JPH0871421A - 金属担持触媒、金属担持触媒の作製方法及び金属担持触媒を用いた合成ガスの製造方法 - Google Patents
金属担持触媒、金属担持触媒の作製方法及び金属担持触媒を用いた合成ガスの製造方法Info
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- JPH0871421A JPH0871421A JP6242159A JP24215994A JPH0871421A JP H0871421 A JPH0871421 A JP H0871421A JP 6242159 A JP6242159 A JP 6242159A JP 24215994 A JP24215994 A JP 24215994A JP H0871421 A JPH0871421 A JP H0871421A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】高活性を有しかつこの活性を長時間にわたって
維持できるとともに、CO2 −CH4 反応においてカー
ボン析出を低減する。 【構成】触媒金属を含んだ酸化物固溶体を担体とし、こ
の担体表面に前記触媒金属を析出させた活性部位を有す
る金属担持触媒であって、前記酸化物固溶体は酸化マグ
ネシウム及び酸化ニッケルを主としてなり、この酸化物
固溶体におけるニッケルとマグネシウムのモル比(ニッ
ケル:マグネシウム)が、1:9〜7:3である。
維持できるとともに、CO2 −CH4 反応においてカー
ボン析出を低減する。 【構成】触媒金属を含んだ酸化物固溶体を担体とし、こ
の担体表面に前記触媒金属を析出させた活性部位を有す
る金属担持触媒であって、前記酸化物固溶体は酸化マグ
ネシウム及び酸化ニッケルを主としてなり、この酸化物
固溶体におけるニッケルとマグネシウムのモル比(ニッ
ケル:マグネシウム)が、1:9〜7:3である。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、金属担持触媒とその
製造方法及び金属担持触媒を用いた合成ガスの製造方法
に関する。
製造方法及び金属担持触媒を用いた合成ガスの製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】CO2 は、地球温暖化の主原因とされて
おり、大気中のCO2 を低減する技術の開発が進められ
いる。一方、世界的に分布する天然ガスを有効に工業的
に利用する方法も模索されている。ここに、CO2 と天
然ガスの主成分たるメタンをニッケル系触媒下で、一酸
化炭素と水素を合成する反応( 例えば、CO2 +CH4
→2CO+2H2 の反応をいい、以下CO2 −CH4 反
応という。)がある。したがって、この反応を高能率で
行うことができれば、CO2 濃度の低減と天然ガスの有
効利用、さらには、工業用原料の供給源を開発すること
ができる。
おり、大気中のCO2 を低減する技術の開発が進められ
いる。一方、世界的に分布する天然ガスを有効に工業的
に利用する方法も模索されている。ここに、CO2 と天
然ガスの主成分たるメタンをニッケル系触媒下で、一酸
化炭素と水素を合成する反応( 例えば、CO2 +CH4
→2CO+2H2 の反応をいい、以下CO2 −CH4 反
応という。)がある。したがって、この反応を高能率で
行うことができれば、CO2 濃度の低減と天然ガスの有
効利用、さらには、工業用原料の供給源を開発すること
ができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、使用さ
れる金属担持触媒としてのニッケル系触媒には、金属担
持触媒としての一般的な問題点とCO2 −CH4 反応に
おける特有の問題点を有していた。 1.より高活性なニッケル触媒の確保が困難であるこ
と。 2.反応中におけるニッケルのシンタリングのために長
期間の活性安定性を確保できないこと。 3.CO2 −CH4 反応において、副反応であるCH4
等の炭化水素の分解などによるカーボン析出及びカーボ
ン析出による触媒活性の低下があること。
れる金属担持触媒としてのニッケル系触媒には、金属担
持触媒としての一般的な問題点とCO2 −CH4 反応に
おける特有の問題点を有していた。 1.より高活性なニッケル触媒の確保が困難であるこ
と。 2.反応中におけるニッケルのシンタリングのために長
期間の活性安定性を確保できないこと。 3.CO2 −CH4 反応において、副反応であるCH4
等の炭化水素の分解などによるカーボン析出及びカーボ
ン析出による触媒活性の低下があること。
【0004】そこで、本発明は、高活性を有しかつこの
活性を長時間にわたって維持できるとともに、CO2 −
CH4 反応においてカーボン析出を低減できる金属担持
触媒を提供することを目的とする。また、本発明は、か
かる金属担持触媒の提供に適した触媒の作製方法を提供
することを目的とする。さらに、本発明は、この金属担
持触媒を用いて、CO2 −CH4 反応において効率的に
合成ガスを製造する方法を提供することを目的とする。
活性を長時間にわたって維持できるとともに、CO2 −
CH4 反応においてカーボン析出を低減できる金属担持
触媒を提供することを目的とする。また、本発明は、か
かる金属担持触媒の提供に適した触媒の作製方法を提供
することを目的とする。さらに、本発明は、この金属担
持触媒を用いて、CO2 −CH4 反応において効率的に
合成ガスを製造する方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記した技術的課題を解
決するために、本発明者らは、触媒金属を含む酸化物固
溶体から、触媒金属を析出させることにより、高活性で
しかもシンタリングが防止されて長時間活性を維持で
き、CO2 −CH4 反応においてカーボン析出を低減す
ることができる触媒を提供できることを見いだし、本発
明を完成した。すなわち、請求項1に記載の発明は、触
媒金属を含む酸化物固溶体を担体とし、この担体表面に
前記触媒金属を析出させた活性部位を有する金属担持触
媒であって、前記酸化物固溶体は酸化マグネシウム及び
酸化ニッケルを主としてなり、この酸化物固溶体におけ
るニッケルとマグネシウムのモル比(ニッケル:マグネ
シウム)が、1:9〜7:3であることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記酸化
物固溶体表面に粒径0.1μm以下のニッケル粒子が析
出したことを特徴とする。請求項3に記載の発明は、金
属担持触媒の作製方法であって、触媒金属を含んだ酸化
物固溶体を調製する工程と、この酸化物固溶体を還元処
理して酸化物固溶体表面に触媒金属粒子を析出させる工
程とからなることを特徴とする。請求項4に記載の発明
は、請求項3において、ニッケルとマグネシウムのモル
比(ニッケル:マグネシウム)が1:9〜7:3である
酸化ニッケルと酸化マグネシウムとの酸化物固溶体を調
製することを特徴とする。請求項5に記載の発明は、請
求項1に記載の金属担持触媒の存在下で、CH4を主成
分とする低級炭化水素を含むガスとCO2 を含むガスと
を反応させることを特徴とする合成ガスの製造方法であ
る。
決するために、本発明者らは、触媒金属を含む酸化物固
溶体から、触媒金属を析出させることにより、高活性で
しかもシンタリングが防止されて長時間活性を維持で
き、CO2 −CH4 反応においてカーボン析出を低減す
ることができる触媒を提供できることを見いだし、本発
明を完成した。すなわち、請求項1に記載の発明は、触
媒金属を含む酸化物固溶体を担体とし、この担体表面に
前記触媒金属を析出させた活性部位を有する金属担持触
媒であって、前記酸化物固溶体は酸化マグネシウム及び
酸化ニッケルを主としてなり、この酸化物固溶体におけ
るニッケルとマグネシウムのモル比(ニッケル:マグネ
シウム)が、1:9〜7:3であることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記酸化
物固溶体表面に粒径0.1μm以下のニッケル粒子が析
出したことを特徴とする。請求項3に記載の発明は、金
属担持触媒の作製方法であって、触媒金属を含んだ酸化
物固溶体を調製する工程と、この酸化物固溶体を還元処
理して酸化物固溶体表面に触媒金属粒子を析出させる工
程とからなることを特徴とする。請求項4に記載の発明
は、請求項3において、ニッケルとマグネシウムのモル
比(ニッケル:マグネシウム)が1:9〜7:3である
酸化ニッケルと酸化マグネシウムとの酸化物固溶体を調
製することを特徴とする。請求項5に記載の発明は、請
求項1に記載の金属担持触媒の存在下で、CH4を主成
分とする低級炭化水素を含むガスとCO2 を含むガスと
を反応させることを特徴とする合成ガスの製造方法であ
る。
【0006】以下、この発明を詳細に説明する。本発明
における酸化物固溶体とは、触媒金属原子と、それ以外
の原子であって、担体を構成しうる原子(以下、「担体
構成原子」という。)と酸素原子とが原子オーダーで互
いに均一に溶け合って形成された固相をいう。例えば、
ニッケル原子(Ni)とマグネシウム原子(Mg)及び
酸素原子(O)が原子オーダーで互いに均一に溶け合っ
て形成された固相が該当する。本発明においては、これ
らの原子が固溶体を形成していることが重要であり、こ
の酸化物固溶体を還元処理することにより、微細な触媒
金属粒子(ニッケル粒子)を析出させることができ、か
つ触媒金属粒子(ニッケル粒子)のシンタリングを防止
させ、強固に担体たる固溶体表面に担持させることがで
きるのである。
における酸化物固溶体とは、触媒金属原子と、それ以外
の原子であって、担体を構成しうる原子(以下、「担体
構成原子」という。)と酸素原子とが原子オーダーで互
いに均一に溶け合って形成された固相をいう。例えば、
ニッケル原子(Ni)とマグネシウム原子(Mg)及び
酸素原子(O)が原子オーダーで互いに均一に溶け合っ
て形成された固相が該当する。本発明においては、これ
らの原子が固溶体を形成していることが重要であり、こ
の酸化物固溶体を還元処理することにより、微細な触媒
金属粒子(ニッケル粒子)を析出させることができ、か
つ触媒金属粒子(ニッケル粒子)のシンタリングを防止
させ、強固に担体たる固溶体表面に担持させることがで
きるのである。
【0007】酸化物固溶体を得る方法としては、触媒金
属等(担体構成原子を含む、以下同じ)の酢酸塩あるい
は硝酸塩水溶液を熱分解して酸化物の混合体とした後に
仮焼する方法、又は、触媒金属等の酸化物粉末あるいは
塩化物粉末を混合して仮焼する方法などの通常の方法を
用いることができ、仮焼条件は固溶体を形成できるよう
に設定されることが必要である。例えば、酸化ニッケル
−酸化マグネシウムの固溶体化のための仮焼温度は80
0〜1100℃であるが、900℃より低温では固溶体
化に時間がかかるため、900℃以上が好ましく、還元
時のニッケル析出状態を良好にするためには、1000
°以上がさらに好ましい。
属等(担体構成原子を含む、以下同じ)の酢酸塩あるい
は硝酸塩水溶液を熱分解して酸化物の混合体とした後に
仮焼する方法、又は、触媒金属等の酸化物粉末あるいは
塩化物粉末を混合して仮焼する方法などの通常の方法を
用いることができ、仮焼条件は固溶体を形成できるよう
に設定されることが必要である。例えば、酸化ニッケル
−酸化マグネシウムの固溶体化のための仮焼温度は80
0〜1100℃であるが、900℃より低温では固溶体
化に時間がかかるため、900℃以上が好ましく、還元
時のニッケル析出状態を良好にするためには、1000
°以上がさらに好ましい。
【0008】また、酸化物固溶体から金属担持触媒を得
るためには、水素ガス雰囲気中で、還元処理することが
必要であるが、本発明では、触媒金属粒子を析出させる
程度の温度及び時間条件で行うことが必要である。した
がって、例えばニッケル−マグネシウム酸化物固溶体で
は、1000℃以上の高温で1時間以上行うことが好ま
しい。
るためには、水素ガス雰囲気中で、還元処理することが
必要であるが、本発明では、触媒金属粒子を析出させる
程度の温度及び時間条件で行うことが必要である。した
がって、例えばニッケル−マグネシウム酸化物固溶体で
は、1000℃以上の高温で1時間以上行うことが好ま
しい。
【0009】なお、酸化物固溶体を調製する場合には固
溶体を構成する触媒金属と担体構成金属とのモル比が重
要である。このモル比により、酸化物固溶体調製後の還
元処理における触媒金属の還元量(析出量)や、析出粒
子の粒径、触媒の比表面積及び形態、さらには触媒自体
の活性にも影響が及ぶからである。
溶体を構成する触媒金属と担体構成金属とのモル比が重
要である。このモル比により、酸化物固溶体調製後の還
元処理における触媒金属の還元量(析出量)や、析出粒
子の粒径、触媒の比表面積及び形態、さらには触媒自体
の活性にも影響が及ぶからである。
【0010】例えば、ニッケル−マグネシウム固溶体か
らなるニッケル担持触媒の場合には、モル比(Ni:M
g)が1:9〜7:3であることが重要であり、好まし
くは2:8〜5:5である。
らなるニッケル担持触媒の場合には、モル比(Ni:M
g)が1:9〜7:3であることが重要であり、好まし
くは2:8〜5:5である。
【0011】すなわち、ニッケル担持触媒の場合には、
モル比が1:9〜7:3の範囲では、固溶体の粒子表面
に0.1μm以下の微細ニッケルが析出して固溶体表面
が維持された触媒構造となる。
モル比が1:9〜7:3の範囲では、固溶体の粒子表面
に0.1μm以下の微細ニッケルが析出して固溶体表面
が維持された触媒構造となる。
【0012】このモル比範囲の固溶体から調製されるニ
ッケル担持触媒は、例えばモル比が3:7の場合には、
図5(a)の電子顕微鏡写真(倍率10000倍)及び
さらに高倍率(倍率50000倍)の電子顕微鏡写真
(b)に現される形態を有する。具体的には、比表面積
が小さく、ニッケル析出量は少ないが、ニッケル粒子が
微細なため、高活性、すなわち、十分なH2 吸着量が確
保されたものとなる。さらに、固溶体の担体効果により
ニッケル粒子のシンタリングが防止され、長時間にわた
る活性維持が可能となる。また、かかる触媒形態におい
ては、十分量の酸化マグネシウムの担体効果により、C
O2 −CH4 反応においてCH4 の吸着性が変化されて
カーボン析出が著しく抑制される。
ッケル担持触媒は、例えばモル比が3:7の場合には、
図5(a)の電子顕微鏡写真(倍率10000倍)及び
さらに高倍率(倍率50000倍)の電子顕微鏡写真
(b)に現される形態を有する。具体的には、比表面積
が小さく、ニッケル析出量は少ないが、ニッケル粒子が
微細なため、高活性、すなわち、十分なH2 吸着量が確
保されたものとなる。さらに、固溶体の担体効果により
ニッケル粒子のシンタリングが防止され、長時間にわた
る活性維持が可能となる。また、かかる触媒形態におい
ては、十分量の酸化マグネシウムの担体効果により、C
O2 −CH4 反応においてCH4 の吸着性が変化されて
カーボン析出が著しく抑制される。
【0013】このように、かかるモル比の範囲で微細な
ニッケル粒子が析出されるのは、均一な固溶体が形成さ
れ、かつ析出したニッケル原子が大きな粒子を形成しな
い程度に酸化マグネシウムにより隔てられて存在するか
らである。
ニッケル粒子が析出されるのは、均一な固溶体が形成さ
れ、かつ析出したニッケル原子が大きな粒子を形成しな
い程度に酸化マグネシウムにより隔てられて存在するか
らである。
【0014】一方、モル比(Ni:Mg)7:3よりも
Mgが少なければ、図6に示す電子顕微鏡写真(モル比
2:8、倍率10000倍))のように、0.1μm前
後の大きなニッケル粒子が多数析出して、その隙間に酸
化マグネシウムが存在するという多孔化した触媒構造と
なる。したがって、比表面積が大きく、ニッケル析出量
も多いが、ニッケル粒径が大きいため、図5(a)及び
(b)の触媒と同等のH2 吸着量を有する。しかし、酸
化マグネシウムの量が少なすぎるため、担体効果を発揮
できずカーボン析出を抑制しにくいものとなっている。
Mgが少なければ、図6に示す電子顕微鏡写真(モル比
2:8、倍率10000倍))のように、0.1μm前
後の大きなニッケル粒子が多数析出して、その隙間に酸
化マグネシウムが存在するという多孔化した触媒構造と
なる。したがって、比表面積が大きく、ニッケル析出量
も多いが、ニッケル粒径が大きいため、図5(a)及び
(b)の触媒と同等のH2 吸着量を有する。しかし、酸
化マグネシウムの量が少なすぎるため、担体効果を発揮
できずカーボン析出を抑制しにくいものとなっている。
【0015】さらに、モル比(Ni:Mg)5:5より
マグネシウムが少なければ、CO2−CH4 反応におけ
る著しいカーボン析出抑制の効果が得られなくなり、モ
ル比(Ni:Mg)2:8よりマグネシウムが多けれ
ば、ニッケル量が少ないため、CO2 −CH4 反応にお
いて、熱力学的平衡値からずれる傾向にある。
マグネシウムが少なければ、CO2−CH4 反応におけ
る著しいカーボン析出抑制の効果が得られなくなり、モ
ル比(Ni:Mg)2:8よりマグネシウムが多けれ
ば、ニッケル量が少ないため、CO2 −CH4 反応にお
いて、熱力学的平衡値からずれる傾向にある。
【0016】このように、本発明では、比表面積の大き
い担体に微粒子の触媒金属を含浸させる従来の金属担持
触媒の作製法と異なり、酸化物固溶体から金属担持触媒
を作製するため、固溶体の調製により触媒金属原子の高
度な分散が実現できる。また固溶体のモル比により、触
媒金属粒子の粒径、存在形態を制御することができる。
さらに、ニッケルと−マグネシウム酸化物固溶体におい
て所定のモル比では、微細粒径の触媒金属を析出可能で
あり、比表面積が小さくても、高活性を有する触媒を作
製することができる。加えて、酸化物固溶体調製のため
の仮焼時に、顆粒、多孔体、板状体等の所望の形状に成
形が可能である。かかる作製方法により提供できる金属
担持触媒としては、ニッケル−アルミニウム酸化物固溶
体、コバルト−マグネシウム酸化物固溶体、あるいはニ
ッケル−コバルト酸化物固溶体等からのそれぞれニッケ
ル担持触媒、コバルト担持触媒、ニッケル担持触媒等が
挙げられる。
い担体に微粒子の触媒金属を含浸させる従来の金属担持
触媒の作製法と異なり、酸化物固溶体から金属担持触媒
を作製するため、固溶体の調製により触媒金属原子の高
度な分散が実現できる。また固溶体のモル比により、触
媒金属粒子の粒径、存在形態を制御することができる。
さらに、ニッケルと−マグネシウム酸化物固溶体におい
て所定のモル比では、微細粒径の触媒金属を析出可能で
あり、比表面積が小さくても、高活性を有する触媒を作
製することができる。加えて、酸化物固溶体調製のため
の仮焼時に、顆粒、多孔体、板状体等の所望の形状に成
形が可能である。かかる作製方法により提供できる金属
担持触媒としては、ニッケル−アルミニウム酸化物固溶
体、コバルト−マグネシウム酸化物固溶体、あるいはニ
ッケル−コバルト酸化物固溶体等からのそれぞれニッケ
ル担持触媒、コバルト担持触媒、ニッケル担持触媒等が
挙げられる。
【0017】なお、この作製方法では、固溶体の調製を
経て、担持と還元とを同時に行うものであり、モル比の
みならず、仮焼条件、還元条件により担持される触媒金
属粒子径や析出量の制御が可能である。すなわち、前述
のように、ニッケル−マグネシウム酸化物固溶体の場合
には、仮焼温度が1000℃以上であると、還元時のニ
ッケル粒子の析出が良好である。また、還元温度が高い
と析出量及び析出するニッケル粒子の粒径は大きくなる
が、十分にニッケルを析出させると同時に、微細なニッ
ケル粒子を析出させるのには、還元温度が1000℃で
あることが好ましい。
経て、担持と還元とを同時に行うものであり、モル比の
みならず、仮焼条件、還元条件により担持される触媒金
属粒子径や析出量の制御が可能である。すなわち、前述
のように、ニッケル−マグネシウム酸化物固溶体の場合
には、仮焼温度が1000℃以上であると、還元時のニ
ッケル粒子の析出が良好である。また、還元温度が高い
と析出量及び析出するニッケル粒子の粒径は大きくなる
が、十分にニッケルを析出させると同時に、微細なニッ
ケル粒子を析出させるのには、還元温度が1000℃で
あることが好ましい。
【0018】このように作製したニッケル担持触媒を、
通常のガス流通式の小型リアクター内に充填し、CO2
−CH4 反応を実施すると、微細なニッケル粒子が高活
性を呈し、熱力学的平衡値にほぼ匹敵する転換率で一酸
化炭素と水素とを得ることができる。これは、このニッ
ケル担持触媒が高活性であることの他、固溶体の担持効
果によるニッケル粒子のシンタリングが防止され、ま
た、副反応であるカーボン析出が抑制されるためであ
る。このため、カーボン生成による活性の低下もなく、
触媒部の目詰まりも生じない。なお、この際の反応温度
は300〜900℃であり、好ましくは、600〜80
0℃である。300℃より低温では、CO2 −CH4 反
応はほどんど進行しないからであり、また、900℃で
は、ほとんど全てのCO2 、CH4 が反応するからであ
る。また、600〜800℃においては、良好な反応平
衡値とそれに近い合成ガスの生成率が得られるからであ
る。
通常のガス流通式の小型リアクター内に充填し、CO2
−CH4 反応を実施すると、微細なニッケル粒子が高活
性を呈し、熱力学的平衡値にほぼ匹敵する転換率で一酸
化炭素と水素とを得ることができる。これは、このニッ
ケル担持触媒が高活性であることの他、固溶体の担持効
果によるニッケル粒子のシンタリングが防止され、ま
た、副反応であるカーボン析出が抑制されるためであ
る。このため、カーボン生成による活性の低下もなく、
触媒部の目詰まりも生じない。なお、この際の反応温度
は300〜900℃であり、好ましくは、600〜80
0℃である。300℃より低温では、CO2 −CH4 反
応はほどんど進行しないからであり、また、900℃で
は、ほとんど全てのCO2 、CH4 が反応するからであ
る。また、600〜800℃においては、良好な反応平
衡値とそれに近い合成ガスの生成率が得られるからであ
る。
【0019】
【発明の効果】請求項1に記載の発明によれば、ニッケ
ルとマグネシウムの所定のモル比における酸化物固溶体
から作製したニッケル担持触媒では、有効に酸化物固溶
体による担体効果が発揮され、高活性でかつ長時間のそ
の活性を維持することができるとともに、特に、CO2
−CH4 反応においてカーボンの生成を抑制して、高効
率かつ長時間の反応が可能となる。請求項2に記載の発
明によれば、0.1μm以下の微細なニッケル粒子をニ
ッケル−マグネシウム酸化物固溶体表面に析出させたた
め、より一層の高活性を確保できるとともに、また、酸
化物固溶体による担体効果がより有効に発揮される。請
求項3に記載の発明によれば、酸化物固溶体を調製し
て、還元処理により酸化物固溶体上に触媒金属の粒子を
析出させて、担持と還元とを同時に行うとともに、触媒
金属が高度に分散された金属担持触媒を作製することが
できる。請求項4に記載の発明によれば、ニッケル−マ
グネシウム酸化物固溶体の酸化ニッケルを還元すること
により、酸化物固溶体を担体とするニッケル担持触媒を
作製することができ、酸化物固溶体を所定のモル比で調
製することにより、ニッケル粒子径及びニッケル析出量
等を制御でき、所望のニッケル担持触媒を作製すること
ができる。請求項5に記載の発明によれば、CH4 −C
O2 反応において、高活性かつ、活性の長時間維持によ
り、熱力学的平衡に近い状態で効率的に反応を進めるこ
とができる。また、副反応であるカーボンの生成を抑制
することができ、カーボン生成による反応器の目詰まり
や、触媒の活性低下をも排除して、円滑かつ効率よく合
成ガスを製造することができる。
ルとマグネシウムの所定のモル比における酸化物固溶体
から作製したニッケル担持触媒では、有効に酸化物固溶
体による担体効果が発揮され、高活性でかつ長時間のそ
の活性を維持することができるとともに、特に、CO2
−CH4 反応においてカーボンの生成を抑制して、高効
率かつ長時間の反応が可能となる。請求項2に記載の発
明によれば、0.1μm以下の微細なニッケル粒子をニ
ッケル−マグネシウム酸化物固溶体表面に析出させたた
め、より一層の高活性を確保できるとともに、また、酸
化物固溶体による担体効果がより有効に発揮される。請
求項3に記載の発明によれば、酸化物固溶体を調製し
て、還元処理により酸化物固溶体上に触媒金属の粒子を
析出させて、担持と還元とを同時に行うとともに、触媒
金属が高度に分散された金属担持触媒を作製することが
できる。請求項4に記載の発明によれば、ニッケル−マ
グネシウム酸化物固溶体の酸化ニッケルを還元すること
により、酸化物固溶体を担体とするニッケル担持触媒を
作製することができ、酸化物固溶体を所定のモル比で調
製することにより、ニッケル粒子径及びニッケル析出量
等を制御でき、所望のニッケル担持触媒を作製すること
ができる。請求項5に記載の発明によれば、CH4 −C
O2 反応において、高活性かつ、活性の長時間維持によ
り、熱力学的平衡に近い状態で効率的に反応を進めるこ
とができる。また、副反応であるカーボンの生成を抑制
することができ、カーボン生成による反応器の目詰まり
や、触媒の活性低下をも排除して、円滑かつ効率よく合
成ガスを製造することができる。
【0020】
【実施例】以下に、本発明を具現化した実施例につき、
説明する。以下の実施例では、ニッケル−マグネシウム
酸化物固溶体を調製し、この酸化物固溶体を還元処理し
て得たニッケル担持触媒につき、一定の触媒特性とCO
2−CH4 反応における転換率、合成ガス生成率及びカ
ーボン析出率について試験した。
説明する。以下の実施例では、ニッケル−マグネシウム
酸化物固溶体を調製し、この酸化物固溶体を還元処理し
て得たニッケル担持触媒につき、一定の触媒特性とCO
2−CH4 反応における転換率、合成ガス生成率及びカ
ーボン析出率について試験した。
【0021】I.ニッケル担持触媒の調製 1.酸化物固溶体の調製 酸化物固溶体は、原料として酢酸ニッケル4水和物(J
IS試薬特級)、酢酸マグネシウム4水和物(JIS試
薬特級)を用い、表1のモル比に基づいて調製した水溶
液を、図1に従って滴下熱分解して各酸化物の混合粉末
とし、さらに、仮焼により固溶体化することにより調製
した。また、対照として表1のモル比に基づいて、実施
例と同様の方法により比較例の固溶体を調製した。
IS試薬特級)、酢酸マグネシウム4水和物(JIS試
薬特級)を用い、表1のモル比に基づいて調製した水溶
液を、図1に従って滴下熱分解して各酸化物の混合粉末
とし、さらに、仮焼により固溶体化することにより調製
した。また、対照として表1のモル比に基づいて、実施
例と同様の方法により比較例の固溶体を調製した。
【0022】
【表1】
【0023】なお、滴下熱分解は、全ての実施例及び比
較例において、図2に示す装置により、分解温度750
℃で行った。滴下熱分解は、酢酸塩水溶液をマイクロフ
ィーダーで750℃に加熱された電気炉に移送し滴下し
て、熱分解するものである。また、固溶体調製の際の仮
焼は、実施例1〜4については、仮焼温度1000℃、
10時間、で行った。比較例1については、仮焼温度1
000℃、24時間で行った。このようにして得られた
各種モル比の酸化物固溶体は、粉末状態とされ、図3に
示す電気炉の石英ウール内部に充填した。
較例において、図2に示す装置により、分解温度750
℃で行った。滴下熱分解は、酢酸塩水溶液をマイクロフ
ィーダーで750℃に加熱された電気炉に移送し滴下し
て、熱分解するものである。また、固溶体調製の際の仮
焼は、実施例1〜4については、仮焼温度1000℃、
10時間、で行った。比較例1については、仮焼温度1
000℃、24時間で行った。このようにして得られた
各種モル比の酸化物固溶体は、粉末状態とされ、図3に
示す電気炉の石英ウール内部に充填した。
【0024】2.ニッケル粒子析出のための還元処理 こうして得られた各種モル比の酸化物固溶体を、図3に
示すように、水素ガスを流して水素ガス雰囲気下で、還
元温度1000℃で2時間還元処理を行い、ニッケル粒
子析出させた。
示すように、水素ガスを流して水素ガス雰囲気下で、還
元温度1000℃で2時間還元処理を行い、ニッケル粒
子析出させた。
【0025】II.ニッケル担持触媒の特性試験 1.還元ニッケル量の測定 還元ニッケル量は、上記還元処理後の実施例1〜4及び
比較例1の酸化物固溶体において、還元処理によりニッ
ケルのみが析出したものとして、以下の式から求めた。 還元ニッケル量(%)=析出Ni量/(析出Ni量+残
存(Ni,Mg)O)×100 但し、上記析出Ni量は還元前後の重量差(O2 の脱
離)からNi量に換算して算出した重量である。また、
上記(析出Ni量+残存(Ni,Mg)O)は、還元後
の酸化物固溶体の重量である。
比較例1の酸化物固溶体において、還元処理によりニッ
ケルのみが析出したものとして、以下の式から求めた。 還元ニッケル量(%)=析出Ni量/(析出Ni量+残
存(Ni,Mg)O)×100 但し、上記析出Ni量は還元前後の重量差(O2 の脱
離)からNi量に換算して算出した重量である。また、
上記(析出Ni量+残存(Ni,Mg)O)は、還元後
の酸化物固溶体の重量である。
【0026】2.H2 吸着量の測定 実施例1〜4及び比較例1について、触媒反応に関与す
る活性表面積の評価を行うため、各触媒をパルス吸着法
により、触媒表面にH2 ガスを吸着させて、全H2 ガス
の吸着量を測定した。なお、本測定は、400℃にて実
施した。
る活性表面積の評価を行うため、各触媒をパルス吸着法
により、触媒表面にH2 ガスを吸着させて、全H2 ガス
の吸着量を測定した。なお、本測定は、400℃にて実
施した。
【0027】3.析出Ni粒子径の測定 上記2.H2 吸着量の測定により、金属部分、すなわ
ち、Ni粒子の粒径を以下の式に基づいて算出した。 粒子径(Å)=60000 /{比重×最大面積×(金属分散
度/100 )} 但し、6000 ;球状粒子とした場合の定数 最大面積 ;100 %分散時の面積 [m2/g] 金属分散度;H2 吸着量/1g当たりの析出Niモル数
×100 なお、最大面積とは、金属がとりうる最大の有効面積を
いい、例えばニッケルの場合は、667 m2/g である。
ち、Ni粒子の粒径を以下の式に基づいて算出した。 粒子径(Å)=60000 /{比重×最大面積×(金属分散
度/100 )} 但し、6000 ;球状粒子とした場合の定数 最大面積 ;100 %分散時の面積 [m2/g] 金属分散度;H2 吸着量/1g当たりの析出Niモル数
×100 なお、最大面積とは、金属がとりうる最大の有効面積を
いい、例えばニッケルの場合は、667 m2/g である。
【0028】4.BET比表面積の測定 実施例1〜4及び比較例1の触媒につき、通常の方法に
基づき、BET比表面積を測定した。
基づき、BET比表面積を測定した。
【0029】III 触媒性能の評価 1.CO2 −CH4 反応における評価 実施例1〜4及び比較例1の各触媒について、図3に示
すガス流通式の小型リアクターにて、以下の反応条件で
CO2 −CH4 反応を実施してガスクロマトグラフによ
る出口ガスの組成分析とガス流量の測定を行った。
すガス流通式の小型リアクターにて、以下の反応条件で
CO2 −CH4 反応を実施してガスクロマトグラフによ
る出口ガスの組成分析とガス流量の測定を行った。
【0030】CO2 −CH4 反応の反応条件 反応ガス組成:CO2 /CH4 =1又は2 反応温度 :600、800℃ SV値 :約60000h-1
【0031】反応結果の評価は、以下の計算式により、
CO2 転換率、CH4 転換率、CO生成率、H2 生成率
を算出して行った。 CO2 転換率=(入口CO2 量−出口CO2 量)/入口
CO2 量×100 CH4 転換率=( 入口CH4 量−入口CH4 量)/入口
CO2 量×100 CO生成率=出口CO量/入口CH4 量×100 H2 生成率=出口H2 量/入口CH4 量×100
CO2 転換率、CH4 転換率、CO生成率、H2 生成率
を算出して行った。 CO2 転換率=(入口CO2 量−出口CO2 量)/入口
CO2 量×100 CH4 転換率=( 入口CH4 量−入口CH4 量)/入口
CO2 量×100 CO生成率=出口CO量/入口CH4 量×100 H2 生成率=出口H2 量/入口CH4 量×100
【0032】2.CO2 −CH4 反応におけるカーボン
析出率の測定 実施例1〜4及び比較例1の各触媒について、上記2.
と同様の小型リアクターを用いて、以下の反応条件でC
O2 −CH4 反応を実施して、触媒に付着したカーボン
量を測定した。カーボン析出率測定のためのCO2 −CH4 反応条件 反応ガス組成:CO2 /CH4 =1 反応温度 :800℃ SV値 :約60000h-1 反応時間 :7〜27時間 なお、カーボン量の測定は、反応後の触媒をトータルカ
ーボン分析装置((株)堀場製作所製)にて行い、カー
ボン析出率(%/total CH4)は、以下の計算式により
総メタン量に対するカーボン量の比率として算出した。
なお、総CH4 量は、CH4 流量と反応時間とから算出
した。 カーボン析出率( %/CH4 ) =カーボン量(mol)
/総CH4 量(mol)×100
析出率の測定 実施例1〜4及び比較例1の各触媒について、上記2.
と同様の小型リアクターを用いて、以下の反応条件でC
O2 −CH4 反応を実施して、触媒に付着したカーボン
量を測定した。カーボン析出率測定のためのCO2 −CH4 反応条件 反応ガス組成:CO2 /CH4 =1 反応温度 :800℃ SV値 :約60000h-1 反応時間 :7〜27時間 なお、カーボン量の測定は、反応後の触媒をトータルカ
ーボン分析装置((株)堀場製作所製)にて行い、カー
ボン析出率(%/total CH4)は、以下の計算式により
総メタン量に対するカーボン量の比率として算出した。
なお、総CH4 量は、CH4 流量と反応時間とから算出
した。 カーボン析出率( %/CH4 ) =カーボン量(mol)
/総CH4 量(mol)×100
【0033】実施例1〜4及び比較例1で得た触媒につ
いて、上記IIの触媒特性の評価結果及び上記III の触媒
の性能評価結果を表2ないし表5に示す。
いて、上記IIの触媒特性の評価結果及び上記III の触媒
の性能評価結果を表2ないし表5に示す。
【0034】
【表2】
【0035】
【表3】 *CO2 +CH4 →2CO+2H2 反応の平衡値であ
る。
る。
【0036】
【表4】 *CO2 +CH4 →2CO+2H2 とCO2 +H2 →C
O+H2 Oとの併発反応の平衡値である。
O+H2 Oとの併発反応の平衡値である。
【0037】
【表5】
【0038】表2の結果から明らかなように、実施例1
〜4及び比較例1においてマグネシウムが多いほど、ニ
ッケル還元量が少なく、また、Ni粒子径が小さかっ
た。この結果は、図5及び図6に示すSEM観察結果に
対応するものであった。BET比表面積は、実施例4
(Ni:Mg =7:3 )を最低とし、実施例1、2、3及び比
較例1において、それより大きな値をとっている。これ
は、モル比によって触媒の形状が変化するためである。
すなわち、実施例1〜4ではニッケル粒子が固溶体表面
に析出した構造を有し、実施例4では、Ni粒子径が最
も大きくなるためであり、比較例1では固溶体自身が多
孔構造をとるためである。なお、図5(a)及び(b)
では、粒形状を維持した固溶体粒子表面に0.1μm以
下の微細Ni粒子が析出した触媒構造が観察されてお
り、図6では固溶体粒子が0.1μm前後のニッケル粒
子の析出により多孔構造化した触媒となっていることが
観察されている。
〜4及び比較例1においてマグネシウムが多いほど、ニ
ッケル還元量が少なく、また、Ni粒子径が小さかっ
た。この結果は、図5及び図6に示すSEM観察結果に
対応するものであった。BET比表面積は、実施例4
(Ni:Mg =7:3 )を最低とし、実施例1、2、3及び比
較例1において、それより大きな値をとっている。これ
は、モル比によって触媒の形状が変化するためである。
すなわち、実施例1〜4ではニッケル粒子が固溶体表面
に析出した構造を有し、実施例4では、Ni粒子径が最
も大きくなるためであり、比較例1では固溶体自身が多
孔構造をとるためである。なお、図5(a)及び(b)
では、粒形状を維持した固溶体粒子表面に0.1μm以
下の微細Ni粒子が析出した触媒構造が観察されてお
り、図6では固溶体粒子が0.1μm前後のニッケル粒
子の析出により多孔構造化した触媒となっていることが
観察されている。
【0039】また、H2 吸着量は、実施例1〜4及び比
較例1の他の特性値にかかわらず、ほぼ一定である。こ
れは、H2 吸着量は、比表面積の他、Ni還元量に比例
するものでもあるからである。したがって、実施例1〜
4ならびに比較例1は、いずれも高活性を有しているこ
とが確認できた。
較例1の他の特性値にかかわらず、ほぼ一定である。こ
れは、H2 吸着量は、比表面積の他、Ni還元量に比例
するものでもあるからである。したがって、実施例1〜
4ならびに比較例1は、いずれも高活性を有しているこ
とが確認できた。
【0040】さらに、CO2 /CH4 =1の場合、表3
の転換率及び生成率の結果から、800℃の反応温度に
おいては実施例1〜4及び比較例1の触媒により、CO
2 −CH4 反応においてほぼ平衡値が達成されており、
作製された触媒のCO2 −CH4 反応における高活性を
確認できた。反応温度600℃では、実施例2及び比較
例1について、高活性を確認できた。ただし、比較例1
について、転換率が大きいのは、CH4 の分解による寄
与があると考えられる。
の転換率及び生成率の結果から、800℃の反応温度に
おいては実施例1〜4及び比較例1の触媒により、CO
2 −CH4 反応においてほぼ平衡値が達成されており、
作製された触媒のCO2 −CH4 反応における高活性を
確認できた。反応温度600℃では、実施例2及び比較
例1について、高活性を確認できた。ただし、比較例1
について、転換率が大きいのは、CH4 の分解による寄
与があると考えられる。
【0041】CO2 /CH4 =2の場合、表4に示す結
果から、600℃及び800℃の反応温度のいずれにお
いても、実施例1〜4及び比較例1の触媒の高活性を確
認することができた。
果から、600℃及び800℃の反応温度のいずれにお
いても、実施例1〜4及び比較例1の触媒の高活性を確
認することができた。
【0042】次に、表5及び図4に示す結果から、これ
らの触媒のCO2 −CH4 反応のカーボン析出抑制効果
を確認することができた。すなわち、実施例1〜4にお
いて、カーボン析出率はMgO含量の増加とともに減少
され、実施例3(Ni:Mg =5:5)で、カーボン析出率0.
1%/CH4 を達成できることが確認でき、実施例1〜
4の触媒においては、高活性を有すると同時に、カーボ
ン析出抑制効果の高いことを確認できた。したがって、
実施例1〜4においては、触媒層の閉塞を起こすことな
く、長期間にわたり高活性を維持してCO2 −CH4 反
応を実施することができる。これに対し、比較例1で
は、2%を超えるカーボン析出率が観察され、高活性を
有するものの、CO2 −CH4 反応には、他の実施例1
〜4よりも不適当であった。
らの触媒のCO2 −CH4 反応のカーボン析出抑制効果
を確認することができた。すなわち、実施例1〜4にお
いて、カーボン析出率はMgO含量の増加とともに減少
され、実施例3(Ni:Mg =5:5)で、カーボン析出率0.
1%/CH4 を達成できることが確認でき、実施例1〜
4の触媒においては、高活性を有すると同時に、カーボ
ン析出抑制効果の高いことを確認できた。したがって、
実施例1〜4においては、触媒層の閉塞を起こすことな
く、長期間にわたり高活性を維持してCO2 −CH4 反
応を実施することができる。これに対し、比較例1で
は、2%を超えるカーボン析出率が観察され、高活性を
有するものの、CO2 −CH4 反応には、他の実施例1
〜4よりも不適当であった。
【図1】酸化物固溶体からニッケル担持触媒を作製する
ための工程図である。
ための工程図である。
【図2】滴下熱分解装置の概念図である。
【図3】CO2 −CH4 反応のためのリアクターの概念
図及び触媒部の拡大図である。
図及び触媒部の拡大図である。
【図4】固溶体のNi−Mgモル比とカーボン析出率と
の関係を示したグラフ図である。
の関係を示したグラフ図である。
【図5】ニッケル−マグネシウム酸化物固溶体(Ni:
Mg=3:7)から作製される触媒の微細構造を示す図
であり、(a)は、10000倍観察下での電子顕微鏡
写真であり、(b)は,50000倍観察下での電子顕
微鏡写真である。
Mg=3:7)から作製される触媒の微細構造を示す図
であり、(a)は、10000倍観察下での電子顕微鏡
写真であり、(b)は,50000倍観察下での電子顕
微鏡写真である。
【図6】ニッケル−マグネシウム酸化物固溶体(Ni:
Mg=8:2)から作製される触媒の微細構造を示す図
であり、10000倍観察下での電子顕微鏡写真であ
る。
Mg=8:2)から作製される触媒の微細構造を示す図
であり、10000倍観察下での電子顕微鏡写真であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福井 武久 愛知県名古屋市熱田区六野二丁目4番1号 財団法人ファインセラミックスセンター 内 (72)発明者 佐久間 かおり 愛知県名古屋市熱田区六野二丁目4番1号 財団法人ファインセラミックスセンター 内
Claims (5)
- 【請求項1】 触媒金属を含んだ酸化物固溶体を担体と
し、この担体表面に前記触媒金属を析出させた活性部位
を有する金属担持触媒であって、 前記酸化物固溶体は酸化マグネシウム及び酸化ニッケル
を主としてなり、この酸化物固溶体におけるニッケルと
マグネシウムのモル比(ニッケル:マグネシウム)が、
1:9〜7:3であることを特徴とする金属担持触媒。 - 【請求項2】 請求項1において、前記酸化物固溶体表
面に粒径0.1μm以下のニッケル粒子が析出したこと
を特徴とする金属担持触媒。 - 【請求項3】 金属担持触媒の作製方法であって、 触媒金属を含んだ酸化物固溶体を調製する工程と、 この酸化物固溶体を還元処理して酸化物固溶体表面に触
媒金属粒子を析出させる工程、 とからなることを特徴とする金属担持触媒の作製方法。 - 【請求項4】 請求項3において、 ニッケルとマグネシウムのモル比(ニッケル:マグネシ
ウム)が1:9〜7:3である酸化ニッケルと酸化マグ
ネシウムとの酸化物固溶体を調製することを特徴とする
金属担持触媒の作製方法。 - 【請求項5】 請求項1に記載の金属担持触媒の存在下
で、CH4 を主成分とする低級炭化水素を含むガスとC
O2 を含むガスとを反応させることを特徴とする合成ガ
スの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6242159A JPH0871421A (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 金属担持触媒、金属担持触媒の作製方法及び金属担持触媒を用いた合成ガスの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6242159A JPH0871421A (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 金属担持触媒、金属担持触媒の作製方法及び金属担持触媒を用いた合成ガスの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0871421A true JPH0871421A (ja) | 1996-03-19 |
Family
ID=17085213
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6242159A Pending JPH0871421A (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 金属担持触媒、金属担持触媒の作製方法及び金属担持触媒を用いた合成ガスの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0871421A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012115728A (ja) * | 2010-11-29 | 2012-06-21 | Gunma Univ | 触媒及びその製造方法 |
| KR101280574B1 (ko) * | 2011-09-30 | 2013-07-02 | 전북대학교산학협력단 | NiO-MgO 고용체 나노촉매 및 이의 제조방법 |
| CN115485353A (zh) * | 2020-05-04 | 2022-12-16 | 英飞纳姆科技有限责任公司 | 用于由二氧化碳和氢气直接生产液体燃料的改进的催化剂和工艺 |
-
1994
- 1994-09-08 JP JP6242159A patent/JPH0871421A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012115728A (ja) * | 2010-11-29 | 2012-06-21 | Gunma Univ | 触媒及びその製造方法 |
| KR101280574B1 (ko) * | 2011-09-30 | 2013-07-02 | 전북대학교산학협력단 | NiO-MgO 고용체 나노촉매 및 이의 제조방법 |
| CN115485353A (zh) * | 2020-05-04 | 2022-12-16 | 英飞纳姆科技有限责任公司 | 用于由二氧化碳和氢气直接生产液体燃料的改进的催化剂和工艺 |
| JP2023528731A (ja) * | 2020-05-04 | 2023-07-06 | インフィニウム テクノロジー,エルエルシー | 二酸化炭素及び水素から液体燃料を直接生産するための改良された触媒及びプロセス |
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