積をさらに向上させることができる。その結果、優れた触媒機能が得られる。
また、比表面積の向上は触媒層12の内部においてのみならず、触媒層12の外部においても行われている。つまり、各触媒部13は図4(a)に示すように基材11の上面111に自立した三次元形状を有しており、触媒部13の天井面のみならず側面においても触媒反応を発揮する。このように棒状の触媒部13により触媒層12を形成したことで、比表面積をより一層向上させることができ、触媒機能をさらに高めることができる。
<第2実施形態>
上記第1実施形態では、光硬化性を有するバインダー樹脂15を本発明の「バインダー」の一例として用いているが、熱硬化性を有するバインダー樹脂を用いてもよい。以下、図6を参照しつつ本発明にかかる触媒構造体の第2実施形態について説明する。
上記第1実施形態では、光硬化性を有するバインダー樹脂15を本発明の「バインダー」の一例として用いているが、熱硬化性を有するバインダー樹脂を用いてもよい。以下、図6を参照しつつ本発明にかかる触媒構造体の第2実施形態について説明する。
図6は本発明にかかる触媒構造体の第2実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。この触媒構造体の製造装置MBが製造装置MAと大きく相違する点は、光照射部53の代わりに、ステージ3を加熱する加熱手段が設けられている点である。この加熱手段は、ステージ3に設けられるヒータ(図示省略)と、制御部4からの加熱指令に応じてヒータを作動させてステージ3の温度を制御する加熱ユニット31とを有している。なお、その他の構成は第1実施形態で使用した製造装置MAと同一であるため、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
第2実施形態では、次のようにして触媒構造体を製造する。まず、流動性材料10として、担持触媒14と、熱硬化性を有するバインダー樹脂と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料10を調製する。そして、当該流動性材料10を予めタンク526の貯留しておき、触媒層を形成する前の基材11が製造装置MBのステージ3に載置されると、加熱ユニット31によるステージ3の加熱を開始する。なお、ステージ3の加熱開始タイミングはこれに限定されるものではなく、例えば製造装置MBへの基材11の搬入前から加熱ユニット31を作動させてステージ3の加熱を開始するように構成してもよい。
加熱されたステージ3によって基材11を加熱した状態のまま、ステージ移動機構2を動作させて、基材11をその右端がヘッド部5の直下近傍位置に来るような所定の塗布開始位置(図6における基材11の位置)へ移動させる。次いで、基材11をX方向に移動させながら、ヘッド部5に設けた吐出ノズル部52からの流動性材料吐出を開始する。これによって、先端ノズル521から流動性材料10が吐出されることにより、基材11上には互いに平行な複数の棒状で流動性材料10が塗布されて棒状触媒部13がX方向に延設される。また、基材11の上面111に塗布された棒状触媒部13は直ちに加熱されることで硬化してYZ平面において凸形状が維持される。さらに、触媒部13の内部では、第1実施形態と同様に、バインダー樹脂15によって担持触媒14が相互に結合されるとともに、流動性材料吐出を行っている間に液体成分の一部が蒸発して数多くの空隙16が形成される。このようにヒータにより液体成分の一部を蒸発させる工程が本発明の「蒸発工程」の一例に相当している。
基材11の一方端から他方端まで流動性材料10の塗布(塗布工程)が終了すると、第1実施形態と同様に、基材11の全面に触媒部13を形成し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う。このとき、1回の動作を終えるごとに基材11の位置をY方向に所定量移動させることで、基材11の上面111全体に棒状触媒部13を形成することができる。こうして触媒構造体が製造されると、当該触媒構造体を装置MBの外へ搬出し、例えば改質装置の反応容器に収容する。
以上のように、第2実施形態においても、第1実施形態と同様の理由から、優れた触媒機能を有する触媒構造体が得られる。
<第3実施形態>
上記第1実施形態および第2実施形態では、複数の担持触媒14を相互に結合させるバインダーとしてバインダー樹脂を用いているが、触媒担体よりも微細な微粒子を用いてもよい。より具体的には、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)などの微粒子を用いることができる。この場合、第2実施形態と同様に、図6に示す製造装置MBを用いて製造することができ、以下の手順で微粒子(以下「バインダー微粒子」という)を用いて触媒構造体を製造する方法について説明する。
上記第1実施形態および第2実施形態では、複数の担持触媒14を相互に結合させるバインダーとしてバインダー樹脂を用いているが、触媒担体よりも微細な微粒子を用いてもよい。より具体的には、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)などの微粒子を用いることができる。この場合、第2実施形態と同様に、図6に示す製造装置MBを用いて製造することができ、以下の手順で微粒子(以下「バインダー微粒子」という)を用いて触媒構造体を製造する方法について説明する。
この第3実施形態では、担持触媒14と、バインダー微粒子と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料10を調製する。そして、当該流動性材料10を予めタンク526の貯留しておき、触媒層を形成する前の基材11が製造装置MBのステージ3に載置されると、第2実施形態と同様に、加熱ユニット31によるステージ加熱、塗布開始位置への基材11の移動、およびヘッド部5に対して基材11を相対移動させながらの吐出ノズル部52からの流動性材料吐出を行う。これによって、基材11の上面111において互いに平行な複数の棒状で流動性材料10が塗布されて棒状触媒部13がX方向に延設される。また、触媒部13の内部では、図7に示すように、担持触媒14の間にバインダー微粒子17が入り込み、担持触媒14同士を結合するとともに、液体成分の一部が蒸発によって数多くの空隙16が形成される。
基材11の一方端から他方端まで流動性材料10の塗布が終了すると、第1実施形態や第2実施形態と同様に、基材11の全面に触媒部13を形成し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う。これによって、基材11の上面111全体に棒状触媒部13を形成することができる。こうして触媒構造体が製造されると、当該触媒構造体を装置MBの外へ搬出し、例えば改質装置の反応容器に収容する。
以上のように、第3実施形態においても、第1実施形態や第2実施形態と同様の理由から、優れた触媒機能を有する触媒構造体が得られる。
<第4実施形態>
上記した第1実施形態ないし第3実施形態にかかる触媒構造体1Aは、基材11上において複数の触媒部13をY方向において互いに一定間隔だけ離間しながら平行に形成した、いわゆるライン・アンド・スペース構造を有している。このため、互いに隣接する触媒部13の間では基材11の上面111が露出しており、当該露出部分では触媒反応は発生しない。これに対し、次に説明するように基材11の上面111に平面形状の触媒部(以下「平面状触媒部」という)を形成するとともに当該平面状触媒部の上面に複数の棒状触媒部13を形成してもよく、この場合、比表面積のさらなる増大を図ることができる。以下、図8ないし図11を参照しつつ本発明の第4実施形態について説明する。
上記した第1実施形態ないし第3実施形態にかかる触媒構造体1Aは、基材11上において複数の触媒部13をY方向において互いに一定間隔だけ離間しながら平行に形成した、いわゆるライン・アンド・スペース構造を有している。このため、互いに隣接する触媒部13の間では基材11の上面111が露出しており、当該露出部分では触媒反応は発生しない。これに対し、次に説明するように基材11の上面111に平面形状の触媒部(以下「平面状触媒部」という)を形成するとともに当該平面状触媒部の上面に複数の棒状触媒部13を形成してもよく、この場合、比表面積のさらなる増大を図ることができる。以下、図8ないし図11を参照しつつ本発明の第4実施形態について説明する。
図8は本発明にかかる触媒構造体の第4実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。この触媒構造体の製造装置MCが製造装置MAと大きく相違する点は、棒状触媒部を形成するためのヘッド部5(以下、「第1ヘッド部5」という)以外に、平面状触媒部を形成するための別のヘッド部7(以下、「第2ヘッド部7」という)を設けている点である。なお、その他の構成は基本的に製造装置MAと同一である。そこで、以下においては、相違点を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
この製造装置MCでは、第2ヘッド部7を設けるために、ステージ3を跨ぐようにしてフレーム121とは別のフレーム122が基台Bに固定されている。そして、フレーム122に第2ヘッド部7が取り付けられている。なお、第2ヘッド部7による平面状触媒部の形成を第1ヘッド部5による棒状触媒部の形成に先立って行うために、第2ヘッド部7は第1ヘッド部5に対して(−X)方向に離隔配置されている。
この第2ヘッド部7には、第1ヘッド部5と同様に、ベース71、吐出ノズル部72、光照射部73が設けられている。また、吐出ノズル部72には、供給管722、制御弁723、ポンプ724および流量計725を介して担持触媒を含む流動性材料を貯留するタンク726が接続されている。そして、制御部4が制御弁723の開閉を制御することにより、吐出ノズル部72からの流動性材料吐出のオン・オフが制御される。
図9はヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図である。より詳しくは、図9(a)は第2ヘッド部7を下方から見たときの吐出ノズル部72先端付近を示す図であり、図9(b)は第1ヘッド部5を下方から見たときの吐出ノズル部52先端付近を示す図である。これらの図面からわかるように、第2ヘッド部7も第1ヘッド部5と同様にノズルベース720および先端ノズル721を備えているが、第1ヘッド部5とは以下の点で相違している。すなわち、第2ヘッド部7では先端ノズル721に設けられる吐出口721aは1個である。その吐出口721aのY方向幅は各吐出口521aよりも幅広であり、さらに詳しくは、最も(+Y)方向側の吐出口521aの(+Y)方向端から最も(−Y)方向側の吐出口521aの(−Y)方向端までの距離よりも若干幅広である。このため、後述するように吐出口721aから吐出された流動性材料により形成される平面状触媒部の上面に対し、各吐出口521aから吐出された流動性材料により棒状触媒部を形成することが可能となっている。なお、図9中の符号732は吐出口721aから吐出される流動性材料全体に光を照射するためのレンズである。
第4実施形態では、このように構成された製造装置MCを用いて図11に示す触媒構造体1Bが製造される。まず、第1実施形態と同様に、担持触媒14と、光硬化性を有するバインダー樹脂と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料10を予め調製しておき、それらをタンク526、726の貯留しておく。なお、各タンク526、726に貯留される流動性材料10は同一組成であるが、後述する動作説明の便宜からタンク526、726に貯留される流動性材料10をそれぞれ「流動性材料10B」および「流動性材料10A」と称する。
触媒層を形成する前の基材11が製造装置MCのステージ3に載置されると、ステージ移動機構2を動作させて、基材11をその右端がヘッド部7の直下近傍位置に来るような所定の塗布開始位置(図8における基材11の位置)へ移動させる。次いで、基材11をX方向に移動させながら、2つのヘッド部のうち基材移動方向Xの上流側に位置するヘッド部7に設けた吐出ノズル部72および光照射部73からの流動性材料吐出および光照射をそれぞれ開始する。なお、この段階ではヘッド部5に設けた吐出ノズル部52および光照射部53からの流動性材料吐出および光照射をともに停止している。
先端ノズル721から流動性材料10Aが吐出されることにより、基材11上でY方向幅広に流動性材料10Aが塗布されて平面状触媒部18(図10、図11参照)が形成される。また、基材移動方向Xにおいて吐出ノズル部72の下流側に設けた光照射部73から紫外線を照射されることにより、触媒部18は硬化して平面形状が維持される。そして、吐出ノズル部72による流動性材料吐出および光照射部73からの光照射を継続させながら基材11をX方向に移動させることで平面状触媒部18がX方向に延設されていき、やがて平面状触媒部18の(+X)方向側端部がヘッド部5の直下に移動してくる。すると、ヘッド部5による棒状触媒部13の形成を開始し、図10に示すように、平面状触媒部18上に複数の棒状触媒部13をY方向に離間しながら形成する。なお、棒状触媒部13の形成は第1実施形態と同様にして行われる。これによって、図11に示すように歯付ベルト形状の触媒層12が基材11上に形成され、その内部では、第1実施形態と同様に、バインダー樹脂15によって担持触媒14が相互に結合されるとともに、流動性材料吐出および光照射を行っている間に液体成分の一部が蒸発によって数多くの空隙16が形成される(図4(b)参照)。
基材11の一方端から他方端まで平面状触媒部18の形成が完了すると、流動性材料10Aの塗布および光照射を終了させる。それに続いて、基材11の一方端から他方端まで棒状触媒部13の形成が完了すると、流動性材料10Bの塗布および光照射を終了させる。このような触媒部18、13の形成を基材11の全面に対して実行し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う。このとき、1回の動作を終えるごとに基材11の位置をY方向に所定量移動させる。こうして基材11の上面111全体に平面状触媒部18および複数の棒状触媒部13を積層してなる触媒層12が基材11の上面に形成されて触媒構造体1Bが製造される。その後、当該触媒構造体1Bを装置MCの外へ搬出し、改質装置の反応容器に収容する。
以上のように、第4実施形態では、第1実施形態ないし第3実施形態と同様の理由から、優れた触媒機能を有する触媒構造体が得られるだけでなく、互いに隣接する棒状触媒部13の間に平面状触媒部18が露出している。したがって、第1実施形態ないし第3実施形態よりも比表面積を向上させることができる。
<第5実施形態>
ところで、上記第4実施形態では、基材11の上面111に形成された平面状触媒部18の上面に棒状触媒部13を形成して触媒層12を構成しており、触媒層12では平面状触媒部18と棒状触媒部13とが一体化されている。そこで、図12に示すように、製造治具19の平面191上に平面状触媒部18と棒状触媒部13とで構成される触媒層12を形成した後で当該触媒層12を製造治具19から分離し(分離工程)、この分離体(=触媒層12)を触媒構造体1Cとしてもよい。この場合、製造治具19の平面191に対する触媒層12の剥離性が基材11の上面111のそれよりも優れている、例えば平面81の表面張力が上面111の表面張力よりも大きい材料で構成するのが望ましい。
ところで、上記第4実施形態では、基材11の上面111に形成された平面状触媒部18の上面に棒状触媒部13を形成して触媒層12を構成しており、触媒層12では平面状触媒部18と棒状触媒部13とが一体化されている。そこで、図12に示すように、製造治具19の平面191上に平面状触媒部18と棒状触媒部13とで構成される触媒層12を形成した後で当該触媒層12を製造治具19から分離し(分離工程)、この分離体(=触媒層12)を触媒構造体1Cとしてもよい。この場合、製造治具19の平面191に対する触媒層12の剥離性が基材11の上面111のそれよりも優れている、例えば平面81の表面張力が上面111の表面張力よりも大きい材料で構成するのが望ましい。
<その他>
以上説明したように、上記各実施形態においては、バインダー樹脂15やバインダー微粒子17を本発明の「バインダー」として用いているが、「バインダー」の具体例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF:PolyVinylidene DiFluoride)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR:Styrene-Butadiene Rubber)、カルボキシメチルセルロース(CMC:CarboxyMethyl Cellulose)、ナノシリカ、ナノアルミナ、ナノ酸化チタンなどを使用することができる。また、棒状触媒部13および平面状触媒部18がそれぞれ本発明の「第1形状触媒部」および「第2形状触媒部」の一例に相当している。
以上説明したように、上記各実施形態においては、バインダー樹脂15やバインダー微粒子17を本発明の「バインダー」として用いているが、「バインダー」の具体例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF:PolyVinylidene DiFluoride)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR:Styrene-Butadiene Rubber)、カルボキシメチルセルロース(CMC:CarboxyMethyl Cellulose)、ナノシリカ、ナノアルミナ、ナノ酸化チタンなどを使用することができる。また、棒状触媒部13および平面状触媒部18がそれぞれ本発明の「第1形状触媒部」および「第2形状触媒部」の一例に相当している。
また、上記実施形態において、流動性材料を調整する工程(ステップS1など)が本発明の「調製工程」の一例に相当し、ヘッド部5、7からの流動性材料の吐出によって触媒部を形成する工程(ステップS4など)が本発明の「触媒層形成工程」の一例に相当している。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記第1実施形態ないし第4実施形態にかかる触媒構造体(=基材11+触媒層12)を複数個組み合わせてもよく、例えば図13に示すように触媒構造体1Aを複数個積層させたものを触媒構造体1Dとして用いてもよい。この点に関しては、触媒構造体1A、1Bを組み合わせた場合、第5実施形態にかかる触媒構造体1C(=触媒層12)を複数個組み合わせた場合、あるいは触媒構造体1Cを触媒構造体1A(1B)と組み合わせた場合も同様である。
また、上記実施形態では、本発明の「第1形状触媒部」としてY方向幅70[μm]×Z方向高さ150[μm]の断面形状を有する棒状触媒部13を形成しているが、自立した三次元形状を有するものであればよく、例えばY方向幅30〜300[μm]、Z方向高さがY方向幅の0.2〜3[倍]程度の直方体形状に形成したもの、触媒部13を島状に形成したもの等が本発明の「第1形状触媒部」に含まれる。
また、上記実施形態では、図4、11〜13に示すように、複数の棒状触媒部13が上方からの平面視でストライプ状に設けられているが、複数の棒状触媒部13の配置形態はこれに限定されるものではなく、任意であり、例えば平面視で格子状に設けてもよい。
また、上記実施形態では、バインダーの光硬化性や熱硬化性を利用して触媒部13,18の形状維持を図っているが、流動性材料10を比較的高粘度に調製したり、液体成分としてアセトン(acetone)やアルコール類のような即乾性溶剤を用いて塗布直後の触媒部の粘度を制御することで形状維持を図ってもよい。
また、上記した第1実施形態ないし第4実施形態では、基材11の一方主面111にのみ触媒層12を形成しているが、基材11の他方主面にも触媒層を形成してもよい。
さらに、上記実施形態では、改質ガスを製造するための改質触媒として機能する触媒構造体に対して本発明を適用しているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、化学工業を用いられる触媒全般に対して本発明を適用することができる。
1A、1B、1C、1D…触媒構造体
10、10A、10B…流動性材料
11…基材
111…上面(基材11の一方主面)
12…触媒層
13…棒状触媒部(第1形状触媒部)
14…担持触媒
141…触媒担体
142…触媒粒子
15…バインダー樹脂(バインダー)
16…空隙
17…バインダー微粒子(バインダー)
18…平面状触媒部(第2形状触媒部)
19…製造治具
MA、MB、MC…触媒構造体の製造装置
X…基材移動方向
10、10A、10B…流動性材料
11…基材
111…上面(基材11の一方主面)
12…触媒層
13…棒状触媒部(第1形状触媒部)
14…担持触媒
141…触媒担体
142…触媒粒子
15…バインダー樹脂(バインダー)
16…空隙
17…バインダー微粒子(バインダー)
18…平面状触媒部(第2形状触媒部)
19…製造治具
MA、MB、MC…触媒構造体の製造装置
X…基材移動方向
Claims (17)
- 粒状の触媒担体の表面に前記触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた複数の担持触媒がバインダーによって結合された触媒層を有することを特徴とする触媒構造体。
- 請求項1に記載の触媒構造体であって、
基材を有し、
前記触媒層は前記基材に形成される触媒構造体。 - 請求項2に記載の触媒構造体であって、
前記触媒層は棒状または島状に形成される複数の第1形状触媒部を有し、
前記複数の第1形状触媒部は、前記基材の一方主面が部分的に露出するように、互いに離間して配置される触媒構造体。 - 請求項2に記載の触媒構造体であって、
前記触媒層は、棒状または島状に形成される第1形状触媒部と、平面形状に形成される第2形状触媒部とを有し、
前記第2形状触媒部は前記基材の一方主面上に形成され、前記第1形状触媒部は前記第2形状触媒部上に形成される触媒構造体。 - 請求項1に記載の触媒構造体であって、
前記触媒層は、棒状または島状に形成される第1形状触媒部と、平面形状に形成される第2形状触媒部とを有し、
前記第1形状触媒部は前記第2形状触媒部上に形成される触媒構造体。 - 請求項1ないし5のいずれか一項に記載の触媒構造体であって、
前記触媒層の内部に複数の空隙が形成される触媒構造体。 - 請求項1に記載の触媒構造体であって、
前記触媒層は、前記複数の担持触媒と、前記バインダーと、水または溶剤を含む液体とを混合して調製される流動性材料を用いて形成される触媒構造体。 - 請求項7に記載の触媒構造体であって、
基材をさらに備え、
前記触媒層は前記流動性材料を前記基材に塗布することで形成される触媒構造体。 - 請求項8に記載の触媒構造体であって、
前記触媒層は前記基材の一方主面に対して前記流動性材料を棒状または島状に塗布してなる触媒構造体。 - 請求項8に記載の触媒構造体であって、
前記触媒層は、前記基材の一方主面に対して前記流動性材料を平面状に塗布して平面状触媒部を形成するとともに前記平面状触媒部に対して前記流動性材料を棒状または島状に塗布してなる触媒構造体。 - 請求項7に記載の触媒構造体であって、
製造治具に設けられる平面に対して前記流動性材料を平面状に塗布して平面状触媒部を形成するとともに前記平面状触媒部に対して前記流動性材料を棒状または島状に塗布して形成される、前記触媒層を前記製造治具から分離してなる触媒構造体。 - 請求項7ないし11のいずれか一項に触媒構造体であって、
前記触媒層は前記液体を蒸発させることで形成される空隙を有する触媒構造体。 - 触媒層を有する触媒構造体を製造する触媒構造体の製造方法であって、
粒状の触媒担体の表面に前記触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた担持触媒と、バインダーと、水または溶剤を含む液体とを混合して流動性材料を調製する調製工程と、
前記流動性材料により前記触媒層を形成する触媒層形成工程と
を備えることを特徴とする触媒構造体の製造方法。 - 請求項13に記載の触媒構造体の製造方法であって、
前記触媒構造体は前記触媒層を支持する基材をさらに有し、
前記触媒層形成工程は、前記流動性材料を前記基材上に塗布して前記触媒層を形成する塗布工程を有する触媒構造体の製造方法。 - 請求項13に記載の触媒構造体の製造方法であって、
前記触媒層形成工程は、製造治具に設けられる平面に対して前記流動性材料を平面状に塗布して平面部を形成するとともに前記平面部に対して前記流動性材料を棒状または島状に塗布して前記触媒層を形成する塗布工程と、前記塗布工程後に前記触媒層を前記製造治具から分離させる分離工程とを有する触媒構造体の製造方法。 - 請求項14または15に記載の触媒構造体の製造方法であって、
前記触媒層形成工程は、前記塗布工程後に前記液体を蒸発させて前記触媒層に空隙を設ける蒸発工程をさらに有する触媒構造体の製造方法。 - 触媒層を有する触媒構造体を製造する触媒構造体の製造装置であって、
粒状の触媒担体の表面に前記触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた担持触媒と、バインダーと、水または溶剤を含む液体である流動性材料を吐出する吐出ノズル部と、
前記吐出ノズル部に対して基材または製造治具を相対的に移動させる移動機構と、
を備え、
前記移動機構により前記吐出ノズル部に対して前記基材または前記製造治具を相対移動させつつ、前記基材の主面または前記製造治具の平面上に向けて前記吐出ノズル部から前記流動性材料を吐出して、前記基材の前記主面または前記製造治具の前記平面上に前記流動性材料を塗布することを特徴とする触媒構造体の製造装置。
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