JP2009050787A

JP2009050787A - 空気浄化触媒および空気浄化触媒製造方法および空気浄化材および空気浄化材製造方法

Info

Publication number: JP2009050787A
Application number: JP2007219522A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Suga; 亮介須賀; Jun Inagaki; 純稲垣; Takaaki Shimado; 孝明島戸
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】従来の空気浄化触媒は、触媒温度が約２００℃以上でないと触媒性能を発揮できないという課題があった。また、従来の空気浄化触媒に多く用いられている白金族の金属は希少資源であるため、希少資源保護の面からも、これら白金族触媒の代替触媒の開発が求められている。
【解決手段】本発明の空気浄化触媒３は、金属元素が少なくともコバルトとマンガンと銀とを含むことを特徴とする空気浄化触媒３である。これにより、少なくともコバルトとマンガンと銀とを含む３種以上の金属元素からなるので、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒３となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、空気中に含まれる臭気成分や有害成分を酸化分解することができる空気浄化触媒およびその製造方法、また、前記空気浄化触媒を基材に担持した空気浄化材およびその製造方法に関する。

従来、この種の空気浄化触媒は、特許文献１に開示されているように、白金に代表される白金族元素が非常に多く用いられている。また、この種の空気浄化材は、メタルハニカム担体などの基材に無機酸化物をウォッシュコートし、前記無機酸化物の層上に白金などを担持したものが用いられている。
特開２００１−３４０４３４号公報

このような従来の空気浄化触媒は、触媒温度が約２００℃以上でないと触媒性能を発揮できないという課題があった。

触媒を２００℃以上に加熱するには多くのエネルギーを必要とするだけでなく、触媒温度が高いときにはそこを通過した直後の空気はかなりの高温となるため、一般家庭で用いられるような家電製品に搭載するには不向きであった。

また、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムといった白金族の金属は希少資源であるため、希少資源保護の面からも、これら白金族触媒の代替触媒の開発が求められている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、触媒の構成元素に白金族元素を含まず、かつ、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒とその製造方法、および、前記空気浄化触媒を担持した空気浄化材とその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の空気浄化触媒は、金属元素が少なくともコバルトとマンガンと銀とを含むことを特徴とする触媒である。これにより、触媒の構成元素に白金族元素を含まず、かつ、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒を提供することができる。

また、本発明の空気浄化触媒製造方法は、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンと銀イオンとを含有する溶液を、乾燥、次いで、焼成することを特徴とする空気浄化触媒製造方法である。これにより、触媒の構成元素に白金族元素を含まず、かつ、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒製造方法を提供することができる。

また、本発明の空気浄化材は、少なくともコバルトとマンガンと銀とを含む空気浄化触媒を基材に担持したことを特徴とする空気浄化材である。これにより、触媒の構成元素に白金族元素を含まず、かつ、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化材を提供することができる。

また、本発明の空気浄化材製造方法は、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンと銀イオンとを含有する溶液に基材を含浸して余剰液を除去した後、乾燥、次いで、焼成することを特徴とする空気浄化材製造方法である。これにより、触媒の構成元素に白金族元素を含まず、かつ、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化材製造方法を提供することができる。

本発明によれば、触媒の構成元素に白金族元素を含まず、かつ、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒とその製造方法、および、前記空気浄化触媒を担持した空気浄化材とその製造方法を提供することができる。

本発明の空気浄化触媒を用いることにより、触媒を２００℃以上に加熱する必要がないため省エネになるだけでなく、触媒付近を通過した直後の空気が高温となることを抑えることができるため、家電製品などにも適用することが可能となる。

本発明の請求項１に記載の発明は、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素からなることを特徴とする空気浄化触媒である。

これにより、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素からなる空気浄化触媒となるので、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒となる。

本発明の請求項２に記載の発明は、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素の酸化物であることを特徴とする空気浄化触媒である。

これにより、少なくとも酸化コバルトと酸化マンガンとを含む３種以上の酸化物の混合物、もしくは、コバルトとマンガンとを含む３種以上の複合酸化物からなる空気浄化触媒を得ることができるので、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒となる。

本発明の請求項３に記載の発明は、前記金属元素が少なくともコバルトとマンガンと銀とを含むことを特徴とする空気浄化触媒である。

これにより、少なくともコバルトとマンガンと銀とを構成元素に含む空気浄化触媒となるので、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒となる。

本発明の請求項４に記載の発明は、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンを含有する溶液を、乾燥、次いで、焼成することを特徴とする空気浄化触媒製造方法である。

この製造方法により、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素からなる空気浄化触媒を得ることができる。

また、ここに示す溶液は、ハンドリング性やコストの面から水溶液であることが好ましいが、溶液が均一である限り、アルコールなど他の溶媒を混合してもよい。

ここで、金属イオンの対アニオンとしては、硝酸イオン、酢酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオン、シュウ酸イオン、リン酸イオン、塩化物イオンなどが考えられるが、焼成工程でガスとして除去しやすい硝酸イオン、酢酸イオンを用いることが好ましい。

本発明の請求項５に記載の発明は、前記焼成温度が、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンが酸化する温度以上であることを特徴とする空気浄化触媒製造方法である。

この製造方法により、酸化コバルトと酸化マンガンとを含む３種以上の酸化物の混合物、もしくは、コバルトとマンガンとを含む３種以上の複合酸化物からなる空気浄化触媒を得ることができる。

本発明の請求項６に記載の発明は、前記金属イオンが少なくともコバルトイオンとマンガンイオンと銀イオンとを含むことを特徴とする空気浄化触媒製造方法である。

この製造方法により、少なくともコバルトとマンガンと銀とを含む空気浄化触媒を得ることができる。

本発明の請求項７に記載の発明は、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素からなる空気浄化触媒を基材に担持したことを特徴とする空気浄化材である。

これにより、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素からなる空気浄化触媒を担持した基材となるので、触媒温度が２００℃以下でも、基材を通過した臭気成分や有害成分を酸化分解することができる空気浄化材となる。

また、ここに示す基材とは、触媒を担持することができる構造体のことであり、材質としてはセラミック、金属、または、ガラスなど、耐熱性を有するものが好ましい。基材の形状には特に限定はないが、圧力損失の低いハニカム形状などが好ましい。

また、基材上には除去したい臭気成分や有害成分を吸着することができる活性炭、アルミナなどの多孔性無機酸化物、または、ゼオライトなど、吸着剤が担持されていてもよい。

本発明の請求項８に記載の発明は、前記空気浄化触媒が、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素の酸化物であることを特徴とする空気浄化材である。

これにより、少なくとも酸化コバルトと酸化マンガンとを含む３種以上の酸化物の混合物、もしくは、コバルトとマンガンとを含む３種以上の複合酸化物からなる空気浄化触媒を担持した基材となるので、触媒温度が２００℃以下でも、基材を通過した臭気成分や有害成分を酸化分解することができる空気浄化材となる。

本発明の請求項９に記載の発明は、前記金属元素が少なくともコバルトとマンガンと銀とを含むことを特徴とする空気浄化材である。

これにより、少なくともコバルトとマンガンと銀とを構成元素に含む空気浄化触媒を担持した基材となるので、触媒温度が２００℃以下でも、基材を通過した臭気成分や有害成分を酸化分解することができる空気浄化材となる。

本発明の請求項１０に記載の発明は、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンを含有する溶液に基材を含浸して余剰液を除去した後、乾燥、次いで、焼成することを特徴とする空気浄化材製造方法である。

この製造方法により、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素からなる空気浄化触媒を担持した空気浄化材を得ることができる。

また、この製造方法は、金属の硝酸塩または酢酸塩などを溶解した溶液に、基材を含浸した後に焼成するだけという簡便な製造方法であり、空気浄化触媒をあらかじめ調製しておく必要がないため、製造工程の簡略化、製造時間の短縮という効果もある。

本発明の請求項１１に記載の発明は、前記焼成温度が、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンが酸化する温度以上であることを特徴とする空気浄化材製造方法である。

この製造方法により、少なくとも酸化コバルトと酸化マンガンとを含む３種以上の酸化物の混合物、もしくは、コバルトとマンガンとを含む３種以上の複合酸化物からなる空気浄化触媒を担持した空気浄化材を得ることができる。

また、この製造方法は、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンを含有する溶液に基材を含浸した後、金属イオンを基材上で酸化するため、金属イオン同士が近接して粒子成長してしまうことが少なく、生成した酸化物をより小さな粒子で、かつ、高分散に担持させることができる。

本発明の請求項１２に記載の発明は、前記金属イオンが少なくともコバルトイオンとマンガンイオンと銀イオンとを含むことを特徴とする空気浄化材製造方法である。

この製造方法により、少なくともコバルトとマンガンと銀とを構成元素に含む空気浄化触媒を担持した空気浄化材を得ることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明するが、以下の解釈に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
本発明に記載の空気浄化触媒の材料に用いた硝酸コバルト六水和物、硝酸マンガン六水和物、および硝酸銀について、熱重量分析による重量変化を測定し、重量変化曲線の接線の交点を酸化温度とした。その重量変化曲線を図１に示す。

次に、硝酸コバルト六水和物と硝酸マンガン六水和物と硝酸銀とをモル比で１：１：１となるように調製した水溶液について、前述の方法で酸化温度を求めた。その重量変化曲線を図２に示す。

図１より、硝酸コバルト六水和物、硝酸マンガン六水和物、および、硝酸銀の酸化温度はそれぞれ、２１７℃、１７８℃、３５０℃であり、異なる酸化温度を有していることがわかった。ところが、図２より、硝酸コバルト六水和物、硝酸マンガン六水和物、および、硝酸銀を水溶液として混合してから加熱すると、酸化温度がただ一点（２８５℃）になることがわかった。このことから、硝酸コバルト六水和物と硝酸マンガン六水和物と硝酸銀とを混合した溶液は２８５℃以上で焼成することにより、コバルトとマンガンと銀との複合酸化物触媒、もしくは、酸化コバルトと酸化マンガンと酸化銀との混合酸化物が生成することがわかった。ただし、実際に空気浄化材を製造する際には焼成炉内の温度バラツキなどを考慮して、溶液の酸化温度より３０℃〜５０℃程度高い温度で焼成するのが好ましい。

次に、硝酸コバルト六水和物、硝酸マンガン六水和物、および、硝酸銀の酸化温度をふまえて、セラミックペーパーをコルゲート加工したハニカム構造体１（３０ｍｍ×３０ｍｍ×ｔ１０ｍｍ）への、コバルトとマンガンと銀との酸化物触媒の担持を行った。

（Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材の作製）イオン交換水３２．５０ｇに硝酸コバルト六水和物を４．９２２ｇ、硝酸マンガン六水和物の５０ｗｔ％水溶液を９．７１ｇ、硝酸銀を２．８７４ｇ加えて攪拌し、これをＣｏ／Ｍｎ／Ａｇ溶液（仕込みＣｏ／Ｍｎ：Ａｇモル比＝１：１：１）とした。ハニカム構造体１をＣｏ／Ｍｎ／Ａｇ溶液に３分間含浸した後、余剰液を除去し、室温で５分間通風乾燥後、３５０℃で２時間焼成することにより得られたサンプルをＣｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材とした。ここで、Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材の触媒担持量は０．０２２７ｇ／ｃｍ³であった。

また、Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材の図を図３（ａ）に、Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材の表面を拡大した触媒担持状態の概念図を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示すように、ハニカム表面２には酸化コバルトと酸化マンガンと酸化銀との混合物、もしくは、コバルトとマンガンと銀との複合酸化物からなる空気浄化触媒３が担持されている。金属イオンが溶解している溶液にハニカム構造体１を含浸した後、金属イオンをハニカム構造体１上で酸化するため高分散に担持させることができる。

（Ｃｏ／Ｍｎ空気浄化材の作製）イオン交換水１３．０ｇに硝酸コバルト六水和物を７．４８３ｇ、硝酸マンガン六水和物の５０ｗｔ％水溶液を２９．５３ｇ加えて攪拌し、これをＣｏ／Ｍｎ溶液とした（仕込みＣｏ／Ｍｎモル比＝１：２）。ハニカム構造体１をＣｏ／Ｍｎ溶液に３分間含浸した後、余剰液を除去し、室温で５分間通風乾燥後、３５０℃で２時間焼成することにより得られたサンプルをＣｏ／Ｍｎ空気浄化材とした。ここで、Ｃｏ／Ｍｎ空気浄化材の触媒担持量は０．０２７２ｇ／ｃｍ³であった。

なお、Ｃｏ／Ｍｎ空気浄化材の触媒担持状態の概念断面図は、Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材と同様だと考えられるため省略する。

（Ｃｏ空気浄化材の作製）イオン交換水１８．６２ｇに硝酸コバルト六水和物を１１．３８４ｇ加えて攪拌し、これをＣｏ溶液とした。ハニカム構造体１をＣｏ溶液に３分間含浸した後、余剰液を除去し、室温で５分間通風乾燥後、３５０℃で２時間焼成した。同様の操作をもう一度繰り返し、これにより得られたＣｏサンプルを空気浄化材とした。ここで、Ｃｏ空気浄化材の触媒担持量は０．０２４９ｇ／ｃｍ³であった。

なお、Ｃｏ空気浄化材の触媒担持状態の概念断面図は、Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材と同様だと考えられるため省略する。

（Ｍｎ空気浄化材の作製）イオン交換水７．８２ｇに硝酸マンガン六水和物の５０ｗｔ％水溶液を２２．１８ｇ加えて攪拌し、これをＭｎ溶液とした。ハニカム構造体１をＭｎ溶液に３分間含浸した後、余剰液を除去し、室温で５分間通風乾燥後、３５０℃で２時間焼成することにより得られたサンプルをＭｎ空気浄化材とした。ここで、Ｍｎ空気浄化材の触媒担持量は０．０２７２ｇ／ｃｍ³であった。

なお、Ｍｎ空気浄化材の触媒担持状態の概念断面図は、Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材と同様だと考えられるため省略する。

（評価例１）
実施例１で製造したＣｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材、Ｃｏ／Ｍｎ空気浄化材、Ｃｏ空気浄化材、Ｍｎ空気浄化材について、アセトアルデヒドの分解性能を評価した。その試験方法を図４に示す。

内径２０ｍｍのガラス管４の中に、直径２０ｍｍにカットした空気浄化材５を入れ、空気浄化材５の中心付近のセルに熱電対６を差し込み、空気浄化材５の表面温度を測定できるようにし、それを空気浄化材５が中心にくるように加熱管状炉７にセットした。

アセトアルデヒド濃度が約５０ｐｐｍで純空気ベースのガスボンベ８から、マスフローコントローラー９を介して５００ｍＬ／ｍｉｎでアセトアルデヒドを流し、空気浄化材５を通過してきた空気中の一酸化炭素（ＣＯ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度をＣＯ計１０およびＣＯ₂計１１を用いて測定し、アセトアルデヒド分解率を算出した。

ここで、アセトアルデヒド分解率の算出方法は以下のとおりである。

アセトアルデヒドの化学式がＣＨ３ＣＨＯであることから、アセトアルデヒドが１ｐｐｍ分解すると、ＣＯとＣＯ₂合わせて２ｐｐｍ生成することになる。したがって、もしアセトアルデヒドが５０ｐｐｍすべて分解すると、ＣＯとＣＯ₂合わせて１００ｐｐｍ生成することになるので、ＣＯとＣＯ₂合わせて１００ｐｐｍ生成したときをアセトアルデヒド分解率１００％とした。

Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材、および、Ｃｏ／Ｍｎ空気浄化材について、空気浄化材５の表面温度が１２０℃のときの、前述の方法で算出したアセトアルデヒド分解率を表１に示す。

評価例１におけるアセトアルデヒド分解性能評価試験結果の表１に示すように、空気浄化材５の表面温度が１２０℃のときには、Ｃｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材が最も高いアセトアルデヒド分解率を示すことがわかった。これは、ＣｏとＭｎとＡｇとからなる複合酸化物が不安定な構造を有することにより、触媒として高活性な状態で存在しているものと考えられる。

本発明の空気浄化触媒は、金属元素が少なくともコバルトとマンガンと銀とを含む３種以上の金属元素からなることを特徴とする空気浄化触媒となるので、触媒温度が２００℃以下でも触媒活性を示す空気浄化触媒を提供することができるので有用である。

本発明の実施例１における各触媒材料の重量変化曲線の図本発明の実施例１におけるＣｏ／Ｍｎ／Ａｇ溶液の重量変化曲線の図（ａ）本発明の実施例１におけるＣｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材の図、（ｂ）本発明の実施例１におけるＣｏ／Ｍｎ／Ａｇ空気浄化材表面を拡大した触媒担持状態の概念図評価例１におけるアセトアルデヒド分解性能評価試験の試験方法を示す図

符号の説明

１ハニカム構造体
２ハニカム表面
３空気浄化触媒
４ガラス管
５空気浄化材
６熱電対
７加熱管状炉
８ガスボンベ
９マスフローコントローラー
１０ＣＯ計
１１ＣＯ₂計

Claims

少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素からなることを特徴とする空気浄化触媒。
少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素の酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の空気浄化触媒。
金属元素が少なくともコバルトとマンガンと銀とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の空気浄化触媒。
少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンを含有する溶液を、乾燥、次いで、焼成することを特徴とする空気浄化触媒製造方法。
焼成温度が、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンが酸化する温度以上であることを特徴とする請求項４に記載の空気浄化触媒製造方法。
金属イオンが少なくともコバルトイオンとマンガンイオンと銀イオンとを含むことを特徴とする請求項４または５に記載の空気浄化触媒製造方法。
少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素からなる空気浄化触媒を基材に担持したことを特徴とする空気浄化材。
空気浄化触媒が、少なくともコバルトとマンガンとを含む３種以上の金属元素の酸化物であることを特徴とする請求項７に記載の空気浄化材。
金属元素が少なくともコバルトとマンガンと銀とを含むことを特徴とする請求項７または８に記載の空気浄化材。
少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンを含有する溶液に基材を含浸して余剰液を除去した後、乾燥、次いで、焼成することを特徴とする空気浄化材製造方法。
焼成温度が、少なくともコバルトイオンとマンガンイオンとを含む３種以上の金属イオンが酸化する温度以上であることを特徴とする請求項１０に記載の空気浄化材製造方法。
金属イオンが少なくともコバルトイオンとマンガンイオンと銀イオンとを含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の空気浄化材製造方法。