JP2004008924A - セラミック体およびセラミック触媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】コート層を形成することなく、必要量の触媒成分が担持可能なセラミック体を、強度等の特性を低下させずに得ること、そして、実用性、耐久性に優れた高性能なセラミック触媒体を実現することを目的とする。
【解決手段】基材セラミックを構成するコーディエライト等の第一成分に、電子軌道にｄまたはｆ軌道を有するＷ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂ等の元素の化合物または複合化合物からなる第二成分を分散させたセラミック体の表面に、触媒貴金属を直接担持する。触媒貴金属は、第二成分のｄまたはｆ軌道を共有することにより、あるいは、第一成分と第二成分の境界部に存在するダングリングボンドとの相互作用により、結合力を発生し、直接担持可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】基材セラミックを構成するコーディエライト等の第一成分に、電子軌道にｄまたはｆ軌道を有するＷ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂ等の元素の化合物または複合化合物からなる第二成分を分散させたセラミック体の表面に、触媒貴金属を直接担持する。触媒貴金属は、第二成分のｄまたはｆ軌道を共有することにより、あるいは、第一成分と第二成分の境界部に存在するダングリングボンドとの相互作用により、結合力を発生し、直接担持可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車エンジンの排ガス浄化用触媒等において、触媒を担持させるための担体として用いられるセラミック体およびセラミック触媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
触媒担体用のセラミック体には、従来より、高耐熱衝撃性のコーディエライトが広く用いられており、一般に、ハニカム状に成形したコーディエライト表面を、γ−アルミナで被覆（コート）した後、貴金属触媒を担持させて触媒体としている。コート層を形成するのは、コーディエライトは比表面積が小さく、そのままでは、必要な量の触媒成分を担持させることが困難なためで、高比表面積のγ−アルミナを用いることにより、担体の表面積を大きくすることができる。
【０００３】
ところが、担体表面をγ−アルミナでコートすることは、一方で、重量増加による熱容量増加をまねく不具合がある。近年、触媒の早期活性化のために、ハニカム担体のセル壁を薄くして熱容量を下げることが検討されており、コート層の形成はその効果を半減させることになる。また、コート層により熱膨張係数が大きくなる、セル開口面積の縮小により圧損が増加する等の問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、コート層を形成することなく、触媒成分を担持可能なセラミック体について、種々検討がなされている。例えば、特公平５−５０３３８号公報には、酸処理した後、熱処理することによりコーディエライト自体の比表面積を向上させる方法が提案されている。しかしながら、この方法では、酸処理や熱処理によりコーディエライトの結晶格子が破壊されて強度が低下する問題があり、実用的ではなかった。
【０００５】
本発明は、これら従来技術の問題点を解決し、コート層を形成することなく、必要量の触媒成分が担持可能なセラミック体を、強度等の特性を低下させずに得ること、そして、実用性、耐久性に優れた高性能なセラミック触媒体を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、表面に触媒成分を直接担持可能なセラミック体であって、基材セラミックを構成する第一成分と、上記第一成分と異なる第二成分とを有しており、上記第二成分を上記基材セラミックの少なくとも表面部に分散してなることを特徴とする。
【０００７】
請求項１のセラミック体は、基材セラミックを構成する第一成分とは異なる第二成分を、少なくとも表面部に分散させることによって、触媒成分を直接担持可能とするものである。従って、酸処理等により構成成分を溶出させて基材セラミック自体の比表面積を大きくする従来技術と異なり、結晶格子が破壊されて強度が低下する問題が生じない。よって、強度を保持しつつ、コート層なしで触媒成分を直接担持させることが可能で、実用性、耐久性に優れる。
【０００８】
請求項２のように、具体的には、上記第二成分、または上記第一成分と上記第二成分の境界部に上記触媒成分を担持する。例えば、上記第二成分として、上記第一成分に比べて触媒成分との結合力が大きい元素を含む化合物を導入すれば、触媒成分を強い吸着力で直接担持可能となる。また、第一成分と第二成分の界面には、格子の不整合があり、キンクやプレート等が発生する。このような部位には、ダングリングボンドが存在し、触媒成分と結合しやすくなる。従って、空孔内に触媒金属粒子が保持される通常の担持構造よりも、保持性が向上し、触媒成分を担体に均一分散させることができるので、凝集しにくく、長期使用による劣化も小さい。
【０００９】
請求項３のように、基材セラミックとなる上記第一成分には、コーディエライト、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＣ、ＴｉＯ２ 、ＭｇＯ、Ｓｉ３ Ｎ４ 、ＺｒＯ２ 、ＣｅＯ２ およびＳｉＯ２ といったセラミックを用いることができる。用途や使用環境により基材セラミックに要求される特性に応じて、これらセラミックから選ばれる少なくとも一種類または複数種類を使用することができる。
【００１０】
請求項４のように、上記第二成分の、セラミック体全体としての含有量は、上記第一成分および上記第二成分を構成する金属元素の合計を１００原子％とした時に、上記第二成分を構成する金属元素の合計量が０．１原子％以上７０原子％以下となるようにする。セラミック体全体としての上記第二成分の含有量が上記範囲となるように、上記第二成分を分散させることで、基材セラミックの特性を維持しつつ、必要な量の触媒成分を担持可能となる。
【００１１】
請求項５のように、上記第二成分の、上記表面部における含有量は、上記第一成分および上記第二成分を構成する金属元素の合計を１００原子％とした時に、上記第二成分を構成する金属元素の合計量が０．１原子％以上１００原子％以下とするのがよい。上記表面部では、上記第二成分の含有量をより多くすることができ、基材セラミックの特性を損なうことなく、より多くの量の触媒成分を担持可能となる。
【００１２】
請求項６のように、上記第二成分は、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも一種類またはそれ以上の元素の化合物、あるいは、上記第一成分に含まれる金属元素と、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも一種類またはそれ以上の元素との複合化合物であることが望ましい。ｄまたはｆ軌道を有する元素は、触媒成分とエネルギー準位が近いため、電子の授与が生じて結合しやすい。また、これらｄまたはｆ軌道を有する元素と上記第一成分に含まれる金属元素との化合物であってもよい。
【００１３】
請求項７のように、上記第二成分として、例えば、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂのうちの少なくとも一種類またはそれ以上の元素の化合物、あるいは、上記第一成分に含まれる金属元素と、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂのうちの少なくとも一種類またはそれ以上の元素との複合化合物を用いることができる。
【００１４】
請求項８のように、好適には、上記化合物または複合化合物は、ＷＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＣｏＷＯ４ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ５ 、ＭｇＴｉＯ３ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ４ 、ＭｇＳｉＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ３ 、ＴｉＯ２ 、ＦｅＷＯ４ 、ＭｇＦｅ２ Ｏ４ 、ＦｅＡｌＯ３ 、Ｆｅ２ ＳｉＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ 、Ａｌ２ ＴｉＯ５ 、ＧａＡｌＯ３ 、Ｎｂ２ ＷＯ３ およびＡｌＮｂＯ４ から選ばれる少なくとも一種類またはそれ以上を用いることができる。
【００１５】
請求項９のように、上記第二成分の平均粒径は、５０μｍ以下であるとよい。粒径の小さい上記第二成分を、セラミック体の表面部に高分散させることで、触媒成分の担持量を増加させることができる。
【００１６】
請求項１０のように、セラミック体の形状としては、ハニカム状、フォーム状、中空糸状、繊維状、粉体状またはペレット状といった種々の形状を選択することができ、いずれの形状とした場合も、上記第二成分の添加により触媒成分を直接担持可能とすることができる。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項１ないし１０のいずれかに記載のセラミック体に触媒成分を直接担持してなるセラミック触媒体である。このセラミック触媒体は、上記触媒成分が直接担持され、コート層が不要であるので、コート層による熱容量、熱膨張係数の増加等が生じない。また、触媒の早期活性化が可能で、耐久性にも優れる。
【００１８】
請求項１２のセラミック触媒体は、上記触媒成分を、上記第二成分、または上記第一成分と上記第二成分の境界部に担持させる。例えば、上記第二成分が電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する元素を含むと、触媒成分と結合しやすくなる。また、上記第一成分と上記第二成分の境界部には、ダングリングボンドが形成されやすくなるため、触媒成分と結合しやすい。
【００１９】
請求項１３のセラミック触媒体では、上記触媒成分としては、貴金属元素を含む触媒を用いる。具体的には、請求項１４のように、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、ＩｒおよびＩｎから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素が用いられ、目的に応じて選択することができる。
【００２０】
請求項１５のセラミック触媒体は、上記触媒成分の平均粒径を、１００ｎｍ以下とする。粒径が小さいほど、触媒成分を高分散させて、触媒性能を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明のセラミック体は、基材セラミックを構成する第一成分と、第一成分と異なる第二成分とを有しており、第二成分を基材セラミックの少なくとも表面部に分散させることによって、表面に触媒成分を直接担持するものである。触媒成分は、基材セラミック中に分散する第二成分と結合することにより、または第一成分と上記第二成分の境界部に存在するダングリングボンドとの相互作用によって、担持可能となる。セラミック体の形状は、特に制限されず、例えば、ハニカム状、フォーム状、中空糸状、繊維状、粉体状またはペレット状等、種々の形状とすることができる。本発明のセラミック体は、触媒用の担体として用いられるもので、このセラミック体に触媒成分を直接担持させて得られるセラミック触媒体は、例えば、自動車用の排ガス浄化触媒等の用途に使用される。
【００２２】
基材セラミックを構成する第一成分には、例えば、理論組成が２ＭｇＯ・２Ａｌ２ Ｏ３ ・５ＳｉＯ２ で表されるコーディエライトの他、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＣ、ＴｉＯ２ 、ＭｇＯ、Ｓｉ３ Ｎ４ 、ＺｒＯ２ 、ＣｅＯ２ およびＳｉＯ２ といったセラミックを用いることができ、これらセラミックから選ばれる少なくとも一種類ないしそれ以上を、用途や必要特性に応じて適宜選択する。例えば、第一成分がコーディエライトである場合には、耐熱衝撃性に優れることから、高温耐久性が要求される排ガス浄化触媒用の担体として好適である。
【００２３】
第二成分としては、基材セラミックとなる第一成分を構成する金属元素（例えば、コーディエライトであれば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ）よりも担持される触媒成分との結合力が大きく、触媒成分と化学的に結合可能な元素を含む化合物が好適に用いられる。このような元素の具体例として、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する元素が挙げられ、好ましくは、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素が好適に用いられる。ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素は、担持される触媒貴金属等の触媒成分とエネルギー準位が近く、電子の授与が行われやすい。また、酸化状態を二つ以上持つ元素も、電子の授与が行われやすく、触媒成分と結合しやすい。
【００２４】
ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素の具体例には、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ等が挙げられる。上記元素のうち、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔは、酸化状態を２つ以上有する元素である。好ましくは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素、より好ましくは、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素が用いられる。
【００２５】
第二成分は、これらｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素の化合物、通常、酸化物からなる。ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素を複数含む複合酸化物等の複合化合物であってもよく、このような化合物または複合化合物の少なくとも一種類ないしそれ以上を、基材セラミック中に分散させる。さらに、第二成分が、上記したｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素と、第一成分に含まれる金属元素との複合酸化物であってもよい。例えば、第一成分の原料に、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素を含む原料を添加して大気中で焼成すると、その過程で、第一成分を構成する元素とｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素とが固溶体を形成することがある。この固溶体も、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素を含むことから、上述したように触媒成分との結合力を発生する。
【００２６】
このように、第二成分は、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素の少なくとも一種類を含む化合物または複合化合物、あるいは、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素の少なくとも一種類と、第一成分に含まれる金属元素の少なくとも一種類との複合化合物からなる。第二成分が複数種類の化合物または複合化合物を構成成分として含んでいてももちろんよい。例えば、第一成分がＳｉ、Ａｌ、Ｍｇを含むコーディエライトであり、第二成分に含まれるｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素が、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種類である時、第二成分となる化合物または複合化合物の具体例として、ＷＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＣｏＷＯ４ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ５ 、ＭｇＴｉＯ３ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ４ 、ＭｇＳｉＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ３ 、ＴｉＯ２ 、ＦｅＷＯ４ 、ＭｇＦｅ２ Ｏ４ 、ＦｅＡｌＯ３ 、Ｆｅ２ ＳｉＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ 、Ａｌ２ ＴｉＯ５ 、ＧａＡｌＯ３ 、Ｎｂ２ ＷＯ３ およびＡｌＮｂＯ４ 等が挙げられ、これら化合物または複合化合物から選ばれる少なくとも一種類またはそれ以上が用いられる。
【００２７】
セラミック体全体における第二成分の含有量は、第二成分を構成する金属元素の合計量が、第一成分および第二成分を構成する金属元素の合計量に対し、０．１原子％以上７０原子％以下、好ましくは、１０原子％以上７０原子％以下となるようにするのがよい。第二成分を構成する金属元素の合計量が、０．１原子％に満たないと、触媒成分を担持できるサイト数が少なくなり、７０原子％を越えると、基材セラミック（第一成分）の特性が失われるため、好ましくない。従って、強度、熱膨張係数といった機械的特性および耐熱性、耐候性等を低下させることなく、必要の触媒担持量が確保できるように、第二成分の含有量を適宜選択するとよい。
【００２８】
ただし、触媒成分が担持される表面部については、この限りでなく、第二成分の含有量を、より多くすることができる。具体的には、第二成分を構成する金属元素の合計量が、第一成分および第二成分を構成する金属元素の合計量に対し、０．１原子％以上１００原子％以下、好ましくは、１０原子％以上１００原子％以下とする。基体部分における第二成分の含有量を７０原子％以下とすることで、担体としての必要特性を確保することができるので、表面部における第二成分の含有量が７０原子％を越えても、基材セラミック（第一成分）の特性が失われることがなく、第二成分の増加により、触媒担持量が増加する利点がある。第二成分がコート層として表面を覆っていてもよく、この時、第二成分の含有量は１００原子％となる。なお、ここでいう表面部とは、セラミック体の最表面から数μｍ程度までの深さを示す。
【００２９】
ここで、第二成分の粒径は、好ましくは、平均粒径が５０μｍ以下となるようにするのがよい。このように、第二成分の平均粒径を小さくして、セラミック体に高分散させることで、触媒成分を担持できるサイト数が増大し、触媒成分の担持量を増加させることができる。
【００３０】
本発明のセラミック体を製造するには、例えば、基材セラミックとなる第一成分の原料を調製する際に、第二成分の粉末またはその原料を所定量添加し、通常の方法で、混練、成形、乾燥させた後、大気雰囲気中で脱脂、焼成する。このようにすることで、第一成分中に、第二成分の粒子を均一に分散させることができる。また、第二成分の原料を、溶液の状態で混合することもできる。例えば、第二成分が、ＷＯ３ である場合には、その原料として、ケイタングステン酸水溶液等を、ＴｉＯ２ である場合には、その原料として、ペルオキソチタン酸水溶液、四塩化チタン水溶液等を使用することができ、より均一な混合が可能である。
【００３１】
このようにして得られたセラミック担体に担持させる触媒成分としては、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｉｎ等の貴金属元素が好適に用いられ、これら貴金属元素から選ばれる少なくとも一種類またはそれ以上を使用する。この時、これら触媒貴金属の平均粒径は、１００ｎｍ以下であることが望ましい。平均粒径を１００ｎｍ以下と小さくすることで、触媒重量あたりの浄化性能を向上できる。また、必要に応じて種々の助触媒を付加することもできる。助触媒には、例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｅ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｂａ、Ｋａ等やランタノイド元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）等の金属元素およびそれらの酸化物または複合酸化物が挙げられ、劣化抑制、酸素吸蔵能、触媒劣化検出といった目的に応じて、これら元素のうちの１種類または複数種類を目的に応じて使用する。
【００３２】
本発明のセラミック体に、これら触媒成分を担持させるには、通常、所望の触媒成分を含む溶液にセラミック体を浸漬し、乾燥させた後、焼成する方法が用いられる。２種類以上の触媒成分を組み合わせて使用する場合は、複数の触媒成分を含む溶液を調製してセラミック体を浸漬させればよい。例えば、ＰｔとＲｈを主触媒成分として用いる場合には、ヘキサクロロ白金酸と塩化ロジウムを含有する溶液を用いることができる。触媒成分の担持量は、通常、触媒貴金属で０．０５〜１０ｇ／Ｌ、助触媒で１〜２５０ｇ／Ｌの範囲とすることが好ましい。
【００３３】
これにより、図１に示すように、触媒成分が第二成分、または第一成分と第二成分の境界部に直接担持されたセラミック触媒体が得られる。図１（ａ）は、第一成分が多結晶体で、その粒界および粒内に第二成分が分散している構造であり、図１（ｂ）は、第一成分がはぼ単結晶体で、第二成分と一体化している構造、図１（ｃ）は、第一成分がはぼ単結晶体または多結晶体で、第二成分が単独で存在し、焼結している構造となっている。そして、いずれの構造においても、触媒成分となる貴金属元素等は、基材セラミック中に分散する第二成分の元素が有するｄまたはｆ軌道と、触媒成分となる貴金属元素等のｄ軌道またはｆ軌道とが重なり合うことにより、あるいは、第一成分と第二成分の境界部に発生する、結合力の強いダングリングボンドとの相互作用により、化学的な結合や吸着を生じた結果として、直接担持される。ここで、第一成分と第二成分の界面には、格子の不整合があり、キンクやプレート等が発生するために、ダングリングボンドが存在しやすくなる。
【００３４】
このように、本発明のセラミック触媒体は、触媒成分を第二成分の表面、または第一成分と第二成分の境界部に強い結合力で直接担持してなる。従って、空孔やマイクロクラック等に物理的に担持させる場合と比較して、セラミック体と触媒金属との結合強度が強くなり、触媒金属が熱振動等により、移動して凝集する熱劣化を抑制する効果が高い。このセラミック触媒体は、自動車用排ガス浄化触媒等に好適に使用され、アルミナ等よりなるコート層を形成することなく、触媒成分を表面に直接担持可能であるので、熱容量、熱膨張係数、圧損の低減に効果がある。
【００３５】
【実施例】
次に、上記方法に従い、基材セラミックとなる第一成分をコーディエライトとし、第二成分として、酸化タングステン（ＷＯ３ ）およびチタニア（ＴｉＯ２ ）を分散させた本発明のセラミック体を作製した。第二成分の含有量は、コーディエライトを構成する金属元素（Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ）と、第二成分を構成する金属元素（ＷおよびＴｉ）の合計量に対して、第二成分であるＷＯ３ のＷが１０〜３０原子％、ＴｉＯ２ のＴｉが１０〜６０原子％含まれるようにした。まず、タルク、カオリン、アルミナ等からなるコーディエライト化原料に、平均粒径が１μｍのＷＯ３ 粉末と、平均粒径が３０ｎｍのＴｉＯ２ 粉末を、含有量が上記範囲となるように添加した原料を用い、通常の方法で湿式混練したものを、ハニカム状に成形して、乾燥させた。次いで、この乾燥体を大気雰囲気中、９００℃で脱脂した後、昇温速度５℃／ｈｒ〜７５℃／ｈｒで昇温し、保持温度１２００〜１３５０℃で焼成した。
【００３６】
得られたセラミック体の構造を調べるため、Ｘ線回折を行った。その結果、第一成分であるコーディエライトのピーク以外に、ＷＯ３ 、ＴｉＯ２ のピークが確認された。これにより、第一成分としてのコーディエライト中に、第二成分であるＷＯ３ およびＴｉＯ２ が分散する本発明のセラミック体が得られたことを確認した。
【００３７】また、図２（ａ）は、第二成分に含まれる金属元素であるＷまたはＴｉの含有量（原子％）の、コーディエライト構造への影響を調べた結果である。図のように、ＷとＴｉの合計量が５０原子％程度以下では、コーディエライトのピークは、シャープとなっているが、ＷとＴｉの合計量（原子％）が７０原子％付近でブロードなピークに、さらに、７０原子％を越えるとアモルファス的になっている。従って、第一成分としてのコーディエライト中に、第二成分であるＷＯ３ およびＴｉＯ２ を分散させる場合には、第二成分に含まれる金属元素の合計量が７０原子％以下とするのがよく、第一成分からなる基材セラミックの特性への影響を小さくすることができる。
【００３８】
さらに、上記のようにしてＷＯ３ 、ＴｉＯ２ を分散させたセラミック体に、触媒成分としてＰｔを担持させるために、ヘキサクロロ白金酸を含有する溶液に浸漬した。これを、乾燥させた後、大気雰囲気で焼成してセラミック触媒体を得た。このセラミック触媒体の、Ｐｔ担持前後のＷの結合エネルギーをＸＰＳを用いて測定した。その結果、Ｐｔの担持によってＷのピークが変化し、触媒成分の担持によってＷの結合状態が変化していることが判明した。同様にして、Ｐｔ担持前後のＴｉの結合エネルギーを測定した結果、Ｔｉについても、Ｐｔの担持によって結合エネルギーがシフトしていることが確認された。これに対し、コーディエライトの構成元素であるＳｉ、Ａｌ、Ｍｇのエネルギーの変化は観察されなかった。
【００３９】
また、このセラミック触媒体をＩＣＰを用いて分析した結果、触媒体のＰｔ担持量は、１．２ｇ／Ｌであった。これに対し、第二成分を含まないコーディエライトのみのセラミック体はＰｔ担持量０．０２ｇ／Ｌであり、第二成分を分散させることで、大幅に触媒担持能力が向上していることが分かった。これは、本発明のセラミック触媒体が、ＷやＴｉの存在により、触媒貴金属とセラミック体との結合力が増したことを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）ないし（ｃ）は、本発明のセラミック触媒体の構造をそれぞれ示す図である。
【図２】図２は第二成分の含有量を変化させて、第一成分の構造への影響を調べた結果を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車エンジンの排ガス浄化用触媒等において、触媒を担持させるための担体として用いられるセラミック体およびセラミック触媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
触媒担体用のセラミック体には、従来より、高耐熱衝撃性のコーディエライトが広く用いられており、一般に、ハニカム状に成形したコーディエライト表面を、γ−アルミナで被覆（コート）した後、貴金属触媒を担持させて触媒体としている。コート層を形成するのは、コーディエライトは比表面積が小さく、そのままでは、必要な量の触媒成分を担持させることが困難なためで、高比表面積のγ−アルミナを用いることにより、担体の表面積を大きくすることができる。
【０００３】
ところが、担体表面をγ−アルミナでコートすることは、一方で、重量増加による熱容量増加をまねく不具合がある。近年、触媒の早期活性化のために、ハニカム担体のセル壁を薄くして熱容量を下げることが検討されており、コート層の形成はその効果を半減させることになる。また、コート層により熱膨張係数が大きくなる、セル開口面積の縮小により圧損が増加する等の問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、コート層を形成することなく、触媒成分を担持可能なセラミック体について、種々検討がなされている。例えば、特公平５−５０３３８号公報には、酸処理した後、熱処理することによりコーディエライト自体の比表面積を向上させる方法が提案されている。しかしながら、この方法では、酸処理や熱処理によりコーディエライトの結晶格子が破壊されて強度が低下する問題があり、実用的ではなかった。
【０００５】
本発明は、これら従来技術の問題点を解決し、コート層を形成することなく、必要量の触媒成分が担持可能なセラミック体を、強度等の特性を低下させずに得ること、そして、実用性、耐久性に優れた高性能なセラミック触媒体を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、表面に触媒成分を直接担持可能なセラミック体であって、基材セラミックを構成する第一成分と、上記第一成分と異なる第二成分とを有しており、上記第二成分を上記基材セラミックの少なくとも表面部に分散してなることを特徴とする。
【０００７】
請求項１のセラミック体は、基材セラミックを構成する第一成分とは異なる第二成分を、少なくとも表面部に分散させることによって、触媒成分を直接担持可能とするものである。従って、酸処理等により構成成分を溶出させて基材セラミック自体の比表面積を大きくする従来技術と異なり、結晶格子が破壊されて強度が低下する問題が生じない。よって、強度を保持しつつ、コート層なしで触媒成分を直接担持させることが可能で、実用性、耐久性に優れる。
【０００８】
請求項２のように、具体的には、上記第二成分、または上記第一成分と上記第二成分の境界部に上記触媒成分を担持する。例えば、上記第二成分として、上記第一成分に比べて触媒成分との結合力が大きい元素を含む化合物を導入すれば、触媒成分を強い吸着力で直接担持可能となる。また、第一成分と第二成分の界面には、格子の不整合があり、キンクやプレート等が発生する。このような部位には、ダングリングボンドが存在し、触媒成分と結合しやすくなる。従って、空孔内に触媒金属粒子が保持される通常の担持構造よりも、保持性が向上し、触媒成分を担体に均一分散させることができるので、凝集しにくく、長期使用による劣化も小さい。
【０００９】
請求項３のように、基材セラミックとなる上記第一成分には、コーディエライト、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＣ、ＴｉＯ２ 、ＭｇＯ、Ｓｉ３ Ｎ４ 、ＺｒＯ２ 、ＣｅＯ２ およびＳｉＯ２ といったセラミックを用いることができる。用途や使用環境により基材セラミックに要求される特性に応じて、これらセラミックから選ばれる少なくとも一種類または複数種類を使用することができる。
【００１０】
請求項４のように、上記第二成分の、セラミック体全体としての含有量は、上記第一成分および上記第二成分を構成する金属元素の合計を１００原子％とした時に、上記第二成分を構成する金属元素の合計量が０．１原子％以上７０原子％以下となるようにする。セラミック体全体としての上記第二成分の含有量が上記範囲となるように、上記第二成分を分散させることで、基材セラミックの特性を維持しつつ、必要な量の触媒成分を担持可能となる。
【００１１】
請求項５のように、上記第二成分の、上記表面部における含有量は、上記第一成分および上記第二成分を構成する金属元素の合計を１００原子％とした時に、上記第二成分を構成する金属元素の合計量が０．１原子％以上１００原子％以下とするのがよい。上記表面部では、上記第二成分の含有量をより多くすることができ、基材セラミックの特性を損なうことなく、より多くの量の触媒成分を担持可能となる。
【００１２】
請求項６のように、上記第二成分は、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも一種類またはそれ以上の元素の化合物、あるいは、上記第一成分に含まれる金属元素と、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも一種類またはそれ以上の元素との複合化合物であることが望ましい。ｄまたはｆ軌道を有する元素は、触媒成分とエネルギー準位が近いため、電子の授与が生じて結合しやすい。また、これらｄまたはｆ軌道を有する元素と上記第一成分に含まれる金属元素との化合物であってもよい。
【００１３】
請求項７のように、上記第二成分として、例えば、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂのうちの少なくとも一種類またはそれ以上の元素の化合物、あるいは、上記第一成分に含まれる金属元素と、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂのうちの少なくとも一種類またはそれ以上の元素との複合化合物を用いることができる。
【００１４】
請求項８のように、好適には、上記化合物または複合化合物は、ＷＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＣｏＷＯ４ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ５ 、ＭｇＴｉＯ３ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ４ 、ＭｇＳｉＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ３ 、ＴｉＯ２ 、ＦｅＷＯ４ 、ＭｇＦｅ２ Ｏ４ 、ＦｅＡｌＯ３ 、Ｆｅ２ ＳｉＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ 、Ａｌ２ ＴｉＯ５ 、ＧａＡｌＯ３ 、Ｎｂ２ ＷＯ３ およびＡｌＮｂＯ４ から選ばれる少なくとも一種類またはそれ以上を用いることができる。
【００１５】
請求項９のように、上記第二成分の平均粒径は、５０μｍ以下であるとよい。粒径の小さい上記第二成分を、セラミック体の表面部に高分散させることで、触媒成分の担持量を増加させることができる。
【００１６】
請求項１０のように、セラミック体の形状としては、ハニカム状、フォーム状、中空糸状、繊維状、粉体状またはペレット状といった種々の形状を選択することができ、いずれの形状とした場合も、上記第二成分の添加により触媒成分を直接担持可能とすることができる。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項１ないし１０のいずれかに記載のセラミック体に触媒成分を直接担持してなるセラミック触媒体である。このセラミック触媒体は、上記触媒成分が直接担持され、コート層が不要であるので、コート層による熱容量、熱膨張係数の増加等が生じない。また、触媒の早期活性化が可能で、耐久性にも優れる。
【００１８】
請求項１２のセラミック触媒体は、上記触媒成分を、上記第二成分、または上記第一成分と上記第二成分の境界部に担持させる。例えば、上記第二成分が電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する元素を含むと、触媒成分と結合しやすくなる。また、上記第一成分と上記第二成分の境界部には、ダングリングボンドが形成されやすくなるため、触媒成分と結合しやすい。
【００１９】
請求項１３のセラミック触媒体では、上記触媒成分としては、貴金属元素を含む触媒を用いる。具体的には、請求項１４のように、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、ＩｒおよびＩｎから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素が用いられ、目的に応じて選択することができる。
【００２０】
請求項１５のセラミック触媒体は、上記触媒成分の平均粒径を、１００ｎｍ以下とする。粒径が小さいほど、触媒成分を高分散させて、触媒性能を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明のセラミック体は、基材セラミックを構成する第一成分と、第一成分と異なる第二成分とを有しており、第二成分を基材セラミックの少なくとも表面部に分散させることによって、表面に触媒成分を直接担持するものである。触媒成分は、基材セラミック中に分散する第二成分と結合することにより、または第一成分と上記第二成分の境界部に存在するダングリングボンドとの相互作用によって、担持可能となる。セラミック体の形状は、特に制限されず、例えば、ハニカム状、フォーム状、中空糸状、繊維状、粉体状またはペレット状等、種々の形状とすることができる。本発明のセラミック体は、触媒用の担体として用いられるもので、このセラミック体に触媒成分を直接担持させて得られるセラミック触媒体は、例えば、自動車用の排ガス浄化触媒等の用途に使用される。
【００２２】
基材セラミックを構成する第一成分には、例えば、理論組成が２ＭｇＯ・２Ａｌ２ Ｏ３ ・５ＳｉＯ２ で表されるコーディエライトの他、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＣ、ＴｉＯ２ 、ＭｇＯ、Ｓｉ３ Ｎ４ 、ＺｒＯ２ 、ＣｅＯ２ およびＳｉＯ２ といったセラミックを用いることができ、これらセラミックから選ばれる少なくとも一種類ないしそれ以上を、用途や必要特性に応じて適宜選択する。例えば、第一成分がコーディエライトである場合には、耐熱衝撃性に優れることから、高温耐久性が要求される排ガス浄化触媒用の担体として好適である。
【００２３】
第二成分としては、基材セラミックとなる第一成分を構成する金属元素（例えば、コーディエライトであれば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ）よりも担持される触媒成分との結合力が大きく、触媒成分と化学的に結合可能な元素を含む化合物が好適に用いられる。このような元素の具体例として、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する元素が挙げられ、好ましくは、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素が好適に用いられる。ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素は、担持される触媒貴金属等の触媒成分とエネルギー準位が近く、電子の授与が行われやすい。また、酸化状態を二つ以上持つ元素も、電子の授与が行われやすく、触媒成分と結合しやすい。
【００２４】
ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素の具体例には、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ等が挙げられる。上記元素のうち、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔは、酸化状態を２つ以上有する元素である。好ましくは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素、より好ましくは、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素が用いられる。
【００２５】
第二成分は、これらｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素の化合物、通常、酸化物からなる。ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素を複数含む複合酸化物等の複合化合物であってもよく、このような化合物または複合化合物の少なくとも一種類ないしそれ以上を、基材セラミック中に分散させる。さらに、第二成分が、上記したｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素と、第一成分に含まれる金属元素との複合酸化物であってもよい。例えば、第一成分の原料に、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素を含む原料を添加して大気中で焼成すると、その過程で、第一成分を構成する元素とｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素とが固溶体を形成することがある。この固溶体も、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素を含むことから、上述したように触媒成分との結合力を発生する。
【００２６】
このように、第二成分は、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素の少なくとも一種類を含む化合物または複合化合物、あるいは、ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素の少なくとも一種類と、第一成分に含まれる金属元素の少なくとも一種類との複合化合物からなる。第二成分が複数種類の化合物または複合化合物を構成成分として含んでいてももちろんよい。例えば、第一成分がＳｉ、Ａｌ、Ｍｇを含むコーディエライトであり、第二成分に含まれるｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素が、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種類である時、第二成分となる化合物または複合化合物の具体例として、ＷＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＣｏＷＯ４ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ５ 、ＭｇＴｉＯ３ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ４ 、ＭｇＳｉＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ３ 、ＴｉＯ２ 、ＦｅＷＯ４ 、ＭｇＦｅ２ Ｏ４ 、ＦｅＡｌＯ３ 、Ｆｅ２ ＳｉＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ 、Ａｌ２ ＴｉＯ５ 、ＧａＡｌＯ３ 、Ｎｂ２ ＷＯ３ およびＡｌＮｂＯ４ 等が挙げられ、これら化合物または複合化合物から選ばれる少なくとも一種類またはそれ以上が用いられる。
【００２７】
セラミック体全体における第二成分の含有量は、第二成分を構成する金属元素の合計量が、第一成分および第二成分を構成する金属元素の合計量に対し、０．１原子％以上７０原子％以下、好ましくは、１０原子％以上７０原子％以下となるようにするのがよい。第二成分を構成する金属元素の合計量が、０．１原子％に満たないと、触媒成分を担持できるサイト数が少なくなり、７０原子％を越えると、基材セラミック（第一成分）の特性が失われるため、好ましくない。従って、強度、熱膨張係数といった機械的特性および耐熱性、耐候性等を低下させることなく、必要の触媒担持量が確保できるように、第二成分の含有量を適宜選択するとよい。
【００２８】
ただし、触媒成分が担持される表面部については、この限りでなく、第二成分の含有量を、より多くすることができる。具体的には、第二成分を構成する金属元素の合計量が、第一成分および第二成分を構成する金属元素の合計量に対し、０．１原子％以上１００原子％以下、好ましくは、１０原子％以上１００原子％以下とする。基体部分における第二成分の含有量を７０原子％以下とすることで、担体としての必要特性を確保することができるので、表面部における第二成分の含有量が７０原子％を越えても、基材セラミック（第一成分）の特性が失われることがなく、第二成分の増加により、触媒担持量が増加する利点がある。第二成分がコート層として表面を覆っていてもよく、この時、第二成分の含有量は１００原子％となる。なお、ここでいう表面部とは、セラミック体の最表面から数μｍ程度までの深さを示す。
【００２９】
ここで、第二成分の粒径は、好ましくは、平均粒径が５０μｍ以下となるようにするのがよい。このように、第二成分の平均粒径を小さくして、セラミック体に高分散させることで、触媒成分を担持できるサイト数が増大し、触媒成分の担持量を増加させることができる。
【００３０】
本発明のセラミック体を製造するには、例えば、基材セラミックとなる第一成分の原料を調製する際に、第二成分の粉末またはその原料を所定量添加し、通常の方法で、混練、成形、乾燥させた後、大気雰囲気中で脱脂、焼成する。このようにすることで、第一成分中に、第二成分の粒子を均一に分散させることができる。また、第二成分の原料を、溶液の状態で混合することもできる。例えば、第二成分が、ＷＯ３ である場合には、その原料として、ケイタングステン酸水溶液等を、ＴｉＯ２ である場合には、その原料として、ペルオキソチタン酸水溶液、四塩化チタン水溶液等を使用することができ、より均一な混合が可能である。
【００３１】
このようにして得られたセラミック担体に担持させる触媒成分としては、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｉｎ等の貴金属元素が好適に用いられ、これら貴金属元素から選ばれる少なくとも一種類またはそれ以上を使用する。この時、これら触媒貴金属の平均粒径は、１００ｎｍ以下であることが望ましい。平均粒径を１００ｎｍ以下と小さくすることで、触媒重量あたりの浄化性能を向上できる。また、必要に応じて種々の助触媒を付加することもできる。助触媒には、例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｅ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｂａ、Ｋａ等やランタノイド元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）等の金属元素およびそれらの酸化物または複合酸化物が挙げられ、劣化抑制、酸素吸蔵能、触媒劣化検出といった目的に応じて、これら元素のうちの１種類または複数種類を目的に応じて使用する。
【００３２】
本発明のセラミック体に、これら触媒成分を担持させるには、通常、所望の触媒成分を含む溶液にセラミック体を浸漬し、乾燥させた後、焼成する方法が用いられる。２種類以上の触媒成分を組み合わせて使用する場合は、複数の触媒成分を含む溶液を調製してセラミック体を浸漬させればよい。例えば、ＰｔとＲｈを主触媒成分として用いる場合には、ヘキサクロロ白金酸と塩化ロジウムを含有する溶液を用いることができる。触媒成分の担持量は、通常、触媒貴金属で０．０５〜１０ｇ／Ｌ、助触媒で１〜２５０ｇ／Ｌの範囲とすることが好ましい。
【００３３】
これにより、図１に示すように、触媒成分が第二成分、または第一成分と第二成分の境界部に直接担持されたセラミック触媒体が得られる。図１（ａ）は、第一成分が多結晶体で、その粒界および粒内に第二成分が分散している構造であり、図１（ｂ）は、第一成分がはぼ単結晶体で、第二成分と一体化している構造、図１（ｃ）は、第一成分がはぼ単結晶体または多結晶体で、第二成分が単独で存在し、焼結している構造となっている。そして、いずれの構造においても、触媒成分となる貴金属元素等は、基材セラミック中に分散する第二成分の元素が有するｄまたはｆ軌道と、触媒成分となる貴金属元素等のｄ軌道またはｆ軌道とが重なり合うことにより、あるいは、第一成分と第二成分の境界部に発生する、結合力の強いダングリングボンドとの相互作用により、化学的な結合や吸着を生じた結果として、直接担持される。ここで、第一成分と第二成分の界面には、格子の不整合があり、キンクやプレート等が発生するために、ダングリングボンドが存在しやすくなる。
【００３４】
このように、本発明のセラミック触媒体は、触媒成分を第二成分の表面、または第一成分と第二成分の境界部に強い結合力で直接担持してなる。従って、空孔やマイクロクラック等に物理的に担持させる場合と比較して、セラミック体と触媒金属との結合強度が強くなり、触媒金属が熱振動等により、移動して凝集する熱劣化を抑制する効果が高い。このセラミック触媒体は、自動車用排ガス浄化触媒等に好適に使用され、アルミナ等よりなるコート層を形成することなく、触媒成分を表面に直接担持可能であるので、熱容量、熱膨張係数、圧損の低減に効果がある。
【００３５】
【実施例】
次に、上記方法に従い、基材セラミックとなる第一成分をコーディエライトとし、第二成分として、酸化タングステン（ＷＯ３ ）およびチタニア（ＴｉＯ２ ）を分散させた本発明のセラミック体を作製した。第二成分の含有量は、コーディエライトを構成する金属元素（Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ）と、第二成分を構成する金属元素（ＷおよびＴｉ）の合計量に対して、第二成分であるＷＯ３ のＷが１０〜３０原子％、ＴｉＯ２ のＴｉが１０〜６０原子％含まれるようにした。まず、タルク、カオリン、アルミナ等からなるコーディエライト化原料に、平均粒径が１μｍのＷＯ３ 粉末と、平均粒径が３０ｎｍのＴｉＯ２ 粉末を、含有量が上記範囲となるように添加した原料を用い、通常の方法で湿式混練したものを、ハニカム状に成形して、乾燥させた。次いで、この乾燥体を大気雰囲気中、９００℃で脱脂した後、昇温速度５℃／ｈｒ〜７５℃／ｈｒで昇温し、保持温度１２００〜１３５０℃で焼成した。
【００３６】
得られたセラミック体の構造を調べるため、Ｘ線回折を行った。その結果、第一成分であるコーディエライトのピーク以外に、ＷＯ３ 、ＴｉＯ２ のピークが確認された。これにより、第一成分としてのコーディエライト中に、第二成分であるＷＯ３ およびＴｉＯ２ が分散する本発明のセラミック体が得られたことを確認した。
【００３７】また、図２（ａ）は、第二成分に含まれる金属元素であるＷまたはＴｉの含有量（原子％）の、コーディエライト構造への影響を調べた結果である。図のように、ＷとＴｉの合計量が５０原子％程度以下では、コーディエライトのピークは、シャープとなっているが、ＷとＴｉの合計量（原子％）が７０原子％付近でブロードなピークに、さらに、７０原子％を越えるとアモルファス的になっている。従って、第一成分としてのコーディエライト中に、第二成分であるＷＯ３ およびＴｉＯ２ を分散させる場合には、第二成分に含まれる金属元素の合計量が７０原子％以下とするのがよく、第一成分からなる基材セラミックの特性への影響を小さくすることができる。
【００３８】
さらに、上記のようにしてＷＯ３ 、ＴｉＯ２ を分散させたセラミック体に、触媒成分としてＰｔを担持させるために、ヘキサクロロ白金酸を含有する溶液に浸漬した。これを、乾燥させた後、大気雰囲気で焼成してセラミック触媒体を得た。このセラミック触媒体の、Ｐｔ担持前後のＷの結合エネルギーをＸＰＳを用いて測定した。その結果、Ｐｔの担持によってＷのピークが変化し、触媒成分の担持によってＷの結合状態が変化していることが判明した。同様にして、Ｐｔ担持前後のＴｉの結合エネルギーを測定した結果、Ｔｉについても、Ｐｔの担持によって結合エネルギーがシフトしていることが確認された。これに対し、コーディエライトの構成元素であるＳｉ、Ａｌ、Ｍｇのエネルギーの変化は観察されなかった。
【００３９】
また、このセラミック触媒体をＩＣＰを用いて分析した結果、触媒体のＰｔ担持量は、１．２ｇ／Ｌであった。これに対し、第二成分を含まないコーディエライトのみのセラミック体はＰｔ担持量０．０２ｇ／Ｌであり、第二成分を分散させることで、大幅に触媒担持能力が向上していることが分かった。これは、本発明のセラミック触媒体が、ＷやＴｉの存在により、触媒貴金属とセラミック体との結合力が増したことを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）ないし（ｃ）は、本発明のセラミック触媒体の構造をそれぞれ示す図である。
【図２】図２は第二成分の含有量を変化させて、第一成分の構造への影響を調べた結果を示す図である。
Claims (15)
- 表面に触媒成分を直接担持可能なセラミック体であって、基材セラミックを構成する第一成分と、上記第一成分と異なる第二成分とを有し、上記第二成分を上記基材セラミックの少なくとも表面部に分散してなることを特徴とするセラミック体。
- 上記第二成分、または上記第一成分と上記第二成分の境界部に上記触媒成分が担持される請求項１記載のセラミック体。
- 上記第一成分が、コーディエライト、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＣ、ＴｉＯ２ 、ＭｇＯ、Ｓｉ３ Ｎ４ 、ＺｒＯ２ 、ＣｅＯ２ およびＳｉＯ２ から選ばれる少なくとも一種類からなる請求項１または２記載のセラミック体。
- 上記第二成分のセラミック体全体における含有量は、上記第一成分および上記第二成分を構成する金属元素の合計を１００原子％とした時に、上記第二成分を構成する金属元素の合計量が０．１原子％以上７０原子％以下である請求項１ないし３のいずれか記載のセラミック体。
- 上記第二成分の上記表面部における含有量は、上記第一成分および上記第二成分を構成する金属元素の合計を１００原子％とした時に、上記第二成分を構成する金属元素の合計量が０．１原子％以上１００原子％以下である請求項１ないし３のいずれか記載のセラミック体。
- 上記第二成分は、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも一種類またはそれ以上の元素の化合物、あるいは、上記第一成分に含まれる金属元素と、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも一種類またはそれ以上の元素との複合化合物である請求項１ないし５のいずれか記載のセラミック体。
- 上記第二成分は、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂのうちの少なくとも一種類またはそれ以上の元素の化合物、あるいは、上記第一成分に含まれる金属元素と、Ｗ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｎｂのうちの少なくとも一種類またはそれ以上の元素との複合化合物である請求項１ないし５のいずれか記載のセラミック体。
- 上記化合物または複合化合物が、ＷＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＣｏＷＯ４ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ５ 、ＭｇＴｉＯ３ 、Ｍｇ２ ＴｉＯ４ 、ＭｇＳｉＯ３ 、ＭｇＷＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ３ 、ＴｉＯ２ 、ＦｅＷＯ４ 、ＭｇＦｅ２ Ｏ４ 、ＦｅＡｌＯ３ 、Ｆｅ２ ＳｉＯ４ 、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ 、Ａｌ２ ＴｉＯ５ 、ＧａＡｌＯ３ 、Ｎｂ２ ＷＯ３ およびＡｌＮｂＯ４ から選ばれる少なくとも一種類またはそれ以上である請求項１ないし５のいずれか記載のセラミック体。
- 上記第二成分の平均粒径は、５０μｍ以下である請求項１ないし８のいずれか記載のセラミック体。
- セラミック体の形状は、ハニカム状、フォーム状、中空糸状、繊維状、粉体状またはペレット状である請求項１ないし９のいずれか記載のセラミック体。
- 請求項１ないし１０のいずれか記載のセラミック体に触媒成分を直接担持してなるセラミック触媒体。
- 上記触媒成分が、上記第二成分、または上記第一成分と上記第二成分の境界部に担持されている請求項１１記載のセラミック触媒体。
- 上記触媒成分が、貴金属元素を含む請求項１１または１２記載のセラミック触媒体。
- 上記触媒成分が、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、ＩｒおよびＩｎから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素を含む１１または１２記載のセラミック触媒体。
- 上記触媒成分の平均粒径は、１００ｎｍ以下である請求項１１ないし１４のいずれかに記載のセラミック触媒体。
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