JP2002095968A - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents
排ガス浄化用触媒Info
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Abstract
の強度の低下を防止する。 【解決手段】アルカリ金属を担持したコート層4と基材
1との間に、多孔質酸化物よりなる薄膜2を形成した。
薄膜2によりアルカリ金属が基材1と反応するのが抑制
されるので、基材組成が変化するのが抑制され、強度の
低下を防止することができる。
Description
の排気系などに用いられる排ガス浄化用触媒に関し、詳
しくは耐熱衝撃性など強度を改良した排ガス浄化用触媒
に関する。
が問題となり、二酸化炭素の排出量を低減することが課
題となっている。自動車においても排ガス中の二酸化炭
素量の低減が課題となり、燃料を酸素過剰雰囲気で希薄
燃焼させるリーンバーンエンジンが開発されている。こ
のリーンバーンエンジンによれば、燃費の向上により二
酸化炭素の排出量を抑制することができる。
は酸素過剰の燃料リーン条件で燃焼させ、間欠的に燃料
ストイキ〜リッチ条件とすることにより排ガスを還元雰
囲気としてNOx を還元浄化するシステムが開発され、実
用化されている。そしてこのシステムに最適な触媒とし
て、燃料リーン雰囲気でNOx を吸蔵し、吸蔵されたNO x
を燃料ストイキ〜リッチ雰囲気で放出するNOx 吸蔵材を
用いたNOx 吸蔵還元型の排ガス浄化用触媒が開発されて
いる。
のアルカリ土類金属とPtをγ-Al2O3などの多孔質酸化物
担体に担持した排ガス浄化用触媒が提案されている。ま
た特開平 6-31139号公報には、Kなどのアルカリ金属と
Ptをγ-Al2O3などの多孔質酸化物担体に担持した排ガス
浄化用触媒が提案されている。さらに特開平5-168860号
公報には、Laなどの希土類元素とPtをγ-Al2O3などの多
孔質酸化物担体に担持した排ガス浄化用触媒が提案され
ている。
比を燃料リーン側からパルス状に燃料ストイキ〜リッチ
側となるように制御することにより、排ガスもリーン雰
囲気からパルス状にストイキ〜リッチ雰囲気となる。し
たがって、リーン側ではNOxがNOx 吸蔵材に吸蔵され、
それがストイキ〜リッチ側で放出されて排ガス中に多量
に含まれる炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)などの還
元性成分と反応して浄化されるため、リーンバーンエン
ジンからの排ガスであってもNOx を効率良く浄化するこ
とができる。また排ガス中のHC及びCOは、貴金属により
酸化されるとともにNOx の還元にも消費されるので、HC
及びCOも効率よく浄化される。
ガス浄化用触媒では、自動車の排ガス流路内に安定して
保持し、排ガスと触媒成分との接触面積を高めるととも
に、圧損の増大を極力抑制する必要がある。そこで従来
より、コーディエライトなどの MgO・ Al2O3・SiO2複合
酸化物から形成されたハニカム形状の基材が用いられ、
この基材の表面に触媒成分を担持した多孔質担体よりな
るコート層を形成したモノリス触媒が多く用いられてい
る。
おいて、NOx 吸蔵材としてアルカリ金属を用いたもので
は、使用中に基材の劣化が生じ、三元触媒など他の触媒
に比べて耐熱衝撃性などの強度が低下することが明らか
となった。そのため交換の頻度を高める必要があり、単
位使用時間当たりのコストが高いという不具合がある。
ものであり、基材の劣化を抑制することで耐熱衝撃性な
どの強度の低下を防止することを目的とする。
明の排ガス浄化用触媒の特徴は、基材と、基材の表面に
形成され酸化物からなる薄膜と、薄膜の表面に形成され
少なくとも貴金属とアルカリ金属とを担持した多孔質担
体よりなるコート層と、からなることにある。
ましく、薄膜は酸−アルカリ反応により基材表面に金属
水酸化物の沈殿を形成しそれを焼成して形成することが
望ましい。
の排ガス浄化用触媒の特徴は、基材と、基材の表面に形
成され少なくとも貴金属とアルカリ金属とを担持した多
孔質担体よりなるコート層と、からなる排ガス浄化用触
媒であって、コート層の単位長さ当たりで基材とコート
層とが接触している長さの割合である接触割合を30〜85
%としたことにある。
について鋭意研究した。例えば MgO・ Al2O3・SiO2複合
酸化物からなるコーディエライトなどの構造体を基材と
し、貴金属とアルカリ金属を担持したNOx 吸蔵還元型の
排ガス浄化用触媒では、アルカリ金属を含まないものに
比べて熱膨張係数が高くなることが明らかとなった。熱
膨張係数が高くなると、耐熱衝撃性が低下して強度が低
下する。
リ金属の担持分布を調査したところ、基材中にもアルカ
リ金属が存在していた。したがって上記不具合の原因と
しては、基材成分(特にSiO2)とアルカリ金属との反応
がコート層と基材との界面から優先的に生じて、基材の
複合酸化物組成が変化してしまうことにあることが解明
された。
に酸化物からなる薄膜が介在した構成としている。この
ような構成としたことにより、コート層中のアルカリ金
属と基材とが直接接触するのが回避され、アルカリ金属
と基材成分との反応を抑制することができる。したがっ
て基材組成が変化するのが抑制され、強度の低下を防止
することができる。
では、コート層の単位長さ当たりで基材とコート層とが
接触している長さの割合である接触割合を30〜85%とし
ている。コート層中のアルカリ金属と基材成分との反応
は、コート層と基材との接触界面から優先的に起こる。
したがってこのように構成したことにより、コート層と
基材との接触界面が低減されるため、コート層中のアル
カリ金属と基材とが直接接触する確率が低くなり、アル
カリ金属と基材成分との反応を抑制することができる。
gO・ Al2O3・SiO2系複合酸化物、TiO2-Al2O3系複合酸化
物、 Si3N4などが例示されるが、耐熱性に特に優れた M
gO・Al2O3・SiO2系複合酸化物が望ましい。この基材の
形状は、ハニカム形状、発泡体などの多孔質形状、網
状、ペレット状など排ガスとの接触面積が大きなもので
あれば特に制限されない。また金属箔などから形成され
た基体に上記基材の粉末をコートしたものを基材とする
こともできる。
属と反応しにくいものあるいはアルカリ金属と反応しな
いもの、さらには基材及びコート層との接着性に優れた
ものが望ましい。このような薄膜の材質としては、アル
ミナ、ジルコニア、チタニア、イットリア、セリア、ス
ピネルなどの酸化物、あるいはこれらの複数種からなる
複合酸化物が好ましく例示される。コート層に含まれる
酸化物と同種のものが特に好ましい。
とが望ましい。薄膜の厚さが 100μmを超えると、薄膜
自体の特性が触媒全体の特性に影響を及ぼして熱膨張係
数が急激に増大するため好ましくない。また薄膜の厚さ
は、少なくとも5μm以上とすることが好ましい。薄膜
の厚さが5μmより薄くなると、コート層中のアルカリ
金属の基材への移行を阻止することが困難となり、アル
カリ金属と基材成分との反応確率が高くなってしまう。
膜源となる酸化物の粉末を付着させた後に焼成する方法
がある。この場合には、酸化物粉末の粒径と付着量を調
整することで所望の膜厚の薄膜を形成することができ
る。なお酸化物粉末の粒径が5μmを超えると緻密な薄
膜を形成しにくくなり、コート層中のアルカリ金属と基
材との反応が進行しやすくなるので、酸化物粉末の粒径
は5μm以下とすることが望ましい。
い。焼成温度が 600℃未満では緻密な薄膜を形成するこ
とが困難となり、アルカリ金属と基材成分との反応が生
じるようになる。またコーディエライトの耐熱温度が15
00℃であるので、焼成温度の上限は1500℃とすることが
好ましい。
アルカリ反応により基材表面に金属水酸化物の沈殿を形
成しそれを焼成して形成することもできる。例えば硝酸
ジルコニウム水溶液中に基材を浸漬し、そこへアンモニ
アを加えれば、基材表面に水酸化ジルコニウムの沈殿が
析出する。これを焼成することによって、基材表面にジ
ルコニアの薄膜を形成することができる。
視的に無数の凹凸が存在しているが、上記した酸化物粉
末を付着させて焼成する方法では微細な凹部内にまで薄
膜を形成することが困難であり、薄膜が凹部を覆ったよ
うになって薄膜と基材表面との間に空隙が形成される場
合がある。このような場合には、その空隙を伝わってコ
ート層中のアルカリ金属が基材へ侵入する場合がある。
方法で薄膜を形成することが特に望ましい。分子レベル
の反応である酸−アルカリ反応によって生成した沈殿は
きわめて微細であるので、基材表面の微細な凹部にも入
り込んで薄膜が形成される。したがって薄膜と基材表面
との間に空隙が形成されるのが防止され、アルカリ金属
と基材成分との反応を一層抑制することができる。
どで形成することも可能である。
担持された少なくとも貴金属とアルカリ金属とから構成
される。多孔質担体としては、 Al2O3、ZrO2、TiO2、Ce
O2などから種々選択して用いることができる。これらの
酸化物を単独で用いてもよいし、複数種類混合して用い
てもよく、複数種の複合酸化物として用いることもでき
る。例えば触媒活性の点からは少なくとも Al2O3を含む
ことが好ましく、TiO2を混合すれば耐硫黄被毒性が向上
する。またCeO2あるいはCeO2−ZrO2固溶体を混合すれ
ば、その酸素吸蔵放出能により浄化活性が向上する。
の基材表面に形成する場合と同様にして行うことがで
き、スラリーを被覆後に焼成する方法などを用いること
ができる。
から選択して用いることができる。このうち一種でもよ
いし、複数種類を担持することもできる。その担持量
は、触媒1リットル当たり 0.1〜20重量%程度が好まし
い。
示される。アルカリ金属の担持量は、触媒1リットル当
たり0.01〜 1.0モルの範囲が好ましい。この範囲より少
ないとNOx 吸蔵能が低くなり、この範囲を超えて担持す
ると消費されるSiO2量が多くなって基材の強度に不足す
るようになる。
カリ金属に加えてアルカリ土類金属及び希土類元素の少
なくとも一方を担持することも好ましい。アルカリ土類
金属としてはBa、Be、Ca、Mg、Srなどが例示される。ま
た希土類元素としてはSc,Y,La,Yb,Nd,Smなどが例
示される。なおアルカリ土類金属及び希土類元素はSiO2
とは反応しないので、従来と同様に触媒1リットル当た
り 0.1〜2モルとするのが好ましい。
は、薄膜を形成せず、コート層の単位長さ当たりで基材
とコート層とが接触している長さの割合である接触割合
を30〜85%としている。このように構成したことによ
り、コート層と基材との接触界面が低減されるため、コ
ート層中のアルカリ金属と基材とが直接接触する確率が
低くなり、アルカリ金属と基材成分との反応を抑制する
ことができる。接触割合が30%より低くなると、アルカ
リ金属と基材成分との反応は生じにくくなるものの、コ
ート層と基材との接合強度が低下するため排ガス浄化用
触媒の強度が低くなってしまう。また接触割合が85%よ
り高くなると、アルカリ金属と基材成分との反応確率が
高くなってしまう。
は、基材の表面粗さを調整することで用意に行うことが
できる。
層にアルカリ金属を含むものであればよく、NOx 吸蔵還
元型触媒、NOx 吸収触媒、あるいは場合によっては三元
触媒、酸化触媒などとして用いることができる。
O3・5SiO2 )製のハニカム形状のモノリス基材を用意
し、平均粒径1μmのαアルミナ粉末を付着させた後、
大気中にて1000℃で5時間焼成して薄膜を形成した。α
アルミナ粉末の付着量をモノリス基材1リットル当たり
50g〜 300gの間で複数水準とって、5〜 120μmの厚
さの薄膜をそれぞれ形成した。
ーを、各種厚さの薄膜をもつモノリス基材にそれぞれウ
オッシュコートし、 250℃で乾燥後大気中にて 300℃で
2時間焼成してコート層をそれぞれ形成した。コート層
は、モノリス基材1リットルあたりそれぞれ 180gであ
る。
硝酸溶液を用い、コート層及び薄膜をもつモノリス基材
を浸漬して引き上げた後 500℃で2時間焼成してPtをそ
れぞれ担持した。Ptの担持量はいずれも 0.1g/Lであ
る。次いで所定濃度の硝酸カリウム水溶液の所定量を含
浸させ、 250℃で20分乾燥後 500℃で30分焼成してカリ
ウムを担持した。カリウムの担持量はいずれも 0.3モル
/Lである。
外は実施例1と同様にして、比較例1の触媒を調製し
た。
ベンチに配置し、 気筒のガソリンエンジンからの排ガ
スを空間速度80000h-1、触媒床温度 800℃の条件で50時
間流す耐久試験を行った。その後、各触媒の熱膨張係数
とカリウムとモノリス基材成分との反応率を測定した。
カリウムを抽出してその量(Q1 )を測定し、その後の
触媒全体のカリウム量(Q2 )とコート層中のカリウム
量(Q3 )を原子吸光法によって測定した。そして次式
によって反応率を算出した。それぞれの結果を図1に示
す。
低下していることが明らかである。つまり薄膜を形成す
ることによって基材成分とカリウムとの反応が抑制され
るので、モノリス基材の強度の低下を防止することがで
きる。ただし薄膜の厚さが5μm未満では、その効果が
きわめて小さいので、薄膜の厚さは5μm以上とするこ
とが望ましい。
μm以内であれば熱膨張係数の増大は僅かである。しか
し薄膜の厚さが 100μmを超えると熱膨張係数が著しく
大きくなっているので、薄膜の厚さは 100μm以下とす
ることが望ましいことがわかる。
材を用い、同様にしてαアルミナ粉末を 100g/L付着
させた後、大気中にて 200〜1500℃の範囲の種々の温度
水準でそれぞれ5時間焼成して薄膜を形成した。薄膜の
膜厚はそれぞれ50μmである。そして実施例1と同様に
してそれぞれコート層を形成し、同様にしてそれぞれPt
とカリウムを担持した。
1と同様に耐久試験を行い、その後実施例1と同様にし
てカリウムとモノリス基材成分との反応率を測定した。
結果を図2に示す。
は反応率が高くなっていることから、焼成温度は 600℃
以上とすることが望ましいことがわかる。なおコーディ
エライトの耐熱温度は1500℃であるので、焼成温度は15
00℃以下とする必要がある。
材を用い、平均粒径が 0.1〜10μmの間の複数水準のα
アルミナ粉末を 100g/Lそれぞれ付着させた後、それ
ぞれ大気中にて1100℃で5時間焼成して薄膜を形成し
た。そして実施例1と同様にしてそれぞれコート層を形
成し、同様にしてそれぞれPtとカリウムを担持した。
1と同様に耐久試験を行い、その後実施例1と同様にし
てカリウムとモノリス基材成分との反応率を測定した。
結果を図3に示す。
を超えると反応率が高くなり、好ましくない。これは薄
膜が緻密化されにくいためと考えられる。したがって粉
末の粒径は5μm以下が望ましいことが明らかである。
ニア、スピネル、イットリア、セリア、チタニア−ジル
コニア複合酸化物の各粉末を用い、それぞれ 100g/L
付着させた後、実施例1と同様に焼成してそれぞれの薄
膜を形成した。そして実施例1と同様にしてそれぞれコ
ート層を形成し、同様にしてそれぞれPtとカリウムを担
持した。
1と同様に耐久試験を行い、その後実施例1と同様にし
てカリウムとモノリス基材成分との反応率を測定した。
結果を図4に示す。なお図4には比較例1の結果も示
し、薄膜の厚さを横軸としている。
は複合酸化物から形成された薄膜であっても、αアルミ
ナの薄膜と同様にカリウムと基材成分との反応が抑制さ
れていることがわかる。
水溶液中に所定量のアンモニア水を混合し、直ちに実施
例1と同様のモノリス基材を浸漬して所定時間保持し、
モノリス基材表面に水酸化ジルコニウムの沈殿を析出さ
せた。その後モノリス基材を引き上げ、 250℃で2時間
乾燥後、大気中にて1000℃で3時間焼成した。これによ
りモノリス基材表面にジルコニアからなる厚さ 2.5μm
の薄膜を形成した。その後実施例1と同様にして薄膜表
面にコート層を形成し、同様にしてPtとカリウムを担持
した。
えて所定濃度の硝酸アルミニウム水溶液を用いたこと以
外は実施例1と同様にして薄膜を形成した。薄膜の厚さ
は6μmである。その後実施例1と同様にして薄膜表面
にコート層を形成し、同様にしてPtとカリウムを担持し
た。
の触媒について、実施例1と同様に耐久試験を行った
後、同様にしてカリウムとモノリス基材成分との反応率
を測定した。結果を図5に示す。
された薄膜であっても、実施例1〜実施例4と同様にカ
リウムと基材成分との反応が抑制されていることがわか
る。そして図1と比較すると、薄膜の厚さが薄くても反
応率を低くできることがわかる。これには以下のような
理由が考えられる。
細な凹凸が多数存在しているため、実施例1のように平
均粒径が 0.5μmのαアルミナ粉末を付着させても凹部
にまで十分に付着させることは困難となり、図6のよう
に薄膜2とモノリス基材1の間には空隙3が生じる場合
がある。そのためコート層4に担持されているカリウム
が空隙3を通じてモノリス基材1と接触し、カリウムと
基材成分との反応が生じやすい。
リ反応によって生じた金属水酸化物の沈殿は、その粒径
がきわめて微細であるためにモノリス基材1の凹部10
の表面にも析出する。したがって図7に示すように、形
成された薄膜2’とモノリス基材1の間には空隙3が生
じにくく、カリウムと基材成分との反応が生じにくい。
材を用い、押出成形の型に加工を施したものを用いて表
面粗さが種々異なるモノリス基材を形成した。そして薄
膜を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にしてそ
れぞれコート層を形成し、同様にしてPtとカリウムをそ
れぞれ担持した。各触媒におけるコート層とモノリス基
材との接触割合は、断面の電子顕微鏡写真での測定の結
果、20〜85%であった。
接触割合が95%であること以外は実施例7と同様であ
る。この触媒は、従来の触媒に相当する。
媒について、実施例1と同様に耐久試験を行った後、同
様にしてカリウムとモノリス基材成分との反応率を測定
した。また耐久試験前の触媒におけるモノリス基材の強
度を圧縮強度測定器によって測定した。それぞれの結果
を図8に示す。
触割合が85%を超えると反応率が高すぎて好ましくな
い。またコート層とモノリス基材との接触割合が低下す
るにつれて反応率が低くなっているものの、30%より小
さいとモノリス基材の強度が低すぎて実用に供せない。
したがってコート層とモノリス基材との接触割合は、30
〜85%の範囲とすることが望ましいことが明らかであ
る。
面粗さをもつモノリス基材を用い、薄膜を形成しなかっ
たこと以外は実施例1と同様にしてコート層を形成し、
同様にしてPtとカリウムを担持した。この触媒における
コート層とモノリス基材との接触割合は、断面の電子顕
微鏡写真での測定の結果50%である。
面粗さをもつモノリス基材を用い、薄膜を形成しなかっ
たこと以外は実施例1と同様にしてコート層を形成し、
同様にしてPtとカリウムを担持した。この触媒における
コート層とモノリス基材との接触割合は、断面の電子顕
微鏡写真での測定の結果40%である。
媒について実施例1と同様に耐久試験を行った後、同様
にしてカリウムとモノリス基材成分との反応率をそれぞ
れ測定した。また耐久試験前の触媒におけるモノリス基
材の強度を圧縮強度測定器によって測定した。それぞれ
の結果を図11に示す。なお図11には比較例2の触媒
の結果も示している。
表面粗さ形状とすることにより、強度は若干低下するも
のの、カリウムと基材成分との反応が抑制されているこ
とが明らかである。
れば、コート層中のアルカリ金属と基材成分との反応が
抑制されるため基材の強度の低下を抑制することができ
る。したがって担持成分としてアルカリ金属を用いても
基材の耐熱衝撃性が低くなるような不具合がないので、
劣化までの使用期間を長くすることができ、単位使用時
間当たりのコストを低減することができる。
び熱膨張係数との関係を示すグラフである。
率との関係を示すグラフである。
成の反応率との関係を示すグラフである。
リウムと基材組成の反応率を示すグラフである。
カリウムと基材組成の反応率との関係を示すグラフであ
る。
る。
である。
組成の反応率及び強度との関係を示すグラフである。
である。
図である。
材組成の反応率及び強度との関係を示すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 基材と、該基材の表面に形成され酸化物
からなる薄膜と、該薄膜の表面に形成され少なくとも貴
金属とアルカリ金属とを担持した多孔質担体よりなるコ
ート層と、からなることを特徴とする排ガス浄化用触
媒。 - 【請求項2】 前記薄膜の厚さは 100μm以下であるこ
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】 前記薄膜は、酸−アルカリ反応により前
記基材表面に金属水酸化物の沈殿を形成しそれを焼成し
て形成された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4】 基材と、該基材の表面に形成され少なく
とも貴金属とアルカリ金属とを担持した多孔質担体より
なるコート層と、からなる排ガス浄化用触媒であって、 該コート層の単位長さ当たりで該基材と該コート層とが
接触している長さの割合である接触割合を30〜85%とし
たことを特徴とする排ガス浄化用触媒。
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-
2000
- 2000-09-26 JP JP2000291654A patent/JP3748202B2/ja not_active Expired - Fee Related
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