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JP7635943B2 - Functional structure and method for producing the functional structure - Google Patents
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Description

本発明は、多孔質構造の骨格体と機能性物質とを備える機能性構造体及び機能性構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a functional structure having a porous skeleton and a functional substance, and a method for manufacturing the functional structure.

石油コンビナートの製油所では、原油から、ナフサと呼ばれる石油化学原料や、重油、軽油、灯油、ガソリン、LPガス等の各種燃料が製造されている。原油は、上記の石油化学原料や各種燃料の他、様々な不純物が混ざり合った混合物であるため、原油に含まれる各成分を蒸留、分離する工程が必要となる。 At petroleum complexes, refineries produce a petrochemical raw material called naphtha, as well as various fuels such as heavy oil, diesel, kerosene, gasoline, and LPG from crude oil. Because crude oil is a mixture of the above petrochemical raw materials and various fuels, as well as various impurities, a process is required to distill and separate the various components contained in the crude oil.

そこで石油精製プロセスでは、各成分の沸点差を利用し、常圧蒸留装置における塔内の棚段で原油を加熱して成分毎に分離し、分離後の各物質を濃縮している。これにより、LPガス、ナフサ等の低沸点物質が常圧蒸留装置の上部棚段で取り出されると共に、重油等の高沸点物質が常圧蒸留装置の底部から取り出される。そして、分離、濃縮された各物質に脱硫等の二次処理を施すことにより、各種燃料製品が製造される。 In the oil refining process, the difference in boiling points of each component is utilized to heat the crude oil on the trays in the tower of the atmospheric distillation unit to separate it into its components, and each separated substance is concentrated. As a result, low boiling point substances such as LPG and naphtha are extracted on the upper trays of the atmospheric distillation unit, while high boiling point substances such as heavy oil are extracted from the bottom of the atmospheric distillation unit. Various fuel products are then produced by subjecting each separated and concentrated substance to secondary processing such as desulfurization.

一般に、石油改質用触媒は、上記石油精製プロセスにおいて低沸点のナフサ等を効率良く改質してオクタン価の高いガソリン等を製造するために使用されている。原油中のナフサ留分はそのままではオクタン価が低く、車両を走らせるガソリンとしては不適合であるため、ナフサ留分中のオクタン価の低いパラフィン分およびナフテン分を、石油改質用触媒を用いてオクタン価の高い芳香族分に改質することにより、車両の燃料に適した性状の改質ガソリンを製造している。 In general, oil reforming catalysts are used in the above-mentioned oil refining process to efficiently reform naphtha and other low-boiling naphtha to produce gasoline with a high octane number. The naphtha fraction in crude oil has a low octane number as is and is unsuitable for use as gasoline to run vehicles. Therefore, the low-octane paraffin and naphthene fractions in the naphtha fraction are reformed using oil reforming catalysts to convert them into aromatic compounds with a high octane number, producing reformed gasoline with properties suitable for use as vehicle fuel.

また、原油の重質化に伴い、重質油を直脱装置、間脱装置などの水素化脱硫装置にて水素化脱硫処理して得られる脱硫重油、脱硫重質軽油等を更に分解して、脱硫ナフサ、脱硫灯油、脱硫軽油等を増産する水素化分解処理が行われている。例えば、常圧蒸留残渣油を水素化分解処理することにより、脱硫灯軽油留分、脱硫ナフサ留分の得率を増大して脱硫重油を低減し、且つ、その脱硫重油を接触分解装置にてLPG留分、FCCガソリン留分、LCO留分を生産することによって残渣油を低減し、軽質油留分を増大させる。このとき、代表的なゼオライトである結晶性アルミノシリケート担体からなる触媒や、ゼオライトと多孔性無機酸化物とを特定の割合で含む水素化分解触媒が提案されている。 In addition, as crude oil becomes heavier, hydrocracking is being carried out to further decompose the desulfurized heavy oil and desulfurized heavy light oil obtained by hydrodesulfurizing heavy oil in a hydrodesulfurization unit such as a direct desulfurization unit or an intermediate desulfurization unit, thereby increasing the production of desulfurized naphtha, desulfurized kerosene, desulfurized light oil, etc. For example, by hydrocracking atmospheric distillation residual oil, the yield of desulfurized light oil fraction and desulfurized naphtha fraction is increased and the desulfurized heavy oil is reduced, and the desulfurized heavy oil is produced in a catalytic cracking unit to produce an LPG fraction, an FCC gasoline fraction, and an LCO fraction, thereby reducing the residual oil and increasing the light oil fraction. At this time, catalysts made of a crystalline aluminosilicate carrier, which is a typical zeolite, and hydrocracking catalysts containing zeolite and porous inorganic oxide in a specific ratio have been proposed.

例えば、水素化分解触媒として、Y型ゼオライトからなる担体の表面に、Pd、Pt、Co、Fe、Cr、Mo、W及びこれらの混合物から選択される材料からなる金属が沈着されてなる触媒が開示されている(特許文献1)。 For example, a catalyst has been disclosed as a hydrocracking catalyst in which a metal selected from Pd, Pt, Co, Fe, Cr, Mo, W, and mixtures thereof is deposited on the surface of a carrier made of Y-type zeolite (Patent Document 1).

また、自動車分野においては、ディーゼルエンジンを搭載した車両の排気ガス用触媒構造体として、基材セラミック表面にセラミック担体を配置し、該セラミック担体に主触媒成分及び助触媒成分の双方を担持してなるセラミック触媒体が提案されている。このセラミック触媒体では、γ-アルミナからなるセラミック担体の表面に、結晶格子中の格子欠陥等からなる多数の細孔が形成されており、Ce-Zr、Pt等からなる主触媒成分がセラミック担体の表面近傍に直接担持された構成を有している(特許文献2)。 In the automotive field, a ceramic catalyst body has been proposed as a catalyst structure for exhaust gas from vehicles equipped with diesel engines, in which a ceramic carrier is placed on the surface of a substrate ceramic and both a main catalyst component and a promoter catalyst component are supported on the ceramic carrier. In this ceramic catalyst body, a large number of pores consisting of lattice defects in the crystal lattice are formed on the surface of the ceramic carrier made of γ-alumina, and the main catalyst components consisting of Ce-Zr, Pt, etc. are supported directly near the surface of the ceramic carrier (Patent Document 2).

米国特許出願公開第2016/0030934号明細書US Patent Application Publication No. 2016/0030934 米国特許出願公開第2003/0109383号明細書US Patent Application Publication No. 2003/0109383

しかしながら、上記のような触媒構造体では、触媒粒子が担体の表面或いは表面近傍に担持されているため、改質処理中に被改質物質等の流体から受ける力や熱などの影響に因って触媒粒子が担体内で移動し、触媒粒子同士の凝集(シンタリング)が発生し易い。触媒粒子同士の凝集が生じると、触媒としての有効表面積が減少することで触媒活性が低下することから寿命が通常よりも短くなるため、触媒構造体自体を短期間で交換・再生しなければならず、交換作業が煩雑であると共に、省資源化を図ることができないという問題がある。また、石油改質用触媒は、通常、常圧蒸留装置の下流側に連結されて石油精製プロセスにおいて連続的に使用されるため、触媒の再活性化技術を適用し難く、仮に再活性化技術を適用できたとしても作業が非常に煩雑となる。また、このような機能の経年的な低下の抑制或いは防止は、触媒分野のみならず様々な技術分野での課題として挙げられており、機能の長期的な維持を図るべく解決策が望まれている。 However, in the above-mentioned catalyst structure, since the catalyst particles are supported on the surface or near the surface of the carrier, the catalyst particles move within the carrier due to the influence of the force and heat from the fluid such as the reformed substance during the reforming process, and the catalyst particles are likely to aggregate (sinter). When the catalyst particles aggregate, the effective surface area of the catalyst decreases, and the catalytic activity decreases, so the life becomes shorter than usual. Therefore, the catalyst structure itself must be replaced and regenerated in a short period of time, which makes the replacement work complicated and prevents resource saving. In addition, since the oil reforming catalyst is usually connected to the downstream side of the atmospheric distillation unit and used continuously in the oil refining process, it is difficult to apply catalyst reactivation technology, and even if reactivation technology can be applied, the work is very complicated. In addition, suppressing or preventing such deterioration of function over time is cited as an issue not only in the field of catalysts but also in various technical fields, and a solution is desired to maintain the function for a long time.

本発明の目的は、機能性物質の機能低下を抑制して長寿命化を実現することができ、煩雑な交換作業を要せず、省資源化を図ることができる機能性構造体及び機能性構造体の製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a functional structure and a method for manufacturing the functional structure that can suppress the functional deterioration of functional materials, realize a long life, do not require complicated replacement work, and can conserve resources.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体と、前記骨格体に内在する少なくとも1つの機能性物質と、を備え、前記骨格体が、互いに連通する通路を有し、前記機能性物質が、前記骨格体の少なくとも前記通路に存在していることによって、機能性物質の機能低下を抑制し、長寿命化を実現できる機能性構造体が得られることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive research conducted by the inventors in order to achieve the above object, they discovered that a functional structure can be obtained that is capable of suppressing functional deterioration of the functional substance and realizing a long life by comprising a porous skeleton composed of a zeolite-type compound and at least one functional substance present in the skeleton, the skeleton having passages that communicate with each other, and the functional substance being present in at least the passages of the skeleton, and this finding led to the completion of the present invention.

すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
[1]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体と、
前記骨格体に内在する少なくとも1つの機能性物質と、
を備え、
前記骨格体が、互いに連通する通路を有し、
前記機能性物質が、前記骨格体の少なくとも前記通路に存在しており、前記機能性物質の平均粒径が30nm未満であることを特徴とする、機能性構造体。
[2]前記機能性物質の平均粒径が5.0nm未満であることを特徴とする、上記[1]に記載の機能性構造体。
[3]前記機能性物質の平均粒径が2.0nm未満であることを特徴とする、上記[2]に記載の機能性構造体。
[4]前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、かつ
前記機能性物質が、少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、上記[1]~[3]のいずれかに記載の機能性構造体。
[5]前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、上記[4]に記載の機能性構造体。
[6]前記機能性物質は、触媒物質であり、
前記骨格体は、前記少なくとも1つの触媒物質を担持する担体であることを特徴とする、上記[1]~[5]のいずれかに記載の機能性構造体。
[7]前記触媒物質は、金属酸化物微粒子であることを特徴とする、上記[5]に記載の機能性構造体。
[8]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、上記[6]に記載の機能性構造体。
[9]前記金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記機能性構造体に対して0.5~2.5質量%で含有されていることを特徴とする、上記[7]又は[8]に記載の機能性構造体。
[10]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.06~500であることを特徴とする、上記[6]~[9]のいずれかに記載の機能性構造体。
[11]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.1~45であることを特徴とする、上記[10]に記載の機能性構造体。
[12]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、1.3~3.5であることを特徴とする、上記[11]に記載の機能性構造体。
[13]前記通路の平均内径は、0.1nm~1.5nmであり、
前記拡径部の内径は、0.5nm~50nmであることを特徴とする、上記[4]~[12]のいずれかに記載の機能性構造体。
[14]前記骨格体の外表面に保持された少なくとも1つの機能性物質を更に備えることを特徴とする、上記[1]~[13]のいずれかに記載の機能性構造体。
[15]前記骨格体に内在する前記少なくとも1つの機能性物質の含有量が、前記骨格体の外表面に保持された前記少なくとも1つの機能性物質の含有量よりも多いことを特徴とする、上記[14]に記載の機能性構造体。
[16]前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、上記[1]~[15]のいずれかに記載の機能性構造体。
[17]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料(A)に、界面活性剤を添加してから、金属含有溶液を含浸して、前駆体材料(B)を得る含浸工程と、
前記前駆体材料(B)を焼成して前駆体材料(C)を得る焼成工程と、
前記前駆体材料(C)に、前記骨格体の骨格構造を規定する構造規定剤を添加する添加工程と、
前記構造規定剤が添加された前記前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を含むことを特徴とする、機能性構造体の製造方法。
[18]前記界面活性剤に対する前記前駆体材料(A)のケイ素のモル比が、25以下であることを特徴とする、上記[17]に記載の機能性構造体の製造方法。
[19]前記界面活性剤に対する前記前駆体材料(A)のケイ素のモル比が、5以下であることを特徴とする、上記[18]に記載の機能性構造体の製造方法。
[20]前記含浸工程において、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、上記[17]~[19]のいずれかに記載の機能性構造体の製造方法。
[21]前記含浸工程において前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10~1000となるように調整することを特徴とする、上記[17]~[20]のいずれかに記載の機能性構造体の製造方法。
[22]前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、上記[17]に記載の機能性構造体の製造方法。
That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] A porous framework composed of a zeolite-type compound;
At least one functional substance present within the scaffold;
Equipped with
The framework has passages communicating with each other,
A functional structure, characterized in that the functional substance is present in at least the passages of the framework, and the average particle size of the functional substance is less than 30 nm.
[2] The functional structure according to the above [1], characterized in that the average particle size of the functional substance is less than 5.0 nm.
[3] The functional structure according to the above [2], characterized in that the average particle size of the functional substance is less than 2.0 nm.
[4] The functional structure according to any one of the above [1] to [3], characterized in that the passage has any one of one-dimensional holes, two-dimensional holes, and three-dimensional holes defined by the framework structure of the zeolite-type compound, and an expanded diameter portion different from any one of the one-dimensional holes, the two-dimensional holes, and the three-dimensional holes, and the functional substance is present at least in the expanded diameter portion.
[5] The functional structure described in [4] above, wherein the enlarged diameter portion connects a plurality of holes that constitute any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole.
[6] The functional material is a catalytic material,
The functional structure according to any one of the above [1] to [5], wherein the framework is a support that supports the at least one catalytic substance.
[7] The functional structure according to the above [5], characterized in that the catalytic substance is metal oxide fine particles.
[8] The functional structure according to the above [6], characterized in that the average particle size of the metal oxide fine particles is larger than the average inner diameter of the passages and is equal to or smaller than the inner diameter of the expanded portion.
[9] The functional structure according to [7] or [8] above, characterized in that the metal element (M) of the metal oxide fine particles is contained in an amount of 0.5 to 2.5 mass% relative to the functional structure.
[10] The functional structure according to any one of [6] to [9] above, characterized in that the ratio of the average particle diameter of the metal oxide microparticles to the average inner diameter of the passages is 0.06 to 500.
[11] The functional structure according to the above [10], characterized in that the ratio of the average particle diameter of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passages is 0.1 to 45.
[12] The functional structure according to the above [11], characterized in that the ratio of the average particle diameter of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passages is 1.3 to 3.5.
[13] The average inner diameter of the passages is 0.1 nm to 1.5 nm;
The functional structure according to any one of the above [4] to [12], characterized in that the inner diameter of the expanded diameter portion is 0.5 nm to 50 nm.
[14] The functional structure according to any one of [1] to [13] above, further comprising at least one functional substance held on the outer surface of the framework.
[15] The functional structure according to [14] above, characterized in that the content of the at least one functional substance present within the framework is greater than the content of the at least one functional substance retained on the outer surface of the framework.
[16] The functional structure according to any one of the above [1] to [15], characterized in that the zeolite type compound is a silicate compound.
[17] An impregnation step of adding a surfactant to a precursor material (A) for obtaining a porous structure framework composed of a zeolite-type compound, and then impregnating the precursor material with a metal-containing solution to obtain a precursor material (B);
A calcination step of calcining the precursor material (B) to obtain a precursor material (C);
an addition step of adding a structure-directing agent that defines the skeletal structure of the skeleton to the precursor material (C);
a hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) to which the structure-directing agent has been added;
A method for producing a functional structure, comprising:
[18] The method for producing a functional structure according to the above [17], characterized in that the molar ratio of silicon in the precursor material (A) to the surfactant is 25 or less.
[19] The method for producing a functional structure according to the above [18], characterized in that the molar ratio of silicon in the precursor material (A) to the surfactant is 5 or less.
[20] The method for producing a functional structure according to any one of [17] to [19] above, characterized in that in the impregnation step, the metal-containing solution is added to the precursor material (A) in a plurality of portions, thereby impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution.
[21] The method for producing a functional structure according to any one of the above [17] to [20], characterized in that when the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution in the impregnation step, an amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is adjusted so that the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to the precursor material (A) (atomic number ratio Si/M) is 10 to 1000.
[22] The method for producing a functional structure according to the above [17], characterized in that the hydrothermal treatment step is carried out under a basic atmosphere.

本発明によれば、機能性物質の機能低下を抑制して長寿命化を実現することができ、煩雑な交換作業を要せず、省資源化を図ることができる機能性構造体を提供することができる。 The present invention provides a functional structure that can suppress the functional deterioration of functional materials, achieve a long life, do not require complicated replacement work, and conserve resources.

図1は、本発明の実施形態に係る機能性構造体の内部構造が分かるように概略的に示したものであって、図1(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、図1(b)は部分拡大断面図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the internal structure of a functional structure according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1(a) is a perspective view (partially shown in cross section), and FIG. 1(b) is a partially enlarged cross-sectional view. 図2は、図1の機能性構造体の機能の一例を説明するための部分拡大断面図であり、図2(a)は篩機能、図2(b)は触媒機能を説明する図である。2A and 2B are partially enlarged cross-sectional views for explaining an example of the function of the functional structure of FIG. 1, in which FIG. 2A illustrates the sieving function and FIG. 2B illustrates the catalytic function. 図3は、図1の機能性構造体の製造方法の一例を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing the functional structure of FIG. 図4は、図1の機能性構造体の変形例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a modified example of the functional structure of FIG.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 The following describes an embodiment of the present invention in detail with reference to the drawings.

[機能性構造体の構成]
図1は、本発明の実施形態に係る機能性構造体の構成を概略的に示す図であり、(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、(b)は部分拡大断面図である。なお、図1における機能性構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
[Configuration of functional structure]
Fig. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a functional structure according to an embodiment of the present invention, in which (a) is a perspective view (partially shown in cross section) and (b) is a partially enlarged cross-sectional view. Note that the functional structure in Fig. 1 shows one example, and the shape, dimensions, etc. of each component according to the present invention are not limited to those in Fig. 1.

図1(a)に示されるように、機能性構造体1は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体10と、該骨格体10に内在する、少なくとも1つの機能性物質20とを備える。 As shown in FIG. 1(a), the functional structure 1 comprises a porous framework 10 made of a zeolite-type compound, and at least one functional substance 20 present within the framework 10.

機能性物質20は、単独で、または骨格体10と協働することで、一又は複数の機能を発揮する物質である。また、上記機能の具体例としては、触媒機能、発光(または蛍光)機能、吸光機能、識別機能等が挙げられる。機能性物質20は、例えば触媒機能を有する触媒物質であることが好ましい。なお、機能性物質20が触媒物質であるとき、骨格体10は、触媒物質を担持する担体である。 The functional material 20 is a material that exerts one or more functions, either alone or in cooperation with the framework 10. Specific examples of the above functions include a catalytic function, a light emitting (or fluorescent) function, a light absorbing function, and an identification function. The functional material 20 is preferably a catalytic material having a catalytic function. When the functional material 20 is a catalytic material, the framework 10 is a carrier that supports the catalytic material.

機能性構造体1において、複数の機能性物質20,20,・・・は、骨格体10の多孔質構造の内部に、高分散状態で包接されている。機能性物質20の一例である触媒物質は、好ましくは金属酸化物微粒子および金属微粒子の少なくとも一方である。金属酸化物微粒子および金属微粒子については、詳しくは後述する。また、機能性物質20は、金属酸化物や金属の合金、またはこれらの複合材料を含む粒子であってもよい。 In the functional structure 1, multiple functional substances 20, 20, ... are encapsulated in a highly dispersed state inside the porous structure of the framework 10. The catalytic substance, which is an example of the functional substance 20, is preferably at least one of metal oxide fine particles and metal fine particles. Metal oxide fine particles and metal fine particles will be described in detail later. The functional substance 20 may also be particles containing a metal oxide or metal alloy, or a composite material thereof.

骨格体10は、多孔質構造であり、図1(b)に示すように、好適には複数の孔11a,11a,・・・が形成されることにより、互いに連通する通路11を有する。ここで機能性物質20は、骨格体10の少なくとも通路11に存在しており、好ましくは骨格体10の少なくとも通路11に保持されている。 The skeleton 10 has a porous structure, and preferably has a plurality of holes 11a, 11a, ... formed therein, which are interconnected passages 11, as shown in FIG. 1(b). Here, the functional substance 20 is present in at least the passages 11 of the skeleton 10, and is preferably held in at least the passages 11 of the skeleton 10.

このような構成により、骨格体10内での機能性物質20の移動が規制され、機能性物質20、20同士の凝集が有効に防止されて、機能性物質20の高分散状態が長期にわたって持続する。その結果、機能性物質20としての有効表面積の減少を効果的に抑制することができ、機能性物質20の機能は長期にわたって持続する。すなわち、機能性構造体1によれば、機能性物質20の凝集による機能の低下を抑制でき、機能性構造体1としての長寿命化を図ることができる。また、機能性構造体1の長寿命化により、機能性構造体1の交換頻度を低減でき、使用済みの機能性構造体1の廃棄量を大幅に低減することができ、省資源化を図ることができる。 With this configuration, the movement of the functional material 20 within the framework 10 is restricted, and the aggregation of the functional materials 20 is effectively prevented, so that the highly dispersed state of the functional material 20 is maintained for a long period of time. As a result, the reduction in the effective surface area of the functional material 20 can be effectively suppressed, and the function of the functional material 20 is maintained for a long period of time. In other words, according to the functional structure 1, the deterioration of the function of the functional material 20 due to aggregation can be suppressed, and the life of the functional structure 1 can be extended. Furthermore, the extended life of the functional structure 1 can reduce the frequency of replacement of the functional structure 1, and the amount of waste of used functional structures 1 can be significantly reduced, resulting in resource conservation.

通常、機能性構造体を、流体(例えば、重質油や、NOx等の改質ガスなど)の中で用いる場合、流体から外力を受ける可能性がある。この場合、機能性物質が、骨格体10の外表面に付着状態で保持されているだけであると、流体からの外力の影響で骨格体10の外表面から離脱しやすいという問題がある。これに対し、機能性構造体1では、機能性物質20は骨格体10の少なくとも通路11に保持されているため、流体による外力の影響を受けたとしても、骨格体10から機能性物質20が離脱しにくい。すなわち、機能性構造体1が流体内にある場合、流体は骨格体10の孔11aから、通路11内に流入するため、通路11内を流れる流体の速さは、流路抵抗(摩擦力)により、骨格体10の外表面を流れる流体の速さに比べて、遅くなると考えられる。このような流路抵抗の影響により、通路11内に保持された機能性物質20が流体から受ける圧力は、骨格体10の外部において機能性物質が流体から受ける圧力に比べて低くなる。そのため、骨格体11に内在する機能性物質20が離脱することを効果的に抑制でき、機能性物質20の機能を長期的に安定して維持することが可能となる。なお、上記のような流路抵抗は、骨格体10の通路11が、曲がりや分岐を複数有し、骨格体10の内部がより複雑で三次元的な立体構造となっているほど、大きくなると考えられる。 Normally, when a functional structure is used in a fluid (e.g., heavy oil or reformed gas such as NOx), it may be subjected to an external force from the fluid. In this case, if the functional substance is only held in an attached state on the outer surface of the skeleton 10, there is a problem that it is easily detached from the outer surface of the skeleton 10 due to the influence of an external force from the fluid. In contrast, in the functional structure 1, the functional substance 20 is held at least in the passage 11 of the skeleton 10, so that the functional substance 20 is unlikely to be detached from the skeleton 10 even if it is affected by an external force from the fluid. That is, when the functional structure 1 is in a fluid, the fluid flows into the passage 11 from the hole 11a of the skeleton 10, so that the speed of the fluid flowing in the passage 11 is considered to be slower than the speed of the fluid flowing on the outer surface of the skeleton 10 due to the flow resistance (friction force). Due to the influence of such flow resistance, the pressure that the functional substance 20 held in the passage 11 receives from the fluid is lower than the pressure that the functional substance receives from the fluid outside the skeleton 10. Therefore, it is possible to effectively prevent the functional material 20 contained within the skeleton 11 from being released, and it is possible to stably maintain the function of the functional material 20 for a long period of time. It is considered that the above-mentioned flow path resistance increases as the passage 11 of the skeleton 10 has multiple bends and branches and the interior of the skeleton 10 has a more complex, three-dimensional structure.

また、通路11は、ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部12とを有していることが好ましく、このとき、機能性物質20は、少なくとも拡径部12に存在していることが好ましく、少なくとも拡径部12に包接されていることがより好ましい。ここでいう一次元孔とは、一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の孔、もしくは複数の一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の複数の孔(複数の一次元チャンネル)を指す。また、二次元孔とは、複数の一次元チャンネルが二次元的に連結された二次元チャンネルを指し、三次元孔とは、複数の一次元チャンネルが三次元的に連結された三次元チャンネルを指す。
これにより、機能性物質20の骨格体10内での移動がさらに規制され、機能性物質20の離脱や、機能性物質20、20同士の凝集をさらに有効に防止することができる。包接とは、機能性物質20が骨格体10に内包されている状態を指す。このとき機能性物質20と骨格体10とは、必ずしも直接的に互いが接触している必要はなく、機能性物質20と骨格体10との間に他の物質(例えば、界面活性剤等)が介在した状態で、機能性物質20が骨格体10に間接的に保持されていてもよい。
In addition, the passage 11 preferably has one of one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional pores defined by the framework structure of the zeolite-type compound, and an expanded diameter portion 12 different from any of the one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional pores. In this case, the functional material 20 is preferably present at least in the expanded diameter portion 12, and more preferably is included in at least the expanded diameter portion 12. The one-dimensional pore here refers to a tunnel-type or cage-type pore forming a one-dimensional channel, or a plurality of tunnel-type or cage-type pores (a plurality of one-dimensional channels) forming a plurality of one-dimensional channels. The two-dimensional pore refers to a two-dimensional channel in which a plurality of one-dimensional channels are two-dimensionally connected, and the three-dimensional pore refers to a three-dimensional channel in which a plurality of one-dimensional channels are three-dimensionally connected.
This further restricts the movement of the functional substance 20 within the framework 10, and more effectively prevents the functional substance 20 from being separated or the functional substances 20, 20 from aggregating together. Inclusion refers to a state in which the functional substance 20 is encapsulated in the framework 10. In this case, the functional substance 20 and the framework 10 do not necessarily need to be in direct contact with each other, and the functional substance 20 may be indirectly held in the framework 10 with another substance (e.g., a surfactant, etc.) intervening between the functional substance 20 and the framework 10.

図1(b)では機能性物質20が拡径部12に包接されている場合を示しているが、この構成だけには限定されず、機能性物質20は、その一部が拡径部12の外側にはみ出した状態で通路11に存在していてもよい。また、機能性物質20は、拡径部12以外の通路11の部分(例えば通路11の内壁部分)に部分的に埋設され、または固着等によって保持されていてもよい。
また、拡径部12は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔11a,11a同士を連通しているのが好ましい。これにより、骨格体10の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、機能性物質20の機能をより発揮させることができる。
1(b) shows a case where the functional substance 20 is encapsulated in the enlarged diameter portion 12, but the present invention is not limited to this configuration, and the functional substance 20 may be present in the passage 11 with a part of it protruding outside the enlarged diameter portion 12. The functional substance 20 may also be partially embedded in a part of the passage 11 other than the enlarged diameter portion 12 (for example, an inner wall part of the passage 11) or held by adhesion or the like.
In addition, it is preferable that the expanded diameter portion 12 communicates with the plurality of holes 11a, 11a constituting any one of the one-dimensional holes, the two-dimensional holes, and the three-dimensional holes, so that a separate passage different from the one-dimensional holes, the two-dimensional holes, or the three-dimensional holes is provided inside the framework 10, thereby enabling the function of the functional material 20 to be more effectively exhibited.

また、通路11は、骨格体10の内部に、分岐部または合流部を含んで三次元的に形成されており、拡径部12は、通路11の上記分岐部または合流部に設けられるのが好ましい。 In addition, the passage 11 is formed three-dimensionally inside the framework 10, including a branching section or a junction section, and it is preferable that the enlarged diameter section 12 is provided at the branching section or the junction section of the passage 11.

骨格体10に形成された通路11の平均内径Dは、上記一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかを構成する孔11aの短径及び長径の平均値から算出され、例えば0.1nm~1.5nmであり、好ましくは0.5nm~0.8nmである。また、拡径部12の内径Dは、例えば0.5nm~50nmであり、好ましくは1.1nm~40nm、より好ましくは1.1nm~3.3nmである。拡径部12の内径Dは、例えば後述する前駆体材料(A)の細孔径、及び包接される機能性物質20の平均粒径Dに依存する。拡径部12の内径Dは、機能性物質20を包接し得る大きさである。 The average inner diameter D F of the passages 11 formed in the framework 10 is calculated from the average value of the minor axis and major axis of the holes 11a constituting any one of the one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional holes, and is, for example, 0.1 nm to 1.5 nm, and preferably 0.5 nm to 0.8 nm. The inner diameter D E of the enlarged diameter portion 12 is, for example, 0.5 nm to 50 nm, preferably 1.1 nm to 40 nm, and more preferably 1.1 nm to 3.3 nm. The inner diameter D E of the enlarged diameter portion 12 depends on, for example, the pore diameter of the precursor material (A) described later and the average particle diameter D C of the functional substance 20 to be encapsulated. The inner diameter D E of the enlarged diameter portion 12 is a size that can encapsulate the functional substance 20.

骨格体10は、ゼオライト型化合物で構成される。ゼオライト型化合物としては、例えば、ゼオライト(アルミノケイ酸塩)、陽イオン交換ゼオライト、シリカライト等のケイ酸塩化合物、アルミノホウ酸塩、アルミノヒ酸塩、ゲルマニウム酸塩等のゼオライト類縁化合物、リン酸モリブデン等のリン酸塩系ゼオライト類似物質などが挙げられる。中でも、ゼオライト型化合物はケイ酸塩化合物であることが好ましい。 The framework 10 is composed of a zeolite-type compound. Examples of zeolite-type compounds include silicate compounds such as zeolite (aluminosilicate), cation-exchanged zeolite, and silicalite, zeolite-related compounds such as aluminoborates, aluminoarsenates, and germanates, and phosphate-based zeolite-like substances such as molybdenum phosphate. Among these, it is preferable that the zeolite-type compound is a silicate compound.

ゼオライト型化合物の骨格構造は、FAU型(Y型またはX型)、MTW型、MFI型(ZSM-5)、FER型(フェリエライト)、LTA型(A型)、MWW型(MCM-22)、MOR型(モルデナイト)、LTL型(L型)、BEA型(ベータ型)などの中から選択され、好ましくはMFI型であり、より好ましくはZSM-5である。ゼオライト型化合物には、各骨格構造に応じた孔径を有する孔が複数形成されており、例えばMFI型の最大孔径は0.636nm(6.36Å)、平均孔径0.560nm(5.60Å)である。 The framework structure of the zeolite-type compound is selected from FAU type (Y type or X type), MTW type, MFI type (ZSM-5), FER type (ferrierite), LTA type (A type), MWW type (MCM-22), MOR type (mordenite), LTL type (L type), BEA type (beta type), etc., preferably MFI type, more preferably ZSM-5. Zeolite-type compounds have multiple pores with pore sizes according to each framework structure. For example, the maximum pore size of the MFI type is 0.636 nm (6.36 Å), and the average pore size is 0.560 nm (5.60 Å).

以下、機能性物質20が金属酸化物微粒子および金属微粒子の少なくとも一方(以下、総称して「微粒子」ということがある。)である場合について詳しく説明する。 The following provides a detailed explanation of the case where the functional material 20 is at least one of metal oxide microparticles and metal microparticles (hereinafter, collectively referred to as "microparticles").

機能性物質20が上記微粒子である場合、微粒子20は一次粒子である場合と、一次粒子が凝集して形成した二次粒子である場合とがあるが、微粒子20の平均粒径Dは、好ましくは通路11の平均内径Dよりも大きく、且つ拡径部12の内径D以下である(D<D≦D)。このような微粒子20は、通路11内では、好適には拡径部12に包接されており、骨格体10内での微粒子20の移動が規制される。よって、微粒子20が流体から外力を受けた場合であっても、骨格体10内での微粒子20の移動が抑制され、骨格体10の通路11に分散配置された拡径部12、12、・・のそれぞれに包接された微粒子20、20、・・同士が接触するのを有効に防止することができる。 When the functional material 20 is the above-mentioned fine particles, the fine particles 20 may be primary particles or secondary particles formed by aggregation of the primary particles, and the average particle diameter D C of the fine particles 20 is preferably larger than the average inner diameter D F of the passage 11 and is equal to or smaller than the inner diameter D E of the expanded diameter portion 12 (D F < D C ≦ D E ). In the passage 11, such fine particles 20 are preferably included in the expanded diameter portion 12, and the movement of the fine particles 20 in the skeleton 10 is restricted. Therefore, even if the fine particles 20 are subjected to an external force from the fluid, the movement of the fine particles 20 in the skeleton 10 is suppressed, and the fine particles 20, 20, ... included in each of the expanded diameter portions 12, 12, ... dispersed and arranged in the passage 11 of the skeleton 10 can be effectively prevented from contacting each other.

また、機能性物質20が金属酸化物微粒子である場合には、金属酸化物微粒子20の分散性は、一次粒子および二次粒子のいずれの場合も、平均粒径D30nm未満であり、好ましくは5.0nm未満であり、より好ましくは3.3nm以下、さらに好ましくは2.0nm未満である。なお、金属酸化物微粒子20の平均粒径Dの下限値は、特に限定されないが、一次粒子および二次粒子のいずれの場合も、好ましくは0.1nm以上であり、さらに好ましくは1.0nm以上である。また、通路11の平均内径Dに対する金属酸化物微粒子20の平均粒径Dの割合(D/D)は、好ましくは0.06~500であり、より好ましくは0.1~45であり、更に好ましくは1.1~45であり、特に好ましくは1.3~3.5である。
また、機能性物質20が金属酸化物微粒子である場合、金属酸化物微粒子の金属元素(M)は、機能性構造体1に対して0.5~2.5質量%で含有されているのが好ましく、機能性構造体1に対して0.5~1.5質量%で含有されているのがより好ましい。例えば、金属元素(M)がCoである場合、Co元素の含有量(質量%)は、{(Co元素の質量)/(機能性構造体1の全元素の質量)}×100で表される。
Furthermore, when the functional material 20 is metal oxide fine particles, the dispersibility of the metal oxide fine particles 20 is such that the average particle size D C is less than 30 nm, preferably less than 5.0 nm, more preferably 3.3 nm or less, and even more preferably less than 2.0 nm, in both the primary particles and the secondary particles. The lower limit of the average particle size D C of the metal oxide fine particles 20 is not particularly limited, but is preferably 0.1 nm or more, and even more preferably 1.0 nm or more, in both the primary particles and the secondary particles. Furthermore, the ratio (D C /D F ) of the average particle size D C of the metal oxide fine particles 20 to the average inner diameter D F of the passage 11 is preferably 0.06 to 500, more preferably 0.1 to 45, even more preferably 1.1 to 45, and particularly preferably 1.3 to 3.5.
Furthermore, when the functional material 20 is metal oxide fine particles, the metal element (M) of the metal oxide fine particles is preferably contained in an amount of 0.5 to 2.5 mass % relative to the functional structure 1, and more preferably 0.5 to 1.5 mass % relative to the functional structure 1. For example, when the metal element (M) is Co, the content (mass %) of the Co element is expressed as {(mass of Co element)/(mass of all elements in the functional structure 1)}×100.

上記金属酸化物微粒子は、金属酸化物で構成されていればよく、例えば、単一の金属酸化物で構成されていてもよく、あるいは2種以上の金属酸化物の混合物で構成されていてもよい。なお、本明細書において、金属酸化物微粒子を構成する(材質としての)「金属酸化物」は、1種の金属元素(M)を含む酸化物と、2種以上の金属元素(M)を含む複合酸化物とを含む意味であり、1種以上の金属元素(M)を含む酸化物の総称である。 The metal oxide microparticles may be composed of a metal oxide, for example, a single metal oxide or a mixture of two or more metal oxides. In this specification, the term "metal oxide" (as a material) constituting the metal oxide microparticles means an oxide containing one type of metal element (M) and a composite oxide containing two or more types of metal elements (M), and is a general term for oxides containing one or more metal elements (M).

このような金属酸化物としては、例えば酸化コバルト(CoO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化鉄(FeO)、酸化銅(CuO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化セリウム(CeO)、酸化アルミニウム(AlO)、酸化ニオブ(NbO)、酸化チタン(TiO)、酸化ビスマス(BiO)、酸化モリブデン(MoO)、酸化バナジウム(VO)、酸化クロム(CrO)等が挙げられ、上記のいずれか1種以上を主成分とすることが好ましい。 Examples of such metal oxides include cobalt oxide (CoO x ), nickel oxide (NiO x ), iron oxide (FeO x ), copper oxide (CuO x ), zirconium oxide (ZrO x ), cerium oxide (CeO x ), aluminum oxide (AlO x ), niobium oxide (NbO x ), titanium oxide (TiO x ), bismuth oxide (BiO x ), molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (VO x ), and chromium oxide (CrO x ). It is preferable to use one or more of the above as a main component.

また、機能性物質20が金属微粒子である場合には、金属微粒子20の分散性は、一次粒子および二次粒子のいずれの場合も、平均粒径D30nm未満であり、好ましくは5.0nm未満であり、より好ましくは2.0nm未満である。なお、金属微粒子20の平均粒径Dの下限値は、特に限定されないが、一次粒子および二次粒子のいずれの場合も、好ましくは0.08nm以上であり、さらに好ましくは0.8nm以上である。また、通路11の平均内径Dに対する金属微粒子20の平均粒径Dの割合(D/D)は、好ましくは0.05~300であり、より好ましくは0.1~30であり、更に好ましくは1.1~30であり、特に好ましくは1.3~3.5である。
機能性物質20が金属微粒子である場合、金属微粒子の金属元素(M)は、機能性構造体1に対して0.5~2.5質量%で含有されているのが好ましく、機能性構造体1に対して0.5~1.5質量%で含有されているのがより好ましい。
Furthermore, when the functional material 20 is metal fine particles, the dispersibility of the metal fine particles 20 is such that the average particle size D C is less than 30 nm, preferably less than 5.0 nm, and more preferably less than 2.0 nm, in both the primary particles and the secondary particles. The lower limit of the average particle size D C of the metal fine particles 20 is not particularly limited, but is preferably 0.08 nm or more, and more preferably 0.8 nm or more, in both the primary particles and the secondary particles. Furthermore, the ratio (D C /D F ) of the average particle size D C of the metal fine particles 20 to the average inner diameter D F of the passages 11 is preferably 0.05 to 300, more preferably 0.1 to 30, even more preferably 1.1 to 30, and particularly preferably 1.3 to 3.5.
When the functional material 20 is a metal microparticle, the metal element (M) of the metal microparticle is preferably contained in an amount of 0.5 to 2.5 mass% relative to the functional structure 1, and more preferably contained in an amount of 0.5 to 1.5 mass% relative to the functional structure 1.

上記金属微粒子は、酸化されていない金属で構成されていればよく、例えば、単一の金属で構成されていてもよく、あるいは2種以上の金属の混合物で構成されていてもよい。なお、本明細書において、金属微粒子を構成する(材質としての)「金属」は、1種の金属元素(M)を含む単体金属と、2種以上の金属元素(M)を含む金属合金とを含む意味であり、1種以上の金属元素を含む金属の総称である。 The metal microparticles may be composed of a non-oxidized metal, and may be composed of, for example, a single metal or a mixture of two or more metals. In this specification, the "metal" (as a material) constituting the metal microparticles means a simple metal containing one metal element (M) and a metal alloy containing two or more metal elements (M), and is a general term for metals containing one or more metal elements.

このような金属としては、例えば白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、セリウム(Ce)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)等が挙げられ、上記のいずれか1種以上を主成分とすることが好ましい。 Examples of such metals include platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), nickel (Ni), cobalt (Co), molybdenum (Mo), tungsten (W), iron (Fe), chromium (Cr), cerium (Ce), copper (Cu), magnesium (Mg), and aluminum (Al), and it is preferable to use one or more of the above as the main component.

なお、機能性物質20は、耐久性の観点では、金属酸化物微粒子であることが好ましい。 From the standpoint of durability, it is preferable that the functional material 20 be metal oxide microparticles.

また、微粒子20を構成する金属元素(M)に対する、骨格体10を構成するケイ素(Si)の割合(原子数比Si/M)は、10~1000であるのが好ましく、50~200であるのがより好ましい。上記割合が1000より大きいと、活性が低いなど、機能性物質としての作用が十分に得られない可能性がある。一方、上記割合が10よりも小さいと、微粒子20の割合が大きくなりすぎて、骨格体10の強度が低下する傾向がある。なお、ここでいう微粒子20は、骨格体10の内部に存在し、または担持された微粒子をいい、骨格体10の外表面に付着した微粒子を含まない。 The ratio of silicon (Si) constituting the framework 10 to the metal element (M) constituting the microparticles 20 (atomic ratio Si/M) is preferably 10 to 1000, and more preferably 50 to 200. If the ratio is greater than 1000, the activity may be low and the effect as a functional material may not be fully obtained. On the other hand, if the ratio is less than 10, the proportion of the microparticles 20 becomes too large, and the strength of the framework 10 tends to decrease. Note that the microparticles 20 referred to here refer to microparticles present inside or supported by the framework 10, and do not include microparticles attached to the outer surface of the framework 10.

[機能性構造体の機能]
機能性構造体1は、上記のとおり、多孔質構造の骨格体10と、骨格体10に内在する少なくとも1つの機能性物質20とを備える。機能性構造体1は、骨格体10に内在する機能性物質20が流体と接触することにより、機能性物質20に応じた機能を発揮する。具体的に、機能性構造体1の外表面10aに接触した流体は、外表面10aに形成された孔11aから骨格体10内部に流入して通路11内に誘導され、通路11内を通って移動し、他の孔11aを通じて機能性構造体1の外部へ出る。流体が通路11内を通って移動する経路において、通路11に保持された機能性物質20と接触することによって、機能性物質20の機能に応じた反応(例えば、触媒反応)が生じる。また、機能性構造体1は、骨格体10が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
[Functions of functional structures]
As described above, the functional structure 1 includes a porous skeleton 10 and at least one functional material 20 present in the skeleton 10. The functional structure 1 exerts a function according to the functional material 20 by contacting the functional material 20 present in the skeleton 10 with a fluid. Specifically, the fluid that contacts the outer surface 10a of the functional structure 1 flows into the skeleton 10 through the holes 11a formed in the outer surface 10a, is guided into the passage 11, moves through the passage 11, and exits the functional structure 1 through another hole 11a. In the path in which the fluid moves through the passage 11, the fluid comes into contact with the functional material 20 held in the passage 11, causing a reaction (e.g., a catalytic reaction) according to the function of the functional material 20. In addition, the functional structure 1 has a molecular sieve function because the skeleton 10 has a porous structure.

まず、機能性構造体1の分子篩能について、図2(a)を用いて、流体がベンゼン、プロピレン及びメシチレンを含む液体である場合を例として説明する。図2(a)に示すように、孔11aの孔径以下、言い換えれば、通路11の内径以下の大きさを有する分子で構成される化合物(例えば、ベンゼン、プロピレン)は、骨格体10内に浸入することができる。一方、孔11aの孔径を超える大きさを有する分子で構成される化合物(例えば、メシチレン)は、骨格体10内へ浸入することができない。このように、流体が複数種類の化合物を含んでいる場合に、骨格体10内に浸入することができない化合物の反応は規制され、骨格体10内に浸入することができる化合物を反応させることができる。 First, the molecular sieving ability of the functional structure 1 will be described with reference to FIG. 2(a) using an example in which the fluid is a liquid containing benzene, propylene, and mesitylene. As shown in FIG. 2(a), compounds (e.g., benzene, propylene) composed of molecules having a size equal to or smaller than the pore size of the hole 11a, in other words, equal to or smaller than the inner diameter of the passage 11, can penetrate into the framework 10. On the other hand, compounds (e.g., mesitylene) composed of molecules having a size larger than the pore size of the hole 11a cannot penetrate into the framework 10. In this way, when the fluid contains multiple types of compounds, the reaction of the compounds that cannot penetrate into the framework 10 is restricted, and the compounds that can penetrate into the framework 10 can be reacted.

反応によって骨格体10内で生成した化合物のうち、孔11aの孔径以下の大きさを有する分子で構成される化合物のみが孔11aを通じて骨格体10の外部へ出ることができ、反応生成物として得られる。一方、孔11aから骨格体10の外部へ出ることができない化合物は、骨格体10の外部へ出ることができる大きさの分子で構成される化合物に変換させれば、骨格体10の外部へ出すことができる。このように、機能性構造体1を用いることにより、特定の反応生成物を選択的に得ることができる。 Of the compounds produced in the framework 10 by the reaction, only compounds composed of molecules having a size equal to or smaller than the diameter of the holes 11a can exit the framework 10 through the holes 11a and are obtained as reaction products. On the other hand, compounds that cannot exit the framework 10 through the holes 11a can be transferred to the framework 10 if they are converted into compounds composed of molecules of a size that allows them to exit the framework 10. In this way, by using the functional structure 1, a specific reaction product can be selectively obtained.

機能性構造体1では、図2(b)に示すように、好適には通路11の拡径部12に機能性物質20が包接されている。機能性物質20が金属酸化物微粒子であるとき、金属酸化物微粒子の平均粒径Dが、通路11の平均内径Dよりも大きく、拡径部12の内径Dよりも小さい場合には(D<D<D)、金属酸化物微粒子と拡径部12との間に小通路13が形成される。そこで、図2(b)中の矢印に示すように、小通路13に浸入した流体が金属酸化物微粒子と接触する。各金属酸化物微粒子は、拡径部12に包接されているため、骨格体10内での移動が制限されている。これにより、骨格体10内における金属酸化物微粒子同士の凝集が防止される。その結果、金属酸化物微粒子と流体との大きな接触面積を安定して維持することができる。また、機能性構造体1において、金属微粒子・金属酸化物微粒子は、平均粒径D30nm未満の高分散状態が維持されるので、高い触媒機能などの活性を長期にわたって維持できる。 In the functional structure 1, as shown in FIG. 2(b), the functional material 20 is preferably included in the expanded diameter portion 12 of the passage 11. When the functional material 20 is metal oxide fine particles, if the average particle diameter D C of the metal oxide fine particles is larger than the average inner diameter D F of the passage 11 and smaller than the inner diameter D E of the expanded diameter portion 12 (D F < D C < D E ), a small passage 13 is formed between the metal oxide fine particles and the expanded diameter portion 12. Then, as shown by the arrow in FIG. 2(b), the fluid that has entered the small passage 13 comes into contact with the metal oxide fine particles. Since each metal oxide fine particle is included in the expanded diameter portion 12, the movement within the framework 10 is restricted. This prevents the metal oxide fine particles from coagulating with each other within the framework 10. As a result, a large contact area between the metal oxide fine particles and the fluid can be stably maintained. Furthermore, in the functional structure 1, the metal fine particles/metal oxide fine particles are maintained in a highly dispersed state with an average particle size D C of less than 30 nm, so that high activity such as catalytic function can be maintained for a long period of time.

次に、機能性物質20が触媒機能を有する場合について説明する。具体的に、機能性物質20が酸化鉄(FeO)微粒子であり、機能性構造体1の骨格体10内に、重質油であるドデシルベンゼンを浸入させた場合を例として説明する。骨格体10内にドデシルベンゼンが浸入すると、下記に示すように、ドデシルベンゼンが、酸化分解反応によって種々のアルコール及びケトンに分解される。さらに、分解物の1つであるケトン(ここではアセトフェノン)から、軽質油であるベンゼンが生成される。これは、機能性物質20が酸化分解反応における触媒として機能することを意味する。このように、機能性構造体1を用いることにより、重質油を軽質油に変換することができる。従来、重質油を軽質油に変換するためには、水素を用いた水素化分解処理が行われていた。これに対して、機能性構造体1を用いれば、水素が不要となる。そのため、水素の供給が難しい地域においても重質油を軽質油に変換するために利用することができる。また、水素が不要となることで、低コスト化を実現でき、これまで十分に利用することができなかった重質油の利用が促進されることが期待できる。 Next, a case where the functional material 20 has a catalytic function will be described. Specifically, a case where the functional material 20 is iron oxide (FeO x ) fine particles, and dodecylbenzene, which is a heavy oil, is infiltrated into the framework 10 of the functional structure 1 will be described as an example. When dodecylbenzene infiltrates into the framework 10, as shown below, dodecylbenzene is decomposed into various alcohols and ketones by an oxidative decomposition reaction. Furthermore, benzene, which is a light oil, is generated from ketone (acetophenone in this case), which is one of the decomposition products. This means that the functional material 20 functions as a catalyst in the oxidative decomposition reaction. In this way, heavy oil can be converted into light oil by using the functional structure 1. Conventionally, in order to convert heavy oil into light oil, hydrocracking treatment using hydrogen has been performed. In contrast, if the functional structure 1 is used, hydrogen is not required. Therefore, it can be used to convert heavy oil into light oil even in areas where it is difficult to supply hydrogen. In addition, by eliminating the need for hydrogen, it is possible to realize low costs, and it is expected that the use of heavy oil, which has not been fully utilized until now, will be promoted.

Figure 0007635943000001
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Figure 0007635943000002
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[機能性構造体の製造方法]
図3は、図1の機能性構造体1の製造方法を示すフローチャートである。以下、骨格体に内在する機能性物質が金属酸化物微粒子である場合を例に、機能性構造体の製造方法の一例を説明する。
[Method of manufacturing a functional structure]
Fig. 3 is a flow chart showing a method for producing the functional structure 1 of Fig. 1. Hereinafter, an example of the method for producing the functional structure will be described taking as an example a case where the functional substance present in the framework is metal oxide fine particles.

(ステップS1:準備工程)
図3に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、機能性構造体の骨格体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
(Step S1: Preparation process)
As shown in Fig. 3, first, a precursor material (A) for obtaining a porous structure framework composed of a zeolite-type compound is prepared. The precursor material (A) is preferably a regular mesoporous substance, and can be appropriately selected depending on the type (composition) of the zeolite-type compound that constitutes the framework of the functional structure.

ここで、機能性構造体の骨格体を構成するゼオライト型化合物がケイ酸塩化合物である場合には、規則性メソ細孔物質は、細孔径1~50nmの細孔が1次元、2次元または3次元に均一な大きさかつ規則的に発達したSi-O骨格からなる化合物であることが好ましい。このような規則性メソ細孔物質は、合成条件によって様々な合成物として得られるが、合成物の具体例としては、例えばSBA-1、SBA-15、SBA-16、KIT-6、FSM-16、MCM-41等が挙げられ、中でもMCM-41が好ましい。なお、SBA-1の細孔径は10~30nm、SBA-15の細孔径は6~10nm、SBA-16の細孔径は6nm、KIT-6の細孔径は9nm、FSM-16の細孔径は3~5nm、MCM-41の細孔径は1~10nmである。また、このような規則性メソ細孔物質としては、例えばメソポーラスシリカ、メソポーラスアルミノシリケート、メソポーラスメタロシリケート等が挙げられる。 Here, when the zeolite-type compound constituting the framework of the functional structure is a silicate compound, the ordered mesoporous material is preferably a compound consisting of a Si-O framework in which pores with a pore diameter of 1 to 50 nm are uniform in size and regularly developed in one, two or three dimensions. Such ordered mesoporous materials can be obtained as various synthetic products depending on the synthesis conditions, and specific examples of synthetic products include SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, FSM-16, MCM-41, etc., and among them, MCM-41 is preferred. The pore diameter of SBA-1 is 10 to 30 nm, the pore diameter of SBA-15 is 6 to 10 nm, the pore diameter of SBA-16 is 6 nm, the pore diameter of KIT-6 is 9 nm, the pore diameter of FSM-16 is 3 to 5 nm, and the pore diameter of MCM-41 is 1 to 10 nm. Examples of such regular mesoporous materials include mesoporous silica, mesoporous aluminosilicate, and mesoporous metallosilicate.

前駆体材料(A)は、市販品および合成品のいずれであってもよい。前駆体材料(A)を合成する場合には、公知の規則性メソ細孔物質の合成方法により行うことができる。例えば、前駆体材料(A)の構成元素を含有する原料と、前駆体材料(A)の構造を規定するための鋳型剤とを含む混合溶液を調製し、必要に応じてpHを調整して、水熱処理(水熱合成)を行う。その後、水熱処理により得られた沈殿物(生成物)を回収(例えば、ろ別)し、必要に応じて洗浄および乾燥し、さらに焼成することで、粉末状の規則性メソ細孔物質である前駆体材料(A)が得られる。ここで、混合溶液の溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、原料は、骨格体の種類に応じて選択されるが、例えばテトラエトキシシラン(TEOS)等のシリカ剤、フュームドシリカ、石英砂等が挙げられる。また、鋳型剤としては、各種界面活性剤、ブロックコポリマー等を用いることができ、規則性メソ細孔物質の合成物の種類に応じて選択することが好ましく、例えばMCM-41を作製する場合にはヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド等の界面活性剤が好適である。水熱処理は、例えば、密閉容器内で、80~800℃、5時間~240時間、0~2000kPaの処理条件で行うことができる。焼成処理は、例えば、空気中で、350~850℃、2~30時間の処理条件で行うことができる。 The precursor material (A) may be either a commercially available product or a synthetic product. When synthesizing the precursor material (A), it can be performed by a known method for synthesizing regular mesoporous materials. For example, a mixed solution containing raw materials containing the constituent elements of the precursor material (A) and a template agent for defining the structure of the precursor material (A) is prepared, and the pH is adjusted as necessary to perform hydrothermal treatment (hydrothermal synthesis). Thereafter, the precipitate (product) obtained by the hydrothermal treatment is collected (for example, filtered), washed and dried as necessary, and further calcined to obtain the precursor material (A), which is a powdered regular mesoporous material. Here, the solvent for the mixed solution can be, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof. In addition, the raw material is selected according to the type of the framework, and examples thereof include silica agents such as tetraethoxysilane (TEOS), fumed silica, and quartz sand. As the template agent, various surfactants, block copolymers, etc. can be used, and it is preferable to select according to the type of the compound of the ordered mesoporous material. For example, when preparing MCM-41, a surfactant such as hexadecyltrimethylammonium bromide is suitable. The hydrothermal treatment can be carried out, for example, in a closed container under the treatment conditions of 80 to 800°C, 5 to 240 hours, and 0 to 2000 kPa. The calcination treatment can be carried out, for example, in air under the treatment conditions of 350 to 850°C, and 2 to 30 hours.

(ステップS2:含浸工程)
次に、準備した前駆体材料(A)に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
(Step S2: Impregnation process)
Next, the prepared precursor material (A) is impregnated with a metal-containing solution to obtain a precursor material (B).

金属含有溶液は、機能性構造体の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に対応する金属成分(例えば、金属イオン)を含有する溶液であればよく、例えば、溶媒に、金属元素(M)を含有する金属塩を溶解させることにより調製できる。このような金属塩としては、例えば、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、硝酸塩等の金属塩が挙げられ、中でも硝酸塩が好ましい。溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。 The metal-containing solution may be any solution containing a metal component (e.g., metal ion) corresponding to the metal element (M) constituting the metal oxide microparticles of the functional structure, and may be prepared, for example, by dissolving a metal salt containing the metal element (M) in a solvent. Examples of such metal salts include metal salts such as chlorides, hydroxides, oxides, sulfates, and nitrates, with nitrates being preferred among them. Examples of the solvent that can be used include water, organic solvents such as alcohol, and mixtures of these.

前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させる方法は、特に限定されないが、例えば、後述する焼成工程の前に、粉末状の前駆体材料(A)を撹拌しながら、金属含有溶液を複数回に分けて少量ずつ添加することが好ましい。また、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液がより浸入し易くなる観点から、前駆体材料(A)に、金属含有溶液を添加する前に予め、添加剤として界面活性剤を添加しておくことが好ましい。このような添加剤は、前駆体材料(A)の外表面を被覆する働きがあり、その後に添加される金属含有溶液が前駆体材料(A)の外表面に付着することを抑制し、金属含有溶液が前駆体材料(A)の細孔内部により浸入し易くなると考えられる。 The method of impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution is not particularly limited. For example, it is preferable to add the metal-containing solution in small amounts in multiple batches while stirring the powdered precursor material (A) before the firing step described below. In addition, from the viewpoint of making it easier for the metal-containing solution to penetrate into the pores of the precursor material (A), it is preferable to add a surfactant as an additive to the precursor material (A) before adding the metal-containing solution. Such an additive has the function of coating the outer surface of the precursor material (A), and is thought to suppress the adhesion of the metal-containing solution added thereafter to the outer surface of the precursor material (A), making it easier for the metal-containing solution to penetrate into the pores of the precursor material (A).

このような添加剤としては、例えばポリオキシエチレンオレイルエーテル(O-15)、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等の非イオン性界面活性剤が挙げられる。これらの界面活性剤は、分子サイズが大きく前駆体材料(A)の細孔内部には浸入できないため、細孔の内部に付着することは無く、金属含有溶液が細孔内部に浸入することを妨げないと考えられる。前駆体材料(A)に添加する上記添加剤の添加量は、前駆体材料(A)に含浸させる金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)の分散性を考慮して、適宜調整することが好ましい。例えば、前駆体材料(A)に添加する添加剤(界面活性剤)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)のモル比(Si/添加剤)は、分散性を得る点から25以下が好ましく、より高い分散性を得る点から10以下がより好ましく、5以下が特に好ましい。 Examples of such additives include nonionic surfactants such as polyoxyethylene oleyl ether (O-15), polyoxyethylene alkyl ether, and polyoxyethylene alkyl phenyl ether. These surfactants have a large molecular size and cannot penetrate into the pores of the precursor material (A), so they do not adhere to the inside of the pores and are considered not to prevent the metal-containing solution from penetrating into the pores. It is preferable to appropriately adjust the amount of the additive added to the precursor material (A) in consideration of the dispersibility of the metal element (M) contained in the metal-containing solution to be impregnated into the precursor material (A). For example, the molar ratio (Si/additive) of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the additive (surfactant) added to the precursor material (A) is preferably 25 or less in terms of obtaining dispersibility, more preferably 10 or less in terms of obtaining higher dispersibility, and particularly preferably 5 or less.

また、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量は、前駆体材料(A)に含浸させる金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)の量(すなわち、前駆体材料(B)に内在させる金属元素(M)の量)を考慮して、適宜調整することが好ましい。例えば、後述する焼成工程の前に、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10~1000となるように調整することが好ましく、50~200となるように調整することがより好ましい。例えば、前駆体材料(A)に金属含有溶液を添加する前に、添加剤として界面活性剤を前駆体材料(A)に添加した場合、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、原子数比Si/Mに換算して50~200とすることで、金属酸化物微粒子の金属元素(M)を、機能性構造体に対して0.5~2.5質量%で含有させることができる。前駆体材料(B)の状態で、その細孔内部に存在する金属元素(M)の量は、金属含有溶液の金属濃度や、上記添加剤の有無、その他温度や圧力等の諸条件が同じであれば、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量に概ね比例する。また、前駆体材料(B)に内在する金属元素(M)の量は、機能性構造体の骨格体に内在する金属酸化物微粒子を構成する金属元素の量と比例関係にある。したがって、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を上記範囲に制御することにより、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液を十分に含浸させることができ、ひいては、機能性構造体の骨格体に内在させる金属酸化物微粒子の量を調整することができる。 In addition, it is preferable to appropriately adjust the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) in consideration of the amount of the metal element (M) contained in the metal-containing solution impregnated into the precursor material (A) (i.e., the amount of the metal element (M) to be contained in the precursor material (B)). For example, before the firing step described below, it is preferable to adjust the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) to be 10 to 1000, and more preferably 50 to 200, in terms of the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to the precursor material (A) (atomic ratio Si/M). For example, when a surfactant is added as an additive to the precursor material (A) before adding the metal-containing solution to the precursor material (A), the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) can be adjusted to be 50 to 200 in terms of the atomic ratio Si/M, so that the metal element (M) of the metal oxide fine particles can be contained in an amount of 0.5 to 2.5% by mass relative to the functional structure. In the state of precursor material (B), the amount of metal element (M) present inside the pores is roughly proportional to the amount of metal-containing solution added to precursor material (A) if the metal concentration of the metal-containing solution, the presence or absence of the above-mentioned additive, and other conditions such as temperature and pressure are the same. In addition, the amount of metal element (M) present in precursor material (B) is proportional to the amount of metal element constituting the metal oxide fine particles present in the framework of the functional structure. Therefore, by controlling the amount of metal-containing solution added to precursor material (A) to be within the above range, the metal-containing solution can be sufficiently impregnated into the pores of precursor material (A), and thus the amount of metal oxide fine particles present in the framework of the functional structure can be adjusted.

前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させた後は、必要に応じて、洗浄処理を行ってもよい。洗浄溶液として、水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。また、前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させ、必要に応じて洗浄処理を行った後、さらに乾燥処理を施すことが好ましい。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、金属含有溶液に含まれる水分や、洗浄溶液の水分が、前駆体材料(A)に多く残った状態で、後述の焼成処理を行うと、前駆体材料(A)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥するのが好ましい。 After the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution, a washing process may be performed as necessary. As the washing solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixture of these can be used. In addition, after the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution and washed as necessary, it is preferable to further perform a drying process. Examples of the drying process include natural drying for about one night, and high-temperature drying at 150°C or less. Note that if the calcination process described below is performed while a large amount of moisture contained in the metal-containing solution or the moisture of the washing solution remains in the precursor material (A), the skeletal structure of the precursor material (A) as a regular mesoporous material may be destroyed, so it is preferable to dry it thoroughly.

(ステップS3:焼成工程)
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
(Step S3: Firing process)
Next, precursor material (A) for obtaining a porous structure framework composed of a zeolite type compound is impregnated with a metal-containing solution to obtain precursor material (B), which is then calcined to obtain precursor material (C).

焼成処理は、例えば、空気中で、350~850℃、2~30時間の処理条件で行うことが好ましい。このような焼成処理により、規則性メソ細孔物質の孔内に含浸された金属成分が結晶成長して、孔内で金属酸化物微粒子が形成される。 The calcination process is preferably carried out in air at 350 to 850°C for 2 to 30 hours. This calcination process causes crystal growth of the metal components impregnated in the pores of the ordered mesoporous material, forming metal oxide fine particles in the pores.

(ステップS4:水熱処理工程)
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、機能性構造体を得る。
(Step S4: Hydrothermal treatment step)
Next, a mixed solution is prepared by mixing the precursor material (C) and a structure directing agent, and the precursor material (B) is calcined to obtain the precursor material (C), which is then subjected to a hydrothermal treatment to obtain a functional structure.

構造規定剤は、機能性構造体の骨格体の骨格構造を規定するための鋳型剤であり、例えば界面活性剤を用いることができる。構造規定剤は、機能性構造体の骨格体の骨格構造に応じて選択することが好ましく、例えばテトラメチルアンモニウムブロミド(TMABr)、テトラエチルアンモニウムブロミド(TEABr)、テトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr)等の界面活性剤が好適である。 The structure-directing agent is a template agent for defining the skeletal structure of the skeleton of the functional structure, and for example, a surfactant can be used. The structure-directing agent is preferably selected according to the skeletal structure of the skeleton of the functional structure, and surfactants such as tetramethylammonium bromide (TMABr), tetraethylammonium bromide (TEABr), and tetrapropylammonium bromide (TPABr) are suitable.

前駆体材料(C)と構造規定剤との混合は、本水熱処理工程時に行ってもよいし、水熱処理工程の前に行ってもよい。また、上記混合溶液の調製方法は、特に限定されず、前駆体材料(C)と、構造規定剤と、溶媒とを同時に混合してもよいし、溶媒に前駆体材料(C)と構造規定剤とをそれぞれ個々の溶液に分散させた状態にした後に、それぞれの分散溶液を混合してもよい。溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、混合溶液は、水熱処理を行う前に、酸または塩基を用いてpHを調整しておくことが好ましい。 The precursor material (C) and the structure-directing agent may be mixed during the hydrothermal treatment process or before the hydrothermal treatment process. The method for preparing the mixed solution is not particularly limited, and the precursor material (C), the structure-directing agent, and the solvent may be mixed at the same time, or the precursor material (C) and the structure-directing agent may be dispersed in a solvent in their respective solutions, and then the respective dispersion solutions may be mixed. As the solvent, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixture of these may be used. It is also preferable to adjust the pH of the mixed solution using an acid or a base before performing the hydrothermal treatment.

水熱処理は、公知の方法で行うことができ、例えば、密閉容器内で、80~800℃、5時間~240時間、0~2000kPaの処理条件で行うことが好ましい。また、水熱処理は、塩基性雰囲気下で行われることが好ましい。ここでの反応メカニズムは必ずしも明らかではないが、前駆体材料(C)を原料として水熱処理を行うことにより、前駆体材料(C)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造は次第に崩れるが、前駆体材料(C)の細孔内部での金属酸化物微粒子の位置は概ね維持されたまま、構造規定剤の作用により、機能性構造体の骨格体としての新たな骨格構造(多孔質構造)が形成される。このようにして得られた機能性構造体は、多孔質構造の骨格体と、骨格体に内在する金属酸化物微粒子を備え、さらに骨格体はその多孔質構造により複数の孔が互いに連通した通路を有し、金属酸化物微粒子はその少なくとも一部分が骨格体の通路に存在している。 The hydrothermal treatment can be carried out by a known method, and is preferably carried out in a sealed container at 80 to 800°C, for 5 to 240 hours, and under conditions of 0 to 2000 kPa. The hydrothermal treatment is also preferably carried out in a basic atmosphere. Although the reaction mechanism here is not necessarily clear, by carrying out hydrothermal treatment using precursor material (C) as a raw material, the skeletal structure of the precursor material (C) as a regular mesoporous substance gradually collapses, but the positions of the metal oxide particles inside the pores of the precursor material (C) are generally maintained, and a new skeletal structure (porous structure) is formed as the skeleton of the functional structure by the action of the structure-directing agent. The functional structure thus obtained comprises a skeleton of a porous structure and metal oxide particles contained in the skeleton, and the skeleton further has a passage in which a plurality of pores are connected to each other due to the porous structure, and at least a portion of the metal oxide particles are present in the passage of the skeleton.

水熱処理後に得られる沈殿物(機能性構造体)は、回収(例えば、ろ別)後、必要に応じて洗浄、乾燥および焼成することが好ましい。洗浄溶液としては、水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、沈殿物に水分が多く残った状態で、焼成処理を行うと、機能性構造体の骨格体としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥するのが好ましい。また、焼成処理は、例えば、空気中で、350~850℃、2~30時間の処理条件で行うことができる。このような焼成処理により、機能性構造体に付着していた構造規定剤が焼失する。また、機能性構造体は、使用目的に応じて、回収後の沈殿物を焼成処理することなくそのまま用いることもできる。例えば、機能性構造体の使用する環境が、酸化性雰囲気の高温環境である場合には、使用環境に一定時間晒すことで、構造規定剤は焼失し、焼成処理した場合と同様の機能性構造体が得られるので、そのまま使用することが可能となる。
また、本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料(C)を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合すること無く、前駆体材料(C)を水熱処理してもよい。
The precipitate (functional structure) obtained after the hydrothermal treatment is preferably washed, dried and calcined as necessary after recovery (for example, filtration). As the washing solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixture of these can be used. As the drying treatment, natural drying for about one night or high-temperature drying at 150°C or less can be used. If the precipitate is calcined while a large amount of moisture remains, the skeleton structure as the skeleton of the functional structure may be destroyed, so it is preferable to dry it thoroughly. In addition, the calcination treatment can be performed, for example, in air under treatment conditions of 350 to 850°C and 2 to 30 hours. By such a calcination treatment, the structure-directing agent attached to the functional structure is burned off. In addition, the functional structure can be used as it is without calcining the precipitate after recovery depending on the purpose of use. For example, when the environment in which the functional structure is used is a high-temperature environment in an oxidizing atmosphere, the structure-directing agent is burned off by exposing it to the use environment for a certain period of time, and the functional structure can be obtained similar to that obtained by calcination treatment, so that it can be used as it is.
In addition, in the present embodiment, in the above-mentioned hydrothermal treatment step, a mixed solution is prepared by mixing the precursor material (C) and the structure-directing agent, and the precursor material (C) is hydrothermally treated. However, this is not limited thereto, and the precursor material (C) may be hydrothermally treated without mixing the precursor material (C) with the structure-directing agent.

以上、機能性物質が金属酸化物微粒子である場合の機能性構造体の製造方法を例に説明してきたが、機能性物質が金属微粒子である場合も概ね上記と同様に、機能性構造体を作製することができる。例えば、上記のようにして金属酸化物粒子を有する機能性構造体を得た後、水素ガス等の還元ガス雰囲気下で還元処理することで、骨格体に金属微粒子が内在する機能性構造体を得ることができる。この場合、骨格体に内在する金属酸化物微粒子が還元され、金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に対応した金属微粒子が形成される。あるいは、前駆体材料(A)に含浸させる金属含有溶液に含まれる金属元素(M)を、酸化され難い金属種(例えば、貴金属)とすることにより、焼成工程(ステップS3)にて金属微粒子を結晶成長させることができ、その後に水熱処理を行うことで、骨格体に金属微粒子が内在する機能性構造体を得ることができる。 The above describes a method for producing a functional structure in which the functional substance is metal oxide microparticles, but a functional structure can be produced in the same manner as above when the functional substance is metal microparticles. For example, after obtaining a functional structure having metal oxide particles as described above, a reduction treatment is performed under a reducing gas atmosphere such as hydrogen gas to obtain a functional structure in which metal microparticles are present in the framework. In this case, the metal oxide microparticles present in the framework are reduced to form metal microparticles corresponding to the metal element (M) constituting the metal oxide microparticles. Alternatively, by using a metal element (M) contained in the metal-containing solution to be impregnated into the precursor material (A) as a metal species that is difficult to oxidize (e.g., a noble metal), the metal microparticles can be crystallized in the firing process (step S3), and then a hydrothermal treatment is performed to obtain a functional structure in which metal microparticles are present in the framework.

[機能性構造体1の変形例]
図4は、図1の機能性構造体1の変形例を示す模式図である。
図1の機能性構造体1は、骨格体10と、骨格体10に内在する機能性物質20とを備える場合を示しているが、この構成だけには限定されず、例えば、図4に示すように、機能性構造体2が、骨格体10の外表面10aに保持された少なくとも1つの機能性物質30を更に備えていてもよい。
[Modification of Functional Structure 1]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a modified example of the functional structure 1 of FIG.
The functional structure 1 in Figure 1 is shown to have a skeleton 10 and a functional substance 20 contained within the skeleton 10, but is not limited to this configuration. For example, as shown in Figure 4, the functional structure 2 may further have at least one functional substance 30 held on the outer surface 10a of the skeleton 10.

この機能性物質30は、一又は複数の機能を発揮する物質である。機能性物質30が有する機能は、機能性物質20が有する機能と同一であってもよいし、異なっていてもよい。機能性物質30が有する機能の具体例は、機能性物質20について説明したものと同様であり、中でも触媒機能を有することが好ましく、このとき機能性物質30は触媒物質である。また、機能性物質20,30の双方が同一の機能を有する物質である場合、機能性物質30の材料は、機能性物質20の材料と同一であってもよいし、異なっていてもよい。本構成によれば、機能性構造体2に保持された機能性物質の含有量を増大することができ、機能性物質の機能発揮を更に促進することができる。 The functional material 30 is a material that exerts one or more functions. The function possessed by the functional material 30 may be the same as or different from the function possessed by the functional material 20. Specific examples of the functions possessed by the functional material 30 are the same as those described for the functional material 20, and among them, it is preferable that the functional material 30 has a catalytic function, in which case the functional material 30 is a catalytic material. In addition, when both the functional materials 20 and 30 are materials having the same function, the material of the functional material 30 may be the same as or different from the material of the functional material 20. According to this configuration, the content of the functional material held in the functional structure 2 can be increased, and the exertion of the function of the functional material can be further promoted.

この場合、骨格体10に内在する機能性物質20の含有量は、骨格体10の外表面10aに保持された機能性物質30の含有量よりも多いことが好ましい。これにより、骨格体10の内部に保持された機能性物質20による機能が支配的となり、安定的に機能性物質の機能が発揮される。 In this case, it is preferable that the content of the functional material 20 present in the skeleton 10 is greater than the content of the functional material 30 held on the outer surface 10a of the skeleton 10. This allows the function of the functional material 20 held inside the skeleton 10 to predominate, and the function of the functional material is stably exerted.

以上、本発明の実施形態に係る機能性構造体について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。 The functional structure according to the embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and changes are possible based on the technical concept of the present invention.

(実施例1~576)
[前駆体材料(A)の合成]
シリカ剤(テトラエトキシシラン(TEOS)、和光純薬工業株式会社製)と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜pH調整を行い、密閉容器内で、80~350℃、100時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水およびエタノールで洗浄し、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1~16に示される種類および孔径の前駆体材料(A)を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料(A)の種類に応じて(「前駆体材料(A)の種類:界面活性剤」)以下のものを用いた。
・MCM-41:ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)(和光純薬工業株式会社製)
・SBA-1:Pluronic P123(BASF社製)
(Examples 1 to 576)
[Synthesis of precursor material (A)]
A mixed aqueous solution was prepared by mixing a silica agent (tetraethoxysilane (TEOS), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) with a surfactant as a template agent, and the pH was appropriately adjusted. The solution was subjected to hydrothermal treatment at 80 to 350°C for 100 hours in a sealed container. The resulting precipitate was then filtered off, washed with water and ethanol, and further calcined in air at 600°C for 24 hours to obtain precursor materials (A) of the types and pore sizes shown in Tables 1 to 16. The following surfactants were used according to the type of precursor material (A) ("Type of precursor material (A): Surfactant").
MCM-41: Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
SBA-1: Pluronic P123 (manufactured by BASF)

[前駆体材料(B)および(C)の作製]
次に、表1~16に示される種類の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に応じて、該金属元素(M)を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、金属酸化物微粒子の種類に応じて(「金属酸化物微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
・CoO:硝酸コバルト(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・NiO:硝酸ニッケル(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・FeO:硝酸鉄(III)九水和物(和光純薬工業株式会社製)
・CuO:硝酸銅(II)三水和物(和光純薬工業株式会社製)
[Preparation of Precursor Materials (B) and (C)]
Next, metal-containing aqueous solutions were prepared by dissolving metal salts containing the metal elements (M) constituting the metal oxide microparticles of the types shown in Tables 1 to 16 in water. The following metal salts were used according to the type of metal oxide microparticles ("metal oxide microparticles: metal salts").
CoO x : Cobalt (II) nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・NiO x : Nickel (II) nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・FeO x : Iron (III) nitrate nonahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
CuO x : Copper (II) nitrate trihydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)

次に、粉末状の前駆体材料(A)に、金属含有水溶液を複数回に分けて少量ずつ添加し、室温(20℃±10℃)で12時間以上乾燥させて、前駆体材料(B)を得た。 Next, the metal-containing aqueous solution was added in small amounts in multiple batches to the powdered precursor material (A), and the mixture was dried at room temperature (20°C ± 10°C) for 12 hours or more to obtain the precursor material (B).

なお、表1~16に示す添加剤の有無の条件が「有り」の場合は、金属含有水溶液を添加する前の前駆体材料(A)に対して、添加剤としてのポリオキシエチレン(15)オレイルエーテル(NIKKOL BO-15V、日光ケミカルズ株式会社製)(表1~16では「O-15」と表す。)の水溶液を添加する前処理を行い、その後、上記のように金属含有水溶液を添加した。前駆体材料(A)に添加する添加剤(O-15)の添加量に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比:Si/O-15)の数値が、表1~16の値になるように調整した。なお、添加剤の有無の条件で「無し」の場合については、上記のような添加剤による前処理は行っていない。 When the additive condition shown in Tables 1 to 16 is "Yes", a pretreatment was performed by adding an aqueous solution of polyoxyethylene (15) oleyl ether (NIKKOL BO-15V, manufactured by Nikko Chemicals Co., Ltd.) (represented as "O-15" in Tables 1 to 16) as an additive to the precursor material (A) before adding the metal-containing aqueous solution, and then the metal-containing aqueous solution was added as described above. The ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the amount of additive (O-15) added to the precursor material (A) (atomic ratio: Si/O-15) was adjusted so that it was the value shown in Tables 1 to 16. When the additive condition is "No", the pretreatment with the additive as described above was not performed.

また、前駆体材料(A)に添加する金属含有水溶液の添加量は、該金属含有水溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比:Si/M)に換算したときの数値が、表1~16の値になるように調整した。 The amount of metal-containing aqueous solution added to the precursor material (A) was adjusted so that the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing aqueous solution (atomic ratio: Si/M) would be one of the values shown in Tables 1 to 16.

次に、上記のようにして得られた金属含有水溶液を含浸させた前駆体材料(B)を、600℃、24時間、空気中で焼成して、前駆体材料(C)を得た。 Next, the precursor material (B) impregnated with the metal-containing aqueous solution obtained as described above was calcined in air at 600°C for 24 hours to obtain the precursor material (C).

[機能性構造体の合成]
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、表1~16に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、80~350℃、表1~16に示すpHおよび時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、100℃で12時間以上乾燥させ、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1~16に示す骨格体と機能性物質としての金属酸化物微粒子とを有する機能性構造体を得た(実施例1~576)。
[Synthesis of functional structures]
The precursor material (C) obtained as described above was mixed with a structure directing agent shown in Tables 1 to 16 to prepare a mixed aqueous solution, which was then subjected to hydrothermal treatment in a sealed container at 80 to 350° C. under the conditions of the pH and time shown in Tables 1 to 16. Thereafter, the resulting precipitate was filtered off, washed with water, dried at 100° C. for 12 hours or more, and further calcined in air at 600° C. for 24 hours to obtain a functional structure having a framework shown in Tables 1 to 16 and metal oxide fine particles as a functional substance (Examples 1 to 576).

(比較例1)
比較例1では、MFI型シリカライトに平均粒径50nm以下の酸化コバルト粉末(II,III)(シグマ アルドリッチ ジャパン合同会社製)を混合し、骨格体としてのシリカ
ライトの外表面に、機能性物質として酸化コバルト微粒子を付着させた機能性構造体を得た。MFI型シリカライトは、金属を添加する工程以外は、実施例76~81と同様の方法で合成した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, cobalt oxide powder (II, III) (Sigma-Aldrich Japan LLC) having an average particle size of 50 nm or less was mixed with MFI-type silicalite to obtain a functional structure in which cobalt oxide fine particles were attached as a functional material to the outer surface of the silicalite as a framework. The MFI-type silicalite was synthesized in the same manner as in Examples 76 to 81, except for the step of adding the metal.

(比較例2)
比較例2では、酸化コバルト微粒子を付着させる工程を省略したこと以外は、比較例1と同様の方法にてMFI型シリカライトを合成した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, MFI-type silicalite was synthesized in the same manner as in Comparative Example 1, except that the step of adhering cobalt oxide fine particles was omitted.

[評価]
上記実施例の機能性構造体及び比較例のシリカライトについて、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。
[evaluation]
Various characteristics of the functional structures of the above examples and the silicalite of the comparative example were evaluated under the conditions shown below.

[A]断面観察
上記実施例の機能性構造体および比較例の酸化コバルト微粒子付着シリカライトについて、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)(TITAN G2、FEI社製)を用いて、断面観察を行った。
その結果、上記実施例の機能性構造体では、シリカライトまたはゼオライトからなる骨格体の内部に機能性物質が内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例1のシリカライトでは、機能性物質が骨格体の外表面に付着しているのみで、骨格体の内部には存在していなかった。
また、上記実施例のうち金属酸化物が酸化鉄微粒子(FeOx)である機能性構造体について、FIB(集束イオンビーム)加工により断面を切り出し、SEM(SU8020
、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)、EDX(X-Max、株式会社堀場製作所製)を
用いて断面元素分析を行った。その結果、骨格体内部からFe元素が検出された。
上記TEMとSEM/EDXによる断面観察の結果から、骨格体内部に酸化鉄微粒子が存在していることが確認された。
[A] Cross-Section Observation For the functional structures of the above-mentioned Examples and the silicalite with cobalt oxide microparticles attached thereto of the Comparative Example, observation samples were prepared by a pulverization method, and cross-sections were observed using a transmission electron microscope (TEM) (TITAN G2, manufactured by FEI).
As a result, it was confirmed that the functional material was present and held inside the framework made of silicalite or zeolite in the functional structures of the above examples, whereas in the silicalite of Comparative Example 1, the functional material was only attached to the outer surface of the framework and was not present inside the framework.
In addition, for the functional structures in the above examples in which the metal oxide was iron oxide fine particles (FeOx), a cross section was cut out by FIB (focused ion beam) processing, and the cross section was examined with a SEM (SU8020
Cross-sectional elemental analysis was performed using an EDX (X-Max, manufactured by Horiba, Ltd.) and an EDX (Hitachi High-Technologies Corporation). As a result, Fe element was detected from inside the skeleton.
From the results of the above-mentioned cross-sectional observations using TEM and SEM/EDX, it was confirmed that fine iron oxide particles were present inside the framework.

[B]骨格体の通路の平均内径および機能性物質の平均粒径
上記評価[A]で行った断面観察により撮影したTEM画像にて、骨格体の通路を、任意に500個選択し、それぞれの長径および短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し(N=500)、さらに内径の平均値を求めて、骨格体の通路の平均内径Dとした。また、機能性物質についても同様に、上記TEM画像から、機能性物質を、任意に500個選択し、それぞれの粒径を測定して(N=500)、その平均値を求めて、機能性物質の平均粒径Dとした。結果を表1~16に示す。
また、機能性物質の平均粒径及び分散状態を確認するため、SAXS(小角X線散乱)を用いて分析した。SAXSによる測定は、Spring-8のビームラインBL19B2を用いて行った。得られたSAXSデータは、Guinier近似法により球形モデルでフィッティングを行い、粒径を算出した。粒径は、金属酸化物が酸化鉄微粒子である機能性構造体について測定した。また、比較対象として、市販品である酸化鉄微粒子(Wako製)をSEMにて観察、測定した。
この結果、市販品では粒径約50nm~400nmの範囲で様々なサイズの酸化鉄微粒子がランダムに存在しているのに対し、TEM画像から求めた平均粒径が1.2nm~2.0nmの各実施例の機能性構造体では、SAXSの測定結果においても粒径が10nm以下の散乱ピークが検出された。SAXSの測定結果とSEM/EDXによる断面の測定結果から、骨格体内部に、粒径10nm以下の機能性物質が、粒径が揃いかつ非常に高い分散状態で存在していることが分かった。
[B] Average inner diameter of the pathways of the skeleton and average particle size of the functional substance From the TEM image taken by the cross-sectional observation performed in the above evaluation [A], 500 pathways of the skeleton were randomly selected, the major axis and minor axis of each were measured, and the inner diameter of each was calculated from the average value (N=500). The average value of the inner diameters was then calculated, and this was taken as the average inner diameter D F of the pathways of the skeleton. Similarly, for the functional substances, 500 functional substances were randomly selected from the above TEM image, the particle size of each was measured (N=500), and the average value was calculated, and this was taken as the average particle size D C of the functional substances. The results are shown in Tables 1 to 16.
Furthermore, in order to confirm the average particle size and dispersion state of the functional material, analysis was performed using SAXS (small angle X-ray scattering). The SAXS measurements were performed using beamline BL19B2 at Spring-8. The obtained SAXS data was fitted with a spherical model using the Guinier approximation method to calculate the particle size. The particle size was measured for a functional structure in which the metal oxide was iron oxide fine particles. For comparison, commercially available iron oxide fine particles (manufactured by Wako) were observed and measured using a SEM.
As a result, while the commercially available product contains randomly-distributed iron oxide fine particles of various sizes in the particle size range of about 50 nm to 400 nm, the functional structures of the examples, which had an average particle size of 1.2 nm to 2.0 nm as determined from TEM images, also showed scattering peaks of particle sizes of 10 nm or less in the SAXS measurement results. From the SAXS measurement results and the cross-sectional measurement results by SEM/EDX, it was found that functional substances of particle sizes of 10 nm or less were present within the framework with uniform particle sizes and in a highly dispersed state.

[C]金属含有溶液の添加量と骨格体内部に包接された金属量との関係
原子数比Si/M=50,100,200,1000(M=Co、Ni、Fe、Cu)の添加量で、金属酸化物微粒子を骨格体内部に包接させた機能性構造体を作製し、その後、上記添加量で作製された機能性構造体の骨格体内部に包接された金属量(質量%)を測定した。尚、本測定において原子数比Si/M=100,200,1000の機能性構造体は、それぞれ実施例1~576のうちの原子数比Si/M=100,200,1000の機能性構造体と同様の方法で金属含有溶液の添加量を調整して作製し、原子数比Si/M=50の機能性構造体は、金属含有溶液の添加量を異ならせたこと以外は、原子数比Si/M=100,200,1000の機能性構造体と同様の方法で作製した。
金属量の定量は、ICP(高周波誘導結合プラズマ)単体か、或いはICPとXRF(蛍光X線分析)を組み合わせて行った。XRF(エネルギー分散型蛍光X線分析装置「SEA1200VX」、エスエスアイ・ナノテクノロジー株式会社製)は、真空雰囲気、加速電圧15kV(Crフィルター使用)或いは加速電圧50kV(Pbフィルター使用)の条件で行った。
XRFは、金属の存在量を蛍光強度で算出する方法であり、XRF単体では定量値(質量%換算)を算出できない。そこで、Si/M=100で金属を添加した機能性構造体の金属量は、ICP分析により定量し、Si/M=50および100未満で金属を添加した機能性構造体の金属量は、XRF測定結果とICP測定結果を元に算出した。
この結果、少なくとも原子数比Si/Mが50~1000の範囲内で、金属含有溶液の添加量の増加に伴って、機能性構造体に包接された金属量が増大していることが確認された。
[C] Relationship between the amount of metal-containing solution added and the amount of metal encapsulated in the framework A functional structure was prepared in which metal oxide fine particles were encapsulated in the framework with the amount of atomic ratio Si/M = 50, 100, 200, 1000 (M = Co, Ni, Fe, Cu), and then the amount of metal (mass%) encapsulated in the framework of the functional structure prepared with the above amount of addition was measured. In this measurement, the functional structures with atomic ratio Si/M = 100, 200, 1000 were prepared by adjusting the amount of metal-containing solution added in the same manner as the functional structures with atomic ratio Si/M = 100, 200, 1000 in Examples 1 to 576, respectively, and the functional structures with atomic ratio Si/M = 50 were prepared in the same manner as the functional structures with atomic ratio Si/M = 100, 200, 1000, except that the amount of metal-containing solution added was different.
The amount of metal was determined by ICP (inductively coupled plasma) alone or by a combination of ICP and XRF (X-ray fluorescence analysis). XRF (energy dispersive X-ray fluorescence analyzer "SEA1200VX", manufactured by SSI NanoTechnology Co., Ltd.) was performed under the conditions of a vacuum atmosphere and an acceleration voltage of 15 kV (using a Cr filter) or 50 kV (using a Pb filter).
XRF is a method for calculating the amount of metal present by fluorescence intensity, and quantitative values (mass % conversion) cannot be calculated by XRF alone. Therefore, the amount of metal in the functional structure to which metal was added at Si/M=100 was quantified by ICP analysis, and the amount of metal in the functional structure to which metal was added at Si/M=50 and less than 100 was calculated based on the results of XRF measurement and ICP measurement.
As a result, it was confirmed that, at least within the range of the atomic ratio Si/M of 50 to 1000, the amount of metal encapsulated in the functional structure increases with an increase in the amount of metal-containing solution added.

[C]性能評価
上記実施例の機能性構造体および比較例のシリカライトについて、機能性物質(触媒物質)がもつ触媒能(性能)を評価した。
[C] Performance Evaluation The catalytic ability (performance) of the functional material (catalyst material) was evaluated for the functional structures of the above-mentioned Examples and the silicalite of the Comparative Example.

(1)平均粒径の測定と、分散性の確認
小角X線散乱(SAXS)(株式会社リガク製、製品名「製品名「Nano-viewer IP」)で触媒の平均粒径と分散性を測定した。分散性の指標として、触媒の粒子径が2.0nm未満の場合は分散性が特に良好「◎」、2.0nm以上5.0nm未満の場合は良好「○」、5.0nm以上の場合を分散性が普通「△」とした。
(1) Measurement of average particle size and confirmation of dispersibility The average particle size and dispersibility of the catalyst were measured by small angle X-ray scattering (SAXS) (manufactured by Rigaku Corporation, product name "Nano-viewer IP"). As an index of dispersibility, when the particle size of the catalyst was less than 2.0 nm, the dispersibility was evaluated as particularly good "◎", when it was 2.0 nm or more and less than 5.0 nm, the dispersibility was evaluated as good "○", and when it was 5.0 nm or more, the dispersibility was evaluated as normal "△".

(2)触媒活性
触媒活性は、以下の条件で評価した。
まず、機能性構造体を、常圧流通式反応装置に0.2g充填し、窒素ガス(N)をキャリアガス(5ml/min)とし、400℃、2時間、ブチルベンゼン(重質油のモデ
ル物質)の分解反応を行った。
反応終了後に、回収した生成ガスおよび生成液を、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC/MS)により成分分析した。なお、生成ガスの分析装置には、TRACE 13
10GC(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器:熱伝導度検出器)を用い、生成液の分析装置には、TRACE DSQ(サーモフィッシャーサイエ
ンティフィック株式会社製、検出器:質量検出器、イオン化方法:EI(イオン源温度250℃、MSトランスファーライン温度320℃、検出器:熱伝導度検出器))を用いた。
さらに、上記成分分析の結果に基づき、ブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物(具体的には、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、スチレン、クメン、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン等)の収率(mol%)を求めた。上記化合物の収率は、反応開始前のブチルベンゼンの物質量(mol)に対する、生成液中に含まれるブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の物質量の総量(mol)の百分率(mol%)として算出した。
本実施例では、生成液中に含まれるブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の収率が、40mol%以上である場合を触媒活性(分解能)が優れていると判定して「◎」、25mol%以上40mol%未満である場合を触媒活性が良好であると判定して「○」、10mol%以上25mol%未満である場合を触媒活性が良好ではないものの合格レベル(可)であると判定して「△」、そして10mol%未満である場合を触媒活性が劣る(不可)と判定して「×」とした。
(2) Catalytic Activity Catalytic activity was evaluated under the following conditions.
First, 0.2 g of the functional structure was packed into an atmospheric pressure flow type reactor, and a decomposition reaction of butylbenzene (a model substance of heavy oil) was carried out at 400° C. for 2 hours using nitrogen gas (N 2 ) as a carrier gas (5 ml/min).
After the reaction was completed, the recovered product gas and product liquid were analyzed for components by gas chromatography mass spectrometry (GC/MS).
A 10GC (manufactured by Thermo Fisher Scientific Inc., detector: thermal conductivity detector) was used, and a TRACE DSQ (manufactured by Thermo Fisher Scientific Inc., detector: mass detector, ionization method: EI (ion source temperature 250° C., MS transfer line temperature 320° C., detector: thermal conductivity detector)) was used as the analyzer for the product liquid.
Furthermore, based on the results of the above component analysis, the yield (mol%) of compounds having a molecular weight smaller than that of butylbenzene (specifically, benzene, toluene, ethylbenzene, styrene, cumene, methane, ethane, ethylene, propane, propylene, butane, butene, etc.) was determined. The yield of the above compounds was calculated as the percentage (mol%) of the total amount (mol) of the substances of compounds having a molecular weight smaller than that of butylbenzene contained in the product liquid relative to the amount (mol) of butylbenzene before the start of the reaction.
In this example, when the yield of compounds having smaller molecular weights than butylbenzene contained in the product liquid was 40 mol% or more, the catalytic activity (resolution) was judged to be excellent and marked with "◎", when it was 25 mol% or more and less than 40 mol%, the catalytic activity was judged to be good and marked with "◯", when it was 10 mol% or more and less than 25 mol%, the catalytic activity was judged to be not good but to be at an acceptable level (passable) and marked with "△", and when it was less than 10 mol%, the catalytic activity was judged to be poor (unacceptable) and marked with "X".

比較例1~2についても、上記評価(1)および(2)と同様の性能評価を行った。尚、比較例2は、骨格体そのものであり、機能性物質は有していない。そのため、上記性能評価では、機能性構造体に替えて、比較例2の骨格体のみを充填した。結果を表1~16に示す。 Comparative examples 1 and 2 were also subjected to the same performance evaluation as in the above evaluations (1) and (2). Note that comparative example 2 is the framework itself and does not contain any functional substances. Therefore, in the above performance evaluation, only the framework of comparative example 2 was filled in place of the functional structure. The results are shown in Tables 1 to 16.

Figure 0007635943000003
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Figure 0007635943000004
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表1~16から明らかなように、断面観察により骨格体の内部に機能性物質が保持されていることが確認された機能性構造体(実施例1~576)は、単に機能性物質が骨格体の外表面に付着しているだけの機能性構造体(比較例1)または機能性物質を何ら有していない骨格体そのもの(比較例2)と比較して、ブチルベンゼンの分解反応において優れた触媒活性を示した。 As is clear from Tables 1 to 16, the functional structures (Examples 1 to 576) in which it was confirmed by cross-sectional observation that functional substances were retained inside the framework showed superior catalytic activity in the decomposition reaction of butylbenzene compared to a functional structure in which functional substances were simply attached to the outer surface of the framework (Comparative Example 1) or the framework itself without any functional substances (Comparative Example 2).

また、骨格体の内部における機能性物質の分散性が優れていると、ブチルベンゼンの分解反応において優れた触媒活性が得られた。特に、前駆体材料(A)に添加する添加剤(O-15)の添加量に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比:Si/O-15)の数値が5である実施例は、上記数値が25である実施例及び前記添加剤(O-15)を添加していない実施例と比較して、粒径をもとに判断した分散性がさらに向上し、さらに優れた触媒活性が得られた。 In addition, when the dispersibility of the functional substance inside the framework was excellent, excellent catalytic activity was obtained in the decomposition reaction of butylbenzene. In particular, in the example in which the ratio (atomic ratio: Si/O-15) of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the amount of additive (O-15) added to the precursor material (A) was 5, the dispersibility judged based on particle size was further improved and even more excellent catalytic activity was obtained, compared to the example in which the ratio was 25 and the example in which the additive (O-15) was not added.

また、上記評価[C]で測定された機能性構造体の骨格体内部に包接された金属量(質量%)と、生成液中に含まれるブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の収率(mol%)との関係を評価した。評価方法は、上記[D]「性能評価」における「(1)触媒活性」で行った評価方法と同じとした。
その結果、各実施例において、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量が、原子数比Si/M(M=Fe)に換算して50~200(機能性構造体に対する金属酸化物微粒子の金属元素(M)の含有量が0.5~2.5質量%)であると、生成液中に含まれるブチルベンゼンよりも分子量が小さい化合物の収率が、32mol%以上となり、ブチルベンゼンの分解反応における触媒活性が合格レベル以上であることが分かった。
In addition, the relationship between the amount of metal (mass%) encapsulated in the framework of the functional structure measured in the above evaluation [C] and the yield (mol%) of compounds having a smaller molecular weight than butylbenzene contained in the product solution was evaluated. The evaluation method was the same as that used in "(1) Catalytic activity" in the above [D] "Performance evaluation".
As a result, in each example, it was found that when the amount of metal-containing solution added to the precursor material (A) was 50 to 200, converted into the atomic ratio Si/M (M = Fe) (the content of the metal element (M) of the metal oxide microparticles relative to the functional structure was 0.5 to 2.5 mass%), the yield of compounds having a smaller molecular weight than butylbenzene contained in the product liquid was 32 mol% or more, and the catalytic activity in the decomposition reaction of butylbenzene was at or above the acceptable level.

一方、骨格体の外表面にのみ機能性物質を付着させた比較例1~4の機能性構造体は、機能性物質を何ら有していない参考例1の骨格体そのものと同様に、ブチルベンゼンの分解反応における触媒活性は、実施例1~576の機能性構造体に比べて劣っていた。 On the other hand, the functional structures of Comparative Examples 1 to 4, in which the functional substance was attached only to the outer surface of the framework, were inferior in catalytic activity in the decomposition reaction of butylbenzene to the functional structures of Examples 1 to 576, just like the framework of Reference Example 1 itself, which had no functional substance.

一方、機能性物質を何ら有していない比較例2の骨格体そのものは、ブチルベンゼンの分解反応において触媒活性は殆ど示さず、実施例1~576の機能性構造体と比較して、触媒活性が劣っていた。 On the other hand, the framework of Comparative Example 2, which did not have any functional material, showed almost no catalytic activity in the decomposition reaction of butylbenzene, and had inferior catalytic activity compared to the functional structures of Examples 1 to 576.

1 機能性構造体
10 骨格体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 機能性物質
30 機能性物質
平均粒径
平均内径
内径
REFERENCE SIGNS LIST 1 functional structure 10 framework 10a outer surface 11 passage 11a hole 12 enlarged diameter portion 20 functional substance 30 functional substance D C average particle diameter D F average inner diameter D E inner diameter

Claims (13)

ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の骨格体と、
前記骨格体に内在する少なくとも1つの機能性物質と、
を備え、
前記機能性物質は、単独で、または前記骨格体と協働することで、触媒機能を発揮する物質であり、
前記機能性物質が、Co、Ni、およびFeからなる群より選択される1種の金属の酸化物であり、
前記骨格体が、互いに連通する通路を有し、
前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、
前記機能性物質が、前記骨格体の少なくとも前記通路に存在しており、前記機能性物質の平均粒径が5.00nm以上30nm未満であり、
前記通路の平均内径に対する前記機能性物質の平均粒径の割合が、6.76~35.71であり、ここで、前記通路の平均内径は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する孔の短径及び長径の平均値から算出されるものである、機能性構造体。
A porous framework composed of a zeolite compound;
At least one functional substance present within the scaffold;
Equipped with
the functional substance is a substance that exerts a catalytic function alone or in cooperation with the framework,
the functional material is an oxide of one metal selected from the group consisting of Co, Ni, and Fe;
The framework has passages communicating with each other,
the passage has one of one-dimensional pores, two-dimensional pores, and three-dimensional pores defined by the framework structure of the zeolite-type compound, and an expanded portion different from any of the one-dimensional pores, the two-dimensional pores, and the three-dimensional pores;
The functional material is present in at least the passages of the framework, and the average particle size of the functional material is 5.00 nm or more and less than 30 nm;
A functional structure, wherein a ratio of an average particle size of the functional material to an average inner diameter of the passages is 6.76 to 35.71, and the average inner diameter of the passages is calculated from an average value of a minor axis and a major axis of a pore constituting any one of the one-dimensional pores, the two-dimensional pores, and the three-dimensional pores.
前記通路の平均内径に対する前記機能性物質の平均粒径の割合が、8.93~35.71である、請求項1に記載の機能性構造体。 The functional structure according to claim 1, wherein the ratio of the average particle size of the functional material to the average inner diameter of the passage is 8.93 to 35.71. 前記骨格体の平均長径が50~1000nmであるものを除く、請求項1または2に記載の機能性構造体。 The functional structure according to claim 1 or 2, excluding those in which the average major axis of the skeleton is 50 to 1000 nm. 前記ゼオライト型化合物の骨格構造がMFI型であるものを除く、請求項1~3のいずれか1項に記載の機能性構造体 The functional structure according to any one of claims 1 to 3, excluding those in which the framework structure of the zeolite-type compound is an MFI type . 記機能性物質が、少なくとも前記拡径部に包接されて存在している、請求項1~のいずれか1項に記載の機能性構造体。 5. The functional structure according to claim 1 , wherein the functional substance is present by being included in at least the enlarged diameter portion. 前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、請求項1~のいずれか1項に記載の機能性構造体。 The functional structure according to any one of claims 1 to 5 , wherein the enlarged diameter portion connects a plurality of holes constituting any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole to each other. 前記骨格体は、前記機能性物質を担持する担体である、請求項1~のいずれか1項に記載の機能性構造体。 The functional structure according to any one of claims 1 to 6 , wherein the framework is a carrier that supports the functional substance. 前記機能性物質の平均粒径が、前記拡径部の内径以下である、請求項1~のいずれか1項に記載の機能性構造体。 8. The functional structure according to claim 1 , wherein an average particle size of the functional substance is equal to or smaller than an inner diameter of the expanded diameter portion. 前記機能性物質の金属元素(M)が、前記機能性構造体に対して0.5~2.5質量%で含有されている、請求項1~のいずれか1項に記載の機能性構造体。 The functional structure according to any one of claims 1 to 8 , wherein the metal element (M) of the functional substance is contained in an amount of 0.5 to 2.5 mass % relative to the functional structure. 前記通路の平均内径は、0.1nm~1.5nmであり、
前記拡径部の内径は、0.5nm~50nmである、請求項1~のいずれか1項に記載の機能性構造体。
the average inner diameter of the passageways is between 0.1 nm and 1.5 nm;
The functional structure according to any one of claims 1 to 9 , wherein the inner diameter of the expanded portion is 0.5 nm to 50 nm.
前記骨格体の外表面に保持された少なくとも1つの機能性物質を更に備え、当該機能性物質が、触媒物質である、請求項1~10のいずれか1項に記載の機能性構造体。 The functional structure according to any one of claims 1 to 10 , further comprising at least one functional material carried on the outer surface of the framework, the functional material being a catalytic material. 前記骨格体に内在する前記少なくとも1つの機能性物質の含有量が、前記骨格体の外表面に保持された前記少なくとも1つの機能性物質の含有量よりも多い、請求項11に記載の機能性構造体。 12. The functional structure according to claim 11 , wherein the content of the at least one functional substance present inside the framework is greater than the content of the at least one functional substance held on the outer surface of the framework. 前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物である、請求項1~12のいずれか1項に記載の機能性構造体。 The functional structure according to any one of claims 1 to 12 , wherein the zeolite type compound is a silicate compound.
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