JP2006206390A - Ceramic body, ceramic carrier having catalyst carrying capacity, ceramic catalyst body and method for producing the same - Google Patents

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Hidenori Kita
英紀 北
Doni Jayaseelan Daniel
ドニ ジャヤシラン ダニエル
Naoki Kondo
直樹 近藤
Shunkichi Ueno
俊吉 上野
Kazuhiko Koike
和彦 小池
Tomohiko Nakanishi
友彦 中西
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acicular ceramic body and an acicular ceramic catalyst body using a cordierite porous body having high temperature stability and a high specific surface area as a base material, and to provide a method for producing the catalyst body. <P>SOLUTION: The acicular ceramic body using a whisker-grown acicular cordierite crystal phase as a base material is produced by blending raw material particles having an acicular shape or a columnar shape (kaolin) or a pore forming material disappearing when fired (carbon black) into raw materials, and preparing growth spaces of acicular cordierite crystals. The acicular ceramic catalyst body is obtained by using the same. The production method therefor is also provided. According to this invention, a cordierite honeycomb having a large quantity of whisker-grown acicular particles, having a small thermal capacity for the initial activation of a catalyst, further having a low pressure loss, and having excellent thermal shock resistance can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、針状セラミック体、針状セラミック触媒体に関するものであり、更に詳しくは、例えば、NOx除去のための自動車用三元触媒、ガスタービン用燃焼触媒、及び高温ガス浄化用触媒のような、700℃を超える高温・高速気流に曝される部位に好適に使用することが可能な針状セラミックハニカム触媒体に関するものである。   The present invention relates to a needle-shaped ceramic body and a needle-shaped ceramic catalyst body, and more specifically, for example, a three-way catalyst for automobiles for removing NOx, a combustion catalyst for a gas turbine, and a catalyst for high-temperature gas purification. In addition, the present invention relates to a needle-shaped ceramic honeycomb catalyst body that can be suitably used in a portion exposed to a high-temperature and high-speed air flow exceeding 700 ° C.

本発明は、例えば、自動車の三元触媒の触媒担持用の酸化物系ハニカム構造体の製造技術の分野において、従来、高比表面積を有し、しかも、高温に長時間曝されても焼結による比表面積の低下が少ない、高比表面積コーディエライト多孔体の開発が強く求められていたことを踏まえて、高い比表面積を有し、800℃を超える温度に長時間曝されても、焼結による比表面積の低下が少ないコーディエライト多孔体を基材とする針状セラミック体、及びそのような多孔質コーディエライトで直接形成される触媒担持用ハニカム構造体等を製造することを可能とする新しいコーディエライト多孔体の製造技術及びその製品を提供するものとして有用である。   The present invention, for example, in the field of manufacturing technology of an oxide honeycomb structure for supporting a catalyst for a three-way catalyst of an automobile, has conventionally had a high specific surface area and is sintered even when exposed to a high temperature for a long time. In view of the strong demand for the development of a high specific surface area cordierite porous body that has a low specific surface area reduction due to the above, it has a high specific surface area, and even when exposed to temperatures exceeding 800 ° C for a long time, It is possible to manufacture needle-shaped ceramic bodies based on cordierite porous bodies with a small decrease in specific surface area due to sintering, and honeycomb structures for catalyst support formed directly with such porous cordierites. It is useful as a new cordierite porous material manufacturing technology and its product.

本発明は、針状結晶を3次元的に連結させたポーラス構造体から構成される多孔質コーディエライトを、特に、触媒担持用ハニカム構造体として用いることを特徴とするものであり、それにより、コーディエライト多孔体を基材とする針状セラミック体について、焼結による比表面積の低下を抑制すること、コーディエライト焼結体そのものでハニカム体を直接製造すること、ハニカム内部にコーティングを施す従来の工程を簡略化させ得ること、及びそれらの安価な製造方法を提供すること、等を実現するものである。   The present invention is characterized by using a porous cordierite composed of a porous structure in which needle-like crystals are three-dimensionally connected, particularly as a honeycomb structure for supporting a catalyst. In addition, for needle-shaped ceramic bodies based on cordierite porous bodies, it is possible to suppress the decrease in specific surface area due to sintering, to directly produce honeycomb bodies with cordierite sintered bodies themselves, and to coat the honeycomb interior It is possible to simplify the conventional processes to be performed and to provide an inexpensive manufacturing method thereof.

従来、触媒担持用の酸化物系ハニカム構造体については、例えば、自動車の三元触媒や燃焼触媒等の高温で長時間曝されるような部位で、すでに実用化が果たされており、また、その更なる特性の向上を目的とした開発が積極的に進められている。それらの内、特に、コーディエライトは、融点が1400℃程度と高いこと、熱膨張係数が極端に小さいこと、耐熱衝撃性に優れていること等から、例えば、自動車の三元触媒やガスタービン用の燃焼触媒、あるいは高温ガス浄化用の触媒等の、800℃を超える高温部における触媒の担体として、そのハニカム構造体が用いられている。   Conventionally, oxide-based honeycomb structures for supporting a catalyst have already been put to practical use in parts that are exposed to high temperatures for a long time, such as automobile three-way catalysts and combustion catalysts. Therefore, development aimed at further improving the characteristics is being actively promoted. Among them, cordierite, in particular, has a high melting point of about 1400 ° C., an extremely small thermal expansion coefficient, and excellent thermal shock resistance. The honeycomb structure is used as a carrier for a catalyst in a high temperature part exceeding 800 ° C., such as a combustion catalyst for high temperature or a catalyst for purifying high temperature gas.

このように、従来、コーディエライトの触媒担体としての有用性は認められているものの、従来のコーディエライト多孔体の製造法では、高い比表面積を有し、熱的に安定なものを作製することが困難であり、そのため、排ガス浄化用触媒として、従来より、高耐熱衝撃性のコーディエライトハニカム構造体よりなる担体表面を、ガンマアルミナで被覆(コート)し、貴金属触媒を担持させたものが広く用いられている。コート層を形成するのは、コーディエライトの比表面積が小さく、そのままでは、必要な量の触媒成分を担持させることができないからであり、そのために、ガンマアルミナのような高比表面積材料を用いて、担体の表面積を大きくしている。   Thus, although the usefulness of cordierite as a catalyst carrier has been recognized in the past, the conventional method for producing a cordierite porous material has a high specific surface area and produces a thermally stable material. Therefore, as a catalyst for exhaust gas purification, a carrier surface made of cordierite honeycomb structure with high thermal shock resistance is conventionally coated (coated) with gamma alumina to carry a noble metal catalyst. Things are widely used. The reason why the coat layer is formed is that the specific surface area of cordierite is small, and as it is, the necessary amount of the catalyst component cannot be supported. For this reason, a high specific surface area material such as gamma alumina is used. Thus, the surface area of the carrier is increased.

しかしながら、担体のセル壁表面をガンマアルミナでコートすることは、重量増加による熱容量増加をまねく。近年、触媒の早期活性化のために、セル壁を薄くして熱容量を下げることが検討されているが、コート層を形成すると、その効果が半減してしまうことから、その改善が課題となっていた。また、各セルの開口面積が低下するため圧損が増加する、担体としての熱膨張係数がコーディエライトのみの場合より大きくなる、ガンマアルミナは、1000℃以上の高温では、アルファアルミナに転移し、また、焼結が進行するために、高比表面積を維持することが困難であるという問題点を有している、といった不具合があった。   However, coating the cell wall surface of the support with gamma alumina leads to an increase in heat capacity due to an increase in weight. In recent years, it has been studied to reduce the heat capacity by thinning the cell wall for the early activation of the catalyst. However, when the coating layer is formed, the effect is halved. It was. In addition, the pressure loss increases because the opening area of each cell decreases, the thermal expansion coefficient as a carrier becomes larger than that of cordierite alone, gamma alumina is transferred to alpha alumina at a high temperature of 1000 ° C. or higher, Moreover, since sintering progressed, there existed a malfunction that it had the problem that it was difficult to maintain a high specific surface area.

本発明者らは、これまでに、サブミクロンの直径を有するコーディエライト針状結晶で構成されるコーディエライト多孔体の開発に成功しており、コーディエライト多孔体で構成されるハニカム構造体としては、先行技術文献に記載されているように、コーディエライト多孔体を直接利用するもの、及びコーディエライト多孔体の内壁へコーティングを施したものを提案した(特許文献1〜8参照)。そして、コーディエライトを高温に曝される部位に用いる場合は、ハニカム構造体の内壁にガンマアルミナ等のコーティングを施す以外に方法がなかった。   The present inventors have so far succeeded in developing a cordierite porous body composed of cordierite needle-like crystals having a submicron diameter, and a honeycomb structure composed of a cordierite porous body. As the body, as described in the prior art documents, those using the cordierite porous body directly and those coated on the inner wall of the cordierite porous body were proposed (see Patent Documents 1 to 8). ). When cordierite is used in a portion exposed to high temperature, there is no method other than coating the inner wall of the honeycomb structure with gamma alumina or the like.

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、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(特許文献9参照)。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。   For this reason, various studies have been made on ceramic bodies capable of supporting a catalyst component without forming a coating layer. For example, a method for improving the specific surface area of cordierite itself by heat treatment after acid treatment has been proposed (see Patent Document 9). However, this method is not practical because there is a problem that the crystal lattice of cordierite is destroyed by acid treatment or heat treatment and the strength is lowered.

そこで、本発明者らは、先に、比表面積を向上させるためのコート層を形成することなく、必要量の触媒成分を担持可能なセラミック担体を提案した(特許文献10参照)。このセラミック担体は、基材セラミックを構成する元素の内の少なくとも1種類又はそれ以上の元素を、構成元素以外の元素と置換してなり、このセラミック担体を、例えば、ヘキサクロロ白金酸、塩化第二白金、塩化ロジウム等の貴金属化合物の溶液に浸漬後、焼成することによって、貴金属触媒を置換元素上に直接担持させることが可能である。よって、この担体では、酸処理や熱処理を行って空孔を形成する従来の担体に比べて強度が高く、耐久性が向上する。また、触媒成分を直接担持可能なセラミック担体に、主触媒成分と助触媒成分を担体表面に直接担持させるにあたり、主触媒を先に、助触媒を後に担持させることにより熱劣化し難い触媒体としたセラミック触媒が提案されている(特許文献11参照)。   Accordingly, the present inventors have previously proposed a ceramic carrier capable of supporting a necessary amount of a catalyst component without forming a coat layer for improving the specific surface area (see Patent Document 10). This ceramic carrier is formed by substituting at least one element or more of the elements constituting the base ceramic with an element other than the constituent elements. For example, the ceramic carrier may be hexachloroplatinic acid, secondary chloride. It is possible to directly support the noble metal catalyst on the substituting element by immersing in a solution of a noble metal compound such as platinum or rhodium chloride and then firing. Therefore, this carrier has higher strength and improved durability as compared with conventional carriers in which pores are formed by performing acid treatment or heat treatment. Further, when the main catalyst component and the cocatalyst component are directly supported on the surface of the support on the ceramic support capable of directly supporting the catalyst component, a catalyst body that is less likely to be thermally deteriorated by supporting the main catalyst first and the cocatalyst later. A ceramic catalyst has been proposed (see Patent Document 11).

特開2003−321280号公報JP 2003-321280 A 特開2003−212672号公報JP 2003-212672 A 特開2003−025316号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-025316 特開2002−355511号公報JP 2002-355511 A 特開2002−119870号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-111988 特開2002−172329号公報JP 2002-172329 A 特開2001−310128号公報JP 2001-310128 A 特開平11−171537号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-171537 特公平05−050338号公報Japanese Patent Publication No. 05-050338 特開2003−080080号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-080080 特開2003−230838号公報JP 2003-230838 A

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を抜本的に解決することを可能とする、新しい触媒担持用コーディエライトハニカム構造体を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、制御されたアスペクト比を有し、焼成過程において形成した空間内に成長した針状結晶を、3次元的に連結させて、針状形状粒子を有する構造体を作製することができること、それにより、比表面積を飛躍的に向上させることができること、バルク全体が針状結晶相で構成されているため、高温で加熱処理を施しても焼結が進みにくく、焼結による比表面積の低下を劇的に抑制させ得ることが可能となること、従来の製造法におけるハニカム構造体の内壁へのガンマアルミナのコーティング等の工程を省略することができること等を見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。   Under such circumstances, in view of the above prior art, the present inventors have developed a new cordierite honeycomb structure for supporting a catalyst that makes it possible to drastically solve the problems in the above prior art. As a result of intensive research aimed at developing, acicular crystals having a controlled aspect ratio and growing in the space formed in the firing process are three-dimensionally connected to form acicular particles. The structure can be produced, thereby making it possible to dramatically increase the specific surface area, and since the entire bulk is composed of the acicular crystal phase, it can be sintered even when subjected to heat treatment at high temperatures. It is difficult to proceed, and it is possible to dramatically suppress the decrease in specific surface area due to sintering, and the process such as coating gamma alumina on the inner wall of the honeycomb structure in the conventional manufacturing method It found such that it is possible to omit, further extensive research, and completed the present invention.

本発明は、この触媒成分を直接担持可能なセラミック担体を用い、より優れた触媒性能を有するセラミック触媒体を実現することを目的とするものである。また、本発明は、高比表面積を有し、1000℃以上での熱処理でも比表面積の低下を抑制することが可能な、新規コーディエライト多孔体を基材とする針状セラミック体、そのハニカム構造体、それらの製造方法及びその製品としての針状セラミック触媒体を提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to realize a ceramic catalyst body having more excellent catalytic performance by using a ceramic carrier capable of directly supporting the catalyst component. The present invention also provides a needle-shaped ceramic body based on a novel cordierite porous body having a high specific surface area and capable of suppressing a decrease in the specific surface area even when heat treatment at 1000 ° C. or higher, and a honeycomb thereof It is an object of the present invention to provide a structure, a production method thereof, and an acicular ceramic catalyst body as a product thereof.

上記課題を解決するための本発明は、セラミック粒子の内、一部又は全部の粒子が、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状又は柱状形状を有する原料粒子から生成した針状形状粒子を有することを特徴とするセラミック体、である。また、本発明は、セラミック体の表面の一部又は全部に、コート層として、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状又は柱状形状を有する原料粒子から生成した針状形状粒子を有することを特徴とするセラミック体、である。また、本発明は、セラミック粒子の内、一部又は全部の粒子が、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状又は柱状形状を有する原料粒子から生成した針状形状粒子を有し、セラミック体のセラミック粒子表面に、触媒成分を直接担持可能な細孔及び元素の少なくとも一方を有していることを特徴とするセラミック体、である。また、本発明は、セラミック体の表面の一部又は全部に、コート層として、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状又は柱状形状を有する原料粒子から生成した針状形状粒子を有し、セラミック体のセラミック粒子表面に、触媒成分を直接担持可能な細孔及び元素の少なくとも一方を有していることを特徴とするセラミック体、である。   The present invention for solving the above-mentioned problems is a ceramic body in which some or all of the ceramic particles contain at least Si, Al, and Mg, and the shape thereof is needle-like. A ceramic body characterized by having needle-shaped particles generated from raw material particles. In addition, the present invention provides a raw material particle having a needle-like or columnar shape in a ceramic body containing at least Si, Al, Mg as a coating layer on a part or all of the surface of the ceramic body and having a needle-like shape. A ceramic body characterized by having needle-shaped particles produced from In addition, the present invention provides a ceramic body in which some or all of the ceramic particles contain at least Si, Al, and Mg and have a needle shape, and are generated from raw material particles having a needle shape or a columnar shape. The ceramic body is characterized in that it has at least one of pores and elements capable of directly supporting a catalyst component on the surface of the ceramic particles of the ceramic body. In addition, the present invention provides a raw material particle having a needle-like or columnar shape in a ceramic body containing at least Si, Al, Mg as a coating layer on a part or all of the surface of the ceramic body and having a needle-like shape. A ceramic body characterized in that it has needle-shaped particles produced from the above and has at least one of pores and elements capable of directly supporting a catalyst component on the ceramic particle surface of the ceramic body.

また、本発明は、上記のセラミック体に触媒成分を担持したことを特徴とするセラミック触媒体、である。また、本発明は、上記のセラミック体、及び/又はセラミック触媒体に、助触媒成分を含有することを特徴とするセラミック触媒体、である。また、本発明は、Si源としてSiOとAlの化合物からなる原料を使用して、セラミック粒子の内、一部又は全部の粒子が、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状化のために、針状又は柱状形状を有する原料粒子を用いてセラミック体を製造することを特徴とするセラミック体の製造方法、である。また、本発明は、焼結体の表面にカオリンを含むスラリーを被覆し、乾燥後、焼成し、前記カオリンを原料の一部として針状のセラミック体を成長させることにより、セラミック粒子の内、一部又は全部の粒子が、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状化のために、針状又は柱状形状を有する原料粒子を用いてセラミック体を製造することを特徴とするセラミック体の製造方法、である。 The present invention also provides a ceramic catalyst body characterized in that a catalyst component is supported on the ceramic body. Moreover, this invention is a ceramic catalyst body characterized by containing a promoter component in said ceramic body and / or ceramic catalyst body. Further, the present invention uses a raw material composed of a compound of SiO 2 and Al 2 O 3 as a Si source, and among the ceramic particles, some or all of the particles contain at least Si, Al, Mg, and the shape thereof A method for producing a ceramic body, characterized in that a ceramic body is produced using raw material particles having a needle shape or a columnar shape for acicularization in a ceramic body having a needle shape. In the present invention, the surface of the sintered body is coated with a slurry containing kaolin, dried, fired, and by growing a needle-shaped ceramic body using the kaolin as a part of the raw material, In a ceramic body in which some or all of the particles contain at least Si, Al, and Mg, and the shape of the ceramic body is needle-like, the raw material particles having a needle-like or columnar shape are used for acicularization. A manufacturing method of a ceramic body, characterized by manufacturing.

また、本発明は、上記の方法で作製したセラミック体に、酸処理、アルカリ処理、又はドライエッチングを施すことにより、針状形状粒子を発現させることを特徴とする針状形状粒子を有するセラミック体の製造方法、である。また、本発明は、上記のセラミック体に、触媒成分を担持させることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法、である。更に、本発明は、上記のセラミック体、及び/又は上記のセラミック触媒体に、助触媒成分を担持することを特徴とするセラミック触媒体の製造方法、である。   The present invention also provides a ceramic body having needle-shaped particles, wherein the ceramic body produced by the above-described method is subjected to acid treatment, alkali treatment, or dry etching to develop needle-shaped particles. Manufacturing method. The present invention also provides a method for producing a ceramic catalyst body, wherein a catalyst component is supported on the ceramic body. Furthermore, the present invention is a method for producing a ceramic catalyst body, wherein a promoter component is supported on the ceramic body and / or the ceramic catalyst body.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、針状結晶層からなるセラミック担体自体に、必要量の触媒成分を担持可能とすることにより、比表面積増加のためにガンマアルミナでコートする必要をなくし、熱容量及び圧損を低減できると共に、熱膨張係数を低下させることができるセラミック担体とセラミック触媒体及びその製造方法を提供するものである。本発明のセラミック体は、基本的には、制御されたアスペクト比を有し、焼成過程で形成した空間内に成長した針状結晶相が、3次元的に絡み合った構造を有するコーディエライト多孔体バルクを基材とするものであり、こうした針状結晶を3次元的に連結させることにより、比表面積を向上させた、高比表面積を有し、所定の気孔率のポーラス構造体からなるコーディエライト多孔体から形成される。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention makes it possible to support the required amount of catalyst component on the ceramic support itself consisting of needle-like crystal layers, thereby eliminating the need for coating with gamma alumina to increase the specific surface area and reducing heat capacity and pressure loss. The present invention provides a ceramic carrier and a ceramic catalyst body capable of lowering the thermal expansion coefficient and a method for producing the same. The ceramic body of the present invention basically has a controlled aspect ratio, and has a structure in which acicular crystal phases grown in the space formed in the firing process are three-dimensionally intertwined. The body is based on the bulk of the body, and the needle-shaped crystal is three-dimensionally connected to improve the specific surface area. The cord has a high specific surface area and is a porous structure having a predetermined porosity. It is formed from an elite porous body.

また、本発明は、針状化のために、針状あるいは柱状形状を有する原料粒子を使用すること、それにより、針状又は柱状形状を有する原料粒子から細長い針状形状粒子を生成すること、焼結の完了を遅延させ、針状セラミック体を成長させるための空間を設けるために焼成過程で消失する物質(造孔材)を原料の一部として配合し、焼成過程で該物質を焼き飛ばすこと、焼結体の表面に針状、柱状のカオリンを含むスラリーに浸漬する工程と、乾燥後、焼成し、前記カオリンを原料の一部として針状のセラミック体を成長させることに特徴を有するものである。   Further, the present invention uses a raw material particle having a needle shape or a columnar shape for acicularization, thereby generating elongated needle-shaped particles from the raw material particles having a needle shape or a columnar shape, In order to delay the completion of sintering and provide a space for growing the acicular ceramic body, a material (pore forming material) that disappears in the firing process is blended as part of the raw material, and the material is burned off in the firing process. And a step of immersing in a slurry containing acicular and columnar kaolin on the surface of the sintered body, and after drying, firing, and growing the acicular ceramic body using the kaolin as a part of the raw material. Is.

まず、本発明の針状セラミック体について説明すると、本発明では、出発物質として、コーディエライト組成になるように配合した出発粉末が用いられる。例えば、出発物質として、針状あるいは柱状結晶を有するカオリン、タルク、アルミナ、シリカ粉末を使用し、これらをコーディエライト組成になるように秤量し、配合する。この際に、コーディエライトの生成温度を降下させるために、出発粉末に、結晶化温度低下剤、例えば、酸化ホウ素(B)等を3wt%以下添加することができる。また、ウィスカーを成長させるために、出発粉末に、針状化添加剤、例えば、酸化ストロンチウム(SrO)等のアルカリ土類金属酸化物を2wt%以下、あるいは希土類酸化物を5wt%以下添加することができる。更に、焼結体の焼結後の気孔率を上げるために、焼成過程で消失する物質、例えば、10〜30wt%のカーボンブラック等を添加することができる。それにより、針状結晶が成長するための空間が形成され、針状結晶の生成量は増加するとともに、例えば、38〜55%の気孔率の焼結体を得ることが可能となる。 First, the acicular ceramic body of the present invention will be described. In the present invention, a starting powder blended so as to have a cordierite composition is used as a starting material. For example, kaolin, talc, alumina, or silica powder having needle-like or columnar crystals is used as a starting material, and these are weighed and blended so as to have a cordierite composition. At this time, in order to lower the cordierite formation temperature, a crystallization temperature lowering agent such as boron oxide (B 2 O 3 ) or the like can be added to the starting powder in an amount of 3 wt% or less. In order to grow whiskers, a needle-like additive, for example, an alkaline earth metal oxide such as strontium oxide (SrO) is added to the starting powder in an amount of 2 wt% or less, or a rare earth oxide is added in an amount of 5 wt% or less. Can do. Furthermore, in order to increase the porosity of the sintered body after sintering, a substance that disappears during the firing process, for example, 10 to 30 wt% of carbon black can be added. Thereby, a space for growing acicular crystals is formed, the amount of acicular crystals generated is increased, and for example, a sintered body having a porosity of 38 to 55% can be obtained.

本発明では、上記出発粉末と添加剤の混合粉末を、例えば、ボールミル混合し、得られた混合スラリーを、エバポレーター、オーブン等で乾燥させ、得られた乾燥体を粉砕し、分級し、次いで、この粉末を加圧成形し、1200〜1400℃で焼結する。それにより、サブミクロンのコーディエライト針状結晶を有するコーディエライトバルクを作製することができる。   In the present invention, the mixed powder of the above starting powder and additive is, for example, ball mill mixed, the resulting mixed slurry is dried in an evaporator, an oven, etc., and the resulting dried product is pulverized, classified, and then This powder is pressure-molded and sintered at 1200 to 1400 ° C. Thereby, the cordierite bulk which has a submicron cordierite needle crystal can be produced.

本発明のコーディエライトセラミック体は、針状形状粒子を多量に有し、その粒子のアスペクト比は5以上が好適である。こうした針状形状粒子が3次元的に連結することにより比表面積を向上させた、高比表面積を有することができる。本発明のコーディエライトセラミック体を作製するにあたっては、その原料粒子として、針状あるいは柱状形状を有する原料粒子を使用するのが好ましく、原料粒子のアスペクト比によって、生成するコーディエライト針状結晶のアスペクト比を制御することが可能である。その材質としては、例えば、針状あるいは柱状形状を有するカオリンを使用するのが好適である。針状あるいは柱状形状有する原料粒子を使用することにより、焼成過程において、非常に細長い形状をした針状形状粒子の生成が促進される。カオリンは、Al・2SiOの組成を有する鉱物であり、コーディエライト製造の原料成分としては一般的なものであるが、本発明では、特に、針状あるいは柱状形状を有するカオリンを使用するのが好適であり、例えば、針状あるいは柱状形状を有する原料粒子としてのカオリンは、そのアスペクト比が、5〜20のものが好適である。このような針状あるいは柱状形状を有する原料粒子は、セラミック体の作製原料中に、30〜60重量%、特に、35〜50重量%含有するのが好適である。 The cordierite ceramic body of the present invention has a large amount of acicular shaped particles, and the aspect ratio of the particles is preferably 5 or more. These needle-shaped particles can be connected in a three-dimensional manner to have a high specific surface area that is improved in specific surface area. In producing the cordierite ceramic body of the present invention, it is preferable to use raw material particles having a needle shape or columnar shape as the raw material particles, and depending on the aspect ratio of the raw material particles, the cordierite needle crystal to be generated It is possible to control the aspect ratio. As the material, for example, kaolin having a needle shape or a columnar shape is preferably used. By using the raw material particles having a needle shape or a columnar shape, the generation of needle-like particles having a very long shape is promoted in the firing process. Kaolin is a mineral having a composition of Al 2 O 3 · 2SiO 2 and is a general raw material component for cordierite production. In the present invention, kaolin having a needle-like or columnar shape is particularly used. For example, kaolin as a raw material particle having a needle shape or a columnar shape preferably has an aspect ratio of 5 to 20. The raw material particles having such needle-like or columnar shapes are preferably contained in the raw material for producing the ceramic body in an amount of 30 to 60% by weight, particularly 35 to 50% by weight.

本発明のコーディエライトセラミックを作製するにあたっては、焼成過程において、焼成が完了する前に、針状形状粒子を発現させることが好ましい。焼成が完了する前に針状形状粒子を発現させるためには、例えば、焼成過程で消失する物質(造孔材)を原料の一部として配合し、焼成過程で、この造孔材を焼き飛ばすことにより実施される。造孔材が焼き飛ばされる過程において、焼結の完了が遅延され、その間に、針状形状粒子が成長する。この造孔材が焼き飛ばされた跡には空間が形成されるので、焼結の完了前に、その空間内で針状形状粒子が成長することができる。そのため、生成したセラミック体が含有する針状形状粒子を増加させることが可能となる。   In producing the cordierite ceramic of the present invention, it is preferable that the needle-shaped particles are developed before firing is completed in the firing process. In order to develop the needle-shaped particles before the firing is completed, for example, a substance that disappears in the firing process (pore forming material) is blended as a part of the raw material, and the pore forming material is burned off in the firing process. Is implemented. In the process of burning out the pore former, the completion of sintering is delayed, during which acicular shaped particles grow. Since a space is formed in the trace of the pore former being burned, acicular shaped particles can grow in the space before the completion of sintering. Therefore, it becomes possible to increase the acicular shaped particles contained in the produced ceramic body.

また、この空間は、針状形状粒子が成長する余裕を提供するため、アスペクト比を増加させる一因ともなる。造孔材としては、例えば、カーボンブラック、デンプン、フェノール樹脂等が例示される。これ等の造孔材を、原料中に、2〜15重量%、特に5〜10重量%配合するのが好適である。焼成過程で形成される針状形状粒子が成長するための空間の大きさは、造孔材の粒度が関連するところであり、最適な成長空間を形成させるためには、造孔材の平均粒度は、0.02〜5μm、特に、0.02〜1μmが好適である。また、こうした造孔材の配合により、焼結体自体の気孔率が制御できる。   In addition, this space provides a margin for the growth of the needle-shaped particles, and thus contributes to an increase in the aspect ratio. Examples of the pore former include carbon black, starch, and phenol resin. It is preferable to blend these pore formers in the raw material in an amount of 2 to 15% by weight, particularly 5 to 10% by weight. The size of the space for the growth of the needle-shaped particles formed in the firing process is related to the particle size of the pore former, and in order to form the optimum growth space, the average particle size of the pore former is 0.02 to 5 μm, particularly 0.02 to 1 μm is preferable. Further, the porosity of the sintered body itself can be controlled by blending the pore former.

このように、本発明では、針状あるいは柱状形状の原料を使用すること、及び/又は焼成過程で消失する物質(造孔材)を原料中へ添加することにより、生成するセラミック体の針状形状粒子のアスペクト比等の粒子形状、及びその生成量を制御して、優れた特性を有するセラミック体とすることが可能となる。本発明のセラミック体は、出発物質として、コーディエライト組成となるように配合したセラミック原料、例えば、高純度のカオリン、タルク、アルミナ、シリカ粉末に、結晶化温度低下剤、針状化添加剤、焼成の過程で消失する物質(造孔材)等の配合物を、ハニカム等に成形して、1200〜1400℃に焼成することにより作製することができる。   As described above, in the present invention, the needle-like or columnar-shaped raw material is used, and / or the substance (pore forming material) that disappears in the firing process is added to the raw material, whereby the needle-like shape of the ceramic body produced It is possible to obtain a ceramic body having excellent characteristics by controlling the particle shape such as the aspect ratio of the shaped particles and the amount of the particles formed. The ceramic body of the present invention includes, as a starting material, a ceramic raw material blended to have a cordierite composition, for example, high-purity kaolin, talc, alumina, silica powder, a crystallization temperature lowering agent, and an acicularizing additive. A compound such as a substance (pore forming material) that disappears in the firing process can be formed into a honeycomb or the like and fired at 1200 to 1400 ° C.

他の作製方法としては、焼結体の表面に、カオリンを含むスラリーを浸漬して、コーティングした後、乾燥し、焼成することにより、カオリンをその原料の一部として針状のセラミック体を焼結体面に成長させることにより、本発明の針状形状粒子を有するセラミック体を作製することができる。カオリンを含むスラリーとしては、例えば、カオリン、水酸化アルミニウム、シリカを含有するものが好適であり、例えば、コーディエライト焼結体の表面に、このスラリーを被覆し、焼成することにより、コーディエライトの針状形状粒子が、コーティング層上に、溶解−析出のメカニズムにより生成する。また、カオリンとしては、針状あるいは柱状形状のものを使用することにより、針状形状粒子が発達しやすくなる。   As another production method, a needle-shaped ceramic body is fired using kaolin as a part of its raw material by immersing a slurry containing kaolin on the surface of the sintered body, coating, drying and firing. The ceramic body which has the acicular shaped particle | grains of this invention can be produced by making it grow on a bonded surface. As the slurry containing kaolin, for example, a slurry containing kaolin, aluminum hydroxide, or silica is suitable. For example, the surface of the cordierite sintered body is coated with this slurry and fired to obtain a cordier. Light needle-shaped particles are formed on the coating layer by a dissolution-precipitation mechanism. Further, as kaolin, needle-shaped particles can be easily developed by using needle-shaped or columnar-shaped particles.

本発明のセラミック体を製造するにあたっては、針状形状粒子をできるだけ低温での発達を促進するために、結晶化温度低下剤、例えば、酸化ホウ素等を配合するのが好適である。また、結晶粒子を針状に発達させるための添加剤(針状化添加剤)を配合するのが好適である。針状化添加剤としては、ランタノイド元素、遷移金属元素、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも1種が使用され、更に具体的には、酸化ストロンチウム等が好適である。   In producing the ceramic body of the present invention, it is preferable to blend a crystallization temperature lowering agent such as boron oxide in order to promote the development of the needle-shaped particles at the lowest possible temperature. Moreover, it is suitable to mix | blend the additive (acicularization additive) for making a crystal particle develop in needle shape. As the acicular additive, at least one selected from a lanthanoid element, a transition metal element, an alkali metal element, and an alkaline earth metal element is used, and more specifically, strontium oxide and the like are preferable.

コーディエライト焼結体を酸で処理することにより多孔質化させる技術は既に公知であり、コーディエライト焼結体を強酸で処理することにより比表面積を劇的に向上させることができる。しかしながら、一般に報告されている高比表面積のコーディエライト多孔体は、結晶粒表面のシリカ相を多孔質化させるものであるため、例えば、1000℃以上の高温では、焼結が進行し、比表面積が極端に低下するという問題を有していた。本発明者らが、先に開発したコーディエライト多孔体では、原料としてカオリンを用いることにより、コーディエライトの針状結晶相を析出させることができ、これを、弱酸を用いて処理することで、サブミクロンオーダーの直径を有する針状結晶相で構成される高強度のコーディエライト多孔体を製造することが可能となった。   A technique for making a cordierite sintered body porous by treating with an acid is already known, and the specific surface area can be dramatically improved by treating the cordierite sintered body with a strong acid. However, since a cordierite porous body having a high specific surface area that has been generally reported is to make the silica phase of the crystal grain surface porous, for example, sintering proceeds at a high temperature of 1000 ° C. There was a problem that the surface area was extremely reduced. In the cordierite porous material developed previously by the present inventors, by using kaolin as a raw material, a needle crystal phase of cordierite can be precipitated, and this is treated with a weak acid. Thus, it has become possible to produce a high-strength cordierite porous body composed of acicular crystal phases having a diameter of submicron order.

本発明者らは、上記コーディエライト多孔体について、強度を維持しつつ、更なる比表面積の向上を可能とする方法を開発することを目的として種々研究を行った結果、このコーディエライト多孔体を、カルボキシル基(−COOH)を有する酸、リン酸、硫化水素等の、解離度の小さな弱酸で処理することにより、コーディエライトの針状結晶相が形成されることを見出した。更に、弱酸で処理する場合に、処理に要する時間及び弱酸の濃度を変化させることにより、析出されるナノオーダーの針状結晶相の大きさ及び数、すなわち、比表面積を制御できることが分かった。本発明で使用される弱酸としては、例えば、シュウ酸、酢酸、蟻酸、アクリル酸などのカルボン酸が例示されるが、これらに限定されるものではなく、これらと同等又は類似のものであれば同様に使用することができる。   The present inventors have conducted various studies on the cordierite porous body for the purpose of developing a method capable of further improving the specific surface area while maintaining the strength. It has been found that a cordierite needle crystal phase is formed by treating the body with a weak acid having a low degree of dissociation, such as an acid having a carboxyl group (—COOH), phosphoric acid, hydrogen sulfide and the like. Furthermore, it has been found that when the treatment is performed with a weak acid, the size and number of nano-order acicular crystal phases deposited, that is, the specific surface area can be controlled by changing the time required for the treatment and the concentration of the weak acid. Examples of the weak acid used in the present invention include carboxylic acids such as oxalic acid, acetic acid, formic acid, and acrylic acid, but are not limited to these, and any equivalent or similar carboxylic acid may be used. It can be used as well.

すなわち、本発明の高温安定高比表面積コーディエライト多孔体を基材とする針状セラミック体は、多孔体全体が、針状結晶相で構成されており、それを製造するには、例えば、弱酸による処理を施すことが必要であり、更に、酸の種類、酸の濃度、及び/又は処理時間を調整することで、コーディエライト多孔体の構造、気孔率、及び比表面積を任意に変化させることが可能である。本発明では、酸の種類、酸の濃度、及び/又は処理時間との関係において、実用化の際に、実質的に応用可能となる時間を考慮して、上記に掲げた全ての弱酸に対して、酸の濃度を0.001規定から2規定の範囲で、比表面積が最大となる好適な処理条件を設定することができる。   That is, the needle-shaped ceramic body based on the high-temperature stable high specific surface area cordierite porous body of the present invention, the entire porous body is composed of a needle-like crystal phase. Treatment with a weak acid is required, and the structure, porosity, and specific surface area of the cordierite porous material can be changed arbitrarily by adjusting the acid type, acid concentration, and / or treatment time. It is possible to make it. In the present invention, in relation to the type of acid, the concentration of acid, and / or the processing time, in consideration of the time that can be practically applied in practical use, all weak acids listed above are considered. Thus, it is possible to set suitable treatment conditions that maximize the specific surface area within the acid concentration range of 0.001 N to 2 N.

酸処理によるコーディエライトの多孔質化のメカニズムは、未だ明らかではないが、酸処理によりコーディエライト相の成分が表面から溶出されていることが見出された。解離度の高い酸、すなわち、強酸で処理すると、多量の構成成分が溶出し、多孔質化はするものの、溶出速度が速いため、溶出速度を調整することができず、すぐに結晶相の表面をなめらかにし、比表面積は向上しないことが分かった。   The mechanism of the porous formation of cordierite by acid treatment is not yet clear, but it has been found that the components of cordierite phase are eluted from the surface by the acid treatment. When treated with an acid with a high degree of dissociation, i.e., a strong acid, a large amount of components are eluted and porous, but the elution rate is high, so the elution rate cannot be adjusted and the surface of the crystalline phase is immediately adjusted. It was found that the specific surface area was not improved.

解離度の低い酸、すなわち、弱酸で処理すると、溶出のメカニズムは、強酸の場合と同じであると考えられるが、溶出速度を緩やかに調整することが可能となり、溶出初期に形成される微細な針状結晶相が析出する段階で処理を停止させることが可能となる。すなわち、比表面積が好適となる時に処理を停止させることが容易になり、高比表面積を有するコーディエライト多孔体を製造することが可能となる。   When treated with an acid with a low degree of dissociation, that is, a weak acid, the elution mechanism is thought to be the same as in the case of a strong acid. The treatment can be stopped at the stage where the acicular crystal phase is precipitated. That is, it becomes easy to stop the treatment when the specific surface area is suitable, and a cordierite porous body having a high specific surface area can be produced.

弱酸を用いた場合でも、濃度を低くした溶液で処理することにより、更に容易に上記の比表面積が好適となる段階で処理を調整することが可能となる。比表面積が好適となる段階で酸処理を停止させる場合、酸の濃度が低いと、要する処理時間が長くなり、濃度が高いと、要する処理時間は短くなる。すなわち、比表面積が好適となる処理条件は、弱酸の濃度と処理時間で調整することが可能となる。   Even when a weak acid is used, the treatment can be more easily adjusted at a stage where the specific surface area is suitable by treating with a solution having a low concentration. When the acid treatment is stopped at a stage where the specific surface area is suitable, if the acid concentration is low, the processing time required is long, and if the concentration is high, the processing time required is short. That is, the processing conditions that make the specific surface area suitable can be adjusted by the concentration of the weak acid and the processing time.

酸の解離度は、酸の種類により異なるため、本発明の高比表面積コーディエライト多孔体の製造方法において、好適な高比表面積を有する処理条件は、酸の種類、酸の濃度、及び/又は処理時間で適宜調整することができる。本発明における弱酸による処理とは、溶出初期に形成される微細な針状結晶相が析出する段階で処理を停止させることが可能で、しかも、それにより、針状結晶を3次元的に連結させることを可能とする酸処理を意味するものであり、本発明は、これらの処理を可能とする全ての酸処理を含むものである。本発明の高温安定高比表面積コーディエライト多孔体は、1m/g以上の高比表面積を有し、1000℃以上の高温における焼結による比表面積の低下が抑制される。 Since the degree of acid dissociation varies depending on the type of acid, in the method for producing a high specific surface area cordierite porous body of the present invention, the processing conditions having a suitable high specific surface area are the type of acid, the concentration of acid, and / or Or it can adjust suitably with processing time. In the present invention, the treatment with a weak acid can stop the treatment at the stage where a fine acicular crystal phase formed in the initial stage of elution is precipitated, and thereby connects the acicular crystals three-dimensionally. The present invention includes all acid treatments that enable these treatments. The high temperature stable high specific surface area cordierite porous body of the present invention has a high specific surface area of 1 m 2 / g or more, and a decrease in specific surface area due to sintering at a high temperature of 1000 ° C. or higher is suppressed.

高比表面積を有するコーディエライト多孔体の作製に関して、コーディエライト多結晶体の上にシリカ層を形成させ、そのシリカ層を多孔質化させる方法は、公知である。しかし、これまで報告されている高比表面積を有するコーディエライト多孔体は、粒界層を介した多結晶体であり、例えば、1050℃での熱処理により焼結が進み、比表面積が極端に低下することが知られている。   Regarding the production of a cordierite porous body having a high specific surface area, a method of forming a silica layer on a cordierite polycrystal and making the silica layer porous is known. However, the cordierite porous material having a high specific surface area that has been reported so far is a polycrystalline body through a grain boundary layer. For example, the sintering proceeds by heat treatment at 1050 ° C., and the specific surface area becomes extremely large. It is known to decline.

本発明は、上記針状セラミック体において、上記セラミック粒子表面に触媒成分を直接担持可能な細孔及び元素の少なくとも一方を有していることが好ましい。すなわち、本発明では、セラミック体表面に、担持する触媒成分イオンの直径の1000倍以下、好ましくは1〜1000倍の直径、あるいは幅の細孔を有し、この細孔の数が1×1011個/L以上、好ましくは1×1016個/L以上、より好ましくは1×l017個/L以上であるセラミック担体が、好適に使用される。この細孔は、具体的には、セラミック結晶中の酸素欠陥や格子欠陥といった欠陥、セラミック表面に形成される微細なクラック、セラミックを構成する元素の欠損、によって形成される。これらの細孔は、少なくとも1種類がセラミック担体に形成されていればよいが、複数種類を組み合わせて形成することもできる。 In the present invention, the acicular ceramic body preferably has at least one of pores and elements capable of directly supporting a catalyst component on the surface of the ceramic particles. That is, in the present invention, the ceramic body surface has pores having a diameter of 1000 times or less, preferably 1 to 1000 times the diameter of the catalyst component ions to be supported, or a width of 1 to 10 × 10. A ceramic carrier of 11 pieces / L or more, preferably 1 × 10 16 pieces / L or more, more preferably 1 × 10 17 pieces / L or more is preferably used. Specifically, the pores are formed by defects such as oxygen defects and lattice defects in the ceramic crystal, fine cracks formed on the ceramic surface, and defects of elements constituting the ceramic. These pores only have to be formed on at least one type of ceramic support, but can also be formed by combining a plurality of types.

本発明では、セラミック担体としては、例えば、理論組成が2MgO・2Al・5SiOで表されるコーディエライトを主成分として含有し、ハニカム形状の担体形状を有するコーディエライトハニカム構造体が好適に使用される。触媒成分イオンの直径は、通常、0.1nm程度であるので、コーディエライトハニカム構造体の表面に形成される細孔の直径、あるいは幅は、その1〜1000倍の0.1〜100nm、細孔の深さは、触媒成分イオンの直径の1/2倍以上、つまり0.05nm以上であることが好ましい。セラミック担体は、このような細孔を上記所定数以上有することにより、必要な強度を確保しながら、触媒成分の直接担持を可能にする。 In the present invention, as the ceramic carrier, for example, a cordierite honeycomb structure including a cordierite having a theoretical composition represented by 2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2 as a main component and having a honeycomb-shaped carrier shape Are preferably used. Since the diameter of the catalyst component ions is usually about 0.1 nm, the diameter or width of the pores formed on the surface of the cordierite honeycomb structure is 0.1 to 100 nm, which is 1 to 1000 times larger, The depth of the pores is preferably at least 1/2 times the diameter of the catalyst component ions, that is, at least 0.05 nm. The ceramic support has such a predetermined number or more of pores, thereby enabling direct support of the catalyst component while ensuring the necessary strength.

セラミック担体が、酸素欠陥や格子欠陥からなる細孔を有する場合、細孔の数はコーディエライトハニカム構造体中の酸素量に大きく関係し、細孔を上記所定数以上とするためには、コーディエライトハニカム構造体の酸素量が47重量%未満もしくは48重量%より多くなるようにする。また、コーディエライト結晶の結晶軸の内、b軸の格子定数が16.99より大きい又は16.99より小さくなるようにするとよい。具体的には、コーディエライトハニカム構造体が、酸素欠陥、あるいは格子欠陥の少なくとも1種類を単位結晶格子に1個以上有するコーディエライト結晶を4×10−6%以上、好ましくは、4×10−5%以上含有する、あるいは、酸素欠陥あるいは格子欠陥の少なくとも1種類をコーディエライトの単位結晶格子当たり4×10−8個以上、好ましくは、4×10−7個以上含有すると、セラミック担体の細孔の数が、1×1016個/L以上、好ましくは1×1017個/L以上となる。 When the ceramic carrier has pores composed of oxygen defects and lattice defects, the number of pores is greatly related to the amount of oxygen in the cordierite honeycomb structure, and in order to make the pores more than the predetermined number, The amount of oxygen in the cordierite honeycomb structure is set to be less than 47% by weight or greater than 48% by weight. Further, among the crystal axes of the cordierite crystals, b 0 may lattice constant of the axis is set to be smaller than 16.99 larger or 16.99. Specifically, the cordierite honeycomb structure has 4 × 10 −6 % or more, preferably 4 ×, of cordierite crystal having at least one kind of oxygen defect or lattice defect in the unit crystal lattice. 10-5 % or more, or at least one kind of oxygen defect or lattice defect is 4 × 10 −8 or more, preferably 4 × 10 −7 or more per unit crystal lattice of cordierite. The number of pores of the carrier is 1 × 10 16 / L or more, preferably 1 × 10 17 / L or more.

一般に、触媒成分を担持する場合、触媒成分イオンを溶媒に溶解し、この溶液にセラミック担体を浸漬することによって触媒を担持している。従来のガンマアルミナでコートしたコーディエライトハニカム構造体の場合、触媒成分が担持されるガンマアルミナの細孔径は、通常、2nm程度であるが、触媒金属粒子は、通常、5nm程度とガンマアルミナの細孔径より大きい。このことから、ガンマアルミナの細孔は触媒金属粒子を保持するというよりは、触媒担持時に触媒成分イオンを保持するために必要と考えられる。触媒成分イオンの直径と、直径、あるいは幅が同等以上の細孔、すなわち0.1nm以上の直径、あるいは幅を有する細孔であれば、触媒成分のイオンを保持することが可能である。ただし、ハニカム構造体の強度を確保するためには、細孔の直径、あるいは幅が触媒成分イオンの直径の1000倍程度以下であることが必要であり、これは直径が0.1nmの場合、100nm以下となる。また、細孔の深さは、担持する触媒成分イオンの直径の1/2倍以上あれば、触媒成分イオンを保持可能である。   In general, when a catalyst component is supported, the catalyst component is supported by dissolving catalyst component ions in a solvent and immersing a ceramic carrier in this solution. In the case of a cordierite honeycomb structure coated with a conventional gamma alumina, the pore diameter of the gamma alumina supporting the catalyst component is usually about 2 nm, but the catalyst metal particles are usually about 5 nm, Larger than the pore size. From this, it is considered that the pores of gamma alumina are necessary for holding the catalyst component ions when the catalyst is supported, rather than holding the catalyst metal particles. The catalyst component ions can be retained as long as the diameter, width, or width of the catalyst component ions is equal to or greater than that of the catalyst component ions, that is, a pore having a diameter or width of 0.1 nm or more. However, in order to ensure the strength of the honeycomb structure, it is necessary that the diameter or width of the pores is about 1000 times or less the diameter of the catalyst component ions. 100 nm or less. Further, if the depth of the pore is at least ½ times the diameter of the supported catalyst component ions, the catalyst component ions can be retained.

欠陥やクラックからなる細孔は極めて微細であり、通常の方法では比表面積を測定することができないため、本発明では、所定量の触媒成分を担持するに必要な細孔の数を規定する。現在使用されている三元触媒に担持されている触媒金属は、ハニカム構造体の容積1L当たり、およそ1.5gである。触媒金属が排ガス浄化性能を現すためには、触媒金属粒子の直径が1000nm程度好ましくは20nm程度より小さい必要がある。   Since the pores composed of defects and cracks are extremely fine and the specific surface area cannot be measured by a normal method, the present invention defines the number of pores necessary to carry a predetermined amount of the catalyst component. The catalytic metal supported on the currently used three-way catalyst is approximately 1.5 g per liter of the honeycomb structure volume. In order for the catalyst metal to exhibit exhaust gas purification performance, the diameter of the catalyst metal particles needs to be about 1000 nm, preferably less than about 20 nm.

現在使用されている三元触媒と同じ1.5g/Lの白金が担持され、その白金粒子の直径が全て1000nmであるとすると、担持された白金粒子の数は、1.34×1011個/L、20nmであるとすると1.67×1016個/Lである。触媒金属を担持するためには、触媒金属粒子1個に対して、およそ1個の細孔が必要であるため、触媒金属粒子を直接担持するために必要な細孔の数は、少なくとも1×1011個/Lないしそれ以上、好ましくは1×1016個/Lないしそれ以上である。また、触媒金属粒子の平均直径が全て10nm程度になると、浄化性能は三元触媒と同等となる。この時の触媒金属粒子の個数は、1.34×1017個/Lであり、必要とされる細孔の数は、1×1017個/L以上であるとより好ましい。 Assuming that 1.5 g / L of platinum, which is the same as the currently used three-way catalyst, is supported and all the platinum particles have a diameter of 1000 nm, the number of supported platinum particles is 1.34 × 10 11. / L, 20 nm, 1.67 × 10 16 / L. In order to support the catalyst metal, approximately one pore is required for one catalyst metal particle. Therefore, the number of pores required to directly support the catalyst metal particle is at least 1 ×. 10 11 pieces / L or more, preferably 1 × 10 16 pieces / L or more. Further, when the average diameter of the catalytic metal particles is all about 10 nm, the purification performance is equivalent to that of the three-way catalyst. The number of catalyst metal particles at this time is 1.34 × 10 17 particles / L, and the number of required pores is more preferably 1 × 10 17 particles / L or more.

一方、セル壁厚100μm、セル密度400cpsi(1平方インチ当たりのセル個数)のコーディエライトハニカム構造体の重量は、容積1L当たり約230gである。これが全てコーディエライト(MgAlSi18)からなっているとすると、コーディエライト結晶の数は、コーディエライトハニカム構造体に酸素欠陥又は格子欠陥が1×1016個/Lあり、結晶1個には欠陥が1個しか形成されないとすると、コーディエライト結晶全体に対する欠陥を有する結晶の割合は、欠陥が1×1017個の場合には、4×10−5%となる。コーディエライト結晶1個当たりに含有される欠陥の数も、欠陥が1×1016個/Lの場合は、単位結晶格子当たりの欠陥の数が4×10−8個、欠陥が1×1017個/Lの場合には、単位結晶格子当たりの欠陥の数は4×10−7個となる。 On the other hand, the weight of the cordierite honeycomb structure having a cell wall thickness of 100 μm and a cell density of 400 cpsi (number of cells per square inch) is about 230 g per liter of volume. Assuming that this is all made of cordierite (Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 ), the number of cordierite crystals is 1 × 10 16 / L in the cordierite honeycomb structure. If only one defect is formed in one crystal, the ratio of the crystal having a defect to the entire cordierite crystal is 4 × 10 −5 % when the number of defects is 1 × 10 17. Become. The number of defects contained per cordierite crystal is 4 × 10 −8 and 1 × 10 8 defects per unit crystal lattice when the number of defects is 1 × 10 16 / L. In the case of 17 / L, the number of defects per unit crystal lattice is 4 × 10 −7 .

本発明では、コーディエライトハニカム構造体に触媒担持能を持たせるために、(1)コーディエライト結晶格子に酸素欠陥や格子欠陥(金属空格子点、格子歪)を形成する、(2)アモルファス相及び結晶相の少なくとも一方に多数の微細なクラックを形成する、(3)液相法によりコーディエライト構成元素や不純物を溶出させて欠損を形成する、(4)気相法により化学的ないし物理的に欠損を形成する、(5)酸素吸蔵能を有する物質を含有させる、といった方法で細孔を形成する。本発明では、これらの細孔を上記所定数以上形成することにより、ガンマアルミナをコートすることなく直接触媒成分を担持可能である。また、これらの方法で形成される細孔は、従来のように、セラミック結晶格子を破壊することがないので、セル壁厚を薄くしても流路方向の圧壊強度を10MPa以上、熱膨張係数を1×10−6/℃以下とすることができる。 In the present invention, in order to give the cordierite honeycomb structure a catalyst supporting ability, (1) oxygen defects and lattice defects (metal vacancies, lattice strain) are formed in the cordierite crystal lattice. (2) A large number of fine cracks are formed in at least one of an amorphous phase and a crystalline phase, (3) a cordierite constituent element and impurities are eluted by a liquid phase method, and a defect is formed. Alternatively, pores are formed by a method of physically forming defects or (5) containing a substance having an oxygen storage capacity. In the present invention, the catalyst component can be directly supported without coating with gamma alumina by forming the above-mentioned predetermined number or more of these pores. In addition, the pores formed by these methods do not destroy the ceramic crystal lattice as in the prior art. Therefore, even if the cell wall thickness is reduced, the crushing strength in the flow path direction is 10 MPa or more, and the thermal expansion coefficient. Of 1 × 10 −6 / ° C. or less.

次に、これらの方法により触媒担持能を持たせたコーディライトハニカム構造体について説明する。始めに、上記(1)のコーディエライトの結晶格子に酸素欠陥・格子欠陥(金属空格子点と格子歪)を有したコーディエライトハニカム構造体について説明する。触媒成分の担持を可能とする欠陥には、酸素欠陥と格子欠陥がある。このうち、酸素欠陥は、コーディエライト結晶格子を構成するための酸素が不足することにより生ずる欠陥であり、酸素が抜けたことにより形成される細孔に触媒成分を担持できる。必要量の触媒成分の担持を可能とするには、ハニカム構造体中に含まれる結晶相の酸素量が47重量%未満となるようにすることが好ましい。格子欠陥は、コーディエライト結晶格子を構成するために必要な量以上の酸素を取り込むことにより生じる格子欠陥であり、結晶格子の歪みや金属空格子点によって形成される細孔に触媒成分を担持することが可能となる。具体的には、ハニカム構造体中に含まれる酸素量が48重量%より多くなるようにすることが好ましい。   Next, a cordierite honeycomb structure having a catalyst supporting ability by these methods will be described. First, a cordierite honeycomb structure having oxygen defects / lattice defects (metal vacancies and lattice strain) in the cordierite crystal lattice of (1) will be described. Defects that can support the catalyst component include oxygen defects and lattice defects. Among these, the oxygen defect is a defect caused by the lack of oxygen for constituting the cordierite crystal lattice, and the catalyst component can be supported in the pores formed by the loss of oxygen. In order to support the required amount of the catalyst component, it is preferable that the amount of oxygen in the crystal phase contained in the honeycomb structure is less than 47% by weight. Lattice defects are lattice defects caused by taking in more oxygen than necessary to form a cordierite crystal lattice, and a catalyst component is supported in pores formed by crystal lattice distortion and metal vacancies. It becomes possible to do. Specifically, it is preferable that the amount of oxygen contained in the honeycomb structure is greater than 48% by weight.

結晶格子に欠陥を有するコーディエライトハニカム構造体は、ハニカム構造体の焼成雰囲気を調整することによって、あるいは特定の出発原料を用いることによって、製造することができる。このうち、酸素欠陥については、1)焼成雰囲気を減圧又は還元雰囲気とする、2)コーディエライト化原料の少なくとも一部に酸素を含まない化合物を用い、低酸素濃度雰囲気で焼成する、3)酸素以外のコーディエライトの構成元素の少なくとも1種類について、その一部を該元素より価数の小さな元素で置換する、ことにより形成することができる。また、格子欠陥については、4)酸素以外のコーディエライトの構成元素の一部を該元素より価数の大きな元素で置換する、ことにより形成することができる。   A cordierite honeycomb structure having defects in the crystal lattice can be manufactured by adjusting the firing atmosphere of the honeycomb structure or by using a specific starting material. Among these, for oxygen defects, 1) the firing atmosphere is reduced or reduced, and 2) firing is performed in a low oxygen concentration atmosphere using a compound that does not contain oxygen in at least a part of the cordierite forming raw material. 3) It can be formed by replacing at least one of the constituent elements of cordierite other than oxygen with an element having a lower valence than the element. The lattice defects can be formed by 4) substituting some of the constituent elements of cordierite other than oxygen with elements having a higher valence than the elements.

次に、これらの形成方法について説明する。まず、上記1)の方法により、酸素欠陥を有するコーディエライトハニカム構造体を製造する場合、出発原料としては、コーディエライト化原料として一般に用いられる材料、例えば、タルク(MgSi10(OH))、カオリン(AlSi(OH))、カオリンの仮焼物(仮焼カオリン)、アルミナ(Al)、水酸化アルミニウム(Al(OH))等を使用することができる。これら化合物以外にも、コーディエライトの構成元素であるSi、Al、Mgのうち少なくとも1種類を含む酸化物、水酸化物等をSi源、Al源、Mg源として用いることができる。 Next, these forming methods will be described. First, when a cordierite honeycomb structure having oxygen defects is manufactured by the method 1) above, as a starting material, a material generally used as a cordierite forming material, for example, talc (Mg 3 Si 4 O 10) is used. (OH) 2 ), kaolin (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ), calcined kaolin (calcined kaolin), alumina (Al 2 O 3 ), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), etc. Can be used. In addition to these compounds, oxides, hydroxides and the like containing at least one of Si, Al, and Mg, which are constituent elements of cordierite, can be used as the Si source, Al source, and Mg source.

これらのコーディエライト化原料を、上記理論組成となるように調合し、バインダ、潤滑剤、保湿剤等の成形助剤、及び水を添加して混練し、押出成形することによりハニカム形状に成形する。この成形体を大気中で約500℃以上に加熱し、脱脂した後、減圧雰囲気又は還元雰囲気で焼成してハニカム構造体とする。減圧雰囲気で焼成する場合、真空度は4000Pa(30Torr)程度ないしそれ以下とすることが好ましく、焼成は、通常、約1350℃以上で、2時間以上保持することによって行う。   These cordierite-forming raw materials are blended so as to have the above theoretical composition, and molding aids such as a binder, a lubricant, a moisturizing agent, and the like are added, kneaded and extruded to form a honeycomb shape. To do. This formed body is heated to about 500 ° C. or higher in the air, degreased, and then fired in a reduced pressure atmosphere or a reducing atmosphere to obtain a honeycomb structure. When firing in a reduced-pressure atmosphere, the degree of vacuum is preferably about 4000 Pa (30 Torr) or less, and firing is usually performed by holding at about 1350 ° C. or higher for 2 hours or longer.

減圧雰囲気で焼成することにより、焼成時の反応過程で原料中に含まれる酸素が気体となって出ていくため、コーディエライト結晶を構成するための酸素が不足して、コーディエライト結晶格子に酸素欠陥が形成される。また、還元雰囲気で焼成する場合も同様であり、水素等の還元ガス雰囲気中で、上記と同様の条件で焼成すると、焼成時の反応過程で原料中に含まれる酸素が還元ガスと反応して抜け出す。このため、コーディエライト結晶を構成するための酸素が不足して、コーディエライト結晶格子に酸素欠陥が形成される。コーディエライト化原料として、酸化物のみを用いた場合には、原料中に含まれる酸素のみでコーディエライト結晶を構成するための酸素をまかなうことが可能であるため、減圧雰囲気又は還元雰囲気として酸素を取り除く必要がある。   By firing in a reduced-pressure atmosphere, oxygen contained in the raw material is released as a gas in the reaction process during firing, so there is not enough oxygen to form cordierite crystals, and cordierite crystal lattice Oxygen vacancies are formed. The same applies when firing in a reducing atmosphere. When firing in a reducing gas atmosphere such as hydrogen under the same conditions as described above, oxygen contained in the raw material reacts with the reducing gas during the reaction process during firing. Get out. For this reason, oxygen for constituting the cordierite crystal is insufficient, and oxygen defects are formed in the cordierite crystal lattice. When only the oxide is used as the cordierite forming raw material, it is possible to cover the oxygen for constituting the cordierite crystal only with the oxygen contained in the raw material. It is necessary to remove oxygen.

上記2)の方法により、酸素欠陥を有するコーディエライトハニカム構造体を製造する場合には、コーディエライト化原料となるSi源、Al源、Mg源の少なくとも一部に、Si、Al、Mgの少なくとも1種類を含み酸素を含まない化合物を使用する。これらの化合物としては、コーディエライトの構成元素であるSi、Al、Mgの少なくとも1種類を含む窒化物、フッ化物又は塩化物等のハロゲン化物等が挙げられ、Si源、Al源、Mg源の内、少なくとも1種類について、その一部又は全部を、酸素を含まない上記化合物とすればよい。その他のコーディエライト化原料は、上記1)の方法と同様のものが使用できる。   In the case of producing a cordierite honeycomb structure having oxygen defects by the method 2), Si, Al, Mg is added to at least part of the Si source, Al source, and Mg source that are cordierite forming raw materials. A compound containing at least one of the above and not containing oxygen is used. Examples of these compounds include nitrides containing at least one of Si, Al, and Mg, which are constituent elements of cordierite, halides such as fluorides and chlorides, and the like. Si source, Al source, Mg source Of these, at least one of them may be partially or entirely made of the above-mentioned compound containing no oxygen. As other cordierite forming raw materials, those similar to the above method 1) can be used.

このコーディエライト化原料を上記理論組成となるように調合し、上記1)の方法と同様にしてハニカム状に成形、脱脂した後、低酸素濃度雰囲気で焼成する。雰囲気中の酸素濃度は、0%以上3%未満、好ましくは0%以上1%以下とし、これにより、コーディエライト結晶格子に酸素欠陥が形成される。コーディエライト化原料として酸素を含まない化合物を使用すると、原料中に含まれる酸素だけでは、コーディエライト結晶を構成するための酸素が不足する。そこで、不足する酸素を焼成雰囲気から補給しようとするが、焼成雰囲気の酸素濃度が低いため、反応過程においてコーディエライト結晶を構成するために必要とされるだけの酸素が十分に供給されず、コーディエライト結晶格子に酸素欠陥が形成されることになる。   This cordierite-forming raw material is prepared so as to have the above theoretical composition, formed into a honeycomb shape and degreased in the same manner as in 1) above, and then fired in a low oxygen concentration atmosphere. The oxygen concentration in the atmosphere is 0% or more and less than 3%, preferably 0% or more and 1% or less, whereby oxygen defects are formed in the cordierite crystal lattice. When a compound containing no oxygen is used as a cordierite forming raw material, oxygen for constituting the cordierite crystal is insufficient only with oxygen contained in the raw material. Therefore, an attempt is made to replenish the insufficient oxygen from the firing atmosphere, but because the oxygen concentration in the firing atmosphere is low, the oxygen necessary for constituting the cordierite crystal in the reaction process is not sufficiently supplied, Oxygen defects are formed in the cordierite crystal lattice.

このように、コーディエライト化原料として酸素を含まない化合物を使用した場合において、低酸素濃度雰囲気で焼成する代わりに、1)の方法のように、減圧雰囲気又は還元雰囲気で焼成することもできる。この場合も、反応過程においてコーディエライト結晶を構成するために必要な酸素が十分に供給されないために、コーディエライト結晶格子に酸素欠陥が形成される。上記3)の方法では、コーディエライトの構成元素であるSi、Al、Mgの少なくとも一部を、その元素より価数の小さい元素で置換することにより、酸素欠陥を形成する。この方法によりコーディエライトハニカム構造体を製造する場合は、Si源、Al源、Mg源の一部を、コーディエライトの構成元素であるSi、Al、Mgの代わりに、これらの元素より価数の小さな元素を含む化合物で置換したコーディエライト化原料を使用する。   As described above, when a compound not containing oxygen is used as a cordierite forming raw material, instead of firing in a low oxygen concentration atmosphere, firing can be performed in a reduced pressure atmosphere or a reducing atmosphere as in the method 1). . In this case as well, oxygen necessary for constituting the cordierite crystal is not sufficiently supplied in the reaction process, so that oxygen defects are formed in the cordierite crystal lattice. In the above method 3), oxygen defects are formed by substituting at least part of Si, Al, and Mg, which are constituent elements of cordierite, with an element having a valence lower than that element. When a cordierite honeycomb structure is manufactured by this method, some of the Si source, Al source, and Mg source are replaced by these elements in place of Si, Al, and Mg, which are constituent elements of cordierite. A cordierite-forming raw material substituted with a compound containing a small number of elements is used.

コーディエライトの構成元素の価数は、それぞれ、Si(4+)、Al(3+)、Mg(2+)であるので、このうち少なくとも1種類について、その一部を該元素より価数の小さな元素を含む化合物とすればよい。これら化合物は、酸化物、水酸化物、窒化物、ハロゲン化物等のいずれを用いてもよく、それ以外のSi源、Al源、Mg源は、通常の原料を用いて、コーディエライト化原料を調製する。これを、同様の方法でハニカム状に成形、脱脂した後、焼成する。焼成雰囲気は、減圧雰囲気、還元雰囲気、大気雰囲気等の酸素含有雰囲気、あるいは酸素非含有雰囲気のいずれの雰囲気としてもよい。コーディエライトの構成に必要な酸素は原料中に含まれ、また、酸素欠陥は元素置換によるため、酸素濃度に影響されず、酸素濃度0〜100%の範囲で酸素欠陥が形成される。   Since the valence of the constituent element of cordierite is Si (4+), Al (3+), and Mg (2+), respectively, at least one of the elements has a smaller valence than the element. A compound containing may be used. These compounds may use any of oxides, hydroxides, nitrides, halides, and other Si sources, Al sources, and Mg sources, using ordinary raw materials, cordierite forming raw materials To prepare. This is formed into a honeycomb shape by the same method, degreased, and then fired. The firing atmosphere may be an oxygen-containing atmosphere such as a reduced pressure atmosphere, a reducing atmosphere, an air atmosphere, or an oxygen-free atmosphere. Oxygen necessary for the configuration of cordierite is contained in the raw material, and oxygen defects are caused by element substitution, so that oxygen defects are formed in an oxygen concentration range of 0 to 100% without being affected by the oxygen concentration.

コーディエライトの構成元素は、Si(4+)、Al(3+)、Mg(2+)と正の電荷を有する。これらを価数の小さな元素で置換すると、置換した元素との価数の差と置換量に相当する正の電荷が不足し、結晶格子としての電気的中性を維持するため、負の電荷を有するO(2−)を放出する。このように、コーディエライトの構成元素を価数の小さな元素で置換することによっても、コーディエライト結晶格子に酸素欠陥が形成される。   The constituent elements of cordierite have positive charges such as Si (4+), Al (3+), and Mg (2+). If these elements are replaced with elements having a small valence, the difference in valence with the substituted element and the positive charge corresponding to the amount of substitution will be insufficient, and in order to maintain the electrical neutrality as a crystal lattice, O (2-) having is released. In this way, oxygen defects are also formed in the cordierite crystal lattice by replacing the constituent elements of cordierite with elements having a small valence.

上記4)の方法では、コーディエライトの構成元素であるSi、Al、Mgの少なくとも一部を、その元素より価数の大きい元素で置換することにより、格子欠陥を形成する。この方法によりコーディエライトハニカム構造体を製造する場合は、Si源、Al源、Mg源の一部を、コーディエライトの構成元素であるSi、Al、Mgの代わりに、これらの元素より価数の大きな元素を含む化合物で置換したコーディエライト化原料を使用する。この場合も、Si、Al、Mgの少なくとも1種類について、その一部を該元素より価数の大きな元素を含む化合物とし、それ以外のSi源、Al源、Mg源は、通常の原料を用いて、コーディエライト化原料を調製する。これを、同様の方法でハニカム状に成形、脱脂した後、焼成する。   In the method 4), lattice defects are formed by substituting at least a part of Si, Al, and Mg, which are constituent elements of cordierite, with an element having a higher valence than that element. When a cordierite honeycomb structure is manufactured by this method, a part of the Si source, Al source, and Mg source is replaced by a valence of these elements instead of Si, Al, and Mg, which are constituent elements of cordierite. A cordierite-forming raw material substituted with a compound containing a large number of elements is used. Also in this case, at least one of Si, Al, and Mg is a compound that includes an element having a higher valence than the element, and other Si sources, Al sources, and Mg sources are made of ordinary raw materials. To prepare a cordierite forming raw material. This is formed into a honeycomb shape by the same method, degreased, and then fired.

4)の方法における焼成雰囲気は、大気雰囲気のように、酸素が十分に供給される雰囲気とする必要がある。なお、焼成雰囲気は、大気雰囲気である場合には、焼成中に脱脂が可能であるので、脱脂工程を省略することもできる。逆に、コーディエライトの構成元素を価数の大きい元素で置換すると、置換した元素との価数の差と置換量に相当する正の電荷が過剰となり、結晶格子としての電気的中性を維持するため、負の電荷を有するO(2−)を必要量取り込む。取り込まれた酸素が障害となって、コーディエライト結晶格子が整然と並ぶことができなくなり、格子欠陥が形成される。   The firing atmosphere in the method 4) needs to be an atmosphere in which oxygen is sufficiently supplied, such as an air atmosphere. If the firing atmosphere is an air atmosphere, degreasing can be performed during firing, so the degreasing step can be omitted. Conversely, when the constituent element of cordierite is replaced with an element having a large valence, the difference in valence with the substituted element and the positive charge corresponding to the amount of substitution become excessive, and the electrical neutrality as a crystal lattice is increased. In order to maintain it, a necessary amount of O (2-) having a negative charge is taken in. The incorporated oxygen becomes an obstacle, and the cordierite crystal lattice cannot be arranged in an orderly manner, and lattice defects are formed.

コーディエライト結晶格子に酸素欠陥が形成される場合、コーディエライトの単位結晶格子に含まれる酸素の量が、酸素欠陥を有しない単位結晶格子よりも少なくなる。また、酸素の抜けた部分がつぶれるように結晶格子が変形するため、コーディエライトの結晶軸のb軸の格子定数が小さくなる。一方、コーディエライト結晶格子に格子欠陥が形成される場合、コーディエライトの単位結晶格子に含まれる酸素の量が、格子欠陥を有しない単位結晶格子よりも多くなり、b軸の格子定数が変化する。具体的には、酸素欠陥が形成されることにより、ハニカム構造体の酸素量が47重量%未満になると、コーディエライト単位結晶格子中に含まれる酸素数は、17.2より少なくなり、コーディエライトの結晶軸のb軸の格子定数は16.99より小さくなる。 When oxygen defects are formed in the cordierite crystal lattice, the amount of oxygen contained in the cordierite unit crystal lattice is smaller than that in the unit crystal lattice having no oxygen defects. Further, since the crystal lattice as missing portion of the oxygen collapse is deformed, the lattice constant of the b 0 axis of the crystal axis of cordierite becomes smaller. On the other hand, when lattice defects are formed in the cordierite crystal lattice, the amount of oxygen contained in the cordierite unit crystal lattice is larger than that in the unit crystal lattice having no lattice defect, and the lattice constant of the b 0 axis is Changes. Specifically, when the oxygen content of the honeycomb structure is less than 47% by weight due to the formation of oxygen defects, the number of oxygen contained in the cordierite unit crystal lattice becomes less than 17.2, lattice constant of the b 0 axis of the crystal axes of Eraito is smaller than 16.99.

また、格子欠陥が形成されることにより、ハニカム構造体の酸素量が48重量%を越えると、コーディエライト単位結晶格子中に含まれる酸素数は、17.6より多くなり、結晶軸のb軸の格子定数は16.99より大きく又は小さくなる。以上のように、本発明では、コーディエライト結晶格子に形成される酸素欠陥又は格子欠陥によって、コーディエライトハニカム構造体に必要な量の触媒成分を担持させることが可能となる。なお、これらの欠陥の大きさは数オングストーム以下と考えられるため、窒素分子を用いたBET法のような通常の比表面積の測定方法では、比表面積として測定できない。 In addition, when the amount of oxygen in the honeycomb structure exceeds 48% by weight due to the formation of lattice defects, the number of oxygen contained in the cordierite unit crystal lattice becomes more than 17.6, and the crystal axis b The zero- axis lattice constant is larger or smaller than 16.99. As described above, in the present invention, the cordierite honeycomb structure can be loaded with a necessary amount of the catalyst component by oxygen defects or lattice defects formed in the cordierite crystal lattice. In addition, since it is thought that the magnitude | size of these defects is several angstroms or less, it cannot measure as a specific surface area with the normal measuring method of a specific surface area like the BET method using a nitrogen molecule.

次に、上記(2)のアモルファス相と結晶相の少なくとも一方に多数の微細なクラックを有するコーディエライトハニカム構造体について説明する。この微細なクラックは、コーディエライトハニカム構造体に、1)熱衝撃を与える、又は2)衝撃波を与える、ことによってアモルファス相又は結晶相に形成されるもので、これにより形成される多数の細孔に触媒成分を担持できる。触媒成分を担持するには、クラックの幅が触媒成分イオンの直径と同程度以上、通常、0.1nm以上で、深さが触媒成分イオンの直径の1/2以上、通常、0.05nm以上であることが必要とされる。ハニカム構造体の強度を確保するためには、クラックは小さい方が好ましく、通常、幅が100nm程度以下、好ましくは幅が10nm程度ないしそれ以下とする。   Next, the cordierite honeycomb structure having a large number of fine cracks in at least one of the amorphous phase and the crystalline phase of (2) will be described. These fine cracks are formed in the amorphous phase or the crystalline phase by 1) giving a thermal shock or 2) giving a shock wave to the cordierite honeycomb structure, and a large number of fine cracks formed thereby. A catalyst component can be supported in the pores. In order to carry the catalyst component, the crack width is about the same as or larger than the diameter of the catalyst component ion, usually 0.1 nm or more, and the depth is 1/2 or more of the diameter of the catalyst component ion, usually 0.05 nm or more. Is required. In order to ensure the strength of the honeycomb structure, it is preferable that the cracks are small, and the width is usually about 100 nm or less, preferably about 10 nm or less.

上記1)の熱衝撃を与える方法としては、コーディエライトハニカム構造体を加熱した後、急冷する方法が用いられる。熱衝撃を与えるのは、コーディエライトハニカム構造体内に、コーディエライト結晶相及びアモルファス相が形成された後であればよく、通常の方法で、Si源、Al源、Mg源を含むコーディエライト化原料を成形、脱脂した後、焼成して得られたコーディエライトハニカム構造体を、所定温度に再加熱し、次いで、急冷する方法、あるいは、焼成して冷却する過程で、所定温度から急冷する方法のいずれを採用することもできる。熱衝撃によるクラックを発生させるには、通常、加熱温度と急冷後の温度の差(熱衝撃温度差)が約80℃以上であればよく、クラックの大きさは熱衝撃温度差が大きくなるのに伴い大きくなる。ただし、クラックが大きくなりすぎると、ハニカム構造体としての形状の維持が困難になるため、熱衝撃温度差は、通常、約900℃以下とすることが好ましい。   As a method of applying the thermal shock of 1), a method of rapidly cooling the cordierite honeycomb structure after heating is used. The thermal shock may be applied after the cordierite crystal phase and the amorphous phase are formed in the cordierite honeycomb structure, and the cordierite containing Si source, Al source, and Mg source is formed by a normal method. A cordierite honeycomb structure obtained by shaping, degreasing and firing the lightening raw material is reheated to a predetermined temperature, and then rapidly cooled, or in the course of firing and cooling, from the predetermined temperature. Any method of rapid cooling can be employed. In order to generate cracks due to thermal shock, the difference between the heating temperature and the temperature after rapid cooling (thermal shock temperature difference) should be about 80 ° C. or more, and the size of the crack increases the thermal shock temperature difference. It grows with. However, if the crack becomes too large, it becomes difficult to maintain the shape of the honeycomb structure, and therefore, the thermal shock temperature difference is usually preferably about 900 ° C. or less.

コーディエライトハニカム構造体において、アモルファス相は結晶相の周りに層状に存在している。コーディエライトハニカム構造体を加熱した後、急冷することにより熱衝撃を与えると、アモルファス相と結晶相では熱膨張係数に差があるために、この熱膨張係数の差と熱衝撃の温度差に相当する熱応力が、アモルファス相と結晶相の界面付近に作用する。この熱応力にアモルファス相、あるいは結晶相が耐えられなくなると、微細なクラックが発生する。また、微細なクラックの発生量は、コーディエライトハニカム構造体中に存在するアモルファス相の量により制御できる。微細なクラックは、アモルファス相と結晶相の境界付近に形成されるため、アモルファス相が多くなれば、それに伴い、形成される微細なクラックも多くなる。   In the cordierite honeycomb structure, the amorphous phase is present in layers around the crystal phase. When a cordierite honeycomb structure is heated and then subjected to a thermal shock by quenching, there is a difference in the thermal expansion coefficient between the amorphous phase and the crystalline phase, so there is a difference between this thermal expansion coefficient difference and the thermal shock temperature difference. Corresponding thermal stress acts near the interface between the amorphous phase and the crystalline phase. If the amorphous phase or crystalline phase cannot withstand this thermal stress, fine cracks are generated. The amount of fine cracks generated can be controlled by the amount of amorphous phase present in the cordierite honeycomb structure. Since the fine cracks are formed near the boundary between the amorphous phase and the crystal phase, the more amorphous phases, the more fine cracks that are formed.

コーディエライトハニカム構造体中に存在するアモルファス相は、コーディエライト原料中に微量に含まれるアルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素が、ハニカム焼成時にフラックスの働きをしてアモルファス相を形成すると考えられる。そのため、アルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素を添加することによって、アモルファス相の量を増加させて熱衝撃を与えた時の微細なクラックの発生量を増加させることができる。また、この際のアルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素の添加量によって、微細なクラックの量を制御することが可能となる。添加による効果を得るには、アルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素を、原料中に不純物として含まれる以上の量、通常、コーディエライトハニカム構造体中にアルカリ金属元素とアルカリ土類金属元素が、合計で、0.05重量%以上含有されるようにするとよい。なお、これらのアルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素は、コーディエライト化原料の調製時に、アルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素を含む化合物、例えば、酸化物、水酸化物、炭酸塩として添加することができる。   The amorphous phase present in the cordierite honeycomb structure is considered to be that an alkali metal element or alkaline earth metal element contained in a trace amount in the cordierite raw material acts as a flux during honeycomb firing to form an amorphous phase. It is done. Therefore, by adding an alkali metal element or an alkaline earth metal element, the amount of fine cracks can be increased when the amount of the amorphous phase is increased and a thermal shock is applied. In addition, the amount of fine cracks can be controlled by the amount of alkali metal element or alkaline earth metal element added. In order to obtain the effect of the addition, the alkali metal element or alkaline earth metal element is contained in an amount more than that contained as an impurity in the raw material, usually the alkali metal element and the alkaline earth metal element are contained in the cordierite honeycomb structure. In total, it may be contained at 0.05% by weight or more. These alkali metal elements and alkaline earth metal elements are added as compounds containing alkali metal elements and alkaline earth metal elements, for example, oxides, hydroxides, and carbonates, when preparing the cordierite forming raw material. can do.

熱衝撃の代わりに、上記2)の衝撃波を与える方法によってもアモルファス相又は結晶相に微細なクラックを形成することができる。この場合は、ハニカム構造体内の強度の低い部分が衝撃波のエネルギーに耐えられなくなったときに、微細なクラックが発生する。衝撃波を与える方法としては、超音波や振動等があり、微細なクラックの発生量は、衝撃波のエネルギー等により制御可能である。   A fine crack can be formed in the amorphous phase or the crystalline phase by the method of applying the shock wave of 2) instead of the thermal shock. In this case, fine cracks occur when the low-strength portion in the honeycomb structure cannot withstand the energy of the shock wave. As a method of applying a shock wave, there are ultrasonic waves, vibrations, and the like, and the amount of generation of fine cracks can be controlled by the energy of the shock wave.

上記(1)のようにしてコーディエライト結晶格子に酸素欠陥や格子欠陥を形成したハニカム構造体に、更に、(2)のようにしてアモルファス相及び結晶相の少なくとも一方に多数の微細なクラックを形成することもできる。この場合は、上記(1)に示した方法で酸素欠陥や格子欠陥を有する、酸素量が47重量%未満又は48重量%を越え、結晶軸のb軸の格子定数が16.99より大きく又は小さいハニカム構造体を焼成した後、(2)に示した方法で熱衝撃又は衝撃波を与えることにより、酸素欠陥と格子欠陥の少なくとも1種類と、多数の微細なクラックを有するコーディエライトハニカム構造体を得ることができる。必要量の触媒成分を担持するには、酸素欠陥や格子欠陥と微細なクラックが、合計で1×10個/L以上、好ましくは1×10個/L以上となっていればよい。上記2)の衝撃波を与える方法によってもアモルファス相又は結晶相に微細なクラックを形成することができる。 In the honeycomb structure in which oxygen defects or lattice defects are formed in the cordierite crystal lattice as in (1) above, and in addition, a number of fine cracks are formed in at least one of the amorphous phase and the crystal phase as in (2). Can also be formed. In this case, an oxygen defects or lattice defects by the method described in the above (1), the amount of oxygen exceeds or 48 wt% less than 47 wt%, the lattice constant of the b 0 axis of the crystal axis is greater than 16.99 Or after firing a small honeycomb structure, a cordierite honeycomb structure having at least one kind of oxygen defect and lattice defect and a large number of fine cracks by applying a thermal shock or a shock wave by the method shown in (2) You can get a body. In order to carry the required amount of catalyst component, the total number of oxygen defects, lattice defects and fine cracks is 1 × 10 7 / L or more, preferably 1 × 10 8 / L or more. Fine cracks can also be formed in the amorphous phase or the crystalline phase by the method 2) of applying a shock wave.

次に、上記(3)の液相法によりコーディエライト構成元素や不純物を溶出させて欠損を形成したコーディエライトハニカム構造体について説明する。この欠損は、コーディエライト結晶中のMg、Alといった金属元素、アモルファス相に含まれるアルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素、又はアモルファス相自身が、高温高圧水、超臨界流体、あるいはアルカリ溶液等の溶液に溶出することによって形成されるものであり、これらの元素等の欠損により形成される細孔に触媒成分を担持できる。   Next, a cordierite honeycomb structure in which defects are formed by eluting cordierite constituent elements and impurities by the liquid phase method (3) above will be described. This deficiency is caused by the fact that metal elements such as Mg and Al in cordierite crystals, alkali metal elements and alkaline earth metal elements contained in the amorphous phase, or the amorphous phase itself is high-temperature / high-pressure water, supercritical fluid, or alkaline solution, etc. The catalyst component can be supported on the pores formed by the deficiency of these elements and the like.

コーディエライトハニカム構造体は、通常の方法で、Si源、Al源、Mg源を含むコーディエライト化原料を成形、脱脂した後、大気中で焼成することにより得られ、このコーディエライトハニカム構造体を、高温高圧水、超臨界流体、あるいはアルカリ溶液に浸漬する。これにより、コーディエライト結晶中のMg、Alといった金属元素、アモルファス相に含まれるアルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素、又はアモルファス相自身がこれら溶液に溶出して細孔が形成される。細孔の大きさは、溶液の温度、圧力、溶媒等により制御可能であり、具体的には、10MPa、300℃の高温高圧水、CO等の超臨界流体、水酸化ナトリウム溶液等のアルカリ溶液といった溶液が用いられる。また、上述したように、コーディエライト化原料にアルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素を添加することにより、形成されるアモルファス相を調整することができるため、これらの添加量を調整することによっても、細孔の制御が可能である。 The cordierite honeycomb structure is obtained by forming a cordierite-forming raw material containing a Si source, an Al source, and an Mg source by a conventional method, degreasing, and firing in the air. The structure is immersed in high-temperature high-pressure water, a supercritical fluid, or an alkaline solution. As a result, metal elements such as Mg and Al in the cordierite crystal, alkali metal elements and alkaline earth metal elements contained in the amorphous phase, or the amorphous phase itself elute into these solutions to form pores. The size of the pores can be controlled by the temperature, pressure, solvent, etc. of the solution, specifically, 10 MPa, 300 ° C. high-temperature high-pressure water, supercritical fluid such as CO 2 , alkali such as sodium hydroxide solution, etc. A solution such as a solution is used. In addition, as described above, by adding an alkali metal element or an alkaline earth metal element to the cordierite forming raw material, the formed amorphous phase can be adjusted, so by adjusting these addition amounts However, it is possible to control the pores.

次に、上記(4)の気相法により化学的ないし物理的に欠損を形成したコーディエライトハニカム構造体について説明する。コーディエライトハニカム構造体をドライエッチング、あるいはスパッタエッチングすることにより細孔が形成される。ドライエッチングの場合、反応ガスを高周波等により放電させて、反応ガスを励起状態にする。この反応ガスとコーディエライト構成元素のSi、Al、Mgとが反応すると揮発性物質を形成し、この物質が揮発して排気されることにより、コーディエライトがエッチングされる。このように、コーディエライトが化学的にエッチングされた欠損部分が細孔となり、触媒担持が可能となる。反応ガスとしてはCF等が用いられ、これがコーディエライト構成元素と反応してSiF等の揮発性物質が形成される。ドライエッチングの程度は、エッチング時間、反応ガス種類、供給エネルギー等により制御できる。 Next, a cordierite honeycomb structure in which defects are formed chemically or physically by the vapor phase method (4) will be described. Fine pores are formed by dry etching or sputter etching the cordierite honeycomb structure. In the case of dry etching, the reaction gas is discharged by high frequency or the like to bring the reaction gas into an excited state. When this reaction gas reacts with cordierite constituent elements Si, Al, and Mg, a volatile substance is formed, and this substance is volatilized and exhausted, whereby cordierite is etched. As described above, the defect portions where the cordierite is chemically etched become pores, and the catalyst can be supported. CF 4 or the like is used as the reactive gas, and this reacts with cordierite constituent elements to form volatile substances such as SiF 4 . The degree of dry etching can be controlled by etching time, reaction gas type, supply energy, and the like.

スパッタエッチングの場合、高周波等で励起したAr等のプラズマ内にコーディエライトハニカム構造体をおくと、Arイオン等がコーディエライト表面に衝突し、コーディエライト構成元素の単原子、あるいは複数個の原子の塊が吹き飛ばされて、コーディエライトがエッチングされる。このように、コーディエライトが物理的にエッチングされた欠損部分が細孔となり、触媒担持が可能となる。スパッタエッチングの程度は、エッチング時間、励起ガス種類、供給エネルギー等により制御できる。   In the case of sputter etching, when a cordierite honeycomb structure is placed in a plasma of Ar or the like excited by high frequency or the like, Ar ions and the like collide with the cordierite surface, and a single atom or a plurality of cordierite constituent elements As a result, the cordierite is etched. In this way, the defect portions where cordierite is physically etched become pores, and the catalyst can be supported. The degree of sputter etching can be controlled by etching time, excitation gas type, supply energy, and the like.

次に、上記(5)の酸素吸蔵能を有する物質を含有させたコーディエライトハニカム構造体について説明する。酸素吸蔵能を有する物質、例えば、CeOは、雰囲気の酸素濃度の変化に伴い、酸素の出し入れをする。つまり、雰囲気の酸素濃度が高い場合にはCeの価数が4+であるが、酸素濃度が低下すると価数が3+となり、価数の変化により電気的中性が崩れるため、酸素を放出又は吸収することにより電気的中性を維持する。このような酸素吸蔵能を有する物質は、従来は三元触媒における助触媒として用いられ、排ガス中の酸素濃度の変動に応じて酸素を出し入れして空燃比を理論空燃比近傍に調整する作用を有している。 Next, the cordierite honeycomb structure containing the substance (5) having an oxygen storage capacity will be described. A substance having an oxygen storage capacity, such as CeO 2, takes in and out oxygen as the oxygen concentration in the atmosphere changes. That is, when the oxygen concentration in the atmosphere is high, the valence of Ce is 4+, but when the oxygen concentration is lowered, the valence becomes 3+, and the change in valence destroys the electrical neutrality, so that oxygen is released or absorbed. To maintain electrical neutrality. Such a substance having an oxygen storage capacity has been conventionally used as a co-catalyst in a three-way catalyst, and has the effect of adjusting the air-fuel ratio to near the stoichiometric air-fuel ratio by taking in and out oxygen according to fluctuations in oxygen concentration in the exhaust gas. Have.

このように、複数の価数を取り得るCeをコーディエライトの構成元素と置換する形でコーディエライトハニカム構造体に含有させると、上記(1)の場合と同様に、価数の変化を補うために酸素の過不足が生じて、コーディエライトの結晶格子に酸素欠陥又は格子欠陥が形成される。この酸素欠陥又は格子欠陥が細孔となり、触媒担持が可能となると同時に、コーディエライトハニカム構造体に酸素吸蔵能を付与することができる。すなわち、ガンマアルミナをコートすることなく触媒を直接担持でき、しかも、酸素吸蔵能を有する助触媒を別途担持することなく酸素吸蔵能を発現できる。酸素吸蔵能を持たせるには、コーディエライトハニカム構造体中のCeO含有量を0.01重量%以上とすることが望ましい。 As described above, when Ce that can take a plurality of valences is included in the cordierite honeycomb structure in a form that replaces the constituent elements of cordierite, the change in valence is caused as in the case of (1) above. In order to compensate for this, oxygen deficiency occurs, and oxygen defects or lattice defects are formed in the crystal lattice of cordierite. The oxygen defects or lattice defects become pores, and the catalyst can be supported, and at the same time, the cordierite honeycomb structure can be provided with an oxygen storage capacity. That is, the catalyst can be directly supported without coating with gamma alumina, and the oxygen storage ability can be exhibited without separately supporting a promoter having oxygen storage ability. In order to provide oxygen storage capacity, it is desirable that the CeO 2 content in the cordierite honeycomb structure is 0.01% by weight or more.

CeOを含有するコーディエライトハニカム構造体を得るには、Ceをコーディエライトの構成元素であるSi、Al、Mgの内、少なくとも1種類の一部と置換させる。置換方法は、上記(1)の場合と同様であり、Si源、Al源、Mg源の一部を、Si、Al、Mgの代わりにCeを含む化合物で置換したコーディエライト化原料を用いればよい。大気雰囲気では、通常、Ceの価数は4+であるので、これより価数の小さいMg(2+)、Al(3+)と置換した場合に、上記(1)の4)と同様にして格子欠陥が形成されるのはもちろん、Si(4+)と置換しても、通常、Ceの一部は価数が3+となっているため、酸素欠陥による細孔が形成される。 In order to obtain a cordierite honeycomb structure containing CeO 2 , Ce is replaced with at least one part of Si, Al, and Mg that are constituent elements of cordierite. The replacement method is the same as in the case of (1) above, and a cordierite forming raw material in which a part of Si source, Al source, and Mg source is replaced with a compound containing Ce instead of Si, Al, and Mg is used. That's fine. In the air atmosphere, the valence of Ce is normally 4+. Therefore, when substituting Mg (2+) and Al (3+) with smaller valences, lattice defects are obtained in the same manner as in (1) 4). Of course, even if it is replaced with Si (4+), since a part of Ce usually has a valence of 3+, pores due to oxygen defects are formed.

このように、置換元素としてCeを用いることで、触媒担持能及び酸素吸蔵能を有するコーディエライトハニカム構造体を得ることができる。助触媒としてのCeOを担体に担持させた場合には、CeOが熱劣化により粒成長して酸素吸蔵能を低下させるおそれがあるが、CeOをコーディエライト構造中に含有させた場合には粒成長が起こらないので、酸素吸蔵能が低下することもない。また、コーディエライトハニカム構造体を焼成した後、上記(2)で示したようにして熱衝撃又は衝撃波を与えることによって、微細なクラックを発生させてもよい。これにより、形成される細孔の数が増加し、触媒担持能の向上させることができる。あるいは、上記(1)で示した方法と組み合わせて、Ce以外の置換元素を用いたり、焼成雰囲気を調整して、形成される酸素欠陥又は格子欠陥の数を調整することもできる。 Thus, by using Ce as the substitution element, a cordierite honeycomb structure having a catalyst supporting ability and an oxygen storage ability can be obtained. When CeO 2 as a co-catalyst is supported on the support, CeO 2 may grow due to thermal degradation and reduce the oxygen storage capacity, but when CeO 2 is contained in the cordierite structure Since no grain growth occurs, oxygen storage capacity does not decrease. Further, after firing the cordierite honeycomb structure, fine cracks may be generated by applying a thermal shock or a shock wave as shown in (2) above. As a result, the number of pores formed is increased, and the catalyst supporting ability can be improved. Alternatively, in combination with the method shown in (1) above, the number of oxygen defects or lattice defects formed can be adjusted by using a substitution element other than Ce or adjusting the firing atmosphere.

なお、上記(1)〜(4)の方法で触媒担持能を持たせたコーディエライトハニカム構造体に、CeO等の酸素吸蔵能を有する助触媒を担持させて酸素吸蔵能を付与することもできる。この場合、ガンマアルミナをコートすることなく、コーディエライトハニカム構造体が有する細孔を利用して助触媒を担持できるので、触媒担持能に加えて酸素吸蔵能を有するコーディエライトハニカム構造体を容易に得ることができる。酸素吸蔵能を有する助触媒を担持させる場合、イオンや錯体のような助触媒の前段階物質を担持させて熱処理することによって担持してもよい。 The cordierite honeycomb structure provided with the catalyst supporting ability by the methods (1) to (4) above is supported with an oxygen storage ability promoter such as CeO 2 to provide the oxygen storage ability. You can also. In this case, since the co-catalyst can be supported by utilizing the pores of the cordierite honeycomb structure without coating with gamma alumina, a cordierite honeycomb structure having an oxygen storage capacity in addition to the catalyst supporting capacity can be obtained. Can be easily obtained. When a promoter having oxygen storage capacity is supported, it may be supported by supporting a pre-catalyst material such as an ion or a complex and heat-treating it.

更に、本発明のセラミック体では、基材セラミックを構成する元素の内、少なくとも1種類又はそれ以上の元素を、構成元素以外の元素と置換することにより、この置換元素に対して触媒成分を直接担持可能である。触媒成分の直接担持により得られるセラミック触媒体は、例えば、自動車用排ガス浄化触媒等として好適に使用される。基材セラミックには、理論組成が、2MgO・2A1・5SiOで表されるコーディエライトを成分として含むセラミックが好適に用いられる。具体的には、コーディエライトを、1容量%以上、好ましくは、5容量%以上含むセラミック体が好適に用いられる。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、中空繊維状、繊維状、粉体状又はペレット状等、種々の形状とすることができる。 Furthermore, in the ceramic body of the present invention, by replacing at least one element or more of the elements constituting the base ceramic with an element other than the constituent elements, the catalyst component is directly applied to the substituted element. It can be supported. The ceramic catalyst body obtained by directly supporting the catalyst component is suitably used as, for example, an automobile exhaust gas purification catalyst. The substrate ceramic, theoretical composition is a ceramic containing cordierite represented by 2MgO · 2A1 2 O 3 · 5SiO 2 as the component is preferably used. Specifically, a ceramic body containing cordierite at 1% by volume or more, preferably 5% by volume or more is suitably used. The shape of the ceramic body is not particularly limited, and may be various shapes such as a honeycomb shape, a foam shape, a hollow fiber shape, a fiber shape, a powder shape, or a pellet shape.

基材セラミックの構成元素(Si、A1、Mg)と置換される元素は、これらの構成元素よりも担持される触媒成分との結合力が大きく、触媒成分を化学的結合により担持可能な元素が用いられる。このような置換元素としては、具体的には、これらの構成元素となる元素で、その電子軌道にd又はf軌道を有する少なくとも1種類又はそれ以上の元素が挙げられ、好ましくは、そのd又はf軌道に空軌道を有している元素、又は酸化状態を2つ以上持つ元素が用いられる。d又はf軌道に空軌道を有する元素は、担持される貴金属触媒等とエネルギー準位が近く、電子の授与が行われやすいため、触媒成分と結合しやすい。また、酸化状態を2つ以上持つ元素も、電子の授与が行われやすく、同様の作用を有する。   Elements that replace the constituent elements (Si, A1, Mg) of the base ceramic have a stronger binding force with the supported catalyst component than these constituent elements, and elements that can support the catalyst component by chemical bonding are Used. Specific examples of such a substitution element include at least one element having d or f orbital in the electron orbital thereof, and preferably d or f. An element having an empty orbit in the f orbit or an element having two or more oxidation states is used. An element having a vacant orbit in the d or f orbital is close to the energy level of the noble metal catalyst and the like to be supported, and is easy to give an electron, so that it easily binds to a catalyst component. An element having two or more oxidation states also has a similar effect because it is easy to donate electrons.

d又はf軌道に空軌道を有する置換元素の具体例としては、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、○s、Ir、Pt等が挙げられ、好ましくは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、Ce、W、Os、Ir、Ptから選ばれる少なくとも1種類又はそれ以上の元素が用いられる。なお、上記元素の内、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もある。   Specific examples of the substitution element having an empty orbit in the d or f orbit include Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, La, and Ce. , Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Hf, Ta, W, Re, ○ s, Ir, Pt, etc., preferably Ti, V At least one element selected from Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ce, W, Os, Ir, and Pt is used. Of the above elements, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ce, Pr, Eu, Tb, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt Is also an element having two or more oxidation states.

また、これら以外の酸化状態を2つ以上持つ元素の具体例としては、Cu、Ga、Ge、As、Se、Br、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Te、I、Yb、Au等が挙げられ、好ましくは、Cu、Ga、Ge、Se、Pd、Ag、Auから選ばれる、少なくとも1種類又はそれ以上の元素が用いられる。本発明のセラミック体の基材である高比表面積コーディエライト多孔体は、針状結晶相のみで構成されており、焼結が進行しにくい構造を取るため、高温での熱処理によっても焼結による比表面積の低下を抑制することができる。このことから、本発明のセラミック体の基材である高温安定・高比表面積コーディエライト多孔体から、直接、触媒担体としてのハニカム構造体を製造することが可能となる。   Further, specific examples of elements having two or more oxidation states other than these include Cu, Ga, Ge, As, Se, Br, Pd, Ag, In, Sn, Sb, Te, I, Yb, Au, and the like. Preferably, at least one element selected from Cu, Ga, Ge, Se, Pd, Ag, and Au is used. The high specific surface area cordierite porous body, which is the base material of the ceramic body of the present invention, is composed only of acicular crystal phases and has a structure in which sintering does not proceed easily. The decrease in the specific surface area due to can be suppressed. From this, it becomes possible to manufacture a honeycomb structure as a catalyst carrier directly from the high-temperature stable and high specific surface area cordierite porous body that is the base material of the ceramic body of the present invention.

すなわち、本発明のセラミック体の基材である高温安定・高比表面積コーディエライト多孔体から、直接、触媒担体としてのハニカム構造体を製造することにより、従来製造されているハニカム構造体の製造工程において、ガンマアルミナのコーティング等の工程を省略させることが可能となり、触媒担持用ハニカム構造体の製造コストが大幅に低減できる。本発明では、上記高温安定・高比表面積コーディエライト多孔体を、触媒担持用ハニカム構造体として用いることにより、従来問題となっていた長時間使用することによるガンマアルミナコーティング層の剥離に起因する触媒品質の劣化を皆無とすることができる。   That is, by manufacturing a honeycomb structure as a catalyst carrier directly from a high-temperature stable and high specific surface area cordierite porous body, which is the base material of the ceramic body of the present invention, a conventionally manufactured honeycomb structure is manufactured. In the process, it is possible to omit a process such as coating with gamma alumina, and the manufacturing cost of the honeycomb structure for supporting a catalyst can be greatly reduced. In the present invention, the above-mentioned high-temperature stable / high specific surface area cordierite porous body is used as a catalyst-supporting honeycomb structure, resulting from peeling of the gamma alumina coating layer due to long-term use, which has been a problem in the past. It is possible to eliminate the deterioration of the catalyst quality.

また、本発明では、上記高温安定・高比表面積コーディエライト多孔体を触媒担持用ハニカム構造体として用いることにより、ハニカム触媒の製造工程を簡略化することが可能となる。本発明のセラミック体の基材の高温安定・高比表面積コーディエライト多孔体は、1ナノメートル以上、0.1ミクロン以下の微細な針状結晶相で構成されるため、Pt、Ph、及びPd等の活性触媒を容易に担持させることが可能となる。   Further, in the present invention, the honeycomb catalyst manufacturing process can be simplified by using the above high-temperature stable and high specific surface area cordierite porous body as a honeycomb structure for supporting a catalyst. Since the high-temperature stable and high specific surface area cordierite porous body of the ceramic body substrate of the present invention is composed of fine acicular crystal phases of 1 nanometer or more and 0.1 micron or less, Pt, Ph, and It becomes possible to easily carry an active catalyst such as Pd.

すなわち、本発明では、上記高温安定・高比表面積コーディエライト多孔体を触媒担持用ハニカム構造体として用いることにより、貴金属触媒を担持させたハニカム触媒を低コストで製造し、提供することが実現される。本発明のコーディエライト多孔体は、全体が針状結晶相で構成されているため、高温における熱処理でも、焼結による比表面積の低下を抑制することができ、また、比表面積が大きいハニカム構造体として直接製造することができるので、例えば、高温安定・高比表面積触媒担持用コーディエライト多孔体として好適に使用することが可能である。   That is, in the present invention, by using the above high-temperature stable and high specific surface area cordierite porous body as a honeycomb structure for supporting a catalyst, it is possible to manufacture and provide a honeycomb catalyst supporting a noble metal catalyst at a low cost. Is done. Since the cordierite porous body of the present invention is entirely composed of a needle-like crystal phase, it is possible to suppress a decrease in specific surface area due to sintering even in heat treatment at a high temperature, and a honeycomb structure having a large specific surface area. For example, it can be suitably used as a cordierite porous material for supporting a high-temperature stable and high specific surface area catalyst.

上述の方法により製作した触媒担持能を有するコーディエライトハニカム構造体は、内燃機関の排ガス浄化用触媒等に用いられるセラミック担体として好適に使用される。このセラミック担体は、例えば、コーディエライトハニカム構造体が有する細孔に、ガンマアルミナのコートなしに、0.1g/L以上の触媒成分を担持することができ、これにより、低熱容量、高耐熱衝撃性、低圧損なセラミック触媒体が得られる。触媒成分としては、触媒能を有する金属、及び触媒能を有する金属の酸化物の少なくとも1種類を用いる。触媒能を有する金属としては、例えば、Pt、Pd、Rh等の貴金属が、触媒能を有する金属の酸化物としては、例えば、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Sn、Pb等の金属のうち少なくとも1つ以上の金属を含む酸物が使用される。また、助触媒として、ランタノイド元素、遷移金属元素、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素又はその酸化物複合酸化物の1種又は複数種を同時に使用することができる。   The cordierite honeycomb structure having a catalyst supporting capacity manufactured by the above-described method is suitably used as a ceramic carrier used for an exhaust gas purification catalyst of an internal combustion engine. For example, this ceramic carrier can carry a catalyst component of 0.1 g / L or more in the pores of the cordierite honeycomb structure without coating with gamma alumina, thereby providing a low heat capacity and high heat resistance. A ceramic catalyst body with impact and low pressure loss can be obtained. As the catalyst component, at least one of a metal having catalytic ability and an oxide of a metal having catalytic ability is used. Examples of the metal having catalytic ability include noble metals such as Pt, Pd, and Rh. Examples of the metal oxide having catalytic ability include V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, and Co. An acid containing at least one metal among metals such as Ni, Cu, Zn, Ga, Sn, and Pb is used. Further, as a co-catalyst, one or more of a lanthanoid element, a transition metal element, an alkali metal element, an alkaline earth metal element, or an oxide complex oxide thereof can be used at the same time.

触媒成分を担持する方法としては、例えば、触媒成分を溶媒に溶解して、コーディエライトハニカム構造体に含浸させ、欠陥やクラック等の細孔内に触媒成分を担持させる液相法の他、CVD法、PVD法等の気相法、超臨界流体を使用する方法等が使用される。本発明では、コーディエライトハニカム構造体に形成される欠陥やクラック等の細孔であるため、気相法や超臨界流体を使用する方法のように微細な細孔の内部まで入り込みやすい媒体を用いる方法がより望ましい。液相法では、溶媒として水を用いることもできるが、水よりも表面張力の小さな溶媒、例えば、メタノール等のアルコール系溶媒を用いることが好ましい。   As a method for supporting the catalyst component, for example, by dissolving the catalyst component in a solvent and impregnating the cordierite honeycomb structure, in addition to the liquid phase method in which the catalyst component is supported in pores such as defects and cracks, A vapor phase method such as a CVD method or a PVD method, a method using a supercritical fluid, or the like is used. In the present invention, since the pores such as defects and cracks formed in the cordierite honeycomb structure, a medium that easily enters the fine pores as in the gas phase method or the method using a supercritical fluid is used. The method used is more desirable. In the liquid phase method, water can be used as a solvent, but a solvent having a surface tension smaller than that of water, for example, an alcohol solvent such as methanol is preferably used.

水よりも表面張力の小さな溶媒を用いることで、細孔内に十分浸透させることができる。この際、振動を与えながら、あるいは真空脱泡しながら浸漬させると、溶媒が細孔内に入り込みやすくなる。また、触媒成分を同一組成又は異なる組成で複数回に分けて、必要な量となるまで担持させるとよい。これらの方法により、細孔をより効果的に活用して、0.5g/L以上の触媒成分を担持することが可能である。このようにして作製される本発明のセラミック触媒体は、セラミック担体表面にガンマアルミナのコート層を形成することなしに、必要量の触媒成分が、直接、且つ狭い間隔で担持された、浄化性能に優れたセラミック触媒体となる。   By using a solvent having a smaller surface tension than water, it is possible to sufficiently penetrate into the pores. At this time, if the immersion is performed while applying vibration or vacuum degassing, the solvent easily enters the pores. Moreover, it is good to carry | support to a required quantity by dividing a catalyst component into multiple times by the same composition or a different composition. By these methods, it is possible to carry a catalyst component of 0.5 g / L or more by utilizing the pores more effectively. The ceramic catalyst body of the present invention thus produced has a purification performance in which a required amount of catalyst components are supported directly and at a narrow interval without forming a coating layer of gamma alumina on the surface of the ceramic support. It becomes an excellent ceramic catalyst body.

本発明により、1)高比表面積を有するコーディエライト針状形状粒子からなる針状セラミック体及び針状セラミック触媒体を提供できる、2)このコーディエライト多孔体は、少なくとも一部が針状結晶相で構成されているため、例えば、1000℃を超える高温に長時間曝されても、焼結による比表面積の低下が抑制される、3)針状形状粒子のアスペクト比が制御できる、4)針状コーディエライト結晶相が多量に生成する、5)コーディエライト焼結体そのものでハニカム体を直接製造することができる、6)この多孔体は、高温で安定な高比表面積を有する触媒担持用コーディエライトハニカム構造体として有用である、7)ハニカム内部にコーティングを施す従来の工程を省略できる、8)低コストで高品質のハニカム体を製造することが可能な新しい製造技術を提供できる、9)従来法による、例えば、コーディエライトハニカム体の内壁にガンマアルミナ等をコートした製品では、1000℃以上の高温で、ガンマアルミナがアルファアルミナに転移し、また、焼結が進行するために高比表面積を維持することが困難であるという問題があったが、本発明の製品では、そのような問題がない、という格別の効果が奏される。   According to the present invention, 1) an acicular ceramic body and acicular ceramic catalyst body composed of cordierite acicular particles having a high specific surface area can be provided, and 2) at least a part of the cordierite porous body is acicular. Since it is composed of a crystalline phase, for example, even if it is exposed to a high temperature exceeding 1000 ° C. for a long time, the decrease in specific surface area due to sintering is suppressed. 3) The aspect ratio of needle-shaped particles can be controlled. A) a large amount of acicular cordierite crystal phase is generated; 5) a honeycomb body can be directly produced by a cordierite sintered body itself; and 6) this porous body has a high specific surface area that is stable at high temperatures. It is useful as a cordierite honeycomb structure for catalyst support, 7) The conventional process of coating the inside of the honeycomb can be omitted, and 8) A high-quality honeycomb body is manufactured at low cost. 9) According to the conventional method, for example, in a product in which gamma alumina or the like is coated on the inner wall of a cordierite honeycomb body, gamma alumina becomes alpha alumina at a high temperature of 1000 ° C. or higher. There was a problem that it was difficult to maintain a high specific surface area due to the transition and sintering, but the product of the present invention has a special effect that there is no such problem. The

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

本実施例では、針状カオリンを配合した原料により、コーディエライトセラミック体を作製した。MgO−Al−SiOの三元系状態図に基づき、出発原料の混合比が定比のコーディエライト組成、すなわち、Al:MgO:SiO=2:2:5になるように、カオリン、タルク、Al(OH)、SiO、B、SrOを所定量秤量した。ここで、カオリンとしては、針状(ニードルライク)の形状を有していた。また、ウィスカー成長の助長、及び結晶化温度の低温化を目的として、SrO及びBを添加した。表1には、その配合比を示す。混合粉末を、エタノールを媒体としてボールミルにて24時間混合し、スプレードライヤーを使って乾燥造粒後、金型内に入れ、一軸プレスにて、直径20ミリ、厚さ5ミリのペレット状試験片を作製した。最高焼成温度は1100℃から1400℃の間で5通りに変化させ、最高温度での保持時間は4時間、昇温速度は3℃/分で一定とした。その結果、針状のコーディエライトを生成させるためには、最高温度を1300℃から1400℃の間で設定することが好適であることが判明した。図1には、焼成温度1350℃として得られた試料の組織を、SEMで観察した例を示す。また、EDS、の分析結果からSi、Mg、Alが検出され、XRDの分析結果と合わせて検討の結果、針状のコーディエライトが生成していることが確認された。 In this example, a cordierite ceramic body was produced from a raw material blended with acicular kaolin. Based on the ternary phase diagram of MgO—Al 2 O 3 —SiO 2 , the cordierite composition with a constant mixing ratio of starting materials, ie, Al 2 O 3 : MgO: SiO 2 = 2: 2: 5 Thus, kaolin, talc, Al (OH) 3 , SiO 2 , B 2 O 3 , and SrO were weighed in predetermined amounts. Here, the kaolin had a needle-like (needle-like) shape. Further, SrO and B 2 O 3 were added for the purpose of promoting whisker growth and lowering the crystallization temperature. Table 1 shows the blending ratio. The mixed powder is mixed with ethanol as a medium in a ball mill for 24 hours, dried and granulated using a spray dryer, placed in a mold, and uniaxially pressed into a pellet-shaped test piece having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm. Was made. The maximum firing temperature was changed in 5 ways between 1100 ° C. and 1400 ° C., the holding time at the maximum temperature was 4 hours, and the heating rate was constant at 3 ° C./min. As a result, it has been found that it is preferable to set the maximum temperature between 1300 ° C. and 1400 ° C. in order to generate acicular cordierite. FIG. 1 shows an example in which the structure of a sample obtained at a firing temperature of 1350 ° C. is observed by SEM. Moreover, Si, Mg, and Al were detected from the analysis result of EDS, and as a result of examination together with the analysis result of XRD, it was confirmed that acicular cordierite was generated.

本実施例では、焼成過程で消失する物質(造孔材)としてカーボンを配合し、コーディエライトセラミック体を作製した。表1に示す混合粉末に対して、平均粒径0・02μmのカーボンを10重量%添加した。カーボンは造孔材である。この混合粉末に、エタノールを媒体として、ボールミルにて24時間混合し、スプレードライヤーを使って乾燥造粒後、金型内に入れ、一軸プレスにて、直径20ミリ、厚さ5ミリのペレット状試験片を作製した。最高焼成温度は、1350℃、最高温度での保持時間は4時間、昇温速度は5℃/分とした。実施例1で得られた針状体の生成量よりも多量の針状体の生成が確認された。EDSの分析結果から、Si、Mg、Alが検出された。XRDの分析結果と合わせて検討した結果、カーボンの添加により針状体の生成量は無添加材に比べて増加していることがわかった。その理由としては、焼結し緻密化する前段階において、カーボン添加により成長空間が形成され、結晶構造に起因した異方成長がしやすくなったためと考えられる。   In this example, carbon was blended as a substance (pore forming material) that disappeared during the firing process to produce a cordierite ceramic body. 10% by weight of carbon having an average particle size of 0.02 μm was added to the mixed powder shown in Table 1. Carbon is a pore former. This mixed powder is mixed with ethanol as a medium for 24 hours in a ball mill, dried and granulated using a spray dryer, then placed in a mold and uniaxially pressed into a pellet with a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm. A test piece was prepared. The maximum firing temperature was 1350 ° C., the retention time at the maximum temperature was 4 hours, and the rate of temperature increase was 5 ° C./min. It was confirmed that a larger amount of needle-shaped body than the amount of needle-shaped body obtained in Example 1 was produced. Si, Mg, and Al were detected from the analysis result of EDS. As a result of examination together with the analysis result of XRD, it was found that the amount of needle-like bodies increased due to the addition of carbon compared to the additive-free material. The reason for this is considered that a growth space was formed by the addition of carbon in the previous stage of sintering and densification, and anisotropic growth due to the crystal structure became easy.

実施例2と同様の成分を使用し、押し出し成形によってハニカムを作製した。得られたコーディエライトハニカムから試験片を切り出し、SEMで観察した結果。ペレットを使用した場合と同様に、表面に針状体が生成しており、これを、EDSで分析した結果、Si、Mg、Alが検出され、針状のコーディエライトが生成していることが確認された。   Using the same components as in Example 2, a honeycomb was manufactured by extrusion. The result of having cut out the test piece from the obtained cordierite honeycomb and observing with SEM. As in the case of using pellets, acicular bodies are generated on the surface, and as a result of analysis by EDS, Si, Mg, Al are detected, and acicular cordierite is generated. Was confirmed.

本実施例では、ハニカムの表面を、カオリンを含むスラリーでコーティングし、ハニカムの表面に針状コーディエライトを形成した。コーティングスラリーの出発原料として、カオリン(Kyoritsu Materials、 Japan)、 水酸化アルミニウム(Al(OH)、(Koujyundo Chemicals、 Japan)、シリカ(silica quartz、 d50〜0.8μm、 Koujyundo Chemicals、 Japan)を用いた。先ず、出発原料の水系スラリーを調整した。分散剤としてpolyelectrolyte(ammonium polyacrylate、 Toa Gohsei、 ALON A-6114)を1〜2重量%添加した。スラリーの化学組成を表2に示す。スラリーをビーカーに移し、空気を吹き込みながら1時間以上脱気を行なった。脱気したスラリーに含まれる固体成分の充填率は20〜30%に保った。高さ1.5cm、直径5.0cmのコーディエライトハニカム担体にスラリーを被覆した。ハニカム担体を少なくとも2回スラリー中に浸漬してスラリーを被覆した。ハニカム担体に浸透した過剰のスラリーは完全に排除し、均質なコート層を得る目的でエアガンを用いて細孔内の過剰なスラリーを吹き飛ばした。スラリーをコートしたハニカム担体は、室温で24時間乾燥させ、引き続き真空乾燥機を用いて70℃で24時間乾燥させた。 In this example, the surface of the honeycomb was coated with a slurry containing kaolin, and acicular cordierite was formed on the surface of the honeycomb. Kaolin (Kyoritsu Materials, Japan), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 , (Koujyundo Chemicals, Japan), silica (silica quartz, d50 to 0.8 μm, Koujyundo Chemicals, Japan) were used as starting materials for the coating slurry. First, an aqueous slurry of a starting material was prepared, and polyelectrolyte (ammonium polyacrylate, Toa Gohsei, ALON A-6114) was added as a dispersing agent in an amount of 1 to 2% by weight, and the chemical composition of the slurry is shown in Table 2. The slurry is a beaker. The solid component contained in the degassed slurry was kept at 20 to 30%, and the cordier had a height of 1.5 cm and a diameter of 5.0 cm. The light honeycomb carrier was coated with the slurry, and the honeycomb carrier was dipped in the slurry at least twice to coat the slurry. The rally was completely removed, and an excess slurry in the pores was blown off with an air gun for the purpose of obtaining a uniform coating layer.The slurry-coated honeycomb carrier was dried at room temperature for 24 hours, and then a vacuum dryer was used. And dried at 70 ° C. for 24 hours.

焼結は、管状炉を用い、空気気流中1300℃で4時間行なった。焼成パターンは以下に示す条件を用いた。600℃まで1℃/minで昇温、600℃で1時間保持、1300度まで3℃/minで昇温、1300℃で4時間保持、1000℃まで2℃/minで降温、室温まで急速降温した。試料の微細構造はFE−SEMを用いて評価した。図2にその結果を示す。1350℃で4時間以上焼結させたハニカム担体の微細構造観察より、コーディエライトウィスカーがコーティング層上に成長することが判った。コート層の微細構造を観察(図2)すると、VLSメカニズムによるウィスカー成長は認められず、ニードルライクのウィスカーのみ確認された。この場合、ニードルライクのウィスカーは溶解−析出のメカニズムにより生成したものであった。   Sintering was performed in an air stream at 1300 ° C. for 4 hours using a tubular furnace. The conditions shown below were used for the firing pattern. Temperature rise to 600 ° C at 1 ° C / min, hold at 600 ° C for 1 hour, temperature rise to 1300 ° C at 3 ° C / min, hold at 1300 ° C for 4 hours, temperature drop to 1000 ° C at 2 ° C / min, rapid temperature drop to room temperature did. The microstructure of the sample was evaluated using FE-SEM. The results are shown in FIG. From observation of the microstructure of the honeycomb carrier sintered at 1350 ° C. for 4 hours or more, it was found that cordierite whiskers grow on the coating layer. When the fine structure of the coat layer was observed (FIG. 2), whisker growth by the VLS mechanism was not recognized, and only needle-like whiskers were confirmed. In this case, needle-like whiskers were produced by a dissolution-precipitation mechanism.

本実施例は、実施例3に示す工程によって得られたハニカムをエッチング処理した。表面に生成した過剰のシリカを除去する目的でHFによりエッチング処理を行なった。HFによるエッチング処理を行なった試料と、エッチング処理を行なっていない試料の微細構造を、FE−SEMを用いて評価した。図3は、HFによるエッチングを施した試料の微細構造である。図3より判るように、HFによるエッチングで過剰のシリカが除去され、過剰のシリカに埋まっていたウィスカーが観察される。   In this example, the honeycomb obtained by the process shown in Example 3 was etched. Etching was performed with HF for the purpose of removing excess silica produced on the surface. The FE-SEM was used to evaluate the microstructure of the sample that was etched with HF and the sample that was not etched. FIG. 3 shows the microstructure of the sample etched with HF. As can be seen from FIG. 3, excess silica is removed by etching with HF, and whiskers embedded in excess silica are observed.

本発明により、例えば、針状あるいは柱状形状を有する原料粒子、又は焼成過程で消失する物質(造孔材)を、原料中に配合することにより、制御された高アスペクト比の針状形状粒子を多量に含有するセラミック体を作製し、また、焼結体の表面に針状のセラミック体を成長させることにより、ナノオーダーの針状結晶相を析出させた構造を有する高比表面積のコーディエライト多孔体を製造し、提供することができる。この場合、原料の種類、形状、スラリー濃度、処理条件等により、生成する針状形状粒子の形状、特性を制御することが可能となる。本発明では、セラミック体の基材のコーディエライト多孔体全体が針状結晶相で構成されているため、高温における加熱処理でも、焼結による比表面積の低下を劇的に抑制することが可能となる。このことから、触媒担持用コーディエライトハニカム構造体の製造において、ハニカム内壁へのガンマアルミナのコーティング等の工程を省略することができる。高温で安定な高比表面積を有するコーディエライトハニカムを作製する技術を提供できる。また、本発明は、高比表面積コーディエライト多孔体からなる針状セラミック体、その製造方法及びその製品としての針状セラミック触媒体を提供するものであり、当技術分野におけるこれらの新技術を提供するものとして有用である。   According to the present invention, for example, needle-shaped particles having a controlled high aspect ratio can be obtained by blending raw material particles having a needle-like or columnar shape, or a substance (pore forming material) that disappears in the firing process into the raw material. A high specific surface area cordierite having a structure in which a nano-sized acicular crystal phase is precipitated by producing a ceramic body containing a large amount and growing a acicular ceramic body on the surface of the sintered body. A porous body can be manufactured and provided. In this case, it is possible to control the shape and characteristics of the needle-shaped particles to be generated according to the type, shape, slurry concentration, processing conditions, and the like of the raw material. In the present invention, since the entire cordierite porous body of the ceramic body is composed of a needle-like crystal phase, it is possible to dramatically suppress a decrease in specific surface area due to sintering even at high temperature heat treatment. It becomes. From this, in the production of a cordierite honeycomb structure for supporting a catalyst, steps such as coating gamma alumina on the honeycomb inner wall can be omitted. A technique for producing a cordierite honeycomb having a high specific surface area that is stable at high temperatures can be provided. The present invention also provides an acicular ceramic body comprising a high specific surface area cordierite porous body, a method for producing the acicular ceramic body, and an acicular ceramic catalyst body as a product thereof. Useful for providing.

針状カオリンを使用して、焼成温度1350℃で得られたセラミック試料の組織の走査型顕微鏡写真を示す。The scanning micrograph of the structure | tissue of the ceramic sample obtained at the firing temperature of 1350 degreeC using the acicular kaolin is shown. コーディエライトハニカム担体にスラリーを被覆して作製した試料の微細構造の走査型顕微鏡写真を示す。The scanning micrograph of the microstructure of the sample produced by coat | covering a slurry on a cordierite honeycomb carrier is shown. コーディエライトハニカム担体にスラリーを被覆して作製した試料に、更に、HFによるエッチングを施した試料の微細構造の走査型顕微鏡写真を示す。A scanning photomicrograph of the microstructure of a sample prepared by coating a cordierite honeycomb carrier with slurry and further etched with HF is shown.

Claims (53)

セラミック粒子の内、一部又は全部の粒子が、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状又は柱状形状を有する原料粒子から生成した針状形状粒子を有することを特徴とするセラミック体。   Among the ceramic particles, some or all of the particles contain at least Si, Al, Mg, and the needle-shaped particles generated from the raw material particles having a needle-like or columnar shape in a ceramic body having a needle-like shape. A ceramic body comprising: セラミック体の表面の一部又は全部に、コート層として、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状又は柱状形状を有する原料粒子から生成した針状形状粒子を有することを特徴とするセラミック体。   A part of or all of the surface of the ceramic body contains at least Si, Al, Mg as a coating layer, and in the ceramic body having a needle shape, the needle shape formed from raw material particles having a needle shape or a columnar shape A ceramic body comprising particles. セラミック粒子の内、一部又は全部の粒子が、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状又は柱状形状を有する原料粒子から生成した針状形状粒子を有し、セラミック体のセラミック粒子表面に、触媒成分を直接担持可能な細孔及び元素の少なくとも一方を有していることを特徴とするセラミック体。   Among the ceramic particles, some or all of the particles contain at least Si, Al, Mg, and the needle-shaped particles generated from the raw material particles having a needle-like or columnar shape in a ceramic body having a needle-like shape. And a ceramic body having at least one of pores and elements capable of directly supporting a catalyst component on the surface of ceramic particles of the ceramic body. セラミック体の表面の一部又は全部に、コート層として、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状又は柱状形状を有する原料粒子から生成した針状形状粒子を有し、セラミック体のセラミック粒子表面に、触媒成分を直接担持可能な細孔及び元素の少なくとも一方を有していることを特徴とするセラミック体。   A part of or all of the surface of the ceramic body contains at least Si, Al, Mg as a coating layer, and in the ceramic body having a needle shape, the needle shape formed from raw material particles having a needle shape or a columnar shape A ceramic body comprising particles and having at least one of a pore and an element capable of directly supporting a catalyst component on a ceramic particle surface of the ceramic body. 上記セラミック粒子に、Sr及び/又はBが含有されている請求項1から4のいずれかに記載のセラミック体。   The ceramic body according to any one of claims 1 to 4, wherein the ceramic particles contain Sr and / or B. 上記細孔が、セラミック粒子結晶格子中の欠陥、セラミック粒子表面の微細なクラック、及びセラミック粒子を構成する元素の欠損の内、少なくとも1種類からなる請求項3又は4に記載のセラミック体。   5. The ceramic body according to claim 3, wherein the pore comprises at least one of defects in a ceramic particle crystal lattice, fine cracks on the surface of the ceramic particle, and defects of elements constituting the ceramic particle. 上記微細なクラックの幅が、100nm以下である請求項6に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 6, wherein a width of the fine crack is 100 nm or less. 上記細孔が、担持する触媒イオンの直径の1000倍以下の直径あるいは幅を有し、この細孔の数が、1×1011個/L以上である請求項6に記載のセラミック体。 The ceramic body according to claim 6, wherein the pores have a diameter or width that is 1000 times or less the diameter of the catalyst ions to be supported, and the number of pores is 1 × 10 11 pieces / L or more. 上記細孔が、セラミック粒子の構成元素の一部を価数の異なる金属元素で置換することにより形成される欠陥からなる請求項6に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 6, wherein the pores are defects formed by substituting a part of constituent elements of the ceramic particles with metal elements having different valences. 上記欠陥は、酸素欠陥及び格子欠陥の少なくとも1種類からなり、上記針状形状粒子の単位結晶格子に欠陥を1個以上有するセラミック結晶を、4×10−6%以上含有する請求項9に記載のセラミック体。 The said defect consists of at least 1 type of an oxygen defect and a lattice defect, The ceramic crystal which has one or more defects in the unit crystal lattice of the said acicular shaped particle | grain is contained 4x10 < -6 >% or more. Ceramic body. 上記置換元素上に上記触媒成分が化学的結合により担持される請求項3又は4に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 3 or 4, wherein the catalyst component is supported on the substitution element by chemical bonding. 上記置換元素は、その電子軌道にd又はf軌道を有する少なくとも1種類又はそれ以上の元素である請求項11に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 11, wherein the substitution element is at least one element having d or f orbits in an electron orbit thereof. 上記針状形状粒子が、Si、Al、Mgと、少なくともSr、Ceの内の1種類以上を含む請求項1から4のいずれかに記載のセラミック体。   The ceramic body according to any one of claims 1 to 4, wherein the needle-shaped particles include Si, Al, Mg, and at least one of Sr and Ce. 上記針状形状粒子が、コーディエライトである請求項1から4のいずれかに記載のセラミック体。   The ceramic body according to any one of claims 1 to 4, wherein the needle-shaped particles are cordierite. 上記針状形状粒子の表面から少なくとも単位結晶格子5個分以上が、コーディエライトである請求項14に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 14, wherein at least five unit crystal lattices from the surface of the needle-shaped particles are cordierite. 上記針状形状粒子のアスペクト比が、5以上である請求項1から4のいずれかに記載のセラミック体。   The ceramic body according to any one of claims 1 to 4, wherein an aspect ratio of the needle-shaped particles is 5 or more. 上記セラミック体の形状が、粉末、ペレット、不織布、又はハニカム形状である請求項1から4のいずれかに記載のセラミック体。   The ceramic body according to any one of claims 1 to 4, wherein a shape of the ceramic body is a powder, a pellet, a nonwoven fabric, or a honeycomb shape. 上記セラミック体の比表面積が、1m/g以上である請求項1から4のいずれかに記載のセラミック体。 5. The ceramic body according to claim 1, wherein the ceramic body has a specific surface area of 1 m 2 / g or more. 気孔率が、10%以上のセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a porosity of 10% or more. 気孔率が、30%以上のセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a porosity of 30% or more. 流路方向の熱膨張係数が、2×10−6/℃以下のセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。 The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a thermal expansion coefficient in a flow path direction of 2 × 10 −6 / ° C. or less. 流路方向の熱膨張係数が、1×10−6/℃以下のセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。 The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a thermal expansion coefficient in a flow path direction of 1 × 10 −6 / ° C. or less. 流路方向の圧壊強度が、5MPa以上のセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a crushing strength in a flow path direction of 5 MPa or more. 流路方向の圧壊強度が、10MPa以上のセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a crushing strength in a flow path direction of 10 MPa or more. セル壁厚が、400μm以下のセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a cell wall thickness of 400 µm or less. セル壁厚が、100μm以下のセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a cell wall thickness of 100 µm or less. 細孔分布の分布幅が狭いセラミックハニカム体からなる請求項17に記載のセラミック体。   The ceramic body according to claim 17, comprising a ceramic honeycomb body having a narrow pore distribution distribution width. 上記分布幅が、平均細孔径の値の±1/2内に含まれる細孔容積が50%以上である請求項27に記載のセラミック体。   28. The ceramic body according to claim 27, wherein a pore volume included in the distribution width within ± 1/2 of a value of an average pore diameter is 50% or more. 請求項1から28のいずれかに記載のセラミック体に触媒成分を担持したことを特徴とするセラミック触媒体。   A ceramic catalyst body comprising a catalyst body supported on the ceramic body according to any one of claims 1 to 28. 上記触媒成分が、貴金属である請求項29に記載のセラミック触媒体。   30. The ceramic catalyst body according to claim 29, wherein the catalyst component is a noble metal. 上記触媒成分の担持量が、0.1g/L以上である請求項30に記載のセラミック触媒体。   The ceramic catalyst body according to claim 30, wherein the supported amount of the catalyst component is 0.1 g / L or more. 請求項1から28のいずれかに記載のセラミック体、及び/又は請求項29から31のいずれかに記載のセラミック触媒体に、助触媒成分を含有することを特徴とするセラミック触媒体。   A ceramic catalyst body containing a promoter component in the ceramic body according to any one of claims 1 to 28 and / or the ceramic catalyst body according to any one of claims 29 to 31. 上記助触媒成分が、ランタノイド元素、遷移金属元素、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素又はその酸化物、複合酸化物の1種類又は複数種類である請求項32に記載のセラミック触媒体。   The ceramic catalyst body according to claim 32, wherein the promoter component is one or more of a lanthanoid element, a transition metal element, an alkali metal element, an alkaline earth metal element or oxide thereof, and a composite oxide. 上記助触媒成分の含有量が、6g/L以上である請求項33に記載のセラミック触媒体。   The ceramic catalyst body according to claim 33, wherein the content of the promoter component is 6 g / L or more. Si源としてSiOとAlの化合物からなる原料を使用して、セラミック粒子の内、一部又は全部の粒子が、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状であるセラミック体において、針状化のために、針状又は柱状形状を有する原料粒子を用いてセラミック体を製造することを特徴とするセラミック体の製造方法。 Ceramics using raw materials composed of a compound of SiO 2 and Al 2 O 3 as the Si source, wherein some or all of the ceramic particles contain at least Si, Al, Mg, and the shape is needle-shaped A method for producing a ceramic body, comprising producing a ceramic body using raw material particles having a needle shape or a columnar shape for acicularization. 針状化のための添加剤を添加する請求項35に記載のセラミック体の製造方法。   The method for producing a ceramic body according to claim 35, wherein an additive for acicularization is added. 上記針状化のための添加剤が、ランタノイド元素、遷移金属元素、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも1種類である請求項36に記載のセラミック体の製造方法。   The method for producing a ceramic body according to claim 36, wherein the additive for acicularization is at least one selected from a lanthanoid element, a transition metal element, an alkali metal element, and an alkaline earth metal element. 上記針状又は柱状形状を有する原料粒子が、カオリンである請求項35に記載のセラミック体の製造方法。   36. The method for producing a ceramic body according to claim 35, wherein the raw material particles having a needle shape or a columnar shape are kaolin. 焼結体の表面にカオリンを含むスラリーを被覆し、乾燥後、焼成し、前記カオリンを原料の一部として針状のセラミック体を成長させることにより、セラミック粒子の内、一部又は全部の粒子が、少なくともSi、Al、Mgを含み、その形状が針状である針状形状粒子から成るウィスカー成長した針状結晶相を有するセラミック体を製造することを特徴とするセラミック体の製造方法。   The surface of the sintered body is coated with a slurry containing kaolin, dried, fired, and a needle-shaped ceramic body is grown using the kaolin as a part of the raw material, so that some or all of the ceramic particles A method for producing a ceramic body, comprising producing a ceramic body having an acicular crystal phase formed of needle-shaped particles containing at least Si, Al, and Mg and having a needle shape. 上記スラリーの出発原料が、カオリン、水酸化アルミニウム、シリカからなる請求項39に記載のセラミック体の製造方法。   The method for producing a ceramic body according to claim 39, wherein the starting material of the slurry is kaolin, aluminum hydroxide, or silica. 上記カオリンが、針状又は柱状である請求項39に記載のセラミック体の製造方法。   The method for producing a ceramic body according to claim 39, wherein the kaolin is needle-shaped or columnar. 請求項35から41のいずれかに記載の方法で作製したセラミック体に、酸処理、アルカリ処理、又はドライエッチングを施すことにより、針状形状粒子を発現させることを特徴とする針状形状粒子を有するセラミック体の製造方法。   A needle-shaped particle, wherein the needle-shaped particle is expressed by subjecting the ceramic body produced by the method according to any one of claims 35 to 41 to acid treatment, alkali treatment, or dry etching. A method for producing a ceramic body. 上記酸処理として、弱酸による処理を施すことにより、針状形状粒子を発現させる請求項42に記載のセラミック体の製造方法。   43. The method for producing a ceramic body according to claim 42, wherein as the acid treatment, a needle-shaped particle is expressed by a treatment with a weak acid. 上記弱酸が、0.001規定から2規定の弱酸である請求項43記載のセラミック体の製造方法。   44. The method for producing a ceramic body according to claim 43, wherein the weak acid is a 0.001N to 2N weak acid. 上記弱酸が、カルボキシル基(−COOH)を有する酸、リン酸、硫化水素の内、少なくとも1種類の酸を用いる請求項43又は44に記載のセラミック体の製造方法。   45. The method for producing a ceramic body according to claim 43 or 44, wherein the weak acid uses at least one acid among an acid having a carboxyl group (—COOH), phosphoric acid, and hydrogen sulfide. 針状形状粒子を所望の形状に成形し、焼成することで針状形状粒子を成長させる請求項35又は39に記載のセラミック体の製造方法。   40. The method for producing a ceramic body according to claim 35 or 39, wherein the needle-shaped particles are grown by forming the needle-shaped particles into a desired shape and firing. 針状形状粒子を形成させるための原料を所望の形状に成形し、焼成することで針状形状粒子を成長させる請求項35又は39に記載のセラミック体の製造方法。   40. The method for producing a ceramic body according to claim 35 or 39, wherein the needle-shaped particles are grown by forming a raw material for forming the needle-shaped particles into a desired shape and firing the raw material. 焼成過程において、焼結が完了する前に、針状結晶粒子を成長させる請求項35又は39に記載のセラミック体の製造方法。   40. The method of manufacturing a ceramic body according to claim 35 or 39, wherein in the firing process, acicular crystal particles are grown before the sintering is completed. 焼結の完了を遅延させ、針状セラミック体を成長させるための空間を設けるために、焼成過程で消失する物質を原料の一部として配合し、焼成過程で該消失する物質を焼き飛ばす請求項35又は39に記載のセラミック体の製造方法。   Claims: In order to delay the completion of sintering and provide a space for growing a needle-shaped ceramic body, a substance that disappears in the firing process is blended as part of the raw material, and the disappeared substance is burned off in the firing process. 40. A method for producing a ceramic body according to 35 or 39. 上記焼成過程で消失する物質がカーボンである請求項49に記載のセラミック体の製造方法。   The method for producing a ceramic body according to claim 49, wherein the substance that disappears in the firing process is carbon. 請求項1から28のいずれかに記載のセラミック体に、触媒成分を担持させることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。   A method for producing a ceramic catalyst body, comprising supporting a catalyst component on the ceramic body according to any one of claims 1 to 28. 請求項1から28のいずれかに記載のセラミック体、及び/又は請求項29から34のいずれかに記載のセラミック触媒体に、助触媒成分を担持することを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。   A ceramic catalyst body according to any one of claims 1 to 28 and / or a ceramic catalyst body according to any one of claims 29 to 34, wherein a promoter component is supported. . 請求項1から28のいずれかに記載のセラミック体、及び/又は請求項29から34のいずれかに記載のセラミック触媒体のセラミック原料に、助触媒成分を混合させておく請求項52に記載のセラミック触媒体の製造方法。   53. The promoter component according to claim 52, wherein a promoter component is mixed with the ceramic body according to any one of claims 1 to 28 and / or the ceramic raw material of the ceramic catalyst body according to any one of claims 29 to 34. A method for producing a ceramic catalyst body.
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