木質バイオマスを原料としたCu/ZnO担持炭素調製における金属粒子形態制御

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目的 : 針葉樹に金属化合物を担持して炭化すると, 粒子径と形状が揃った金属微粒子を担持した多孔質炭素が得られる。このような金属微粒子担持炭素は, 針葉樹を構成する仮道管の微小な内部空間にバイオマス熱分解ガスが充満し, 金属塩の熱分解生成物と反応するため生成すると考えている。本研究では触媒としての利用を考え, 銅と亜鉛, 二種類の金属化合物の混合溶液を含浸した木質バイオマスを原料に銅・亜鉛担持炭化物を調製した。銅と亜鉛の混合比, および金属化合物のアニオンが炭化物上の金属粒子形状におよぼす影響を確認し, 金属粒子形成過程を明らかにすることを目的とした。実験方法 : 木質バイオマスとしてヒノキを, 担持する銅および亜鉛の原料として塩化物および硝酸塩を用いた。濃度を0.1mol/1に調製した銅・亜鉛混合溶液にヒノキチップを添加して含浸処理を行い, 濾別後に乾燥し銅・亜鉛担持ヒノキとした。炭化処理は熱天秤(島津TGA-50)に高純度窒素を20ml/min通気し, 処理温度500-700℃, 昇温速度10℃/minの温度条件で行った。炭化物中の金属微粒子形態をSEMにより観察し, EDSを用いて組成分析を試みた。実験結果 : 調製した金属粒子担持炭化物をSEMおよびEDSで観察した結果, 1塩化物担持試料 : 銅および亜鉛を単独で担持した時に見られた結晶状粒子の生成は見られず, 歪な形状の粒子が生成した。また銅と亜鉛の混合状態は悪く, それぞれ独立した組成の粒子の形成が確認できた。2硝酸塩担持試料 : 500℃までに直径数十nmの半球形微粒子が炭化物表面に多数形成される。生成した粒子の組成は担持処理に用いた銅・亜鉛混合溶液組成にほぼ等しいことがわかった。また炭化温度の上昇や炭化設定温度下で保持することで, 半球形粒子からウイスカー状粒子に変化し, 銅・亜鉛の組成分布に偏りが生じた。半球形粒子中の融点の低い成分がウイスカーに成長するためと考える。目的とした触媒用途には, 銅・亜鉛混在ナノ粒子を多数生成する, 硝酸塩担持ヒノキを原料に炭化温度500℃で調製した炭化物が最適と考える。