説明

金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法

【課題】金属ナノ粒子を酸化金属繊維上で直接合成して担持させることにより触媒としての改質・浄化性能を向上させることができるペーパー状触媒の製造方法を提供する。
【解決手段】湿式抄紙法により酸化金属繊維を抄き込んだペーパー状構造体を得る構造体生成工程S1と、該構造体生成工程S1により得られたペーパー状構造体を触媒としての金属を含有した溶液内に浸漬処理し、イオン化傾向の差を利用して酸化金属繊維上に触媒としての金属を付着させる浸漬工程S2と、該浸漬工程S2で浸漬処理されたペーパー状構造体を還元処理することにより、酸化金属繊維上に付着させた触媒としての金属をナノ粒子化させる還元工程S4とを経ることにより、金属ナノ粒子を当該酸化金属繊維上で直接合成して担持させた製造方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属ナノ粒子を酸化金属繊維上で直接合成して担持させた金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、触媒燃焼に用いられる触媒は、ハニカム状に折り曲げ形成されたセラミックスにおける気孔(ハニカム形状が成す連通孔)内表面に担持され、当該気孔を原料ガスが通過することによって触媒の反応を促進するよう構成されていた。かかるセラミックスは、例えばシリカ、アルミナ、マグネシアなどを原料として成形及び焼成して成るものであり、その表面に触媒粒子と酢酸とを湿式解砕にて作成したスラリーをコーティングすることにより所望の触媒構造体を得ていた。
【0003】
然るに、成形性及び触媒の反応効率を向上させる観点から、触媒構造体をペーパー状に成形する技術が、例えば特許文献1によって開示されている。この文献で開示された技術によれば、金属触媒及びセラミックス繊維を所定量の水に十分分散させ、コロイダルシリカや硫酸アルミニウム等を添加した後、湿式抄紙法を用いてセラミックスペーパー(即ち、ペーパー状の触媒構造体)を得ていた。
【特許文献1】特開平6−134307号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記従来のペーパー状触媒の製造方法においては、湿式抄紙法にてペーパー状触媒構造体を得る過程で、触媒としての粉末金属を凝集剤を用いて分散・担持させる必要があり、粉末金属自体が凝集して触媒としての改質・浄化性能が低下してしまうという問題があった。
【0005】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、金属ナノ粒子を酸化金属繊維上で直接合成して担持させることにより触媒としての改質・浄化性能を向上させることができる金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1記載の発明は、湿式抄紙法により酸化金属繊維を抄き込んだペーパー状構造体を得る構造体生成工程と、該構造体生成工程により得られたペーパー状構造体を触媒としての金属を含有した溶液内に浸漬処理し、イオン化傾向の差を利用して酸化金属繊維上に触媒としての金属を付着させる浸漬工程と、該浸漬工程で浸漬処理されたペーパー状構造体を還元処理することにより、酸化金属繊維上に付着させた触媒としての金属をナノ粒子化させる還元工程とを経ることにより、金属ナノ粒子を当該酸化金属繊維上で直接合成して担持させたことを特徴とする金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法である。
【0007】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法において、前記酸化金属繊維は、酸化亜鉛繊維から成るとともに、前記触媒としての金属が銅から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、含浸処理によりイオン化傾向の差を利用して酸化金属繊維上に触媒としての金属を付着させ、還元処理により当該酸化金属繊維上に付着させた触媒としての金属をナノ粒子化させるので、金属ナノ粒子を酸化金属繊維上で直接合成して担持させることにより触媒としての改質・浄化性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒は、各種含水素物質から効率的に水素を取り出すための触媒であり、ペーパー状に成形されたZnO(酸化亜鉛)繊維(ナノウィスカ)を担体とし、その繊維に改質のための金属触媒(Cu:銅)をオンファイバー合成(直接、分散担持)させて構成されている。
【0010】
ZnO繊維は、湿式抄紙法により抄き込まれて全体としてペーパー状の構造体(以下、ペーパー状構造体という。)を成すものである。尚、ZnO繊維は、化学的、物理的に安定で、抄造した際に繊維同士が強く絡み合って高強度な構造体を得ることができれば、他の材質から構成してもよく、アラミド繊維等の有機繊維を使用することもできる。その他、耐熱性が高く、化学的にも安定なガラス繊維等を湿式抄紙法でペーパー状に成形することにより構造体を得るようにしてもよい。
【0011】
金属触媒としてのCu(銅)は、ペーパー状構造体のZnO繊維におけるZn(亜鉛)と選択的に置換されることにより、当該ZnO繊維上で直接合成して担持されるものである。然るに、本実施形態における金属触媒としてのCu(銅)は、湿式抄紙法により得られたペーパー状構造体の抄き込まれたZnO繊維上に、イオン化傾向の差を利用して付着された後、還元処理により、ナノ粒子化されて担持されるものである。
【0012】
ここで本実施形態においては、担体のZnO基材が繊維状であることから、前もってペーパー状構造体内部に抄き込んだZnO繊維上で高活性のCu触媒粒子を分散担持させるべく、図1に示すように、構造体生成工程S1、浸漬工程S2、回収・乾燥工程S3及び還元工程S4を有した製造工程とされている。
【0013】
構造体生成工程S1は、湿式抄紙法により酸化金属繊維を抄き込んだペーパー状構造体を得る工程であり、例えば酸化金属繊維(ZnO繊維)に加え、所定の耐熱性無機繊維、無機充填材、無機結合材及び凝集剤を含む材料を湿式抄紙法にてペーパー状にすることにより、酸化金属繊維が抄き込まれたペーパー状構造体を得ることができる。これにより得られたペーパー状構造体は、ガス拡散効率に優れるマイクロ空隙を持つ繊維積層型の構造体となっている。
【0014】
浸漬工程S2は、構造体生成工程S1により得られたペーパー状構造体を触媒としての金属(Cu)を含有した溶液内に浸漬処理し、イオン化傾向の差を利用して酸化金属繊維上に触媒としての金属(Cu)を付着させる工程である。例えば、Cu(NO水溶液100(mL)中にZnO繊維を含有したペーパー状構造体を20(min)浸漬させることにより、ZnとCuとのイオン化傾向の差を利用してこれらを付着させる浸漬工程とすることができる。
【0015】
回収・乾燥工程S3は、上記浸漬工程S2により得られたCuが付着したペーパー状構造体を水溶液から回収し、例えば105℃で12時間乾燥する工程である。これにより、浸漬工程S2で得られたペーパー状構造体を、Cuが付着した状態を維持しつつ乾燥させて次の工程である還元工程S4へ送ることができる。
【0016】
還元工程S4は、浸漬工程S2で浸漬処理されたペーパー状構造体を還元処理することにより、酸化金属繊維(ZnO繊維)上に付着させた触媒としての金属(Cu)をナノ粒子化させる工程である。これにより、金属ナノ粒子であるCuをZnO繊維上で直接合成して担持させたペーパー状触媒を得ることができる。以上で、本実施形態に係る一連の製造工程が終了する。
【0017】
而して、ガス拡散効率に優れるマイクロ空隙を持つ繊維積層構造体に高活性のCu触媒粒子をナノ分散担持させることができ、金属触媒としてのCuの保持量をそれほど高めなくても高い反応効率を得ることができるとともに、高効率且つ高純度な水素製造が可能となる。
【0018】
上記の如きペーパー状触媒によれば、抄紙技術の応用により、繊維ネットワークから成る多孔質構造体内部に金属触媒としてのCuを分散担持させることができ、取り扱い易く、二次加工にも優れたペーパー状の触媒を提供することができる。これにより、成形することで失われる触媒性能を維持したまま取り扱い容易な紙状に成形することが可能となる。
【0019】
次に、本実施形態に係る金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の優位性について立証するための実験結果について説明する。まず、以下の如き実施例1〜4及び比較例1、2に係る試料を用意した。
実施例1…浸漬工程S2におけるCu(NO濃度を2.36×10−2Mとしたもの
実施例2…浸漬工程S2におけるCu(NO濃度を4.72×10−2Mとしたもの
実施例3…浸漬工程S2におけるCu(NO濃度を9.44×10−2Mとしたもの
実施例4…浸漬工程S2におけるCu(NO濃度を18.9×10−2Mとしたもの
比較例1…市販のペレット状触媒
比較例2…従来のペーパー状触媒(直接合成して担持させないもの)
【0020】
上記試料について、メタノールのオートサーマル改質に供し、ガス転化率80%の条件下でCO浄化性能について比較し、その結果を図2に示した。かかる結果によれば、ガス転化率80%比較で、実施例3のものが最もCO濃度が低いことが分かり、高純度な水素が得られるものであった。また、実施例3のものは、比較例1と比べても1/4の触媒使用量でガス添加率80%に達し、20℃以上の省エネ効果が得られるのに加え、CO濃度を1/20(10000ppmから500ppm)にまで低減させることが可能である。更に、実施例3のものは、比較例2と比べても1/6以下となっており、ガス改質触媒材料分野での実用に極めて優位なことが分かる。
【0021】
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば触媒としての金属を銅(Cu)とは異なるものとしてもよく、加えてZnO繊維に代えて他の酸化金属繊維としてもよい。但し、浸漬工程において、イオン化傾向の差を利用して酸化金属繊維上に触媒としての金属を付着させ得るものとする必要がある。また、本発明の適用は、自動車、二輪車、工場等から排出される排出ガスを浄化するための高性能排気ガス浄化触媒として、或いは燃料電池用水素製造のための高性能ガス改質触媒材料(例えば燃料電池自動車のガス改質部への組み込み)として適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【0022】
湿式抄紙法により酸化金属繊維を抄き込んだペーパー状構造体を得る構造体生成工程と、該構造体生成工程により得られたペーパー状構造体を触媒としての金属を含有した溶液内に浸漬処理し、イオン化傾向の差を利用して酸化金属繊維上に触媒としての金属を付着させる浸漬工程と、該浸漬工程で浸漬処理されたペーパー状構造体を還元処理することにより、酸化金属繊維上に付着させた触媒としての金属をナノ粒子化させる還元工程とを経ることにより、金属ナノ粒子を当該酸化金属繊維上で直接合成して担持させた金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法であれば、種々他の原料を含有したものにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の実施形態に係る金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法を示すフローチャート
【図2】本発明の実施形態に係る金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の優位性を示す実験結果を示すグラフ
【符号の説明】
【0024】
S1 構造体生成工程
S2 浸漬工程
S3 回収・乾燥工程
S4 還元工程

【特許請求の範囲】
【請求項1】
湿式抄紙法により酸化金属繊維を抄き込んだペーパー状構造体を得る構造体生成工程と、
該構造体生成工程により得られたペーパー状構造体を触媒としての金属を含有した溶液内に浸漬処理し、イオン化傾向の差を利用して酸化金属繊維上に触媒としての金属を付着させる浸漬工程と、
該浸漬工程で浸漬処理されたペーパー状構造体を還元処理することにより、酸化金属繊維上に付着させた触媒としての金属をナノ粒子化させる還元工程と、
を経ることにより、金属ナノ粒子を当該酸化金属繊維上で直接合成して担持させたことを特徴とする金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法。
【請求項2】
前記酸化金属繊維は、酸化亜鉛繊維から成るとともに、前記触媒としての金属が銅から成ることを特徴とする請求項1記載の金属ナノ粒子担持ペーパー状触媒の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2009−172528(P2009−172528A)
【公開日】平成21年8月6日(2009.8.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−14871(P2008−14871)
【出願日】平成20年1月25日(2008.1.25)
【出願人】(000128175)株式会社エフ・シー・シー (109)
【Fターム(参考)】