CN108778491A - 废气净化用催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的废气净化用催化剂具有基材(10)和催化剂涂层(30)。催化剂涂层(30)具有下层(34)和上层(32)。上层(32)作为贵金属催化剂含有Rh和/或Pt。下层(34)作为贵金属催化剂含有Pd。下层(34)包括位于上游侧的前段下层(34a)和位于下游侧的后段下层(34b)。前段下层(34a)为不含含Ce氧化物的无Ce层。后段下层(34b)为包含烧绿石型结构的含Ce氧化物的含Ce层。

Description

废气净化用催化剂
技术领域
本发明涉及废气净化用催化剂。详细而言涉及具有基材和形成在该基材的表面上的催化剂涂层的废气净化用催化剂。
其中,本国际申请基于2016年3月22日提出的日本专利申请第2016-057142号主张优先权,该申请的全部内容作为参照引入本说明书中。
背景技术
为了净化从汽车发动机等内燃机排出的废气,常使用含有Pt(铂)、Pd(钯)和Rh(铑)的贵金属中的至少一种的三元催化剂。在这样的三元催化剂的一个典型的构成中,在高耐热性陶瓷基材的表面形成由氧化铝构成的催化剂涂层,在该催化剂涂层中载持Pt、Pd和Rh的贵金属中的一种或两种以上。这些贵金属中,Pd主要有助于一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)的净化性能,Rh主要有助于NOx的净化性能(还原净化能力)。因此,通过将Pd和Rh并用,能够更加高效地将废气中的有害成分一次性净化。
为了使用这样的三元催化剂有效地对废气中的成分进行净化,希望作为供给到发动机的空气与汽油的混合比率的空燃比在理论空燃比(理论配比)附近。在现有技术中,为了缓和催化剂能够有效工作的空燃比的气氛变动,作为上述贵金属的载体,广泛使用具有氧储藏能力(OSC:Oxygen Storage Capacity,储氧性能)的含Ce氧化物(例如氧化铈-氧化锆复合氧化物)(例如专利文献1)。含Ce氧化物能够发挥在废气的空燃比为贫燃时(即氧过剩侧的气氛)储存废气中的氧、而在废气的空燃比为富燃时(即燃料过剩侧的气氛)放出被储存的氧的作用。由此,即使在废气中的氧浓度发生变动时,也能够得到稳定的催化剂性能,催化剂的净化性能提高。
另外,近年来,为了使废气净化用催化剂的性能进一步提高,开了出不将全部贵金属催化剂载持于一个载体层,而是将催化剂涂层形成为至少具有上下两层的叠层结构,分别在一个层中分离载持Pd、在另一个层中分离载持Rh的催化剂。例如,专利文献1中公开了在蜂窝状载体的整体涂敷Pd层、并在该Pd层涂敷Rh层而形成的废气净化用催化剂。在该专利文献的公报中,提出了Pd层具有前段部和后段部,通过将前段部与后段部的氧释放材料的量的比率设为前段部>后段部来改善NOx净化性能的方案。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2011-212639号公报
专利文献2:日本特开2010-167381号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而,通常在发动机刚启动后等废气温度尚低的情况下,由于废气净化用催化剂尚未充分预热,所以存在催化剂的净化性能降低的缺点。特别是由于低温的废气中含有大量的作为燃料的未燃物质的HC(Cold HC),所以需求在发动机刚启动后的低温状态下能够发挥良好的Cold HC净化性能的废气净化用催化剂。另外,在刚启动后片刻催化剂的温度充分上升后的情况下,进而在发动机受到高负荷的状态或发动机再启动时,存在从发动机排出大量NOx(Hot NOx)的倾向。因此,需求在高负荷运转时和再启动时能够发挥良好的HotNOx净化性能的废气净化用催化剂。即,需求能够以高水平实现兼备Cold HC净化性能和HotNOx净化性能的废气净化用催化剂。
本发明是鉴于这样的情况完成的,其主要目的在于提供一种具有上下双层结构的废气净化用催化剂,该废气净化用催化剂能够以高水平兼备Cold HC净化性能和Hot NOx净化性能。
本发明的发明人为了解决上述课题进行了深入研究,结果想到在具有上下双层结构的废气净化用催化剂中,通过在下层的前段部分设置无Ce层,能够使Cold HC净化性能提高,进一步发现通过使下层的后段部分含有烧绿石型结构的含Ce氧化物,能够以高水平兼备Cold HC净化性能和Hot NOx净化性能,从而完成了本发明。
即,由本发明提供的废气净化用催化剂配置于内燃机的排气通路内,是净化废气中所含的NOx的废气净化用催化剂,具有基材和形成在该基材的表面上的催化剂涂层。上述催化剂涂层形成为叠层结构,该叠层结构具有以靠近上述基材表面的一侧为下层、以相对远离上述基材表面的一侧为上层的上下层。上述上层包含作为贵金属催化剂的Rh和/或Pt以及含Ce氧化物。上述下层包含作为贵金属催化剂的Pd。上述下层具有在上述废气的流通方向上位于上游侧的前段下层和位于下游侧的后段下层。上述前段下层为不含含Ce氧化物的无Ce层。另外,上述后段下层为包含烧绿石型结构的含Ce氧化物的含Ce层。
根据这样的构成,通过在配置有Pd的下层的前段部分设置不含含Ce氧化物的无Ce层,催化剂的预热性能有效地提高。因此,即使在发动机刚启动后的低温状态下也能够表现出高的催化剂活性,能够将废气中的Cold HC良好地净化。另外,为了使Cold HC净化性能良好而在下层的前段部分设置无Ce层时,反而会存在Hot NOx净化性能降低的趋势,但根据本发明的构成,通过在下层的后段部分含有烧绿石型结构的含Ce氧化物,Hot NOx净化性能的降低能够得到有效抑制。因此,根据本发明,能够提供抑制Hot NOx的排放量、并且Cold HC净化性能更好地提高的最佳的废气净化用催化剂。
本发明所公开的废气净化用催化剂的优选的一个方式中,上述后段下层中的上述烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量以CeO2换算计相对于每1L上述基材的体积为10g/L~20g/L。在这样的后段下层所含的烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量的范围内时,能够更好地兼备Hot NOx净化性能和Cold HC净化性能。
本发明所公开的废气净化用催化剂的优选的一个方式中,上述后段下层还含有非烧绿石型结构的含Ce氧化物。非烧绿石型结构含Ce氧化物的储氧速度比烧绿石型结构含Ce氧化物快。因此,通过含有储氧速度快的非烧绿石型结构含Ce氧化物,能够在高负荷运转时发挥适当速度的氧储藏释放性能(气氛缓冲性能),能够更有效地抑制NOx的排放量。
本发明所公开的废气净化用催化剂的优选的一个方式中,在将上述后段下层中的上述烧绿石型结构含Ce氧化物和上述非烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量的合计设为100质量%时,上述烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量为10质量%~30质量%。储氧速度较快的非烧绿石型结构含Ce氧化物有效地参与高负荷运转时的Hot NOx的净化,而储氧速度较慢的烧绿石型结构含Ce氧化物有效地参与再启动时的Hot NOx的净化。根据上述构成,烧绿石型结构含Ce氧化物和非烧绿石型结构含Ce氧化物的比率处于适当的平衡,因此能够以高水平兼备高负荷运转时的Hot NOx净化性能和再启动时的Hot NOx净化性能,能够更好地发挥上述效果。
本发明所公开的废气净化用催化剂的优选的一个方式中,上述后段下层中的上述烧绿石型结构含Ce氧化物和上述非烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量的合计以CeO2换算计相对于每1L上述基材的体积为60g/L~70g/L。在这样的后段下层所含的Ce量的范围内时,能够以更高水平兼备Hot NOx净化性能和Cold HC净化性能。
本发明所公开的废气净化用催化剂的优选的一个方式中,上述前段下层形成在从上述基材的废气入口侧的端部朝向废气出口侧相当于上述基材的长度的至少30%的部分。另外,上述后段下层形成在从上述基材的废气出口侧的端部朝向废气入口侧相当于上述基材的长度的至少30%的部分。在这样的前段下层和后段下层的长度的范围内时,能够以更高的水平实现Hot NOx净化性能的提高和Cold HC净化性能的提高。
本发明所公开的废气净化用催化剂的优选的一个方式中,上述上层中的含Ce氧化物的Ce量以CeO2换算计相对于每1L上述基材的体积为10g/L~20g/L。在这样的上层所含的Ce量的范围内时,能够更好地发挥上述的效果。
本发明所公开的废气净化用催化剂的优选的一个方式中,上述含Ce氧化物为氧化铈-氧化锆复合氧化物。氧化铈-氧化锆复合氧化物具有高的氧储藏释放性能(气氛缓冲性能),因此适合作为与本发明的目的相应的含Ce氧化物使用。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的废气净化用催化剂的结构说明示意图。
图2是示意性地表示本发明的一个实施方式的废气净化用催化剂的肋壁部分的构成的图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。其中,在本说明书特别提及的事项(例如多孔载体的组成等)以外且是实施本发明所必须的事宜(例如关于废气净化用催化剂的配置这样的一般事宜),可以理解为基于本领域现有技术的本领域技术人员的设计事项。本发明能够基于本说明书所公开的内容和本领域的技术知识来实施。此外,在以下的说明中,空燃比为贫燃、理论配比和富燃的废气分别是指与使贫燃、理论配比和富燃的混合气体在内燃机中燃烧时从该内燃机排出的废气的空燃比具有同等的空燃比的废气、或在该废气中后供给碳氢化合物而得到的废气。
本发明所公开的废气净化用催化剂包括基材、和形成在该基材的表面上的催化剂涂层,催化剂涂层形成为叠层结构。
图1是废气净化用催化剂的一个典型例的示意图。本实施方式的废气净化用催化剂100具有蜂窝状基材10,该蜂窝状基材10具有多个规则排列的室12和构成该室12的肋壁14。
作为本发明所公开的构成废气净化用催化剂100的上述基材10,能够使用目前用于这种用途的各种原料和形态的基材。例如优选采用由堇青石、碳化硅(SiC)等陶瓷或合金(不锈钢等)形成的具有蜂窝状结构的蜂窝状基材等。作为一个例子,可以举出外形是圆筒形状的蜂窝状基材,在其筒轴方向设置有作为排气通路的贯通孔(室),废气能够与将各室分隔的分隔壁(肋壁)接触。基材的形状除了蜂窝状以外,还能够制成泡沫状、颗粒状等。另外关于基材整体的外形,可以采用椭圆筒形、多边筒形来代替圆筒形。此外,在本说明书中,基材10的体积(容积)是指除了基材的纯容积以外还包括内部的空隙(室)容积在内(即包含在该空隙(室)内形成的催化剂涂层)的松容积。
<催化剂涂层>
图2是示意性地表示图1的蜂窝状基材10中的肋壁14的表面部分的构成的图。肋壁14具备基材10、和形成在其表面的双层结构的催化剂涂层30。这样的双层结构的催化剂涂层30形成为以靠近基材10的表面一侧为下层34、以相对远离基材10的表面一侧为上层32的至少具有2层的叠层结构。本发明所公开的技术中,上层32作为贵金属催化剂包含Rh(铑)和/或Pt(铂)。另外,下层34作为贵金属催化剂包含Pd(钯)。而且,下层34具有在废气的流通方向(参照图2的箭头)上位于上游侧的前段下层34a、和位于下游侧的后段下层34b。
<前段下层>
构成本发明所公开的下层34的前段部分(上游侧部分)的前段下层34a包含作为贵金属催化剂的Pd、和载持该Pd的载体。该前段下层34a是不含含Ce氧化物(含有铈的氧化物)的无Ce层。通过这样在配置有Pd的下层34的前段部分设置不含含Ce氧化物的无Ce层34a,催化剂的预热性能有效地提高。因此,即使在发动机刚启动后的低温状态下也能够表现出高的催化剂活性,能够良好地净化废气中的Cold HC。
本发明所公开的前段下层34a的载持Pd的载体可以为除含Ce氧化物以外的金属氧化物(以下也称为非含Ce氧化物)。作为这样的非含Ce氧化物,优选使用多孔的、且耐热性优异的金属氧化物。例如可以列举氧化铝(alumina,Al2O3)、氧化锆(zironia,ZrO2)、它们的固溶体等。其中,优选使用Al2O3。Al2O3的表面积大且耐久性(特别是耐热性)高。因此,通过由Al2O3载持Pd,热稳定性提高,并且能够载持适量的Pd。前段下层34a中的载体的含量没有特别限制,例如优选相对于每1升基材的体积为40g~200g(例如40g~100g、优选50g~100g、典型地为60g~80g)。
本发明所公开的前段下层34a的载持Pd的载体中可以添加钡(Ba)。通过在前段下层34a的载体中添加Ba,通过在前段下层34a的载体中添加Ba,Pd的HC中毒得到抑制,能够实现催化剂活性(特别是低温活性)的提高。另外,Pd对于载体的分散性提高,伴随高温时Pd的晶粒生长的结块得到更好的抑制。作为本发明所公开的载体,关于上述Ba的添加量,换算为硫酸钡相对于载体100质量份优选满足10质量份~50质量份,更优选满足15质量份~40质量份,进一步优选满足25质量份~35质量份。通过将Ba的含量设在上述范围内,即使在发动机刚启动后也能够发挥高的催化剂活性。前段下层34a中的钡的含量没有特别限制,例如优选相对于每1升基材的体积为5g~50g(优选为10g~30g、典型地为15g~25g)。
前段下层34a中作为副成分可以添加其他材料(典型地为无机氧化物)。作为能够在该催化剂层中添加的物质,可以列举例如镧(La)、钇(Y)等稀土元素、钙等碱土元素、其他的过渡金属元素等。其中,镧、钇等稀土元素能够提高高温时的比表面积而不损害催化剂的功能,因此适合作为稳定化剂使用。另外,这些副成分的含有比例相对于非含Ce氧化物100质量份优选设定在20质量份以下(优选为10质量份以下)。
本发明所公开的前段下层34a所含有的Pd载持于由上述的非含Ce氧化物构成的载体中。Pd的载持量没有特别限制,相对于前段下层34a所含的载体100质量份优选设为0.1质量份~10质量份的范围(例如0.5质量份~5质量份、优选1质量份~3质量份)。小于上述范围时,得不到充分的催化剂活性,而载持量即使大于上述范围,效果也达到饱和,并且在成本方面不利。前段下层34a中的Pd的含量没有特别限制,例如相对于每1升基材的体积,优选为0.1g~10g(优选0.5g~5g、典型地为1g~3g)。作为在前段下层34a的载体中载持Pd的方法,没有特别限制。例如通过将非含Ce氧化物的粉末含浸在含有钯盐(例如硝酸盐)或钯配位化合物(例如四氨配位化合物)的水溶液中,之后使其干燥、烧制来制备。
本发明所公开的前段下层34a可以在不损害Pd的性能的程度下包含其他的贵金属催化剂。作为除Pd以外的贵金属催化剂,可以列举例如钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)等。
前段下层34a的形成量(涂敷量)没有特别限制,例如优选相对于每1升基材的体积为40g~200g(典型地为60g~100g)左右。前段下层34a的形成量过少时,存在作为催化剂涂层的功能减弱的顾虑。另外,前段下层34a的形成量过多时,可能导致废气在基材的室内通过时的压力损失上升。
在优选的一个方式中,前段下层34a在从基材10的废气入口侧的端部(上游端)10a朝向废气出口侧(下游侧)相当于基材10的长度(全长)L的至少30%(至多70%以内、即La=0.3L~0.7L)的部分形成。在图示的例子中,前段下层34a在从基材10的废气流入侧的端部10a朝向废气出口侧相当于基材10的全长L的50%的部分(La=1/2L)形成。通过将从基材10的废气入口侧的端部10a朝向废气出口侧相当于基材10的全长L的至少30%的部分设为前段下层(即无Ce层)34a,催化剂的预热性能有效地提高,在发动机刚启动后能够更可靠地发挥高的Cold HC净化性能。
<后段下层>
构成本发明所公开的下层34的后段部分(下游侧部分)的后段下层34b是包含烧绿石型结构的含Ce氧化物的含Ce层,并且作为贵金属催化剂含有Pd。通过这样在下层34的后段部分设置包含烧绿石型结构含Ce氧化物的含Ce层34b,能够以高水平兼备Cold HC净化性能和Hot NOx净化性能。作为得到这样的效果的理由,例如可以如下考虑,但这并不是特别的限定性的解释。即,如上所述在下层34的前段部分设置无Ce层34a时,Cold HC净化性能提高,但另一方面反之氧储藏释放性能(气氛缓冲性能)变得不充分,存在Hot NOx净化性能降低的趋势。对此,通过在下层34的后段部分含有氧储藏释放性能高的烧绿石型结构含Ce氧化物,即使在高负荷运转时或再启动时(例如刚切断燃料(F/C)后)也能够适当发挥氧储藏释放性能,能够有效地抑制Hot NOx净化性能的降低。因此,根据本方式,能够实现抑制HotNOx的排放量且Cold HC净化性能更好地提高了的最佳的废气净化用催化剂。
作为烧绿石型结构含Ce氧化物,可以列举包含具有烧绿石型结构的CeO2(氧化铈)的复合氧化物等。其中,优选使用具有烧绿石型结构的氧化铈-氧化锆复合氧化物(CeO2-ZrO2复合氧化物)。其中,烧绿石型结构,在将B作为过渡金属元素的情况下,是指A2B2O7所示的结构,是由A3+/B4+或A2+/B5+的组合构成的结晶结构的一种,是在这样构成的结晶结构中A的离子半径较小时形成的结构。在作为上述含Ce氧化物使用氧化铈-氧化锆复合氧化物时,具有烧绿石型结构的氧化铈-氧化锆复合氧化物的化学式以Ce2Zr2O7表示,Ce和Zr夹着氧交替地规则排列。具有这样的烧绿石型结构的含Ce氧化物与具有其他结晶结构的含Ce氧化物相比,具有更高的氧储藏释放性能(气氛缓冲性能),因此能够适当地发挥上述效果。后段下层34b中的烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量没有特别限制,从抑制Hot NOx的排放量等观点出发,例如相对于每1升基材的体积,以CeO2换算计为5g/L~25g/L,优选为10g/L~20g/L,更优选为12g/L~18g/L。本发明所公开的技术优选以后段下层34b中的烧绿石型结构含Ce氧化物的上述Ce量为10g/L~20g/L的方式实施。
烧绿石型结构含Ce氧化物为氧化铈-氧化锆复合氧化物的情况下,氧化铈-氧化锆复合氧化物中的CeO2与ZrO2的混合比例可以为CeO2:ZrO2=40:60~80:20,优选为50:50~60:40。CeO2的混合比例在上述范围内时,在含有Pd的后段下层34b中能够实现高的催化剂活性和OSC(氧储藏释放性能)。后段下层34b中的烧绿石型结构氧化铈-氧化锆复合氧化物的量没有特别限制,从抑制Hot NOx的排放量等的观点出发,例如相对于每1升基材的体积为5g~50g,优选为10g~40g,更优选为20g~30g。
后段下层34b可以还包含非烧绿石型结构的含Ce氧化物。即,具有烧绿石型结构的含Ce氧化物和具有除烧绿石型结构以外的结晶结构的含Ce氧化物可以并存。作为非烧绿石型结构含Ce氧化物,可以列举例如包含具有荧石型结构的CeO2(氧化铈)的复合氧化物等。其中,优选使用具有荧石型结构的氧化铈-氧化锆复合氧化物(CeO2-ZrO2复合氧化物)。在优选的一个方式中,后段下层34b中并存的烧绿石型结构含Ce氧化物和非烧绿石型结构含Ce氧化物的双方由相同复合氧化物(优选氧化铈-氧化锆复合氧化物)构成,而仅结晶结构不同。与烧绿石型结构含Ce氧化物相比,非烧绿石型结构含Ce氧化物的储氧速度较快。因此,通过含有储氧速度较快的非烧绿石型结构含Ce氧化物,在高负荷运转时能够发挥适当速度的氧储藏释放性能(气氛缓冲性能),能够抑制Hot NOx的排放量。后段下层34b中的非烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量没有特别限制,从提高高负荷运转时的NOx净化性能的观点出发,例如相对于每1升基材的体积,以CeO2换算计为30g~80g,优选为40g~70g,更优选为45g~60g。
在非烧绿石型结构含Ce氧化物为氧化铈-氧化锆复合氧化物的情况下,氧化铈-氧化锆复合氧化物中的CeO2与ZrO2的混合比例可以为CeO2:ZrO2=20:80~80:20,优选为40:60~75:25,更优选为55:45~70:30。CeO2的混合比例在上述范围内时,在含有Pd的后段下层34b中能够实现高的催化剂活性和OSC(氧储藏释放性能)。后段下层34b中的非烧绿石型结构氧化铈-氧化锆复合氧化物的量没有特别限制,从抑制Hot NOx排放量等的观点出发,例如相对于每1升基材的体积为80g~180g,优选为100g~140g,更优选为110g~130g。
从更有效地发挥并用烧绿石型结构含Ce氧化物和非烧绿石型结构含Ce氧化物所带来的效果的观点出发,将后段下层中的烧绿石型结构含Ce氧化物和非烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量的合计设为100质量%时,烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量优选为1质量%~40质量%。储氧速度较快的非烧绿石型结构含Ce氧化物有效地参与高负荷运转时的HotNOx的净化,而储氧速度较慢的烧绿石型结构含Ce氧化物有效地参与再启动时的Hot NOx的净化。根据上述构成,由于后段下层34b中的烧绿石型结构含Ce氧化物与非烧绿石型结构含Ce氧化物的比率处于适当的平衡,所以能够兼备高负荷运转时的Hot NOx净化性能和再启动时的Hot NOx净化性能,能够以更高的水平实现上述的效果。本发明所公开的技术例如优选以后段下层34b所含的烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce相对于Ce总量的比例为10质量%~30质量%(例如10质量%~25质量%、典型地为12质量%~20质量%)的方式实施。后段下层34b中的烧绿石型结构含Ce氧化物和非烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量的合计没有特别限制,从Hot NOx净化性能的观点出发,例如相对于每1升基材的体积,以CeO2换算计为40g~80g,优选为50g~70g,更优选为60g~70g。本发明所公开的技术优选以后段下层34b中所含的Ce的上述合计为60g/L~70g/L的方式实施。
本发明所公开的后段下层34b可以混合存在有除含Ce氧化物以外的金属氧化物(非含Ce氧化物)。作为这样的非含Ce氧化物,可以列举氧化铝(alumina,Al2O3)、氧化锆(zironia,ZrO2)、它们的固溶体等。其中优选使用Al2O3。Al2O3与含Ce氧化物优选在质量混合比(Al2O3:含Ce氧化物)为5:95~50:50(典型地为10:90~20:80)的范围内混合。后段下层34b中的非含Ce氧化物的含量没有特别限制,例如相对于每1升基材的体积优选为5g~50g(优选为10g~40g、典型地为15g~30g)。
本发明所公开的后段下层34b中的含Ce氧化物和非含Ce氧化物中可以添加钡(Ba)。上述Ba的添加量换算为硫酸钡优选相对于含Ce氧化物和非含Ce氧化物的合计100质量份满足0.1质量份~10质量份,更优选满足0.5质量份~5质量份,进一步优选满足1质量份~3质量份。后段下层34b中的钡的含量没有特别限制,例如相对于每1升基材的体积优选为0.1g/L~15g/L(优选为0.5g/L~5g/L、典型地为1g/L~3g/L)。
后段下层34b中可以作为副成分添加其他材料(典型地为无机氧化物)。作为能够在该催化剂层中添加的物质,可以列举例如镧(La)、钇(Y)等稀土元素、钙等碱土元素、其他过渡金属元素等。其中,镧、钇等稀土元素能够提高高温时的比表面积而不损害催化剂的功能,因此适合作为稳定化剂使用。另外,这些副成分的含有比例相对于含Ce氧化物100质量份优选设定在20质量份以下(优选10质量份以下)。
本发明所公开的后段下层34b所含的Pd载持于上述的含Ce氧化物和非含Ce氧化物的至少一方。Pd的载持量没有特别限制,相对于后段下层34b所含的含Ce氧化物和非含Ce氧化物的合计质量100质量份,优选设为0.01质量份~0.5质量份的范围(例如0.03质量份~0.3质量份、优选0.05质量份~0.1质量份)。后段下层34b中的Pd的含量没有特别限制,例如相对于每1升基材的体积优选为0.01g/L~1g/L(优选0.05g/L~0.5g/L、典型地为0.1g/L~0.3g/L)。
在优选的一个方式中,配置于后段下层34b的Pd相对于配置于前段下层34a的Pd的质量比(后段下层/前段下层)为0.1以下(例如0.001~0.1)。通过将Pd的质量比设在上述范围内,能够发挥更高的催化剂活性。上述Pd的质量比优选为0.05以下,更优选为0.01以下(例如0.001~0.01)。本发明所公开的技术例如优选以配置于后段下层34b的Pd相对于配置于前段下层34a的Pd的质量比为0.003~0.008的方式实施。
本发明所公开的后段下层34b在不损害Pd的性能的程度下可以含有其他的贵金属催化剂。作为Pd以外的贵金属催化剂,可以列举例如钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)等。
后段下层34b的形成量(涂敷量)没有特别限制,例如优选相对于每1升基材的体积为80g/L~300g/L(典型地为100g/L~250g/L、例如120g/L~200g/L)左右。在后段下层34b的形成量过少的情况下,存在作为催化剂涂层的功能减弱的顾虑。另外,在后段下层34b的形成量过多时,存在废气在蜂窝状基材10的室内通过时的压力损失上升的顾虑。
在优选的一个方式中,后段下层34b在从基材10的废气出口侧的端部(下游端)10b朝向废气入口侧(上游侧)相当于基材10的长度(全长)L的至少30%(至多70%以内、即Lb=0.3L~0.7L)的部分形成。在图示的例子中,后段下层34b在从基材10的废气出口侧的端部10b朝向废气入口侧相当于基材10的全长L的50%的部分(Lb=1/2L)形成。通过将从基材10的废气出口侧的端部10b朝向废气入口侧相当于基材10的全长L的至少30%的部分作为后段下层(即含Ce层)34b,能够提高氧储藏释放性能(气氛缓冲性能),并且能够更有效地抑制Hot NOx的排放量。
<上层>
构成本发明所公开的催化剂涂层的上层32包含作为贵金属催化剂的Rh和Pt的至少一方、以及载持该贵金属催化剂的载体。
本发明所公开的上层32的载持贵金属催化剂的载体可以为含Ce氧化物。作为含Ce氧化物,可以列举CeO2(氧化铈)或包含该氧化铈的含CeO2复合氧化物等。其中,优选使用氧化铈-氧化锆复合氧化物(CeO2-ZrO2复合氧化物)。除了后段下层34b中含有含Ce氧化物以外,上层32中也含有含Ce氧化物,由此,能够在高负荷时适当地发挥氧储藏释放性能(气氛缓冲性能),能够更有效地抑制Hot NOx的排放量。上层32中的含Ce氧化物的Ce量没有特别限制,从抑制Hot NOx排放量等的观点出发,例如相对于每1升基材的体积,以CeO2换算计大致为1g/L~30g/L,优选为5g/L~25g/L,更优选为10g/L~20g/L,进一步优选为12g/L~18g/L。本发明所公开的技术优选以上层32所含的上述Ce量为10g/L~20g/L的方式实施。
从更好地发挥上层32和后段下层34b双方含有含Ce氧化物所带来的效果的观点出发,后段下层34b所含的Ce相对于上层32所含的Ce的质量比(后段下层/上层)适合为大致2以上,优选为2.5以上,更优选为3以上。上述Ce的质量比的下限没有特别限定,从更好地发挥作为催化剂的功能等的观点出发,适合设为大致10以下,优选为7以下,更优选为5以下(例如4以下)。通过以这样的质量比在上层和后段下层的双方含有含Ce氧化物,能够有效地提高气氛缓冲性能,能够实现更高的Hot NOx净化率。本发明所公开的技术优选以后段下层34b所含的Ce相对于上层32所含的Ce的质量比为2.5~5的方式实施。
在含Ce氧化物为氧化铈-氧化锆复合氧化物的情况下,氧化铈-氧化锆复合氧化物中的CeO2与ZrO2的混合比例可以为CeO2:ZrO2=5:95~80:20、优选为10:90~50:50、更优选为15:85~30:70。CeO2的混合比例在上述范围内时,在包含Rh和/或Pt的上层32中能够实现高的催化剂活性和OSC(氧储藏释放性能)。上层32中的氧化铈-氧化锆复合氧化物的量没有特别限制,从抑制Hot NOx排放量等的观点出发,例如相对于每1升基材的体积为40g/L~120g/L,优选为60g/L~100g/L,更优选为70g/L~90g/L。
本发明所公开的上层32可以混合存在有除含Ce氧化物以外的金属氧化物(非含Ce氧化物)。作为这样的非含Ce氧化物,可以列举氧化铝(alumina,Al2O3)、氧化锆(zironia,ZrO2)、它们的固溶体等。其中优选使用Al2O3。Al2O3和含Ce氧化物优选在质量混合比(Al2O3:含Ce氧化物)为10:90~50:50(典型地为20:80~30:70)的范围内混合。上层32中的非含Ce氧化物的含量没有特别限制,例如,相对于每1升基材的体积优选为5g/L~50g/L(优选为10g/L~40g/L、典型地为15g/L~30g/L)。
上层32中可以作为副成分添加其他材料(典型地为无机氧化物)。作为能够在该催化剂层中添加的物质,可以列举例如镧(La)、钇(Y)等稀土元素、钙等碱土元素、其他过渡金属元素等。其中,镧、钇等稀土元素能够提高高温时的比表面积而不损害催化剂的功能,因此适合作为稳定化剂使用。另外,这些副成分的含有比例相对于含Ce氧化物100质量份优选设为20质量份以下(优选为10质量份以下)。
本发明所公开的上层32所含有的Rh和/或Pt由上述的含Ce氧化物载持。Pd的载持量没有特别限制,相对于后段下层34b所含的含Ce氧化物100质量份优选设为0.05质量份~2质量份的范围(例如0.1质量份~1质量份、优选为0.2质量份~0.5质量份)。后段下层34b中的Pd的含量没有特别限制,例如相对于每1升基材的体积优选为0.01g/L~1g/L(优选0.05g/L~0.5g/L、典型地为0.1g/L~0.3g/L)。
在优选的一个方式中,上层32含有作为贵金属催化剂的Rh。这种情况下,配置于下层34(即前段下层34a和后段下层34b)的Pd相对于配置于上层32的Rh的质量比(Pd/Rh)为10以上(例如10~40)。通过使Pd/Rh的质量比在上述范围内,废气中的有害气体能够被更好地净化。上述Pd/Rh的质量比优选为15以上,更优选为20以上。本发明所公开的技术例如优选以配置于下层34的Pd相对于配置于上层32的Rh的质量比为10~30(典型地为15~25)的方式实施。
本发明所公开的上层32可以在不损害Rh和/或Pt的性能的程度下含有其他的贵金属催化剂。作为除Pd以外的贵金属催化剂,可以列举例如钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)等。
上层32的形成量(涂敷量)没有特别限制,例如相对于每1升基材的体积优选为50g/L~180g/L(典型地为75g/L~150g/L、例如90g/L~120g/L)左右。在上层32的形成量过少的情况下,存在作为催化剂涂层的功能减弱的顾虑。另外,上层32的形成量过多时,存在废气在蜂窝状基材10的室内通过时的压力损失上升的顾虑。
<催化剂涂层的形成方法>
催化剂涂层30的下层34中,前段下层34a和后段下层34b可以以不同的浆料为基础形成。例如,可以准备用于形成前段下层34a的前段下层用浆料和用于形成后段下层34b的后段下层用浆料。前段下层用浆料中含有载持有Pd的非含Ce氧化物和其他前段的下层构成成分(例如钡等)。后段下层用浆料含有Pd、烧绿石型结构含Ce氧化物和其他的后段下层构成成分(例如非烧绿石型结构含Ce氧化物、非含Ce氧化物、钡等)。通过在基材10的形成前段下层34a的部分载体涂布(washcoat)前段下层用浆料,在基材10的表面形成下层34的一部分。该一部分成为下层34的前段下层34a。另外,通过在基材10的长度方向的剩余部分载体涂布后段下层用浆料,在基材10的表面形成下层34的剩余部分。该剩余部分成为下层34的后段下层34b。另外,准备用于形成上层32的上层形成用浆料。该上层形成用浆料中含有Rh和/或Pt、以及其他的上层构成成分(例如含Ce氧化物、非含Ce氧化物等)。形成下层34之后,在基材10的形成上层32的部分(这里为基材整体)载体涂布上层形成用浆料,由此在下层34之上形成上层32。这样操作,能够得到具备上层32和下层34的催化剂涂层30。此外,在通过载体涂布形成催化剂涂层30的过程中,为了使浆料适当地在基材10的表面、或者下层34的表面密合,浆料中可以含有粘合剂。作为粘合剂,优选使用例如氧化铝溶胶、硅胶等。浆料的粘度可以适当调整以使得该浆料能够容易地流入基材(例如蜂窝状基材)的室内。载体涂布在基材10的表面的浆料的干燥条件受基材或载体的形状和尺寸的影响,典型地为80~300℃左右(例如100~250℃)、1~10小时左右,烧制条件约为400~1000℃左右(例如500~700℃)、约1~4小时左右。
以上,对本发明的一个实施方式的废气净化用催化剂100进行了说明,但本发明不限定于上述的实施方式。
例如在上述实施方式中,催化剂涂层30的叠层结构中,作为接近基材10表面的下层34,具有如上所述的具备包含Pd的前段下层(无Ce层)34a和后段下层(含Ce层)34b的层,作为远离基材10表面的上层32,具有如上所述的包含Rh和/或Pt的层,但也可以为除了这两层以外还具有其他层(例如在下层34与上层32之间形成的其他层)的三层以上。此时,希望具备包含Pd的前段下层(无Ce层)34a和后段下层(含Ce层)34b的层构成与基材10表面接触的最下层。另外,也可以将包含Rh和/或Pt的上层32再分成2层。例如,可以在与基材10表面接触的最下层设置具备包含Pd的前段下层34a和后段下层34b的层,在其上设置包含作为贵金属的Pt的中间层,在其上设置包含作为贵金属的Rh的最上层。另外,催化剂涂层30不需要上层32和下层34遍及基材(例如蜂窝状基材)10的整个区域形成上下双层结构,也可以上层32的一部分与下层34的一部分部分地重叠。
以下,说明本发明的试验例,但本发明不受以下试验例的限定。
<实施例1>
将氧化铝粉末20g、硝酸Pd溶液(以Pd计0.1g)、非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物125g(以CeO2计50g)、烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物25g(以CeO2计15g)、硫酸钡2g和水混合,得到后段下层形成用浆料A。使用该后段下层形成用浆料A,对从整体式蜂窝状基材(容积1L)的废气流出侧的端部朝向上游侧相当于基材的长度L的50%的部分实施载体涂布,在250℃干燥1小时,在500℃烧制1小时,由此形成后段下层34b。另外,将载持有2g Pd的氧化铝粉末70g、硫酸钡2g和水混合,得到前段下层形成用浆料B。使用该前段下层形成用浆料B,对从蜂窝状基材(容积1L)的废气流入侧的端部朝向下游侧相当于基材的长度L的50%的部分实施载体涂布,在250℃干燥1小时,在500℃烧制1小时,由此形成前段下层34a。另外,将载持有0.2g Rh的非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物75g(以CeO2计15g)、氧化铝粉末25g和水混合,得到上层形成用浆料C。使用该上层形成用浆料C对蜂窝状基材(容积1L)整体实施载体涂布,在250℃干燥1小时,在500℃烧制1小时,由此形成上层32。这样操作,得到本例的废气净化用催化剂。
<实施例2>
在本例中,将实施例1的后段下层形成用浆料A中的非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量变更为113g(以CeO2计45g),除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
<实施例3>
在本例中,将实施例1的后段下层形成用浆料A中的非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量变更为138g(以CeO2计55g),除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
<实施例4>
在本例中,将实施例1的前段下层形成用浆料B中的烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量变更为17g(以CeO2计10g),除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
<实施例5>
在本例中,将实施例1的前段下层形成用浆料B中的烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量变更为33g(以CeO2计20g),除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
<实施例6>
在本例中,将实施例1的上层形成用浆料C中的非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量变更为50g(以CeO2计10g),除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
<实施例7>
在本例中,将实施例1的上层形成用浆料C中的非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量变更为100g(以CeO2计20g),除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
<比较例1>
将氧化铝粉末60g、硝酸Pd溶液(以Pd计2g)、非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物100g(以CeO2计40g)、硫酸钡20g和水混合,得到下层形成用浆料D。使用该下层形成用浆料D对整体式蜂窝状基材(容积1L)整体实施载体涂布,在250℃干燥1小时,在500℃烧制1小时,由此形成下层。另外,将载持有0.2g Rh的非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物75g(以CeO2计15g)、氧化铝粉末25g和水混合,得到上层形成用浆料E。使用该上层形成用浆料E对蜂窝状基材(容积1L)整体实施载体涂布,在250℃干燥1小时,在500℃烧制1小时,由此形成上层。这样操作,得到本例的废气净化用催化剂。
<比较例2>
在本例中,在实施例1的前段下层形成用浆料B中进一步添加非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物40g(以CeO2计16g),形成前段下层,除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
<比较例3>
在本例中,将实施例1的后段下层形成用浆料A中烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量设为0g(即不添加烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物),除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
<比较例4>
在本例中,将实施例1的后段下层形成用浆料A中烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量设为0g(即不添加烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物),并且将非烧绿石型结构的CeO2-ZrO2复合氧化物的使用量变更为175g(以CeO2计70g),除此以外,按照与实施例1相同的步骤得到相关废气净化用催化剂。
关于各例的废气净化用催化剂,将前段下层中的非烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的Ce量、后段下层中的烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的CeO2量、烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的CeO2量、烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物和烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的CeO2量的合计、上层中的非烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的CeO2量和催化剂整体中的非烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物和烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的CeO2量的合计汇总于表1表示。其中,表1中“下层Fr”与“前段下层”为相同含义,“下层Rr”与“后段下层”为相同含义,“烧绿石材料”与“烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物”为相同含义,“CZ材料”与“非烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物”为相同含义。
[表1]
<耐久试验>
将各例的废气净化用催化剂安装于排气量2000cc的汽油发动机,以平均发动机转速3000rpm、催化剂入口气体废气温度1000℃进行20小时的耐久试验。
<净化性能评价>
上述耐久试验后,为了比较各例的废气净化用催化剂的净化性能,测定通过各废气净化用催化剂后的废气所含的NMHC(非甲烷碳氢化合物)和NOx的排出量(排放量)。评价发动机为排气量700cc的汽油发动机,测定模式为JC08模式。在JC08模式中,在预先将发动机预热的状态(热模式)和完全冷却的状态(冷模式)的两种状态下进行试验。将结果表示在表1的相应栏中。这里,将在热模式下采集的废气中的NOx的每单位行驶距离的排出量(g/km)表示在“Hot NOx”一栏中,将在冷模式下采集的废气中的NMHC的每单位行驶距离的排出量(g/km)表示在“Cold HC”一栏中。
如表1所示,前段下层使用CeO2-ZrO2复合氧化物的比较例1、2的废气净化用催化剂,Cold HC超过0.042g/km。而前段下层不使用CeO2-ZrO2复合氧化物的实施例1~7和比较例3、4的废气净化用催化剂的Cold HC为0.038g/km以下,与比较例1、2相比,Cold HC净化性能良好。另外,对实施例1~7和比较例3、4进行比较,后段下层使用烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的实施例1~7的废气净化用催化剂的Hot NOx的排出量为0.093g/km以下,与后段下层仅使用非烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的比较例3、4相比,Hot NOx的排放量得到抑制。由该结果可以确认,通过利用后段下层使用烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物、且前段下层不使用CeO2-ZrO2复合氧化物的废气净化用催化剂,能够抑制Hot NOx的排放量,并且能够实现高的Cold HC净化性能。
此外,将后段下层中的烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的Ce量设为15g/L的实施例1,与实施例4、5相比,Hot NOx的排放量得到进一步抑制。另外,将后段下层中的非烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的Ce量设为50g/L的实施例1,与实施例2、3相比,Hot NOx的排放量得到进一步抑制。此外,将上层的非烧绿石型结构CeO2-ZrO2复合氧化物的Ce量设为15g/L的实施例1,与实施例6、7相比,Hot NOx的排放量得到进一步抑制。
以上,对本发明的具体例进行了详细说明,但这些只是例示,并不限定请求保护的范围。请求保护的范围的技术包括对以上例示的具体例进行的各种变形、改变。
产业上的可利用性
根据本发明,可以提供能够高度兼备Hot NOx净化性能和Cold HC净化性能的废气净化用催化剂。

Claims (8)

1.一种废气净化用催化剂,其配置于内燃机的排气通路内,对从该内燃机排出的废气进行净化,该废气净化用催化剂的特征在于:
具有基材和形成于该基材的表面上的催化剂涂层,
所述催化剂涂层形成为叠层结构,该叠层结构具有以靠近所述基材表面的一侧为下层、以相对远离所述基材表面的一侧为上层的上下层,
所述上层包含作为贵金属催化剂的Rh和/或Pt、以及含有铈的含Ce氧化物,
所述下层包含作为贵金属催化剂的Pd,
所述下层包括在所述废气的流通方向上位于上游侧的前段下层和位于下游侧的后段下层,
所述前段下层为不含含Ce氧化物的无Ce层,
所述后段下层为包含烧绿石型结构含Ce氧化物的含Ce层。
2.如权利要求1所述的废气净化用催化剂,其特征在于:
所述后段下层中的所述烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量以CeO2换算计相对于每1L所述基材的体积为10g/L~20g/L。
3.如权利要求1或2所述的废气净化用催化剂,其特征在于:
所述后段下层还含有非烧绿石型结构含Ce氧化物。
4.如权利要求3所述的废气净化用催化剂,其特征在于:
将所述后段下层中的所述烧绿石型结构含Ce氧化物和所述非烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量的合计设为100质量%时,所述烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量为10质量%~30质量%。
5.如权利要求3或4所述的废气净化用催化剂,其特征在于:
所述后段下层中的所述烧绿石型结构含Ce氧化物和所述非烧绿石型结构含Ce氧化物的Ce量的合计以CeO2换算计相对于每1L所述基材的体积为60g/L~70g/L。
6.如权利要求1~5中任一项所述的废气净化用催化剂,其特征在于:
所述前段下层形成在从所述基材的废气入口侧的端部朝向废气出口侧相当于所述基材的长度的至少30%的部分,
所述后段下层形成在从所述基材的废气出口侧的端部朝向废气入口侧相当于所述基材的长度的至少30%的部分。
7.如权利要求1~6中任一项所述的废气净化用催化剂,其特征在于:
所述上层中的含Ce氧化物的Ce量以CeO2换算计相对于每1L所述基材的体积为10g/L~20g/L。
8.如权利要求1~7中任一项所述的废气净化用催化剂,其特征在于:
所述含Ce氧化物为氧化铈-氧化锆复合氧化物。
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