JP5311709B2 - 合金担持物及びその製造方法と、該合金担持物を含む酸化触媒及び酸化的付加生成物の製造方法 - Google Patents
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Description
第一金属群:周期表第8族〜第11族の金属
第二金属群:周期表第14族〜第16族の半金属
<A値の測定方法>
(1) 合金担持物試料より無作為に適量を選び、粉砕する。その粉末を完全に揮発させることが可能で、かつ試料の微細構造と組成に変化を起こすことのない分散媒中に分散させる。その分散液を、透過型電子顕微鏡用のカーボン膜を貼ったグリッド、或いは微細な穴の開いたカーボン膜を貼ったグリッド上に滴下する。その後、分散媒を完全に揮発させて測定用試料とする。
(2) 次に、TEM−EDXを用い、前述の測定用試料を透過型電子顕微鏡で観察したTEM像の中から、当該担体上に担持された合金粒子1粒にのみ、選択的に電子線を照射し、照射領域から発生した元素特有の特性X線をエネルギー分散型X線分光器で、スペクトルとして検出する。検出されたスペクトルから、連続X線成分等(バックグランド)の除去処理を行った後にピーク分割を行い、合金成分の各元素の特性X線の強度を抽出する。各強度値から、理論に基づく相対感度係数を用いて、薄膜近似法により、合金粒子1粒における合金元素の組成比Bを下記式により求める。
B=(第二の金属の存在量)/(第一の金属の存在量)
(3) このようにして、TEM像の任意の視野において、500nm四方の領域内に存在する任意の合金粒子3粒(No.1,2,3)について同様に測定を行い、各合金粒子の組成比B(B 1 ,B 2 ,B 3 )を求めた後、この組成比B 1 〜B 3 の平均値に対する比D 1 〜D 3 を次のようにして求め、この比から以下の式によりA値を求める。
Bi=(第二の金属の存在量)/(第一の金属の存在量)
(i=測定された合金粒子のNo.)
C=測定された合金粒子3粒のB値の平均
Di=Bi/C
(i=測定された合金粒子のNo.)
まず、本発明の合金担持物について詳細に説明する。
(1)合金粒子間の組成のばらつき
本発明の合金担持物は、2種以上の金属よりなる合金粒子が担体に担持されてなる合金担持体であって、TEM−EDX(エネルギー分散型X線分光器を装備した透過型電子顕微鏡)によって各担持合金粒子の構成金属比率を測定して求められた組成比のばらつきを示すA値が0.12以下であるものである。好ましくはこのA値は0.10以下、より好ましくは0.05以下である。
(1) 合金担持物試料より無作為に適量を選び、粉砕する。その粉末を完全に揮発させることが可能で、かつ試料の微細構造と組成に変化を起こすことのない分散媒中に分散させる。その分散液を、透過型電子顕微鏡用のカーボン膜を貼ったグリッド、或いは微細な穴の開いたカーボン膜を貼ったグリッド上に滴下する。その後、分散媒を完全に揮発させて測定用試料とする。
B=(第二の金属の存在量)/(第一の金属の存在量)
Bi=(第二の金属の存在量)/(第一の金属の存在量)
(i=測定された合金粒子のNo.)
C=測定された合金粒子3粒のB値の平均
Di=Bi/C
(i=測定された合金粒子のNo.)
本発明の合金担持物において、担体に担持された合金粒子の最大径は通常1〜100nmである。
担体に担持された合金は、好ましくは以下の第一金属群及び第二金属群のそれぞれから選ばれた少なくとも一種類以上の金属を含む。
中でも、周期表第9族〜第11族金属元素が好ましく、第10族及び第11族金属元素がより好ましい。これらの族の中でも、第5周期及び第6周期の金属元素が好ましく、第5周期金属元素が特に好ましい。
中でも、周期表第15族及び第16族金属元素が好ましく、第16族金属元素がより好ましい。これらの族の中でも、第5周期金属元素が好ましい。
担体に担持される合金の量は特に限定されるものではないが、通常、担体に対して合金重量が、0.005重量%以上、好ましくは0.01重量%以上、より好ましくは0.1重量%以上、更に好ましくは0.5重量%以上であって、通常30重量%以下、好ましくは20重量%以下、より好ましくは10重量%以下、更に好ましくは5重量%以下である。
(1)種類(材質)
本発明で使用される担体の種類としては、後述の如く、合金を担持するために含浸用溶液を含浸させた際に、担体表面官能基等へ金属錯体が吸着しないものが良い。即ち、担体に金属錯体が吸着すると、その還元挙動は未吸着の金属錯体とは異なってしまい、その結果担持される合金の均質性が低下するので好ましくない。
本発明で使用される担体の形状は特に限定されるものではなく、粉末状、破砕状、粒子状、柱状等の任意の形状を用いることができる。
本発明の合金担持物を酸化触媒として酸化的付加反応等に用いる場合、工業的には固定床や移動床反応形式が採用される。
本発明で使用される担体は、通常細孔を有する多孔質体である。
担体の細孔容積については特に限定されるものではないが、合金担持量を多くしたい場合にはその細孔容積は大きい方が有利であり、通常、細孔容積0.5ml/g以上の担体が使用され、0.8ml/g以上の担体がより好ましい。
担体の比表面積は、上記細孔の条件によって決定される。
以下に上述のような本発明の合金担持物を製造するための本発明の合金担持物の製造方法について詳細に説明する。
(1)金属化合物
本発明に係る合金は2種以上の金属原子を含むものである。該金属原子の種類は特に限定されないが、好ましくは前述の第一金属群及び第二金属群のそれぞれから選ばれた少なくとも一種類以上の金属を、前述の好適な組み合わせ例で含む。
本発明において錯化剤は極めて重要な因子である。特に、第一金属群の金属の錯化剤の選定にあたり、金属に対して適切な強度で配位する錯化剤を選定することが重要である。具体的には金属に対して錯生成定数が5〜45であるものが好ましい。
第一金属群の金属に適した錯化剤としては次のようなものが挙げられる。
D−2−アミノ−3−メルカプト−3−メチルブタン酸(ペニシルアミン,C5H11O2NS),
イミノ二酢酸(IDA,C4H7O4N),
N−(シクロヘキシル)イミノ二酢酸(C10H17O4N),
ニトリロ三酢酸(NTA,C6H9O6N),
N−(2−テトラヒドロピラニルメチル)イミノ二酢酸(C10H17O5N),
N−(2−ヒドロキシエチル)エチレンジニトリロ−N,N’,N’−三酢酸(HEDTA,C10H18O7N2),
エチレンジニトリロ四酢酸(EDTA,C10H16O8N2),
DL−(メチルエチレン)ジニトリロ四酢酸(PDTA,C11H18O8N2),
trans−1,2−シクロヘキシレンジニトリロ四酢酸(CDTA,C14H22O8N2),
エチレンビス(オキシエチレンニトリロ)四酢酸(EGTA,C14H24O10N2),
ジエチレントリニトリロ四酢酸(DTPA,C14H23O10N3),
トリエチレンテトラニトリロ六酢酸(TTHA,C18H30O12N4),
6−メチルピリジン−2−カルボン酸(C7H7O2N),
N−(2−ピリジルメチル)イミノ二酢酸(C10H12O4N2),
メチルチオ酢酸(C3H6O2S),
エチルチオ酢酸(C4H8O2S),
置換チオ酢酸(Z−SCH2CO2H,Z=プロピル,ブチル,1−メチルプロピル,ペンチル,へキシル,2−プロペニル,3−ブテニル,4−ペンテニル,ベンジル),
アルキルセレノ酢酸(R−SeCH2CO2H,R=ブチル,3−ブテニル,4−ペンテニル),
DL−メルカプトブタン二酸(チオマリック酸,C4H6O4S),
(エチレンジチオ)二酢酸(C6H10O4S2),
オキシビス(エチレンチオ酢酸)(C8H14O5S2),
チオビス(エチレンチオ酢酸)(C8H14O4S3),
3,3’−セレノ二プロパン酸(C6H10O4Se),
カルボキシメチルチオブタン二酸(C6H8O6S),
2,4−ペンタジオン(アセチルアセトン)(C5H8O2),
2,2−ビス(ヒドロキシメチル)−3−メルカプトプロパノール(モノチオペンタエリスリトール,C5H12O3S),
3−(ジフェニルホスフィノ)ベンゼンスルホン酸(3−スルホトリフェニルホスフィン,C18H15O3SP),
3−スルホトリフェニルホスフィン(C18H15O3SP),
ブタン−2,3−ジオンジオキシム(ジメチルグリオキシム,C4H8O2N2),
1,2−ジフェニルエタン−1,2−ジオンジオキシム(α−ベンジルジオキシム,C14H12O2N2),
チオカルボアミド(チオウレア,CH4N2S),
モノチオオキシアミド(C2H4ON2S),
N,N’−ビス(2−ヒドロキシエチル)モノチオオキシアミド(C6H12O3N2S),
N,N’−ビス(3−ヒドロキシプロピル)モノチオオキシアミド(C8H16O3N2S),
N,N’−ビス(4−ヒドロキシブチル)モノチオオキシアミド(C10H20O3N2S),
N,N’−ビス(5−ヒドロキシペンチル)モノチオオキシアミド(C12H24O3N2S),
N,N’−ビス(2−スルホエチル)ジチオオキシアミド(C6H12O6N2S4),
メチルアミン(CH5N),
エチルアミン(C2H7N),
プロピルアミン(C3H9N),
ブチルアミン(C4H11N),
ペンチルアミン(C5H13N),
ヘキシルアミン(C6H15N),
イソブチルアミン(C4H11N),
2−アミノエタノール(エタノールアミン,C2H7ON),
エチレンジアミン(en,C2H8N2),
トリメチレンジアミン(C3H10N2),
テトラエチレンジアミン(C4H12N2),
ペンタメチレンジアミン(C5H14N2),
1,3−ジアミノ−2−プロパノール(2−ヒドロキシトリチメレンジアミン,C3H10ON2),
オキシビス(2−エチルアミン)(1,7−ジアザ−4−オキサヘプタン,C4H12ON2),
エチレンビス(オキシ−2−エチルアミン)(1,10−ジアザ−4,7−ジオキサデカン,C6H16O2N2),
チオビス(2−エチルアミン)(1,7−ジアザ−4−チアヘプタン,C4H12N2S),
1,2,3−トリアミノプロパン(C3H11N3),
トリス(アミノメチル)メタン(C4H13N3),
ジメチルアミン(C2H7N),
1,4,7−トリアザヘプタン(dien,C4H13N3),
1,3−ジヒドロキシ−4−(2−ピリジルアゾ)ベンゼン(PAR,C11H9O2N3),
ヒドロキシイオン(OH−),
アンモニア(NH3),
亜硝酸(HNO2),
塩化物イオン(Cl−)
オキシビス(エチレンチオ酢酸)(C8H14O5S2),
2,4−ペンタジオン(アセチルアセトン,C5H8O2),
N−(2−ヒドロキシエチル)エチレンジニトリロ−N,N’,N’−三酢酸(HEDTA,C10H18O7N2),
エチレンジニトリロ四酢酸(EDTA,C10H16O8N2),
3−(ジフェニルホスフィノ)ベンゼンスルホン酸(3−スルホトリフェニルホスフィン,C18H15O3SP),
ブタン−2,3−ジオンジオキシム(ジメチルグリオキシム,C4H8O2N2),
チオカルボアミド(チオウレア,CH4N2S),
モノチオオキシアミド(C2H4ON2S),
エチレンジアミン(en,C2H8N2),
アンモニア(NH3),
塩化物イオン(Cl−)
が、周期表第8族〜第11族金属原子への錯化剤として適した錯生成定数を持ち、更にその中でもエチレンジニトリロ四酢酸(EDTA,C10H16O8N2)が最適であると考えられる。
第二金属群の金属の錯化剤としては、カルボキシル基と水酸基を持ち水に可溶な錯化剤、即ちクエン酸、マロン酸、リンゴ酸、コハク酸、酒石酸、マレイン酸、フタル酸、酸性アミノ酸、中性アミノ酸、塩基性アミノ酸等が挙げられる。中でもクエン酸、酒石酸、リンゴ酸が効果を示すと推察され、さらにその中でもクエン酸が最も効果を示す。
錯化剤の組み合わせは、具体的には、第一金属群の金属の錯化剤が
オキシビス(エチレンチオ酢酸)(C8H14O5S2),
2,4−ペンタジオン(アセチルアセトン,C5H8O2),
N−(2−ヒドロキシエチル)エチレンジニトリロ−N,N’,N’−三酢酸(HEDTA,C10H18O7N2),
エチレンジニトリロ四酢酸(EDTA,C10H16O8N2),
3−(ジフェニルホスフィノ)ベンゼンスルホン酸(3−スルホトリフェニルホスフィン,C18H15O3SP),
ブタン−2,3−ジオンジオキシム(ジメチルグリオキシム,C4H8O2N2),
チオカルボアミド(チオウレア,CH4N2S),
モノチオオキシアミド(C2H4ON2S),
エチレンジアミン(en,C2H8N2),
アンモニア(NH3),
塩化物イオン(Cl−)
であって、第二金属群の金属の錯化剤がクエン酸、酒石酸、リンゴ酸であるのが好ましく、中でも第一金属群の金属の錯化剤がEDTAであって、第二金属群の金属の錯化剤がクエン酸であるのがより好ましい。
本発明で使用される還元剤は、以下の(i)〜(iv)の条件を満たすものが好ましい。
(i)合金の原料である金属錯体溶液と均一に混合できる溶媒に可溶である。
(ii)金属錯体溶液と混合した際に還元反応が進行しない。
(iii)金属塩が析出しない条件で混合できる。
(iv)その後の還元工程で溶液中において均一に還元反応が進行する。
含浸用溶液は、2種以上の金属化合物及び錯化剤を含む溶液(以下「金属錯体溶液」と称す場合がある。)と、還元剤溶液とを、金属が析出しない温度で混合して調製し、この含浸用溶液を担体に含浸させ、その後該溶液の温度を上げて還元することが好ましい。
混合手順としては、通常、各金属化合物毎に、金属化合物と該金属化合物の錯化剤とを含む溶液を調製し、これらの溶液を混合して、全種類の金属化合物を含む溶液を調製する。或いは、金属化合物とのその錯化剤を含む溶液に他の金属化合物と錯化剤を添加して金属錯体溶液を調製する。
この還元剤溶液としては、溶媒は特に限定されないが、水溶液が好ましい。
金属錯体溶液と還元剤溶液は、金属錯体溶液中に含まれる全金属原子を十分に還元できる量の還元剤が混合されるような混合比で混合する。
含浸用溶液の担体への含浸は、上記両溶液の混合後に温度を維持し、還元反応が進行しないうちに行う。
上述の如く、担体に含浸用溶液を含浸させた後に、昇温することにより担体細孔内部にて還元反応を促進する。
以下に本発明の合金担持物の酸化触媒としての使用方法について詳細に説明する。
次に、上記酸化触媒を用いて、オレフィン及び/又は芳香族化合物に酸素求核剤を酸化的付加させて、対応する生成物を製造する本発明のオレフィン及び/又は芳香族化合物と酸素求核剤との酸化的付加生成物の製造方法について説明する。
これらの製造方法において、好ましくは共役ジエンがブタジエン、ピペリレン、アルキル置換ブタジエンから選ばれるものとする。また、好ましくはカルボン酸が酢酸である。
・触媒調製方法
0.001974molのクエン酸を20mlの蒸留水に溶解した後、0.0004935molのTeCl4を投入し超音波を用いて十分に溶解した。その後、0.003525molのNa2SO4、0.00282molのEDTA、更に1mlの5mol/l NaOH溶液を投与した。EDTAが十分に溶解した後、0.00141molのNa2PdCl4を投与し、硝酸及びNaOHを用いてpH8に調整し、溶液量を28mlとした。以上の溶液を溶液Aとした。
上記操作により作成された合金担持物のバルクでの結晶状態はX線回折(XRD,PANalytical PW1700)で測定し、担持された粒子のサイズ、結晶性及び組成は透過型電子顕微鏡(TEM,JEOL製、JEM−2000EX)及びEDX検出器を装備した高分解能透過型電子顕微鏡(HR−TEM,日立製、HF−2000 Field Emission TEM)で評価した。
図1に示すXRD測定結果から、担体であるSiO2のブロードなピークと共に複数のピークが観測され、そのピーク位置はPd20Te7と一致した。
容量200mlのガラス製四つ口フラスコに酢酸100gをいれ、これに上記合金担持物よりなる酸化触媒4.0gを加えた。これを攪拌しながら1,3−ブタジエンを10Nml/min、10%O2/N2を50Nml/minの流量でバブリングさせ、オイルバスで90℃に加温した。3時間後にガスの流通と攪拌を停止し、室温まで冷却後、触媒を濾過した後の溶液をガスクロマトグラフィーにより反応生成物を定量した。
触媒調製の還元工程において、還元条件を80℃、1時間とした以外は、実施例1と同様の操作により合金担持物を調製し、得られた合金担持物を酸化触媒として用いて実施例1と同様に反応を行い、結果を触媒物性と共に表3に示した。
触媒調製時に使用したTeCl4を0.0003318molにしたこと以外は、実施例1と同様の操作により合金担持物を調製し、得られた合金担持物を酸化触媒として用いて実施例1と同様に反応を行い、結果を触媒物性と共に表3に示した。
金属テルルを35重量%硝酸で溶解した液に硝酸パラジウム溶液(NEケムキャット製)を添加し、更に脱塩水を加えることにより得られた、パラジウム0.818重量%、テルル0.245重量%を含有する溶液43.1gを、35.5gのシリカゲル担体(富士シリシア化学製Cariact Q−10、100−200mesh)に混合しながら加え、担体の細孔内にパラジウムとテルルを含有する溶液を含浸させた。
金属テルルを35重量%硝酸で溶解した液に硝酸パラジウム溶液(NEケムキャット製)を添加し、更に脱塩水を加えることにより得られた、パラジウム0.807重量%、テルル0.340重量%を含有する溶液44.6gを、35.8gのシリカゲル担体(富士シリシア化学製Cariact Q−10、100−200mesh)に混合しながら加え、担体の細孔内にパラジウムとテルルを含有する溶液を含浸させた。
Claims (6)
- 2種以上の金属よりなる合金粒子が担体に担持されてなる合金担持物であって、該2種以上の金属が、以下の第一金属群より選ばれた1種以上と、以下の第二金属群より選ばれた1種以上とを含むものであり、以下の<A値の測定方法>によりTEM−EDXによって該担持合金粒子の構成金属比率を測定して求められた組成比のばらつきを示すA値が0.12以下であることを特徴とする合金担持物。
第一金属群:周期表第8族〜第11族の金属
第二金属群:周期表第14族〜第16族の半金属
<A値の測定方法>
(1) 合金担持物試料より無作為に適量を選び、粉砕する。その粉末を完全に揮発させることが可能で、かつ試料の微細構造と組成に変化を起こすことのない分散媒中に分散させる。その分散液を、透過型電子顕微鏡用のカーボン膜を貼ったグリッド、或いは微細な穴の開いたカーボン膜を貼ったグリッド上に滴下する。その後、分散媒を完全に揮発させて測定用試料とする。
(2) 次に、TEM−EDXを用い、前述の測定用試料を透過型電子顕微鏡で観察したTEM像の中から、当該担体上に担持された合金粒子1粒にのみ、選択的に電子線を照射し、照射領域から発生した元素特有の特性X線をエネルギー分散型X線分光器で、スペクトルとして検出する。検出されたスペクトルから、連続X線成分等(バックグランド)の除去処理を行った後にピーク分割を行い、合金成分の各元素の特性X線の強度を抽出する。各強度値から、理論に基づく相対感度係数を用いて、薄膜近似法により、合金粒子1粒における合金元素の組成比Bを下記式により求める。
B=(第二の金属の存在量)/(第一の金属の存在量)
(3) このようにして、TEM像の任意の視野において、500nm四方の領域内に存在する任意の合金粒子3粒(No.1,2,3)について同様に測定を行い、各合金粒子の組成比B(B 1 ,B 2 ,B 3 )を求めた後、この組成比B 1 〜B 3 の平均値に対する比D 1 〜D 3 を次のようにして求め、この比から以下の式によりA値を求める。
Bi=(第二の金属の存在量)/(第一の金属の存在量)
(i=測定された合金粒子のNo.)
C=測定された合金粒子3粒のB値の平均
Di=Bi/C
(i=測定された合金粒子のNo.)
- 請求項1に記載の合金担持物を製造する方法であって、
前記合金粒子を構成する2種以上の金属化合物、該金属の錯化剤、及び還元剤を金属成分が析出しない状態で含有する溶液を、前記担体に含浸させた後還元処理することを特徴とする合金担持物の製造方法。 - 前記2種以上の金属化合物、錯化剤、及び還元剤を、金属成分が析出しない温度で混合して調製した前記溶液を前記担体に含浸させた後、温度を上げて還元処理することを特徴とする請求項2に記載の合金担持物の製造方法。
- 前記溶液を、前記2種以上の金属化合物、錯化剤、及び還元剤を、金属が析出しないpHで混合して調製することを特徴とする請求項2又は3に記載の合金担持物の製造方法。
- オレフィン及び/又は芳香族化合物に酸素求核剤を酸化的付加させる酸化的付加反応に用いられる酸化触媒であって、請求項1に記載の合金担持物を含有することを特徴とする酸化触媒。
- オレフィン及び/又は芳香族化合物に酸素求核剤を酸化的付加させて、対応する生成物を製造する方法において、
請求項5に記載の酸化触媒と分子状酸素の存在下に、該オレフィン及び/又は芳香族化合物に酸素求核剤を酸化的付加させることを特徴とするオレフィン及び/又は芳香族化合物と酸素求核剤との酸化的付加生成物の製造方法。
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