JP2001310129A - 単層高性能触媒及びその製造方法 - Google Patents
単層高性能触媒及びその製造方法Info
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Abstract
ア/ジルコニア混合酸化物及びジルコニア構成成分から
なる群から選択され、かつ触媒の総白金量の第1の部分
によって触媒化されている少なくとも1つの第1の支持
体材料、および総白金量の第2の部分及びロジウムによ
って触媒化されている、第2の活性アルミナである第2
の支持材料、からなる単層高性能触媒により解決する
Description
種々の酸化物材料を含んでいる触媒被覆物を不活性キャ
リヤー本体上に含有する単層高性能三元触媒(TWC)
に関する。
に含有されている汚染物質、一酸化炭素(CO)、炭化
水素(HC)及び窒素酸化物(NOx)を無害物質に変
換するために使用される。良好な活性や持続性を有する
既知の三元触媒は、高表面積の耐熱酸化物支持体、例え
ば高表面積アルミナ上に沈着させた白金、パラジウム及
びロジウムのような白金族金属から得られる1つ又はそ
れより多くの触媒構成成分を使用する。上記支持体は通
常、適当なキャリヤー又は支持体、例えば耐熱セラミッ
ク又は金属ハネカム構造を構成しているモノリスのキャ
リヤー上に薄層又は被覆物の形態で担持されている。
ず増大しているため、キャリヤー構造上に複数の触媒層
を含んでおりそしてこれらの各層が選択された支持体材
料及び触媒構成成分並びにいわゆるプロモーター、安定
化剤及び酸素貯蔵化合物を含有している複雑な触媒設計
物に進展してきた。
に異なる層を適用するために、微細分割形態の支持体材
料及び任意に付加的な可溶性構成成分を含んでいるいわ
ゆる被覆分散体、被覆組成物又はウォッシュコート(wa
shcoat)組成物が製造される。上記被覆組成物の液体相
は好ましくは水である。この被覆組成物を使用して上記
キャリヤー構造上に上記触媒被覆物を適用する。上記被
覆物を適用する技術は当該分野の専門家に周知である。
次に、この新鮮な被覆物を乾燥しそしてか焼して被覆物
を固定しそして上記被覆組成物の任意の可溶性構成成分
をそれらの最終的な不溶性形態に変換する。
層に専用の被覆組成物を提供しなければならない。これ
は製造コストを高騰させる。それ故、本発明の1つの目
的は精巧な多層触媒の触媒特性に近似する単層触媒を設
計することである。
パラジウム及びロジウムを使用する。白金及びパラジウ
ムは主として炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)
の酸化を促進しそして触媒中に同時に又は代替的に存在
することができる。ロジウムは主として窒素酸化物(N
Ox)の還元を促進する。白金とパラジウムは或る程度
まで互いに取り替えることができるが、これはロジウム
には当てはまらない。最も最近の法的排気ガス基準で公
布された排気ガス清浄化効率は白金及びパラジウムのう
ちの1つ又はこれらの両方と一緒にロジウムを使用する
ことによってのみ妥当な値段で達成できる。
ゆる燃料カット劣化によって不利益を被ることが観察さ
れた。燃料カット劣化の用語は、内燃エンジンの高負荷
運転後の燃料カットによる触媒の性能低下を言う。この
ような状況は、高速駆動相中に急激な減速が要求される
ときにしばしば生じる。高速駆動相中では、エンジンは
理論値を僅かに下回る空燃比で運転される。排気ガスは
正に900℃を超える温度に達し、そして更には触媒で
の発熱変換反応のためにより高い触媒温度さえ生じる可
能性がある。急激な減速の場合には、現代の自動車電子
技術ではエンジンへの燃料供給が完全に停止し、その結
果排気ガスの標準化された空燃比(ラムダ値λとも呼ば
れる)はファット値からリーン値に急激に変動する。
ット値からリーン値に上記のように大きく振れると触媒
活性が低下する。触媒活性は理論的又はリッチな排気ガ
ス条件下で長期間運転することによって少なくとも一部
分回復させることができる。燃料カット劣化後における
触媒活性の回復が速ければ速いほど、全体的な触媒性能
はより良好になる。それ故、燃料カット劣化後の触媒活
性の回復速度を高めることは現代の三元触媒の至上命題
である。
カット劣化に対する抵抗がより高い触媒を提供すること
である。即ち、リーン排気ガス条件下での高温劣化後
に、この触媒は完全な三元効率を速やかに回復するであ
ろう。燃料カット劣化の減少はこの触媒の全体的な動的
挙動も改善するであろう。
ミナ上に5:1の質量比の白金及びロジウムと更に酸化
セリウム、酸化バリウム及び酸化ジルコニウムを含んで
いる単層三元触媒を開示している。構成成分のこの組み
合わせは、触媒が900〜1100℃の高温に暴露され
た後であっても、優れた触媒活性を維持するために非常
に有効であると言われている。
ナ上に5:1の質量比の白金及びロジウムと更に酸化セ
リウム及び1:99から25:75の間のセリア対ジル
コニア質量比を有するセリアで安定化した共沈殿ジルコ
ニアを含んでいる単層三元触媒を記載している。上記の
セリア安定化共沈殿ジルコニアを三元触媒に添加すると
高温劣化後の低温での触媒活性を高めると言われてい
る。
散されたロジウム構成成分を有する同時形成希土類酸化
物−ジルコニアと上部に分散された白金構成成分を有す
る第1の活性アルミナの組合せ物を含んでいる単層触媒
を開示している。この触媒は第1のアルミナ支持体上に
分散された第2のロジウム構成成分を含んでいることが
できる。或いは、この第2のロジウム構成成分は第2の
アルミナ構成成分上に分散されていることができる。
が良好であるとの理由で、三元触媒中の白金をパラジウ
ムで完全に置換する傾向を見ることができよう。高いパ
ラジウム装填で優れた触媒活性を示すパラジウム/ロジ
ウム及び白金/パラジウム/ロジウム三元触媒が開発さ
れている。一方、パラジウムに対する高い需要は、パラ
ジウム価格の高騰に結びつく世界的なパラジウム不足を
もたらした。現在、パラジウムは白金より高価である。
それ故、本発明のなおもう1つの目的は、パラジウムと
ロジウムを含有する触媒と比較して金属コストはより廉
価であるが同等な触媒活性を有する白金とロジウムを使
用する触媒を提供することである。
る目的は不活性キャリヤー本体上に白金、ロジウム及び
種々の酸化物材料を含んでいる触媒被覆物を含有する単
層高性能触媒によって達成される。
コニア混合酸化物及びジルコニア構成成分からなる群か
ら選択され、かつ上記触媒の総白金量の第1の部分によ
って触媒化されている少なくとも1つの第1の支持体材
料、および b) 上記総白金量の第2の部分及びロジウムによって
触媒化されている、第2の活性アルミナである第2の支
持材料、を含んでいることを特徴としている。
る」とは、この材料がその表面に触媒的に活性の構成成
分、例えば白金、ロジウム又はパラジウムを高度に分散
化された形態で担持していることを意味する。
A2を有する本発明者の同時係属中のヨーロッパ特許を
基礎としている。この出願は不活性キャリヤー本体上
に、支持体材料上に沈着された白金族からの貴金属を含
んでいる内層及び外層を有する二層触媒を開示してい
る。上記内層においては白金が第1の支持体上と第1の
酸素貯蔵構成成分上に沈着されており、そして外層にお
いては白金及びロジウムが第2の支持体上に沈着されて
おり、そしてこの第2の層は更に第2の酸素貯蔵構成成
分を含んでいる。
媒は当該技術水準のパラジウム及びロジウム含有三元触
媒と比較して優れた触媒特性を示す。本発明は、製造コ
ストを下げるために単層触媒設計で同様な触媒特性に到
達するように試みている。
用の支持体材料上に配置することによって、燃料カット
劣化の減少並びに動的挙動及び触媒活性の改善が得られ
る。本発明の触媒の優れた触媒活性によって、当該技術
水準の三元パラジウム/ロジウム触媒と比肩可能な触媒
活性を依然として維持しながら、高価な金属装填を減少
させることが可能になる。これによって慣用の触媒と比
較して高価な金属のコストが低下する。
白金と密接に結合していることが本発明の必須の特徴で
ある。これは、総白金量の第2の部分とロジウムとを同
一の微粒子支持体材料、即ち第2の活性アルミナ上に沈
着させることによって達成される。
劣化に対する感度が低下する理由は、標準化された空燃
比が高い触媒温度でファット値からリーン値まで大きく
振れるために特にロジウムの触媒活性が低下することに
あると思われる。理論的又はファット排気ガス条件下で
は、ロジウムは三元触媒作用の最も有効な状態であるほ
ぼ酸化状態ゼロにまで還元される。リーン排気ガス及び
高い触媒温度では、ロジウムは+3の酸化レベルまで酸
化される。ロジウムのこの酸化状態は汚染物質の三元変
換にはより不活性である。更に、Rh2O3は結晶学的
構造がAl2O 3と同形なので、600℃を超える温度
ではアルミナ又は一般的組成M2O3(Mは金属原子を
表す)の他の同形支持体酸化物の格子内に移動し、その
結果触媒活性が永久的に低下する可能性がある。
戻ったとき、触媒活性を回復しそしてアルミナ格子内へ
のロジウムの損失を回避するために、ロジウムはできる
だけ速やかに還元されなければならない。本発明の現在
の理解によれば、酸化状態ゼロへのロジウムの還元は白
金によって触媒される。白金とロジウム間の接触がより
密接であればあるほど、この還元効果はより良好であ
る。
に移動する傾向はこれら酸化物の適当なドーピングによ
って制限することができる。還元条件下で活性水素を発
生し得るドーピング構成成分が有益である。活性水素は
還元条件下で酸化ロジウムが金属形態に一層速やかに変
換するのを助長するので、Rh2O3が支持体酸化物内
に移動する危険性は更に小さくなる。この目的に適する
ドーピング構成成分は酸化セリウム(セリア)である。
しかし、セリアは酸素貯蔵及び放出能力も示すので、セ
リアでドーピングする量は支持体酸化物中の高すぎるセ
リア値によってロジウムの酸化を促進しないように低く
保持しなければならない。
貯蔵構成成分を適切に選択することによって達成され
る。セリアが酸素貯蔵能力を示すことは良く知られてい
る。リーン排気ガス条件下では、セリウムはその酸化状
態Ce4+に完全に酸化される。リッチ排気ガス条件下
では、セリアは酸素を放出しそしてCe3+の酸化状態
を獲得する。酸素貯蔵化合物として純粋なセリアを使用
する代わりに、本発明ではセリアに富むセリア/ジルコ
ニア混合酸化化合物を使用する。セリアに富むという用
語は50質量%より多くのセリアを含有する材料を意味
する。混合酸化物の総質量に対して60から90質量%
までのセリア濃度が好ましい。20〜200m2/gの
比表面積を有するような材料が利用可能であり、そして
このような材料は表面領域の良好な温度安定性を示す。
この材料はUS5712218中に開示されているよう
にCeO2型の立方晶質を有することが公知である。更
なる改善はプラセオジミア、イットリア、ネオジミア、
ランタナ、酸化ガドリニウム又はこれらの混合物で上記
材料を安定化することによって得ることができる。プラ
セオジミア、ネオジミア、ランタナ又はこれらの混合物
を使用してセリアに基づく酸素貯蔵材料を安定化するこ
とはドイツ特許出願DE19714707A1に記載さ
れている。プラセオジミアによるセリア/ジルコニア混
合酸化物の安定化は非常に好ましい。
金量の第2の部分はロジウムと密接に接触している。こ
れは燃料カットオフ相中に形成された酸化ロジウムを元
の低い酸化状態に還元するのを助長する。この任務を遂
行するためには、1:1の白金とロジウム間の質量比が
最も有効である。それにも拘わらず、この1:1の比率
から、3:1から1:5の間に離れても依然として良好
な触媒活性が得られることが証明されている。この質量
比は第2の活性アルミナ上に一緒に沈着されている白金
とロジウムに有効であるが、本発明触媒中の全体的な白
金/ロジウム質量比は10:1から1:5の間、好まし
くは10:1から1:1の間で変動することができ、
3:1が最も好ましい。
0.5〜10質量%のイットリア、セリア、ネオジミ
ア、ランタナ、プラセオジミア、酸化ガドリニウム又は
これらの混合物で場合により安定化されていてよいジル
コニアであってよい。或いは、ジルコニア構成成分は、
触媒の総酸素貯蔵容量の十分な割合を提供するために十
分量でセリアを添加することにより、酸素貯蔵機能が装
備されていてもよい。このジルコニア構成成分のセリア
含量はジルコニア構成成分の総質量に対して1質量%を
上回る量から50質量%未満までで変動していてよい。
そのような材料はいわゆるジルコニア/セリア混合酸化
物として市販されている。“ジルコニア/セリア”の最
初の場所に“ジルコニア”があるということは、ジルコ
ニアがセリアの量と少なくとも同じ量で、しかし一般に
は多量に存在するということを示す。そのようなジルコ
ニア構成成分は更に上記の安定化剤、すなわちイットリ
ア、ネオジミア、ランタナ、プラセオジミア、酸化ガド
リニウム又はこれらの混合物で、ジルコニア及びセリア
の範囲にわたって、安定化されていてよい。こうして、
ジルコニア構成成分の全組成は、ジルコニア99.5か
ら45質量%まで、及びセリア、イットリア、ネオジミ
ア、ランタナ、プラセオジミア、酸化ガドリニウム又は
これらの混合物0.5〜55質量%を有していてよく、
その際ジルコニアはセリアの量と同じか又はそれ以上の
量で存在する。
を形成する。第2の支持材料に対して第1の支持材料の
質量範囲は1.1:1〜20:1の範囲である。第1の
支持体材料(活性アルミナ、セリア/ジルコニア混合酸
化物及びジルコニア構成成分又はこれらの混合物から選
択される)上の触媒の総白金量の第1の部分の濃度は、
触媒化される材料の総質量に対して0.01から5質量
%の間、好ましくは0.05から1質量%の間の範囲で
ある。これとは反対に、第2の支持材料(第2の活性ア
ルミナ)上の白金とロジウムを合わせた濃度は好ましく
はより高く、そして第2の支持体材料の質量に対して
0.5から20質量%の間であり、1から15質量%の
間の濃度が好ましい。全体としては、白金とロジウムが
一緒になって、触媒被覆物の総質量に対して0.02〜
10質量%の濃度で、触媒被覆物中に存在している。
は、貫通して延びている多数の実質的に平行な通路を有
するハネカム・モノリスの形態である。上記通路は隔壁
で区画されており、そしてこれら隔壁上に触媒被覆物が
適用される。
の排気ガス用流路として機能する。これらの通路を流れ
るとき、排気ガスは触媒被覆物と密接に接触し、そして
それによってこの排気ガス中に含有されている汚染物質
は無害の生成物に変換される。上記キャリヤー本体は当
該技術分野で周知であるような任意の適当な材料、例え
ば金属又はセラミック材料から製造することができる。
これらの通路はキャリヤー本体の断面全体に亘って規則
的なパターンで配列される。いわゆるセル密度(横断面
積当たりの通路)は10から200cm−2の間で変動
することができる。他の適当なキャリヤー本体は開口セ
ルフォーム構造を有していることができる。金属又はセ
ラミックフォームを使用することができる。
の量でキャリヤー本体に適用される。有利には、上記触
媒被覆物は0〜150g/l、好ましくは20〜150
g/lの上記第1の活性アルミナ及び10〜100g/
l、好ましくは20〜100g/lの上記セリア/ジル
コニア混合酸化物構成成分を含んでいる。上記ジルコニ
ア構成成分は0〜80g/l、好ましくは5〜60g/
lの濃度で存在することができる。
蔵容量が必要とされる。触媒の酸素貯蔵容量は第1に上
記セリアに富んだセリア/ジルコニア構成成分により供
給される。ジルコニア構成成分も少量で、触媒の全体的
な酸素貯蔵容量にある程度の量を提供することができ
る。しかし、触媒の有利な実施態様においては、触媒の
酸素貯蔵容量はもっぱらセリアに富んだセリア/ジルコ
ニア混合酸化物をベースとしている、ここではジルコニ
ア構成成分は純粋なジルコニア材料又は上記の安定化剤
0.5〜10質量%で安定化されたジルコニアである。
は5から50g/lの間で選択される。最も好ましい実
施態様では、上記第1及び第2の活性アルミナは同一の
ものでありそして50から200m2/gの間の比表面
積を有しておりそして0.5〜25質量%のランタナ、
セリア、イットリア、ネオジミア、酸化ガドリニウム又
はこれらの混合物で安定化されている。上記酸素貯蔵構
成成分は有利には、60〜90質量%のセリアを含有す
るセリアに富むセリア/ジルコニア混合酸化物から選択
され、そして0.5〜10質量%のプラセオジミア(P
r6O11)で付加的に安定化されている。
は、上記触媒被覆物は約1から30g/lまでのニッケ
ル、鉄又はマンガン構成成分を更に含んでいることがで
きる。
は、触媒の最終的な触媒活性のために重要である。一般
に、これらの材料の表面積は10m2/gを越えている
べきである。上記材料の表面積は該分野においてはいわ
ゆる比表面積又はBET表面積である。上記材料の表面
積は有利に、50m2/gより大きく、最も有利には1
00m2/gより大きい。表面積140m2/gを有す
る活性アルミナが適当である。セリア又はセリア/ジル
コニア混合酸化物をベースとする酸素貯蔵構成成分は8
0m2/g〜200m2/gまでの表面積で利用するこ
とができ、か焼の状態に依存して提供される。これ以外
にも、表面積が10m2/g未満の、いわゆる低表面積
セリア材料を使用することもできる。100m2/gを
有するジルコニア材料も適当である。
説明するために提供する。
のアルミナ、セリア/ジルコニア及びジルコニアを有す
る単層触媒の実施態様の構造を図示する。
ナ、セリア/ジルコニア及びジルコニアのみを有する単
層触媒の第2の実施態様の構造を図示する。
カット劣化の概略図表を示す。
有する触媒被覆物の第1の実施態様の断面図を示す。上
記触媒被覆物は不活性キャリヤー上に沈着されている。
上記触媒の異なる支持体材料は異なる幾何学模様体で符
号化されている。第1のアルミナ(六角形で表されてい
る)、セリア/ジルコニア(楕円形で表されている)及
びジルコニア(八角形で表されている)上には白金だけ
が沈着されている。白金結晶体は小さな円で符号化され
ている。第2のアルミナ上には白金とロジウムが沈着さ
れている。ロジウム結晶体は小さな菱形で符号化されて
いる。本発明の触媒においては、白金とロジウムは互い
に密接に接触している。この事実を視覚化するために、
白金とロジウム結晶体は図1では対にして配列されてい
る。この対にした配列は説明の目的のためだけであっ
て、本発明の範囲を制限するようには意図されていな
い。白金とロジウム間の実際の関係は製造方法に依存し
ており、そして密接に隣接した白金とロジウム結晶体に
よって同一のアルミナ粒子上に単離されている白金及び
ロジウム結晶体から真の白金/ロジウム合金までで変動
することができる。
は密接に隣接した白金とロジウム結晶体及び真の白金/
ロジウム合金によって達成されるものと期待される。
れ白金及び白金/ロジウム用の支持体として使用してい
るが、白金を支持している第1のアルミナは、白金がセ
リア/ジルコニア及びジルコニア構成成分によっても支
持されているので、省略することができる任意の構成成
分であると理解すべきである。本発明の触媒のそのよう
な実施態様は図2に示す。図2では、触媒層は第1のア
ルミナ構成成分を包含していない。
ができる。これら方法のうちの幾つかを以下に記載す
る:上記触媒キャリヤーの通路に触媒被覆物を適用する
ために、特定の触媒化されている微粒子支持体材料を含
む水性被覆組成物で上記触媒キャリヤーを被覆すること
ができる。上記被覆組成物は本発明の文脈内では被覆分
散体とも呼ばれよう。このような被覆組成物で触媒キャ
リヤーを被覆する技術は当該分野の専門家に良く知られ
ている。次に、上記被覆物を乾燥しそして空気中でか焼
する。乾燥は好ましくは150℃までの高温で実施され
る。上記被覆物をか焼するためには、200から500
℃までの温度を0.5から5時間までの期間適用すべき
であろう。
体材料はそれぞれの貴金属によって触媒化されなければ
ならない。上記支持体材料を白金だけで触媒化するため
には、白金の前駆体化合物を含有する溶液での含浸のよ
うな慣用の技術を使用することができる。白金前駆体化
合物が選択した溶媒に可溶性でありそして空気中高温で
加熱されると金属に分解する場合、任意の白金前駆体化
合物を使用することができる。これら白金化合物の代表
例はクロロ白金酸、クロロ白金酸アンモニウム、四塩化
白金水和物、ジクロロカルボニル二塩化白金、ジニトロ
ジアミノ白金、硝酸白金及びアミン可溶化水酸化白金で
ある。塩素含有量が低いか又は含有していない前駆体化
合物が好ましい。メチルエタノールアミン白金(IV)
ヘキサヒドロキシド((MEA)2Pt(OH)6)や
エタノールアミン白金(IV)ヘキサヒドロキシド
((EA)2Pt(OH)6)のようなアミン可溶化白
金化合物が特に好ましい。これらの陰イオン性白金コン
プレックス化合物は高分散の白金金属沈着物を生成する
ことが知られている。含浸後に、支持体材料は高温で乾
燥しそして空気中200から500℃の間の温度でか焼
して白金を支持体上に熱的に固定する。次に、このよう
にして触媒化された材料は好ましくは水中に分散されて
第1の分散体が得られる。
のに好ましい方法においては、支持体材料をいわゆる注
入含浸法で含浸する。注入による含浸方法はドイツ特許
出願DE19714732A1及びDE1971470
7A1中に記載されている。この目的のためには、上記
支持体材料を水中に分散しそしてその後白金の塩基性前
駆体化合物の溶液、有利に(EA)2Pt(OH)6の
溶液を上記分散体中に徐々に注入する。その際、分散液
のpH値は塩基範囲に上昇される。次に、白金は上記分
散体のpH値を酢酸で適切に調節することによって上記
微粒子材料上に沈降する。沈降は分散体のpH値が低下
を開始するときに開始する。一般にpH7を下回るpH
値が沈降を完結するために必要である。注入しそして沈
降させている間、上記分散体は連続的に攪拌して、注入
された溶液を上記分散体の全体容積に亘って均質に急速
に分布させる。この方法によって沈降した白金化合物は
確実に上記支持体材料上にしっかり付着するので、上記
した乾燥及びか焼による熱的固定はもはや必要でない。
この方法で得られる分散体は上記した第1の分散体とし
て直接使用することができる。
性アルミナは、上記支持体を白金及びロジウムの可溶性
前駆体化合物の水溶液で含浸し、そしてこの含浸した支
持体を乾燥してか焼することによって調製される。白金
の適当な前駆体化合物は既に上記したものである。ロジ
ウムの前駆体としては、ヘキサアミン塩化ロジウム、三
塩化ロジウム、カルボニル塩化ロジウム、三塩化ロジウ
ム水和物、硝酸ロジウム及び酢酸ロジウムを有利に使用
することができるが、硝酸ロジウムが好ましい。
駆体で任意の順序で連続的にか又は1つの共通の溶液か
ら同時に含浸させることができる。このようにして触媒
化された活性アルミナを乾燥しそしてか焼して、その上
部に白金とロジウムを固定する。次に、この材料を水中
に再分散して第2の分散体が得られる。次いで第1及び
第2の分散体を一緒に合わせて最終被覆組成物が得られ
る。
金とロジウム間のできるだけ密接な接触を得ることが非
常に望ましい。これは、上記した注入沈降法で上記支持
体材料上に先ず白金を、そしてその後ロジウムを沈着さ
せることによって最も良好に達成されることが見いださ
れた。この目的のためには、白金の塩基性前駆体化合
物、有利にはエタノールアミン白金(IV)ヘキサヒド
ロキシドのようなアミン可溶化白金を、上記分散体のp
H値を酢酸で6〜8の値に適切に調節することによって
沈降させる。白金を沈降させた後、上記支持体を乾燥し
たりか焼したりしないで、その後ロジウムの酸性前駆体
化合物、例えば硝酸ロジウムの溶液からロジウムを直接
沈降させる。
及びロジウムを有する第2の分散体は、水中に活性アル
ミナを分散させ、そしてその後白金のアミン可溶化前駆
体化合物の水溶液を上記被覆分散体中に注入することに
よって調製される。白金のアミン可溶化前駆体化合物は
上記活性アルミナ上に容易に吸着される。その後、ロジ
ウムの酸性前駆体化合物の水溶液をこの分散体中に注入
し、そしてその後この分散体のpH値を適切に調節して
白金及びロジウム化合物を上記第2の活性アルミナ上に
固定する。次に、この第2の分散体を上記第1の分散体
と一緒に合わせて、触媒の最終被覆組成物が得られる。
施例により更に詳細に説明する。次の実施例の全ての触
媒のために、コージュライトからなるハネカムキャリヤ
ーが使用された(直径10.16cm;長さ15.24
cm;セル密度62cm- 2)。種々のウォッシュコー
ト構成成分の濃度又は担持量はキャリヤーの容積に対し
てリットル当たりのgの量で示す(g/l)。
するような触媒被覆物でハネカムキャリヤーを被覆する
ことにより製造した。最終的な被覆物は白金対ロジウム
の質量比5:1および全貴金属の担持量1.41g/l
(40g/ft3)からなる。酸化物ウォッシュコート
構成成分(oxidic washcoat components)の濃度は16
0g/lであった。この触媒を以下にC1と示す。
溶液に、セリウムに富む酸素貯蔵構成成分(セリア70
質量%、ジルコニア30質量%、表面積:200m2/
g)を添加した。アンモニアを制御しながら注入しそし
て約30分間攪拌して、酢酸プラセオジムをセリア/ジ
ルコニア上に沈降させた。続いて、安定化したアルミナ
(La2O33質量%、Al2O397質量%、表面
積:140m2/g)及びバルク状ジルコニア(表面
積:100m2/g)を添加した。この後、(EA)2
Pt(OH)6の溶液を上記スラリー中に注入し、そし
てこの分散体のpH値を酢酸で適切に調節することによ
って白金をセリア/ジルコニア及びジルコニア上に沈降
させた。
(La2O33質量%、Al2O397質量%)を水中
に分散した。その後、塩化物不含の白金塩((EA)2
Pt(OH)6)を注入し、そしてこれはアルミナ上に
容易に吸着された。その後硝酸ロジウムを注入した。p
H値を酢酸で調節することによって上記触媒構成成分は
共に支持アルミナ上に固定された。
した。キャリヤーをこの組成物で浸漬被覆により被覆
し、乾燥し、かつ空気中で500℃でか焼した。この触
媒の種々の成分の相互の配置を以下に示す。数値はキャ
リヤー容積に対する被覆組成物の濃度g/lを示す。第
1の分散体の製造の際のセリア/ジルコニア上へのプラ
セオジムの沈降は被覆物のか焼後に酸化プラセオジムで
安定化したセリア/ジルコニア(CeO2/ZrO2/
Pr6O11)となる。この材料のセリア/ジルコニア
濃度は51.7g/lであり、一方プラセオジミアの濃
度は4.3g/lであった。
被覆物の構成を示し、第4行は第2の分散体から生じる
構成を示す。
許公開番号EP−出願番号EP1046423A2を有
する同時係属中のヨーロッパ特許出願の実施例1による
二層触媒と比較した。この触媒は本発明の触媒に類似す
る組成を有している。これは、白金だけで触媒化された
支持体材料が第1の層に配列されておりそして白金とロ
ジウムで触媒化されたアルミナが更なる構成成分と一緒
に第2の外部層に配列されている点で本発明の触媒と異
なっている。
ムの溶液に、セリウムに富む酸素貯蔵構成成分(セリア
70質量%、ジルコニア30質量%)を添加した。アン
モニアを制御しながら注入しそして約30分間攪拌し
て、酢酸プラセオジムをセリア/ジルコニア上に沈降さ
せた。続いて、安定化したアルミナ(La2O33質量
%、Al2O397質量%)及びバルク状ジルコニアを
添加した。この後、白金溶液((EA)2Pt(OH)
6)を上記スラリー中に注入し、そしてこの分散体のp
H値を酢酸で適切に調節することによって白金をアルミ
ナ、ジルコニア及びセリア/ジルコニア上に沈降させ
た。
ャリヤーをスラリー中に浸漬して第1の層を適用した。
完全なウォッシュコート取込みは乾燥及び空気中500
℃でのか焼後160g/lであった。
ミナ(La2O34質量%、Al2O396質量%)を
水中に分散した。その後塩化物不含の白金塩((EA)
2Pt(OH)6)を注入し、そしてこれはアルミナ上
に容易に吸着された。その後、硝酸ロジウムを注入し
た。pH値を調節することによって、両触媒構成成分は
支持アルミナ上に固定された。
アルミナ、酢酸プラセオジム及びセリアに富む酸素貯蔵
構成成分(セリア70質量%、ジルコニア30質量%)
を導入した。
ラリーのpHを概ね6に調節しそして粉砕した。第2の
層の総ウォッシュコート取込みは70g/lであった。
この触媒を乾燥しそして空気中500℃でか焼した。
濃度を以下に明示する:
化されたセリア/ジルコニアは実施例1に記載されたセ
リア/ジルコニア対プラセオジミアと同じ質量比(5
1.7/4.3)を有した。第2の層において、酢酸プ
ラセオジミアはこの層の全ての構成成分に関して含浸さ
れた。
/1Rhであった。白金及びロジウムの総含有量は、5
Pt/1Rhの質量比(両層を組み合わせた質量比)で
1.41g/l(1.175gのPt/l及び0.23
5gのRh/l)であった。この比較触媒を以下にCC
1と呼ぶ。
媒(これらは共に以下では「試料触媒」と呼ぶ)のライ
トオフ(light off)温度を、V8内燃エンジン(8気
筒エンジン;排気量5.3l)を有する車両で試験し
た。このエンジンの排気ガスシステムに連続した2つの
排気ガスコンバーターを装備した。第1のコンバーター
はエンジンに近接して連結し、一方第2のコンバーター
は床下に配列した。
は、9.3cm(3.66インチ)の直径及び6.35
cm(2.5インチ)の長さで0.431lの容積を有
するパラジウムだけの触媒を装備した。上記試料触媒
は、近接して連結した触媒と同じ直径であるが11.4
3cm(4.5インチ)の長さで0.776lの容積を
有していた。2つの試料触媒は各々個々の床下コンバー
ター内に配置した。
触媒を有する床下コンバーターは先ず、米国環境保護庁
(EPA)によって認定されたモータ試験スタンドで劣
化手順に65時間付した。最大コンバーター入力温度は
850℃であった。この劣化手順は80000kmの通
常の駆動サイクルと等価であることが知られている。
ターを試験車両に対して1回に1個取り付けた。その
後、エンジンをFTP75試験サイクルに従って作動さ
せた。3つの全てのバッグに集めた排出物を第3表に示
す。一酸化炭素排出物は、現行及び将来の全ての排出限
界を依然としてはるかに下回っていたので表記していな
い。
を製造した。実施例1と異なるのは、触媒を全体を構成
する白金対ロジウムの質量比を2:1で製造し、一方第
2のアルミナ上の白金対ロジウムの質量比を1:1に保
持した。乾燥し、かつか焼した後の最終ハネカム触媒は
酸化物構成成分(oxidic components)160g/lお
よび白金+ロジウム1.06g/l(30g/ft3)
の被覆物濃度を有した。この触媒をC2として以下に示
す。触媒C2の種々の構成成分相互の配置及び濃度(g
/lキャリヤー容積)を以下に明示する:
支持する材料として、ランタン、ジルコニア微粒子およ
びセリア/ジルコニア微粒子で安定化した活性アルミナ
を使用する。
化されていない活性アルミナとセリア微粒子をベースと
する。酢酸セリウムおよび酢酸ジルコニウムを付加的に
被覆分散体に添加し、これは触媒被覆物をか焼する際に
この触媒全体に均質に分散するセリアおよびジルコニア
に変換する。
するために、比較触媒CC2を以下のように製造した:
活性アルミナ(表面積140m2/g)およびセリア微
粒子(10m2/gを有する低表面積材料)を水中に分
散した。酢酸セリウムおよび酢酸ジルコニウムを添加し
た後、得られた被覆分散体をハネカムキャリヤーの被覆
に使用した。このように製造した支持層を乾燥し、かつ
か焼し、次いで白金テトラアミンニトレートおよび硝酸
ロジウムの共有溶液を使用して白金およびロジウムで同
時に含浸した。この含浸した被覆物を再び乾燥し、か焼
した。
よび濃度を以下に明示する:
比較触媒を以下のように製造した:実施例2の触媒の全
ての酸化物構成成分を先ず実施例2に記載されているよ
うに白金で触媒化し、次いで水中に分散し、ハネカムキ
ャリヤー上に被覆した。この被覆物を乾燥し、かつか焼
した。次いで生じた、触媒層を更に硝酸ロジウムで含浸
し、乾燥し、かつか焼した。この比較触媒は触媒C2の
構成体と同じ全体濃度を有した。唯一の差異は、支持材
料に関しておよび相互に関して、の白金とロジウムの配
置にある。
よび濃度を以下に示す:
比較触媒はすでに実施例1および2に概要を記載した方
法を用いて製造した。比較触媒CC4は触媒C2の構成
体と同じ全体濃度を有した。実施例2との差異は白金お
よびロジウムが以下に記載するように異なる支持材料上
に配置されていた:
評価: 燃料カット劣化法 4種の触媒に最初に排気量2.8lのエンジン上でいわ
ゆる燃料カット劣化(fuel-cut aginge)を7時間の間
行った。このエンジンの排気システムは4種全ての触媒
を並行して劣化させることを可能とする特別なアダプタ
ーを装備した。
ル4回からなった。それぞれのサイクルは図3に示すよ
うな2つの相からなる。相Iの間、触媒にシュミレーシ
ョンの燃料カット条件75サブサイクルを実施した。そ
れぞれのサブサイクルの間、触媒の前面の排気ガス温度
をエンジンの負荷の増大に応じて、850℃の値に調節
した。エンジンをラムダ値1で運転した(stoichiometr
ic operation;理論運転)。理論運転の360秒の開始
相の後、燃料供給を60秒毎に5秒間中断し、こうして
ラムダ値を1から2.5にジャンプさせた。燃料カット
は触媒の高い酸化への暴露を惹起し、高い排気ガス温度
での排気ガス条件に傾ける。理論運転の間、触媒での温
度は、触媒での発熱反応により80℃〜100℃で上昇
した。75サブサイクルのそれぞれが625秒間負荷し
た。
合物での触媒を壊すシュミレーションの12サブサイク
ルからなる。それぞれのサブサイクルの間、排気ガス温
度は3段階で490℃から580℃に、次いで680℃
に増大した。それぞれの段階は10分間の負荷であっ
た。
Oxの変換のためのライトオフT5 0%、およびCO/
NOx動的クロスオーバー点を2lの排気量を有するエ
ンジンで測定した。用語“ライトオフ温度(light off
temperature)”はそれぞれの汚染物質の50%が触媒
により変換される排気ガスの温度を示す。用語“動的ク
ロスオーバー点(dynamic cross-over point)”および
その測定は審査継続中の本発明の発明者によるヨーロッ
パ特許明細書EP1046423A2に詳細に記載され
ている。
ス温度の緩慢な上昇(38K/分)を伴う65000h
- 1の空間速度で実施した。この測定の間、ラムダ値は
±0.5A/F(A/F=空気対燃料比)の振幅及び1
Hzの振動数で調整された。平均ラムダ値を0.999
の値に調節した。
Oxのために同時に達成することのできる最も高い変換
である。このクロスオーバー点が高ければ高いほど、触
媒の触媒活性の動的挙動が良好である。クロスオーバー
点を排気ガス温度400℃で測定した。
の値はいくつかの測定値の平均値である。このクロスオ
ーバー点は僅かにラムダ値の変換方向に依存した。第4
表中に示した値は、リッチからリーンへ及びリーンから
リッチへラムダ値を変換させることから得られた平均値
である。更に、これらの測定値はリーンからリッチへ及
びリッチからリーンへのいくつかのサイクルにわたって
平均した。
が、比較触媒のライトオフ温度とはあまり異なっていな
いライトオフ温度T50%にもかかわらす、その触媒活
性の著しく改良された動的挙動を有することを示してい
る。本発明による触媒及び比較触媒のクロスオーバー変
換の間の差異は、劣化の際の高い排気ガス温度ですら、
より顕著である(例えば触媒の前での850℃の代わり
に950℃)。
にして調製した。
の温度安定性を改良するために、かつ触媒のNOx変換
を改良するために、しばしば酸化バリウムを水酸化バリ
ウムの形で被覆分散体に添加する。燃料カット劣化の条
件下での触媒活性への酸化バリウムの影響を調べるため
に、比較触媒CC5を製造した。CC5は触媒C3の変
種であった。第1の被覆分散体のLa/Al2O3 7
0g/lを60g/lに減少させ、代わりに酸化バリウ
ム10g/lを水酸化バリウムの形で添加した。
200384号明細書の実施例1と同様にして調製し
た。被覆分散体のために、表面積140m2/gを有す
る活性アルミナ、表面積80m2/gを有するセリア、
炭酸ジルコニウム及びジルコニア/セリア混合酸化物
(質量比80/20)を使用した。最終触媒の白金対ロ
ジウムの質量比を2:1にし、酸化物ウォッシュコート
構成成分の総濃度を160g/lに増加させた。触媒の
調製は米国特許第5200384号明細書の実施例1の
概要とできるだけ近づけて実施した。そこに記載されて
いるように、全ての白金及びロジウムは活性アルミナ上
に沈着していた。この目的のためには、(EA)2Pt
(OH)6及び硝酸ロジウムを使用した。
ウム1.06g/l(30g/ft 3);白金対ロジウ
ムの質量比2:1、アルミナ102.4g/l、セリア
38.4g/l;ジルコニア6.4g/l(炭酸ジルコニ
ウム由来)およびジルコニア/セリア12.8g/l。
この触媒の全ての酸化物構成成分の濃度は160g/l
であった。
965243号明細書の実施例1と同様にして調製し
た。被覆分散体のために、表面積140m2/gを有す
る活性アルミナ、表面積80m2/gを有するセリア、
表面積100m2/gを有するジルコニア及び水酸化バ
リウムを使用した。最終触媒の白金対ロジウムの質量比
を2:1にし、酸化物ウォッシュコート構成成分の総濃
度を160g/lに増加させた。触媒の調製は米国特許
第4965243号明細書の実施例1の概要とできるだ
け近づけて実施した。そこに記載されているように、全
ての白金及びロジウムは活性アルミナ上に沈着してい
た。この目的のためには、(EA)2Pt(OH)6及
び硝酸ロジウムを使用した。
ウム1.06g/l(30g/ft 3);白金対ロジウ
ムの質量比2:1、アルミナ85.2g/l、セリア4
8.7g/l;ジルコニア17g/lおよびバリア(bar
ia)(水酸化バリウム由来)9.1g/l。
評価:4種の触媒を前と同様に劣化し、次いで第4表の
結果に関して概要を記載したと同じテスト方法を行っ
た。クロスオーバー変換値を1Hz±0.5A/Fのラ
ムダ調整で400℃で、1Hz±1.0A/Fのラムダ
調整で450℃で実施した。この結果を第5表に示し
た。
媒C3の相当する値より明らかに低い。このことは燃料
カット劣化の条件下に白金への酸化バリウムの有害な影
響に起因する。燃料カット劣化は白金酸白金の形成に導
き、従って触媒活性の減少に導く。このことは燃料カッ
ト劣化後にクロスオーバー点を450℃で検出すること
ができなかった比較触媒CC7に関しても当てはまる。
ア/ジルコニア及びジルコニアを有する単層触媒の実施
態様の構造を示す図である。
コニア及びジルコニアのみを有する単層触媒の第2の実
施態様の構造を示す図である。
図表を示す図である。
Claims (17)
- 【請求項1】 白金、ロジウム及び種々の酸化物材料を
含んでいる触媒被覆物を不活性キャリヤー本体上に含有
している単層高性能触媒において、該触媒被覆物が a) 第1の活性アルミナ、セリアに富むセリア/ジル
コニア混合酸化物及びジルコニア構成成分からなる群か
ら選択され、かつ上記触媒の総白金量の第1の部分によ
って触媒化されている少なくとも1つの第1の支持体材
料、および b) 上記総白金量の第2の部分及びロジウムによって
触媒化されている、第2の活性アルミナである第2の支
持材料、からなることを特徴とする単層高性能触媒。 - 【請求項2】 上記触媒中の全体的な白金/ロジウム質
量比が10:1〜1:5の範囲から選択されることを特
徴とする請求項1に記載の触媒。 - 【請求項3】 白金とロジウムが3:1〜1:5の白金
/ロジウム質量比で上記第2の活性アルミナ上に存在し
ていることを特徴とする請求項1に記載の触媒。 - 【請求項4】 白金とロジウムが上記触媒被覆物中に該
被覆物の総質量に対して0.05〜10質量%の濃度で
存在していることを特徴とする請求項1に記載の触媒。 - 【請求項5】 白金とロジウムが上記第2の活性アルミ
ナ上で相互に密に接触して存在していることを特徴とす
る請求項1に記載の触媒。 - 【請求項6】 上記第1及び第2の活性アルミナが0.
5〜25質量%のランタナ、セリア、イットリア、ネオ
ジミア、酸化ガドリニウム又はこれらの混合物で安定化
されていることを特徴とする請求項1に記載の触媒。 - 【請求項7】 上記のセリア/ジルコニア混合酸化物が
該混合酸化物の総質量に対して60〜90質量%のセリ
アを含有しており、かつプラセオジミア、イットリア、
ネオジミア、ランタナ、酸化ガドリニウム又はこれらの
混合物で安定化されていることを特徴とする請求項1に
記載の触媒。 - 【請求項8】ジルコニア構成成分が0.5〜55質量%
のセリア、イットリア、ネオジミア、ランタナ、プラセ
オジミア、酸化ガドリニウム又はこれらの混合物を含有
し、この際ジルコニアはセリアの量と同じか又はこれを
上回る量で存在していることを特徴とする請求項1記載
の触媒。 - 【請求項9】上記ジルコニア構成成分がジルコニアであ
るか、又は0.5〜10質量%のイットリア、セリア、
ネオジミア、ランタナ、プラセオジミア、酸化ガドリニ
ウム又はこれらの混合物で安定化されているジルコニア
であることを特徴とする請求項8記載の触媒。 - 【請求項10】 上記キャリヤー本体が、貫通して延び
ている多数の実質的に平行な通路を有するハネカムの形
態であり、その際該通路が、上記触媒被覆物がキャリヤ
ー容積1 l当たり約50〜250gの量でその上に適
用されている隔壁によって区画されていることを特徴と
する請求項1から9までのいずれか1項に記載の触媒。 - 【請求項11】 上記第1の活性アルミナが0〜150
g/lの量で存在し、上記セリア/ジルコニア混合酸化
物が10〜100g/lの量で存在し、かつ上記のジル
コニア構成成分が0〜80g/lの量で存在することを
特徴とする請求項10に記載の触媒。 - 【請求項12】 上記第2の活性アルミナが5〜50g
/lの量で存在していることを特徴とする請求項11に
記載の触媒。 - 【請求項13】 上記触媒被覆物が約1〜30g/lの
ニッケル、鉄又はマンガン構成成分を更に含んでいるこ
とを特徴とする請求項12に記載の触媒。 - 【請求項14】 a) 上記の少なくとも1つの第1の
支持材料から水性分散体を製造し、この分散体中に白金
の塩基性前駆体化合物の溶液を注入し、生じた分散体の
pH値を酢酸で7未満とし、 b) 第2の活性アルミナから水性分散体を調製し、こ
の分散体に白金の塩基性前駆体化合物の溶液を注入し、 c) その後、工程b)からの被覆分散体中にロジウム
の酸性前駆体化合物の水溶液を注入し、かつ上記分散体
のpH値を酢酸で6〜8の間の値に調節することにより
白金/ロジウムで触媒化されている第2の活性アルミナ
を取得し、 d) 工程a)及び工程c)から得られる分散体を一緒
に合わせて被覆組成物を取得し、 e) 上記被覆組成物を使用して上記触媒被覆物を上記
モノリスのキャリヤー本体に適用し、かつ f) 上記の被覆されたモノリスのキャリヤーを乾燥し
そしてか焼する、工程を有していることを特徴とする、
請求項1から13までのいずれか1項に記載の触媒の製
造方法。 - 【請求項15】 上記白金の塩基性前駆体化合物が(E
A)2Pt(OH) 6であり、上記ロジウムの酸性前駆
体化合物が硝酸ロジウムであることを特徴とする請求項
14記載の方法。 - 【請求項16】 a)上記の少なくとも1つの第1の支
持材料を白金の可溶性前駆体化合物の水溶液で含浸さ
せ、乾燥し、かつこの含浸した材料をか焼してこの上に
白金を熱的に固定し、 b) 工程a)の白金で触媒化されている材料から水性
分散体を調製し、 c) 上記第2の活性アルミナから水性分散体を調製
し、この分散体中に白金の塩基性前駆体化合物の溶液を
注入し、 d) その後、工程c)からの被覆分散体中にロジウム
の酸性前駆体化合物の水溶液を注入し、かつ上記分散体
のpH値を酢酸で6〜8の間の値に調節することにより
白金/ロジウムで触媒化されている第2の活性アルミナ
を取得し、 e) 工程b)及び工程d)から得られる分散体を一緒
に合わせて被覆組成物を取得し、 f) 上記被覆組成物を使用して上記触媒被覆物を上記
モノリスのキャリヤー本体に適用し、かつ g) 上記の被覆されたモノリスのキャリヤーを乾燥し
そしてか焼する、工程を有していることを特徴とする、
請求項1から13までのいずれか1項に記載の触媒の製
造方法。 - 【請求項17】 上記白金の塩基性前駆体化合物が(E
A)2Pt(OH) 6であり、上記ロジウムの酸性前駆
体化合物が硝酸ロジウムであることを特徴とする請求項
16記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP00106611.7 | 2000-03-28 | ||
EP00106611 | 2000-03-28 |
Publications (2)
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