JP2003181288A - 貴金属触媒の製造方法 - Google Patents

貴金属触媒の製造方法

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JP2003181288A JP2001380237A JP2001380237A JP2003181288A JP 2003181288 A JP2003181288 A JP 2003181288A JP 2001380237 A JP2001380237 A JP 2001380237A JP 2001380237 A JP2001380237 A JP 2001380237A JP 2003181288 A JP2003181288 A JP 2003181288A
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carbon material
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carbon
producing
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化物担体に担持される貴金属のクラスター
サイズが制御された貴金属触媒の製造方法を提供し、そ
れによって、排気ガス浄化性能が顕著に改良された触媒
を提供する。 【解決手段】 中空の炭素材料の細孔内に貴金属を導入
し、前記貴金属が導入された炭素材料を酸化物担体に固
定した後、焼成することを特徴とする貴金属触媒の製造
方法である。好ましくは、前記炭素材料がカーボンナノ
チューブ又はカーボンナノホーンであり、前記貴金属
が、白金、ロジウム、パラジウム、金、及びイリジウム
から選択された少なくとも1種である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、貴金属触媒の製造
方法、より詳しくは、クラスターサイズが制御された貴
金属を担持した触媒の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】自動車用エンジン等の内燃機関から排出
される排気ガスには、一酸化炭素(CO)、炭化水素(H
C)、窒素酸化物(NOX)等が含まれ、これらの有害物質
は、一般に、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム
(Pd)、イリジウム(Ir)等の貴金属を主成分とする触
媒成分がアルミナ等の酸化物担体に担持された排気ガス
浄化用触媒によって浄化される。
【0003】触媒成分の貴金属を酸化物担体に担持する
のは、一般に、硝酸基やアミン基で修飾された貴金属化
合物の溶液を用い、この溶液を酸化物担体に含浸して酸
化物担体の表面に貴金属化合物を分散させ、次いで焼成
して硝酸基等を除去させることによって行われる。酸化
物担体には、排気ガスに触媒成分との高い接触面積を与
えるように、一般に、γ-アルミナ等の高い比表面積を
有する材料が使用される。
【0004】こうした排気ガス浄化用触媒は、さらなる
環境保護のために、排気ガス浄化性能をさらに向上させ
ることが要請されているが、このアプローチとして、貴
金属のクラスターサイズを最適なものに制御することが
考えられる。例えば、文献「”Adsorption and Reactio
n of Methanol Molecule on NickelCluster Ions, Nin+
(n=3-11)”, M. Ichihashi, T. Hanmura, R.T. Yadav
andT. Kondow, J. Phys. Chem. A, 104, 11885 (200
0)」には、この文献から転記して図1に示したように、
気相中におけるPt触媒とメタン分子との反応性が、P
tクラスターサイズに大きく影響され、最適なクラスタ
ーサイズがあることが報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来の貴金
属化合物の溶液を用いる貴金属の担持方法においては、
上記の酸化物担体の表面を貴金属化合物を分散させた段
階では、貴金属は原子レベルで酸化物担体に吸着してい
るが、硝酸基等を除去して貴金属を強固に担持させる焼
成工程で、貴金属原子が移動して粒子成長が生じる。こ
のため、所望のクラスターサイズのみの貴金属を酸化物
担体に担持させることは極めて困難である。
【0006】したがって、本発明は、酸化物担体に担持
される貴金属のクラスターサイズが制御された貴金属触
媒の製造方法を提供し、それによって、排気ガス浄化性
能が顕著に改良された触媒を提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、中空の炭
素材料の細孔内に貴金属を導入し、前記貴金属が導入さ
れた炭素材料を酸化物担体に固定した後、焼成すること
を特徴とする貴金属触媒の製造方法によって達成され
る。
【0008】即ち、本発明の方法は、貴金属を酸化物担
体に直接担持するのではなく、貴金属を所望のサイズの
クラスターになるように中空の炭素材料に導入した上
で、炭素材料とともに酸化物に固定し、次いで焼成する
ことによって、炭素材料を燃焼除去すると同時に、貴金
属を酸化物担体上に担持する方法である。
【0009】かかる方法によれば、炭素材料が燃焼除去
されるまでは、貴金属は炭素材料の細孔内に存在し、炭
素材料が燃焼除去される条件下では、貴金属は、酸化物
担体に迅速に担持されるため、実質的に、炭素材料の細
孔内のクラスターサイズで酸化物担体に担持されること
ができる。
【0010】また、細孔内に貴金属が導入された炭素材
料は、燃焼除去される前の焼成初期の加熱された段階
で、酸化物担体上を移動することができるが、この移動
中に酸化物担体のステップやキンク等の構造欠陥部位に
固定されやすい。
【0011】したがって、炭素材料が燃焼除去された後
にも、貴金属は、その構造欠陥部位に固定され、以降の
焼成における貴金属クラスターの肥大化、及び排気ガス
浄化用触媒が高温雰囲気下で使用されるときの貴金属の
シンタリングが抑制されるものと考えられる。
【0012】炭素材料としては、いわゆるカーボンナノ
チューブ又はカーボンナノホーンのような柱状の細孔を
有するもの、あるいは、ケッチェンブラックのような球
状の細孔を有するものが使用可能である。これらの炭素
材料は、細孔径が所望のサイズに調節されたものを製造
又は入手することができ、したがって、触媒成分として
の貴金属に最適なクラスターサイズに見合う細孔径を有
する炭素材料を選択することで、クラスターサイズが制
御された貴金属触媒を製造することが可能となる。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の方法は、先ず、中空の炭
素材料の細孔内に貴金属を導入する。この炭素材料とし
ては、上記のように、カーボンナノチューブ、カーボン
ナノホーン、ケッチェンブラック等が例示され、貴金属
は、白金、ロジウム、パラジウム、金、及びイリジウム
から選択された少なくとも1種であることができる。
【0014】このカーボンナノチューブとカーボンナノ
ホーンは、図2に示したような、多角形の断面を有する
中空の炭素材料であり、好ましくは、約0.3〜10n
mの細孔径と、1〜10nmの長さを有するものが適切
である。また、ケッチェンブラックは、0.5〜10n
mの細孔径を有するものが適切である。
【0015】こうしたカーボンナノチューブやカーボン
ナノホーンは、メタン等の炭化水素を酸化鉄のような触
媒の存在下で熱分解させる、又は固体状炭素にレーザー
を照射する等の方法によって製造することができ、この
ような製造方法の先行技術には、例えば、特開2001
−64004号公報がある。また、ケッチェンブラック
(ketjen black)は、市販のカーボンブラックの1種で
あり、「ケッチェンブラックEC」として入手しうる。
【0016】このような中空の炭素材料の細孔内に貴金
属を導入するのは、例えば、耐圧容器の中に炭素材料と
上記の白金等の貴金属塊を配置し、雰囲気を真空に保持
して貴金属塊を加熱することにより、貴金属がガス状で
炭素材料に接触する状態を形成する。この状態をある時
間にわたって維持すると、ガス状の貴金属は一旦細孔内
に入ると細孔の外に逃散しないため、貴金属を、数原子
がまとまったクラスターの状態で、細孔内に高収率で導
入することができる。
【0017】次いで、貴金属が細孔内に導入された炭素
材料を酸化物担体に固定する。この酸化物担体として
は、アルミナ、シリカ、ジルコニアのような酸化物のほ
か、シリカ-アルミナ、ジルコニア-セリア、アルミナ-
セリア-ジルコニア、セリア-ジルコニア-イットリア、
ジルコニア-カルシアのような複合酸化物からなるもの
が好適である。この固定の仕方には、例えば、通常の蒸
発乾固法が挙げられ、貴金属が導入された炭素材料と酸
化物担体を水等の媒体に分散させてスラリーにし、次い
で、その溶媒を蒸発させることによって行うことができ
る。
【0018】次いで、この炭素材料が固定された酸化物
担体を焼成し、炭素材料を燃焼除去させると同時に貴金
属を酸化物に担持する。この焼成は、例えば、大気雰囲
気下の400〜800℃×1〜5時間の条件が適切であ
る。こうした条件下では、炭素材料が燃焼除去されると
同時に、炭素材料の細孔内に存在していた貴金属は、実
質的に、細孔内のクラスターサイズで酸化物担体に担持
されることができる。以下、実施例によって本発明をよ
り具体的に説明する。
【0019】
【実施例】実施例1 室温の大気圧下(101.3kPa)で、カーボンターゲ
ットに出力5kWのCO2パルスレーザーを照射するこ
とによって得られた、平均幅約2nm×平均長さ約3n
mのカーボンナノホーンを用意した。このカーボンナノ
ホーンの10gをアルミナ製ボートに入れて真空チャン
バー内に配置し、別に、Pt片の0.8gを入れたアル
ミナ製ボートを先のボートと約2cm離して真空チャン
バー内に並列に配置した。
【0020】この真空チャンバーを真空度10-6Paに
し、電熱線によりPt片を約1700℃の温度に加熱し
てPt蒸気をカーボンナノホーンに接触させ、この状態
を24時間にわたって維持してPtクラスターをカーボ
ンナノホーンの細孔内に導入した。次いで、このPtク
ラスターが導入されたカーボンナノホーンの0.4g
と、γ-アルミナ(比表面積約100m2/g)の10g
を、200gのイオン交換水中で2時間攪拌し、蒸発乾
固法により、加熱しながら水分を徐々に蒸発させ、攪拌
できなくなった時点で80℃の乾燥炉で乾燥させ、カー
ボンナノホーンをγ-アルミナに固定した。
【0021】次いで、このカーボンナノホーンを固定し
たγ-アルミナを、大気雰囲気中で500℃×2時間の
焼成に供し、カーボンナノホーンを燃焼除去させると同
時にPtをγ-アルミナに担持し、本発明の方法による
触媒を得た。この触媒に含まれるPtの担持量は、γ-
アルミナとの合計質量を基準に2質量%であった。
【0022】実施例2 Ptの0.8gに代えてPd片の0.8gを用い、電熱線
によるPdの加熱温度を1500℃にした以外は実施例
1と同様にして、本発明の方法による触媒を得た。
【0023】実施例3 Ptの0.8gに代えてAu片の0.8gを用い、電熱線
によるAuの加熱温度を1000℃にした以外は実施例
1と同様にして、本発明の方法による触媒を得た。
【0024】比較例1 γ-アルミナに白金ジニトロジアンミンPt(NH3)2(N
2)2溶液を含浸させ、乾燥の後、大気雰囲気中で50
0℃×2時間の焼成に供し、γ-アルミナに2質量%の
Ptが担持された比較例の方法による触媒を得た。
【0025】比較例2 白金ジニトロジアンミン溶液を硝酸パラジウムPd(N
3)2溶液に代えた以外は比較例1と同様にして、γ-ア
ルミナに2質量%のPdが担持された比較例の方法によ
る触媒を得た。
【0026】比較例3 白金ジニトロジアンミン溶液を塩化金酸HAuCl4
液に代えた以外は比較例1と同様にして、γ-アルミナ
に2質量%のAuが担持された比較例の方法による触媒
を得た。
【0027】−触媒性能の評価− 上記の実施例1〜3と比較例1〜3の各触媒を圧縮・解
砕して、直径約1.5mmのペレットにした。これらの
ペレット触媒の各2ccを固定床流通反応装置に配置
し、下記の組成のモデルガスを流通させ、触媒温度を高
めながらC36(HC)の50%浄化温度(T50)を測定し
た。
【0028】 モデルガスの組成: 0.2%CO+667ppmC36+0.4%O2 (残余N2) このモデルガス浄化性能試験において、モデルガスの流
量は6リットル/分で、触媒の昇温速度は10℃/分と
した。この結果を図3に示す。
【0029】−合金触媒の形態観察− 上記の実施例の各触媒について、分解能約0.1nmの
透過型電子顕微鏡(TEM)による形態観察と、エネルギ
ー分散型X線分光分析(EDX)による電子顕微鏡像のス
ポット領域における元素分析を行い、γ-アルミナ上に
担持された貴金属の粒子径を測定した。この結果を表1
に示す。
【0030】表1に示した結果から、実施例の触媒は、
比較例の触媒よりも顕著に平均粒子径が小さく、本発明
の方法により微細なクラスターの貴金属が担持されると
いった効果は明らかである。また、かかる微細な粒子径
の貴金属が、図4に示すような高い触媒活性をもたらす
ものと考えられる。
【0031】
【発明の効果】触媒成分である貴金属のクラスターサイ
ズが制御された触媒の製造方法を提供し、排気ガス浄化
性能が顕著に改良された触媒を提供することができる。
【0032】
【表1】
【図面の簡単な説明】
【図1】文献から抜粋したPtクラスターサイズと反応
性の関係を示すグラフである。
【図2】炭素材料の形状をモデル的に示す図である。
【図3】HC浄化性能を比較したグラフである。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B01J 23/52 B01J 37/02 301C 35/02 301P 35/04 C01B 31/02 101F 37/02 301 F01N 3/10 A B01D 53/36 G C01B 31/02 101 104A F01N 3/10 ZAB 102B Fターム(参考) 3G091 AB01 BA01 GB05W GB06W GB07W GB10X 4D048 AA06 AA13 AA18 AB05 BA03X BA30X BA31X BA32Y BA33Y BA34X BA41X BB17 4G046 CA00 CB02 CB05 CB08 CC01 4G069 AA03 AA08 BA01B BA08C BC33A BC33B BC71A BC72A BC72B BC74A BC75A BC75B CA03 CA13 CA14 CA15 DA05 EB19 EC22Y FA01 FA03 FB02 FB15 FB36 FC04

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 中空の炭素材料の細孔内に貴金属を導入
    し、前記貴金属が導入された炭素材料を酸化物担体に固
    定した後、焼成することを特徴とする貴金属触媒の製造
    方法。
  2. 【請求項2】 前記炭素材料がカーボンナノチューブ又
    はカーボンナノホーンである請求項1に記載の貴金属触
    媒の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記貴金属が、白金、ロジウム、パラジ
    ウム、金、及びイリジウムから選択された少なくとも1
    種である請求項1又は2に記載の貴金属触媒の製造方
    法。
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