JP3300460B2 - 単分散状金超微粒子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単分散状超微粒子の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に金超微粒子の製造方法には液相法
と気相法とがある。液相法は、例えば塩化金酸溶液等に
適当な沈殿剤を添加し、金超微粒子を析出させる方法で
ある。この金超微粒子を単分散化するためには、ヘマタ
イトや酸化チタン等の担体を溶液中に混ぜ、金の析出反
応を起こせば、担体上に単分散状金超微粒子が製造でき
る。

【０００３】一方、気相法は、例えば金インゴットを高
温で加熱蒸発し、気相中で金超微粒子を製造する方法が
ある。単分散化するために回収した金超微粒子を例えば
エチルアルコール中に超音波等を使用して分散させ、分
散液中に担体を投入し担持させる。

【０００４】これらの方法でいずれも良好な単分散状金
超微粒子が得られるが、以下の欠点がある。液相法は、
１）超微粒子を得るために金超微粒子同士が衝突し凝集
しないよう溶液中の金の濃度を極端に稀薄にする必要が
ある。２）従って、量産時には大規模な容器が必要にな
る。３）沈殿剤投入後の溶液は再利用できないため多量
の廃液が生じる。気相法は、１）金を蒸発させるために
多くの電力が必要になる。２）超微粒子同士の凝集を防
ぐため気相中の金の密度は極端に小さくする必要があ
る。３）従って、量産時には多くの空間をもった蒸発装
置や多数の蒸発装置が必要になる。４）担持工程が別途
必要となる。

【０００５】さらに、これらの方法によって製造された
超微粒子は、高温域では金同士が極めて焼結しやすい状
態にあり高温域での使用には適していなかった。

【０００６】また近年金超微粒子の製造法としてアモル
ファス材料を使用したものが報じられている。これはＺ
ｒとＡｕとからなるアモルファス材料を空気中や高湿中
で酸化することによりＺｒＯ_２中に金超微粒子を分散さ
せるようにしたものである。この方法は、前記の液相法
や気相法にある欠点はなく担持工程も不要であることか
ら優れてはいるが高温では焼結しやすいため好ましい方
法ではない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来技術によっ
て製造される金超微粒子は、高温での安定性に多大な問
題点があり、金超微粒子の高温域での使用、例えば触媒
体等での工業化を停滞させる大きな原因となっていた。
従って、本発明の目的は高温域でも安定な単分子状金超
微粒子の製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来技術
の問題点を解決すべく種々研究を行った結果、ＺｒとＡ
ｕとＭ（但し、ＭはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、
Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈ
ｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、
Ｐ、Ｓｂ及びＢｉから選ばれた少なくとも１種）とから
なるアモルファス合金を酸素を含む雰囲気中で熱処理す
ると高温域でも金超微粒子が単分散状に保持された材料
が製造出来ることを見出だし本発明を完成した。

【０００９】すなわち、本発明は、ＺｒとＡｕとＭ（但
し、ＭはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒ
ｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐ
ｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｂ、Ａｌ、
Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐ、Ｓｂ及びＢ
ｉから選ばれた少なくとも１種）とからなるアモルファ
ス合金を酸素を含む雰囲気中で熱処理することを特徴と
する単分散状金超微粒子の製造方法である。

【００１０】

【作用】本発明に使用するＺｒ、Ａｕ及びＭのいずれの
金属も純度９９．５％以上のものを使用するのが好まし
い。

【００１１】また、ＺｒとＡｕとＭとでつくるアモルフ
ァス合金は、下記の式で表される組成とするのが好まし
い。 （Ｚｒ_ａＡｕ_{１００−ａ}）_ｂＭ_{１００−ｂ} （但
し、５０≦ａ≦９０、１≦ｂ≦３０） ここで、ａ及びｂは合金がアモルファス化する範囲を示
すものであり、この範囲以外ではアモルファス化するの
が困難である。

【００１２】Ｍおよびｂは使用する温度域によって適宜
選択する。すなわち、一般にｂは大きいほど、ＭはＺｒ
との親和性が高いものほど、高温でも金が超微粒子性を
失わない。しかしながら余り高い温度付近で安定なＭお
よびｂの選択は、比較的低温では金が超微粒子化しない
ため、後述の実施例を参考にして最適な組み合わせを選
択するのが良い。

【００１３】本発明の単分散状金超微粒子は次のように
して製造する。まず、Ｚｒ、Ａｕ及びＭを熔解し合金化
する。熔解には各金属原料を熔解できる加熱源と雰囲気
を調整できる容器が必要である。加熱源としては直流ア
ークや高周波が使用できるので、一般に市販されている
アーク熔解炉や高周波熔解炉を使用するのが最も簡便で
ある。

【００１４】雰囲気は金属が酸化しないよう酸素を除去
した容器内にアルゴンやヘリウムを導入して熔解する。
なお、Ｚｒは雰囲気に窒素が存在すると容易に窒化され
窒化ジルコニウムとなり、しかもこのものはアモルファ
ス形成には寄与しないため事実上Ｚｒが減少したことに
なるので、窒素の雰囲気での熔解は不適当である。

【００１５】つぎに、作成された合金をアモルファス化
する。アモルファス化は、高周波を熱源とした単ロール
型液体急冷法やガスアトマイズ法、直流アークを熱源と
した回転電極法等を使用する。これら以外の方法を用い
る場合には、得られるアモルファス合金が薄帯や微粉末
状となるものを選択すべきである。これは、最終的に得
られる単位重量当りの金超微粒子の量を大きくするため
である。

【００１６】また、合金が比較的高融点の場合には熔解
温度の高い回転電極法を使用する。回転電極法は、熱源
に高周波よりも高温なアーク放電を使用しており、より
高融点の金属を熔解することが出来る。ただし、回転電
極法では合金をロッド状に加工する必要があるので注意
を要する。

【００１７】最後に、作成されたアモルファス合金を酸
素を含む雰囲気中で熱処理して酸化する。雰囲気はアル
ゴンやヘリウム、窒素ガスで希釈した酸素分圧１〜５０
体積％、好ましくは５〜３０体積％の範囲である。酸素
分圧が１体積％未満の場合、酸化反応が極端に進みにく
くなり好ましくなく、５０体積％を越えると酸素の助燃
性の効果が大きくなりすぎ急激な酸化反応が生じ、例え
ばアモルファス合金が爆発的な酸化反応とともに大きく
発熱して設定温度以上になるため、超微粒子が溶融する
こともあるので好ましくない。雰囲気としては、空気中
で酸化処理するのが最も簡便で経済的にも優れている。

【００１８】熱処理温度は２００℃〜１０００℃、好ま
しくは３００℃〜８００℃である。２００℃未満では酸
化が起こらず好ましくなく、１０００℃を超える温度で
は金の融点（１０６３℃）に極めて近いため溶融が始ま
るため好ましくない。なお、２００℃〜１０００℃の温
度範囲ではＺｒの窒化反応が生じないことを付記する。
以上の工程によって、高温でも安定した超微粒子径を保
つ単分散状金超微粒子が得られる。しかもアモルファス
合金化することにより、通常の合金状態よりも耐酸化性
の向上がなされることは良く知られたことであるので、
このことも本発明方法の利点でもある。

【００１９】本発明方法により単分散状金超微粒子が得
られるメカニズムは完全には解明されていないが、Ｚｒ
とＭによって構成される金属は耐酸化性の非常に高い合
金であり、上述の条件で酸化させるとＺｒとＭが僅かに
酸化され、金は単分散状の超微粒子として表層に露出す
る。金超微粒子は周囲をＺｒとＭからなる合金によって
囲まれているため超微粒子同士の接触もなく、従来技術
では粒の粗大化が生じる３００℃以上でも安定した粒径
が得られるものと推定される。

【００２０】

【実施例】

実施例１ 純度９９．９％の金属原料を、（Ｚｒ_７０Ａｕ_３０）
_９０Ｎｉ_１０となるように秤り取りアーク熔解炉で合金
化した。雰囲気ガスは高純度アルゴンを使用した。つぎ
に、この合金を単ロール型液体急冷装置によりアモルフ
ァス化した。得られたものは幅５ｍｍ、厚さ１０μｍの
テープ状で、Ｘ線回折からアモルファス化していること
を確認した。このアモルファス合金を空気中５００℃で
１時間酸化処理を行った。酸化処埋後の材料のＸ線回折
からアモルファス相と結晶からなり、結晶相は金とＺｒ
Ｏ_２の混合体であった。電子顕微鏡によれば、金は５〜
３０ｎｍの単分散状超微粒子として存在していた。な
お、示差熱重量分析によれば、この材料はＺｒの約７０
％がＺｒのままであった。

【００２１】実施例２ ＺｒとＡｕの組成比をＺｒ_６０Ａｕ_４０とした以外は実
施例１と同様にしてアモルファス合金を作製し酸化処理
を行った。金超微粒子の粒径は、実施例１で得られたも
のよりもやや大きく１０〜５０ｎｍであったが、高温で
も安定して単分散状超微粒子を保持していることを確認
した。

【００２２】実施例３ 表１に記したように、Ｍ、ｂを種々変えて、実施例１と
同様にしてアモルファス合金を作成後、同表に示した温
度で酸化処理を行った。酸化処理後の金超微粒子の平均
粒径を同表に記す。なお、得られたものは、いずれも単
分散状の金微粒子であることを確認した。

【００２３】

【表１】

【００２４】実施例４ 熱処理時間を５時間、２４時間とした以外は、実施例１
と同じ条件で金超微粒子を得た。粒径は５時間では変わ
らず、２４時間では５％増大していた。

【００２５】実施例５ 酸化処理を酸素を３０体積％含んだアルゴン雰囲気中で
行った以外は、実施例１と同様にして金超微粒子を得
た。得られた材料における金の粒径や存在状態は、実施
例１とほとんど変わりなく両者の雰囲気による違いがな
いことを確認した。

【００２６】比較例１ 塩化金酸を蒸留水中に０．１ｍｏｌ／Ｌとなるよう溶解
した。ここへ酸化チタン微粉末（粒径０．５μｍ）を超
音波を用いて分散させた後、１０体積％のアンモニア溶
液を滴下して溶液のｐＨを９に調整して酸化チタン上に
金超微粒子を担持させた。担持した金の粒径は２０〜５
０ｎｍであった。このものを空気中４００℃で３０分加
熱したところ、金の粒径は８０〜１００ｎｍ以上に粗大
化しており、金の焼結が行われていた。

【００２７】比較例２ 純度９９．９％のＺｒとＡｕとをＺｒ_７０Ａｕ_３０とな
るよう秤量後、実施例１と同様にしてテープ状アモルフ
ァス合金を作製した。これを相対湿度９０％の雰囲気で
１００℃に５時間保持したところ完全に酸化した。Ｘ線
回折からＺｒＯ_２とＡｕとからなる混合体であることが
確認された。このものの金の粒径は１０〜５０ｎｍと比
較的小さく良好であったが、空気中４００℃で１時間加
熱したところ、金の粒径は１００〜２００ｎｍ以上とな
り金の焼結が起こった。また、低温で酸化処理せずアモ
ルファス合金を直接４００℃で１時間酸化させたとこ
ろ、粒径は上述よりやや小さかったものの金の焼結が生
じていた。

【００２８】

【発明の効果】本発明方法によれば、簡単に工程で従来
方法に比べ格段に高温安定性に優れた単分散状金超微粒
子を製造することが出来る。従って、本発明方法で得ら
れたものは金が超微粒子の状態を保ち得るので、例えば
触媒としての用途が期待される。これまで金は活性が少
なく他の貴金属のように触媒への利用がなされていなか
ったが、これは金超微粒子同士が接触しやすく、かつ金
の融点が非常に低いため高温で焼結が開始するためであ
った。

【００２９】これを解決するためには金を単分散状と
し、しかも高い温度においても焼結しないよう、超微粒
子同士が接触しない環境を作ることが必要であったが、
本発明方法で製造されたものは、金超微粒子が耐酸化性
の高い合金に単分散状で囲まれているため、高温にさら
しても焼結することはない。従って、高温での触媒活性
も良好になるため、従来使用できなかった高温域でも金
超微粒子の優れた特性を生かして高温用触媒を実現する
ことができる。

【００３０】また、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ、フロン、
ハロン等の分解反応用触媒、これらを原料とした化合物
生成反応触媒（例えばＣＯ_２と水素からメタンやエタン
を生成するときの触媒）、自動車等の未燃焼廃ガスの完
全燃焼反応用触媒、石油精製、重油脱硫、石油化学品製
造、高分子重合、無機化学品製造、油脂加工、医薬製
造、食品製造、雰囲気ガス製造などの各種工業用触媒と
して応用展開が可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鵜沢 正美 宮城県仙台市若林区若林２−３−９− 201 審査官 山本 一正 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 9/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＺｒとＡｕとＭ（但し、ＭはＳｃ、Ｙ、
   Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
   ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｖ、
   Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏ
   ｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａ
   ｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、
   Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉから選ばれた少な
   くとも１種）とからなるアモルファス合金を酸素を含む
   雰囲気中で熱処理することを特徴とする単分散状金超微
   粒子の製造方法。
2. 【請求項２】 アモルファス合金の組成が（Ｚｒ_ａＡｕ
   _{１００−ａ}）_ｂＭ_{１００−ｂ}（但し、５０≦ａ≦９０、
   １≦ｂ≦３０）で表されるものである請求項１記載の単
   分散状金超微粒子の製造方法。
3. 【請求項３】 ２００℃〜１０００℃で熱処理する請求
   項１又は請求項２記載の単分散状金超微粒子の製造方
   法。