CN105377421A - 排气净化用催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题是提供甲烷净化性能优异的排气净化用催化剂。所述课题能够通过一种排气净化用催化剂来解决，所述排气净化用催化剂包含基材和配置于该基材上的催化剂层，该催化剂层包含：选自钒、铌和钽中的至少1种；铂和/或钯。

Description

排气净化用催化剂
技术领域
本发明涉及排气净化用催化剂。
背景技术
从发动机等内燃机排出的排气中，包含烃(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)等有害物质。由于这些物质成为大气污染的原因，因此需要净化排气。
排气能够使用排气净化用催化剂来净化。排气净化用催化剂通常由基材和配置于该基材上的催化剂层构成，催化剂层包含载体和担载于该载体上的催化剂金属。作为催化剂金属，一般使用铂、钯、铑等贵金属。
作为催化剂金属也可使用贵金属以外的金属。例如，专利文献1公开了一种使用钒、铌、钽、或锡作为催化剂金属的NOx净化催化剂。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-238069号公报
发明内容
近年来，以削减成本为目的，正在进行减少贵金属的使用量的尝试。另外，也在进行将铂置换成价格更便宜的钯的尝试。在进行这样的设计变更的情况下，以不增加排出的有害物质的总量的方式重新构成催化剂。
但是，当对烷烃(paraffin)、特别是对甲烷的净化性能优异的铂的量降低时，甲烷在排出的总烃中所占的比例会增加。现在，一般排气的限制值是基于甲烷以外的烃设定的，但是，也可以想到将来会对甲烷有限制。
因此，本发明的目的是提供甲烷净化性能优异的排气净化用催化剂。
本发明人等锐意研究的结果发现：通过使用钒、铌、或钽，能够高效地净化掉排气中含有的甲烷。
即，本发明包含以下技术方案。
[1]一种排气净化用催化剂，包含基材和配置于该基材上的催化剂层，
该催化剂层包含：
选自钒、铌和钽中的至少1种；和
铂和/或钯。
[2]根据[1]所述的排气净化用催化剂，
所述催化剂层包含下层催化剂层，该下层催化剂层包含上游催化剂层和下游催化剂层，
该上游催化剂层在排气的流动方向上位于该下游催化剂层的上游侧，
该上游催化剂层包含所述铂和/或钯，
该下游催化剂层包含选自所述钒、铌和钽中的至少1种。
[3]根据[2]所述的排气净化用催化剂，
所述催化剂层还包含配置于所述下层催化剂层上的上层催化剂层，
该上层催化剂层包含铑。
[4]根据[1]所述的排气净化用催化剂，所述催化剂层还包含铑。
[5]根据[4]所述的排气净化用催化剂，
所述催化剂层包含配置于所述基材上的下层催化剂层、和配置于该下层催化剂层上的上层催化剂层，
该下层催化剂层包含：
选自所述钒、铌和钽中的至少1种；和
所述铂和/或钯，
该上层催化剂层包含所述铑。
本说明书包含作为本申请的优先权基础的日本国专利申请2013-144858号的说明书和/或附图中所记载的内容。
根据本发明，能够提供甲烷净化性能优异的排气净化用催化剂。
附图说明
图1表示排气净化用催化剂的一例。
图2表示排气净化用催化剂的截面图的一部分。
图3表示排气净化用催化剂的截面图的一部分。
图4表示排气净化用催化剂的截面图的一部分。
图5表示排气净化用催化剂的截面图的一部分。
图6表示下游催化剂层中的V2O5和氧化铝的比率、与净化性能的关系。
图7表示下游催化剂层中的OSC材料和氧化铝的比率、与净化性能的关系。
图8表示上游催化剂层和下游催化剂层的长度的比率、与净化性能的关系。
具体实施方式
以下，对本发明进行详细说明。
本发明涉及一种排气净化用催化剂(例如，图1和图2)，其包含基材和配置于该基材上的催化剂层，该催化剂层包含：
选自钒、铌和钽中的至少1种；和
铂和/或钯。
本发明涉及的排气净化用催化剂，由于包含对烷烃、特别是对甲烷的净化性能优异的钒、铌、或钽，因此能够高效地净化排气中所含有的甲烷。要净化的排气的种类不作特别限定。例如，能够净化从汽油发动机排出的排气、从柴油发动机排出的排气等。
钒、铌和钽，通过在2～5价的范围内价数多样地变化，能够氧化以甲烷为首的烃。例如，甲烷能够用5价的钒氧化，其他的烷烃能够用3价的钒氧化，烯烃能够用4价的钒氧化。
作为本发明涉及的排气净化用催化剂的基材，能够举出在排气净化用催化剂中一般所使用的基材。例如，能够举出直流(straightflow)型或壁流型的整体式基材等。基材的材质也不作特别限定，例如，能够举出陶瓷、碳化硅、金属等的基材。
配置于基材上的催化剂层，作为催化剂金属包含选自钒、铌和钽中的至少1种；和，铂和/或钯。钒、铌和钽能够高效地净化烷烃、特别是甲烷。另一方面，铂和钯能够高效地净化烯烃。因此，通过包含这些催化剂金属，能够高效地净化总烃(THC)。
催化剂层，作为催化剂金属也可以还包含铑。通过包含铑，还能够净化NOx。
钒、铌和钽的合计的含有量不作特别限定，但相对于1L基材，优选为0.25～1.5g，更优选为0.5～1.25g，特别优选为0.75～1.0g。通过设为这样的范围，能够高效地净化烷烃、特别是甲烷。
铂和钯的合计的含有量不作特别限定，但相对于1L基材，优选为0.1～1.5g，更优选为0.3～1g，特别优选为0.5～0.8g。通过设为这样的范围，能够高效地净化烯烃。
铑的含有量不作特别限定，但相对于1L基材，优选为0.05～1g，更优选为0.1～0.7g，特别优选为0.2～0.5g。通过设为这样的范围，能够高效地净化NOx。
优选催化剂金属担载于载体上。多种的催化剂金属可以担载于相同的载体上，也可以分别担载于不同的载体上。从抑制催化剂金属形成合金的观点出发，优选各催化剂金属担载于不同的载体上。
作为载体，例如，能够举出氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氧化锆等。另外，作为载体，还能够举出具有氧吸藏放出能力的材料(以下称为“OSC材料。作为OSC材料，例如，能够举出氧化铈；铈-锆复合氧化物；铈、锆、和选自铪、钕、钇、镧、镨和镍中的至少1种元素的复合氧化物等。
在催化剂层中也可以存在未担载催化剂金属的OSC材料。通过在催化剂层中存在OSC材料，能够调节催化剂金属附近的氧的量，排气的净化率提高。
催化剂层可以由多个层构成。例如，如图3所示，催化剂层可以包含配置于基材2上的上游催化剂层4、和在排气的流动方向上位于该上游催化剂层的下游侧的下游催化剂层5。上游催化剂层和下游催化剂层可以在同一基材上空出间隔而配置，也可以不空出间隔而配置。另外，这些催化剂层可以整体都配置于基材上，也可以部分地配置于基材上。
在图3的构成中，优选：上游催化剂层包含铂和/或钯，下游催化剂层包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)。特别优选上游催化剂层中作为催化剂金属仅包含铂和/或钯。特别优选下游催化剂层中作为催化剂金属仅包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)。特别优选仅在下游催化剂层中包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)。通过设为这样的构成，能够由上游催化剂层净化烯烃、由下游催化剂层净化烷烃、特别是甲烷。在上游催化剂层中净化烯烃时会二次产生甲烷，但这样的甲烷也能够由下游催化剂层净化。
催化剂层，例如，如图4所示，也可以包含配置于基材2上的下层催化剂层6、和配置于该下层催化剂层上的上层催化剂层7。上层催化剂层可以整体都配置于下层催化剂层上，也可以部分地配置于下层催化剂层上。
在图4的构成中，优选：下层催化剂层包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)；和，铂和/或钯，上层催化剂层包含铑。特别优选：下层催化剂层中作为催化剂金属仅包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)；以及，铂和/或钯。特别优选上层催化剂层中作为催化剂金属仅包含铑。特别优选仅在下层催化剂层中包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)。通过设为这样的构成，能够由下层催化剂层净化烯烃和烷烃(特别是甲烷)、由上层催化剂层净化NOx。
催化剂层，例如，如图5所示，也可以包含：下层催化剂层，所述下层催化剂层包含配置于基材2上的上游催化剂层4、和在排气的流动方向上位于该上游催化剂层的下游侧的下游催化剂层5；和上层催化剂层7，所述上层催化剂层7配置于该下层催化剂层上。上层催化剂层可以整体地配置于下层催化剂层上，也可以部分地配置于下层催化剂层上。
在图5的构成中，优选：上游催化剂层包含铂和/或钯，下游催化剂层包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)，上层催化剂层包含铑。特别优选上游催化剂层中作为催化剂金属仅包含铂和/或钯。特别优选下游催化剂层中作为催化剂金属仅包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)。特别优选上层催化剂层中作为催化剂金属仅包含铑。特别优选仅在下游催化剂层中包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)。通过设为这样的构成，能够由上游催化剂层净化烯烃，由下游催化剂层净化排气中原本含有的烷烃、特别是甲烷、以及二次产生的甲烷，由上层催化剂层净化NOx。
在催化剂层包含上游催化剂层和下游催化剂层的情况下，基材轴向的长度中的上游催化剂层的长度与下游催化剂层的长度的比率不作特别限定，但优选为9：1～4：6，更优选为8：2～5：5，特别优选为7：3～6：4。通过设为这样的范围，能够均衡性良好地净化烷烃(特别是甲烷)和NOx。
下游催化剂层中的钒、铌和钽的合计量与载体的重量比不作特别限定，优选为(0.01～0.1)：1，更优选为(0.03～0.08)：1。通过设为这样的范围，能够均衡性良好地净化烷烃(特别是甲烷)和NOx。
下游催化剂层中的OSC材料与载体的重量比不作特别限定，但优选为(0.05～0.3)：1，更优选为(0.1～0.2)：1。通过设为这样的范围，能够均衡性良好地净化烷烃(特别是甲烷)和NOx。
在下游催化剂层中的OSC材料包含铈的情况下，铈、与钒、铌和钽的合计的摩尔比不作特别限定，但优选为1:(0.05～3.5)，更优选为1:(0.05～0.5)。通过设为这样的范围，能够均衡性良好地净化烷烃(特别是甲烷)和NOx。
作为本发明的优选的实施方式，可举出下述排气净化用催化剂，所述排气净化用催化剂包含基材、配置于该基材上的下层催化剂层、和配置于该下层催化剂层上的上层催化剂层，
该下层催化剂层包含上游催化剂层和下游催化剂层，该上游催化剂层在排气的流动方向上位于该下游催化剂层的上游侧，
该上游催化剂层包含第1载体、担载于该第1载体上的铂和/或钯、和第一OSC材料，
该下游催化剂层包含第2载体、担载于该第2载体上的选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)、和第二OSC材料，
该上层催化剂层包含第3载体、担载于该第3载体上的铑、和第三OSC材料。
在本实施方式中，优选：上游催化剂层中作为催化剂金属仅包含铂和/或钯，下游催化剂层中作为催化剂金属仅包含选自钒、铌和钽中的至少1种(特别是钒)，上层催化剂层中作为催化剂金属仅包含铑。在本实施方式中，第1～第3载体可以分别为相同的种类的载体，也可以为不同的种类的载体。另外，第一～第三OSC材料可以分别为相同的种类的OSC材料，也可以为不同的种类的OSC材料。
实施例
以下，利用实施例和比较例更详细地说明本发明，但本发明的技术范围并不被实施例限定。
<排气净化用催化剂的制造>
[实施例1]
(1)将硝酸铂溶液、铈-锆复合氧化物[OSC材料](Ce2O比率：30％)、氧化铝、以及氧化铝粘合剂混合，得到上游催化剂层用浆液[1-1]。
(2)向草酸氧钒(Ⅳ)(n水合物)的溶液中添加氧化铝，进行混合。通过将混合物进行干燥、热处理，得到载钒材料(V2O5/氧化铝)。将载钒材料、铈-锆复合氧化物[OSC材料](Ce2O比率：30％)、以及氧化铝粘合剂混合，得到下游催化剂层用浆液[1-2]。
(3)将硝酸铑溶液，铈-锆复合氧化物[OSC材料](Ce2O比率：30％)、氧化铝、以及氧化铝粘合剂混合，得到上层催化剂层用浆液[1-3]。
(4)从基材的排气导入侧的末端，到基材的轴向的长度的70％，涂布上游催化剂层用浆液[1-1]，进行热处理，形成了上游催化剂层。接着，从基材的排气排出侧的末端，到基材的轴向的长度的30％，涂布下游催化剂层用浆液[1-2]，进行热处理，形成了下游催化剂层。接着，在上游催化剂层上和下游催化剂层上涂布上层催化剂层用浆液[1-3]，进行热处理，形成了上层催化剂层。由此，得到了排气净化用催化剂。
上游催化剂层的组成是，每1L基材，铂为0.6g，OSC材料为50g，氧化铝为30g。
下游催化剂层的组成是，每1L基材，V2O5为2.5g，OSC材料为10g，氧化铝为50g。
上层催化剂层的组成是，每1L基材，铑为0.3g，OSC材料为30g，氧化铝为30g。
[实施例2-1～2-4和比较例1]
除了将实施例1中的V2O5的量进行各种变更以外，与实施例1同样地得到了排气净化用催化剂。
[实施例3-1～3-6]
除了将实施例1中的下游催化剂层中的OSC材料的量进行各种变更以外，与实施例1同样地得到了排气净化用催化剂。
[实施例4-1～4-4和比较例2]
除了将实施例1中的上游催化剂层和下游催化剂层的长度的比率进行各种变更以外，与实施例1同样地得到了排气净化用催化剂。
＜净化性能试验＞
将在各实施例以及比较例中制造出的排气净化用催化剂采用排气量为4.3L的发动机在催化剂床温950℃下进行了50小时的耐久试验。其后，将该催化剂搭载于具有排气量为2.2L的发动机的实际车辆上，以LA#4模式(mode)进行行驶，测定了THC(总烃)、CH4和NOx的排出量。将结果示于表1和图6～8。
表1
※1：下游催化剂层、※2：氧化铝、※3：上游催化剂层和下游催化剂层的长度之比
再者，在下游催化剂层以外的催化剂层中存在钒、铌或钽的情况下，与上述实施例比较，存在净化性能劣化的倾向。
附图标记说明
1…排气净化用催化剂；2…基材；3…催化剂层；4…上游催化剂层；5…下游催化剂层；6…下层催化剂层；7…上层催化剂层。
将在本说明书中引用的全部刊物原样地作为参考纳入到本说明书中。

Claims (5)

1.一种排气净化用催化剂，包含基材和配置于该基材上的催化剂层，
该催化剂层包含：
选自钒、铌和钽中的至少1种；和
铂和/或钯。
2.根据权利要求1所述的排气净化用催化剂，
所述催化剂层包含下层催化剂层，该下层催化剂层包含上游催化剂层和下游催化剂层，
该上游催化剂层在排气的流动方向上位于该下游催化剂层的上游侧，
该上游催化剂层包含所述铂和/或钯，
该下游催化剂层包含选自所述钒、铌和钽中的至少1种。
3.根据权利要求2所述的排气净化用催化剂，
所述催化剂层还包含配置于所述下层催化剂层上的上层催化剂层，
该上层催化剂层包含铑。
4.根据权利要求1所述的排气净化用催化剂，
所述催化剂层还包含铑。
5.根据权利要求4所述的排气净化用催化剂，
所述催化剂层包含配置于所述基材上的下层催化剂层、和配置于该下层催化剂层上的上层催化剂层，
该下层催化剂层包含：
选自所述钒、铌和钽中的至少1种；和
所述铂和/或钯，
该上层催化剂层包含所述铑。
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