CN104619415A - 废气净化用催化剂及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种性能更优异的使用磷酸铝烧成体的废气催化剂及其制造方法。(1)一种废气净化用催化剂,其在鳞石英型磷酸铝烧成体上载持具有0.50nm以上、2.0nm以下的平均粒径的选自Pt、Rh、Pd中的至少一种铂族金属而成。(2)一种废气用净化催化剂的制造方法,其包括:将由调节成pH为3.5~4.5的水溶液得到的磷酸铝于1000℃~1200℃的温度烧成2小时以上而得到磷酸铝烧成体的工序和在所述磷酸铝烧成体上载持选自Pt、Rh、Pd中的至少一种铂族金属的工序。
Description
技术领域
本发明涉及废气净化用催化剂及其制造方法,进一步特别涉及废气净化用载持铂族金属和贱金属的磷酸铝催化剂,例如,净化从汽车等内燃机排出的废气中所含有的有害成分的载持铂族金属和贱金属的磷酸铝催化剂及其制造方法。
背景技术
近年,从地球环境保护的观点考虑,世界性地逐年强化排气限制。
作为其对策,在内燃机中使用废气净化用催化剂。在该废气净化用催化剂中,为了有效地净化废气中的碳氢化合物(以下,有时也略记为HC)、CO和氮氧化物,使用含有Pt、Pd、Rh等铂族元素等作为催化剂成分的各种催化剂。
专利文献1记载了一种废气净化用催化剂(专利文献1的权利要求1),其特征在于,包含具有鳞石英型晶体结构、BET比表面积为50~150m2/g的耐热性AlPO4化合物和该AlPO4化合物所载持的选自Pt、Pd和Rh的至少一种贵金属成分。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第4505046号公报
发明内容
发明所要解决的技术课题
正在寻求一种减少废气净化催化剂中所含的贵金属的量、以及不易因从发动机排出的热和燃料中所含的硫成分等而劣化的废气净化用催化剂。另外,为了适应废气净化基准,需要即使在发动机起动时、低速运转时那样的废气温度低的条件下也能够更好地除去上述成分的废气净化装置。
对于现有技术中所示的载持Pd的AlPO4催化剂在热耐久处理后的活性,取决于化学药液中的所载持的Pd的平均粒径,Pd进行晶粒成长,显示出比其它现有的催化剂低的活性,为了提高活性,有改善的余地。
用于解决课题的手段
本发明人进行专心努力的结果发现,在将具有鳞石英型晶体结构的AlPO4作为载体的载持有铂族金属的催化剂中,通过在催化剂制造时控制铂族金属的平均粒径,可解决上述课题,可得到非常优异的结果。
本发明的方式如以下。
(1)一种废气净化用催化剂,其是在鳞石英型磷酸铝烧成体上载持具有0.50nm以上、2.0nm以下的平均粒径的铂族金属而成,该铂族金属选自Pt、Rh、Pd中的至少一种。
(2)根据(1)所述的废气净化用催化剂,其中,所述铂族金属为Pd。
(3)根据(1)或(2)所述的废气净化用催化剂,其中,所述铂族金属相对于烧成体的载持量为0.0001wt%~2.0wt%。
(4)一种废气净化用催化剂的制造方法,其包括:将由调整成pH为3.5~4.5的水溶液得到的磷酸铝于1000℃~1200℃的温度烧成2小时以上,得到磷酸铝烧成体的工序;和
在所述磷酸铝烧成体上载持选自Pt、Rh、Pd中的至少一种铂族金属的工序。
(5)根据(4)所述的废气净化用催化剂的制造方法,其中,所述铂族金属为Pd。
(6)根据(4)或(5)所述的废气净化用催化剂的制造方法,其中,所述铂族金属相对于烧成体的载持量为0.0001wt%~2.0wt%。
发明效果
本发明的废气净化用催化剂减少了废气净化用催化剂中所含的贵金属的量,并且在对于从发动机排出的热的耐热性和对于磷酸铝具有的硫等的抗毒性方面发挥了优异的性能,并且即使在热耐久处理后,不仅可显现低温下非常优异的催化剂活性,而且可显示比现有的催化剂更高的活性。
附图说明
图1是表示催化剂的活性评价时的升温图形的曲线图;
图2是对于NOx净化特性相对于刚制造后的Pd粒子的平均粒径(nm)绘制的曲线图,即对于刚制造后的载持Pd的AlPO4催化剂的具有各Pd的平均粒径((a)实施例1:0.70nm、(b)实施例2:1.0nm、(c)实施例3:2.0nm)、(d)比较例1:0.3nm、(e)比较例2:2.3nm)的各样品,测定热耐久处理后的NOx气体的净化率,相对于刚制造后的Pd粒子的平均粒径(nm)绘制的曲线图。
图3是对于刚制造后的载持Pd的AlPO4催化剂的具有各Pd的平均粒径((a)实施例1:0.70nm、(b)实施例2:1.0nm、(c)实施例3:2.0nm、(d)比较例1:0.3nm、(e)比较例2:2.3nm)的各样品,测定热耐久处理后的钯的微晶粒径(nm),相对于刚制造后的Pd粒子的平均粒径(nm)绘制的曲线图;
图4是对于SiO2、AlPO4、Al2O3的各样品绘制的强度相对于O1s的结合能(eV)的曲线图。
具体实施方式
予以说明,在本说明书中,根据使用了无机物的化合物的名称、或(如下述例示的)所含有的金属的比的表述,即使以具有这些组成的方式生成,也包括含有杂质等实际上生成的组成。因此,根据使用了无机物的化合物的名称或所含有的金属的比的表述,例如,也包括在无机化合物的结构中,例如,氧、氢、氮等元素在化学式中以±1原子数以下过剩或过少地存在的组成的无机化合物,即,例如在磷酸铝的情况下,在AlPO4中也包括例如氧的数为±1的情况下的AlPO2~AlPO5,另外,也包括Al/P的比率为1±约0.3的无机化合物,也包括在化合物中具有作为杂质而未表示的氢的无机化合物等。
本发明的磷酸铝烧成体具有鳞石英型晶体结构。但是,除鳞石英型晶体结构以外,也可以包含块磷铝矿型晶体结构、方石英型晶体结构、或非晶体。
作为本发明的磷酸铝烧成体,可没有特别限制地使用通过公知的方法得到的磷酸铝烧成体。
磷酸铝烧成体的制造方法没有特别限定,可采用中和法等公知的方法。例如,可举出在含Al化合物的水溶液中添加磷酸水溶液,使得P相对于Al的摩尔比大致为当量,再添加氨水,调整pH,对所得到的沉淀物进行分离干燥后,在上述的烧成温度进行烧成的方法。作为含Al化合物,例如,可举出氢氧化物、硝酸盐等金属盐,具体而言,可举出Al(OH)3、Al(NO3)3等。
作为在含有上述的铝盐和磷酸的混合溶液中所使用的溶剂,可使用能够使含铝化合物和磷酸溶解的任意的溶剂,例如水等水性溶剂或有机溶剂等。
而且,本发明的磷酸铝烧成体具有鳞石英型晶体结构,例如,可使用通过下述方法等广泛的方法而得到的磷酸铝烧成体:
(a)将由规定pH的磷酸铝水溶液得到的磷酸铝在规定温度下进行规定时间烧成的方法;
(b)在制造磷酸铝烧成体时,相对于铝离子过量添加磷酸根离子,使未反应的磷酸根离子残留于生成物中的方法;
(c)在磷酸铝烧成体的制造原料中,混合具有可生成所希望的细孔径的直径的烯烃系树脂等热塑性树脂、苯酚系树脂等热塑性树脂等发泡剂,通过烧成工序烧掉发泡剂的方法等。
在此,上述(a)中的磷酸铝生成时的水溶液的pH、烧成温度、烧成时间只要不会对鳞石英型晶体结构产生不利影响就没有特别限制,可以使用pH约3.0~约10.0、烧成温度约1000℃~1200℃、烧成时间约1小时~约10小时范围内等通常使用的条件。
本发明的净化用催化剂是在上述磷酸铝烧成体上,载持选自铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)中的至少一种铂族金属而成的催化剂。载持的方式没有特别限制,只要铂族金属大致一样地载持于烧成体上即可。
载持的铂族金属纳米粒子的平均粒径可以为:约0.40nm以上、约0.50nm以上、约0.60nm以上、约0.70nm以上、约0.80nm以上、约0.90nm以上、约1.0nm以上,可以为:约2.2nm以下、约2.1nm以下、约2.0nm以下、约1.9nm以下、约1.8nm以下、约1.7nm以下、约1.6nm以下、约1.5nm以下、约1.4nm以下、约1.3nm以下、约1.2nm以下、约1.1nm以下。
其中,优选约0.50nm以上、约2.0nm以下。
铂族金属相对于磷酸铝烧成体的量可以为:约0.0001wt%以上、约0.001wt%以上、约0.01wt%以上、约0.1wt%以上、约0.20wt%以上、约0.30wt%以上,可以为:约2.0wt%以下、约1.9wt%以下、约1.8wt%以下、约1.7wt%以下、约1.6wt%以下、约1.5wt%以下、约1.4wt%以下、约1.3wt%以下、约1.2wt%以下、约1.1wt%以下、约1.0wt%以下、约0.90wt%以下、约0.80wt%以下、约0.70wt%以下、约0.60wt%以下、约0.50wt%以下、约0.40wt%以下。
关于载持的方式,没有特别限制,铂族金属大致一样地载持于烧成体的载体上即可。
作为使铂族金属纳米粒子载持于磷酸铝烧成体上的方法,只要不会对磷酸铝烧成体产生不利影响就没有特别限制,可使用含浸载持法、表面析出法等一般的方法。
为了使铂族金属纳米粒子的粒径一致,也可使用可提供所希望粒径的铂族金属粒子的铂族金属的胶体。也可使用其它铂族金属源,例如乙酸铂族金属化合物、硝酸铂族金属化合物、氯化铂族金属化合物、由它们合成的铂族金属纳米粒子。但是,磷酸铝易溶于强酸,所以优选不含硝酸根离子、氯根离子等。
本发明的催化剂,如下述实施例1~3和图2的曲线图所示,通过含浸法载持了具有约0.50nm~约2.0nm的平均粒径的Pd粒子的AlPO4催化剂即使在热耐久处理后,对于600℃的NOx也显示出比显示约78%的净化率的现有催化剂(载持Pd的Al2O3)(图2中(d)~(e))优异的净化率超过80%的净化能力(图2中(a)~(c)),且确认存在具有高活性的铂族金属的最合适的粒径范围。
而且,如果试着对于热耐久处理后的微晶粒径进行研究,则如下述实施例1~3和比较例1、2以及图3的曲线图所示,判明了通过含浸法载持了小于约0.50nm和超过约2.0nm的铂族金属的AlPO4催化剂在热耐久处理后,微晶粒径大幅度成长至超过约40nm(图3中(d)、(e)),但通过含浸法载持了约0.50nm以上约2.0nm以下的铂族金属的AlPO4催化剂((图3中(a)~(c)),微晶粒径的成长被抑制为小于约40nm。
另一方面,如下述比较例3~7和图3的曲线图所示,对于热耐久处理后的微晶粒径,现有催化剂即载持Pd的Al2O3催化剂为约10nm~约25nm(图3中(f)~(j)),没有成长为那么大。
而且,在本发明的方式的催化剂中,虽然热耐久处理后微晶粒径((图3中(a)~(c))比现有催化剂大((图3中(f)~(j)),但得到了催化剂活性((图2中(a)~(c))比现有催化剂高(图2中虚线)这种惊人的结果。
鉴于这一情况,判明即使热耐久处理后,与铂族金属的微晶粒径几乎不成长的现有催化剂即载持铂族金属的Al2O3催化剂相对照,在载持铂族金属的AlPO4催化剂中,催化剂制造时的铂族金属粒子的平均粒径对热耐久处理后的催化剂的活性有较大影响。而且判明,通过将载持铂族金属的AlPO4催化剂制造时的铂族金属的平均粒径设定为约0.50~约2.0nm,不管是在热耐久处理前还是处理后,都可以抑制铂族金属的微晶粒径的成长,不仅可对于NOx等废气显示出80%以上的极好的净化能力,而且与现有催化剂相比,具有优异得多的净化能力。
观察作为相互作用的临时指标的载体的氧离子的电子密度(用XPS测定的O(氧)的1s结合能)(图4)时,发现AlPO4的O1s结合能比Al2O3的O1s结合能高,是酸性质,相互作用小。
虽然不希望被某些理论约束,但可认为在酸性载体中,由于铂族金属与载体的相互作用如此之小,所以如果热耐久处理前的铂族金属的粒径过于小,则铂族金属在热耐久处理时就容易在载体上移动,铂族金属粒子彼此融合,晶粒进行成长。另一方面,可认为在热耐久处理前的铂族金属的平均粒径大的情况下,容易引起其和附近的铂族金属粒子的融合,进行晶粒成长,活性降低。因此,可认为在AlPO4这样的与铂族金属的相互作用小的酸性载体中,通过使其载持适度粒径的铂族金属,可以抑制热耐久处理后的铂族金属的晶粒成长,而且抑制晶粒成长造成的活性降低。
实施例
以下,通过实施例更具体地说明本发明,但本发明不限定于这些实施例。
<合成例1:AlPO4的合成>
工序1-1:在室温下,向烧杯中加入离子交换水50ml,放入搅拌子进行搅拌。
工序1-2:秤量0.05mol的硝酸铝9水合物(Nacalai Tesque制),加入到上述离子交换水中,一边搅拌一边使其溶解。
工序1-3:在另外的烧杯中以磷酸量换算计,秤量85wt%的磷酸(Nacalai Tesque制)0.05mol,加入到工序1-2的水中,继续搅拌(使用离子交换水将残留于烧杯中的磷酸加入到混合液的烧杯中)。
工序1-4:使用移液管向混合液的烧杯中一点一点地滴下28wt%的氨水(Nacalai Tesque制),调整成pH为4.3±0.3。
工序1-5:将混合液的烧杯加盖,在室温下搅拌12小时。
工序1-6:将混合液放入离心分离机(3000rpm×10分钟),分成沉淀物和上清液。
工序1-7:向沉淀物中适量加入离子交换水,再次放入离心分离机中(清洗工序)。
工序1-8:使沉淀物在120℃的干燥机中干燥12小时。
工序1-9:将干燥物放入研钵,使用研杵粉碎,制成粉末状。
工序1-10:将粉末在电炉中于1100℃烧成5小时,得到约6g粉末。
(制造例1:Pd载持体的制造)
工序2-1:在室温下秤量6g的AlPO4粉末,加入到放入了离子交换水30ml和搅拌子的烧杯中进行搅拌。
工序2-2:秤量Pd粒子的平均粒径为0.7nm的硝酸钯水溶液,使Pd载持量成为0.50wt%,加入到工序2-1的烧杯中并进行搅拌。
工序2-3:加热搅拌工序2-2的烧杯,蒸干至无水分。
工序2-4:使工序2-3的干固物在120℃的干燥机中干燥12小时。
工序2-5:将干燥物放入研钵,使用研杵粉碎,制成粉末状。
工序2-6:将该载持粉末在电炉中于500℃烧成3小时。
工序2-7:将烧成后的粉末成型为颗粒状。
(实施例1)
按照上述(合成例1)和(制造例1)的步骤,得到平均粒径0.70nm的载持Pd的AlPO4催化剂。
(实施例2、3)
除代替工序2-2中的硝酸钯水溶液,分别使用钯-pvp胶体溶液(Pd粒子的平均粒径:1.0nm)(实施例2)、钯-pvp胶体溶液(Pd粒子的平均粒径:2.0nm)(实施例3)以外,按照与(实施例1)同样的步骤,得到催化剂粉末(实施例2、3)。
(比较例1、2)
除代替工序2-2中的硝酸钯水溶液,分别使用乙酸钯水溶液(Pd粒子的平均粒径:0.30nm)(比较例1)、钯-pvp胶体溶液(Pd粒子的平均粒径:2.3nm)(比较例2)以外,按照与(实施例1)同样的步骤,得到催化剂粉末(比较例1、2)。
(比较例3~7)
除代替在(合成例1)中得到的AlPO4,使用Al2O3(Sasol制,添加La2O31.0wt%的Al2O3)作为载体以外,分别按照与比较例1、实施例1、实施例2、实施例3、比较例2同样的步骤,得到催化剂粉末(比较例3~7)。
<制造后的Pd的平均粒径的测定>
对硝酸钯或乙酸钯等的水溶液即Pd药液或胶体水溶液进行取样,使用Zeta电位·粒径测定系统ELSZ-2(Otsuka Electronics Co.,Ltd制),在室温下测定Pd粒子的平均粒径,作为粒径分布的累计值50%的粒径。
<热耐久处理后的Pd的微晶粒径的测定>
使用试样水平型强力X射线衍射装置RINT-TTRIII(制造商名:Rigaku Corp.)测定热耐久处理后的Pd的微晶粒径。
为了计算微晶粒径,将2θ=40.0~40.2°附近作为Pd的峰值使用。
(催化剂评价法)
对催化剂粉末施加2t的压力进行压缩成形,然后将其粉碎并压缩成形为直径2.5mm左右的颗粒作为评价样品。
<热耐久处理>
工序3-1:秤量3g颗粒,放入可添加CO和O2气体以及水蒸汽的氧化铝制反应管。
工序3-2:用电炉对该反应管进行加热,使2体积%的CO(剩余N2)的气体和5体积%的O2(剩余N2)的气体以2分钟间隔交替地在反应管内流通。向气体中恒定添加5体积%的水蒸汽。另外,气体量设为10L/分钟。
工序3-3:加热电炉,使氧化铝制反应管内的温度成为1000℃,在气体流通下保持5小时时间。
<催化剂的活性评价>
使用气体流通式的催化剂评价装置测定净化率,由此进行热耐久处理后的催化剂的活性评价。
样品量设定为各1.5g。
作为模型气体,使用以体积计CO:0.65%、C3H6:3000ppm C、NO:1500ppm、O2:0.7%、H2O:3%、CO2:10%、剩余为N2的模型气体。气体流量为15L/分钟,SV为约300000小时-1。
净化率测定如图1的曲线图所示,以20℃/分钟的升温速度升温至150℃(升温),在150℃保持5分钟后(稳定化),以20℃/分钟升温至600℃(升温),在600℃维持3分钟,使用红外线分光计(制造商名:Horiba,Ltd.,型号:MEXA-6000FT)测定催化剂通过后的气体组成(净化率测定保持),根据该测定值,通过下述公式计算净化率。
净化率(%)=(催化剂的进入气体浓度(体积%)-催化剂的排出气体浓度(体积%))/催化剂的进入气体浓度(体积%)×100
(结果)
用X射线衍射仪(制造商名:Rigaku,Corp.,型号:RINT)测定在实施例1~3和比较例1~2中得到的磷酸铝烧成体的粉末,结果确认,生成具有鳞石英型晶体结构的磷酸铝烧成体。
另外,图1和图2中示出了催化剂特性评价结果的曲线图。
本发明的催化剂,如下述实施例1~3和图2的曲线图所示,通过含浸法载持了0.50wt%的平均粒径0.50nm~2.0nm的Pd粒子的AlPO4催化剂即使在热耐久处理后,对于600℃的NOx也惊人地显示出比显示约78%的净化率的现有催化剂(载持Pd的Al2O3)(图2中(d)~(e))优异的净化率超过80%的净化能力(图2中(a)~(c))。
而且,如下述实施例1~3和比较例1、2以及图3的曲线图所示,通过含浸法载持了小于0.50nm和大于2.0nm的平均粒径的Pd粒子的AlPO4催化剂在热耐久处理后,微晶粒径大幅成长为大于约40nm(图3中(d)、(e)),成为比本发明的催化剂(图3中(a)~(c))大的粒径。
如上所述,本发明的方式的载持了平均粒径0.50nm~2.0nm的Pd粒子的AlPO4催化剂(实施例1~3),相对于载持平均粒径小于0.50nm或大于2.0nm(比较例1、2)的Pd粒子的AlPO4催化剂和载持Pd的Al2O3催化剂(比较例3~7)双方,即使热耐久处理后也维持良好的催化剂活性。而且,明确了上述平均粒径0.50nm~2.0nm的Pd粒子产生的对AlPO4上的晶粒成长的抑制对于本发明方式的催化剂与比较例与现有催化剂的性能差别有很大的影响。
产业上的可利用性
如以上所述,本发明的废气净化用催化剂即使在热耐久处理后,在低温条件下,作为废气净化用催化剂也具有良好的性能。鉴于这一情况,本发明的氧化催化剂的用途不限于废气净化用催化剂,还可以在广泛的领域中用于各种各样的用途。
Claims (6)
1.一种废气净化用催化剂,其是在鳞石英型磷酸铝烧成体上载持具有0.50nm以上、2.0nm以下的平均粒径的铂族金属而成,该铂族金属选自Pt、Rh、Pd中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的废气净化用催化剂,其中,所述铂族金属为Pd。
3.根据权利要求1或2所述的废气净化催化剂,其中,所述铂族金属相对于烧成体的载持量为0.0001wt%~2.0wt%。
4.一种废气用净化催化剂的制造方法,包括:
将由调整成pH为3.5~4.5的水溶液得到的磷酸铝于1000℃~1200℃的温度烧成2小时以上,得到磷酸铝烧成体的工序;和
在所述磷酸铝烧成体上载持选自Pt、Rh、Pd中的至少一种铂族金属的工序。
5.根据权利要求4所述的废气净化用催化剂的制造方法,其中,所述铂族金属为Pd。
6.根据权利要求4或5所述的废气净化催化剂的制造方法,其中,所述铂族金属相对于烧成体的载持量为0.0001wt%~2.0wt%。
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