JP2004050062A

JP2004050062A - 触媒構造

Info

Publication number: JP2004050062A
Application number: JP2002211335A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Ito; 伊藤　秀俊; Takashi Saito; 斉藤　孝史; Takeshi Ouchi; 大内　健
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】壁厚０．０７５ｍｍ以下で且つセル密度１４００Ｋｃｅｌｌｓ／ｍ^２（９００ｃｐｓｉ）以上のセラミックス担体において、接合強度が大きく、耐熱衝撃性を有する触媒構造を提供すること。
【解決手段】担体にＵ／ＣとＷ／Ｃとを積層して成り、Ｕ／ＣにＷ／Ｃ構成材料の平均粒径より大きい平均粒径を有し、Ｕ／Ｃに体積率５〜３０％の割合で混入される有機物により空洞部を形成する触媒構造である。
担体にＵ／ＣとＷ／Ｃとを積層して成り、Ｕ／Ｃに窒化ケイ素、窒化ホウ素、シリカ、リチウムアルミノシリケート、アルミニウムシリケート及びアルミニウムチタネートなどの低膨張セラミックス材を含み、その平均粒径はＵ／Ｃ構成材料の平均粒径より大きく、Ｕ／Ｃに体積率５〜５０％の割合で混入される触媒構造である。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒構造に係り、特に、流通するガスの濃度均等化及び触媒担体の保持構造に関し、例えば、自動車のエンジンなどから排出される排気ガスの浄化手段として好適に使用できる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
壁厚０．０７５ｍｍ以下で且つセル密度１４００Ｋｃｅｌｌｓ／ｍ^２（９００ｃｐｓｉ）以上のセラミックス担体を使用した自動車排ガス浄化用触媒では、以下のような問題がある。
【０００３】
ウォッシュコート層（以下「Ｗ／Ｃ」と記す）厚さが従来品（壁厚０．１ｍｍ以上、セル密度９３０Ｋｃｅｌｌｓ／ｍ^２（６００ｃｐｓｉ）以下）と比較して薄くなるため、排ガス浄化性能の耐久性が低下する。これを防止する一般的な手段として、図１に示すように、貴金属を担持していないＡｌ_２Ｏ_３等をアンダーコート層（以下「Ｕ／Ｃ」と記す）としてコーティングした後、Ｗ／Ｃをコーティングする方法がある。
【０００４】
また、Ｕ／Ｃ材にはＡｌ_２Ｏ_３を用いるのが一般的であるが、この場合は、担体とＵ／Ｃ、Ｗ／Ｃの熱膨張差により剥離が増加する。更に、この熱膨張差により担体に亀裂が発生する場合もある。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、壁厚０．０７５ｍｍ以下で且つセル密度１４００Ｋｃｅｌｌｓ／ｍ^２（９００ｃｐｓｉ）以上のセラミックス担体において、接合強度が大きく、耐熱衝撃性を有する触媒構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、アンダーコート層に空洞部を形成すること又は低熱膨張セラミックス材を含めることにより、上記課題が解決することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
【作用】
本発明の触媒構造では、アンダーコート層に空洞部を形成することにより、空洞にウォッシュコート層が入り込むため、アンカー効果が発揮されてアンダーコート層とウォッシュコート層との剥離が防止される。
また、本発明の触媒構造では、アンダーコート層に比較的粒径の大きい低膨張セラミックス材を含めることにより、アンカー効果が発揮され、アンダーコート層とウォッシュコート層との剥離が防止される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の触媒構造について詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を示す。
【０００９】
本発明の第１の触媒構造は、担体に、空洞部を有するアンダーコート層（以下「Ｕ／Ｃ」と記す）とウォッシュコート層（以下「Ｗ／Ｃ」と記す）とをこの順に積層して成る。
これより、例えば、図３に示すように、Ｕ／Ｃの表面に存在する空洞部にＷ／Ｃがめり込んでアンカーとして作用し、Ｕ／ＣからのＷ／Ｃの剥離が防止される。また、Ｕ／Ｃの内部に空洞部が存在することにより、熱膨張による体積の拡大が抑制される。
【００１０】
ここで、上記空洞部は、Ｕ／Ｃに有機物を混ぜ込んでコーティングした後、例えば４００℃で焼成し、該有機物を焼失させて形成する。このとき、有機物は、Ｗ／Ｃの構成材料の平均粒径より大きい平均粒径を有し、Ｕ／Ｃに体積率５〜３０％の割合で混入される。５％未満ではアンカー効果が認められず、３０％を超えると排気ガス浄化性能に悪影響を及ぼす。また、有機物の平均粒径は、５〜２０μｍであることが有効なアンカー効果を発揮させる面から好ましく、より好適には６〜１５μｍ、更に好適には８〜１２μｍであることがよい。
かかる有機物としては、炭素、セルロース、有機化合物類又はプラスチック微粒子、及びこれらの任意の組合せに係るものを使用できる。
【００１１】
次に、本発明の第２の触媒構造は、担体に、低膨張セラミックス材を含むＵ／ＣとＷ／Ｃとをこの順に積層して成る。
これより、例えば、図２に示すように、Ｕ／Ｃの表面に存在する低膨張セラミックス材がＷ／Ｃにめり込んでアンカー効果を発揮し、Ｕ／ＣからのＷ／Ｃの剥離が防止される。また、Ｕ／Ｃの内部に低膨張セラミックス材が存在することで、熱膨張による体積の拡大が抑制される。
【００１２】
上記低膨張セラミックス材としては、窒化ケイ素、窒化ホウ素、シリカ、リチウムアルミノシリケート、アルミニウムシリケート、アルミニウムチタネート、コーディエライト又はα−アルミナ、及びこれらの任意の組合せに係るものを使用する。これら以外では所望の熱膨張率が得られない。
また、上記低膨張セラミックス材は、その平均粒径をＵ／Ｃの構成材料の平均粒径より大きくし、Ｕ／Ｃに体積率５〜５０％の割合で混入させる。５％未満ではアンカー効果が認められず、５０％を超えると排ガス浄化性能に悪影響を及ぼす。
【００１３】
更に、上記低膨張セラミックス材は、平均粒径を５〜２０μｍとして有効なアンカー効果を発揮させることが好ましく、より好適には６〜１５μｍ、更に好適には８〜１２μｍであることがよい。
更にまた、第２の触媒構造において、上述の第１の触媒構造と同様な空洞部を設けること、即ちＵ／Ｃに混入した有機物を焼失させて得た空洞部を設けることもできる。
【００１４】
更に、担体としては、耐熱性材料から成るハニカム状のモノリス担体やメタル担体を使用することができる。ハニカム状担体としては、一般にセラミックス等のコーディエライト質のものが多く用いられるが、フェライト系ステンレス等の金属材料から成るハニカム状担体を用いることも可能であり、更には触媒材料粉末自体をハニカム状に成形してもよい。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００１６】
表１〜３に示す触媒構造を有する排気ガス浄化触媒を作製し、以下の評価試験を行った。
【００１７】
（剥離性評価）
試料として各担体にコーティングしたハニカムを板金容器にパッケージして、入口排温８００℃、２０Ｇの加振力を与え、１００ｈ耐久を行った。耐久前後のハニカム重量を測定し、触媒ウォッシュコート重量減少分を触媒剥離量として測定した。
この結果、表１に示すように、触媒剥離量が低減され、ウォッシュコートの密着性が向上していることがわかる。
【００１８】
（耐熱衝撃性評価）
触媒を７５０℃、８５０℃、９５０℃に保持した電気炉に入れ、２０分間保持した後に取り出し、耐火レンガ上に置き室温まで冷却する。触媒の外観を観察し、クラックの有無と全周を金属棒で軽くたたいたときの打音を確認した。なお、打音が濁音であると触媒内部に剥離や亀裂が発生していることを示し、金属音であると触媒内部に剥離や亀裂が発生していないことを示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
【表３】

【００２２】
（実施例１〜３及び比較例１、２）
実施例１〜３では、低膨張セラミックス材として、平均粒径１０μｍのαアルミナを、Ｕ／Ｃ中にそれぞれ５、２５、５０％含有させた。また、比較例１及び２では、当該αアルミナを、それぞれ２、７５％含有させた。このときのＷ／Ｃの平均粒径は６．８μｍであった。
表１に示すように、含有量２％では剥離量、耐熱衝撃性に効果が認められない。５〜５０％では剥離量、耐熱衝撃性ともに効果が確認された。７５％では、耐熱衝撃性には効果が認められたが、剥離量には効果がなかった。
よって、Ｕ／Ｃ中にはαアルミナを５〜５０％含有するのがよいことがわかる。
【００２３】
（実施例４〜６及び比較例４、５）
実施例４〜６では、低膨張セラミックス材として、平均粒径１０μｍのコージェライトを、Ｕ／Ｃ中にそれぞれ５、２５、５０％含有させた。また、比較例４及び５では、当該コージェライトを、それぞれ２、７５％含有させた。
表１に示すように、含有量２％では剥離量、耐熱衝撃性に効果が認められないし、５〜５０％では剥離量、耐熱衝撃性ともに効果が確認された。７５％では、耐熱衝撃性には効果が認められたが、剥離量には効果がなかった。
よって、Ｕ／Ｃ中にはコージェライトを５〜５０％含有するのがよいことがわかる。なお、実施例２、５及び７で同様の効果がみられることから、２種類の低膨張セラミックス材を混合させてもよい。
【００２４】
（実施例５、９及び比較例６、７）
実施例５及び９では、低膨張セラミックス材として用いるコージェライトの粒径を１０、１５μｍとした。また、比較例６及び７では、当該粒径を３、６μｍとした。このとき、Ｕ／Ｃ構成材料の平均粒径は全て６．８μｍであった。
Ｕ／Ｃ構成材料の平均粒径より当該コージェライトの平均粒径が小さい場合、剥離量と耐熱衝撃性に対して効果は認められない。大きくなると、剥離量、耐熱衝撃性に効果が確認される。
このように、コージェライトの平均粒径はＵ／Ｃ構成材料の平均粒径より大きくする必要があることがわかる。
【００２５】
（実施例１０〜１３及び比較例８、９）
実施例１０〜１３では、有機物として、ＣをＵ／Ｃ中にそれぞれ５、１０、１５、３０ｖｏｌ％含有させた。また、比較例８及び９では当該Ｃをそれぞれ１、５０ｖｏｌ％含有させた。このとき、Ｃの平均粒径は１０μｍであり、Ｗ／Ｃ構成材料の平均粒径は６．８μｍであった。
この結果、Ｃを１ｖｏｌ％含有するときは剥離性、耐熱衝撃性に効果は認められなかった。５〜３０ｖｏｌ％含有するときは剥離性、耐熱衝撃性ともに効果が確認された。５０ｖｏｌ％含有するときは耐熱衝撃性に効果はあるが剥離量に効果はなかった。
よって、Ｕ／Ｃ中にはＣを５〜３０％含有するのがよいことがわかる。
【００２６】
（実施例１４〜１７及び比較例１０、１１）
実施例１４〜１７では、有機物として、セルロースをＵ／Ｃ中にそれぞれ５、１０、１５、３０ｖｏｌ％含有させた。また、比較例１０及び１１では当該セルロースをそれぞれ１、５０ｖｏｌ％含有させた。このとき、セルロースの平均粒径は１０μｍであり、Ｗ／Ｃ構成材料の平均粒径は６．８μｍであった。
この結果、セルロースを１ｖｏｌ％含有するときは剥離性、耐熱衝撃性に効果は認められなかった。５〜３０ｖｏｌ％含有するときは剥離性、耐熱衝撃性ともに効果が確認された。５０ｖｏｌ％含有するときは耐熱衝撃性に効果はあるが剥離量に効果はなかった。
よって、Ｕ／Ｃ中にはセルロースを５〜３０％含有するのがよいことがわかる。なお、実施例１３、１７、１８を比較しても同様に効果が認められるため、２種類以上の有機物を含有してもよい。
【００２７】
（実施例１６、１９、２０及び比較例１２）
実施例１６、１９及び２０では、有機物として用いるセルロースの平均粒径を１０、２０、３０μｍとした。また、比較例１２では、当該セルロースの平均粒径を５μｍとした。このときのＷ／Ｃの平均粒径は６．８μｍであった。
この結果、セルロースの平均粒径がＷ／Ｃの平均粒径より小さい場合は剥離量、耐熱衝撃性に効果が認められなかった。一方、セルロースの平均粒径がＷ／Ｃより大きい場合は剥離量、耐熱衝撃性に効果が認められた。
よって、セルロースの平均粒径はＷ／Ｃの平均粒径より大きくする必要があることがわかる。
【００２８】
以上、本発明を好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、上記実施例では、壁厚７５μｍ、セル密度１４００Ｋｃｅｌｌｓ／ｍ^２の結果であるが、壁厚７５μｍ以下、セル密度１４００Ｋｃｅｌｌｓ／ｍ^２以上でも同様の効果が得られる。また、実施例はＰｄ／Ｒｈ系で行ったが、Ｐｔ／Ｐｄ／Ｒｈ系でも同様の効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、アンダーコート層に空洞部を形成すること又は低熱膨張セラミックス材を含めることとしたため、壁厚０．０７５ｍｍ以下で且つセル密度１４００Ｋｃｅｌｌｓ／ｍ^２（９００ｃｐｓｉ）以上のセラミックス担体において、接合強度が大きく、耐熱衝撃性を有する触媒構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の排気ガス浄化触媒の積層構造の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の触媒構造（低膨張セラミックス材を用いる）の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の触媒構造の他の例（有機物を用いる）を示す概略図である。

Claims

担体に、空洞部を有するアンダーコート層とウォッシュコート層とをこの順に積層して成る触媒構造であって、
上記空洞部は、該アンダーコート層に混入した有機物が焼失することにより形成され、
上記有機物は、該ウォッシュコート層の構成材料の平均粒径より大きい平均粒径を有し、該アンダーコート層に体積率５〜３０％の割合で混入されることを特徴とする触媒構造。
上記有機物の平均粒径が５〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の触媒構造。
担体に、低膨張セラミックス材を含むアンダーコート層とウォッシュコート層とをこの順に積層して成る触媒構造であって、
上記低膨張セラミックス材は、窒化ケイ素、窒化ホウ素、シリカ、リチウムアルミノシリケート、アルミニウムシリケート、アルミニウムチタネート、コーディエライト及びα−アルミナから成る群より選ばれる少なくとも１種のものであり、その平均粒径は該アンダーコート層の構成材料の平均粒径より大きく、アンダーコート層に体積率５〜５０％の割合で混入されることを特徴とする触媒構造。
上記低膨張セラミックス材の平均粒径が５〜２０μｍであることを特徴とする請求項３に記載の触媒構造。
アンダーコート層が、混入する有機物を焼失させて形成した空洞部を有し、該有機物はウォッシュコート層の構成材料の平均粒径より大きい平均粒径を有し、該アンダーコート層に体積率５〜３０％の割合で混入されることを特徴とする請求項３又は４に記載の触媒構造。