JP2017503652A - 過酸化水素の直接合成用の触媒 - Google Patents

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Abstract

本発明は、白金族金属(10族)を担体上に含む触媒であって、前記担体がシリカコアと、前記コア上の金属酸化物、硫酸塩またはリン酸塩の沈澱物層とを含み;前記担体が、少なくとも沈澱物の表面上に、W、Mo、TaおよびNbから選ばれる金属からの酸化物の分散系を有し、前記分散系中の金属が、沈澱物中の金属とは異なる触媒を提供する。本発明はまた、反応器中、本発明による触媒の存在下で水素と酸素とを反応させるステップを含む、過酸化水素の製造方法に関する。【選択図】なし

Description

本出願は、2014年1月24日出願の欧州出願EP14152454.6号に対する優先権を主張するものであり、この出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に援用される。
本発明は、過酸化水素の直接合成用の触媒に、および本発明による触媒の存在下で水素と酸素とを反応させるステップを含む、過酸化水素の製造方法に関する。
過酸化水素は、織物業または製紙業における漂白剤、化学工業における消毒剤および基礎製品として、ならびに過酸化物化合物生成反応(過ホウ酸ナトリウム、過炭酸ナトリウム、金属過酸化物または過カルボキシル酸)、酸化(アミンオキシドの製造)、エポキシ化およびヒドロキシル化(可塑剤および安定化剤の製造)において広く使用される非常に重要な商品である。
商業的には、過酸化水素を製造するための最も一般的な方法は「アントラキノン」法である。この方法では、水素と酸素とが、有機溶媒中のアルキル化アントラキノンの交互の酸化および還元によって反応して過酸化水素を形成する。この方法の重大な欠点は、費用がかかり、そしてプロセスから除去しなければならないかなりの量の副生成物を生成することである。
アントラキノン法の非常に魅力的な一代替法は、触媒担体としてのシリカなどの種々の酸化物上に担持された金属触媒の存在下で水素と酸素とを反応させることによる直接過酸化水素の製造である。
しかし、これらの方法では、担体としてのシリカをベースとする触媒が過酸化水素の直接合成のために使用される場合、反応生成物、すなわち、過酸化水素は、副生成物としての水の生成が、非常に多く、ある時間後には過酸化水素の生成よりも多いことさえあるので、効率的に製造されなかった。
これらの欠点を避けるために、他の担体をベースとする代替方法が開発されたが、それらは一般に、触媒が脆く、そしてかなりの摩滅を示すので、この触媒の非常に不十分な機械的挙動に悩まされる。そのような担体の例は、Zr、NbおよびTa酸化物のような金属酸化物;ならびにBaSO4のようなアルカリ土類金属の硫酸塩およびリン酸塩である。
それ故、金属酸化物、硫酸塩およびリン酸塩が、パラジウムを一般に含む活性金属用の担体を形成するためにシリカ上に担持された(沈澱させられた)混合触媒が開発された:たとえば、すべて本出願人名義の国際公開第2013/068243号パンフレット(シリカ上のZr酸化物)、国際公開第2013/068340号パンフレット(シリカ上のNbおよびTa酸化物)ならびに同時係属出願PCT/EP2013/072020号明細書(シリカ上のアルカリ土類金属の硫酸塩およびリン酸塩)を参照されたい。
すべてのこれらの触媒は、高い選択性および良好な機械抵抗を有するが、しかし、おそらく、活性金属が同時に浸出し、そして触媒の表面で凝集体を作るので、それらの選択性は経時的に低下することが分かった。
米国特許第6,346,228号明細書は、触媒多孔性固体の表面上にMO(式中、Mは、S、Mo、W、Ce、Sn、Pまたはそれらの混合物から選択される元素である)を堆積させることからなる第1ステップを含む方法によって得ることができるPd含有酸性触媒上に堆積させられた疎水性ポリマー膜を含む多成分触媒を記載している。一例では、61%の選択性を3時間反応後に得ることができた。この文献は、長期選択性については無言である。
それ故、経時的に安定である高い選択性を有する、過酸化水素の直接合成用の触媒を提供することが本発明の目的である。
この目的は、担体の表面上に、金属酸化物、硫酸塩またはリン酸塩沈澱物に加えて、W、Mo、TaおよびNbから選ばれる、そして沈澱物中の金属とは異なる別の金属からの酸化物を置くという事実のため到達することができた。
それ故、本発明は、白金族金属(10族)を担体上に含む触媒であって、前記担体が、シリカコアと、前記コア上の金属酸化物、硫酸塩またはリン酸塩を含む沈澱物層とを含み;前記担体が、少なくとも沈澱物の表面上に、W、Mo、TaおよびNbから選ばれる金属からの酸化物の分散系を有し、前記分散系中の金属が、沈澱物中の金属とは異なる触媒に関する。
表現「担体」は本明細書では、それに触媒金属が装着されている、材料、通常、高い表面積を持った固体を意味することを意図する。
本発明によれば、この担体は、シリカコアとその上の沈澱物層とを含む。そのような構造において、触媒金属は、実際には沈澱物層上に堆積させられており、シリカは、後者のための機械的支持体として働くにすぎない。シリカは、シリカゲルのように本質的に非晶質であり得るし、または、たとえば、MCM−41、MCM−48およびSBA−15などのタイプのものなどの、メソ細孔の規則的構造からなり得る。良好な結果は、シリカゲルで得られた。
一般に、前記支持体は、少なくとも100m2/gの、好ましくは少なくとも200m2/gのBET面積を有する。一般に、前記支持体は、5nm超、しかし50nm未満の、好ましくは10nmの範囲の孔径を有する。それはまた一般に、0.1ml/分超、しかし5ml/分未満、好ましくは1ml/gの範囲の全細孔容積を有する。
本発明の特異的な実施形態においては、シリカの量は、担体の総重量を基準として、30〜99重量%、より好ましくは50〜98重量%、最も好ましくは70〜95重量%である。それ故に、この実施形態においては、沈澱物の量は一般に、担体の総重量を基準として、1〜70重量%、より好ましくは2〜50重量%、最も好ましくは5〜30重量%である。実際には、担体の総重量を基準として、1〜15重量%、より好ましくは2〜10重量%、最も好ましくは3〜8重量%の沈澱物の量が、良好な結果を与える。
一般に、シリカコアは、50μm〜5mm、好ましくは100μm〜4mm、さらにより好ましくは、150μm〜3mmの範囲の平均直径を有する粒子を含む。実際には、良好な結果は、数百μmの範囲の平均粒径で得られる。この粒径は、液体中の懸濁状態での粒子に関するレーザー回折測定、より具体的には、入射光について750nmの波長をベースとするレーザーCoulter LS230装置を用いる測定に基づく。サイズ分布は、容積での%単位で計算される。
本発明によれば、シリカコアは、その上に金属酸化物、硫酸塩またはリン酸塩を含む(好ましくはそれらから実質的にできている)沈澱物を有する。金属酸化物は好ましくは、Zr、NbおよびTa酸化物から選ばれる(その内容が本出願に参照により援用される、上述の出願国際公開第2013/068243号パンフレットおよび国際公開第2013/068340号パンフレットにおけるように)。金属硫酸塩またはリン酸塩は好ましくは、リン酸塩のアルカリ土類金属硫酸塩、より好ましくはBaSO4である(その内容が本出願に参照によりまた援用される、上述の出願PCT/EP2013/072020号明細書におけるように)。
ZrO2を含む沈澱物層は、本発明において良好な結果を与える。
シリカコア上へのZrO2の沈澱は、当技術分野で公知の様々な技術によって成し遂げられ得る。そのような一方法は、シリカにジルコニウム酸化物の前駆体、たとえばZrOClを含浸させ、任意選択的に引き続き乾燥させることを含む。ジルコニウム酸化物前駆体には、任意の好適な水酸化ジルコニウム、ジルコニウムアルコキシド、またはオキシハロゲン化ジルコニウム(ZrOClなどの)が含まれ得る。
好ましい実施形態においては、ジルコニウム酸化物の前駆体は、ジルコニウムのオキシハロゲン化物であり、好ましくはオキシ塩化ジルコニウムである。前駆体は、たとえば加水分解後に引き続く熱処理によって、ジルコニウム酸化物に変換され、ジルコニウム酸化物はシリカコア上へ沈澱して担体を生成する。
本発明の沈澱物は、シリカコア上に連続層または非連続であり得る。一般に、コアがそれからできているシリカ粒子の一部は、沈澱物によって覆われる。前記沈澱物は一般にまた、10nmの範囲の平均粒径を一般に有する、一般に実質的に球状の、粒子を含む。
本発明者らは意外にも、その表面上に沈澱物を既に有する担体の少なくとも表面上に、W、Mo、TaおよびNbから選ばれる金属の酸化物を分散させることによって、上の担体で得ることができる高い生産性および選択性を両方とも一定に維持できることを発見した。理論に制約されることなく、これは、高い原子番号を有する、これらの金属が、担体上に担持されているPd原子のためのスペーサーとして働き、そうすることによって、反応中にPd凝集体の上述の形成を防ぐためであるかもしれない。Wがその関連で良好な結果を与える。
もちろん、沈澱物上でスペーサーとして働くことができるためには、前記沈澱物中の金属は、分散系のものとは異なるべきである。また、担体中の後者の(すなわち、分散系の金属の)量(担体の総重量に対する純金属の重量で表される)は、低い、典型的には1000ppmよりも下、好ましくは500ppmよりも下、さらにより好ましくは200ppmよりも下であるべきである。その量は好ましくは、10ppmよりも上、より好ましくは20ppmよりも上、さらにより好ましくは30ppmよりも上である。10〜200ppmの間、好ましくは15〜150の間、より好ましくは20〜100ppの間の値が、実際には良好な結果を与える。
最後に、前記分散系が担体の表面上に少なくとも存在することが重要であり、それは、分散系がまた担体中の深みに存在しても、さらに、全体沈澱物に分散していてもよいことを排除しない。しかし、それは好ましくは実質的に、沈澱物の表面上にある。
「少なくとも表面での分散系」とは、実際に、W、Mo、TaまたはNb酸化物粒子/凝集体が、その沈澱物層上で、担体の表面で存在することを意味する。これらの粒子/凝集体は一般に、ほんの少しの金属酸化物分子からなる。それらは一般に、オングストロームの範囲にある。加えて、分析後に、沈澱物層が連続的でない場合、実際には、前記沈澱物がW、Mo、TaまたはNb酸化物で「ドープされて」いると見なされ得るように前記分子は沈澱物上に主として位置しているように思われた。
好ましくは、分散系(好ましくはWの)は、担体上に金属前駆体(たとえば、アルコール溶液中の、Wエトキシド、またはW(VI)塩化物、W(VI)二塩化物二酸化物、W(VI)フッ化物、W(VI)オキシ塩化物、W(VI)オキシ臭化物のようなW塩のような)を沈澱させることによって得られる。分散系を得るための他の方法は、グラフト化、含浸に引き続く加水分解、含浸に引き続くか焼、乾式混合、共沈澱である。
本発明の触媒は、10族(白金族)からの金属、好ましくはPtまたはPd、より好ましくは唯一の触媒金属としてかまたはPtおよび/もしくはAuとの組み合わせで使用されてもよいPdを含む。
担体に担持される10族の金属の量は、広範囲に変動することができるが、それぞれ担体の重量を基準として、好ましくは0.001〜10重量%、より好ましくは0.1〜5重量%、最も好ましくは0.5〜3重量%に含まれる。担体への10族の金属の添加は、担持金属触媒の公知の調製技術、たとえば含浸、吸着、イオン交換などのいずれかを用いて行うことができる。含浸については、金属に加えて使用される溶媒に可溶である含浸されるべきいかなる種類の無機もしくは有機塩または金属も使用することが可能である。好適な塩は、たとえば塩化物などのハロゲン化物、酢酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩などである。
白金族金属は、当技術分野で公知の様々な方法によって堆積させ得る。たとえば、金属は、担体を金属のハロゲン化物の溶液に浸漬し、引き続き還元することによって堆積させることができる。より特異的な実施形態においては、還元は還元剤、好ましくは高温でのガス状水素の存在下で実施される。
本発明による触媒は、BET法によって測定される大きい、一般に20m/g超、好ましくは100m/g超の比表面積を有する。
本発明の第2態様においては、本発明はまた、直接合成による過酸化水素の製造における本発明による触媒の使用を指向する。本発明の方法においては、水素と(精製酸素または空気としての)酸素とは、過酸化水素の液体溶液を生成するために反応器中で液体溶媒の存在下に触媒上で連続的に反応させられる。触媒は次に、三相系において過酸化水素の直接合成のために使用される:触媒(固体)が溶媒(アルコールまたは水)に入れられ、ガス(H、Oおよび不活性ガス)が安定化添加剤(ハロゲン化物および/または無機酸)の存在下で懸濁液中にバブリングされる。これらの方法においては、HおよびBrイオンが一般に、過酸化水素の高い濃度を得るために反応媒体中に必要とされる。これらのイオンは、硫酸、リン酸、塩酸または硝酸などの、強酸と無機臭化物とから得られる。
他の実施形態においては、本発明の触媒はまた、アントラキノン法による過酸化水素の合成のためにも使用され得る。
本発明の第3態様においては、反応器中、本発明による触媒の存在下で水素と酸素とを反応させるステップを含む、過酸化水素の製造方法が提供される。本発明の方法は、たとえば、懸濁状態での触媒粒子を使った攪拌タンク反応器で、固定床反応器で、バスケット型攪拌タンク反応器でなど、従来法によって、連続的、半連続的または非連続的なモードで実施することができる。反応が所望の転化レベルに到達した時点で、触媒は、たとえば、懸濁状態での触媒が使用される場合には濾過によってなどの、種々の公知の方法によって分離することができ、それは、その後の再利用の可能性が与える。この場合に、使用される触媒の量は、溶媒に関して濃度0.01〜10重量%、好ましくは0.1〜5重量%である濃度を得るのに必要な量である。本発明によれば得られる過酸化水素の濃度は一般に、5重量%超、好ましくは7重量%超である。
本説明および特許請求の範囲の全体にわたって、単語「含む」およびその変形は、他の技術的特徴、添加剤、成分またはステップを排除することを意図しない。この分野の専門家のために、本発明の他の目的、利点および特徴は、ある程度は本説明からおよびある程度は本発明の実施形態から推測されるであろう。以下の実施例は、例示を目的として提供され、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
実施例1.触媒合成
A.1リットルのビーカーに、400ccの脱塩水を入れ、pH約8.5に達するように2滴の25重量%のNH4OHを加えた。シリカ(50.42gのSilica Yongji−平均粒径153ミクロン)を導入し、機械的に攪拌した(約250rpm)。懸濁液を50℃で加熱した。温度が安定したとき、pHを、8.3〜8.5に達するように調整した。
14.75gのZrOCl2を26.83gの脱塩水に室温で溶解させた。ZrOCl2の溶液を、シリングポンプで懸濁液にゆっくり入れた(溶液をすべて±30分で入れた)。同時に、pHを、25重量%のNH4OHの数滴を加えることによって8.3〜8.5の間に維持した。
懸濁液を次に1時間50℃で撹拌下に維持した。
それを次に、攪拌なしに20分間室温で放置した。
懸濁液を濾過し、固体を500ccの脱塩水で洗浄した。
固体を95℃で24時間乾燥させ、3時間600℃でか焼した。
この担体を担体A−1と名付けた。
B.24.80gのこの担体A−1を、窒素入口および機械撹拌機を備えた1Lのガラス反応器に入れた。
600mlの乾燥ヘキサンを、すべての触媒中のWエトキシドの分散を助けるために、そしてエトキシドが、担体に均一に分散してしまう前にそれが加水分解することを回避するために固体に加えた。懸濁液を、窒素のわずかな流れ(ml/分の範囲の)下に、室温で250rpmで攪拌した。
0.15gのWエトキシド(W(OCH2−CH3)3)、エタノール中5重量%を懸濁液に加えた。懸濁液を、3時間攪拌下にそのままにした。ヘキサンを減圧下で蒸発させた(rotavapor)。
250mlの脱塩水を固体に加えた。
60mlの0.5Mの硝酸を(シリンジポンプで)懸濁液にゆっくり加えた。懸濁液を室温で一晩熟成させた。
固体を減圧下で乾燥させ(rotavaporで);それを脱塩水で洗浄し、一晩95℃で乾燥させ、3時間600℃でか焼した。
この担体を担体A−2と名付けた。
C.10.5gのこの担体A−2に、水中のPdCl2の溶液(数滴(5〜10滴)のHCl−37重量%の存在下で11mlの脱塩水に60℃で溶解させた0.31gのPdCl2を含浸させた。固体を一晩95℃で乾燥させ、5時間150℃で水素効果下に還元した。
この触媒を触媒A−2と名付けた。
そのPd含有量は1.55重量%であるとICP−OES(誘導結合プラズマ原子発光分光法)によって測定された。
そのW含有量は、担体上で約76ppmの含有量に相当する、75ppmであるとしてICP−OESによって測定された。
そのZr含有量は、担体上で約3.76重量%の含有量に相当する、3.70重量%であるとしてICP−OESによって測定された。
実施例2.触媒合成
実施例1におけるものと同じレシピを用いた:
A.水=400cc
SiO2=52.08g
ZrOCl2=14.80g
水=26.99g
第1担体を担体B−1と名付けた。
B.担体B−1=25.39g
ヘキサン=600ml
EtOH溶液中のWエトキシド=0.04g
第2担体を担体B−2と名付けた。
C.担体B−2=10g
PdCl2=0.3080g
水=14.7ml
この触媒を触媒B−2と名付けた。
ICP−OESによるそのPd含有量は、1.10重量%であった。
ICP−OESによるそのW含有量は、担体上で約30.3ppmの含有量に相当する、30ppmであった。
ICP−OESによるそのZr含有量は、担体上で約3.64重量%の含有量に相当する、3.60重量%であった。
SEM分析を触媒B−2に関して行った。球状粒子は、120〜190ミクロンの平均サイズを有する。粒子の表面は、粗く、堆積物で覆われている。この堆積物は、数十ナノメートルのより細かい粒子でできている。
EDXスペクトルおよび地図作成を、この試料に関して行った。堆積物域は、Zrが豊富であり、(ジルコニアの周知の不純物である)WおよびHfがより少ない割合で豊富である。
これらの分析の条件は、下記であった:
触媒粒子を両面接着カーボンタブ上に固定し、電子電荷除去のために薄いカーボン層でコートした(カーボンコーター SPI Supplies)。分析は、INCA 350 オックスフォード・インストゥルメンツ(Oxford Instruments)エネルギー分散型X線(Energy Dispersive X−ray)微量分析(EDX)システムを備えた、Zeiss Supra 55電界放射銃走査電子顕微鏡(FEG−SEM)で行った。
画像は、二次電子モード(「SE2」、主としてトポグラフィーによるコントラスト)で3kVの加速電圧で、および後方散乱電子モード(「AsB」、主として原子番号によるコントラスト)で20kVの加速電圧で記録した。
粒子のおよび特異的な粒子の収集物の広域X線微量分析ならびに、異なる倍率でのC、O、Si、Zr、Pd、Cl、Ca、HfおよびW元素のX線マッピングは、20kVで行った。EDXスペクトルおよびX線マッピングに関連した画像は、後方散乱電子モード(「BSE」、主として原子番号によるコントラスト)で記録した。
実施例3.触媒合成(反例)
担体A−1をベースとする触媒を、初期湿潤法(インシピエントウェットネス法)によって調製した:0.6742gのPdCl2を、数滴(5〜10滴)のHCl、37重量%の存在下で20gの脱塩水に希釈した(50℃での溶解)。この溶液を、20gの担体A−1と接触させた。得られた触媒を95℃で一晩乾燥させた。
そのPdを、5時間150℃で水素の影響下で還元した。
そのPd含有量は、ICP−OESによって測定され、1.80重量%であった。
この触媒を触媒A−1と名付けた。
実施例4.過酸化水素の直接合成
HC−22/250cc反応器に、メタノール、臭化水素、オルト−リン酸(H3PO4)および触媒を、下の表に示される量で、導入した。
反応器を5℃に冷却し、作動圧力を(窒素の導入によって得られる)50バールに設定した。
反応器を、ガスの混合物:水素(3.6%モル)/酸素(55.0%モル)/窒素(41.4%モル)で反応時間の間ずっとフラッシュした。全流量は、2708mlN/分であった。
反応器から出てくる気相の組成が安定したとき(それは、オンラインGC(ガスクロマトグラフィー)によってチェックした)、機械撹拌機を1200rpmでスタートさせた。オンラインGCは、反応器から外に出てくる気相の組成を確認するために10分毎に行った。
得られた結果を下の表1および2に示す。
参照により本明細書に援用される特許、特許出願、および刊行物のいずれかの開示が用語を不明瞭にさせ得る程度まで本出願の記載と矛盾する場合、本記載が優先するものとする。

Claims (15)

  1. 白金族金属(10族)を担体上に含む触媒であって、前記担体がシリカコアと、前記コア上の金属酸化物、硫酸塩またはリン酸塩の沈澱物層とを含み;前記担体が、少なくとも沈澱物の表面上に、W、Mo、TaおよびNbから選ばれる金属からの酸化物の分散系を有し、前記分散系中の金属が、沈澱物中の金属とは異なる触媒。
  2. 前記シリカコアが、数百μmの範囲の平均粒径を有する粒子を含む、請求項1に記載の触媒。
  3. 前記沈澱物層がZrO2を含む、請求項1または2に記載の触媒。
  4. 前記シリカコアがシリカ粒子を含み、前記シリカ粒子の一部のみが、前記沈澱物で覆われている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の触媒。
  5. 前記沈澱物が、一般に実質的に球状の、一般に10nmの範囲の平均粒径を有する、粒子を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の触媒。
  6. 前記沈澱物上に分散した前記金属酸化物がW酸化物である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の触媒。
  7. 前記沈澱物中の前記金属が、1000ppmよりも下の、前記担体の総重量に対する純金属の重量で表される、量で存在する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の触媒。
  8. 前記沈澱物中の前記金属が、10ppmよりも上の、前記担体の総重量に対する純金属の重量で表される、量で存在する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の触媒。
  9. 前記沈澱物中の前記金属が、40〜90ppmの、前記担体の総重量に対する純金属の重量で表される、量で存在する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の触媒。
  10. W、Mo、TaまたはNb酸化物の前記分散系が、ほんの数分子からなる粒子/凝集体を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の触媒。
  11. 沈澱物層が連続的ではなく、沈澱物がW、Mo、TaまたはNb酸化物でドープされるように前記分子が前記沈澱物上へ主に置かれている、請求項10に記載の触媒。
  12. 前記白金族金属(10族)が、PtまたはPd、より好ましくは、唯一の触媒金属としてかまたはPtおよび/もしくはAuと組み合わせて使用されてもよいPdを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の触媒。
  13. 過酸化水素の製造における請求項1〜12のいずれか一項に記載の触媒の使用。
  14. 過酸化水素の製造が直接合成による、請求項13に記載の使用。
  15. 過酸化水素の前記製造が、反応器中、請求項1〜12のいずれか一項に記載の触媒の存在下で水素と酸素とを反応させるステップを含む、請求項14に記載の使用。
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