JP2000327329A - チタニア−ジルコニア系粉末およびその製造方法 - Google Patents
チタニア−ジルコニア系粉末およびその製造方法Info
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-
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-
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-
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Abstract
性,脱離性に優れ、かつ高温の熱処理においても高比表
面積を保持し得る、また、チタニア表面の塩基点が少な
いという特徴を変えずに、耐熱性を大幅に向上させ得
る、新規なチタニア−ジルコニア系粉末およびその製造
方法を提供する。 【解決手段】 (1)チタニアの結晶相内にジルコニアの
少なくとも一部が固溶して成る、または、ジルコニアの
結晶相内にチタニアの少なくとも一部が固溶して成るチ
タニア−ジルコニア系粉末。(2)チタニアの結晶相がア
ナタ−ゼ相からなり、ジルコニアを3〜30wt%およびイ
ットリアを0.5〜10wt%含み、ZrTiO4または(Ti,Zr)O2
なる複酸化物,モノクリニック相ジルコニア,テトラゴ
ナル相ジルコニアの含有率の総和が20wt%未満であり、
大気中で900℃,5時間熱処理した後の比表面積が34m2/g
以上の物性値を有するチタニア−ジルコニア系粉末。
(3)1μm以下の平均粒子径の上記(1),(2)のチタニア
−ジルコニア系粉末を、アルミナ粉末に分散して得られ
たチタニア−ジルコニア系粉末。
Description
ニア系粉末およびその製造方法に関し、主として触媒担
体ないし助触媒、特に、自動車排ガス浄化用の触媒担体
ないし助触媒として好適な、また、硫黄を含んだ高温の
ガス中で使用される触媒担体として好適な、新規なチタ
ニア−ジルコニア系粉末およびその製造方法に関する。
いるチタニア粉末の性質を改善するために、従来から、
チタニアに対して、アルカリ土類金属,遷移元素,希土
類元素と共にジルコニアが添加剤としてよく用いられて
いる。
には、窒素酸化物浄化用触媒として、「チタンおよびジ
ルコニウムからなる二元系複合酸化物をバリウム処理し
て得られた変成複合酸化物を触媒A成分とし、バナジウ
ム酸化物をB成分とし、タングステン,モリブデン,ス
ズ,クロム,マンガン,セリウムおよび鉄よりなる群か
ら選ばれた少なくとも1種の酸化物および/または硫酸
塩を触媒C成分としてなる窒素酸化物浄化用触媒」につ
いて記載されている。このようにジルコニアを併用する
ことによって、排ガス中の酸素,SOx,炭酸ガス,水
蒸気,ハロゲン化合物,炭化水素類の影響を受けず、広
範囲の温度領域および高空間速度において高活性で、煤
塵にも影響されず、SO2をSO3に酸化する能力が小さ
い触媒を得られることは、従来より知られている。
は、「チタンとジルコニウムの複合酸化物よりなる担体
と、アルカリ金属,アルカリ土類金属および希土類元素
の中から選ばれた担体に担持されたNOx吸蔵材と、担
体に担持された貴金属と、からなる排ガス浄化用触媒」
について記載されている。このようにチタンとジルコニ
ウムの複合酸化物を触媒担体として用いることによっ
て、アルミナを担体とした場合に比べて、硫酸イオンや
亜硫酸イオンが吸着しにくいため被毒されにくく、ま
た、吸着した硫酸イオンや亜硫酸イオンにより生成した
NOx吸蔵材の硫酸塩は低温で容易に分解し、かつ、担
体の耐熱性がチタニア単味の状態よりも耐熱性と酸性度
が向上した触媒を得ることができることは、従来より知
られている。
効果を活かしつつ、ジルコニアの添加によって、耐熱性
を付与し、表面の酸性度も高めるという工夫は、既に多
数行われてきた。しかし、何れも、チタニアのアナター
ゼ相にジルコニアが固溶すること、または、ジルコニア
のテトラゴナル相にチタニアが固溶することによって、
それらの効果がさらに高まり、それを担体として用いた
触媒の特性が飛躍的に高まることは知られていない。
「チタン化合物及びジルコニウム化合物を含有する物質
を660〜900℃の温度で熱処理して得られる、Ti
O2として20〜90モル%およびZrO2として80〜
10モル%の組成を有し、かつZrTiO4なる結晶構
造を有するチタンおよびジルコニウムの複合酸化物を少
なくとも20重量%含有する無機耐火性酸化物よりなる
被酸化性物質および/または窒素酸化物含有排ガス処理
触媒用担体」について記載されている。これは、ZrT
iO4の強い固体酸性と、チタニア単味やジルコニア単
味よりも高い耐熱性によって、触媒担体に用いたときに
高い浄化能と耐熱性を得ることを目的としたものであ
る。従って、この無機耐火性酸化物よりなる被酸化性物
質では、ZrTiO4を少なくとも20重量%含むこと
を必須要件としている。
号公報では、NOx吸蔵還元型触媒においては、硫黄被
毒を防止し、かつ、NOx吸蔵材であるアルカリ性塩と
高温で反応しないことの重要性には触れられておらず、
その目的のために、むしろチタニア−ジルコニア系粉末
の表面塩基点の無さが重要なポイントとなっていること
も開示されていない。さらに、その目的のためには、Z
rTiO4が主体となる領域よりも、チタニアリッチ側
のアナターゼ相主体固溶体の系、および、ジルコニアリ
ッチ側のテトラゴナル相主体固溶体の系で高い性能が得
られることは、従来より全く知られていない。
は、「ZrO2,TiO2の重量比で5:95〜95:5
の組成を有する非晶質(一部は結晶化しているものの全
体としては非晶質)のジルコニウムおよびチタニウムの
複合酸化物およびその製造方法」について記載されてい
る。しかし、前掲の特公平7−24774号公報にも記
載されているように、通常の共沈法では、700℃以上
の熱処理温度においては、ZrTiO4主体の組成にな
ってしまい、後に詳記する本発明の結晶構造(ジルコニ
アのテトラゴナル相にチタニアが固溶し、周囲に少量の
ZrTiO4またはジルコニアのモノクリニック相が存
在する構造)のものは、得られないことがわかってい
る。
非晶質のジルコニウムおよびチタニウムの複合酸化物と
しての記載があるのみで、その製造方法についても、通
常の共沈法の開示があるのみである。従って、上記特開
平6−304477号公報に記載の“非晶質(一部は結
晶化しているものの全体としては非晶質)のジルコニウ
ムおよびチタニウムの複合酸化物”は、前掲の特公平7
−24774号公報に記載の“無機耐火性酸化物よりな
る被酸化性物質”と同様に、NOx吸蔵還元型触媒用と
して用いた場合に、耐熱性,耐アルカリ性の点で問題が
有るのは明らかである。非晶質であることだけでなく、
熱処理後に、後記する本発明に係るチタニア−ジルコニ
ア系粉末となること、つまり、熱処理後であっても高比
表面積を保持し得るチタニア−ジルコニア系粉末となる
こと、が重要であることは、従来より全く知られていな
い。
末の性質、特に、表面の塩基点が少なく、酸点のみが存
在するという特徴を変えずに耐熱性を向上させることを
目的としたものはなく、さらに、チタニアのアナターゼ
相にジルコニアが固溶している、または、ジルコニアの
テトラゴナル相にチタニアが固溶している“Ti−Zr
酸化物固溶体”が特に優れた耐熱性と硫黄被毒防止効果
とを両立させ得ることについては、知られていない。な
お、酸化物固溶体については、例えば特開平9−221
304号公報には、“Ce−Zr酸化物固溶体”につい
て開示されているが、チタニアにジルコニア、または、
ジルコニアにチタニアを固溶させた酸化物固溶体につい
ては、記載されていない。
の結晶相を有するチタニア粉末)は、耐熱性に劣るもの
であって、高温下での熱処理により比表面積が極端に低
下するという欠点を有しており、そのため、高温の熱処
理後まで所望の比表面積を保持させることができないと
いう問題があった。なお、800℃の大気中で5時間熱
処理をした後の比表面積が45m2/g以上の物性値を
有するチタニアは、TiO2−SiO2の系以外では、従
来より知られていない。
iとZrおよびAlの複合酸化物よりなる担体と、該担
体に担持されたNOx吸蔵材および触媒貴金属とを含ん
でなる排ガス浄化用触媒」について記載されている。こ
のように、触媒担体として、チタニアにジルコニアおよ
びアルミナを併用することで、TiとZrの複合酸化物
による硫黄被毒防止効果と耐熱性向上効果を得ると共
に、Alの酸化物を複合化することにより、さらに高い
耐熱性を付与し得ることが、従来より知られている。
化物を用いる場合でも、その中に含まれるTiとZrの
複合酸化物が“チタニアにジルコニア、または、ジルコ
ニアにチタニアを固溶させた酸化物固溶体”であること
が、TiとZrおよびAlの三元系酸化物とすることの
硫黄被毒防止効果と耐熱性向上効果の両効果を、より一
層高めることについては、知られていない。世の中の環
境保護を重視する意識は高まる一方であり、自動車等の
排気ガスを浄化するための要求もまた高まる一方であ
る。その中で、従来の技術を用いた触媒だけでは、浄化
性能は全く、十分なレベルに到達していない。
あって、その目的とするところは、第一に、硫黄化合物
などの酸性物質の耐被毒性,脱離性に優れ、かつ高温の
熱処理後においても高比表面積を保持し得る、新規なチ
タニア−ジルコニア系粉末およびその製造方法を提供す
ることにあり、第二に、チタニア表面の塩基点が少ない
という特徴を変えずに、耐熱性を大幅に向上させ得る、
新規なチタニア−ジルコニア系粉末およびその製造方法
を提供することにある。
ジルコニア系粉末は、 ・チタニアの結晶相内にジルコニアの少なくとも一部が
固溶して成る、または、ジルコニアの結晶相内にチタニ
アの少なくとも一部が固溶して成る、チタニア−ジルコ
ニア系粉末(請求項1)、 ・非晶質のチタニア−ジルコニア系粉末であって、該粉
末を熱処理した後に、ジルコニアの結晶相内にチタニア
の少なくとも一部が固溶して成るチタニア−ジルコニア
系粉末が形成される、チタニア−ジルコニア系粉末(請
求項2)、を特徴(発明を特定する事項)とし、前記第
一,第二の目的を達成することができ、特に、自動車の
排ガス浄化用触媒担体または助触媒として好適なチタニ
ア−ジルコニア系粉末を提供すること(請求項10)がで
きる。
系粉末は、 ・結晶相がアナタ−ゼ相からなり、ジルコニアを3〜3
0重量%含み、ZrTiO4または(Ti,Zr)O2な
る複酸化物,モノクリニック相ジルコニアおよびテ
トラゴナル相ジルコニアの少なくとも一種であって、該
,および/またはの含有率の総和が20重量%未
満であり、大気中で800℃,5時間熱処理した後の比
表面積が45m2/g以上の物性値を有するチタニア−
ジルコニア系粉末(請求項3)、 ・結晶相がアナタ−ゼ相からなり、ジルコニアを3〜3
0重量%及びイットリアを0.5〜10重量%含み、大
気中で900℃,5時間熱処理した後の比表面積が34
m2/g以上の物性値を有するチタニア−ジルコニア系
粉末(請求項4)、 ・前記アナタ−ゼ相に共存する成分が、ZrTiO4
または(Ti,Zr)O2なる複酸化物,モノクリニッ
ク相ジルコニアおよびテトラゴナル相ジルコニアの少
なくとも一種であり、該,および/またはの含有
率の総和が20重量%未満であるチタニア−ジルコニア
系粉末(請求項5)、 ・前記3〜30重量%のジルコニアの少なくとも一部が
前記アナタ−ゼ相に固溶し、前記ZrTiO4または(T
i,Zr)O2なる複酸化物、または、前記テトラゴナル
相ジルコニアが、前記アナタ−ゼ相からなるチタニアに
分散しているチタニア−ジルコニア系粉末(請求項6)、
を特徴(発明を特定する事項)とし、同じく、前記第一,
第二の目的を達成することができ、特に、自動車の排ガ
ス浄化用触媒担体または助触媒として好適なチタニア−
ジルコニア系粉末を提供すること(請求項10)ができ
る。
系粉末は、 ・チタニア−ジルコニア系粉末の90容量%以上が非晶
質からなり、ジルコニアを60〜85重量%含み、大気
中で500℃,5時間熱処理した後の比表面積が140
m2/g以上の物性値を有するチタニア−ジルコニア系
粉末(請求項7)、 ・結晶相がテトラゴナル相からなり、チタニアを15〜
40重量%含み、チタニアの少なくとも一部がテトラゴ
ナル相に固溶しており、ZrTiO4または(Ti,Z
r)O2なる複酸化物,モノクリニック相ジルコニアお
よびアナターゼ相チタニアの少なくとも一種であっ
て、該,および/またはの含有率の総和が20重
量%未満であり、800℃,5時間の熱処理後の比表面
積が35m2/g以上の物性値を有する、チタニア−ジ
ルコニア系粉末(請求項8)、 ・請求項7に記載のチタニア−ジルコニア系粉末であっ
て、該チタニア−ジルコニア系粉末を800℃以上で5
時間熱処理した後に、チタニアの少なくとも一部がテト
ラゴナル相に固溶しており、ZrTiO4または(T
i,Zr)O2なる複酸化物,モノクリニック相ジルコ
ニアおよびアナターゼ相チタニアの少なくとも一種で
あって、該,および/またはの含有率の総和が2
0重量%未満であり、比表面積が35m2/g以上の物
性値を有する、チタニア−ジルコニア系粉末(請求項
9)、を特徴(発明を特定する事項)とし、同じく、前記
第一,第二の目的を達成することができ、特に、自動車
の排ガス浄化用触媒担体または助触媒として好適なチタ
ニア−ジルコニア系粉末を提供すること(請求項10)が
できる。
ア系粉末は、 ・請求項1〜請求項9のいずれかに記載のチタニア−ジ
ルコニア系粉末の平均粒子径は1μm以下であり、該粉
末がアルミナ粉末に分散しているチタニア−ジルコニア
系粉末(請求項11)、 ・前記アルミナの平均粒子径が1μm以下であるチタニ
ア−ジルコニア系粉末(請求項12)、 ・請求項1〜請求項9のいずれかに記載のチタニア−ジ
ルコニア系粉末の平均粒子径は0.1μm以下であり、
該粉末が平均粒子径0.1μm以下のアルミナ粉末に均
一に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末(請求項
13)、を特徴(発明を特定する事項)とし、同じく、前
記第一,第二の目的を達成することができ、特に、自動
車の排ガス浄化用触媒担体または助触媒として好適なチ
タニア−ジルコニア系粉末を提供すること(請求項14)
ができる。
請求項1〜請求項9に記載のチタニア−ジルコニア系粉
末を製造する方法、および、(B)前記請求項11〜請求
項13に記載のチタニア−ジルコニア系粉末を製造する
方法であって、このうち、上記(A)のチタニア−ジルコ
ニア系粉末を製造する方法は、 ・(1)チタニウム塩およびジルコニウム塩を含む原料水
溶液を、該溶液から最終的に生成する酸化物に換算して
ジルコニアが3〜30重量%または60〜85重量%と
なるように調製する工程と、(2)前記原料水溶液を強力
に撹拌しながら、pH調整剤を添加して沈殿を生成させ
る工程と、(3)得られた沈殿物を乾燥,焼成する工程
と、を含むこと(請求項15)を特徴とし、そして、上記
製造方法において、 ・前記(1)の工程における原料水溶液中に、過酸化水素
水および界面活性剤を添加すること(請求項16)、 ・前記(1)の工程における原料水溶液中に、さらに、イ
ットリウム化合物を、イットリア換算で、イットリアを
含むチタニア−ジルコニア系粉末の全重量に対して、
0.5〜10重量%を含むように調製すること(請求項
17)、 ・前記(2)の工程における強力な撹拌手段として、ホモ
ジナイザーによる均一撹拌を行うこと(請求項18)、 ・前記(3)の工程における乾燥,焼成手段として、昇温
速度が100℃/h以下であること(請求項19)、を特
徴とし、これにより、前記請求項1〜請求項9のチタニ
ア−ジルコニア系粉末を製造することができ、前記第
一,第二の目的を達成することができる。
コニア系粉末を製造する方法は、 ・(1)チタニウム塩,ジルコニウム塩およびアルミニウ
ム塩を含む原料水溶液を、該原料水溶液から最終的に生
成する酸化物中のチタニア,ジルコニアの各酸化物に換
算して、チタニア/ジルコニアの重量比が97/3〜7
0/30、または、40/60〜15/85となるよう
に調製する工程と、(2)前記原料水溶液を強力に撹拌し
ながら、pH調整剤を添加して沈殿を生成させる工程
と、(3)得られた沈殿物を乾燥,焼成する工程と、を含
むことを特徴とし(請求項20)、または、 ・(1)チタニウム塩およびジルコニウム塩を含む原料水
溶液を、この溶液から最終的に生成する酸化物に換算し
て、ジルコニアが3〜30重量%または60〜85重量
%となるように調製する工程と、(2)アルミニウム塩を
含む原料水溶液を調製する工程と、(3)前記(1)および
(2)の原料水溶液をそれぞれ強力に撹拌しながら、pH
調整剤を添加して沈殿を生成させる工程と、(4)前記
(3)の工程からそれぞれ生じた沈殿物を均一に混合する
工程と、(5)得られた混合沈殿物を乾燥,焼成する工程
と、を含むことを特徴とし(請求項21)、これにより、
前記前記請求項11〜請求項13に記載のチタニア−ジ
ルコニア系粉末を製造することができ、前記第一,第二
の目的を達成することができる。
ニア,イットリア等の酸化物成分の存在割合を示すため
の重量%の値”は、プラズマ発光分光分析法(ICP:
Inductively Coupled Plasma mass spectroscopy)によ
って求めた値である。また、本明細書中の“結晶相およ
び非晶質相の存在割合を示すための容量%の値”は、粉
末X線回折法により各相の存在量を定量分析して求めた
値であり、“結晶相および非晶質相の存在割合を示すた
めの重量%(wt%)の値”は、各相の密度を用いて容量
%の値から換算したものである。(なお、上記の定量分
析方法は、最も一般的に使用される方法である。)
アの結晶相内にジルコニアの少なくとも一部が固溶して
成る、または、ジルコニアの結晶相内にチタニアの少な
くとも一部が固溶して成るチタニア−ジルコニア系粉
末」について、まず説明する。上記のように、チタニア
の結晶相内にジルコニアの少なくとも1部が固溶してい
る、または、ジルコニアの結晶相内にチタニアの少なく
とも1部が固溶しているという事実は、後記する表2
(図2),表3(図3)の測定結果における“チタニアの結
晶相(アナタ−ゼ相)のピ−クシフト、および、ジルコニ
アの結晶相(テトラゴナル相)のピークシフト”から明ら
かである。(→詳細は後記参照)
で、高温の熱処理後においても高比表面積を保持するこ
とができ、かつ、酸性物質の耐被毒性,脱離性に優れた
チタニア−ジルコニア系粉末を提供することができる。
また、チタニア表面の塩基点が少ないという特徴を変え
ずに、耐熱性を大幅に向上させたチタニア−ジルコニア
系粉末を提供することができる。
ア−ジルコニア系粉末であって、該粉末を熱処理した後
に、ジルコニアの結晶相内にチタニアの少なくとも一部
が固溶して成るチタニア−ジルコニア系粉末が形成され
る、非晶質のチタニア−ジルコニア系粉末」について
も、前記請求項1に係るチタニア−ジルコニア系粉末と
同様、高温の熱処理後においても高比表面積を保持する
ことができ、かつ、酸性物質の耐被毒性,脱離性に優れ
た、しかも、チタニア表面の塩基点が少ないという特徴
を変えずに、耐熱性を大幅に向上させたチタニア−ジル
コニア系粉末を提供することができる。
“ジルコニアを3〜30重量%含む(請求項3〜請求項
6)、または、60〜85重量%含む(請求項7〜請求項
9)、チタニア−ジルコニア系粉末”について、詳細に
説明する。
タニア−ジルコニア系粉末)本発明に係る「結晶相がア
ナタ−ゼ相からなり、ジルコニアを3〜30重量%含む
チタニア−ジルコニア系粉末」は、大気中で800℃,
5時間熱処理をした後の比表面積が45m2/g以上の
物性値を有するものであり、そして、ジルコニアの少な
くとも一部がアナタ−ゼ相に固溶し、固溶していないジ
ルコニアがZrTiO4または(Ti,Zr)O2なる複酸化物、また
は、ジルコニアのテトラゴナル相からなり、これらがチ
タニアの周囲に分散している粉末からなる。
相に固溶しているという事実は、後記する表2(図2)の
測定結果におけるアナターゼ相のピークシフトから明ら
かである。ピークシフトは低角度側で格子定数が大きく
なる方向であり、チタニウムイオンよりイオン半径の大
きいジルコニウムイオンの固溶に対応している。また、
後記する表3(図3)より、500℃ではジルコニア含有率
が20重量%までは、ほぼアナターゼ相単相からなり、
ジルコニア含有率が30重量%では、2θが“30.64
°”に(Ti,Zr)O2複酸化物相の(111)ピークが観察さ
れる。これは、(Ti,Zr)O2複酸化物相の第1ピークに相
当する。このことより、アナターゼ相に固溶していない
ジルコニアは、(Ti,Zr)O2複酸化物相として存在してお
り、試料のサンプリング位置にかかわらず同様の相構成
であることから、この(Ti,Zr)O2複酸化物相は、アナタ
ーゼ相と微細に分散していると考えられる。ここで、(T
i,Zr)O2複酸化物相の含有率は20重量%未満である。
好ましくは10重量%以下、さらに好ましくは5重量%
以下であるのが良い。
定する技術的意義は、後記する表1から明らかなよう
に、この範囲内で“大気中で800℃,5時間熱処理を
した後の比表面積の物性値”が45m2/g以上を示す
ものであり(図1の(B)参照)、この範囲外では、このよ
うな比表面積が得られないからである。その理由は、ジ
ルコニアの含有量3〜30重量%の範囲内において、チ
タニアのアナタ−ゼ相にジルコニアが固溶することによ
る結晶相の安定化作用と、チタニアの粒子間に存在する
ジルコニア粒子の焼結防止作用によると考えられる。
チタニア−ジルコニア系粉末)本発明に係る「チタニア
−ジルコニア系粉末の90容量%以上が非晶質からな
り、ジルコニアを60〜85重量%含むチタニア−ジル
コニア系粉末」は、大気中で500℃,5時間熱処理し
た後の比表面積が140m2/g以上の物性値を有し、
また、800℃で5時間熱処理した後の比表面積が35
m2/g以上の物性値を有する(後記表1および図1の
(A),(B)参照)。また、本発明に係る「結晶相がテト
ラゴナル相からなり、チタニアを15〜40重量%含
み、チタニアの少なくとも一部がテトラゴナル相に固溶
しており、ZrTiO4または(Ti,Zr)O2なる複
酸化物,モノクリニック相ジルコニアおよびアナタ
ーゼ相チタニアの少なくとも一種であって、該,お
よび/またはの含有率の総和が20重量%未満である
チタニア−ジルコニア系粉末」は、800℃で5時間熱
処理した後の比表面積が35m2/g以上の物性値を有
する(後記表1および図1(B)参照)。
に係るチタニア−ジルコニア系粉末は、500℃以下の
加熱条件では、主な成分が非晶質(90容量%以上が非
晶質)であり、また、これを600℃以上に加熱する
と、ジルコニアのテトラゴナル相(正方晶)を持ったチタ
ニア−ジルコニア粒子が析出し、チタニアがジルコニア
に固溶した粉末が得られる(後記図3参照)。表3(図3)
に示されているように、このジルコニアのテトラゴナル
相の(101)ピークは、粉末全体のチタニア含有率の増
加につれてシフトしており、チタニアが固溶したことを
示している。ピークのシフトは高角度側で、格子定数は
小さくなる方向であり、チタニウムイオンのイオン半径
がジルコニウムイオンより小さいことに対応している。
また、表4(図3)より、ジルコニア含有率が80重量%
以上では、ジルコニアのモノクリニック相であり、ジル
コニア含有率が70重量%以下では、(Ti,Zr)O2複酸化
物相が微量共存している。ここで、前記と同様、(Ti,Z
r)O2複酸化物相の含有率は、20重量%未満である。好
ましくは10重量%以下、さらに好ましくは5重量%以
下である。
粉末)本発明に係る上記「ジルコニアを3〜30重量%
含む、または、60〜85重量%含むチタニア−ジルコ
ニア系粉末」は、ジルコニア以外に更にイットリアを併
用することもできる。特に、900℃を超える温度で使
用する場合、イットリアの併用により、チタニア−ジル
コニア系粉末の比表面積を一層増加させることができ
る。この場合、イットリアの含有量としては、10重量
%を超えても比表面積のより一層の増加が期待できない
ので、10重量%以下が望ましく、一方、その下限は、
0.5重量%が好ましい。好ましくは0.5〜5重量%
であり、より好ましくは1〜3重量%である(後記表5
および図6参照)。
ジルコニア系粉末)本発明に係る「請求項1〜請求項9
のいずれかに記載のチタニア−ジルコニア系粉末の平均
粒子径は1μm以下であり、該粉末がアルミナ粉末に分
散しているチタニア−ジルコニア系粉末」は、1μm以
下の平均粒子径を有するチタニア−ジルコニア系粉末と
アルミナ粉末とを高分散状態にすることにより、上記チ
タニア−ジルコニア系粉末の特性をより効果的に引き出
しつつ、さらに、アルミナ分散による更なる耐熱性向上
効果を与えるものである。
は、アルミナ粉末中で高分散状態になり、硫黄などの酸
性物質に対する被毒防止効果をより有効に発揮し、ま
た、より耐熱性の高いアルミナに保持されることによっ
て、高温まで更に高い比表面積を保つことができる。特
に、「請求項1〜請求項9のいずれかに記載のチタニア
−ジルコニア系粉末の平均粒子径は0.1μm以下であ
り、該粉末が平均粒子径が0.1μm以下のアルミナ粉
末に均一に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末」
では、その効果が顕著である。
ているチタニア−ジルコニア系粉末」における“チタニ
ア−ジルコニア固溶体粒子とアルミナ粒子の互いに分散
し合った状態”について説明する。本明細書において
は、分散状態を各粒子の平均粒子径で表現している。こ
の平均粒子径は、次のような方法で求められる。それぞ
れの粒子における粒子径は、それぞれが単結晶粒子であ
るか、結晶粒子の集合体である多結晶粒子であるかは、
どちらでも良く、透過型電子顕微鏡または走査型電子顕
微鏡を用いて観察される視野において、ランダムに撮影
した少なくとも10視野以上で、粒子数200以上の母
集団において、それぞれの写真における各粒子の最大径
(該径を各粒子の直径とした)を測定し、この測定値の平
均を算出して、各粒子(チタニア−ジルコニア固溶体粒
子,アルミナ粒子)の“平均粒子径”とした。
限定されるわけではなく、同等の結果が得られる方法も
同様に用いることができる。例えば、レーザー回折式粒
度分布測定法は、異種の粒子を機械的に混合する場合
は、上記画像解析法と同様の結果を示す。動的光散乱法
も同様である。但し、機械的な混合に伴って粒子が粉砕
処理される場合は、粉砕後の分散状態は、画像解析法に
よって確認する必要がある。また、ここでの粒子径は、
粉末を構成する各成分の粒子径を言うが、ここで、粒子
径が、単一の分布ではなく、明らかに粗大な粒子、また
は微細な粒子を含むバイモーダル以上の粒子径分布を持
つ場合、主となる粒子径分布からはずれる粒子径の粒子
は、上記の平均粒子径の算出の際に除外する。主となる
粒子径分布とは、その粒子径分布に属する粒子の総体積
が粉末全体の50体積%以上であることをいう。また、
ここでいう平均値は、体積で標準化したそれぞれの単一
分布の最頻径を指す。
いて、チタニア−ジルコニア固溶体粒子を1μm以下の
寸法で、アルミナ粒子の間に分散された構造とすること
の技術的意義について、以下に詳記する。
記したように、表面に塩基点が殆ど無く、そのため、硫
黄等の酸性物質が吸着し難く脱離し易いやすいことか
ら、硫黄等の酸性物質による被毒を防止する効果を持
つ。一方、触媒の活性点であるところの貴金属は、チタ
ニア−ジルコニア固溶体粒子の表面に担持されるより
も、アルミナ粒子表面に担持される方が、高温まで安定
に保持される。そこで、アルミナ粒子とチタニア−ジル
コニア固溶体粒子とを機械的に混ぜ合わせていることが
考えられる。両者の機械的な混合によって、貴金属を高
温まで保持しつつ、かつ、硫黄被毒を低減する効果も発
揮されることが確かめられている。ここで、チタニア−
ジルコニア固溶体粒子の被毒防止効果の機構上、アルミ
ナ粒子と、より微細に混合することがより好ましいこと
が予測される。
の寸法で両者を混ぜ合わせることは極めて難しい。本発
明者等は、アルミナ粉末の存在する溶液中で、チタニア
−ジルコニア固溶体粒子を合成する工程等を用いてこの
高分散状態を実現した。この“チタニア−ジルコニア固
溶体粒子が1μm以下の寸法で、アルミナ粒子間に分散
された粉末”は、触媒担体に用いた場合、アルミナ粒子
とチタニア−ジルコニア固溶体粒子とを機械的に混ぜ合
わせた状態より、更に優れた被毒防止効果を発揮した。
を用いると、さらに、両者の分散状態は改善され、した
がって、アルミナ上の貴金属とチタニア−ジルコニア固
溶体粒子との距離が近くなるため、更に優れた被毒防止
効果が得られる。この効果は、チタニア−ジルコニア固
溶体粒子とアルミナ粒子とがさらに微細な分散状態にな
れば、より一層顕著になる。また、チタニア−ジルコニ
ア固溶体粒子とアルミナ粒子との混合粉砕による分散方
法や、アルミナ粉末に対して後からチタニア−ジルコニ
ア固溶体粒子を合成する方法では達成できない“両者が
0.1μm以下のサイズとなる分散状態”では、この被毒
防止効果は、さらに顕著になる。更に好ましくは、“両
者が0.07μm以下のサイズとなる分散状態”である。
ム塩,ジルコニウム塩の混合水溶液からpH調整によっ
て沈殿を合成する方法、および、アルミニウム塩からの
沈殿とチタニウム塩,ジルコニウム塩の混合水溶液から
の沈殿を混合する方法によって、チタニア−ジルコニア
固溶体粒子とアルミナ粒子の両者が“0.1μm以下のサ
イズとなる均一分散状態”を実現した。この均一分散状
態の粉末を大気中,800℃で5時間熱処理すると、比表
面積が100m2/g以上のものが得られた。また、後記す
る実施例11に記載するような方法によれば、チタニア
−ジルコニア固溶体粒子とアルミナ粒子の平均粒子径が
共に“0.07μm以下”の均一分散状態の粉末が得られ、
この粉末に対して、同じく800℃で5時間熱処理する
と、比表面積が110m2/g以上のものが得られた。この
ように、高温の熱処理後においても高比表面積を保持し
得る理由としては、上記チタニア−ジルコニア固溶体粒
子が上記アルミナ粒子に均一に分散していることも、一
因として考えられる。ここで、アルミナ粒子が、ランタ
ン等の希土類元素酸化物,バリウム等のアルカリ土類金
属酸化物を固溶しているもの、または、複合酸化物とな
っているものであれば、アルミナの耐熱性がさらに高ま
るために、より好ましい。
タニア−ジルコニア系粉末」を触媒担体として使用する
場合、次の(A)および(B)の実施形態を採用することが
できる。 (A):本発明の「アルミナ粉末に分散しているチタニア
−ジルコニア系粉末」を単独で触媒担体とする実施形
態。 (B):他の市販アルミナ(平均粒子径が3〜7μmの粉
末)と混合して用いる実施形態。
ものではないが、本発明の「アルミナ粉末に分散してい
るチタニア−ジルコニア系粉末」中のアルミナ含有量
は、20〜80重量%が好ましく、より好ましくは40
〜60重量%である。なお、この場合のアルミナ粒子の
平均粒子径は、前記したとおり、0.1μm以下が好ま
しい。また、上記(B)の実施形態の場合、これも特に限
定するものではないが、市販のアルミナ(平均粒子径が
3〜7μmの粉末)を例えば50重量%と、本発明の
「アルミナ粉末に分散しているチタニア−ジルコニア系
粉末」とを混合して使用する場合(基材に塗布して使用
する場合も含む)、この際の“アルミナ粉末に分散して
いるチタニア−ジルコニア系粉末”中のアルミナ粒子の
含有量は、5〜30重量%が好ましく、より好ましくは
10〜20重量%である。なお、この場合のアルミナ粒
子の平均粒子径も0.1μm以下が好ましい。
前記チタニア−ジルコニア系粉末,イットリア含有チタ
ニア−ジルコニア系粉末,アルミナ粉末に分散している
チタニア−ジルコニア系粉末は、前記したとおり、いず
れも高温の熱処理後においても高比表面積を保持し得る
特性を有している。また、一般に、チタニア粉末は、チ
タニア表面の塩基性点が少ないという特性を有している
が、本発明に係る前記チタニア−ジルコニア系粉末,イ
ットリア含有チタニア−ジルコニア系粉末,アルミナ粉
末に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末は、いず
れも上記特性を変えずに、耐熱性を大幅に増加させ得る
という特性を有している。このように結晶表面に塩基点
が殆どなく、チタニア単体の酸点と同等以上の量と強度
の酸点を有するため、SO2ガス等の酸性物質が吸着し
難く、また、一旦吸着しても脱離し易く、それらの被毒
に強い作用効果が生じる。
前記チタニア−ジルコニア系粉末,イットリア含有チタ
ニア−ジルコニア系粉末,アルミナ粉末に分散している
チタニア−ジルコニア系粉末は、上記した特性を有する
ことから、自動車の排ガス浄化用触媒担体または助触媒
として好適である。その理由は、自動車用排ガス浄化触
媒は、貴金属担持型の触媒であり、貴金属を高分散状態
に保持し、ガスと有効に接触させるために、高比表面積
を持つことが望ましく、かつ、該触媒を適用する高温下
においても、高比表面積を保持する特性を有することが
好ましいからである。
末,イットリア含有チタニア−ジルコニア系粉末,アル
ミナ粉末に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末
は、耐硫黄被毒性,耐アルカリ性,耐熱性を高いレベル
で兼ね備えているため、特に、アルカリ金属,アルカリ
土類金属からなるNOx吸蔵材を高濃度(触媒ハニカム
1リットル当り0.1mol以上)に含み、硫黄が脱離し
難い酸化雰囲気で、高温に曝されるNOx吸蔵還元型触
媒用の触媒担体として適している。
体として使用する場合について、具体的に説明する。ア
ルミナ粉末に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末
を、後記する触媒“[Ba(0.2mol)+K(0.1mol)]/[Pt(2g)
+Rh(0.1g)]/担体(120g)”の担体として使用すると、
「チタニア−ジルコニア固溶体粒子とアルミナ粒子の両
者が1μm以下の分散状態の粉末」では、後記する条件
下で「NOx吸蔵能」を測定したところ、反応温度600
℃で7μmol/0.5g-cat.以上であった。また、「チタ
ニア−ジルコニア固溶体粒子とアルミナ粒子の両者が0.
1μm以下の分散状態の粉末」では、同じく後記する条
件下で「NOx吸蔵能」を測定したところ、反応温度60
0℃で9μmol/0.5g-cat.以上であった。
系粉末,イットリア含有チタニア−ジルコニア系粉末,
アルミナ粉末に分散しているチタニア−ジルコニア系粉
末は、前記したように、チタニア表面の塩基点が少ない
という特性を変えるものではなく、かつ、チタニア単体
の酸点と同等以上の量および強度の酸点を持ち、このた
め、硫黄被毒に強い特性を有することから、しかも高耐
熱性を有することから、硫黄を含んだ高温のガス中で使
用される触媒担体としての一般的な用途にも好適であ
る。
造方法は、前記チタニア−ジルコニア系粉末,イットリ
ア含有チタニア−ジルコニア系粉末,アルミナ粉末に分
散しているチタニア−ジルコニア系粉末を製造する方法
であって、このうち、チタニア−ジルコニア系粉末,イ
ットリア含有チタニア−ジルコニア系粉末の製造方法
は、チタニウム塩及びジルコニウム塩(又は、更にイッ
トリウム塩)を含む原料水溶液を強力に攪拌することを
特徴とし、これにより、前記した優れた特性を有するチ
タニア−ジルコニア系粉末を製造することができる。上
記“強力な攪拌”としては、剪断速度で表現すると、10
00sec-1以上が好ましく、10,000sec-1以上がより好まし
い。具体的には、ホモジナイザ−(剪断速度:13,000sec
-1)を、従来のプロペラ攪拌と併用して、均一攪拌を行
うことが好適である。
ではなく、例えば、4塩化チタン,硫酸チタニル,シュ
ウ酸チタニルアンモニウム,硝酸チタン,その他の水溶
性のチタニウム塩などを任意に使用することができる。
また、ジルコニウム塩についても、例えば、オキシ硫酸
ジルコニウム,オキシ塩化ジルコニウム,オキシ硝酸ジ
ルコニウム,硝酸ジルコニウム,その他の水溶性のジル
コニウム塩などを任意に使用することができる。イット
リウム塩についても、例えば、硝酸イットリウムを使用
することができる。
原料水溶液中に過酸化水素水および界面活性剤を添加す
ることが望ましい。その理由は、過酸化水素の添加によ
り、チタニウムイオンおよびジルコニウムイオンが錯イ
オンとなり、両者の沈澱の生成するpHが近くなるた
め、共沈物の中の混合が、原子レベルで行われやすくな
るからである。また、界面活性剤の添加により、沈澱操
作の際たまたま不均一の部分が生じても、界面活性剤の
ミセル中で、ジルコニアを主成分とする粒子とチタニア
を主成分とする粒子とが、互いに組成が均一になる方向
で粒成長して、均一な組成の固溶体粒子を形成しやすい
ためである。
ン系および非イオン系のいずれも使用することができる
が、その中でも、形成するミセルが内面に狭い空間を形
成し得る形状、例えば、球状ミセルを形成し易い界面活
性剤が望ましい。また、臨界ミセル濃度が0.1mol
/リットル以下のものが望ましい。より望ましくは、
0.01mol/リットル以下の界面活性剤の使用が望
ましい。なお、臨界ミセル濃度とは、ある界面活性剤が
ミセルを形成する最低の濃度のことである。
液を強力に攪拌しながら、pH調整剤を添加して生成さ
せた沈殿物を乾燥,焼成する工程を含むものであるが、
この乾燥,焼成手段として、昇温速度を100℃/h以
下とするのが好ましい。その理由は、本発明の“高比表
面積を持つチタニア−ジルコニア系粉末,イットリア含
有チタニア−ジルコニア系粉末”を安定に製造するため
に有効であるからである。すなわち、これらの粉末を焼
成する際に、副生成物として硝酸アンモニウム等の塩が
相当量共存している。焼成工程では、これらの副生成物
塩が昇温過程でチタニウムイオンの酸化触媒能によっ
て、しばしば乾燥中の沈殿が着火ないし自己発熱し、温
度が必要以上に上がりすぎ、比表面積が小さくなってし
まうという現象が生ずる。この急激な自己発熱を押さえ
るために、昇温速度を100℃/h以下にするのが有効
である。より好ましくは50℃/h以下である。
いるチタニア−ジルコニア系粉末”の製造方法は、(1
a)チタニウム塩,ジルコニウム塩およびアルミニウム
塩を含む原料水溶液を、該原料水溶液から最終的に生成
する酸化物中のチタニア,ジルコニアの各酸化物に換算
して、チタニア/ジルコニアの重量比が97/3〜70
/30、または、40/60〜15/85となるように
調製する工程と、(2a)前記原料水溶液を強力に撹拌し
ながら、pH調整剤を添加して沈殿を生成させる工程
と、(3a)得られた沈殿物を乾燥,焼成する工程と、を
含むこと、または、(1b)チタニウム塩およびジルコニ
ウム塩を含む原料水溶液を、この溶液から最終的に生成
する酸化物に換算して、ジルコニアが3〜30重量%ま
たは60〜85重量%となるように調製する工程と、
(2b)アルミニウム塩を含む原料水溶液を調製する工程
と、(3b)前記(1b)および(2b)の原料水溶液をそれ
ぞれ強力に撹拌しながら、pH調整剤を添加して沈殿を
生成させる工程と、(4b)前記(3b)の工程からそれぞ
れ生じた沈殿物を均一に混合する工程と、(5b)得られ
た混合沈殿物を乾燥,焼成する工程と、を含むことを特
徴とし、これにより、前記した優れた特性を有する“ア
ルミナ粉末に分散しているチタニア−ジルコニア系粉
末”を製造することができる。
ム塩およびアルミニウム塩を含む原料水溶液」を調製す
る際に、チタニア−ジルコニア系粉末またはアルミナ粉
末の耐熱性を高める元素、例えば、Y,La等の希土類
元素やBa等のアルカリ土類金属を、陽イオン濃度で1
0mol%以下の範囲で添加しても良い。また、前記
(2b)の「アルミニウム塩を含む原料水溶液」を調製す
る際に、同じく、La等の希土類元素またはBa等のア
ルカリ土類金属を、最終的に得る粉末中の陽イオン濃度
として10mol%以下の範囲で添加しても良い。
タニア−ジルコニア系粉末の製造方法”においても、前
記チタニア−ジルコニア系粉末の製造方法と同様、“強
力な攪拌”として、1000sec-1以上の剪断速度が好まし
く、10,000sec-1以上がより好ましい。具体的には、ホ
モジナイザ−(剪断速度:13,000sec-1)を、従来のプロ
ペラ攪拌と併用して、均一攪拌を行うことが好適であ
る。また、前記チタニア−ジルコニア系粉末の製造方法
と同様、原料水溶液中に過酸化水素水および界面活性剤
を添加することが好ましく、また、乾燥,焼成手段とし
て、昇温速度が100℃/h以下とすることが好まし
い。(好ましいとする理由および具体的手段は、いずれ
も前記と同じである。)
ットリア含有チタニア−ジルコニア系粉末,アルミナ粉
末に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末の前記各
製造方法において、「乾燥,焼成工程」に先立って、濾
過またはデカンテーションによる沈殿の濃縮、および/
または、水洗処理等の副生成物除去工程を併用すること
もできる。しかし、それらを併用しない場合に比して、
昇温速度の制限が相対的に小さくなるが、工程増による
コスト増加のデメリットも生ずる。
末,イットリア含有チタニア−ジルコニア系粉末,アル
ミナ粉末に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末に
係る実施例を比較例と共に挙げ、本発明について具体的
に説明する。
t%ZrO2(x=0〜100)]TiO2換算で27.5wt%濃度の四塩
化チタン水溶液と、ZrO2換算で18wt%濃度のオキシ硝酸
ジルコニウム水溶液とを、表1に示す量秤取し、これを
水1000gに溶解し、さらに30wt%の過酸化水素水160g
およびノニオン系界面活性剤(レオコン 1020H;ライオ
ン社製)24gを添加して原料水溶液を調製した。次に、
この原料水溶液を、プロペラ攪拌と併用してホモジナイ
ザ−(剪断速度:13,000sec-1)を用い、より均一に攪拌
しながら、25%アンモニア水456gを1000gの水に希釈
したアンモニア水を、この原料水溶液に対して添加し、
沈殿を生成させた。
昇温速度50℃/hで500℃まで昇温し、500℃で5時間焼
成してチタニア−ジルコニア系粉末を得、比表面積を測
定した。これらの粉末を更に800℃で5時間焼成して、
同じく比表面積を測定した。測定結果を表1に示した。
また、この測定結果を、図1にグラフ化した。なお、図
1の(A)は、500℃で5時間焼成した後の比表面積の測
定結果を、同(B)は、800℃で5時間焼成した後の比表
面積の測定結果を、それぞれグラフ化した図である。
「ZrO2;3〜30wt%」の範囲内の実施例1〜実施例4で
は、800℃で5時間焼成した後の比表面積が45m2/g以
上の物性値を有するのに対し、この範囲外の比較例1(Z
rO2;0wt%)では、極めて低い比表面積を示し、同じく
範囲外の比較例2(ZrO2;40wt%),比較例3(ZrO2;50w
t%)でも低い比表面積を示すことがわかる(→図1の
(B)参照)。一方、本発明の「ZrO2;60〜85wt%」の範
囲内の実施例5〜実施例9では、500℃で5時間焼成し
た後の比表面積が140m2/g以上の物性値を有するのに
対し、この範囲外のZrO2が90wt%の比較例4やZrO2が10
0wt%の比較例5では、140m 2/g未満のものであるこ
とがわかる(→図1の(A)参照)。また、800℃で5時
間焼成した実施例5〜実施例9では、35m2/g以上の
物性値を有するのに対し、比較例1〜比較例5では、35
m2/g未満のものであることがわかる(→図1の(B)
参照)。
は、ZrO2が10wt%組成(実施例2)が最も高比表面積を示
し、一方、500℃で焼成したものでは、ZrO2が70wt%の
組成(実施例7)において、200m2/gを超える“201.3
m2”という高い比表面積を示すことがわかる(→図1
の(A),(B)参照)。
のTiO2-ZrO2系粉末(実施例1〜実施例5,実施例7,実
施例8,比較例1〜比較例5)の「500℃,5時間熱処理
(焼成)後のTiO2-ZrO2系粉末」のX線回折図および「800
℃,5時間熱処理(焼成)後のTiO2-ZrO2系粉末」のX線
回折図を示す。
“ZrO2含有率:60wt%(実施例5),同:70wt%(実施例
7),同:80wt%(実施例8)”の粉末(前掲の表1参照)
は、図2のX線回折図から、非晶質であることがわか
る。また、同図から、ZrO2含有率が50wt%以下では、Ti
O2のアナタ−ゼ相が存在し、一方、ZrO2含有率が90wt%
以上では、ZrO2のテトラゴナル相またはモノクリニック
相が存在していることがわかる。
X線回折図から、ZrO2含有率が“0wt%”では、TiO2の
ルチル相が生成しているが、ZrO2含有率が“5wt%以
上”の組成では、TiO2の結晶相はアナタ−ゼ相のみであ
ってルチル相は見られず、結晶相的にも高耐熱化してい
ることがわかる。
α1で測定したX線回折図における2θが“500℃焼
成”で48.04゜であるが、次の表2から明らかなよう
に、ピ−クが低角度側にシフトしており、ZrO2がTiO2の
アナタ−ゼ相に固溶していることがわかる。また、ZrO2
含有量が60wt%以上の領域では、800℃焼成後にZrO2の
テトラゴナル相が主な結晶相になる。そして、このZrO2
のテトラゴナル相の(101)は、CuKα1で測定した
X線回折図における2θが“30.24゜”であるが、次の
表3から明らかなように、TiO2の共存により高角度側に
シフトしており、TiO2がZrO2のテトラゴナル相に固溶し
ていることがわかる。
ら50wt%の範囲で、(Ti,Zr)O2複酸化物相が共存してい
るが、この複酸化物相の(111)ピークも、ZrO2含有率
につれて変化しており、同相内のTiとZrとの比が変
化していることがわかる。
例1〜比較例5の結晶相構成を記号で示した。“○印”
は、20wt%を超える量であって、当該結晶相が多いこと
を示し、“△印”は、20wt%より少ない量であって、当
該結晶相がわずかに存在することを示し、“×印”は、
当該結晶相が極微量検出または検出されなかったことを
示す。 表4から、本発明の「チタニアの結晶相がアナ
ターゼ相からなり、ジルコニアを3〜30wt%含むチ
タニア−ジルコニア系粉末」に係る実施例1〜実施例4
のTiO2-ZrO2系粉末では、複酸化物[(Ti,Zr)O2]の含
有量が20wt%未満であることがかる。また、本発明
の「結晶相がテトラゴナル相からなるジルコニアであ
り、ジルコニアに対してチタニアを15〜40重量%含
むチタニア−ジルコニア系粉末」に係る実施例5〜実施
例9のTiO2-ZrO2系粉末では、複酸化物[(Ti,Zr)
O2],モノクリニック相ジルコニア,アナターゼ相チタ
ニアの含有率の総和が20重量%未満であることがわか
る。
比較例5のうち、ZrO2:10wt%(実施例2),ZrO2:70wt
%(実施例7)およびZrO2:0wt%(比較例1),ZrO2:100
wt%(比較例5)の各粉末について、アンモニア(NH3),
二酸化炭素(CO2)の昇温脱離(TPD)試験を行い、表面の酸
点,塩基点をそれぞれ測定した。この昇温脱離試験の測
定結果を図4の(A),(B)および図5の(A),(B)に示
す。その結果、実施例2及び実施例7のTiO2-ZrO2系粉
末は、ZrO2を含有するにもかかわらず、100wt%TiO2か
らなる粉末(比較例1)と同様に、表面には酸点のみが存
在し、塩基点は殆ど持たないことがわかった。一方、Zr
O2のみからなる粉末(比較例5)の表面には、酸点と塩基
点の両方が存在していることがわかった。
イットリアの添加量の影響」]前記実施例2の“TiO2-1
0wt%ZrO2”に対して、Y2O3を「0wt%,0.5wt%,1wt
%,1.5wt%,2wt%,3wt%,4wt%,5wt%,10wt%」
含有する粉末を作製し、900℃で5時間焼成した後の各
粉末の比表面積を測定した。その結果を表5(図6)に示
した。
加することにより、比表面積の増加が認められた。そし
て、0.5wt%の添加でその効果が顕著であり、2wt%ま
では増加するが、3wt%を超えてもそれ以上の効果が見
られないことが判明した。
3]TiO2換算で27.5wt%濃度の四塩化チタン水溶液383.7
gと、ZrO2換算で18wt%濃度のオキシ硝酸ジルコニウム
水溶液66.7g、そして、Y2O3換算で29.48wt%の硝酸イ
ットリウム溶液8.14gとを水1000gに溶解し、さらに30
wt%の過酸化水素水160gおよびノニオン系界面活性剤
(レオコン 1020H;ライオン社製)24gを添加して原料水
溶液を調製した。次に、この原料水溶液をホモジナイザ
−により均一に攪拌しながら、25%アンモニア水456g
を1000gの水に希釈したアンモニア水を、該原料水溶液
に対して添加し、沈殿を生成させた。得られた沈殿を15
0℃で乾燥し、次いで、昇温速度50℃/hで500℃まで昇
温し、500℃で5時間焼成してイットリア含有チタニア
−ジルコニア系粉末を得た。さらに、これを“600℃,7
00℃,800℃,900℃”の各温度で5時間熱処理し、各比
表面積を測定した。その結果を表6(図7)に示した。
おける“ホモジナイザ−による攪拌”を除いて、その他
は前記実施例2と同一条件で沈殿を生成させた。この沈
殿物を、実施例2と同様、150℃で乾燥し、次いで、“6
00℃,700℃,800℃,900℃”の各温度で5時間熱処理
し、各比表面積を測定した。その結果を表6(図7)に示
した。なお、参考例として、市販のアナタ−ゼ相チタニ
ア粉末に対しても同様に比表面積を測定した。また、前
記実施例2においても、“600℃,700℃,800℃,900
℃”の各温度で5時間熱処理し、各比表面積を測定した
結果を、同じく表6(図7)に示した。
ナイザ−による攪拌”を行った実施例2のチタニア−ジ
ルコニア系粉末は、高温下での熱処理後においても高比
表面積を保持し、特に700℃以上の800℃,900℃で5時
間熱処理した後であっても、高比表面積を有するものが
得られた。また、同じく“ホモジナイザ−による攪拌”
を行った実施例10のイットリア含有チタニア−ジルコ
ニア系粉末においても、実施例2のチタニア−ジルコニ
ア系粉末と同様、高温下での熱処理後においても高比表
面積を保持するものが得られた。これに対し、“ホモジ
ナイザ−による攪拌”を行わない比較例6では、高温下
での熱処理後において、比表面積の低下が著しく、ま
た、ジルコニアを含有しない市販のチタニア粉末である
参考例においても同様であった。
トリア含有チタニア−ジルコニア系粉末の900℃焼成品
では、実施例2のチタニア−ジルコニア系粉末の900℃
焼成品よりも高比表面積を保持することがわかった。
5wt%TiO2]Al2O3酸化物換算で13.6wt%の硝酸アルミニ
ウム塩441.2gと、TiO2換算で27.5wt%濃度の四塩化チ
タン水溶液65.4gと、ZrO2換算で18wt%濃度のオキシ硝
酸シルコニウム水溶液233.3gとを水1000gに溶解し、
さらに30wt%の過酸化水素水160gおよびノニオン系界
面活性剤(レオコン 1020H;ライオン社製)24gを添加し
て原料水溶液を調製した。次に、この原料水溶液をホモ
ジナイザーにより均一に撹拌しながら、25%アンモニア
水456gを1000gの水に希釈したアンモニア水を、該原
料水溶液に対して添加し、沈殿を生成させた。得られた
沈殿を150℃で乾燥し、次いで、昇温速度50℃/hで500
℃まで昇温し、500℃で5時間焼成して“アルミナ粉末
に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末”を得た。
さらに、これを600℃,700℃,800℃の各温度で5時間
熱処理し、各比表面積を測定した。その結果を表7(図
8)に示した。この実施例11のチタニア−ジルコニア
系粉末は、平均粒子径が0.05μmのZrO2-TiO2粉末と平
均粒子径が0.04μmのAl2O3粉末との混合粉末であっ
た。
コニア系粉末であって、平均粒子径が5μmの粉末と、
平均粒子径が2μmのアルミナ粉末とを、実施例11と
同じ組成になるように配合し、乾式ボールミルで10時間
混合し、混合粉末を作製した。この混合粉末中のチタニ
ア−ジルコニア系粉末は、平均粒子径が0.7μmであ
り、また、アルミナ粉末の平均粒子径は0.8μmであっ
た。得られた混合粉末を、前記実施例11と同様、“50
0℃,600℃,700℃,800℃”の各温度で5時間熱処理
し、各比表面積を測定した。その結果を同じく表7(図
8)に示した。
平均粒子径が0.5μmの粉末と、市販ジルコニア粉末で
あって、平均粒子径が1.1μmの粉末と、平均粒子径が
2μmのアルミナ粉末とを、実施例11と同じ組成にな
るように配合し、乾式ボールミルで10時間混合し、混合
粉末を作製した。 得られた混合粉末を、前記実施例1
1と同様、“500℃,600℃,700℃,800℃”の各温度で
5時間熱処理し、各比表面積を測定した。その結果を同
じく表7(図8)に示した。
ジルコニア系粉末(平均粒子径が0.05μmのZrO2-TiO2粉
末と平均粒子径が0.04μmのAl2O3粉末との混合粉末)
は、高温下での熱処理後においても高比表面積を保持す
ることがわかった。 また、平均粒子径が5μmのZrO2-
TiO2粉末と、平均粒子径が2μmのAl2O3粉末との混合
粉末からなる実施例12では、実施例11の上記チタニ
ア−ジルコニア系粉末よりは、多少劣るものの、同じく
高温下での熱処理後においても高比表面積を保持するこ
とがわかった。これに対して、市販のチタニア粉末とジ
ルコニア粉末を用いた比較例7のチタニア−ジルコニア
系粉末では、平均粒子径が0.5μmのチタニア粉末と平
均粒子径が1.1μmのジルコニア粉末を用いても、高温
下の熱処理により、実施例11および実施例12に比し
て、低比表面積のものが得られることがわかった。
各粉末(500℃で焼成したもの)を担体として使用し、
「[Ba(0.2mol)+K(0.1mol)]/[Pt(2g)+Rh(0.1g)]/担
体(120g)」の触媒を作製した。すなわち、担体120gに
対して、Ptを2gとRhを0.1g吸着担持し、さら
に、酢酸バリウム0.2molと酢酸カリウム0.1molを担持し
て触媒とした。各触媒に対して、“800℃耐熱試験(高温
耐久試験)”を行い、さらに、“600℃硫黄被毒耐久試
験”を行った後に、各触媒の“NOx吸蔵能”を測定し
た。その結果を表8(図9)に示した。(上記“耐熱試験
(高温耐久試験)”“硫黄被毒耐久試験”“NOx吸蔵能
の評価”については後記参照)
は、各触媒1gを、800℃で5時間“リッチ2分”“リ
ーン2分”で交互に切り換えた雰囲気下で保持すること
により、耐熱試験(高温耐久試験)を行った。この場合の
リーンガスの組成およびリッチガスの組成を表9に示
す。
は、前記高温耐久試験後の各触媒1gを内径約10mmの
石英管にプラグ状に充填したものを耐久試験装置に配置
し、表10で示されるリッチとリーンのモデルガスを30
秒毎に切り換えながら、室温から600℃まで30分で昇温
し、600℃で4時間保持することで、硫黄被毒耐久試験
を行った。触媒に供給した硫黄の量は、この耐久試験に
供した1gの触媒に担持されているバリウムとカリウム
の総和量に対して、モル比で1.5である。
次の方法で行った。前記“800℃耐熱試験(高温耐久試
験)”を行い、更に前記“600℃硫黄被毒耐久試験”を行
った後、各触媒を固定床流通式の反応管に0.5g詰め、
毎分3リットルのリーンガスを流通させたリーン雰囲気
において、NOxを硝酸塩として吸蔵させ、3秒間のリ
ッチ雰囲気において、N2などとして還元させる試験を2
00℃,300℃,400℃,500℃および600℃において実施し
た。この際に還元されるNOxのモル数を“NOx吸蔵
能(μmol/0.5−cat.)”とした。この場合のリーンガス
の組成およびリッチガスの組成を表11に示す。
12の粉末を担体として用いた触媒は、反応温度(活性
評価温度)が200℃の場合を除いて、これ以上の高温であ
る300℃,400℃,500℃,600℃のいずれにおいても、比
較例7の粉末を担体として用いた触媒に比して、極めて
高いNOx吸蔵能を示すことがわかった。
質の耐被毒性,脱離性に優れ、かつ高温の熱処理後にお
いても高比表面積を保持することができ、しかもチタニ
ア表面の塩基点が少ないという特徴を変えずに耐熱性を
大幅に向上させ得る、チタニア−ジルコニア系粉末,イ
ットリア含有チタニア−ジルコニア系粉末,アルミナ粉
末に分散しているチタニア−ジルコニア系粉末を提供す
ることができる。このため、触媒担体ないし助触媒、特
に自動車排ガス浄化用の触媒担体ないし助触媒として好
適な、また、硫黄を含んだ高温のガス中で使用される触
媒担体として好適な上記粉末を提供することができる。
で得られたチタニア−ジルコニア系粉末[TiO2-Xwt%Zr
O2(X=0〜100)]の比表面積の測定結果(表1)をグラフ
化した図であって、そのうち、(A)は、500℃で5時間
焼成した後の比表面積の測定結果を、(B)は、800℃で
5時間焼成した後の比表面積の測定結果を、それぞれグ
ラフ化した図である。
00℃,5時間焼成後の粉末」のX線回折図である。
00℃,5時間焼成後の粉末」のX線回折図である。
示す図であって、そのうち、図4の(A)は、“試料温
度”と“NH3濃度”との関係をグラフ化した「アンモニ
ア昇温脱離試験(TPD)結果」を示す図であり、図4の
(B)は、“ZrO2添加量”と“NH3脱離量”との関係をグ
ラフ化した「TPDによるアンモニア総脱離量」を示す図
である。
示す図であって、そのうち、図5の(A)は、“試料温
度”と“CO2濃度”との関係をグラフ化した「二酸化炭
素昇温脱離試験(TPD)結果」を示す図であり、図5の
(B)は、“ZrO2添加量”と“CO2脱離量”との関係をグ
ラフ化した「TPDによる二酸化炭素総脱離量」を示す図
である。
の影響」(表4)をグラフ化した図である。
度の熱処理後における比表面積を測定した結果(表5)を
グラフ化した図である。
熱処理後における比表面積を測定した結果(表7)をグラ
フ化した図である。
担体とした触媒の「各活性評価温度(℃)に対するNOx
吸蔵能」を測定した結果(表8)をグラフ化した図であ
る。
Claims (21)
- 【請求項1】 チタニアの結晶相内にジルコニアの少な
くとも一部が固溶して成る、または、ジルコニアの結晶
相内にチタニアの少なくとも一部が固溶して成る、こと
を特徴とするチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項2】 非晶質のチタニア−ジルコニア系粉末で
あって、該粉末を熱処理した後に、ジルコニアの結晶相
内にチタニアの少なくとも一部が固溶して成るチタニア
−ジルコニア系粉末が形成される、ことを特徴とするチ
タニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項3】 チタニア−ジルコニア系粉末であって、
結晶相がアナタ−ゼ相からなり、ジルコニアを3〜30
重量%含み、ZrTiO4または(Ti,Zr)O2なる
複酸化物,モノクリニック相ジルコニアおよびテト
ラゴナル相ジルコニアの少なくとも一種であって、該
,および/またはの含有率の総和が20重量%未
満であり、大気中で800℃,5時間熱処理した後の比
表面積が45m2/g以上の物性値を有する、ことを特
徴とする請求項1に記載のチタニア−ジルコニア系粉
末。 - 【請求項4】 チタニア−ジルコニア系粉末であって、
結晶相がアナタ−ゼ相からなり、ジルコニアを3〜30
重量%及びイットリアを0.5〜10重量%含み、大気
中で900℃,5時間熱処理した後の比表面積が34m
2/g以上の物性値を有する、ことを特徴とする請求項
3に記載のチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項5】 前記アナタ−ゼ相に共存する成分が、
ZrTiO4または(Ti,Zr)O2なる複酸化物,モ
ノクリニック相ジルコニアおよびテトラゴナル相ジル
コニアの少なくとも一種であり、該,および/また
はの含有率の総和が20重量%未満である、ことを特
徴とする請求項4に記載のチタニア−ジルコニア系粉
末。 - 【請求項6】 前記3〜30重量%のジルコニアの少な
くとも一部が前記アナタ−ゼ相に固溶し、前記ZrTi
O4または(Ti,Zr)O2なる複酸化物、または、前記
テトラゴナル相ジルコニアが、前記アナタ−ゼ相からな
るチタニアに分散している、ことを特徴とする請求項3
または請求項4に記載のチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項7】 チタニア−ジルコニア系粉末であって、
該チタニア−ジルコニア系粉末の90容量%以上が非晶
質からなり、ジルコニアを60〜85重量%含み、大気
中で500℃,5時間熱処理した後の比表面積が140
m2/g以上の物性値を有する、ことを特徴とする請求
項2に記載のチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項8】 チタニア−ジルコニア系粉末であって、
結晶相がテトラゴナル相からなり、チタニアを15〜4
0重量%含み、チタニアの少なくとも一部がテトラゴナ
ル相に固溶しており、ZrTiO4または(Ti,Z
r)O2なる複酸化物,モノクリニック相ジルコニアお
よびアナターゼ相チタニアの少なくとも一種であっ
て、該,および/またはの含有率の総和が20重
量%未満であり、800℃,5時間の熱処理後の比表面
積が35m2/g以上の物性値を有する、ことを特徴と
する請求項1に記載のチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項9】 請求項7に記載のチタニア−ジルコニア
系粉末であって、該チタニア−ジルコニア系粉末を80
0℃以上で5時間熱処理した後に、チタニアの少なくと
も一部がテトラゴナル相に固溶しており、ZrTiO
4または(Ti,Zr)O2なる複酸化物,モノクリニッ
ク相ジルコニアおよびアナターゼ相チタニアの少なく
とも一種であって、該,および/またはの含有率
の総和が20重量%未満であり、比表面積が35m2/
g以上の物性値を有する、ことを特徴とする請求項2ま
たは請求項7に記載のチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項10】 請求項1〜請求項9のいずれかに記載
のチタニア−ジルコニア系粉末を、自動車の排ガス浄化
用触媒担体または助触媒として使用する、ことを特徴と
するチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項11】 請求項1〜請求項9のいずれかに記載
のチタニア−ジルコニア系粉末の平均粒子径は1μm以
下であり、該粉末がアルミナ粉末に分散している、こと
を特徴とするチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項12】 前記アルミナの平均粒子径が1μm以
下である、ことを特徴とする請求項11に記載のチタニ
ア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項13】 請求項1〜請求項9のいずれかに記載
のチタニア−ジルコニア系粉末の平均粒子径は0.1μ
m以下であり、該粉末が平均粒子径0.1μm以下のア
ルミナ粉末に均一に分散している、ことを特徴とするチ
タニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項14】 請求項11〜請求項13のいずれかに
記載のチタニア−ジルコニア系粉末を、自動車の排ガス
浄化用触媒担体または助触媒として使用する、ことを特
徴とするチタニア−ジルコニア系粉末。 - 【請求項15】 (1)チタニウム塩およびジルコニウム
塩を含む原料水溶液を、該溶液から最終的に生成する酸
化物に換算してジルコニアが3〜30重量%または60
〜85重量%となるように調製する工程と、(2)前記原
料水溶液を強力に撹拌しながら、pH調整剤を添加して
沈殿を生成させる工程と、(3)得られた沈殿物を乾燥,
焼成する工程と、を含むことを特徴とするチタニア−ジ
ルコニア系粉末の製造方法。 - 【請求項16】 前記(1)の工程における原料水溶液中
に、過酸化水素水および界面活性剤を添加することを特
徴とする請求項15に記載のチタニア−ジルコニア系粉
末の製造方法。 - 【請求項17】 前記(1)の工程における原料水溶液中
に、さらに、イットリウム化合物を、イットリア換算
で、イットリアを含むチタニア−ジルコニア系粉末の全
重量に対して、0.5〜10重量%を含むように調製す
ることを特徴とする請求項15または請求項16に記載
のチタニア−ジルコニア系粉末の製造方法。 - 【請求項18】 前記(2)の工程における強力な撹拌手
段として、ホモジナイザーによる均一撹拌を行うことを
特徴とする請求項15に記載のチタニア−ジルコニア系
粉末の製造方法。 - 【請求項19】 前記(3)の工程における乾燥,焼成手
段として、昇温速度が100℃/h以下であることを特
徴とする請求項15に記載のチタニア−ジルコニア系粉
末の製造方法。 - 【請求項20】 (1)チタニウム塩,ジルコニウム塩お
よびアルミニウム塩を含む原料水溶液を、該原料水溶液
から最終的に生成する酸化物中のチタニア,ジルコニア
の各酸化物に換算して、チタニア/ジルコニアの重量比
が97/3〜70/30、または、40/60〜15/
85となるように調製する工程と、(2)前記原料水溶液
を強力に撹拌しながら、pH調整剤を添加して沈殿を生
成させる工程と、(3)得られた沈殿物を乾燥,焼成する
工程と、を含むことを特徴とするチタニア−ジルコニア
系粉末の製造方法。 - 【請求項21】 (1)チタニウム塩およびジルコニウム
塩を含む原料水溶液を、この溶液から最終的に生成する
酸化物に換算して、ジルコニアが3〜30重量%または
60〜85重量%となるように調製する工程と、(2)ア
ルミニウム塩を含む原料水溶液を調製する工程と、(3)
前記(1)および(2)の原料水溶液をそれぞれ強力に撹拌
しながら、pH調整剤を添加して沈殿を生成させる工程
と、(4)前記(3)の工程からそれぞれ生じた沈殿物を均
一に混合する工程と、(5)得られた混合沈殿物を乾燥,
焼成する工程と、を含むことを特徴とするチタニア−ジ
ルコニア系粉末の製造方法。
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