JP2006513973A - 最大被還元温度の低い、酸化ジルコニウム及び酸化セリウムベースの組成物、その製造方法並びに触媒としてのその使用 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の記載において、用語「比表面積」は、雑誌The Journal of the American Chemical Society、60、309(1938)に記載されているBrunauer-Emmett-Teller法を基礎に確立されたASTM D3663-78標準に従った窒素吸着により決定されるBET比表面積を意味する。
用語「ランタニド系」は、周期律表で57〜71の範囲の原子番号を有する元素により形成されるグループの元素を意味する。
本発明の記載において特記しない限り、数値範囲内にはその限定値が含まれる。
この構造は、少なくとも900℃の温度で6時間焼成を受けた生成物のXRD(X線回折)分析により決定される。
組成物の被還元能力は、温度の関数としてそれらの水素捕捉能力を測定して決定される。この測定は又、水素捕捉が最大である温度、換言すればセリウム(IV)のセリウム(III)への還元も又最大である温度に対応する、最大被還元能力温度を決定するために使用される。
従って、本発明の組成物は、空気中で6時間500℃で焼成後に、40m2/g以上の高い比表面積を有する。この表面積は、上記と同一温度で同一時間焼成後、好ましくは60m2/g以上、更に好ましくは70m2/g以上、最も好ましくは80m2/g以上である。本発明は、上記と同一温度で同一時間でもなお、89m2/g以上までが可能である表面積を有する組成物を得ることができる。
より高温であっても、本発明の組成物の比表面積は、6時間900℃で焼成後30m2/g以上であり、この表面積は、45m2/g以上も可能である。本発明は、上記と同一温度で同一時間でもなお、53m2/g以上までが可能である表面積を有する組成物を得ることができる。
最後に、25m2/g以上、更に30m2/g以上の比表面積も、6時間1000℃で焼成後に達成できる。本発明は、上記と同一温度で同一時間でもなお、40m2/g以上までが可能である表面積を有する組成物を得ることができる。
この方法は、下記ステップを含む:
(a)ジルコニウム化合物、セリウム化合物、及び任意で上記他の元素化合物を含有する混合物を形成するステップ;
(b)上記混合物を塩基性化合物と接触させて、沈殿物を得るステップ;
(c)上記沈殿物を水性媒体中で加熱するステップ;次に
(d)最初に、陰イオン界面活性剤、非イオン界面活性剤、ポリエチレングリコール、カルボン酸及びその塩、並びにカルボキシメチル化脂肪族アルコールエトキシレートタイプの界面活性剤から選ばれる添加剤を、前記ステップから得られた媒体中で加え、次に上記沈殿物を可能な限り分離するステップ;又は
(d’)上記沈殿物を最初に分離し、次に上記添加剤を沈殿物へ加えるステップのいずれかを行い;
(e)前記ステップ(d)又は(d’)で得られた沈殿物を粉砕操作にかけるステップ;並びに
(f)上記のように得られた沈殿物を焼成するステップ。
混合は、好ましくは水である液体媒体中で一般的に行われる。
例えば、ジルコニウム硫酸塩、硝酸ジルコニル又は塩化ジルコニルが挙げられる。最も一般的に、硝酸ジルコニルが使用される。又特に例えば、硝酸塩又は硝酸セリウムアンモニウム等のセリウム(IV)塩が挙げられ、それらは本発明で特に適切である。硝酸セリウムも好ましく使用できる。少なくとも99.5%、更に好ましくは少なくとも99.9%の純度の塩を使用することが有利である。硝酸セリウム水溶液は、例えば硝酸と水酸化セリウム(IV)との反応により得られ、その水酸化セリウムは、セリウム(III)塩、例えばセリウム(III)の硝酸塩溶液を過酸化水素の存在下でアンモニア溶液と反応させて、従来法により調製できる。又特に、フランス国特許FR−A−2570087号公報記載のセリウム(III)硝酸塩溶液の電解酸化法により得られた硝酸セリウム溶液を使用することも出来、これは本発明では便利な原料を構成する溶液である。
混合物及び溶液間の接触又は反応、特に塩基性化合物溶液への混合物の添加は、単一ステップで、徐々に又は連続的に行われてもよく、好ましくは攪拌して行われる。又、好ましくは室温で行われる。
この加熱は、塩基性化合物との反応後得られた反応混合物に対して直接、又は反応混合物から沈殿物を分離後に任意で洗浄して再度水へ戻して得られた懸濁液に対して、行うことが出来る。媒体が加熱される温度は、好ましくは少なくとも100℃、更に好ましくは少なくとも130℃である。加熱操作は、液体媒体を密封容器(オートクレーブタイプの密封反応器)中へ導入することにより行われてもよい。上記温度条件下で水性媒体中では、例示として挙げられる密封反応器中の圧力は、例えば1bar(105Pa)を超え165bar(1.65×107Pa)までの値の間、好ましくは5bar(5×105Pa)〜165bar(1.65×107Pa)で変化してもよい。加熱は又、100℃近くの温度用開放系反応器中で行われてもよい。
加熱は、空気中又は不活性ガス雰囲気中のいずれかで行われてもよく、好ましくは窒素中である。
加熱される媒体のpHは一般的に少なくとも5である。好ましくは、このpHは塩基性、即ち7を超え、更に好ましくは8以上である。
本発明では、数種の加熱操作を行うことができる。従って、加熱ステップ及び任意の洗浄操作ステップ後に得られた沈殿物は、水中に再懸濁され、次に別の加熱操作がこのように得られた媒体に対して行われてもよい。この別の加熱操作は、第一の方法で記載されたのと同一条件で行われる。
第一の変形では、陰イオン界面活性剤、非イオン界面活性剤、ポリエチレングリコール、カルボン酸及びその塩、及びカルボキシメチル化脂肪族アルコールエトキシレートタイプの界面活性剤から選ばれる添加剤が、上記ステップ後に得られた反応混合物へ添加される。この添加剤に関しては、国際公開WO98/45212号の記載を資料として使用し、その書類に記載された界面活性剤が使用できる。
カルボン酸塩、特にそのアンモニウム塩も使用できる。
例として、更に好ましくはラウリン酸及びラウリン酸アンモニウムが挙げられる。
用語「カルボキシメチル化脂肪族アルコールエトキシレートタイプの製品」は、鎖末端にCH2−COOH基を有するエトキシル化又はプロポキシル化脂肪族アルコールからなる製品を意味する。
これらの製品は、下式で表される:
R1−O−(CR2R3−CR4R5−O)n−CH2−COOH、
但し、R1は飽和又は不飽和炭素鎖を示し、その長さは一般的に最大22炭素原子、好ましくは少なくとも12炭素原子であり;R2、R3、R4及びR5は同一でもよく水素を表してもよく、R2がCH3基を表す場合にR3、R4及びR5は水素を表し;nは50までの0ではない整数であり、好ましくは5〜15で、上限下限の数字を含む。界面活性剤は、R1はそれぞれ飽和でも不飽和でもよい上式の製品、又はCH2−CH2−O−及びC(CH3)−CH2−O−基の両方を含有する製品の混合物からなるものでもよい。
別の変形例では、最初にステップ(c)から得られた沈殿物を分離し、次に界面活性剤添加剤をこの沈殿物へ添加する。
界面活性剤の使用量は、酸化物として計算される組成物重量に対する添加剤の重量%として表すと、一般的に5%〜100%、好ましくは15%〜60%である。
この粉砕は、種々の方法で行われる。
第一の方法は、湿式粉砕タイプの高エネルギー粉砕操作を行う。これら粉砕は、沈殿物がその元の液体媒体から良く分離されるケースでは、ステップ(d’)後又はステップ(d)後のいずれかで得られた湿生沈殿物に対して行われる湿式粉砕は、例えばボールミル中で行われてもよい。
上記粉砕後、得られた生成物は任意で、例えばそれをオーブン中に通過させて乾燥しても良い。
この焼成は、得られた生成物の結晶性を増加させるが、それは又、本発明の組成物用に保持される次に続く使用温度に応じて、採用される焼成温度が高いと生成物の比表面積は低くなる事実を考慮して調節され及び/又は選択される。
本発明の第二の実施方法は、上記ステップ(e)中で行われる粉砕が中程度のエネルギー粉砕である場合に最も好ましく、その焼成は最初に不活性ガス流れ中、その次に酸化雰囲気内で行われてもよい。
この場合、不活性ガスは好ましくは窒素である。この第一の焼成は、一般的に800℃〜1000℃の温度で少なくとも1時間行われる。酸化雰囲気中の焼成は、300℃〜700℃の温度で少なくとも30分間行われる。
従って、本発明は又、上記組成物又は触媒系を自動車後燃焼用触媒の製造に使用することにも関する。
これらの実施例中、示された被還元能力の程度は還元されたセリウムの割合を示し、下記説明の方法により消費され測定された0.5molのH2は、1molの還元されたCe(IV)に対応することが理解できる。
被還元能力測定は、下記条件で温度プログラムされた還元により行われる。商品名「Altamira MI−100」装置が、シリカ反応器と、予め10時間、1000℃雰囲気中で焼成された200mg試料と共に使用される。ガスは流速30ml/分のアルゴン中に10体積%水素を含む。温度上昇は、室温から900℃まで昇温速度10℃/分で行われる。シグナルは70mA熱伝導度検出器で検出される。捕捉された水素は、室温でのベースラインから900℃のベースラインへ消失した水素シグナルの面積から計算できる。上記定義された最大被還元能力温度は、試料中心部中に配置された熱電対を使用して測定される。
この実施例は、重量%で表すと、酸化ジルコニウム72%、酸化セリウム21%、酸化ランタン2%及び酸化ネオジム5%の含有物を有する組成物の調製に関する。
攪拌中のビーカー内へ、900mlの硝酸ジルコニウム(80g/l)、42.3mlの硝酸セリウム(セリウムの酸化状態はIII価)(496g/l)、4.4mlの硝酸ランタン(454g/l)及び9.5mlの硝酸ネオジム(524g/l)を添加した。次に蒸留水を添加し、1リットルのこれら硝酸塩溶液とした。
攪拌中の反応器内へ、250mlのアンモニア水溶液(12mol/l)、74mlの過酸化水素(110体積)を添加し、次に蒸留水を添加し、合計体積1リットルとした。
得られた懸濁液を、攪拌器を備えたステンレススチールオートクレーブ中に充填した。媒体の温度を2時間かけて攪拌しながら150℃へ上昇させた。
得られた懸濁液を次にブフナー漏斗上でろ過した。20重量%酸化物を含有する黄白色沈殿物が回収された。
76gのこの沈殿物を取り出し、ボールミル(Netzch社製、商品名「MolinexPE075」)中に入れた。
平行して、ラウリン酸アンモニウムゲルを下記条件下で調製した:250gのラウリン酸を135mlのアンモニア水溶液(12mol/l)及び500mlの蒸留水中へ導入し、次に混合物をスパチュラを使用して均一化した。
24gのこのゲルをボールミル中の沈殿物へ添加した。100mlの蒸留水及び250mlのジルコニアビーズ(直径0.4〜0.7mm)を添加して混合物を完成させた。混合物全体を1500rpmで60分間粉砕した。
沈殿物を次にふるい上で洗浄して粉砕ボールを回収した。得られた懸濁液を次に60℃のオーブン中で24時間乾燥した。次に乾燥した生成物を900℃まで、空気中で、安定して4時間加熱した。
生成物の性質を下記表1に示す。
実施例1と同様の、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化ランタン及び酸化ネオジムの組成を有する組成物を調製した。
オートクレーブ中の懸濁液の処理に関する手順を、実施例1と同様に行った。この処理に続いて室温へ冷却後、500mlの懸濁液を除去した。8gのラウリン酸をこの懸濁液へ添加した。均一化後、得られた混合物をUltraturax(商標)装置を使用して速度1000rpmで15分間せん断作用にかけた。
次に得られた懸濁液をブフナー漏斗上でろ過した。得られた固体を50℃のオーブン中で12時間乾燥した。乾燥した生成物を石英反応管中に配置した。次に流動床焼成を流速100cm3/分の窒素下で行なった。焼成温度は900℃であり、焼成時間は4時間だった。この焼成後、生成物を窒素下で室温まで戻した。次に、第二焼成を窒素中の10%酸素を含有する雰囲気中で500℃で安定して二時間行なった。
生成物の性質を下記表2中に示す。
Claims (21)
- 少なくとも50重量%の酸化ジルコニウム割合の、酸化ジルコニウム及び酸化セリウムを含有する組成物であり、6時間500℃で焼成後の最大被還元能力温度は500℃以下、比表面積は40m2/g以上であり、正方晶系相の形である組成物。
- 更に、セリウム以外のランタニド系列から得られた、少なくとも1の他の元素を含有する請求項1の組成物。
- ランタン、ネオジム及びプラセオジムから選ばれた少なくとも1のランタニドを含有する請求項2の組成物。
- 少なくとも65重量%の酸化ジルコニウム含有量を有する請求項1〜3いずれか1項記載の組成物。
- 480℃以下、好ましくは400℃以下の最大被還元能力温度を有する請求項1〜4いずれか1項記載の組成物。
- 6時間500℃で焼成後の比表面積が70m2/g以上、好ましくは80m2/g以上である請求項1〜5いずれか1項記載の組成物。
- 6時間900℃で焼成後の比表面積が30m2/g以上である請求項1〜5いずれか1項記載の組成物。
- 6時間900℃で焼成後の比表面積が45m2/g以上である請求項7の組成物。
- 6時間1000℃で焼成後の比表面積が25m2/g以上である請求項1〜5いずれか1項記載の組成物。
- 酸化ジルコニウム中でセリウムが、任意で上記他の元素と共に、固溶体として存在する請求項1〜9いずれか1項記載の組成物。
- 請求項1〜10いずれか1項記載の組成物の製造方法であり、下記ステップを含む製造方法:
(a)ジルコニウム化合物、セリウム化合物、及び任意で上記他の元素化合物を含有する混合物を形成するステップ;
(b)上記混合物を塩基性化合物と接触させて、沈殿物を得るステップ;
(c)上記沈殿物を水性媒体中で加熱するステップ;次に
(d)最初に、陰イオン界面活性剤、非イオン界面活性剤、ポリエチレングリコール、カルボン酸及びその塩、並びにカルボキシメチル化脂肪族アルコールエトキシレートタイプの界面活性剤から選ばれる添加剤を、前記ステップから得られた媒体中で加え、次に上記沈殿物を可能な限り分離するステップ;又は
(d’)上記沈殿物を最初に分離し、次に上記添加剤を沈殿物へ加えるステップのいずれかを行い;
(e)前記ステップで得られた沈殿物を粉砕操作にかけるステップ;並びに
(f)上記のように得られた沈殿物を焼成するステップ。 - 上記沈殿物を酸化雰囲気内、又は最初に不活性ガス中、その次に酸化雰囲気内、のいずれかで焼成する請求項11の方法。
- ジルコニウム化合物、セリウム化合物及び上記元素の化合物として、硝酸塩、酢酸塩、塩化物及び硝酸セリウムアンモニウムから選ばれる化合物が使用される請求項11又は12の方法。
- ジルコニウム化合物又はセリウム化合物としてゾルが使用される請求項11〜13いずれか1項記載の方法。
- ステップ(a)の混合では、セリウム化合物はセリウムがCe(III)型であるものを使用し、酸化剤をステップ(a)中又はステップ(b)中、特に後者のステップの最後に添加する請求項11〜14いずれか1項記載の方法。
- ステップ(b)中で、上記混合物をこの塩基性化合物の溶液中へ導入することにより、混合物を塩基性化合物と接触させる請求項11〜15いずれか1項記載の方法。
- 上記沈殿物は、ステップ(c)中で少なくとも100℃の温度まで加熱する請求項11〜16いずれか1項記載の方法。
- 湿式粉砕操作を実施する請求項11〜17いずれか1項記載の方法。
- 上記粉砕は沈殿物の懸濁液へせん断作用をかけることにより行う請求項11〜17いずれか1項記載の方法。
- 請求項1〜10いずれか1項記載の組成物を含有する触媒系。
- 請求項20の触媒系又は請求項1〜10いずれか1項記載の組成物が触媒として使用される内燃機関の排出ガス処理方法。
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