[发明专利]氨的合成方法以及氨合成用催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种将原料气体导入反应器以生成含氨气体的氨合成方法、以及用于氨合成的催化剂。

背景技术

以往氨通过哈勃-博施方法(Haber–Bosch process)以工业水平被广泛制备。哈勃-博施方法使用双促进铁催化剂，使氢和氮在400～600℃、20～40MPa的高温高压条件下反应，得到氨(非专利文献1)。另外，近年来，也有通过在哈勃-博施方法中使用Ru系催化剂，实现在更低温、低压下的氨合成的例子(专利文献1)。

作为在哈勃-博施方法中使用的一般的氨合成用Ru系催化剂的载体，除Al₂O₃(非专利文献2)以外，使用活性炭等碳载体(非专利文献3、专利文献2以及专利文献3)、MgO(非专利文献4)、稀土类氧化物(非专利文献5、专利文献1以及专利文献4)。Al₂O₃载体被广泛用作催化剂载体，其防止活性金属的凝集的效果好，另一方面，由于是弱酸性化合物，因此电子供给能力比碱性化合物差。关于以活性炭为代表的碳材料、MgO以及稀土类氧化物这样的碱性氧化物，由于载体自身的电子供给能力高，因此即使添加少量助催化剂，也能够得到高活性的氨合成用催化剂。

作为用于提高氨生成活性的助催化剂，利用碱金属、碱土类金属以及稀土类(非专利文献1)。由于通过助催化剂完成向Ru的电子供给，因此氨合成活性得以提高。

作为氨的合成方法，另外提出了一种通过供给氢气和氮气，在催化剂存在下产生低温等离子体，使反应物激发，从而合成氨的方法(专利文献5)。在这样的氨合成法中，也确认了通过使Ru负载于MgO，并用添加有作为助催化剂的Cs的催化剂，从而提高氨产量(专利文献6)。另外，提出了一种利用非对称电容器使反应物离子化，从而合成氨的方法(专利文献7)。

另一方面，正在寻求防止资源枯竭、温室效应的技术。尤其是在电力领域中，抑制作为温室气体之一的二氧化碳的排出、不依赖于化石资源的太阳光发电和风力发电等可再生能量的利用正在进行。由于这样的可再生能量难以长期连续且稳定地供给能量，因此提出了一种使用由可再生能量得到的剩余电能或热能来生产化学品，以变换为化学能量的形式来长期稳定储存能量的方法(非专利文献6)。作为用于能量储存的化学品，提出了氨这样的含氢化合物(非专利文献7)。氨由于单位体积以及单位质量的含氢密度高，燃烧时不排出CO_x，因此有望被视为能量载体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开平8-141399号公报

专利文献2：特开平9-168739号公报

专利文献3：特开平9-239272号公报

专利文献4：特开平6-079177号公报

专利文献5：特开2002-241774号公报

专利文献6：国际公开第2009/025835号小册子

专利文献7：特开2006-160581号公报

非专利文献

非专利文献1：催化剂学会编“催化剂手册”讲谈社，2008年12月10日发行，pp.536-539

非专利文献2：Journal of Catalysis,136,pp.110-117(1992)

非专利文献3：Applied Catalysis A.,138,pp.83-91(1996)

非专利文献4：Journal of Catalysis,136,pp.126-140(1992)

非专利文献5：“氨合成用Ru/CeO₂催化剂的作用机制”丹羽勇介，秋鹿研一，78th CATSJ Meeting Abstract NO.4A04,Vol.38,No.6(1996)

非专利文献6：Industrial&Engineering Chemistry Research,2011年,Vol.50,pp.8954-8964

非专利文献7：HESS机关杂志“氢能量体系”，Vol.33(2008年)，No.4,pp.20-25

发明内容

上述哈勃-博施方法是高温高压方法，需要使用耐压反应容器。另外，由于哈勃-博施方法适合大量生产，因此哈勃-博施方法用的装置一般是大型装置，布局场所受限制。因此，存在不能有效储存地理上不均匀的可再生能量的可能性。另外，由于需要长期连续运转，因此不适合灵活应对电力的供给状况来生产氨的情况。