JP2001232212A - 排気ガス浄化用触媒および排気ガス浄化用触媒の製造方法 - Google Patents
排気ガス浄化用触媒および排気ガス浄化用触媒の製造方法Info
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Abstract
媒層剥離の原因ともなるひび割れの発生を防止すること
ができ、もって排気ガス浄化用触媒の耐久性を大幅に向
上させることができる排気ガス浄化用触媒、およびこの
ような排気ガス浄化用触媒の製造方法を提供する。 【解決手段】 触媒コート層の最表面に、厚さが50μ
m以下の亀裂防止コート層を成形する。または、スラリ
ーを構成する水に含まれるOH−およびH+以外の陰イ
オンおよび陽イオンがそれぞれ50ppm以下の触媒ス
ラリーを担体にコートする。
Description
ス中に含まれるHC,CO,NOxなどを浄化するため
の排気ガス浄化用触媒に係わり、とくに触媒コート層の
亀裂の発生を防止して、セラミックモノリス担体や金属
製ハニカム担体などの担体からの触媒層の剥離を未然に
防止することができる排気ガス浄化用触媒およびこのよ
うな触媒の製造方法に関するものである。
ラミックモノリス担体や金属製ハニカム担体などの一体
構造基材に触媒層を形成する方法としては、例えば特開
昭53−135898号公報に記載されているように、
貴金属を含むアルミナとセリアを含む複合物に酢酸水溶
液を加えて粉砕した触媒スラリーをセラミックモノリス
担体にコーティングして付着させ、乾燥したのち焼成す
ることにより触媒とする方法がある。
は、活性アルミナと炭酸ランタンを硝酸アルミニウム水
溶液に加え、攪拌,混合,粉砕の後、モノリス基材に浸
漬し、余分の液体を圧縮空気で吹き払い、乾燥,焼成し
て被膜付きモノリス担体となし、この被膜付きモノリス
担体を貴金属溶液に浸漬し、乾燥,焼成して触媒とする
方法が記載されている。
は、貴金属が担持されたアルミナ、またはセリウムおよ
びジルコニウム酸化物などの触媒材料粉末をボールミル
などにより粉砕,混合することにより水性スラリーとな
し、該スラリーをハニカムなどの担体にコートして担体
表面に触媒コート層を形成する方法が提案されている。
自動車の使用期間が長くなると共に、高速道路の発達に
よって高速走行の機会も増加しており、これに伴って自
動車の排気ガス浄化用触媒においてもさらなる耐久性の
向上が求められている。
化用触媒の従来の製造方法においては、担体にコートし
た触媒スラリーを固定化するために行う乾燥,焼成工程
において、水分の蒸発によって触媒スラリーが大きく収
縮することから、コート層内に発生する張力に耐えきれ
ずに、焼成後(特開昭58−122044号公報記載の
方法においては被膜付きモノリス担体の段階で)形成さ
れた触媒コート層にひび割れ(亀裂)が生じるという問
題点があった。触媒コート層のひび割れは剥離の原因と
もなり、触媒の耐久性を著しく損ねるものであって、こ
のような問題点を解消して、触媒としての耐久性を向上
させることが排気ガス浄化用触媒の製造方法における従
来の課題となっていた。
製造方法における上記課題に着目してなされたものであ
って、セラミックモノリス担体や金属製ハニカム担体な
どの担体の表面に触媒層を形成するに際して、触媒層剥
離の原因ともなるひび割れの発生を防止することがで
き、もって排気ガス浄化用触媒の耐久性を大幅に向上さ
せることができる排気ガス浄化用触媒、およびこのよう
な排気ガス浄化用触媒の製造方法を提供することを目的
としている。
達成するために、担体上への触媒層の形成方法や触媒ス
ラリーの成分などについて鋭意検討した結果、触媒スラ
リーの粒子径をある程度大きくすることによって、また
コート層の厚さを薄くすることによって、乾燥や焼成に
よる収縮量が少なくなって亀裂やひびを抑えることがで
きるがことを見出した。また、触媒スラリーに含まれる
イオン濃度を制限することによっても、乾燥,焼成時の
収縮をなくしてひび割れの発生を防止することができる
ことを見出すに至った。
あって、本発明の請求項1に係わる排気ガス浄化用触媒
は、触媒成分を含む触媒スラリーを担体にコートして触
媒成分を担体表面に付着させた排気ガス浄化用触媒にお
いて、触媒コート層の最表面に、厚さが50μm以下の
亀裂防止コート層を備えている構成としており、排気ガ
ス浄化用触媒におけるこのような構成を前述した従来の
課題を解決するための手段としている。
後の固形分の密度に影響し、粒子径が小さい(細かい)
ほど乾燥後の密度が高く、収縮率の大きい固形分を形成
する。したがって、最表面を形成するコート層に用いる
スラリーの粒子径は、大きい方が表面積が小さいので、
コート層の収縮量が少なく、コート層に亀裂やひびが入
りにくいことになる。このとき、実用的な排気ガス浄化
用触媒のハニカム担体やメタル担体の形状や、乾燥工程
の諸条件を考慮すると、スラリーの平均粒子径が3μm
以上であれば収縮による亀裂やひびは生じない。但し、
スラリーの平均粒子径が7μmを超えると、スラリーコ
ート時の担体セルの目詰まりや、コート層自体が脆くな
ってしまう傾向がある。このためスラリーの平均粒子径
は3〜7μmが好ましい。
リー乾燥時の収縮量が少なくなり、コート層内に生じる
張力が弱まり、亀裂やひびの発生が抑えられる。現在用
いられている触媒材料では、乾燥,焼成後のコート層の
厚さが50μm以下であれば、収縮による亀裂が生じな
い。
触媒においては、最表面の最終コート層として、厚さが
50μm以下の亀裂防止コート層を備えているので、当
該最終コート層には亀裂やひびが発生することがなく、
下層に亀裂があったとしても、亀裂防止コート層が最終
コート層としてこの亀裂を覆ったり、埋めたりしてコー
ト層の強度が確保され、担体からの剥離が防止されるこ
とになる。なお、亀裂防止コート層は、焼成した後に目
視では層として認識できない程度の薄いものであったと
しても、亀裂内にスラリーが浸入することによってコー
ト層の強度が確保される。
ラリーの材料には、いかなる種類の触媒材料を用いても
よいことから、例えば触媒の性能設計上、最表面に特定
の触媒層が必要な場合であっても、その最表面部を必要
な触媒材料からなる耐亀裂構造とすることにより、触媒
設計の自由度と触媒コート層の強度とが同時に確保され
る。
おいては、触媒コート層の最表面に、平均粒子径が3〜
7μmの触媒スラリーを焼成した状態で50μm以下の
厚さとなるようにコートするようにしているので、下層
に亀裂があったとしても、コート時に触媒スラリーがこ
の亀裂を覆ったり、内部に浸入したりした後、乾燥およ
び焼成によって亀裂やひびのない健全な最終コート層が
形成されるので、コート層の強度が向上し、担体からの
剥離強度に優れた触媒コート層が得られることになる。
リーとして、好ましくはアルミナ,ゼオライトなどを用
いることができる。また、表面積の小さな粒子であるα
−アルミナ,チタニアも触媒層の耐剥離性を向上させる
ことができる。
触媒スラリーとして、イオン含有量、すなわち触媒スラ
リー中の水に含まれるOH−(水酸イオン)以外の陰イ
オン(例えば硝酸イオン(NO3 − ),塩素イオン
(Cl− ),硫酸イオン(SO 4 −2 ),酢酸イオン
(CH3COO−)など)、およびH+(水素イオン)
以外の陽イオン(例えばアルミニウムイオン(Al
+3 ),ナトリウムイオン(Na+),マグネシウム
イオン(Mg+2 ),カルシウムイオン(Ca+2)
など)の含有量がそれぞれ50ppm以下のものを用い
ることが好ましい。
めの触媒スラリーにおいては、アルミナやスラリー中の
貴金属が担持された状態のアルミナ、あるいはアルミナ
複合物や貴金属が担持された状態のアルミナ複合物の粒
子の周りには、水素イオンの他に、触媒粉末から溶け出
したイオンや、使用している溶液に含まれるイオンなど
が吸着しており、複雑なイオン層が形成されている。例
えば、上記した特開昭53−135898号公報に記載
された製造法においては酢酸が使用され、特開昭58−
122044号公報に記載の製造法においては硝酸イオ
ンの量が多く、、アルミナ粒子等の周りには、これらの
イオンを含めた複雑なイオン層が形成されている。この
ような複雑なイオン層を持つスラリーでは、モノリス担
体などにコーティングされた場合、コート層の粒子間に
上記のようなイオン層が介在するため、乾燥,焼成時に
このイオン層が消滅し、粒子同士が結合していくことに
よって体積が収縮し、触媒層やアルミナ複合物の被膜層
にひび割れを生じることになる。
気ガス浄化用触媒の製造方法においては、上記したよう
に、触媒スラリーに含まれる水酸イオン(OH− )お
よび水素イオン(H+)以外のイオンを極力少なくして
いるので、アルミナ粒子等の周りのイオン層が薄くな
り、スラリーがコートされた時の触媒粒子間にイオン層
がほとんど形成されないので、乾燥,焼成時の収縮がな
くなり、亀裂やひび割れが発生しないようになる。な
お、水酸イオン(OH−)以外の陰イオンおよび水素イ
オン(H+)以外の陽イオンの含有量をそれぞれ50p
pm以下に限定しているのは、これらイオンがそれぞれ
50ppmを超えると、乾燥,焼成時の収縮が顕著にな
り、亀裂やひび割れの発生を十分に防止できなくなるこ
とによる。
用触媒は、上記構成、すなわち触媒コート層の最表面
に、厚さが50μm以下の亀裂防止コート層を備えたも
のであるから、当該亀裂防止コート層に亀裂やひび割れ
が発生することがなく、触媒コート層の強度が確保して
担体からの剥離を防止することができるという極めて優
れた効果をもたらすものである。
触媒の製造方法においては、触媒コート層の最表面に、
焼成した状態で50μm以下の厚さとなるように構成粒
子の平均径が3〜7μmの触媒スラリーをコートするよ
うにしているので、乾燥および焼成によって亀裂やひび
のない健全な最終コート層を得ることができるという極
めて優れた効果がもたらされる。
ス浄化用触媒の製造方法においては、触媒スラリーに含
まれる水酸イオンおよび水素イオン以外のイオンを極力
少なくしている、すなわちスラリーを構成する水に含ま
れる水酸イオンおよび水素イオン以外の陰イオンおよび
陽イオンをそれぞれ50ppm以下の触媒スラリーを使
用するようにしているので、スラリーがコートされた時
の触媒粒子間にイオン層がほとんど形成されず、乾燥,
焼成時の収縮を回避して、亀裂やひび割れの発生を防止
することができ、排気ガス浄化用触媒の耐久性の大幅な
向上が可能になるという極めて優れた効果が得られる。
的に説明する。
00g、および純水:1000gを磁性ボールミルに投
入し、混合・粉砕してスラリーを得た。このスラリーの
平均粒子径は2.1μmであった。次に、このスラリー
液をコージェライト質モノリス担体(400セル/in
2)にコートし、空気流にてセル内の余剰のスラリーを
除去したのち乾燥し、400℃で1時間焼成して、コー
ト量重量150g/Lの触媒を得た。
物の水溶液を含浸させ、150℃で12時間乾燥した
後、400℃で1時間焼成してPd担持アルミナ粉末を
用意し、このPd担持アルミナ粉末:1000g、活性
アルミナ:11g、硝酸水溶液:1500gを磁性ボー
ルミルに投入し、混合・粉砕してスラリーを得た。この
スラリーの平均粒子径は4.6μmであった。そして、
このスラリー液を上記MFI型ゼオライトコート後の触
媒にコートし、空気流にてセル内の余剰のスラリーを除
去したのち乾燥し、400℃で1時間焼成して、コート
量重量75g/Lの触媒(総コート量:225g/L)
を得た。このようにして得られた排気ガス浄化用触媒の
内層および表層のコート層厚さおよび亀裂の有無を表1
に示す。また、コート層の電子顕微鏡観察結果を図1
(a)および(b)に示す。
に、内層コートは、その平均粒子径が2.1μmと細か
く、コート層厚さも133μmと厚いことから、乾燥,
焼成時の収縮に起因する亀裂が多く認められた。一方、
表層コートについては、その平均粒子径が4.6μm、
コート層厚さが43μmであって、亀裂のない亀裂防止
コート層となっており、内層の亀裂内に浸入して触媒層
を補強していることが確認された。
し、上記モノリス担体に発明例1よりもそれぞれ薄めに
コートしたのち、同一条件で乾燥および焼成することに
より、亀裂防止コート層を最表面に備えた排気ガス浄化
用触媒を得た。この排気ガス浄化用触媒における内層お
よび表層のコート層厚さおよび亀裂の有無を表1に併せ
て示すと共に、コート層の電子顕微鏡観察結果を図2に
示す。
さが25μmと薄いものの、平均粒子径が2.1μmと
細かいことから、発明例1と同様に、収縮による亀裂の
発生が認められた。表層コートについては、その平均粒
子径が4.6μm、コート層厚さが18μmであること
から、亀裂のない亀裂防止コート層となっており、同様
に触媒コート層を補強していることが確認された。
び外層共に、水分量を焼く20%減少させ、内層および
外層のコート量をそれぞれ250g/Lおよび120g
/Lとして、コート層を厚くすること以外は、発明例1
と同様の条件のもとに触媒を得た。このようにして得ら
れた排気ガス浄化用触媒の内層および表層のコート層厚
さおよび亀裂の有無を表1に併せて示すと共に、コート
層の電子顕微鏡観察結果を図3(a)および(b)に示
す。
均粒子径が2.1μmと細かいため、発明例1と同様に
亀裂の発生が認められた。また、表層コートについて
も、その平均粒子径が4.6μmではあるものの、コー
ト層厚さが75μmと厚いため、乾燥,焼成時の収縮量
が大きくなり、亀裂の発生が認められた。
る複合物550gに、H2Pt(OH)6として8.2
gの白金を含有するアミン水溶液415mlを含浸させ
た。次いで、この固体に氷酢酸の水溶液(33mlの氷
酢酸を50mlの水で希釈)を含浸させ、150℃で3
時間乾燥後、400℃で2時間焼成した。そして、この
触媒粉末500gに水を1250g加え、スラリーとし
てボールミルで粉砕し、9μm以下の粒子径とした。
(容量:1.3L,セル数:約62個/cm2 ,断面
積:楕円113cm2,長さ:115mm)に印加し、
余分のスラリーを吹き払い、120℃で乾燥後、400
℃で1時間焼成することによって、100g/Lコーテ
ィングされたモノリス触媒を得た。
し、その上澄み液のイオン濃度を分析したところ、N
a:5ppm,Ca:5ppm,Cl:10ppmであ
った。
調べるために、エポキシ樹脂中に触媒を沈め、樹脂を固
めた後、触媒を切断し、その断面を走査型電子顕微鏡で
観察した。その結果、図4(倍率:400倍)に示すよ
うに、触媒層にひび割れは認められなかった。
6.5%硝酸アルミニウム水溶液645g中に投入し、
攪拌,混合して、150℃で12時間乾燥した後、70
0℃で2時間焼成した。そして、この粉末に、水125
0gを加え、ボールミルで粉砕し、コーティング用スラ
リーとした。
体に印加し、余分のスラリーを吹き払い、120℃で乾
燥後、400℃で1時間焼成することにより、100g
/Lコーティングされた被膜付きモノリス担体を得た。
し、その上澄み液のイオン濃度を分析したところ、NO
3:45ppm,Cl:10ppm,Na:5ppm,
Ca:5ppmであった。
担体の被膜のひび割れを走査型電子顕微鏡により同様に
観察した結果、図5(倍率:400倍)に示すように、
触媒層にひび割れは認められなかった。
ム硝酸溶液を3%となるように含浸し、乾燥、焼成し
て、3%Pd含有アルミナを得た。そして、この触媒粉
末500gに水1250gを加え、ボールミルで粉砕し
て、コーティング用スラリーとした。
量:1.3L,セル数:約62個/cm2,断面積:楕
円113cm2,長さ:115mm)に印加し、余分の
スラリーを吹き払い、130℃で乾燥後、400℃で1
時間焼成して、150g/Lコーティングされた金属製
モノリス触媒を得た。
心分離し、その上澄み液のイオン濃度を分析したとこ
ろ、NO3:20ppm,Cl:7ppm,Na:3p
pm,Ca:8ppmであった。
走査型電子顕微鏡により同様に観察した結果、図6(倍
率:200倍)に示すように、触媒層にひび割れは認め
られなかった。
物550gに、H2PtOH)6として8.2gの白金
を含有するアミン水溶液415mlを含浸させ、次いで
この固体に氷酢酸の水溶液(33mlの氷酢酸を50m
lの水で希釈)を含浸した。次に、水を85ml追加
し、スラリーとしてボールミルで粉砕し、9μm以下の
粒子径とした。
いたセラミックモノリス担体に印加し、余分のスラリー
を吹き払い、120℃で乾燥後、400℃で1時間焼成
することによって、100g/Lコーティングされたモ
ノリス触媒を得た。
し、その上澄み液中の酢酸濃度を調べたところ、350
00ppmであった。
走査型電子顕微鏡により同様に観察した結果、図7(倍
率:400倍)に示すように、触媒層にひび割れが発生
していることが確認された。
6.5%硝酸アルミニウム水溶液645g中に投入し、
攪拌,混合してボールミルで粉砕し、コーティング用ス
ラリーとした。
いたセラミックモノリス担体に印加し、余分のスラリー
を吹き払い、120℃で乾燥後、700℃で2時間焼成
することにより、100g/Lコーティングされた被膜
付きモノリス担体を得た。
し、その上澄み液中の硝酸イオンの濃度を調べたとこ
ろ、44000ppmであった。
担体の被膜のひび割れを走査型電子顕微鏡により同様に
観察した結果、図8(倍率:400倍)に示すように、
触媒層にひび割れの発生が認められた。
ム硝酸溶液を3%となるように含浸し、乾燥、焼成し
て、3%Pd含有アルミナを得た。そして、この触媒粉
末500gに硝酸14gと水1236gを加え、ボール
ミルで粉砕して、コーティング用スラリーとした。
製モノリス担体に印加し、余分のスラリーを吹き払い、
130℃で乾燥後、400℃で1時間焼成して、150
g/Lコーティングされた金属製モノリス触媒を得た。
心分離し、その上澄み液中の硝酸の濃度を調べたとこ
ろ、5800ppmであった。
走査型電子顕微鏡により同様に観察した結果、図9(倍
率:100倍)に示すように、触媒層にひび割れが確認
された。
わる製造方法により得られた排気ガス浄化用触媒におけ
る触媒コート層のSEM像を示す図である。
られた排気ガス浄化用触媒における触媒コート層のSE
M像を示す図である。
造方法により得られた排気ガス浄化用触媒における触媒
コート層のSEM像を示す図である。
られた排気ガス浄化用触媒における触媒コート層のSE
M像を示す図である。
られた排気ガス浄化用触媒における触媒コート層のSE
M像を示す図である。
られた排気ガス浄化用触媒における触媒コート層のSE
M像を示す図である。
排気ガス浄化用触媒における触媒コート層のSEM像を
示す図である。
排気ガス浄化用触媒における触媒コート層のSEM像を
示す図である。
排気ガス浄化用触媒における触媒コート層のSEM像を
示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 触媒成分を含む触媒スラリーを担体にコ
ートして触媒成分を担体表面に付着させた排気ガス浄化
用触媒において、 触媒コート層の最表面に、厚さが50μm以下の亀裂防
止コート層を備えていることを特徴とする排気ガス浄化
用触媒。 - 【請求項2】 最表面の亀裂防止コート層が平均粒子径
が3〜7μmの粒子を含んでいることを特徴とする請求
項1記載の排気ガス浄化用触媒。 - 【請求項3】 最表面の亀裂防止コート層を形成するス
ラリーのイオン含有量が50ppm以下であることを特
徴とする請求項1ないし請求項2記載の排気ガス浄化用
触媒。 - 【請求項4】 触媒成分を含む触媒スラリーを担体にコ
ートしたのち、乾燥,焼成する排気ガス浄化用触媒の製
造方法において、 触媒コート層の最表面に、平均粒子径が3〜7μmの触
媒スラリーを焼成した状態で50μm以下の厚さとなる
ようにコートすることを特徴とする排気ガス浄化用触媒
の製造方法。 - 【請求項5】 触媒スラリーがアルミナを含んでいるこ
とを特徴とする請求項4記載の排気ガス浄化用触媒の製
造方法。 - 【請求項6】 触媒スラリーが多孔質物質を含んでいる
ことを特徴とする請求項4または請求項5記載の排気ガ
ス浄化用触媒。 - 【請求項7】 触媒成分を含む触媒スラリーを担体にコ
ートしたのち、乾燥,焼成する排気ガス浄化用触媒の製
造方法において、 前記触媒スラリーを構成する水に含まれるOH−以外の
陰イオンおよびH+以外の陽イオンの含有量がそれぞれ
50ppm以下である触媒スラリーを用いることを特徴
とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。
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