【発明の詳細な説明】
排ガス浄化用の金含有触媒
発明の背景
本発明は、一酸化炭素および炭化水素の酸化、亜酸化窒素の還元およびオゾン
の分解のための金触媒に関する。内燃機関は、大気中の汚染レベルを増加させる
大きな要因である。このことは、地球規模の都市化に向かう強い傾向の中でいっ
そう悪くなるであろう。今日の産業現場、オフィスビルで働く多くの人々に対す
る作業環境は、一酸化炭素およびその他の有害ガスの許容できない高レベルの大
気汚染にさらされている。我々の日常業務でおびただしく用いられているコンピ
ュータおよびレーザープリンタは、オゾン濃度を危険なレベルに増加させ、作業
環境をいっそう悪化させている。
環境保護と、産業、輸送および日常生活によって引き起こされる汚染を減少さ
せることは、今日の世界が直面している主要な課題である。それを達成するため
に、既存技術の改善、産業において新しく、より有効な方法の導入、汚染減少の
ためのより厳しい法制化などの様々な方法が用いられている。
先行技術の触媒
燃焼エンジンからの有害ガスの排出の削減は、白金族金属(PGM触媒)の使
用によって達成することができる。しかし、この触媒は、300℃より高い温度
で満足に機能する。排ガスに対して一般的な水分および二酸化硫黄は、より低い
温度で白金族金属の性能に重大な影響を及ぼす。燃焼エンジンからの有害ガスの
80%が、従来の触媒が有効ではないエンジンコールドスタート中、すなわち、
最初の3〜5分中に排出されるという事実は知られている。白金族金属ベースの
触媒は、排ガスの温度がガソリン乗用車からの排ガスの温度より低いジーゼル車
の場合、いっそう効力が劣る。総微粒子物質、CO、HCおよびNOxの転化(
四方向触媒)は、将来におけるジーゼル車用途に対する重要な課題と考えられる
。さらに、白金族金属触媒の高い使用温度のために、白金族金属触媒は、ビル、
航空機および産業現場における大気汚染に対して適さない。
金は白金族金属(PGM)より触媒としてずっと活性が低い活性種と昔から考
えられてきた。最近の文献における刊行物によると、金は、還元性酸化物上に高
度に分散された時、COの低温酸化に対して活性でありうることが示された。し
かし、文献において示された金含有触媒は、12%までの金濃度で高価すぎるか
、あるいは使用条件に対して一般的なより高いガス流速において転化が劣ること
が示されている。従って、これらの触媒は、産業用途に適さず、商業的な真の価
値をもたない。
例えば、ドイツ特許第3914294号明細書において、アルミナおよびアル
ミノ珪酸塩も含む酸化鉄含有支持体上に金を担持した触媒が記載されている。し
かし、この触媒は、より速い空間速度において一酸化炭素の転化が劣っており、
水分および二酸化硫黄によって重大な影響を受ける。文献に記載され、酸化コバ
ルト、酸化チタンおよび酸化鉄上に担持された金触媒の例は、M.Harutaらによ
る”Mechnistic studies of CO oxidation on highly dispersed gold catalyst
s for use in room temperature air purification”,Proceedings of the 10t
h International Congress of Catalysts 19-24 July 1992,Budapest,Hungary
(2657-2660)、およびH.Kageyamaらによる”XAFS studyies of ultra-fine gol
d catalyst supported on hematite prepared from coprecipitated precursors
”,Physica B 158(1989)183-184である。
発明の要約
本発明によると、酸化および還元同時反応のための触媒は、クロム、銅、コバ
ルト、マンガン、鉄またはこれらの金属の混合物から選択される遷移金属の還元
性酸化物と金とを含む錯体を上に取り込んだ多孔性混合酸化物支持体からなる。
金の濃度は、活性成分中の金属の総濃度が触媒の総重量の10%を超えてはなら
ない時、0.1〜2.5%、好ましくは1.5%未満、である。
金−還元性酸化物錯体は、化学的および物理的結合を含み、混合酸化物支持体
に結合されている。
触媒組成物の支持体は、一般に80m2/g〜400m2/gの大きい表面積を
有する個々の酸化物または混合酸化物を含む。酸化物組成物は、酸化セリウムお
よび酸化チタンから選択される。酸化セリウムの濃度は30〜95%であり、酸
化チタンの濃度は5〜25%である。触媒は、粉末、ペレットの形態をとっても
よく、あるいは発泡体、ハニカム(セラミックまたは金属)として、適する担体
上に成形された形態、担持された形態であってもよい。
金−遷移金属酸化物粒子は、知られた技術、すなわち、含浸、沈殿、再沈、ウ
ェット初期乾燥、またはこれらの技術の組合せの方法によって混合酸化物支持体
上に担持させる。活性成分の粒子は支持体全体を通して微細に分散され、40n
m未満、好ましくは20nm未満、のサイズであるべきである。
金−金属酸化物触媒の調製プロセスのpHは重要であり、7.0〜12.0、
好ましくは8.0〜10.5、の範囲であるべきである。この規定された範囲内
のpH値の調節は、アルカリ化合物、例えば、炭酸ナトリウムまたはカリウム、
水酸化ナトリウムまたはカリウム、あるいはアンモニアの使用によって達成され
る。金−金属酸化物構成を形成した後、触媒は、100℃〜500℃の範囲の温
度において加熱され、支持体の表面上に固定化された微細なクラスタ粒子を形成
させる。触媒の加熱は、酸化性雰囲気または酸化性空気で維持される。
触媒の使用温度は0℃〜500℃である。
触媒は、燃料電池技術においても用途を有するであろう。
本発明の利点は、以下の項目からなる。
1.本発明の触媒は、水分および二酸化硫黄の存在下で低温において一酸化炭素
および炭化水素の酸化に関して、先行技術の類似の触媒よりも有効である。
2.水分の存在は、触媒の酸化活性を高めさえする。
3.触媒は二酸化硫黄の存在に耐える。
4.触媒は、低温および高温において、亜酸化窒素の還元と一酸化炭素および炭
化水素の酸化を同時に行う能力をもつ。
5.触媒は、室温においてオゾンの分解に非常に有効である。
6.触媒は、室温および水分の存在において、一酸化炭素、炭化水素の酸化およ
びオゾンの分解を同時に行う高い触媒活性をもつ。
7.触媒は、燃焼エンジンのコールドスタート中における白金族金属触媒の欠点
を処理するために白金族金属触媒と併せて用いることができよう。
例の記載
例1
触媒の調製
1.82gのHAuCl4H2Oおよび24.7gのCo(NO3)26H2Oを6
0℃に加熱された500cm3の蒸留水に溶解する。Ceo2およびTiO2から
なる支持体混合物を溶液に添加する。温度を60℃に維持し、pHが8.0±0
.1に上昇するまで、50gNaCO3の蒸留水溶液500cm3を徐々に添加す
る。攪拌しながら、系を60℃で60分にわたり維持する。その後、組成物を放
置して沈殿させ、さらに60分にわたり熟成させる。懸濁液を濾過し、Cl-お
よびNO3 -イオンが完全に除去されるまで、触媒を蒸留水で洗浄する。焼成温度
に徐
々に達する。
図1は、活性クラスター中の、遷移金属の還元性酸化物、Co2O3と金との間
の結合を示している一方で、図2は支持体の酸化物とクラスターとの間の結合を
示している。
例2
触媒の活性に及ぼす支持体の効果
例1において得られた触媒およびAl2O3支持体を用いた以外は同じ方法で得
られた触媒を、1gの触媒を入れた反応器中で種々の温度において、45000
h-1の気体流速およびCO1%、O20.9%、C3H6350ppm、C3H83
50ppm、SO215ppm、残りが湿度95%N2の気体組成で試験する。表
1の結果は、一酸化炭素および炭化水素の酸化における金触媒の活性に及ぼす支
持体の効果を示すものである。例3
金触媒による一酸化炭素の酸化に及ぼす水分の明白な効果
例1に記載された方法によって得られた触媒を、1gの触媒を入れた反応器中
で25℃の温度において、360000h-1の気体流速およびCO25ppm、
残りが乾燥空気および湿度95%の空気の気体組成で試験する
結果は表2に示すとおりである。
結果は、一酸化炭素の酸化用の金触媒の活性に及ぼす水分の明白な効果を示し
ている。
例4
エンジンのコールドスタート(最初の180秒)中における本発明の金触媒の活
性と白金族金属の触媒の活性との間の比較
A. 本発明の支持体上に実施例1に記載された方法によって得られた触媒およ
びAl2O3支持体上の白金族金属触媒を、1gの触媒を入れた反応器中で25℃
の温度において、60000h-1の気体流速およびCO1%、O20.9%、C3
H6350PPm、C3H8350ppm、NOx1000ppm、SO215pp
m、残りが湿度95%N2の気体組成で試験する。
結果は表3に示す通りである。その結果は、室温において内燃機関から排出さ
れる気体の転化率における本発明の利点を実証している。
B. 商用の白金族金属触媒のコールドスタートの欠点を解決しうる、既存の自
動車触媒系の構成に金触媒を加える設計を図3に示している。発熱酸化反応から
発生する熱を隣接した白金族金属触媒に放出し、白金触媒の加熱を助ける。白金
族金属触媒の使用温度、300℃を得た時、金触媒への排ガスの流れのサーモス
タットバルブスイッチを閉じ、浄化は白金族金属触媒表面上で続く。テールパイ
プ一本の修正概略構成を図4に示す。
例5
燃焼サイクルの種々の温度における本発明の触媒の表面上の排ガスの比較
C. 本発明の支持体上に例1に記載された方法によって得られた触媒を、1g
の触媒を入れた反応器中で種々の温度において、60000h-1の気体流速およ
びCO1%、O20.7〜0.9%、C3H6350ppm、C3H8350ppm
、NOx1000ppm、SO215PPm、残りが湿度95%N2の気体組成で
試験する。
表4に示した結果は、特に燃焼エンジンのコールドスタートにおいて、本発明
の触媒の高い活性を実証している。例6
金触媒の表面上におけるオゾンの分解
例1に記載された方法によって得られた触媒を、1gの触媒を入れた反応器中
で25℃の温度において、120000h-1の気体流速および0.01%のオゾ
ン、残りが空気の気体組成で試験する。
オゾンの完全な100%分解を記録した。
例7
金触媒の表面上におけるオゾンおよび一酸化炭素の同時転化
例1に記載された方法によって得られた触媒を、1gの触媒を入れた反応器中
で25℃の温度において、120000h-1の気体流速および0.01%のオゾ
ン、0.1%のCO、残りが空気の気体組成で試験する。
オゾンおよび一酸化炭素の完全な100%転化率を記録した。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Gold-containing catalyst for exhaust gas purification
Background of the Invention
The present invention relates to the oxidation of carbon monoxide and hydrocarbons, the reduction of nitrous oxide and ozone.
To a gold catalyst for the decomposition of Internal combustion engines increase atmospheric pollution levels
It is a big factor. This is one of the strong trends towards global urbanization.
It will be so bad. For today's industrial sites, many people working in office buildings
Work environment can create unacceptably high levels of carbon monoxide and other harmful gases.
Exposure to air pollution. Compilers frequently used in our daily work
Computers and laser printers can increase ozone levels to dangerous levels
The environment is getting worse.
Environmental protection and reduced pollution caused by industry, transport and daily life
Is a major challenge facing the world today. To achieve it
To improve existing technologies, introduce new and more effective methods in the industry and reduce pollution
Various methods have been used, such as stricter legislation.
Prior art catalyst
Reduction of harmful gas emissions from combustion engines is due to the use of platinum group metals (PGM catalysts).
Can be achieved by using However, this catalyst has a temperature above 300 ° C.
Works satisfactorily. Common moisture and sulfur dioxide in the exhaust gas are lower
Temperature has a significant effect on the performance of platinum group metals. Of harmful gases from combustion engines
80% during engine cold start where conventional catalysts are not effective, ie
The fact that it is expelled during the first 3-5 minutes is known. Platinum group metal based
The catalyst is a diesel vehicle whose exhaust gas temperature is lower than the temperature of exhaust gas from gasoline passenger cars.
In the case of, the effect is even worse. Conversion of total particulate matter, CO, HC and NOx (
Four-way catalyst) is considered a significant challenge for diesel vehicle applications in the future
. In addition, due to the high operating temperatures of platinum group metal catalysts, platinum group metal catalysts
Not suitable for air pollution in aircraft and industrial settings.
Gold has long been considered an active species that is much less active as a catalyst than platinum group metal (PGM).
It has been obtained. According to recent publications in the literature, gold is highly
It has been shown that when well dispersed, it can be active against low temperature oxidation of CO. I
But are the gold-containing catalysts shown in the literature too expensive at gold concentrations of up to 12%?
Or poorer conversion at higher gas flow rates typical of the conditions of use
It is shown. Therefore, these catalysts are not suitable for industrial use and have real commercial value.
Has no value.
For example, DE 39 14 294 describes alumina and aluminum.
A catalyst is described in which gold is supported on an iron oxide-containing support that also contains a minosilicate. I
However, this catalyst has poor carbon monoxide conversion at higher space velocities,
Significantly affected by moisture and sulfur dioxide. Described in the literature,
Examples of gold catalysts supported on titanium oxide, titanium oxide and iron oxide are described in M.E. Haruta et al.
“Mechnistic studies of CO oxidation on highly dispersed gold catalyst
s for use in room temperature air purification ”, Proceedings of the 10t
h International Congress of Catalysts 19-24 July 1992, Budapest, Hungary
(2657-2660), and H.E. “XAFS studyies of ultra-fine gol by Kageyama et al.
d catalyst supported on hematite prepared from coprecipitated precursors
Physica B 158 (1989) 183-184.
Summary of the Invention
According to the present invention, the catalyst for simultaneous oxidation and reduction is chromium, copper, copper,
Reduction of transition metals selected from cobalt, manganese, iron or mixtures of these metals
It consists of a porous mixed oxide support having a complex containing a volatile oxide and gold incorporated thereon.
The concentration of gold must be such that the total concentration of metals in the active ingredient does not exceed 10% of the total weight of the catalyst.
When not present, it is 0.1-2.5%, preferably less than 1.5%.
The gold-reducing oxide complex contains chemical and physical bonds and is a mixed oxide support
Is joined to.
The support for the catalyst composition is generally 80 mTwo/ G ~ 400mTwo/ G large surface area
Including individual oxides or mixed oxides. The oxide composition is composed of cerium oxide and
And titanium oxide. The concentration of cerium oxide is 30-95%,
The concentration of titanium oxide is 5 to 25%. The catalyst can be in the form of powder or pellets
Suitable carrier, well or as foam, honeycomb (ceramic or metal)
It may be in the form molded above or in the form carried.
Gold-transition metal oxide particles can be prepared by known techniques, namely impregnation, precipitation, reprecipitation,
Mixed oxide supports by wet drying or a combination of these techniques
Carry on top. The active ingredient particles are finely dispersed throughout the support,
It should have a size of less than m, preferably less than 20 nm.
The pH of the preparation process of the gold-metal oxide catalyst is important, from 7.0 to 12.0,
It should preferably be in the range 8.0-10.5. Within this specified range
Adjustment of the pH value of an alkali compound, such as sodium or potassium carbonate,
Achieved by the use of sodium or potassium hydroxide, or ammonia
You. After forming the gold-metal oxide composition, the catalyst is heated to a temperature in the range of 100C to 500C.
To form fine cluster particles fixed on the surface of the support
Let it. Heating of the catalyst is maintained in an oxidizing atmosphere or oxidizing air.
The operating temperature of the catalyst is between 0 ° C and 500 ° C.
Catalysts will also have applications in fuel cell technology.
The advantages of the present invention consist of the following items.
1. The catalyst of the present invention can be used to produce carbon monoxide at low temperatures in the presence of moisture and sulfur dioxide.
And for the oxidation of hydrocarbons, is more effective than similar catalysts of the prior art.
2. The presence of moisture even enhances the oxidizing activity of the catalyst.
3. The catalyst withstands the presence of sulfur dioxide.
4. The catalyst is capable of reducing nitrous oxide and carbon monoxide and carbon at low and high temperatures.
Has the ability to simultaneously oxidize hydrogen hydride.
5. The catalyst is very effective at decomposing ozone at room temperature.
6. The catalyst is capable of oxidizing carbon monoxide and hydrocarbons at room temperature and in the presence of moisture.
It has high catalytic activity to simultaneously decompose ozone and ozone.
7. Catalyst is a disadvantage of platinum group metal catalyst during cold start of combustion engine
Could be used in combination with a platinum group metal catalyst.
Example description
Example 1
Preparation of catalyst
1.82 g HAuClFourHTwoO and 24.7 g of Co (NOThree)Two6HTwoO to 6
500cm heated to 0 ° CThreeDissolve in distilled water. CeoTwoAnd TiOTwoFrom
The resulting support mixture is added to the solution. Maintain the temperature at 60 ° C. and adjust the pH to 8.0 ± 0
. 50 g NaCO until it rises to 1.Three500cm of distilled waterThreeSlowly add
You. With stirring, the system is maintained at 60 ° C. for 60 minutes. Then release the composition
Allow to settle and mature for an additional 60 minutes. The suspension was filtered and the Cl-You
And NOThree -The catalyst is washed with distilled water until the ions are completely removed. Firing temperature
To Xu
Reach each other.
FIG. 1 shows the transition metal reducing oxide, Co, in the active cluster.TwoOThreeBetween gold and
FIG. 2 shows the bond between the support oxide and the cluster.
Is shown.
Example 2
The effect of the support on the activity of the catalyst
Catalyst and Al obtained in Example 1TwoOThreeThe same method was used except that the support was used.
The resulting catalyst was added at various temperatures in a reactor containing 1 g of catalyst at 45000.
h-1Gas flow rate and CO 1%, OTwo0.9%, CThreeH6350 ppm, CThreeH83
50 ppm, SOTwo15 ppm, the balance is 95% NTwoTest with the gas composition of table
The results of 1 show that the effect of gold catalyst activity on the oxidation of carbon monoxide and hydrocarbons was
This shows the effect of the holding body.Example 3
Distinct effects of moisture on the oxidation of carbon monoxide by gold catalysts
The catalyst obtained by the method described in Example 1 was placed in a reactor containing 1 g of catalyst.
360,000 h at a temperature of 25 ° C.-1Gas flow rate and CO 25 ppm,
Test with gas composition of dry air and 95% humidity air
The results are as shown in Table 2.
The results show a clear effect of moisture on the activity of the gold catalyst for carbon monoxide oxidation.
ing.
Example 4
Activity of the gold catalyst of the present invention during the cold start (first 180 seconds) of the engine
Comparison between activity and activity of platinum group metal catalysts
A. The catalyst obtained by the method described in Example 1 on a support according to the invention and
And AlTwoOThreeThe platinum group metal catalyst on the support was placed at 25 ° C. in a reactor containing 1 g of the catalyst.
At a temperature of 60,000 h-1Gas flow rate and CO 1%, OTwo0.9%, CThree
H6350PPm, CThreeH8350 ppm, NOx1000 ppm, SOTwo15pp
m, remaining 95% humidityTwoTest with the gas composition of
The results are as shown in Table 3. The result is that the emissions from the internal combustion engine at room temperature
Demonstrates the advantages of the present invention in the conversion of the gases used.
B. Existing autonomous systems that can solve the cold start disadvantages of commercial platinum group metal catalysts
FIG. 3 shows a design in which a gold catalyst is added to the configuration of the vehicle catalyst system. Exothermic oxidation reaction
The generated heat is released to the adjacent platinum group metal catalyst, which helps to heat the platinum catalyst. platinum
Thermos of the flow of exhaust gas to the gold catalyst when the working temperature of the group III metal catalyst, 300 ° C, is obtained
Close the tat valve switch and purification continues on the platinum group metal catalyst surface. Tail pie
FIG. 4 shows a schematic configuration of a single correction.
Example 5
Comparison of exhaust gas on the surface of the catalyst of the present invention at various temperatures of the combustion cycle
C. 1 g of the catalyst obtained by the method described in Example 1 on a support according to the invention
60000 h at various temperatures in a reactor containing-1Gas flow velocity and
And CO1%, OTwo0.7-0.9%, CThreeH6350 ppm, CThreeH8350 ppm
, NOx1000 ppm, SOTwo15PPm, remaining 95% NTwoGas composition
test.
The results shown in Table 4 show that the present invention is particularly effective in cold start of a combustion engine.
Demonstrates the high activity of the catalyst.Example 6
Decomposition of ozone on the surface of gold catalyst
The catalyst obtained by the method described in Example 1 was placed in a reactor containing 1 g of catalyst.
At a temperature of 25 ° C. for 120000 h-1Gas flow rate and 0.01% ozone
The balance is tested with the gas composition of air.
Complete 100% decomposition of ozone was recorded.
Example 7
Simultaneous conversion of ozone and carbon monoxide on the surface of a gold catalyst
The catalyst obtained by the method described in Example 1 was placed in a reactor containing 1 g of catalyst.
At a temperature of 25 ° C. for 120000 h-1Gas flow rate and 0.01% ozone
Test with a gas composition of 0.1% CO, balance air.
Complete 100% conversion of ozone and carbon monoxide was recorded.