CN101479037A - 废气净化催化剂及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含有氧化铈-氧化锆复合氧化物以及在氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶的氧化铁的废气净化催化剂。而且,本发明涉及制造废气净化催化剂的方法。
Description
技术领域
本发明涉及废气净化催化剂、特别是用于净化来自汽车的废气的废气净化催化剂及其制造方法。
背景技术
在来自汽车发动机等内燃机的废气中,含有氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)、烃(HC)等。这些物质能够通过在氧化CO和HC的同时将NOX还原的废气净化催化剂除去。作为废气净化催化剂的代表物质,已知将铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)等贵金属担载于γ-氧化铝等多孔金属氧化物载体上的三元催化剂。
但是,这些贵金属价格高且储量少,因此认为对于将来并不充足。因此,作为贵金属之外的催化剂,提出了将钙钛矿型复合氧化物作为用于废气净化的催化剂使用。
关于作为催化剂的钙钛矿型复合氧化物,在日本特开平6-106062号公报中,通过将钙钛矿型复合氧化物作为核使用、并配置为在该核的周围固溶了贵金属的钙钛矿型复合氧化物,提供即使在空转时等低温时也具有高废气净化性能的废气净化催化剂。
作为贱金属类的废气净化催化剂,还已知使用氧化铁。
在日本特开2005-296735号公报中,公开了在含有氧化铈-氧化锆复合氧化物的载体上担载氧化铁而得到的催化剂,该载体具有0.1mL/g以上的细孔,该细孔具有3.5~150nm的细孔径。日本特开2005-296735号公报公开了这样的催化剂中氧化铁起活性点的作用。
在日本特开2004-160433号公报中,为了利用源自Fe2O3与Fe3O4之间的价数变化的铁的储氧能力(OSC能力),提出了形成铁与选自由氧化铈、氧化锆、铝、钛和锰所构成的组的至少一种金属的复合氧化物。而且,在日本特开2004-160433号公报中,将该复合氧化物作为催化剂使用时,铁成为活性点而能够氧化HC和CO。
在日本特开2004-160433号公报中,作为具体的复合金属氧化物,只列举了氧化铁-氧化钛复合氧化物,该氧化铁-氧化钛复合氧化物通过下述反应提供OSC能力。
2Fe2O3+4TiO2←→4FeTiO3+O2 (1)
6Fe2O3+12TiO2←→4Fe3Ti3O10+O2 (2)
3Fe2O3+6TiO2←→Fe6Ti6O12+O2 (3)
如上述现有文献中所记载的,已知使用铁等贱金属作为用于废气净化催化剂的催化剂金属。但是,特别是在使用铁作为催化剂金属的催化剂中,铁的氧化状态在催化剂使用期间变化,其体积也变化,因此存在催化剂劣化的问题。另外,如日本特开2005-296735号公报中所记载的,在氧化铈-氧化锆复合氧化物的表面以高浓度担载铁时,存在催化剂表面积减小而使催化剂的性能劣化的问题。
因此,在本发明中,解决了铁作为催化剂金属使用中涉及的现有问题,并提供具有良好的OSC能力的废气净化催化剂。
发明内容
本发明的废气净化催化剂,含有氧化铈-氧化锆复合氧化物以及在氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶的氧化铁。
在本发明的废气净化催化剂的一个方式中,构成氧化铁的铁的量相对于废气净化催化剂中所含的总金属原子的量为1~20mol%。
在本发明的废气净化催化剂的一个方式中,氧化铈-氧化锆复合氧化物中锆/(铈+锆)的摩尔比为0.2~0.8。
在本发明的废气净化催化剂的一个方式中,还含有在所述氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶的选自由碱土金属氧化物和除氧化铈之外的稀土氧化物构成的组的金属氧化物。
制造废气净化催化剂的本发明的方法包括如下工序:提供疏水性溶剂相中分散有水性相的分散液的工序;在分散液中分散的水性相中,使铈盐、锆盐和铁盐水解,从而使金属氧化物前体析出,并且使该金属氧化物前体凝聚的工序;和将凝聚后的金属氧化物前体进行干燥和煅烧的工序。
附图说明
图1是表示比较例1和2以及实施例1和2的废气净化催化剂耐久后的OSC能力的图。
图2是表示实施例3~8的废气净化催化剂耐久后的OSC能力和表面积的图。
图3是表示在800℃下煅烧后实施例1的废气净化催化剂的XRD分析结果的图。
图4是表示在1000℃下煅烧后实施例1的废气净化催化剂的XRD分析结果的图。
具体实施方式
[本发明的废气净化催化剂]
本发明的废气净化催化剂,含有氧化铈-氧化锆复合氧化物以及在氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶的氧化铁。
根据本发明的废气净化催化剂,通过使用氧化铁作为催化剂金属,即使在不使用贵金属的情况下,也能够利用氧化铈-氧化锆复合氧化物提供OSC能力。另外,根据本发明的废气净化催化剂,氧化铁在氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶,由此,能够防止由于单独的氧化铁(Fe3O4或Fe2O3)的析出导致的催化剂劣化。
可以选择氧化铈-氧化锆复合氧化物中氧化铁的含有率,以使利用氧化铁催化氧化铈-氧化锆复合氧化物的OSC能力的同时,氧化铈-氧化锆复合氧化物中氧化铁不发生不稳定化。因此,例如,构成氧化铁的铁相对于废气净化催化剂中所含的总金属原子可以为1~20mol%、特别是可以为3~15mol%、更特别是可以为5~10mol%。
氧化铈-氧化锆复合氧化物中氧化铁的含有率过大时,所得到的废气净化催化剂的耐热性下降,因此有时OSC能力会下降。认为这是因为氧化铁由于下述原因而难以与氧化铈-氧化锆复合氧化物形成置换型的复合氧化物的缘故:
(1)氧化铈-氧化锆复合氧化物是由8配位的氧化铈和氧化锆形成的,与此相对,2价和3价的铁是6配位;以及
(2)铁的离子半径(2价:0.78,3价:0.65)比铈的离子半径(3价:1.14,4价:0.97)和锆的离子半径(4价:0.84)都小。
另外,氧化铈-氧化锆复合氧化物中氧化铁的含有率过小时,所得的废气净化催化剂中催化剂成分的量少,因此有时不能充分地发挥OSC能力。
本发明的废气净化催化剂中,可以选择氧化铈-氧化锆复合氧化物中锆/(铈+锆)的摩尔比,以提供由氧化铈-氧化锆复合氧化物产生的OSC能力和良好的耐热性。因此,其比例可以为例如0.2~0.8、特别是为0.4~0.6。
本发明的废气净化催化剂,为了改良氧化铈-氧化锆复合氧化物的耐热性,可以使选自由碱土金属和除氧化铈之外的稀土氧化物构成的组的金属氧化物、特别是稀土氧化物固溶,所述稀土氧化物为选自例如由钇、镧、铈、镨、钕和钐构成的组的稀土类的氧化物。在此,选自由碱土金属氧化物和稀土氧化物构成的组的该金属氧化物,例如在氧化铈-氧化锆复合氧化物中,构成该金属氧化物的金属的含量相对于废气净化催化剂中所含的总金属原子的量可以为1~20mol%、特别是可以为1~15mol%、更特别是可以为1~12mol%。
本发明的废气净化催化剂还可以担载贵金属,例如铂、铑、钯和/或NOX吸附元素,即选自由碱金属和碱土金属构成的组的元素,特别是锂和钡。
贵金属和NOX吸附元素在本发明的废气净化催化剂上的担载可以通过任意的方法进行。例如,在本发明的废气净化催化剂上担载铂时,可以使含有铂的盐和/或络合盐的溶液、例如二硝基二胺合铂水溶液吸水担载、然后将其干燥和煅烧而进行。本发明的废气净化催化剂上的铂担载量相对于多孔二氧化硅载体可以为0.01~5质量%、特别是可以为0.1~2质量%。
本发明的废气净化催化剂不仅可以将其本身成形而使用,也可以涂敷在整体式载体、例如蜂窝陶瓷上而使用。
本发明的废气净化催化剂能够通过能使氧化铁在氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶的任意方法进行制造。因此,本发明的废气净化催化剂尤其可以通过制造废气净化催化剂的本发明的方法进行制造。
[制造废气净化催化剂的本发明的方法]
制造废气净化催化剂的本发明的方法包括如下工序:提供疏水性溶剂相中分散有水相的分散液的工序;在分散液中分散的水性相中,使铈盐、锆盐和铁盐水解,从而使金属氧化物前体析出,并使该金属氧化物前体凝聚的工序;和将凝聚后的金属氧化物前体进行干燥和煅烧的工序。
根据本发明的方法,通过使含有铈、锆和铁的金属氧化物前体在微小的水滴内析出,能够得到氧化铈、氧化锆和氧化铁的前体高度分散的金属氧化物前体。因此,根据本发明,能够得到本发明的废气净化催化剂。
在制造废气净化催化剂的本发明的方法中,首先通常通过使用表面活性剂,提供疏水性溶剂相中分散有水性相的分散液,特别是提供水性相的液滴直径为2~100nm、优选2~50nm、更优选2~40nm的微乳液。
作为这里能够使用的疏水性溶剂,可以使用环己烷、苯之类的烃、己醇之类的直链醇、丙酮之类的酮类。
而且,能够用于得到这里所提供的分散液的表面活性剂可以是非离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂和阳离子型表面活性剂的任意一种,也可以与疏水性溶剂组合而进行选择。
作为非离子型表面活性剂,可以列举聚氧乙烯(n=5)壬基苯基醚之类的聚氧乙烯壬基苯基醚类、聚氧乙烯(n=10)辛基苯基醚之类的聚氧乙烯辛基苯基醚类、聚氧乙烯(n=7)十六烷基醚之类的聚氧乙烯烷基醚类表面活性剂。另外,作为阴离子型表面活性剂,可以列举二(2-乙基己基)磺基琥珀酸钠,作为阳离子型表面活性剂,可以列举十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵等。
在制造废气净化催化剂的本发明的方法中,接着,在分散于如上得到的分散液中的水性相中,使铈盐、锆盐和铁盐水解,从而使金属氧化物前体析出,并且使该金属氧化物前体凝聚。
在此,为了使金属氧化物前体在水滴内析出,将氨水、氢氧化钠水溶液等碱性溶液添加到分散液中,由此使分散液具有偏碱性的性质而能够水解铈盐等。从容易除去方面考虑,通常优选使用氨水。
作为这里所使用的铈盐、锆盐和铁盐,可以选择具有水溶性的性质的任意的盐,例如可以使用硝酸盐、氯化物之类的无机酸盐或醋酸盐、乳酸盐、草酸盐之类的有机酸盐,特别是硝酸盐。
而且,当氧化铈-氧化锆复合氧化物中含有除氧化铁之外的成分、例如选自由碱土金属氧化物和除氧化铈之外的稀土氧化物构成的组的金属氧化物时,能够使构成该金属氧化物的金属的盐、例如硝酸镧在水性相中与铈盐等一起水解。
在制造废气净化催化剂的本发明的方法中,最后,将如上得到的凝聚后的金属氧化物前体进行干燥和煅烧。
金属氧化物前体的干燥和煅烧可以在能使氧化铁固溶于氧化铈-氧化锆复合氧化物中的任意温度下进行。例如,可以将金属氧化物前体放入120℃的烤炉中进行干燥,然后将干燥后的金属氧化物前体在金属氧化物合成中通常可以使用的温度、例如500~1100℃的温度下进行煅烧。
下面基于实施例进一步说明本发明,但本发明不限于此。
实施例
[实施例1]
在此实施例中,通过如下的微乳液法,制造组成为Fe:Ce:Zr(摩尔比)=5:40:55的氧化铁-氧化铈-氧化锆复合氧化物。
将作为表面活性剂的聚氧乙烯(n=5)壬基苯基醚(NP-5)添加到环己烷溶剂中,形成疏水性溶剂。另外,使硝酸铁、硝酸铈、硝酸氧锆和极少量的烷基铵溶解在水中,制备水性相溶液。将如上得到的水性相溶液注入疏水性溶剂中,持续搅拌1小时,制备水滴直径为40nm的油包水型微乳液。而且,在该微乳液中,O/S比(疏水性溶剂相(油相)/表面活性剂的摩尔比)为6。
在如上得到的微乳液中添加氨水,将pH调节至8.0,使氧化铁-氧化铈-氧化锆复合氧化物的前体二次粒子析出。向该微乳液中进一步加水,使相发生分离,使前体二次粒子凝聚,并将其持续熟化60分钟。然后,通过用乙醇洗涤而从复合氧化物前体中除去表面活性剂,将得到的复合氧化物前体干燥和煅烧,得到实施例1的氧化铁-氧化铈-氧化锆复合氧化物催化剂。该催化剂的情况如下述表1所示。
[实施例2]
除了在制备水性相溶液时进一步添加硝酸镧之外,与实施例1同样操作,得到组成为La:Fe:Ce:Zr(摩尔比)=3:5:40:52的氧化镧-氧化铁-氧化铈-氧化锆复合氧化物。该催化剂的情况如下述表1所示。
[比较例1]
在比较例1中,通过下述的共沉淀法,制造组成为Al:Ce:Zr(摩尔比)=1:1:1的氧化铝-氧化铈-氧化锆复合氧化物,在该复合氧化物上担载铂,得到比较例1的废气净化催化剂。
将硝酸铝、硝酸铈和硝酸氧锆加入蒸馏水中,得到原料水溶液。在该原料水溶液中加入氨水,使氧化铝-氧化铈-氧化锆复合氧化物的前体二次粒子析出,并将其持续熟化60分钟。然后,将得到的复合氧化物前体干燥和煅烧,得到氧化铝-氧化铈-氧化锆复合氧化物载体。
通过使用二硝基二胺合铂溶液的浸渍法,在如上得到的氧化铝-氧化铈-氧化锆复合氧化物载体上担载相对于氧化铝-氧化铈-氧化锆复合氧化物为1质量%的铂。该催化剂的情况如下述表1所示。
[比较例2]
在比较例2中,通过使用硝酸铁溶液的吸水法,在如比较例1那样得到的氧化铝-氧化铈-氧化锆复合氧化物载体上担载相对于氧化铝-氧化铈-氧化锆复合氧化物为5质量%的铁。该催化剂的情况如下述表1所示。
[实施例3~8]
在水性相溶液的制备中,将La:Fe:Ce:Zr的摩尔比变为如下表1所示,除此之外,与实施例2同样操作,得到实施例3~8的废气净化催化剂。
表1:实施例和比较例的催化剂
*相对于载体(AlCeZrOX)的比例
[储氧能力(OSC能力)评价1]
对实施例1和2以及比较例1和2的废气净化催化剂,使下表2所示组成的耐久用化学计量气体通过的同时在900℃下加热2小时,进行耐久。另外,同样地对上述实施例和比较例的废气净化催化剂,在1000℃下加热2小时,进行耐久。
表2 耐久用化学计量气体组成
N2(%) | CO2(%) | NO(ppm) | CO(ppm) | C3H6(ppmC) | H2O(%) | |
评价气体 | 平衡 | 12 | 2500 | 6000 | 3000 | 10 |
测定分别在900℃和1000℃下进行耐久后的实施例和比较例的废气净化催化剂的OSC能力。另外,在该OSC能力测定中,使用热重分析仪,在300℃下使氢气和氧气交替流通,从而反复地进行废气净化催化剂的氧化和还原,由此时的重量变化求出每1g废气净化催化剂的OSC量。
实施例1和2以及比较例1和2的结果如图1所示。
由图1可知,实施例1和2的废气净化催化剂与使用铂的比较例1的废气净化催化剂和在载体上担载铁的比较例2的废气净化催化剂相比,在耐久后具有优良的OSC能力。认为这是由于,因为氧化铁在氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶,所以即使在耐久后也能维持氧化铁的催化剂活性。而且,在1000℃的耐久后,载体上担载铁的比较例2的废气净化催化剂显著劣化。
[储氧能力(OSC能力)评价2]
对实施例3~8的废气净化催化剂,使上表2所示组成的耐久用化学计量气体通过的同时在1000℃下加热2小时,进行耐久。
如上测定进行耐久后的实施例3~8的废气净化催化剂的OSC能力。而且与此同时,对实施例3~8的废气净化催化剂,通过氮吸附法求出催化剂表面积。结果如图2所示。
由图2可知,在本发明的实施例3~8的废气净化催化剂中,随着氧化铁的含有率的增加,废气净化催化剂的表面积减小。但是,氧化铁的含有率达到一定程度后,OSC能力的增加与表面积的下降无关,当氧化铁的含有率为3~15mol%、特别是5~10mol%时,得到良好的OSC能力。认为这是由于,氧化铈-氧化锆复合氧化物中的氧化铁作为催化剂的活性点,能弥补废气净化催化剂的表面积下降的影响。
而且,在实施例7和8中,相对于实施例6无论怎样增加氧化铁含有率,OSC能力都下降。这表明在本发明实施例的催化剂中,主要是铈发挥OSC能力,氧化铁作为促进氧的储藏和放出的催化剂活性点而起作用。
[XRD分析]
将实施例1的催化剂在空气中、在800℃下加热2小时,进行耐久。在该耐久后,进行XRD(x射线衍射)分析。结果如图3所示。另外,同样地将实施例1的催化剂在空气中、在1000℃下加热2小时,进行耐久,将此时的XRD分析结果示于图4。
由图3和图4可知,在进行800℃和1000℃的耐久后,均能检测出单独的氧化铁(Fe2O3或Fe3O4)的峰。这意味着在本发明实施例1的催化剂中,即使在空气中、即氧化气氛中加热,也没有单独的氧化铁析出。
Claims (5)
1.一种废气净化催化剂,含有氧化铈-氧化锆复合氧化物以及在所述氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶的氧化铁。
2.如权利要求1所述的废气净化催化剂,其中,构成所述氧化铁的铁的量相对于废气净化催化剂中所含的总金属原子的量为1~20mol%。
3.如权利要求1或2所述的废气净化催化剂,其中,所述氧化铈-氧化锆复合氧化物中锆/(铈+锆)的摩尔比为0.2~0.8。
4.如权利要求1~3中任一项所述的废气净化催化剂,其中,还含有在所述氧化铈-氧化锆复合氧化物中分散且至少部分地固溶的、选自由碱土金属氧化物和除了氧化铈之外的稀土氧化物构成的组中的金属氧化物。
5.一种制造废气净化催化剂的方法,包括:
提供疏水性溶剂相中分散有水性相的分散液的工序;
在所述分散液中分散的水性相中,使铈盐、锆盐和铁盐水解,从而使金属氧化物前体析出,并且使所述金属氧化物前体凝聚的工序;和
将凝聚后的所述金属氧化物前体进行干燥和煅烧的工序。
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