触媒材料特性の評価と分析

化学製品は、当然のことながら、化学反応を用いることで製造されています。その化学反応を効率的に進めるものが「触媒」となります。このため、市販の化学製品の90%は、製造段階で触媒を使用しているといわれています。ある推定によると、触媒の需要は全世界で約300億ドル（3兆円）に達すると予測されています。

化学工業において触媒は、経済効率の向上という観点からも重要な部材です。これは、より高機能な触媒は反応効率の向上が期待でき、より低コストでエネルギー使用量が少ない工程が構築可能なためです。
さらには、環境学的な視点からも重要視されています。化学反応の効率化は、反応に伴う排出ガスの減少など、環境負荷の少ない化学反応工程の構築が期待できるためです。これは各国政府の推し進めるカーボンリサイクル事業への適用も期待できます。環境配慮への必要性も、クリーンエネルギーへの需要に加え、ポリマーやCO2などの廃棄物利用に対する需要を促進しています。そのためには新しい工程や触媒材料の開発が必要となります。以下に例を示します。

このような事情からも、今後10年間で触媒への需要はさらに増加すると予想されます。
しかし、優れた触媒が必要とされるのは、工程改善の視点なだけではありません。以下、それも含めた例を挙げます。

燃料電池や燃焼機関で使用する低コスト、高容量の水素製造一般廃棄物やプラスチックのバイオ燃料や化学原料への変換
新規化学製品やポリマー製品製造でのCO2の活用
自動車触媒による排ガス対応
石油用の流動式接触分解（FCC）

これらの要件は既存要件の重要項目であり、自動車セクターの触媒コンバータの最適化と生産や、石油化学業界のより効率的な流動式接触分解(FCC)触媒などがあります。

なぜ触媒特性評価は重要なのですか?

特性評価は、新しい触媒の設計と開発の両方にとって重要な要素であるだけでなく、スケールアップやトラブルシューティングなどのプロセス開発や最適化にも大切です。たとえば、ほとんどの不均質な触媒は、金属酸化物サポートの表面にある触媒活性金属または酸化金属で構成されているため、構造と表面化学を最適化して、対象となるプロセスに適切な選択性と反応性を提供することが重要です。粒子サイズ、気孔率、表面積などのその他の特性も拡散と吸収の最適化に重要です。

Malvern Panalyticalのソリューションはどのように役立ちますか?

Malvern Panalyticalでは、粒子径、粒子形状、ゼータ電位、元素組成、結晶構造などの触媒材料の物理的、構造的、元素分析用の補完的なソリューションを多数ご用意しています。

蛍光X線

蛍光X線(XRF)は、高精度で再現性が高いため、さまざまな触媒の元素組成の分析に広く使用されています。例としては、触媒コンバータのPt、Pd、RH、FCC触媒プロセスのAl、Ni、V、Ti、Fe、S、ゼオライトのSI/Al比などがあります。また、XRFを使用して、Cl、S、Sn、Pbなどの化学的非活性化の原因となる触媒毒の存在と濃度を検出することもできます。 XRF分析は、代替手法と比較して時間とコストを大幅に削減できます。Malvern Panalyticalでは、Epsilon 4などのEDXRF卓上型システム、Zetiumなどの床置き型WDXRFシステム、Epsilon XFlowなどのオンラインソリューションの3種類の主要なソリューションを提供しています。またMalvern Panalyticalは、Claisseポートフォリオを通じて、XRF、ICP、及びAA用のいくつかのサンプル調製ソリューションも提供しています。

X線回折

X線回折(XRD) は、金属酸化物やゼオライトなどの固体触媒材料のバルク構造や組成に関する情報を提供できるため、触媒の設計、開発、生産に欠かせないツールです。 XRDシステムは、FCC触媒の製造を監視するために日常的に使用されています。特にユニットのセルサイズと結晶性の分析に重用されています。 XRDは、結晶サイズの判別にも使用できます。一般的な回折測定値からピーク幅を分析するか、小角X線散乱法(SAXS)を使用して判別します。非結晶性材料は、対相関関数分析(PDF)を使用して解析することもできます。 Malvern Panalyticalは、ルーチン分析用の Aeris 卓上型回折装置と、より詳細な構造分析用の Empyrean 多目的回折装置の2種類の主要なXRDソリューションを提供しています。

レーザ回折

レーザ回折は、数百ナノメートルから数ミリメートルまでの大きさの材料に広く使用されている粒径測定技術で、研究所やプロセスラインの湿式または乾式分散に適用できます。触媒用途では、レーザ回折を使用して生成された粒子径データを使用して、レポートされた体積分布を表面積分布に変換することにより、特定の表面積(SSA)を計算できます。また圧力滴定は、流動層反応における触媒の寿命を予測するための重要な因子である損耗リスクを理解するのに役立ちます。 Malvern PanalyticalのMastersizer 3000は、研究所環境での触媒分析に最も広く使用されている粒子径測定ツールです。一方、Insitecは生産環境でのオンライン分析に使用されています。

その他の技術

Malvern Panalyticalでは、上記の技術に加えて、触媒分析のための他のソリューションもいくつか提供しています。これには、粒子分散のサイズと安定性を評価するために使用するZetasizer、粒子形状と粒子径の分布を判別するために画像分析を使用するMorphologi 4などがあります。 Morphologi 4はラマン分光計と組み合わせて使用すると、粒子固有の化学情報を得ることができます。