制氢催化剂和使用该制氢催化剂的制氢方法
【专利摘要】本发明提供一种制氢催化剂和使用该制氢催化剂的制氢方法，该制氢催化剂能够不进行来自反应器外部的过度加热，通过在反应器内部有效地产生热的同时，利用该热量有效地、稳定地分解氨，从而制备氢。本发明的制氢催化剂的特征在于，该催化剂含有氨燃烧催化剂成分和氨分解催化剂成分。另外，本发明的另一种制氢催化剂的特征在于，该催化剂含有选自由钴、铁、镍以及钼组成的组中的至少一种金属元素。
【专利说明】制氢催化剂和使用该制氢催化剂的制氢方法
[0001]相关申请
[0002]本申请是申请号为201080010932.4、申请日为2010年03月17日、发明名称为“制
氢催化剂和使用该制氢催化剂的制氢方法以及用于氨燃烧的催化剂及其制备方法和使用该催化剂的氨燃烧方法”的中国发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种用于以氨为原料制备氢的催化剂和制氢方法。另外，还涉及一种用于在低温下使存在于空气中的氨或工业废气等中所含的高浓度的氨燃烧的催化剂及其制备方法和使用该催化剂的氨燃烧方法。
【背景技术】
[0004]关于制氢技术，有来自其它的工业工序例如钢铁制备工序的副产物氢、或通过煤或石油的重整制备的氢等。由所述工序产生的氢的设备依赖性强，在适当、简便地利用氢方面，便利性差。
[0005]另一方面，作为简便地得到氢的方法，有利用氨的分解反应的方法。反应式为NH3 — 0.5N2 + 1.5H2。由于该反应为10.9kcal/mol的较大的吸热反应，因此必须从体系外供给反应热。作为该反应热的供给方法，有将作为原料的氨或在氨分解反应中生成的部分氢燃烧，将该燃烧热用作氨分解的反应热的自热重整(ATR)(专利文献1，非专利文献I)。燃烧反应为 NH3 + 0.7 502 — 0.5N2 + 1.5H20 ；H2 + 0.502 — H2O0 作为用于 ATR 的催化剂，有在氧化铝上负载有Ru的催化剂(专利文献I)、在氧化铝上负载有Pt、Rh的催化剂(非专利文献I)。
[0006]但是，使用这些催化剂时，难以根据催化剂组成来控制反应，有时不容易稳定地得到一定浓度的氢。另外，有时由于催化剂层温度变化，会损坏氨重整器、或者导致催化剂的劣化。
[0007]由于这些主要原因，氨分解反应变得不稳定，分解率不够时，反应后的气体中残留有大量氨，得到品质差的燃料作为氢燃料。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:国际公开第01/87770号小册子
[0011]非专利文献
[0012]非专利文献1:室井高城著《工业贵金属催化剂》幸书房、2003年5月26日、p297
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于提供一种燃烧部分氨，将该燃烧热用于氨分解反应，能够有效地由氨制备氢的廉价实用的催化剂。另外，本发明的目的还在于提供一种使用该催化剂有效地由氨制备氢的技术。此外，本发明还提出了一种不使用高价的贵金属元素，具有与贵金属系催化剂同等的氨燃烧活性的实用性良好的用于氨燃烧的催化剂及其制备方法和使用该催化剂的氨燃烧方法。
[0014]本发明的发明人深入研究的结果，提供了下述催化剂以及使用该催化剂由氨制备氢的方法。
[0015]本发明涉及的制氢催化剂为用于由含有氨和氧的气体得到氢的催化剂，其特征在于，该催化剂含有氨燃烧催化剂成分和氨分解催化剂成分。
[0016]所述氨燃烧催化剂成分优选含有作为A成分的锰氧化物；更优选含有作为A成分的锰-铈氧化物以及作为B成分的选自属于周期表8?11族的金属元素中的至少一种金属元素，锰以二氧化锰换算，锰-铈氧化物含有I?60质量％的锰；进一步优选所述氨燃烧催化剂成分中所含的作为A成分的锰-铈氧化物为利用X射线衍射测定被鉴定为具有二氧化铈的萤石型结构的锰-铈均密混合氧化物(均密混合酸化物)。
[0017]另外，所述氨燃烧催化剂成分也可以含有作为A成分的锰-镧氧化物。此时，优选所述氨燃烧催化剂成分中所含的作为A成分的锰-镧氧化物为利用X射线衍射测定被鉴定为具有钙钛矿型结构的锰-镧氧化物。更优选所述氨燃烧催化剂成分中所含的作为A成分的钙钛矿型锰-镧氧化物在晶体结构中还含有作为C成分的选自碱金属、碱土金属、镧系稀土金属、以及、属于周期表8?11族的金属兀素中的至少一种金属兀素。
[0018]此外，所述氨燃烧催化剂成分可以为含有选自由钼、钯、铑、铱、钌组成的组中的至少一种金属元素的贵金属催化剂。
[0019]优选所述氨燃烧催化剂成分还含有作为D成分的碱金属和/或碱土金属。
[0020]另一方面，所述氨分解催化剂成分优选含有选自周期表6?10族中的至少一种元素，更优选为含有选自周期表6?10族中的至少一种元素的金属催化剂和/或金属氧化物催化剂。
[0021]所述氨分解催化剂成分优选还含有作为E ’成分的选自由氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化铈、氧化镧、沸石、氧化镁、氧化钙、氧化钡、氧化钇、氧化钨、二氧化硅、二氧化硅-氧化铝以及钛系复合氧化物组成的组中的至少一种金属氧化物。所述氨分解催化剂成分优选还含有作为D’成分的碱金属和/或碱土金属。
[0022]本发明涉及的制氢方法的特征在于，该方法使用所述制氢催化剂由含有氨和氧的气体制备氢。
[0023]在该制备方法中，优选相对于I摩尔的氨，添加0.05摩尔以上且不足0.75摩尔的氧。另外，优选根据含有氨和氧的气体的流动，在前段配置氨燃烧催化剂成分、在后段配置氨分解催化剂成分。并且，更优选使含有氨和氧的气体与相对于气体流动设置在前段的氨燃烧催化剂成分接触，在氧存在下燃烧氨并实质上消耗全部的氧而产生燃烧热；接着，使利用燃烧热而升温的气体与相对于气体流动设置在后段的氨分解催化剂成分接触，将氨分解得到氢。进一步优选相对于100容量份的氨分解催化剂成分，使用5-100容量份的氨燃烧催化剂成分。此外，优选供给到氨分解催化剂成分的反应气体温度为300?1100°C。
[0024]本发明涉及的另一种制氢催化剂为用于由含有氨和氧的气体得到氢的催化剂，其特征在于，该催化剂含有选自由钴、铁、镍以及钥组成的组中的至少一种金属元素。
[0025]该催化剂还可以添加作为D”成分的碱金属、碱土金属或稀土元素。另外，还可以含有作为E”成分的选自由氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、氧化镧、氧化镁、氧化钙、氧化钡以及氧化锶组成的组中的至少一种金属氧化物。
[0026]本发明涉及的另一种制氢方法，其特征在于，该方法使用该制氢催化剂由含有氨和氧的气体制备氢。在该方法中，相对于I摩尔的氨，添加0.05摩尔以上且不足0.75摩尔的氧。
[0027]本发明涉及的用于氨燃烧的催化剂为含有锰-铈氧化物以及选自属于周期表8?11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素的用于氨燃烧的催化剂，其特征在于，锰以二氧化猛换算，所述猛-铺氧化物含有I?60质量％的猛。
[0028]所述锰-铈氧化物优选为利用X射线衍射测定被鉴定为具有二氧化铈的萤石型结构的锰-铈均密混合氧化物。另外，所述用于氨燃烧的催化剂优选含有30?99.95质量％的锰-铈氧化物、0.05?20质量％的选自属于周期表8?11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素。进一步优选选自属于周期表8?11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素为银和/或铜。此外，所述用于氨燃烧的催化剂还可以含有选自由氧化铝、二氧化硅、二氧化硅-氧化铝、二氧化钛、氧化锆、沸石、氧化镁、氧化钙、氧化镧以及钛系复合氧化物组成的组中的至少一种耐火性无机氧化物。
[0029]本发明涉及的用于氨燃烧的催化剂的制备方法的特征在于，该方法包括将氧化铈或氧化铈的前体与锰化合物溶液混合，干燥后在空气中以300?900°C焙烧得到锰-铈氧化物的工序。在该得到锰-铈氧化物的工序中，优选相对于I摩尔的锰化合物，向锰化合物溶液中添加0.1?2摩尔的有机酸。
[0030]本发明涉及的氨燃烧方法的特征在于，该方法使氧与氨的摩尔比不足0.75且至少含有氨和氧的反应气体与所述用于氨燃烧的催化剂接触进行氨燃烧反应，从用于氨燃烧的催化剂的出口得到通过该燃烧反应而温度上升的实质上不含氧的含氨气体。在该燃烧方法中，优选将反应气体以空速为10，000?1，000, OOOtT1的条件供给到用于氨燃烧的催化齐U，并将该反应气体加热到100?500°C。
[0031]本发明提供一种能够用于通过将氨分解得到氢的方法的催化剂，该催化剂为能够不进行来自反应器外部的过度加热，通过将使部分氨燃烧得到的燃烧热用于氨分解，进行自主反应，有效地由氨制备氢的廉价实用的催化剂。另外，本发明能够提供一种使用该催化剂有效地由氨制备氢的技术。此外，本发明能够提供一种不使用高价的贵金属元素，具有与贵金属系催化剂同等的氨燃烧活性的实用性良好的用于氨燃烧的催化剂及其制备方法和使用该催化剂的氨燃烧方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明的制氢催化剂的使用方式之一，相对于气体流动，分别将氨燃烧催化剂成分作为催化剂配置在前段、将氨分解催化剂成分作为催化剂配置在后段的示意图；
[0033]图2为本发明的制氢催化剂的使用方式之一，相对于气体流动，在一个耐火性三维结构体中将氨燃烧催化剂成分配置在前段，将氨分解催化剂成分配置在后段的示意图；
[0034]图3为本发明的制氢催化剂的使用方式之一，为表示混合了氨燃烧催化剂成分和氨分解催化剂成分的形态的示意图。黑色部分表示氨燃烧催化剂成分，白色部分表示氨分解催化剂成分；
[0035]图4为本发明的制氢催化剂的使用方式之一，为将氨燃烧催化剂成分配置在单一耐火性三维结构体的上层，将氨分解催化剂成分配置在下层的示意图；
[0036]图5为锰-铈氧化物的X射线衍射测定图。
【具体实施方式】
[0037]〈制氢催化剂I>
[0038]本发明涉及的制氢催化剂(制氢催化剂I)为用于由含有氨和氧的气体得到氢的催化剂，其特征在于，该催化剂含有氨燃烧催化剂成分和氨分解催化剂成分。
[0039]本发明的氨燃烧催化剂成分指具有在50?300°C的温度条件下使氨燃烧反应进行，并且具有能够实质上消耗全部供给氧的催化剂性能的氨燃烧催化剂成分。
[0040](锰系氨燃烧催化剂成分)
[0041]本发明涉及的制氢催化剂中的氨燃烧催化剂成分，优选含有作为A成分的锰氧化物(锰系氨燃烧催化剂成分)。
[0042]所述A成分可以为锰-铈氧化物(以下将该氨燃烧催化剂成分省略为“Mn-Ce系燃烧成分”)。优选锰以二氧化锰换算，该Mn-Ce系燃烧成分含有I?60质量％的锰。
[0043]优选所述Mn-Ce系燃烧成分为利用粉末X射线衍射测定被鉴定为具有二氧化铈的萤石型结构的锰-铈均密混合氧化物。作为本发明的A成分的优选方式的锰-铈均密混合氧化物，在利用粉末X射线衍射测定时，看不到来自氧化锰的衍射峰，具有作为主峰的萤石型二氧化铈的晶体峰。粉末样品的晶体结构可以通过测定晶格平面间距(格子面間隔)(d值)来确认。X射线衍射的测定条件可以为=CuKa射线源、电压45KV、电流40mA、扫描范围10?90°、扫描速度0.198° /min。根据本发明得到的锰-铈均密混合氧化物的X射线衍射的测定结果中，主峰的d值为3.07?3.15的范围，与在JCPDS (Joint Committee forPowder Diffraction Standards)卡中记载的二氧化铺萤石型结构的3.12的d值基本一致。另外，在卡中记载的二氧化铈的d值按照相对强度由高到低的顺序为3.12、1.91、1.63、
2.71等，除主峰以外也在基本一致的位置(d值±0.05)检测出晶体峰，认为锰-铈均密混合氧化物的晶体结构与二氧化铈萤石型结构基本一致。
[0044]优选锰以二氧化锰换算，所述Mn-Ce系燃烧成分含有I?60质量％的锰。更优选为2?50质量％，进一步优选为5?40质量％。尽管如此高含有率地含有锰，但是在锰-铈均密混合氧化物中，看不到来自氧化锰的衍射峰，因此可以推定氧化锰以非晶态的状态高度分散在氧化铈上。
[0045]锰以二氧化锰换算，Mn-Ce系燃烧成分中的锰的含有率不足I质量％时，氨燃烧活性差，不能进行有效的氨燃烧反应。超过60质量％时，氧化锰易变得粗化，导致耐热性和氨燃烧活性降低，因此不优选。
[0046]一般地，作为氧化锰的晶体结构，有Μη0、Μη02、Μη203、Μη304等形态，尤其是公知MnO2被称作活性二氧化锰、具有强氧化能力。但是，MnO2由于遇热易发生相变，因此难以用作在高温条件下使用的氨燃烧催化剂。通过后述的制备方法得到的Mn-Ce系燃烧成分、尤其是锰-铈均密混合氧化物即使在900°C的高温下热暴露，在X射线衍射测定中，仅检测出近似二氧化铈萤石型的晶体峰，证实热稳定性得到大幅度改善的效果。
[0047]接着，对Mn-Ce系燃烧成分的制备方法进行说明。Mn-Ce系燃烧成分，可以通过固相混合法、固液混合法、液相共沉淀法、使用醇盐的溶胶凝胶法等来制备。作为Mn-Ce系燃烧成分的优选方式的锰-铈均密混合氧化物的制备方法，尤其是作为优选的制备方法，可举出能够使用廉价的原料，使用简便的制备装置，制备高活性的均密混合氧化物的固液混合法。固液混合法指将锰或铈中的一个用作在使用的溶剂中不溶解的固体原料，另一个的金属盐溶于水等溶剂作为溶液，将两者混合配制的方法。优选将铈源用作固体原料，将锰源用作溶液。
[0048]本发明的Mn-Ce系燃烧成分的具体制备方法，优选为将氧化铈、或氧化铈的前体与锰化合物溶液充分混合、干燥后在空气中以300?900°C焙烧的方法。通过该制备方法，能够制备具有20?100m2/g的比表面积的锰-铈均密混合氧化物。作为铈源，可以使用结晶度低的氧化铈、碳酸铈、氢氧化铈等氧化铈的前体，尤其是优选将能够以多孔地得到高比表面积的锰-铈均密混合氧化物的碳酸铈用作铈源。作为锰源，可以使用硝酸锰、氯化锰、乙酸锰等能够溶于水等溶剂的锰化合物溶液，特别优选使用硝酸锰水溶液。在能够使固液均匀混合的范围内，水等溶剂的添加量可以根据混合装置和干燥装置的规格适当改变。可以通过干燥除去水等溶剂，在80?200°C的范围内实施I?24小时，之后，在空气中以300?900°C、优选以500?700°C焙烧，制备锰-铈均密混合氧化物。
[0049]另外，在所述Mn-Ce系燃烧成分的制备工序中，可以通过在锰化合物溶液中添加乙酸、柠檬酸、马来酸、苹果酸、丁二酸等有机酸，进而高活性地得到具有精细结构的锰-铈均密混合氧化物。作为有机酸的添加量，相对于I摩尔的锰化合物，优选为0.1?2摩尔，更优选为0.3?1.5摩尔，进一步优选为0.5?I摩尔。有机酸的添加量少于0.1摩尔时，得不到添加效果；超过2摩尔时，焙烧时变成还原气氛，可能对锰-铈均密混合氧化物的性状造成不良影响，因此不优选。
[0050]在本发明中使用的Mn-Ce系燃烧成分，可以含有作为B成分的选自属于周期表8?11族的金属元素中的至少一种金属元素。可以使用8族的铁、钌、锇；9族的钴、铑、铱；10族的镍、钯、钼以及11族的铜、银、金等。在成本方面作为优选的B成分，为选自铁、钴、镍、铜以及银中的至少一种金属元素。此外，优选B成分以各元素的金属或金属氧化物的形式而含有。
[0051]作为B成分，通过含有银和/或铜，能够提高氨燃烧活性，能够得到在低温下的高的氨燃烧活性。另外，通过含有选自铁、镍、钴中的至少一种金属元素，能够使氨燃烧催化剂成分具备氨分解性能。通过使用具有氨分解活性的氨燃烧催化剂成分，能够将氨燃烧反应的放热用于氨分解反应的吸热，同时能够抑制氨燃烧催化剂成分的温度过度上升，防止由氨燃烧催化剂成分的热引起的性能劣化。因此，作为B成分，优选含有银和/或铜、和选自铁、镍、钴中的至少一种金属元素这两者。
[0052]本发明的Mn-Ce系燃烧成分，优选含有10?99.95质量％的作为所述A成分的锰-铈氧化物、0.05?80质量％的作为B成分的周期表8?11族的金属元素(以该金属元素的氧化物换算)。作为A成分的锰-铈氧化物不足10质量％时，氨的氧化速度变慢，难以得到高的氨燃烧活性。优选为15质量％以上，更优选为20质量％以上。另外，作为B成分的周期表8?11族的金属元素少于0.05质量％时，在低温下的氨氧化性能变得不充分；SP使超过80质量％，也几乎得不到性能提高的效果，且有分散性降低而粒子生长的可能性，因此不优选。
[0053]在本发明的Mn-Ce系燃烧成分的制备方法中，对B成分的添加方法没有特别的限定，例如可以例示出(I)?(3)的方法。(I)对Mn-Ce系燃烧成分的粉体进行B成分金属元素的硝酸盐、硫酸盐等的水溶液喷雾、或将Mn-Ce系燃烧成分的粉体浸溃于B成分金属元素的硝酸盐、硫酸盐等的水溶液，干燥焙烧并负载后，将这些催化剂组合物成型并干燥焙烧进行制备的方法；(2)将Mn-Ce系燃烧成分粉末与B成分的金属盐溶液混炼成型后，进行干燥焙烧制备的方法；(3)将含有Mn-Ce系燃烧成分的催化剂组合物成型并干燥焙烧后，浸溃在催化剂B成分的金属盐溶液中，进行干燥焙烧的方法。在所述催化剂成分的焙烧温度为300?900°C、优选为400?600°C下在空气中焙烧。
[0054]本发明的氨燃烧催化剂成分，作为其它的方式，可以含有作为A成分的锰-镧氧化物(以下将该氨燃烧催化剂成分省略为“Mn-La系燃烧成分”)。该Mn-La系燃烧成分优选为利用粉末X射线衍射测定被鉴定为具有钙钛矿型结构的Mn-La系燃烧成分。
[0055]所述钙钛矿型Mn-La系燃烧成分优选在晶体结构中还含有作为C成分的选自锂等碱金属；钙、锶等碱土金属；铈、镨等镧系稀土金属；以及属于周期表8?11族的金属元素中的至少一种以上金属元素。该钙钛矿型Mn-La系燃烧成分中所含的锰含量，虽然随着进入钙钛矿型晶体结构中的C成分量而变化，但是，通常，优选锰以二氧化锰换算含有10?50质量％。
[0056]作为C成分，通过含有银和/或铜，能够提高氨燃烧活性。另外，通过含有选自铁、镍、钴中的至少一种金属元素，能够使该氨燃烧催化剂成分具备氨分解性能。因此，作为C成分，优选含有银和/或铜、和选自铁、镍、钴中的至少一种金属元素这两者。
[0057]作为锰-镧氧化物的优选方式的钙钛矿型锰-镧氧化物，可以通过固相混合法、固液混合法、液相共沉淀法、使用醇盐的溶胶凝胶法等来制备。尤其是作为优选的制备方法，可举出能够使用廉价的原料，以简便的制备装置，制备粒子尺寸小、除了钙钛矿结构以外的不纯的晶体相少的高活性的钙钛矿型氧化物的液相共沉淀法。液相共沉淀法为，例如，在搅拌下，将含有所规定量的锰化合物和镧化合物的水溶液滴加到含有过量的氨或四甲基氢氧化铵(TMAH)等碱性物质的水溶液中，生成沉淀物，将该沉淀物过滤，水洗后干燥，在500?900°C下进行热处理结晶即可。
[0058]另外，关于C成分的添加方法，例如，通过利用液相共沉淀法制备在晶体结构中含有C成分的Mn-La系燃烧成分时，配制在含有所规定量的锰化合物和镧化合物的水溶液中加入了所规定量的C成分的水溶性盐的混合水溶液，在搅拌下将该水溶液滴加到含有过量的氨或TMAH等碱性物质的水溶液中，生成沉淀物，将该沉淀物过滤，水洗后干燥，在500?900°C下进行热处理，使之结晶，能够在钙钛矿结构中插入C成分。
[0059]本发明的氨燃烧催化剂成分(含有Mn-Ce系燃烧成分、Mn-La系燃烧成分这两者，以下相同)，除了所述A成分和B成分(或C成分)以外，还可以含有选自由氧化铝、二氧化硅、二氧化硅-氧化铝、二氧化钛、氧化锆、沸石、氧化镁、氧化钙、氧化镧以及钛系复合氧化物组成的组中的至少一种耐火性无机氧化物(E成分)。含有耐火性无机氧化物时,可以含有O?50质量％的耐火性无机氧化物。通过添加耐火性无机氧化物,能够得到由A成分和B成分(或C成分)的分散性提高带来的活性提高或催化剂的机械强度的提高。耐火性无机氧化物超过50质量％时，A成分和B成分(或C成分)的含量变少、得不到充分的催化剂活性，因此不优选。
[0060]所述氨燃烧催化剂成分中还可以含有作为D成分的碱金属和/或碱土金属。通过D成分的添加，可以进一步提高氨燃烧催化剂成分所具备的氨分解能力。相对于氨燃烧催化剂成分，D成分的含量为0.1?10质量％，更优选为0.3?7质量％。D成分的含量不足0.1质量％时，得不到氨分解能力提高效果。添加D成分超过10质量％时，氨燃烧活性降低，因此不优选。
[0061]可以在氨燃烧催化剂成分的制备工序中添加所规定量的D成分，也可以在制备后的氨燃烧催化剂成分中添加D成分。
[0062](贵金属系氨燃烧催化剂成分)
[0063]作为本发明的制氢催化剂中的氨燃烧催化剂成分，还可以使用含有选自由钼、钯、铑、铱以及钌组成的组中的至少一种元素的贵金属催化剂(贵金属系氨燃烧催化剂成分)。
[0064]所述贵金属系催化剂可以将贵金属负载在载体上使用，作为载体，可以使用α -氧化铝、Y -氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化镁等金属氧化物。
[0065]另外，还可以在所述贵金属系催化剂中添加钠、钾、铷、铯等碱金属；镁、I丐、钡等碱土金属；镧、铈、镨、钕等稀土金属。通过添加这些金属元素，能够提高作为载体的金属氧化物的耐热性、抑制贵金属成分的凝集、提高氨燃烧活性等，能够使作为氨燃烧催化剂成分的性能更优秀。
[0066]作为所述贵金属系催化剂的制备方法，可以使用制备贵金属系催化剂时的通常的方法。例如，可以使用(I)将载体与贵金属的微粉混合的方法；(2)将贵金属的溶液浸溃在载体上的方法；(3)在混合多个贵金属成分时，将各成分浸溃于各自的载体后，干燥并焙烧成为粉体，将粉体混合的方法；(4)将蜂窝样的结构体用作催化剂负载基材，对负载了贵金属的载体进行湿磨，成为浆料，将浆料包覆在该结构体上，进行干燥并焙烧的方法等。
[0067](氨分解催化剂成分)
[0068]作为氨分解催化剂成分，具有能够在300?900°C的温度条件下进行氨分解反应，由氨制备氢和氮的催化剂性能。
[0069]本发明的氨分解催化剂成分，优选含有选自属于周期表6?10族的过渡金属元素中的至少一种元素。其中，更优选含有钥、铁、钴、镍。这些元素可以为金属的形式，也可以为氧化物的形式，只要为通常稳定地存在的物质即可。
[0070]该选自属于周期表6?10族的过渡金属元素中的至少一种元素为氨分解催化剂成分的必要成分，相对于100质量％的氨分解催化剂成分，其含量优选为5?90质量％，更优选为10?80质量％。
[0071]该元素可以单独使用，也可以负载在载体上使用，作为载体，可以使用选自由氧化铝(例如α-氧化铝、Y-氧化铝等)、氧化钛、氧化锆、氧化铈、氧化镧、沸石、氧化镁、氧化钙、氧化钡、氧化钇、氧化钨、二氧化硅、二氧化硅-氧化铝以及钛系复合氧化物组成的组中的至少一种金属氧化物(Ε’成分)。
[0072]相对于100质量％的氨分解催化剂成分,该Ε’成分的含量优选为10?95质量更优选为20?90质量％。
[0073]另外，还可以在该氨分解催化剂成分中添加钠、钾、铷、铯等碱金属；镁、钙、钡等碱土金属；镧、铈、镨、钕等稀土金属(D’成分)。D’成分可以采用:以D’成分与作为Ε’成分的金属氧化物复合的状态进行添加的方法、将催化剂负载在作为Ε’成分的金属氧化物上后添加D’成分的方法等各种添加方法。该复合不只是各成分之间的简单混合，还包括形成固溶体、复合氧化物等。
[0074]相对于100质量％的氨分解催化剂成分,该D’成分的含量为O~25质量优选为0.2~15质量％,更优选为0.4质量％至不足10质量％。
[0075]作为氨分解催化剂成分的制备方法，可以使用在制备金属氧化物系或金属系催化剂时通常的方法，例如，可以采用(1)将各成分的金属氧化物成型为所规定的形状，成为该分解催化剂成分，根据需要利用还原气体进行还原的方法；(2)将作为载体的金属氧化物(E’成分)浸溃于含有选自属于周期表6~10族的过渡金属元素中的至少一种元素的溶液中进行负载后，进行干燥并焙烧，根据需要利用还原气体进行还原的方法；(3)在混合多种催化剂成分时，将各个催化剂成分浸溃于作为各自的载体的金属氧化物(E’成分)，进行干燥并焙烧成为粉体，将粉体混合，根据需要利用还原气体进行还原的方法；(4)将各金属氧化物混合、成型为所规定的形状后，根据需要利用还原气体进行还原，成为该分解催化剂成分的方法；(5)将金属或金属氧化物浸溃于作为其它成分的添加成分的水溶液，进行干燥并焙烧，成型为所规定的形状后，根据需要利用还原气体进行还原的方法；(6)配制含金属盐的水溶液，该水溶液含有规定量的构成复合氧化物、固溶体氧化物等金属氧化物的元素的水溶性金属盐，将该水溶液加入到溶解有氨、碳酸铵、氢氧化钾、TMAH等碱性物质的强碱性水溶液中，析出金属氢氧化物，将该金属氢氧化物过滤，进行水洗，回收并干燥后，进行热处理从而制备目标复合氧化物、固溶体氧化物的方法等。
[0076]所述氨燃烧催化剂成分或氨分解催化剂成分可以成型为一定的形状使用。成型体的形状可以例示出环状、马蹄形、蜂窝状等。另外，还可以将氨燃烧催化剂成分或氨分解催化剂成分包覆在蜂窝或波纹状(2 ^ ^ 一卜)等单块(* ) ') >)、球状、鞍状的惰性结构体上使用。
[0077]〈制氢催化剂2>
[0078]本发明涉及的另一种制氢催化剂(制氢催化剂2)含有选自由钴、铁、镍以及钥组成的组中的至少一种元素，优选含有选自由钴、镍以及钥组成的组中的至少一种元素。
[0079]上述各元素可以以单独氧化物的形式使用，也可以以各自复合化的复合氧化物、固溶体氧化物的形式使用。例如可以以钴-镧、镍-镧、钴-钥等的复合氧化物的形式使用。在X射线衍射分析中，作为复合氧化物还可以具有独特的晶体峰、或者显示为无定形。另外，上述各元素还可以以金属、氮化物、碳化物的状态，成为适于反应的状态后使用。
[0080]另外，该催化剂还可以含有作为D”成分的碱金属、碱土金属或稀土元素。作为添加量，相对于100质量份的催化剂,优选为0.1~20质量份,更优选为0.5~10质量份。
[0081]进一步，该催化剂还可以含有作为E”成分的选自由氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、氧化镧、氧化镁、氧化钙、氧化钡以及氧化锶组成的组中的至少一种金属氧化物。例如催化剂成分为复合氧化物、固溶体氧化物这样的氧化物系催化剂成分时，相对于100质量份的氧化物系催化剂成分,可以含有5~90质量份、优选含有10~80质量份的该金属氧化物成分。另外，相对于非氧化物系的金属系催化剂成分，可以含有3~60质量份、优选含有5~30质量份的该金属氧化物成分。这些金属氧化物成分起着载体的作用。
[0082]作为催化剂制备方法，可以使用制备催化剂时的通常的方法。例如，为氧化物系催化剂成分时，可以采用(1)将各催化剂成分的氧化物成型为所规定的形状，成为催化剂的方法；(2)将作为载体的氧化物成分浸溃于作为氧化物系催化剂成分的前体的元素的溶液中，进行干燥和焙烧，将氧化物系催化剂成分负载在作为载体的氧化物成分上成为催化剂的方法；(3)在混合多种氧化物系催化剂成分时，将各个成分浸溃于作为各自的载体的氧化物成分、进行干燥并焙烧后，成为粉体，将粉体混合的方法；(4)将各氧化物系催化剂成分混合、成型为所规定的形状，成为催化剂的方法；(5)配制含金属盐的水溶液，该水溶液含有规定量的构成复合氧化物、固溶体氧化物等金属氧化物的元素的水溶性金属盐，将该水溶液加入到溶解有氨、碳酸铵、氢氧化钾、TMAH等碱性物质的强碱性水溶液中，析出金属氢氧化物，将该金属氢氧化物过滤，进行水洗，回收并干燥后，进行热处理从而制备目标复合氧化物、固溶体氧化物的方法；(6)使用研钵等在粉末状态下将所规定量的金属氧化物或金属碳酸盐等混合，将该混合粉体热处理，制备目标复合氧化物、固溶体氧化物的方法
坐寸ο
[0083]另外，关于非氧化物系的金属系催化剂成分，也可以使用通常的方法。例如，可以采用(I)将作为载体的氧化物成分浸溃于含有该金属系催化剂成分的元素的水溶液中，进行干燥并焙烧后，进行还原处理，成为催化剂的方法；(2)配制含金属盐的水溶液，该水溶液含有所规定量的构成催化剂的元素的水溶性金属盐，将该水溶液加入到溶解有氨、碳酸铵、氢氧化钾、TMAH等碱性物质的强碱性水溶液中，析出金属氢氧化物，将该金属氢氧化物过滤，进行水洗，回收并干燥后，进行还原处理的方法等。
[0084]另外，该催化剂可以成型为一定的形状使用。成型体的形状可以例示出环状、马蹄形、蜂窝状、球状、圆柱状等。另外，还可以将该催化剂包覆在蜂窝或波纹状等单块、球状、鞍状的惰性结构体上使用。
[0085]<制氢方法>
[0086]氨分解反应为吸热反应，为了有效地进行该反应，必须从外部供给热。但是，单纯从反应器外部进行加热时，局部尤其是在反应器外周部易产生过度加热，其结果，有时氨分解反应变得不均匀，难以稳定地得到一定浓度的氢。另外，还存在局部过度加热的催化剂的热老化进行，氨分解率降低等问题。
[0087]对于上述问题，本发明涉及的制氢方法(包括使用所述制氢催化剂I或2的情况，以下相同)，在将氨分解得到氢时使用ATR，通过在氨燃烧反应中产生的燃烧热来供给氨分解反应所必需的热量,制备氢。
[0088]更具体地，在使用制氢催化剂I来制备氢时，在氨中加入所规定量的氧作为反应气体，使该反应气体与氨燃烧催化剂成分接触，通过燃烧反应实质上使氧完全消耗而得到燃烧热，使利用该燃烧热而温度上升的无氧状态的反应气体与氨分解催化剂成分接触，将该气体中的氨分解制备氢。另外，在使用制氢催化剂2制备氢时，在氨中加入所规定量的氧作为反应气体，使该反应气体与具有氨燃烧活性和氨分解活性这两者的制氢催化剂2接触，通过在氨分解反应之前进行氨燃烧反应，得到氨分解反应所必需的热量，将该热量供给到同一催化剂上，将氨分解制备氢。这样通过将部分氨氧化，在反应器内有效地供给分解反应所必需的热，能够抑制从反应器外部供给热时易产生的局部过度加热引起的问题，能够有效地将氨分解为氢和氮。
[0089]用于本发明的制氢方法的气体含有氨和氧即可，氧与氨的摩尔比例优选为0.05以上且不足0.75，更优选为0.1以上且0.5以下，最优选为0.12以上且0.3以下。相对于氨加入氧时，伴随着氧添加量的增加，燃烧热增加，因此分解反应的速度得以提高，但是由于添加过量的氧，如果与分解反应所必需的温度相比，催化剂层的温度过高，则引起催化剂的热老化，因此对催化剂的性能和寿命有不良影响，因而不优选。并且，添加过量的氧，会使来自氨的氢收率降低，因此从有效地制氢的观点考虑也不优选。此外，还可以在氨与氧的气体中添加氮等的相对反应惰性的气体。
[0090]反应气体的空速(SV)优选为100~700，OOOtT1，更优选为1，000~100，OOOh'不足IOOtT1时，有可能反应器过大而效率低。超过700,00(?-1时，有转化率降低，氢收率降低的可能。
[0091](使用制氢催化剂I时的优选方式)
[0092]在使用制氢催化剂I制备氢的反应中，如果能够利用在氨燃烧反应中产生的燃烧热供给氨分解反应所必需的热量，从而制备氢，则氨燃烧催化剂成分和氨分解催化剂成分的配置可以为任意的配置，可以例示出:相对于反应气体流动，在入口侧配置氨燃烧催化剂成分，在出口侧配置氨分解催化剂成分；将反应气体供给到含有氨燃烧催化剂成分和氨分解催化剂成分这两种成分的混合催化剂层等(例如图1~图4的1、2)。作为优选的方式，为相对于反应气体流动，在入口侧配置氨燃烧催化剂成分，在出口侧配置氨分解催化剂成分的方式(图1、2的1、2)。此外，以下有时将催化剂入口侧记述为前段，将催化剂出口侧记述为后段。
[0093]另外，作为更优选的方式，可以将在氨中加入所规定量的氧的反应气体供给到催化剂入口侧(前段) ，使该反应气体与氨燃烧催化剂成分接触，通过燃烧反应使氧实质上完全消耗而产生燃烧热，使气体温度上升，接着在催化剂出口侧(后段)在无氧状态下使残留氨与氨分解催化剂成分接触，将氨分解为氢和氮。
[0094]在所述制备方法中，相对于100容量份的氨分解催化剂成分，优选氨燃烧催化剂成分为5~100容量份，更优选为10~50容量份。
[0095]供给到催化剂层入口侧的反应气体的温度优选为100~700°C，更优选为120~500°C。对反应气体的压力没有特别的限定，但是，由于氨分解反应为分子数增加反应，优选在减压到微加压的条件下均衡地实施。
[0096]相对于反应气体的流动，通过将氨燃烧催化剂成分配置在入口侧、将氨分解催化剂成分配置在出口侧进行氨分解来实施制氢时、供给到催化剂出口侧(后段)的反应气体温度优选为300~1100°C，更优选为400~950°C。对反应气体的压力没有特别的限定，但是，由于在后段的氨分解反应为分子数增加反应，因此优选在减压到微加压的条件下均衡地实施。
[0097](使用制氢催化剂2时的优选方式)
[0098]制氢反应的温度优选为150~1，OOO0C，更优选为200~800°C。
[0099]<用于氨燃烧的催化剂>
[0100]本发明的用 于氨燃烧的催化剂为含有锰-铈氧化物以及选自属于周期表8~11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素的用于氨燃烧的催化剂，其特征在于，锰以二氧化锰换算，所述锰-铈氧化物含有I~60质量％的锰。在此，锰-铈氧化物优选为利用粉末X射线衍射测定被鉴定为具有二氧化铈的萤石型结构的锰-铈均密混合氧化物。
[0101]所述锰-铈氧化物的物质、鉴定方法、优选组成以及优选制备方法，与上述的Mn-Ce系燃烧成分相同。[0102]所述锰-铈氧化物尤其是锰-铈均密混合氧化物，其热稳定性能够得到大幅度的改善效果。另外，虽然氧化锰的反应性能高，作为被处理气体的含氨气体中存在硫化合物时，氧化锰易变质为硫化锰或硫酸锰而导致性能下降，但是证实本发明的锰-铈氧化物尤其是锰-铈均密混合氧化物，获得了氧化锰被稳定化、对于抗硫中毒性也能得到改善的效果O
[0103]作为所述选自属于周期表8?11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素，可以使用8族的铁、9族的钴、10族的镍、以及11族的铜、银。优选使用银和/或铜，通过使用这些元素，可以实现在低温区域下的氨燃烧。优选含有金属或金属氧化物形式的所述各元素。此外，属于周期表8?11族的贵金属元素指钼、钯、铱、锇、钌、铑以及金。
[0104]另外，对所述选自属于周期表8?11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素的添加方法没有特别的限定，可以采用与在所述Mn-Ce系燃烧成分中记载的B成分的添加方法相同的方法。
[0105]本发明的用于氨燃烧的催化剂优选含有30?99.95质量％的所述锰-铈氧化物、0.05?20质量％的所述选自属于周期表8?11族的非贵金属兀素中的至少一种金属兀素。锰-铈氧化物不足30质量％时，氨的氧化速度变慢，难以得到高的处理效率，优选为50质量％以上、更优选为70质量％以上。另外，属于周期表8?11族的非贵金属元素少于0.05质量％时，在低温下的氨氧化性能变得不充分；即使超过20质量％，也几乎得不到性能提高效果，且有分散性降低而粒子生长的可能性，因此不优选。
[0106]此外，在本发明的用于氨燃烧的催化剂中还可以添加选自由氧化铝、二氧化硅、二氧化硅-氧化铝、二氧化钛、氧化锆、沸石、氧化镁、氧化钙、氧化镧以及钛系复合氧化物组成的组中的至少一种耐火性无机氧化物。
[0107]优选含有O?69.95质量％的所述耐火性无机氧化物。通过添加耐火性无机氧化物，能够得到由锰-铯氧化物以及选自属于周期表8?11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素的分散性提高带来的活性提高或催化剂的机械强度的提高。耐火性无机氧化物超过69.95质量％时，选自锰-铯氧化物以及属于周期表8?11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素的含量变少，得不到充分的催化剂活性，因此不优选。
[0108]所述耐火性无机氧化物的添加方法，可以采用与所述选自属于周期表8?11族的非贵金属元素中的至少一种金属元素的添加方法相同的方法。
[0109]所述用于氨燃烧的催化剂可以为颗粒状、片状(? > 卜状)、蜂窝状等形状。可以根据需要添加作为成型助剂的淀粉等有机粘合剂、二氧化硅溶胶或氧化铝溶胶等无机粘合齐U、或玻璃纤维等陶瓷纤维。成型助剂优选以催化剂组合物的15质量％以下进行添加，更优选为10质量％以下。而且还可以在成型为蜂窝等单块、环状、球状、马蹄状等形状的结构体表面上包覆了上述催化剂的状态下使用。
[0110]在本发明中，能够提供一种不使用高价的贵金属元素、具有与贵金属系催化剂同等的氨燃烧活性的实用性良好的用于氨燃烧的催化剂。
[0111]<燃烧方法>
[0112]本发明的燃烧方法的特征在于，该方法使含有氨和氧的反应气体与所述用于氨燃烧的催化剂接触进行氨燃烧反应，从用于氨燃烧的催化剂的出口得到通过该燃烧反应而温度上升的实质上不含氧的含氨气体。[0113]含有氨和氧的反应气体，只要含有这两种成分即可。仅由氨和氧构成时，相对于I摩尔的氨，氧为0.05?I摩尔，优选为0.1摩尔以上且不足0.75摩尔。另外,还可以为含有氮、稀有气体、二氧化碳等相对本发明涉及的反应惰性的气体(惰性气体)的气体。相对于I摩尔的氨，惰性气体的量优选为0.1?10摩尔，更优选为0.5?5摩尔。
[0114]另外，反应气体温度优选为100?500°C，更优选为150?400°C。此外，反应气体温度是指，引发供给到用于氨燃烧的催化剂的反应气体的燃烧反应时的温度。
[0115]供给到用于氨燃烧的催化剂的反应气体的空速优选为10，000?1，000，oootr1，更优选为 15，000 ?750，OOOh'
[0116]实施例
[0117]以下通过实施例对本发明进行具体的说明，但是本发明并不限定于这些实施例。
[0118]<制氢催化剂I的制备例以及使用制氢催化剂I的制氢例>
[0119](锰系氨燃烧催化剂成分的制备例)
[0120](实验例I)
[0121]通过固液混合法利用以下方法制备作为A成分的锰-铈均密混合氧化物。计量粉末状碳酸铈以及硝酸锰水溶液，充分混合，使得锰-铈均密混合氧化物中的氧化锰的含有率以MnO2换算为50质量％，将混合物在150°C下干燥一晚，在500°C下焙烧5小时，利用锤击式粉碎机进行粉碎，得到锰-铈均密混合氧化物粉体。在CuKa射线源、电压45KV、电流40mA、扫描范围10?90°、扫描速度0.198° /min下对得到的锰-铈均密混合氧化物实施X射线衍射测定，结果在表示二氧化铈的萤石型晶体结构的位置检测出主峰，未观察到来自锰的晶体峰。另外，利用BET法测定的比表面积为55m2/g。
[0122]在上述得到的粉体中加入硝酸银水溶液，充分混合，使得得到的银-锰-铈均密混合氧化物中的氧化银的含有率以Ag2O换算为10质量％，将该混合物在150°C下干燥一晚后，以500°C焙烧5小时，得到作为Mn-Ce系的氨燃烧催化剂成分的催化剂I。
[0123](实验例2)
[0124]将28.7g的硝酸猛六水合物、4.25g的硝酸银以及54.1g的硝酸镧六水合物投入到IOOOmL的纯水中，制备锰-银-镧混合水溶液。接着，在1050g的25质量％ TMAH水溶液中追加纯水，稀释为液量约3L的TMAH水溶液，在剧烈搅拌该TMAH水溶液的过程中，缓慢滴加所述锰-银-镧混合水溶液。滴加结束后，继续搅拌30分钟左右，进行熟化。熟化后，进行过滤，利用纯水进行水洗后，在110°C下干燥，将干燥物粉碎后，在空气气氛中以400°C焙烧I小时，进而升温，以650°C焙烧2小时，得到锰-银-镧复合氧化物(催化剂2)。在与实验例I相同的条件下对该催化剂2进行X射线衍射测定，结果确认催化剂2为具有钙钛矿型结构的复合氧化物。另外，利用BET法测定的催化剂2的比表面积为31m2/g。
[0125](实验例3)
[0126]使6.6g的硝酸锰六水合物、25.4g的硝酸钴六水合物以及1.47g的硝酸银溶解于蒸馏水中，在该水溶液中添加19.6g的碳酸铈粉末。接着，利用加热搅拌器一边搅拌一边升温，使水分蒸发，得到干燥物。将该干燥物在150°C下干燥一晚后，粉碎，在空气气氛下以500°C焙烧2小时，制备由钴-银-锰-铈氧化物组成的粉体(催化剂3)。关于该催化剂3，在与实验例I相同的条件下进行X射线衍射测定，结果仅检测出表示二氧化铈的萤石型晶体结构的峰、以及表示四氧化三钴的结构的峰，未观察到来自银和锰的晶体峰，确认锰以锰-铈均密混合氧化物的形式存在。另外，利用BET法测定的催化剂3的比表面积为51m2/g°
[0127](实验例4)
[0128]除了将实验例3中的硝酸钴六水合物的用量改变为14.5g、将碳酸铈粉末的用量改变为25.4g以外，与实验例3同样地制备由钴-银-锰-铈氧化物组成的粉体(催化剂
4)。关于该催化剂4，在与实验例I相同的条件下进行X射线衍射测定，结果仅检测出表示二氧化铈的萤石型晶体结构的峰、以及表示四氧化三钴的结构的峰，未观察到来自银和锰的晶体峰，确认锰以锰-铈均密混合氧化物的形式存在。另外，利用BET法测定的催化剂4的比表面积为49m2/g。
[0129](实验例5)
[0130]除了将实验例3中的硝酸钴六水合物的用量改变为36.26g、将碳酸铈粉末的用量改变为13.7g以外，与实验例3同样地制备由钴-银-猛-铈氧化物组成的粉体(催化剂
5)。关于该催化剂5，在与实验例I相同的条件下进行X射线衍射测定，结果仅检测出表示二氧化铈的萤石型晶体结构的峰、以及表示四氧化三钴的结构的峰，未观察到来自银和锰的晶体峰，确认锰以锰-铈均密混合氧化物的形式存在。另外，利用BET法测定的催化剂5的比表面积为34m2/g。
[0131](实验例6)
[0132]除了将实验例3中的硝酸钴六水合物的用量改变为47.Hg、将碳酸铈粉末的用量改变为7.82g以外，与实验例3同样地制备由钴-银-锰-铈氧化物组成的粉体(催化剂
6)。关于该催化剂6，在与实验例I相同的条件下进行X射线衍射测定，结果仅检测出表示二氧化铈的萤石型晶体结构的峰、以及表示四氧化三钴的结构的峰，未观察到来自银和锰的晶体峰，确认锰以锰-铈均密混合氧化物的形式存在。另外，利用BET法测定的催化剂6的比表面积为28m2/g。
[0133](实验例7)
[0134]使5.3g的硝酸锰六水合物、54.4g的硝酸钴六水合物以及1.17g的硝酸银溶解于蒸馏水中，在该水溶液中添加5.1g的碳酸铈粉末。接着，利用加热搅拌器一边搅拌一边升温，使水分蒸发，得到干燥物。将该干燥物在150°C下干燥一晚后，粉碎，在空气气氛以500°C焙烧2小时，制备由钴-银-锰-铈氧化物组成的粉体(催化剂7)。关于该催化剂7，在与实验例I相同的条件下进行X射线衍射测定，结果仅检测出表示二氧化铈的萤石型晶体结构的峰、以及表示四氧化三钴的结构的峰，未观察到来自银和锰的晶体峰，确认锰以锰-铈均密混合氧化物的形式存在。另外，利用BET法测定的催化剂7的比表面积为27m2/g°
[0135](实验例8)
[0136]除了将实验例3中的硝酸银改变为3.04g的硝酸铜三水合物以外，与实验例3同样地制备由钴-铜-锰-铈氧化物组成的粉体(催化剂8)。关于该催化剂8，在与实验例I相同的条件下进行X射线衍射测定，结果仅检测出表示二氧化铈的萤石型晶体结构的峰、以及表示四氧化三钴的结构的峰，未观察到来自铜和锰的晶体峰，确认锰以锰-铈均密混合氧化物的形式存在。另外，利用BET法测定的催化剂8的比表面积为73m2/g。
[0137](实验例9)[0138]除了将实验例3中的硝酸钴六水合物改变为27.3g的硝酸镍六水合物以外，与实验例3同样地制备由镍-银-锰-铈氧化物组成的粉体(催化剂9)。关于该催化剂9，在与实验例I相同的条件下进行X射线衍射测定，结果仅检测出表示二氧化铈的萤石型晶体结构的峰、以及表示氧化镍的结构的峰，未观察到来自银和锰的晶体峰，确认锰以锰-铈均密混合氧化物的形式存在。另外，利用BET法测定的催化剂9的比表面积为47m2/g。
[0139](实验例10)
[0140]对于在实验例3中制备的催化剂3，使用氢氧化铯来制备以铯换算为I质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂3均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂3在150°C下干燥一晚，得到I质量％铯改性的钴-银-锰-铈均密混合氧化物(催化剂10)。
[0141](实验例11)
[0142]对于在实验例3中制备的催化剂3，使用氢氧化铯来制备以铯换算为0.5质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂3均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂3在150°C下干燥一晚，得到0.5质量％铯改性的钴-银-锰-铈均密混合氧化物(催化剂11)。
[0143](实验例12)
[0144]对于在实验例3中制备的催化剂3，使用氢氧化铯来制备以铯换算为2质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂3均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂3在150°C下干燥一晚，得到2质量％铯改性的钴-银-锰-铈均密混合氧化物(催化剂12)。
[0145](实验例13)
[0146]对于在实验例3中制备的催化剂3，使用氢氧化铯来制备以铯换算为5质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂3均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂3在150°C下干燥一晚，得到5质量％铯改性的钴-银-锰-铈均密混合氧化物(催化剂13)。
[0147](实验例14)
[0148]对于在实验例3中制备的催化剂3，使用氢氧化铯来制备以铯换算为10质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂3均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂3在150°C下干燥一晚，得到10质量％铯改性的钴-银-锰-铈均密混合氧化物(催化剂14)。
[0149](实验例15)
[0150]对于在实验例3中制备的催化剂3，使用氢氧化钾来制备以钾换算为I质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂3均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂3在150°C下干燥一晚，得到I质量％钾改性的钴-银-锰-铈均密混合氧化物(催化剂15)。
[0151](实验例16)
[0152]对于在实验例3中制备的催化剂3，使用乙酸钡来制备以钡换算为I质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂3均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂3在150°C下干燥一晚，得到I质量％钡改性的钴-银-锰-铈均密混合氧化物(催化剂16)。
[0153](实验例17)
[0154]将6.6g的硝酸锰六水合物、0.98g的硝酸银、8.4g的硝酸钴六水合物以及24.9g的硝酸镧六水合物投入到1000mL的纯水中，制备锰-银-钴-镧混合水溶液。接着,在500g的25质量％ TMAH水溶液中追加纯水，稀释为液量约3L的TMAH水溶液，在剧烈搅拌该TMAH水溶液的过程中，缓慢滴加所述锰-银-钴-镧混合水溶液。滴加结束后,继续搅拌30分钟左右，进行熟化。使用布氏漏斗进行过滤，利用纯水进行水洗后，在110°C下干燥，将干燥物粉碎后，在空气气氛中以400°C焙烧I小时，进而升温，以650°C焙烧2小时，得到锰-银-钴-镧复合氧化物(催化剂17)。在与实验例I相同的条件下对该催化剂17进行X射线衍射测定，结果确认催化剂17为具有钙钛矿型结构的复合氧化物。另外，利用BET法测定的催化剂17的比表面积为18m2/g。
[0155](氨分解催化剂成分的制备例)
[0156](实验例18)
[0157]将34.92g的硝酸钴六水合物、5.21g的硝酸铈六水合物以及5.91g的'7' ^ ^、/一^ (注册商标)ZN (第一稀元素化学工业株式会社制的硝酸氧锆水溶液:含有25质量％的氧化锆)添加到500mL的蒸馏水中，进行混合，制备均匀的水溶液。一边搅拌该溶液一边滴加到使44.3g的氢氧化钾溶解 于500mL的蒸馏水而成的溶液中，生成沉淀物。将得到的沉淀物过滤、水洗后，在120°C下使之干燥一晚。之后，将干燥固体粉碎并填充到管式炉中，使用10体积％的氢气(用氮进行稀释)，在450°C下还原I小时，得到负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂18)。利用BET法测定的催化剂18的比表面积为52m2/g。
[0158](实验例19)
[0159]除了将实验例18中的硝酸铈六水合物的用量改变为17.4g，将'7' ^ ^ '/一 > (注册商标)ZN (第一稀元素化学工业株式会社制的硝酸氧锆水溶液:含有25质量％的氧化锆)的用量改变为19.7g，将氢氧化钾的用量改变为69.1g以外，与实验例18同样地得到负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂19)。利用BET法测定的催化剂19的比表面积为83m2/g。
[0160](实验例20)
[0161]除了将实验例18中的硝酸铈六水合物的用量改变为2.6g，将^ ^ ^ '/一& (注册商标)ZN (第一稀元素化学工业株式会社制的硝酸氧锆水溶液:含有25质量％的氧化锆)的用量改变为2.96g，将氢氧化钾的用量改变为39.0g以外，与实验例18同样地得到负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂20)。利用BET法测定的催化剂20的比表面积为46m2/g。
[0162](实验例21)
[0163]除了将实验例18中的34.92g的硝酸钴六水合物改变为34.89g的硝酸镍六水合物以外，与实验例18同样地得到负载有镍的二氧化铈-氧化锆(催化剂21)。利用BET法测定的催化剂21的比表面积为60m2/g。
[0164](实验例22)
[0165]除了将实验例18中的34.92g的硝酸钴六水合物改变为48.48g的硝酸铁九水合物以外，与实验例18同样地得到负载有铁的二氧化铈-氧化锆(催化剂22)。利用BET法测定的催化剂22的比表面积为30m2/g。
[0166](实验例23)[0167]将14.6g的硝酸钴六水合物、21.7g的硝酸镧六水合物投入到400mL的纯水中，制备钴-镧混合水溶液。在IlOg的25质量％ TMAH水溶液中追加纯水，稀释为液量约2L的TMAH水溶液，在剧烈搅拌该TMAH水溶液的过程中，缓慢滴加所述钴-镧混合水溶液。滴加结束后，继续搅拌30分钟左右，进行熟化。熟化后，进行过滤，利用纯水进行水洗后，在110°C下干燥，将干燥物粉碎后，在空气气氛中以400°C焙烧I小时，进而升温，以650°C焙烧2小时，得到钴-镧复合氧化物(催化剂23)。在与实验例I相同的条件下对该催化剂23进行X射线衍射测定，结果确认催化剂23为具有钙钛矿型结构的复合氧化物。另外，利用BET法测定的催化剂23的比表面积为25m2/g。
[0168](实验例24)
[0169]除了将实验例23中的硝酸钴六水合物改变为14.6g的硝酸镍六水合物以外，与实验例23同样地得到镍-镧复合氧化物(催化剂24)。在与实验例I相同的条件下对该催化剂24进行X射线衍射测定，结果确认催化剂24为具有钙钛矿型结构的复合氧化物。另外，利用B E T法测定的催化剂24的比表面积为23m2/g。
[0170](实验例25)
[0171]对于在实验例18中制备的催化剂18，使用硝酸铯来制备以铯换算为I质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂18均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂18在150°C下干燥一晚。将该干燥物粉碎并填充到管式炉中，使用10体积％的氢气(用氮进行稀释)，在600°C下进行还原处理I小时，得到I质量％铯改性的负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂25)。
[0172](实验例26)
[0173]除了对于在实验例18中制备的催化剂18，使用硝酸铯来制备以铯换算为0.5质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同以外，与实验例25同样地得到0.5质量％铯改性的负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂26)。
[0174](实验例27)
[0175]除了对于在实验例18中制备的催化剂18，使用硝酸铯来制备以铯换算为2质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同以外，与实验例25同样地得到2质量％铯改性的负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂27)。
[0176](实验例28)
[0177]除了对于在实验例18中制备的催化剂18，使用硝酸铯来制备以铯换算为4质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同以外，与实验例25同样地得到4质量％铯改性的负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂28)。
[0178](实验例29)
[0179]除了对于在实验例18中制备的催化剂18，使用硝酸铯来制备以铯换算为6质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同以外，与实验例25同样地得到6质量％铯改性的负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂29)。
[0180](实验例30)
[0181]除了对于在实验例18中制备的催化剂18，使用硝酸铯来制备以铯换算为10质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同以外，与实验例25同样地得到10质量％铯改性的负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂30)。[0182](实验例31)
[0183]除了对于在实验例18中制备的催化剂18，使用硝酸钾来制备以钾换算为I质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同以外，与实验例25同样地得到I质量％钾改性的负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂31)。
[0184](实验例32)
[0185]除了对于在实验例18中制备的催化剂18，使用硝酸钡来制备以钡换算为I质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同以外，与实验例25同样地得到I质量％钡改性的负载有钴的二氧化铈-氧化锆(催化剂32)。
[0186](实验例33)
[0187]对于在实验例21中制备的催化剂21，使用硝酸铯来制备以钡换算为I质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂21均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂21在150°C下干燥一晚。将该干燥物粉碎并填充到管式炉中，使用10体积％的氢气(用氮进行稀释)，在600°C下进行还原处理I小时，得到I质量％钡改性的负载有镍的二氧化铈-氧化锆(催化剂33)。
[0188](实验例34)
[0189]对于在实验例23中制备的催化剂23，使用硝酸铯来制备以钡换算为5质量％的水溶液作为浸溃液，使该浸溃液的体积与干燥后的催化剂的吸水量相同地对催化剂23均匀浸溃。浸溃后，使被浸溃的催化剂23在150°C下干燥一晚。将该干燥物粉碎并填充到管式炉中，使用10体积％的氢气(用氮进行稀释)，在600°C下进行还原处理I小时，得到5质量％钡改性的钴-镧复合氧化物(催化剂34)。
[0190](制氢反应)
[0191]使用ΙΟπιπιΦ的石英反应管，使用在实验例I?17中制备的氨燃烧催化剂成分以及在实验例18?34中制备的氨分解催化剂成分，使用99.9%体积以上的纯度的氨与空气，在氧/氨的摩尔比为0.156下进行氨分解，进行制氢反应。
[0192]在常压下，在SV = 36，OOOtT1下，将加热到200°C的反应气体供给到催化剂层，进行氨分解，实施制氢反应，分析催化剂层的出口的气体，测定氢收率。氢收率的测定结果如表I所示。各试验时的催化剂层最高温度也一并记载在表I中。
[0193](反应例I?14)
[0194]相对于气体流动方向，在上述反应管的出口侧填充催化剂25 ;相对于气体流动方向，将填充在上述反应管的入口侧的催化剂改变为催化剂I?14，进行氨分解，实施制氢反应。催化剂的填充量为，相对于气体流动方向，入口侧的氨燃烧催化剂成分为lmL、出口侧的氨分解催化剂成分为4mL。反应条件如上所述。氢收率以及催化剂层最高温度的测定结果如表I所示。
[0195](反应例15?19)
[0196]相对于气体流动方向，在上述反应管的入口侧填充催化剂10 ;相对于气体流动方向，将填充在上述反应管的出口侧的催化剂改变为催化剂26?30，进行氨分解，实施制氢反应。催化剂的填充量为，相对于气体流动方向，入口侧的氨燃烧催化剂成分为lmL、出口侧的氨分解催化剂成分为4mL。反应条件如上所述。氢收率以及催化剂层最高温度的测定结果如表I所示。[0197](反应例20~22)
[0198]相对于气体流动方向，在上述反应管的出口侧填充催化剂25 ;相对于气体流动方向，将填充在上述反应管的入口侧的催化剂改变为催化剂15~17，进行氨分解，实施制氢反应。催化剂的填充量为，相对于气体流动方向，入口侧的氨燃烧催化剂成分为lmL、出口侧的氨分解催化剂成分为4mL。反应条件如上所述。氢收率以及催化剂层最高温度的测定结果如表2所示。
[0199](反应例23~33)
[0200]相对于气体流动方向，在上述反应管的入口侧填充催化剂10 ;相对于气体流动方向，将填充在上述反应管的出口侧的催化剂改变为催化剂18~24、31~34，进行氨分解，实施制氢反应。催化剂的填充量为，相对于气体流动方向，入口侧的氨燃烧催化剂成分为lmL、出口侧的氨分解催化剂成分为4mL。反应条件如上所述。氢收率以及催化剂层最高温度的测定结果如表2所示。
[0201](反应例34)
[0202]将ImL的催化剂3与4mL的催化剂25物理混合均匀，进行氨分解，实施制氢反应。反应条件如上所述。氢收率以及催化剂层最高温度的测定结果如表2所示。
[0203][表 1]
[0204]
【权利要求】
1.一种制氢催化剂，该催化剂为用于由含有氨和氧的气体得到氢的催化剂，其特征在于，该催化剂含有选自由钴、铁、镍以及钥组成的组中的至少一种金属元素。
2.根据权利要求1所述的制氢催化剂，其中，所述催化剂还含有作为D”成分的碱金属、碱土金属或稀土元素。
3.根据权利要求1或2所述的制氢催化剂，其中，所述催化剂还含有作为E”成分的选自由氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、氧化镧、氧化镁、氧化钙、氧化钡以及氧化锶组成的组中的至少一种金属氧化物。
4.一种制氢方法，其特征在于，该方法使用权利要求1-3中任意一项所述的制氢催化剂由含有氨和氧的气体制备氢。
5.根据权利要求4所述的制氢方法，其中，相对于I摩尔的氨，添加0.05摩尔以上且不足0.75摩尔的氧。
【文档编号】B01J23/882GK103877983SQ201410083617
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2010年3月17日 优先权日:2009年3月17日
【发明者】冈村淳志, 吉宗壮基, 桐敷贤, 常木英昭 申请人:株式会社日本触媒