JP2000262898A - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents
排ガス浄化用触媒Info
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Abstract
属を担持した排ガス浄化用触媒において、貴金属の粒成
長を抑制することで耐熱性を向上させる。 【解決手段】セリウムを除く希土類元素の少なくとも一
種の酸化物とジルコニアとを含んでなる担体と、担体に
担持された貴金属とから構成した。 ジルコニウム及び
希土類元素が貴金属と固溶して合金化し、これにより貴
金属の粒成長が抑制されると考えられる。
Description
ス中の有害成分を除去する排ガス浄化用触媒に関し、詳
しくはジルコニアを含む担体に貴金属を担持した排ガス
浄化用触媒に関する。
排ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)
及び窒素酸化物(NOx )などの環境に及ぼす悪影響が問
題となり、これらの有害物質を浄化するために各種の排
ガス浄化用触媒が用いられている。
えばアルミナなどの担体にPtを始めとする貴金属を担持
した三元触媒、アルミナなどの担体にアルカリ金属やア
ルカリ土類金属などのNOx 吸蔵材と貴金属を担持したNO
x 吸蔵還元触媒、ゼオライトなどのHC吸着材に貴金属を
担持した酸化触媒などがあり、日進月歩の開発が進めら
れている。
還元成分とが化学量論的に等しいストイキ雰囲気におい
て最大の浄化性能が発現するように設計され、HC及びCO
を酸化して浄化するとともにNOx を還元して浄化するも
のである。
シリカ、ジルコニア、チタニアなどの無機酸化物が用い
られ、貴金属としては活性の高いPtが主として用いられ
ている。また助触媒としてセリアを担体の一部に用いる
ことも知られ、その酸素吸蔵放出能により排ガス雰囲気
の変動が緩和され浄化性能が向上することも知られてい
る。またセリアージルコニア複合酸化物を用いれば、耐
熱性が向上し酸素吸蔵放出能の熱安定性が向上すること
も知られている。したがってセリアを用いる場合には、
担体にジルコニアを用いることも好ましい。
昇に伴い、排ガス浄化用触媒の熱安定性をさらに向上さ
せることが望まれている。ところがジルコニアを担体と
しそれに貴金属を担持した排ガス浄化用触媒において
は、高温の耐久試験を行うとPtを代表とする貴金属に粒
成長が生じて浄化活性が低下するという不具合があっ
た。そしてジルコニアにさらにセリアを含む担体を用い
ると、この貴金属の粒成長という現象がより顕著となる
こともわかった。
ものであり、ジルコニアを少なくとも一部に含む担体に
貴金属を担持した排ガス浄化用触媒において、貴金属の
粒成長を抑制することで耐熱性を向上させることを目的
とする。
明の排ガス浄化用触媒の特徴は、セリウムを除く希土類
元素の少なくとも一種の酸化物とジルコニアとを含んで
なる担体と、担体に担持された貴金属とよりなることに
ある。
希土類元素とジルコニウムの割合は原子比で希土類元素
/Zr= 0.1/ 0.9〜 0.9/ 0.1の範囲にあることが望ま
しい。
する排ガス浄化用触媒の特徴は、少なくともイットリア
とジルコニアとを含んでなる担体と、担体に担持された
貴金属とよりなることにある。
のイットリウムとジルコニウムの割合は原子比でY/Zr
= 0.2/ 0.8〜 0.8/ 0.2の範囲にあることが望まし
い。また担体が固溶体であることが特に望ましい。
において、貴金属は少なくともPtを含むことが望まし
い。
担体はセリウムを除く希土類元素の少なくとも一種の酸
化物とジルコニアとから構成されている。このように、
ジルコニアにセリウムを除く希土類元素の少なくとも一
種の酸化物を混合することにより、高温下で使用しても
貴金属の粒成長が抑制され耐久性が向上する。このよう
になる理由は明らかではないが、Zr及び希土類元素が貴
金属に固溶して合金化し、これにより貴金属の再結晶温
度が高くなるため粒成長が抑制されると考えられる。
の酸化・還元が繰り返し生じる雰囲気においては、酸素
分圧によりセリウムの3価と4価の価数変動が容易に起
こり、担体の結晶構造に変化が生じる。そして結晶構造
の変化に伴って担体にシンタリングが生じると考えられ
る。
した排ガス浄化用触媒では、高温の排ガス中での使用中
に担体にシンタリングが生じ、それと共に貴金属に粒成
長が生じるため浄化性能が低下すると考えられ、実際の
試験においても浄化性能の耐久性に劣る。したがって本
発明では希土類元素からセリウムを除くこととした。
トリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、ランタン(L
a)、プラセオジム(Pr)など希土類元素として分類さ
れる16種の元素を利用できるが、中でもYが特に優れた
効果を示す。
中の希土類元素とジルコニウムの割合は、原子比で希土
類元素/Zr= 0.1/ 0.9〜 0.9/ 0.1の範囲が好まし
く、希土類元素/Zr=0.25/0.75〜0.75/0.25の範囲が
特に好ましい。また希土類元素がYの場合には、原子比
でY/Zr= 0.2/ 0.8〜 0.8/ 0.2の範囲にあることが
好ましく、Y/Zr= 0.3/ 0.7〜 0.7/ 0.3の範囲にあ
ることが特に望ましい。希土類元素がこの範囲より少な
いと貴金属のシンタリングを抑制する効果が低下し、希
土類元素がこの範囲より多くなると希土類元素の影響が
過大となって担体の耐熱性が低下する。
セリウムを除く希土類元素の少なくとも一種の酸化物と
ジルコニアとから担体全体を構成してもよいし、セリウ
ムを除く希土類元素の少なくとも一種の酸化物とジルコ
ニアと他の酸化物とを混合して担体としてもよい。他の
酸化物としては、アルミナ、シリカ、チタニア、ゼオラ
イトなどが例示される。
種の酸化物とジルコニアとは、単なる混合状態であって
もよいが、固溶体の状態であることが特に望ましい。こ
れにより貴金属の粒成長を一層抑制することができる。
またこの担体を製造するには、酸化物粉末どうしを混合
する固相法、共沈法やゾルゲル法などの液相法、あるい
は気相法など特に制限されない。
t、Pd、Rh、Irなどから選択されるが、活性の高いPtを
用いるのが好ましい。またPtは粒成長を特に起こしやす
いので、本発明の効果が一層顕著に現れる。
05〜10重量%の範囲とすることが望ましい。担持量が0.
05重量%未満では十分な浄化性能が得られず、10重量%
を超えて担持しても浄化性能が飽和し余分な貴金属が無
駄となってしまう。
は、吸着担持法、吸水担持法など公知の方法を利用する
ことができる。希土類元素酸化物とジルコニアとからな
る混合担体粉末に貴金属を担持した触媒粉末を用いて所
定形状の排ガス浄化用触媒を形成してもよいし、希土類
元素酸化物とジルコニアとからなる担持層をもつ所定形
状の担体に貴金属薬液を用いて貴金属を担持してもよ
い。
担体に貴金属を担持した触媒粉末を成形してペレット触
媒としてもよいし、コーディエライトあるいは金属箔な
どから形成されたハニカム形状の担体基材に上記触媒粉
末からなるコート層を形成したモノリス触媒とすること
もできる。また本発明の排ガス浄化用触媒は貴金属のシ
ンタリングを抑制できるだけでなく耐硫黄被毒性に優れ
るため、三元触媒として利用できるほか、さらにアルカ
リ金属やアルカリ土類金属よりなるNOx 吸蔵材を担持し
てNOx 吸蔵還元型触媒としてもよいし、HC吸着能を有す
るゼオライト粉末などを混合して酸化触媒として用いる
こともできる。
ば、使用される雰囲気に関わらずPtの熱によるシンタリ
ングが抑制され、三元触媒、NOx 吸蔵還元型触媒あるい
はディーゼル用触媒などあらゆる使用条件において効果
が得られる。
明を具体的に説明する。
コニウムをY/Zr(原子比)で0.25/0.75となるように
混合した水溶液を調製し、撹拌しながらアンモニア水を
滴下・中和して沈殿を生成した。得られた沈殿を濾過・
洗浄し、乾燥後大気中にて 400℃で5時間焼成してイッ
トリア−ジルコニア粉末を調製した。得られた粉末をX
線回折分析したところ、イットリア及びジルコニアの単
独相によるピークは観察されず、複合酸化物となってい
ると考えられる。
中に混合して撹拌した後、ジニトロジアンミン白金水溶
液を金属Ptに換算してイットリア−ジルコニア粉末に対
して1.67重量%となるように加え、 150℃にて蒸発・乾
固してPtを担持した触媒粉末を調製した。
1mmサイズにペレット化して、実施例1のペレット触媒
を調製した。Ptの担持量は1.67重量%である。
コニウムをY/Zr(原子比)で 0.5/ 0.5となるように
混合した水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にし
てイットリア−ジルコニア粉末を調製し、それを用いた
こと以外は実施例1と同様にして実施例2のペレット触
媒を調製した。Ptの担持量は1.67重量%である。
コニウムをY/Zr(原子比)で0.75/0.25となるように
混合した水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にし
てイットリア−ジルコニア粉末を調製し、それを用いた
こと以外は実施例1と同様にして実施例3のペレット触
媒を調製した。Ptの担持量は1.67重量%である。
に代えて市販のジルコニア粉末を用いたこと以外は実施
例1と同様にして、比較例1のペレット触媒を調製し
た。Ptの担持量は1.67重量%である。
に代えて市販のイットリア粉末を用いたこと以外は実施
例1と同様にして、比較例2のペレット触媒を調製し
た。Ptの担持量は1.67重量%である。
ウムをCe/Zr(原子比)で0.25/0.75となるように混合
した水溶液を調製し、撹拌しながらアンモニア水を滴下
・中和して沈殿を生成した。得られた沈殿を濾過・洗浄
し、乾燥後大気中にて 400℃で5時間焼成してセリア−
ジルコニア粉末を調製した。得られた粉末をX線回折分
析したところ、セリア及びジルコニアの単独相によるピ
ークは観察されず、複合酸化物となっていると考えられ
る。
て、上記セリア−ジルコニア粉末を用いたこと以外は実
施例1と同様にして、比較例3のペレット触媒を調製し
た。Ptの担持量は1.67重量%である。
のペレット触媒のそれぞれに対して、表1に示すガスA
とガスBを入りガス温度 900℃で5分毎に切り替えて10
時間流通させる耐久試験を行った。なおHCとしてはプロ
ピレンを用いている。
線回折分析し、Ptの粒径を測定した。粒径はScherrerの
式:t=kλ/(Bcosθ)により求めた。ここで、
tは粒子径、kは定数( 0.9)、λはX線の波長、Bは
X線回折におけるピークの半値幅、θは回折角である。
結果を表2に示す。
て耐久試験後のPtの粒子径が小さく、粒成長が抑制され
ていることがわかり、これは担体にイットリア−ジルコ
ニア粉末を用いた効果であることが明らかである。また
比較例どうしを比較すると、比較例3の触媒が最もPtの
粒子径が大きく、セリアを含むことで粒成長が一層促進
されていることがわかる。
ペレット触媒について、それぞれ表3に示す評価ガスを
流通させ、 600℃から 100℃まで降温させながらHC、NO
x 及びCOの浄化率を連続的に測定した。そして得られた
データからHC、NOx 及びCOの50%浄化温度を算出し、結
果を表4及び図1に示す。
例1に比べて耐久試験後の浄化性能が格段に向上し、こ
れはジルコニアにイットリアを複合化した担体を用いた
効果であることが明らかである。
温度とPt粒子径との間には密接な相関関係があることが
わかる。すなわち各実施例の触媒が耐久試験後にも高い
浄化性能を示すのは、Ptの粒成長が抑制されたことに起
因していると考えられる。
は、高温下で使用された場合にもPtの粒成長が抑制され
ているので、浄化性能の耐久性に優れている。
ジルコニウムをY/Zr(原子比)が種々の割合となるよ
うに混合して複数種の水溶液を調製し、撹拌しながらそ
れぞれアンモニア水を滴下・中和して沈殿を生成した。
得られたそれぞれの沈殿を 400℃で5時間焼成してそれ
ぞれのイットリア−ジルコニア粉末を調製した。
分析を行い、結果を図2に示す。図2より、イットリア
が増加するにつれてCubic-ZrO2のd(200)とd(311)が連続
的に大きくなっていることがわかり、この粉末はイット
リア−ジルコニア固溶体であることが明らかである。
酸ジルコニウムをY/Zr(原子比)で1/6(Yが14
%)となるように混合した水溶液を調製し、撹拌しなが
らアンモニア水を滴下・中和して沈殿を生成した。得ら
れた沈殿を乾燥後大気中にて 400℃で5時間焼成してイ
ットリア−ジルコニア粉末を調製した。
中に混合して撹拌した後、ジニトロジアンミン白金硝酸
水溶液を金属Ptに換算してイットリア−ジルコニア粉末
に対して 0.2重量%となるように加え、蒸発・乾固後 5
00℃で2時間大気中で焼成してPtを担持した触媒粉末を
調製した。
mmサイズにペレット化して、実施例4のペレット触媒を
調製した。Ptの担持量は 0.2重量%である。
酸ジルコニウムをY/Zr(原子比)で1/2(Yが33
%)となるように混合したこと以外は実施例4と同様に
して、実施例5のペレット触媒を調製した。
酸ジルコニウムをY/Zr(原子比)で3/2(Yが66
%)となるように混合したこと以外は実施例4と同様に
して、実施例6のペレット触媒を調製した。
に代えて市販のγ−アルミナ粉末を用いたこと以外は実
施例4と同様にして、比較例4のペレット触媒を調製し
た。Ptの担持量は0.83重量%である。
酸ジルコニウムの混合水溶液の代わりにオキシ硝酸ジル
コニウム水溶液のみ(Yが0%)を用いたこと以外は実
施例4と同様にして、比較例5のペレット触媒を調製し
た。Ptの担持量は 0.2重量%である。
〜5のペレット触媒について、ストイキ−リーンを10分
間ずつ交互に繰り返す排ガス雰囲気中に 900℃で10時間
保持する耐久試験をそれぞれ行った。そしてX線回折と
CO吸着法によりPtの粒径と分散度をそれぞれ測定し、結
果を表5に示す。ちなみに、耐久試験前のPtの粒径は1
nmである。なお表5における*印は、担体へのX線吸収
のため十分な回折強度が得られず測定不能であったこと
を示している。
較例に比べて耐久試験後もPtの粒径が小さく、粒成長が
抑制されていることが明らかである。また実施例どうし
の比較より、実施例5〜6が特にPtの粒成長抑制効果に
優れ、Y/Zr(原子比)は 0.2以上とするのが好まし
く、 0.3以上とするのがより好ましいことがわかる。
イキ雰囲気下、空間速度SV=22万〜24万にて 550℃から
100℃まで速度10℃/分で降温させたときのHC、CO及び
NOxの50%浄化温度をそれぞれ測定し、結果を図3に示
す。
例に比べて耐久試験後も高い浄化性能を維持しているこ
とがわかり、これはPtの粒成長が抑制されたことに起因
していることが明らかである。また実施例どうしの比較
から、実施例5〜6が特に高い浄化性能を示し、Y/Zr
(原子比)は 0.2以上とするのが好ましく、 0.3以上と
するのがより好ましいことがわかる。
リア−ジルコニア粉末 200gと、ジルコニアゾル(Zr
O2:10重量%)65.7gと、水97gを混合してスラリーを
調製し、このスラリーを用いて定法によりコーディエラ
イトからなる容量35ccのハニカム状テストピースにコー
ト層を形成した。コート量は、テストピース1リットル
当たり 522gである。
ジニトロジアンミン白金硝酸水溶液に浸漬し、引き上げ
て乾燥・焼成して、テストピース1リットル当たり1g
のPtを担持してモノリス触媒とした。
量%硝酸アルミニウム水溶液47gと、ベーマイト粉末3
gと、水 108gを混合してスラリーを調製し、このスラ
リーを用いて実施例7と同様にコート層を形成した。コ
ート量は、テストピース1リットル当たり120gであ
る。そして実施例7と同様にテストピース1リットル当
たり1gのPtを担持してモノリス触媒とした。
ノリス触媒について、ストイキ−リーンを5分間ずつ交
互に繰り返す排ガス雰囲気中に 900℃で10時間保持する
耐久試験をそれぞれ行った。そして耐久試験後の各触媒
について、ストイキ雰囲気下、空間速度SV=8.7万にて
100℃から 500℃まで速度6℃/分で昇温させたときのH
C、CO及びNO x の50%浄化温度をそれぞれ測定し、結果
を図4に示す。
高い浄化性能を示し、モノリス触媒としてもペレット触
媒と同様の結果が得られた。
リア−ジルコニア粉末 300ccを蒸留水中に混合して撹拌
した後、所定濃度ジニトロジアンミン白金硝酸水溶液の
所定量を加え、 150℃にて蒸発・乾固後 500℃で2時間
大気中で焼成して1gのPtを担持した。次に所定濃度の
硝酸ロジウム水溶液の所定量を加え、蒸発・乾固後 300
℃で2時間大気中で焼成して 0.1gのRhを担持して触媒
粉末を調製した。
mmサイズにペレット化して、実施例8のペレット触媒を
調製した。
と以外は実施例8と同様にして、実施例9のペレット触
媒を調製した。
に代えてアルミナ粉末を用いた以外は実施例8と同様に
して、比較例7のペレット触媒を調製した。
に代えてアルミナ粉末を用いたこと、及びRhの担持量を
0.05gとしたこと以外は実施例8と同様にして、比較例
8のペレット触媒を調製した。
〜8のペレット触媒について、ストイキ−リーンを5分
間ずつ交互に繰り返す排ガス雰囲気中に 900℃で10時間
保持する耐久試験をそれぞれ行った。そして耐久試験後
の各触媒について、ストイキ雰囲気下、空間速度SV=15
万〜16万にて 100℃から 500℃まで速度12℃/分で昇温
させたときのHC浄化率を測定した。結果を図5に示す。
また図5から50%浄化温度を読み取り、結果を表6に示
す。
試験後も高い浄化性能を示し、貴金属の粒成長抑制効果
が奏されていることが明らかである。
れば、ジルコニアを用いながら耐久試験後の浄化性能を
向上させることができ、高温排ガス中での使用時の浄化
性能の劣化を抑制することができる。
化用触媒のHC、NOx及びCOの50%浄化温度を示すグラフ
である。
ス浄化用触媒のHC、NOx 及びCOの50%浄化温度を示すグ
ラフである。
触媒のHC、NOx 及びCOの50%浄化温度を示すグラフであ
る。
ス浄化用触媒のHC浄化率を示すグラフである。
Claims (6)
- 【請求項1】 セリウムを除く希土類元素の少なくとも
一種の酸化物とジルコニアとを含んでなる担体と、該担
体に担持された貴金属とよりなることを特徴とする排ガ
ス浄化用触媒。 - 【請求項2】 前記担体中の希土類元素とジルコニウム
の割合は原子比で希土類元素/Zr= 0.1/ 0.9〜 0.9/
0.1の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の排
ガス浄化用触媒。 - 【請求項3】 少なくともイットリアとジルコニアとを
含んでなる担体と、該担体に担持された貴金属とよりな
ることを特徴とする排ガス浄化用触媒。 - 【請求項4】 前記担体中のイットリウムとジルコニウ
ムの割合は原子比でY/Zr= 0.2/ 0.8〜 0.8/ 0.2の
範囲にあることを特徴とする請求項3に記載の排ガス浄
化用触媒。 - 【請求項5】 前記担体が固溶体であることを特徴とす
る請求項3又は請求項4に記載の排ガス浄化用触媒。 - 【請求項6】 前記貴金属は少なくともPtを含むことを
特徴とする請求項1〜5に記載の排ガス浄化用触媒。
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