JPH09500054A - 合成ガスを生成するための触媒 - Google Patents

合成ガスを生成するための触媒

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JPH09500054A JP6522634A JP52263494A JPH09500054A JP H09500054 A JPH09500054 A JP H09500054A JP 6522634 A JP6522634 A JP 6522634A JP 52263494 A JP52263494 A JP 52263494A JP H09500054 A JPH09500054 A JP H09500054A
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セスハン,クラトゥ‐イェル
ロス,ジュリアン・リチャード・エイチ
メルセラ,パトリック・デニス・エル
ズー,エルゼンク
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Mannesmann AG
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、少なくとも80重量%のZrO2を有する担体物質と、Y,La,Al,Ca,Ce及びSiから成る群からの酸化物と、第VIII群の金属を有するコーティング層とから成る、CO2及びCH4及び/又は別の軽量の炭化水素の反応により合成ガス(COとH2との混合気)を生成するための触媒に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 合成ガスを生成するための触媒 本発明は、CO2及びCH4及び/又は別の軽量の炭化水素からCOとH2との 形の合成ガスを生成するための触媒に関する。 石炭、天然石油、天然ガス、又はこれらから生成された二次燃料の形の化石燃 料の燃焼は、主に工業国で行われ、このような燃焼により、大気の中のCO2濃 度が、増加する。CO2は、いわゆるグリーンハウスガスに所属するので、比較 的僅かしか濃度が増加しなくとも、地球的規模で影響する気候変化をもたらす。 既に、大気の平均温度の上昇が、観察されており、これからの数年の間に、更に 温度が、上昇することが予測され、このような温度上昇により、例えば干ばつ、 洪水、暴風等の自然災害が、より頻繁に発生し、より激しくなる。従って、少な くとも、CO2濃度の更なる増加の速度を減少するため、一層の努力が、要求さ れる。第1に、エネルギー消費量の抑制が、努力されている。例えば、いくつか の国では、エネルギー税の導入が、検討され、この税の額は、エネルギー消費の 際に放出されたCO2の量により決まる。CO2の放出を減少する別の1つの方法 は、このガスを、再利用に供給する、すなわち、例えば別の生成物を生成するた めに利用することにある。 一連の化学プロセスで、合成ガス(CO+H2)が使用される。このような合 成ガスは、異なる方法で生成される。最も頻繁に利用される方法は、メタンの改 質から成る。この場合、次式によりH2/CO比が3の生成物が、生成される。 CH4+H2O → CO+3H2 2/CO比は、CH4投入量に対してH2Oの投入量を増加させ、次いで、次 式のCOシフト反応により、更に高い値にシフトできる。 CO+H2O → CO2+H2 このようにして生成された合成ガスは、とりわけ、メタノールの合成に適し、 メタノールは更に、別の石油化学製品に転化できる。 メタノールを酸素により部分酸化することによっても、合成ガスを生成でき、 この方法は、H2/CO比が2であることを特徴とする。 CH4+0.5O2 → CO+H2 このような合成ガスは、とりわけ、F・T(フィッシャー・トロプシュ)合成 が、適し、フィッシャー・トロプシュ合成は、H2/CO比が約1.7〜2.5 であることが、必要である。 オキソアルコールの生成は、合成ガスの別の1つの重要な用途である。オキソ アルコールは、αオレフィンのヒドロホルミン化により、次の反応式により生成 される。 CH3−CH2−CH2−CH=CH2+CO+H2 → CH3−CH2−CH2−CH2−CHO アルデヒドは、次いで、水素化(水素添加)され、これにより、所望のアルコ ールが、生成される。この生成法では、H2/CO比が、約1であることが、必 要である。このような合成ガスを生成する1つの方法に、炭素のガス化の方法が ある。 1のH2/CO比を有するこのような合成ガスを生成する別の1つの方法に、 CO2をCH4により、次式のように転化する方法がある。 CO2+CH4 → 2CO+2H2 この転化が、例えば500℃で、かつ高圧の下で、かつ触媒の存在の下で、行 われることは、公知である。このような方法は、これまで、実際の上で重要でな かったので、この問題に関しては僅かな論文しか存在しない(例えばChem.Eng. Science,1988,Nr.11,3049〜3062頁、及び、Chem.Eng.Science,1989,Nr 12,2825〜2829頁)。適切な触媒として、Ni,Pt,Rh及びPdが、記載さ れ、これらの元素は、それぞれ1つの担体物質の上に被着され、担体物質は、A l23又はSiO2から成る。実験室での実験で、このような触媒の基本的な効 率は、容易に証明できる。しかし、商用用途には適しない。その理由は、触媒作 用により、次のような望ましくない副反応が、発生することにある。 2CO → C+CO2 (ブードアル反応) CH4 → C+2H2 (メタンクラッキング) CO+H2 → C+H2O (CO還元) これらの副反応は望ましくない。何故ならばこのような副反応により、炭素が 生成されて触媒に付着し(着炭)触媒の効率を劣化する(不活性化)からである 。着炭は、CH4投入量のために必要な化学量論的理論量を超えてCO2量を極端 に増加させることにより、確かに減少できるが、しかし、そのようにすると、必 然的に発生合成ガスから過剰な大量のCO2を分離し、このCO2をプロセスの 中に戻すことが、必要となる。このような方法の経済性は、このために必要な付 加的なコストに起因して、初めから疑問視されていた。 着炭の傾向を低減するために、CO2とCH4との間の反応を、水蒸気の存在の 下に行わせることが公知である。この方法も付加的なコストがかかり、しかも技 術面で本当に満足できる結果をもたらさない。 ドイツ特許出願公開第4102185号公報から、CO2により軽量の炭化水 素を改質することにより合成ガスを生成する触媒系が公知である。この場合、触 媒として作用するコーティング物質として、金属、又は、白金族の複数の金属の 化合物が、使用される。有利な金属として、ロジウム、ルテニウム、イリジウム が記載されている。これらの金属は、酸化物の担体物質に被着され、担体物質は 、Al,Mg,Zr,Si,Ce及び/又はLaの群から選択される。実施例は 、2つの担体物質MgO2及びAl23に制限されている。担体物質にコーティ ング物質を被着する前に、担体物質は前処理で砂状にされる。コーティング物質 を被着する際、使用物質は固相・液相不均一系反応により化学的に転化される。 その際、CO雰囲気又は不活性ガス雰囲気が維持されなければならない。次いで 、このようにして得られた物質は、公知の方法で乾燥され、か焼される。このよ うな特別の方法でこの触媒系を製造することにより、着炭の傾向を大幅に低減す ることが、意図されている。 本発明の課題は、CO2及びH2の収率を高くするために充分に活性であるだけ でなく、充分に長い時間、許容されない程に強く着炭することを防止する、すな わち、CO2及びCH4の投入量が化学量論的理論値に比較的近く位置する場合す なわちCO2/CH4比(モル重量)が約1の場合であるとしても、長い間にわた り充分に活性である触媒を提供することにある。反応中に水蒸気を使用すること はできるだけ行わないことが意図されている。 上記課題は、本発明により、請求の範囲第1項の特徴部分に記載の特徴により 解決される。本発明の有利な実施例は、第2項〜第7項に記載されている。 実験で、γAl23担体物質に被着されたNi(5重量%)から成る触媒は、 非常に良好な触媒効果を示し、その都度の温度で熱力学平衡の近辺の転化率を示 した。しかし、例えば500℃の反応温度で、触媒は、最短時間で、着炭により 不活性化された。これに対して対応するγAl23を基礎とするNi触媒は問題 となる程の着炭は示さなかったが、大幅に効率が悪い。この触媒は、その都度の 温度で、熱力学平衡に対応する値の20%の領域内の転化率しか許容しなかった 。同様にγAl23担体物質に被着されたPt(2重量%)から成る触媒は、そ の活性の面で良好な結果を示した。CH4に対する転化率は、650℃の反応温 度で90%と非常に高いが(文献では、850℃の温度で100%の転化率が記 載されている(A.T.Aschcroft,A.K.Cheetham,M.L.H.Green,P.D.F.Vernon 著“二酸化炭素を用いて、メタンを部分酸化して、合成ガスを生成する”,Natu re誌,Vol.352,1991年7月18日))、しかし、8時間使用すると触媒の不活性 化が検出された。同様のことが、SiO2担体物質を基礎とする触媒にも当ては まる。 従って、実験でとりわけ熱的に安定化されたZrO2を基礎とするNi触媒又 はPt触媒が優れた適性を得たことは、予測外であった。これらの触媒は満足の いく活性値を示しただけでなく、水蒸気を使用しなくとも、着炭による不活性化 に対する長時間の耐性を示した。この場合、5%Ni/ZrO2は、その都度の 温度で、熱力学平衡の約50%のCH4転化率を示し、例えば500℃で長時間 にわたり問題となる程の着炭を示さなかった。更に明瞭により良好である、すな わち、熱力学平衡による値に近いCH4転化率(650℃で例えば90%)が2 %Pt/ZrO2固定床触媒において得られ、この場合CO2転化率は55%であ り、COに対する触媒の選択性は100%であった。100稼動時間の後でも目 につく着炭は検出されなかった。 本発明は、とりわけ、主にZrO2から成る熱的に安定化された担体物質を基 礎とするPt触媒及びNi触媒(少なくとも80重量%、有利には90重量%) が良好な活性値を示すだけでなく、着炭による不活性化に対する優れた耐性を示 すことを示す。コーティング層の重量%は最大7%にできる。Pt触媒では、コ ーティング層は、0.1〜5%、有利には0.1〜2.0%の重量%である。N i触媒においては、重量%は、有利には0.5〜5.0%である。複数の触媒物 質(周期系の第VIII群の別の元素、例えばPd,Co)も担体物質に被着できる 。とりわけ、例えば0.1〜2.0重量%が、2〜5重量%のNiにおいて有利 である。ptとPdとの組合せも有利である。 本発明にとって重要な点は、主にZrO2から成る担体物質の使用である。し かし、化学的に純粋なZrO2は500℃を越える温度で強い焼結傾向を示し、 これは望ましくない。担体物質は、元素Y,La,Ce,Si,Ca又はAlの 1つ又は複数の酸化物の形の0.5〜10モル%の付随物質の混入により熱的に 安定化される、すなわち、その焼結傾向は所定の使用温度において低減される。 予測外なことに担体物質の中にY,La又はCeが存在することにより触媒の効 率も更に高くなった。 本発明の触媒の製造は、担体物質を得るために、まず初めにZrO2が最大6 70℃でか焼され、熱的安定化剤(例えばY23)と混合される。触媒として作 用するコーティング物質を被着することは、純粋に物理的に公知の乾式含浸法又 は湿式含浸法により行われる。このとき溶媒の中に錯化合物として存在するコー ティング物質が担体物質に吸着される。次いで、溶媒が、(例えば負圧において 熱的乾燥により)蒸発される。このようにして得られた触媒物質は次いで最大8 00℃で再びか焼される。 CO/H2合成ガスの生成は本発明の触媒の使用の下に400〜900℃の温 度、有利には700〜900℃の温度で行われる。反応の際の圧力は1〜30バ ールであり、有利には10〜20バールである。CO2及びCH4の使用量の互い に対する適合調整は、CO2/CH4のモル重量比が0.5〜4であるように行わ れ、その際0.5〜1.5の領域、とりわけ値1が、有利である。着炭傾向を低 減するために水蒸気を使用することは不要である。 以下の実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。この場合、CO2及 びCH4に対する転化率と、CO収率及びCO選択性をもって有効性の判断基準 とする。 これらの大きさは、次のように定義される。 CO2転化率=(1−(生成物の中のCO2のモル)/(投入物質の中のC O2のモル))×100% CH4転化率=(1−(生成物の中のCH4のモル)/(投入物質の中のC H4のモル))×100% CO選択性=((生成物の中のCOのモル)/(生成物の中のすべてのC 含有成分のモル))×100% CO収率=(1−(CH4のモル+生成物の中のCO2のモル)/(CH4 のモル+投入物質の中のCO2のモル))×CO選択性% 前もって、以下の測定結果において、CO2及びCH4に対する転化率が、異な る条件の下で、CO2/CH4反応式を用いての純粋な計算の上から予測されるの とは異なり1:1ではなかったことを指摘しておく。その原因は付加的に次の副 反応が発生したことにあり、この副反応は着炭現象を引き起こさなかったが、 しかし、CO2がCOに転化する割合を高めた。 CO2+H2 → CO+H2O 第1図〜第6図は、それぞれ異なる実験条件の下でのCO2及びCH4に対する 転化率とCO収率とを示す線図である。例1 湿式含浸法(初期湿潤法(incipient wetness method))により、触媒が製造され た。このために5gの単斜ZrO2が650℃で15時間にわたり空気でか焼さ れ、熱的に安定化され、ペレットに圧縮成形され、次いで、0.3〜0.6mm の粒度の粒子に破砕される。この物質は、33m2/gのBET(Brunauer-Emmet -Teller)表面と、0.17cm3/gのかさ体積とを有する。次いでこの物質は 5cm3の水性H2PtCl4×H2O溶液(0.02gのPt/cm3)により回 転蒸発器の中で60℃で処理される。次いで触媒は110℃で4時間にわたり乾 燥され、次いで更に15時間にわたり650℃でか焼される。 一連の実験で300mg(0.8cm3)のこの粒子状触媒が170cm3/m inの投入貫流ガス流で約400〜620℃の温度領域内で調べられた。投入ガ スは、1:3.9のCH4/CO2比を有し、固定床触媒を下方から上方へ貫流す る。得られた生成物の組成は、後述の例の場合と同様、活性炭カラムを有するガ スクロマトグラフの中で調べられた。これは、表1に示されている測定値をもた らした。350℃より高い温度ではCH4に対して非常に良好な転化率が得られ る。注目すべき点は、この場合COに対する触媒の選択性すなわち反応選択性が 実際の上で100%であったことである。この効果は間接的に第1図にも示され 、第1図は611℃の温度に対してCO2及びCH4の転化率とCO収率と の長い時間にわたり経過を示す。触媒の効果が500稼動時間経過した後でも非 常に高い値を有することが明瞭に分かる。例えばCH4に対する転化率は初期の 約62%から約57%に低下しただけである。これは着炭が非常に僅かなままで あったことを意味する。 (表1)例2 例1と同じ方法でPt触媒が製造された。この触媒は担体物質としてZrO2 −Y23を有し、Zr22は2モル%のY23を含有する。この触媒は例1と同 様の条件の下に実験され、表2に示されている結果をもたらした。この場合、例 えば550℃を越える温度では、CO2転化率及びCO収率に関して第1の例に 比して僅かに良好な値が得られた。 (表2)例3 例1と同じ方法でpt触媒が製造された。このPt触媒は担体物質としてZr O2−La23を有し、ZrO2は3モル%のLa23を含有する。この触媒も、 例1と同様の条件の下で実験され、表3に示されている結果をもたらした。この 触媒は、すべての温度領域内で、CO2転化率に関してもCO収率に関しても第 1の例の触媒に比して大幅に良好な値をもたらした。 (表3)例4 別の1つの実験では、第1の例の条件が、変形された。この変形では、投入物 質が1:2.15のCH4/CO2比を有する。投入物質の中のCH4成分の割合 がより大きいので、これにより必然的にCH4転化率が相応して減少した。しか し、重要な点はCO2転化率とCO収率とが温度領域内全体にわたり大幅に例1 の対応する値を越えることにあり、これは表4の値により示されている。 (表4)例5 表5に示されている実験結果は、例1の触媒に対して求められ、この場合、投 入物質は、1:1.09のCH4/CO2比を有し、この比は、実際の上で、理論 混合比に対応する。CH4転化率の値と、CO収率の値とは、さらに例4に比し て良好である。 (表5)例6 乾燥含浸法(dry impregnation method)により別の触媒が製造された。このた めに、4gの単斜ZrO2が850℃で15時間にわたり空気でか焼され、熱的 に安定化され、ペレットに圧縮成形され、次いで0.3〜0.6mmno粒度の 粒子に破砕された。この物質は、33m2/gのBET表面と、0.17cm3/ gのかさ体積とを有する。次いでこの物質は、1.74cm3の水性Ni(NO3 2×H2O溶液(2モル/dm3)により、回転蒸発器の中で80℃で処理され る。次いで、触媒は、120℃で4時間にわたり乾燥され、次いで、19 時間にわたり650℃でか焼される。 このようにして粒子状の5重量%のNi/ZrO2触媒が製造された。そのう ち300mg(0.8cm3)が、170cm3/minの投入貫流ガス流で約4 00〜620℃の温度領域内で調べられた。投入ガスは、1:3.9のCH4/ CO2比を有し、固定床触媒を下方から上方へ貫流する。得られた生成物の組成 は、活性炭カラムを有するガスクロマトグラフの中で調べられる。約540〜5 50℃の温度領域内の温度までは、この触媒の効率は表1との比較から分かるよ うに第1の例の触媒の効率に比して僅かに優れている。より高い温度では状況は 逆転する。寿命実験では、前述の条件の下で801℃の実験温度で第2図に示さ れている結果が得られた。CO2及びCH4に対する得られた転化率とCO収率は 、確かに使用時間が増加するにつれて減少したが、50稼動時間の後でも非常に 高い値を示した。これはこの場合にも無視できない程の着炭が発生せず、COに 対する触媒の選択性がほぼ100%であったことを意味する。 (表6)例7 例6の触媒は投入ガスのCH4/CO2比が1:1.09であるとの条件の下で も調べられた。この場合、触媒は、表7から分かるように、表6に比して約45 0℃までは、前より良好な結果を示した。しかし、更に高い温度では、障害すな わち着炭現象が、発生した。この障害は、Pt−ZrO2触媒では、実際の上で 完全に完全に回避できる。しかし、それでも、より高い温度ではこのように着炭 が検出されたにもかかわらず、Ni−ZrO2触媒は、例えばAlO3担体物質を 有するNi触媒に比して大幅に良好な安定特性を示す。AlO3担体物質を有す るNi触媒は、大幅により急速に不活性化される。 (表7)比較例1 例1と同様にして、従来のpt触媒が製造された。ZrO2の代りに5gのA l23が使用され、同様にこれから、0.3〜0.8mmの粒度の粒子状担体物 質が形成される。この物質は大幅により広いBET表面すなわち103m2/g を有し、大幅に小さいかさ体積すなわち0.04cm3/gを有する。触媒コー ティング層は例1と同様に形成され、これにより1重量%のPt/Al23触媒 が製造される。例1と同一の実験条件の下で表8に示されている測定値が得られ る。これらの測定値は確かに表1に示されている本発明の例1の測定値に比して 大きい。しかし重要な点はこの従来の触媒が最短の時間で着炭により不活性化さ れたことである。これは、第3図、第4図及び第5図から分かり、これらの図は CO2及びCH4に対する転化率又はCO収率を第1及び第1の温度周期のみで横 軸に示しているにすぎない。これらの図からこの触媒は、ただ1つの温度周期の 経過後に既に、約600℃の温度領域内まで、実際の上で完全に不活性化されて いる、すなわち使用不能となっている。 (表8)比較例2 まず初めに比較例1と同様の方法で、0.3〜0.6mmの粒度のγ−Al2 3の担体物質が製造された。次いでこの物質は10cm3の水性のNi(NO3 )×6H2O溶液により60℃で回転蒸発器の中で処理され、これにより10重 量%のNi/γ−Al23触媒が製造された。含浸の後、触媒は、例1と同 様、4時間にわたり110℃で乾燥され、次いで15時間にわたり650℃でか 焼された。第6図には、第1の温度周期でのCO4転化率及びCH4転化率とCO 収率とが示されている。約500℃の温度でこの第1の周期で既に急速に不活性 化が発生し、従って、このようなNi触媒は、実際の稼動には使用できない。
【手続補正書】特許法第184条の8 【提出日】1995年3月9日 【補正内容】 請求の範囲(補正) 1. 酸化物の担体物質と、金属Pt,Ni,Pd,Coのうちの少なくとも 1つから成る0.1〜7.0重量%のコーティング層とから成る、CO2及びC H4及び/又は別の軽量の炭化水素の反応により合成ガス(COとH2との混合気 )を生成するための触媒において、 − 担体物質が、少なくとも80重量%、有利には少なくとも90重量 %、ZrO2から成り、前記担体物質は、コーティング層を形成する前に最大6 70℃でか焼され、 − 前記担体物質が、Y,La,Al,Ca,Ce及びSiから成る群 からの1つ又は複数の酸化物を0.5〜10モル%の割合だけ混入することによ り、熱的に安定化され、 − 前記コーティング層の形成が、公知の乾式含浸法又は湿式含浸法に より、錯化合物として溶媒の中に存在するコーティング物質が純粋に物理的に吸 着され、次いで溶液を蒸発させることにより行われ、このようにして得られた物 質が最後に最大650℃でか焼されることを特徴とする合成ガスを生成するため の触媒。 2. コーティング層が、ptと、0.1〜5重量%の最終生成物触媒とから 成ることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒 。 3. コーティング層が、0.1〜2重量%であることを特徴とする請求の範 囲第2項に記載の合成ガスを生成するための触媒。 4. コーティング層が、Niから成り、0.5〜5重量%であることを特徴 とする請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒。 5. コーティング層が、少なくともptとNiとから成ることを特徴とする 請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒。 6. Ptの量が、0.1〜2重量%であり、Niの量が、2〜5重量%であ ることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒。 7. コーティング層が、少なくともptとPdとから成ることを特徴とする 請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AU,BB,BG,BR,BY,CA, CN,CZ,FI,GE,HU,JP,KG,KP,K R,KZ,LK,LV,MD,MG,MN,MW,NO ,NZ,PL,RO,RU,SD,SI,SK,TJ, UA,US,UZ,VN (72)発明者 ロス,ジュリアン・リチャード・エイチ アイルランド国、ペリー・スクエア、ペリ ー・コート、アパートメント 25 (72)発明者 メルセラ,パトリック・デニス・エル オランダ国、エヌエル‐7511 エルデー エンシェーデ、クレーメルスマーテ 160 (72)発明者 ズー,エルゼンク オランダ国、エヌエル‐7514 ゼットウェ ーエンシェーデ、ベゴニアストラート 35

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 酸化物の担体物質と、化学元素の周期律表の第VIII群の金属のうちの少 なくとも1つから成る0.1〜7.0重量%のコーティング層とから成る、CO2 及びCH4及び/又は別の軽量の炭化水素の反応により合成ガス(COとH2と の混合気)を生成するための触媒において、 − 担体物質が少なくとも80重量%、有利には少なくとも90重量% 、ZrO2から成り、前記担体物質は、コーティング層を形成する前に最大67 0℃でか焼され、 − 前記担体物質が、Y,La,Al,Ca,Ce及びSiから成る群 からの1つ又は複数の酸化物を0.5〜10モル%の割合だけ混入することによ り、熱的に安定化され、 − 前記コーティング層の形成が、公知の乾式含浸法又は湿式含浸法に より、錯化合物として溶媒の中に存在するコーティング物質が純粋に物理的に吸 着され、次いで溶液を蒸発させることにより行われ、このようにして得られた物 質が最後に最大800℃でか焼されることを特徴とする合成ガスを生成するため の触媒。 2. コーティング層が、ptと、0.1〜5重量%の最終生成物触媒とから 成ることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒 。 3. コーティング層が、0.1〜2重量%であることを特徴とする請求の範 囲第2項に記載の合成ガスを生成するための触媒。 4. コーティング層が、Niから成り、0.5〜5重量%であることを特徴 とする請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒。 5. コーティング層が、少なくともPtとNiとから成ることを特徴とする 請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒。 6. Ptの量が、0.1〜2重量%であり、Niの量が、2〜5重量%であ ることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒。 7. コーティング層が、少なくともPtとPdとから成ることを特徴とする 請求の範囲第1項に記載の合成ガスを生成するための触媒。
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