JP2009107901A - 無機混合酸化物及びそれを用いた排ガス浄化用触媒 - Google Patents

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Abstract

【課題】十分に優れた耐熱性を有し、触媒の担体として利用した際に、触媒に高度な酸素貯蔵性能、高度なHC改質活性及び高度なNO浄化性能をバランスよく発揮させることが可能な無機混合酸化物を提供すること。
【解決手段】アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群からそれぞれ選択される第一及び第二の添加元素と、を含有する粒子状の無機混合酸化物であって、
前記無機混合酸化物中のアルミニウムの含有割合が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として60〜90at%であり、
前記無機混合酸化物中のセリウムの含有割合が、前記無機混合酸化物中のジルコニウム及びセリウムの合計量に対して、元素として0.4〜50at%であり、
前記第一及び第二の添加元素の合計量の含有割合が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として1〜12at%であり、
前記無機混合酸化物の一次粒子のうちの80%以上が100nm以下の粒子径を有し、
前記一次粒子のうちの少なくとも一部が、表層部において前記第二の添加元素の含有割合が局部的に高められた表面濃化領域を有するものであり、且つ、
前記表面濃化領域における前記第二の添加元素の量が、前記無機混合酸化物の全体量に対して、酸化物換算で0.1〜0.95質量%であることを特徴とする無機混合酸化物。
【選択図】なし

Description

本発明は、無機混合酸化物並びにそれを用いた排ガス浄化用触媒に関する。
従来から、内燃機関等から排出される排ガスを浄化するために種々の排ガス浄化用触媒が用いられてきた。このような排ガス浄化用触媒は、高温条件下において使用されるものである。そのため、このような排ガス浄化用触媒としては、高温で長期間使用されても高い触媒活性を維持できるような高度な耐熱性を有するものが望まれている。そして、このような排ガス浄化用触媒により高い耐熱性を発揮させるために、種々の担体等が研究されてきた。
例えば、特開2006−36556号公報(特許文献1)においては、酸化アルミニウムと、酸化アルミニウムとの複合酸化物を形成しない金属酸化物と、希土類元素及びアルカリ土類元素のうち少なくとも一方からなる添加元素と、を含有する粒子状の無機酸化物であって、前記酸化アルミニウムの含有割合が、前記酸化アルミニウム中のアルミニウム、前記金属酸化物中の金属元素及び前記添加元素の合計量に対して15〜40モル%であり、前記無機酸化物の一次粒子のうち80%以上が100nm以下の粒径を有し、前記一次粒子の少なくとも一部は、その表層部において前記添加元素の含有割合が局部的に高められた表面濃化領域を有する無機酸化物が開示され、更に、その無機酸化物にロジウムを担持させた排ガス浄化用触媒が開示されている。
また、特開2006−35019号公報(特許文献2)においては、酸化アルミニウムと、酸化アルミニウムとの複合酸化物を形成しない金属酸化物と、希土類元素及びアルカリ土類元素のうち少なくとも一方からなる添加元素と、を含有し、一次粒子が凝集して形成される二次粒子を含む粒子状の無機酸化物であって、前記二次粒子の少なくとも一部は、前記酸化アルミニウム及び前記添加元素を含有する粒径100nm以下の複数の第一の一次粒子と、前記金属酸化物及び前記添加元素を含有する粒径100nm以下の複数の第二の一次粒子と、を含んでおり、前記第一及び第二の一次粒子の少なくとも一部がその表層部において前記添加元素の含有割合が局部的に高められた表面濃化領域を有する無機酸化物が開示され、更に、その無機酸化物にロジウムを担持させた排ガス浄化用触媒が開示されている。
さらに、特開2006−55836号公報(特許文献3)においては、酸化アルミニウムと、酸化アルミニウムとの複合酸化物を形成しない金属酸化物と、希土類元素及びアルカリ土類元素のうち少なくとも一方からなる添加元素と、を含有する粒子状の無機酸化物であって、前記添加元素の含有割合が、その酸化物の量に換算したときに、当該添加元素、前記酸化アルミニウム中のアルミニウム及び前記金属酸化物中の金属元素の合計量に対して1.5〜5.6モル%であり、前記無機酸化物の一次粒子のうち80%以上が100nm以下の粒径を有し、前記一次粒子の少なくとも一部がその表層部において前記添加元素の含有割合が局部的に高められた表面濃化領域を有する無機酸化物が開示され、更に、その無機酸化物にロジウムを担持させた排ガス浄化用触媒が開示されている。
しかしながら、このような特許文献1〜3に記載のような排ガス浄化用触媒においては、酸素貯蔵性能(OSC能)とHC改質性能とNO浄化性能とをバランスよく発揮するという点では必ずしも十分なものではなかった。また、このような特許文献1〜3に記載のような担体(無機酸化物)は優れた耐熱性を有するものではあるものの、排ガス浄化用触媒の分野においては、触媒により高い触媒活性を発揮させるために、より高度な耐熱性を有する担体が望まれている。
特開2006−36556号公報 特開2006−35019号公報 特開2006−55836号公報
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、十分に優れた耐熱性を有し、触媒の担体として利用した際に、触媒に高度な酸素貯蔵性能、高度なHC改質活性及び高度なNO浄化性能をバランスよく発揮させることが可能な無機混合酸化物、及び、それを用いた排ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、元素として、アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群からそれぞれ選択される第一及び第二の添加元素とを含有する粒子状の無機混合酸化物において、各成分の含有割合を特定の範囲に調整するとともに、前記無機混合酸化物の少なくとも一部の粒子の表層部において第二の添加元素が局部的に高濃度となる領域(表面濃化領域)を形成せしめ、しかも、その表面濃化領域を形成する第二の添加元素の量を適正な範囲に調整することにより、驚くべきことに、無機混合酸化物が非常に優れた耐熱性を有するとともに、これを触媒の担体として利用した場合に、触媒に高度な酸素貯蔵性能、高度なHC改質活性及び高度なNO浄化性能をバランスよく発揮させることが可能なものとなることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の無機混合酸化物は、アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群からそれぞれ選択される第一及び第二の添加元素と、を含有する粒子状の無機混合酸化物であって、
前記無機混合酸化物中のアルミニウムの含有割合が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として60〜90at%であり、
前記無機混合酸化物中のセリウムの含有割合が、前記無機混合酸化物中のジルコニウム及びセリウムの合計量に対して、元素として0.4〜50at%であり、
前記第一及び第二の添加元素の合計量の含有割合が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として1〜12at%であり、
前記無機混合酸化物の一次粒子のうちの80%以上が100nm以下の粒子径を有し、
前記一次粒子のうちの少なくとも一部が、表層部において前記第二の添加元素の含有割合が局部的に高められた表面濃化領域を有するものであり、且つ、
前記表面濃化領域における前記第二の添加元素の量が、前記無機混合酸化物の全体量に対して、酸化物換算で0.1〜0.95質量%であることを特徴とするものである。
上記本発明にかかる第一及び第二の添加元素としては、それぞれ、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mg、Ca、Sr、Ba及びScからなる群から選択される元素であることが好ましく、Y、La、Pr、Nd、Yb、Mg、Ca及びBaからなる群から選択される元素であることがより好ましい。また、上記本発明にかかる第二の添加元素としては、La、Pr及びNdからなる群から選択される少なくとも1種の元素であることが好ましい。更に、上記本発明にかかる第一及び第二の添加元素としては、第一の添加元素がLaであり且つ第二の添加元素がNdであることが特に好ましい。
また、本発明の排ガス浄化用触媒は、上記本発明の無機混合酸化物にロジウムを担持してなることを特徴とするものである。
さらに、上記本発明の排ガス浄化用触媒においては、前記ロジウムの担持量が、前記無機混合酸化物の総量に対して0.01〜1質量%であることが好ましい。
なお、本発明の無機混合酸化物によって、上記目的が達成される理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明の無機混合酸化物中のジルコニウムとセリウムは、互いに固溶して複合酸化物を形成し得る。そして、このような複合酸化物が形成されると、得られる無機混合酸化物に高度なOSC性能を発揮させることが可能となる。一方、本発明の無機混合酸化物中のアルミニウムの酸化物(酸化アルミニウム)は、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び/又はこれらの複合酸化物と互いに複合酸化物を形成しない。そのため、本発明の無機混合酸化物においては、酸化アルミニウムの一次粒子と、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び/又はこれらの複合酸化物の一次粒子とが別個に存在することとなる。そして、本発明の無機混合酸化物においては、これらの一次粒子が互いに介在しながら凝集して、二次粒子を形成している。このような二次粒子が形成されると、酸化アルミニウムの一次粒子は、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び/又はこれらの複合酸化物の一次粒子同士の融着の拡散障壁となり、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び/又はこれらの複合酸化物の一次粒子同士のシンタリングが抑制される。また、本発明の無機混合酸化物においては、それぞれの一次粒子を形成する成分を上記特定範囲の割合で含有することで、拡散の障壁となる酸化アルミニウムの量が適当な量に調整されている。
さらに、本発明の無機混合酸化物においては、上記成分の他に、第一及び第二の添加元素が含有される。ここで、第一の添加元素とは、酸化アルミニウムの一次粒子、及び/又は、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及びこれらの複合酸化物のうちの少なくとも1種の一次粒子の構造を安定化させるように主として機能する元素(構造安定化元素)である。また、第二の添加元素は、無機混合酸化物を構成する一次粒子の少なくとも一部の表層部において含有割合が局部的に高くなるようにして配置するために含有される元素であり、主として前記表面濃化領域を形成する元素(表面濃化元素)である。また、このような第二の添加元素(表面濃化元素)は、無機混合酸化物に触媒成分として例えばロジウムを担持した際に、酸化雰囲気中のロジウムを安定化させるように主として機能する。そして、本発明においては、このような第一の添加元素(構造安定化元素)及び第二の添加元素(表面濃化元素)を上記特定範囲の割合で含有させるため、それぞれの一次粒子の相安定性や結晶安定性が十分に確保され、それぞれの一次粒子自体の高温環境下での相安定性及び結晶安定性が十分に向上される。そのため、本発明の無機混合酸化物を担体として用い、これに触媒成分として好適なロジウムを担持した場合には、得られる触媒に十分に高度な耐熱性を発揮させることが可能となるとともに、ロジウムの高温条件下での劣化が十分に防止され、高度なOSC性能、高度なHC改質活性及び高度なNO浄化性能をバランスよく発揮させることが可能となるものと本発明者らは推察する。
また、触媒成分として好適なロジウム(Rh)を本発明の無機混合酸化物に担持させた場合には、酸化物となったときに塩基性を示す第二の添加元素と、前記ロジウムとが、前記無機混合酸化物の表面において、酸化雰囲気下、Rh−O−M(Mは担体中の第二の添加元素)で表される結合を生成するため、前記無機混合酸化物の表面に担持されたロジウム粒子は移動し難くなり、これによりロジウムの粒成長が効果的に抑制されるとともに他の担体へのロジウム粒子の移動が十分に抑制される。また、第一の添加元素(構造安定化元素)としては、アルミニウムの酸化物に固溶する元素や、ジルコニウムの酸化物、セリウムの酸化物及び/又はジルコニウムとセリウムの複合酸化物に固溶する元素が好ましく、第二の添加元素(表面濃化元素)としては、酸化雰囲気中でRh−O−M(Mは担体中の第二の添加元素)で表される結合を生成する一方、還元雰囲気中ですみやかにメタル化することが可能な元素が好ましい。そして、本発明においては、前記一次粒子の内部に存在する第一の添加元素の種類及び含有範囲と、前記一次粒子の表面濃化領域に存在する第二の添加元素の種類及び含有範囲との関係を考慮し、第一の添加元素と第二の添加元素とを合わせた添加元素の全体量を上記特定の範囲に制限するとともに、表面濃化領域における第二の添加元素の含有割合を上記特定の範囲に制限することによって、担体自体の粒成長と触媒成分の粒成長とをバランスよく抑制する。従って、本発明の無機混合酸化物においては、これを触媒の担体として利用した際に、高度なOSC性能、高度なHC改質活性及び高度なNO浄化性能をバランスよく発揮させることが可能となるものと本発明者らは推察する。
本発明によれば、十分に優れた耐熱性を有し、触媒の担体として利用した際に、触媒に高度な酸素貯蔵性能、高度なHC改質活性及び高度なNO浄化性能をバランスよく発揮させることが可能な無機混合酸化物、及び、それを用いた排ガス浄化用触媒を提供することが可能となる。
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。
<無機混合酸化物>
先ず、本発明の無機混合酸化物について説明する。すなわち、本発明の無機混合酸化物は、アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群からそれぞれ選択される第一及び第二の添加元素と、を含有する粒子状の無機混合酸化物であって、
前記無機混合酸化物中のアルミニウムの含有割合が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として60〜90at%であり、
前記無機混合酸化物中のセリウムの含有割合が、前記前記無機混合酸化物中のジルコニウム及びセリウムの合計量に対して、元素として0.4〜50at%であり、
前記第一及び第二の添加元素の含有割合が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として1〜12at%であり、
前記無機混合酸化物の一次粒子のうちの80%以上が100nm以下の粒子径を有し、
前記一次粒子のうちの少なくとも一部が、表層部において前記第二の添加元素の含有割合が局部的に高められた表面濃化領域を有するものであり、且つ、
前記表面濃化領域における前記第二の添加元素の量が、前記無機混合酸化物の全体量に対して、酸化物換算で0.1〜0.95質量%であることを特徴とするものである。
本発明にかかるアルミニウム、ジルコニウム、セリウム、並びに、第一及び第二の添加元素は、無機混合酸化物中において、それぞれ酸化物又は複合酸化物を形成する。例えば、前記アルミニウムは、無機混合酸化物中において酸化アルミニウム(Al)となる。このような酸化アルミニウムとしては特に制限されず、非晶質(例えば活性アルミナ)であっても、結晶質であってもよい。また、このようなアルミニウムの含有割合は、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる全元素の合計量に対して、元素として60〜90at%である。このようなアルミニウムの含有割合が60at%未満では、得られる無機混合酸化物の耐熱性が低下する。他方、90at%を超えると、OSC性能とHC改質性能とNOx浄化性能とをバランスよく十分に発揮させることが困難となる。また、このようなアルミニウムの含有割合の範囲としては、得られる無機混合酸化物の耐熱性の向上の観点と触媒担体として利用した場合の触媒性能の観点から、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる全元素の合計量に対して、65〜85at%の範囲であることが好ましい。
また、本発明の無機混合酸化物中のジルコニウムとセリウムは、互いに均一に固溶した複合酸化物を形成していることが好ましい。このような複合酸化物が形成されることによって、得られる無機混合酸化物が十分なOSC性能を発揮でき且つ耐熱性が高くなる傾向にある。また、本発明の無機混合酸化物においては、実質的に、前記酸化アルミニウムの一次粒子と、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び/又はこれらの複合酸化物の一次粒子とは、それぞれ別々の一次粒子を形成して互いに介在しながら凝集して二次粒子となるため、互いが拡散障壁となって、各一次粒子の粒成長が抑制されるとともに耐熱性が向上する。なお、このように、酸化アルミニウムの一次粒子と、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び/又はこれらの複合酸化物の一次粒子とが別個に形成されることは、後述する分析方法等によって確認することができる。
また、本発明においては、ジルコニウムとセリウムとの総量の比率が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる全元素の合計量に対して、元素として0.7〜39.2at%の範囲であることが好ましく、2.2〜34.2at%の範囲であることがより好ましい。このようなジルコニウムとセリウムの総量の比率が前記下限未満では、ロジウムを担持して触媒を製造した場合に、触媒の水蒸気改質反応活性が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、拡散の障壁となるアルミニウムの量が不十分となり、担体自体の耐熱性が低下し、ロジウムの粒成長を十分に抑制することができない傾向にある。
また、本発明においては、無機混合酸化物中のセリウムの含有割合が、前記無機混合酸化物中のジルコニウム及びセリウムの合計量に対して、元素として0.4〜50at%である。このような無機混合酸化物中のジルコニウム及びセリウムの合計量に対するセリウムの含有割合が、0.4at%未満では、得られる無機混合酸化物のOSC性能が低下して得られる酸素量が不十分となり、他方、50at%を超えると、OSC性能の効率が低下して理論酸素量が得られないばかりか、十分なNO浄化性能とHC改質活性を発揮させることができなくなる。また、このようなセリウムの含有割合としては、OSC性能とHC改質性能とNOx浄化性能とをバランスよく十分に発揮させるという観点から、前記無機混合酸化物中のジルコニウム及びセリウムの合計量に対して、元素として10〜45at%であることがより好ましい。
本発明にかかる第一の添加元素は、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群から選択される元素である。このような第一の添加元素は、主として、無機混合酸化物の構造の安定化を実現させるために、無機混合酸化物中の一次粒子中に均一に分散するように配置して含有させる元素(構造安定化元素)である。このような第一の添加元素としては、例えば、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジウム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びスカンジウム(Sc)を好適に用いることができる。これらの中でも、得られる無機混合酸化物の担体としての耐熱性をより向上させるという観点から、Y、La、Pr、Nd、Yb、Mg、Ca、Baがより好ましく、Y、La、Pr、Ndが更に好ましく、Laが特に好ましい。なお、これらの第一の添加元素は、前記元素の1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
また、本発明の無機混合酸化物中においては、前記第一の添加元素は、酸化アルミニウムの一次粒子、及び/又は、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及びこれらの複合酸化物のうちの少なくとも1種の一次粒子に対して固溶、分散等した状態で存在している。すなわち、このような第一の添加元素は、例えば、前記酸化アルミニウムにのみ固溶、分散した状態で存在していてもよく、前記酸化アルミニウムと前記複合酸化物とに固溶、分散した状態で存在していてもよい。また、このような第一の添加元素による構造安定化効果をより顕著に発現させるという観点からは、特に、無機混合酸化物の一次粒子の内層部分(後述する表面濃化領域以外の部分)においても、添加元素中の第一の添加元素(構造安定化元素)の少なくとも一部が、前記酸化アルミニウムや前記酸化ジルコニウム等の成分に固溶していることが好ましい。
また、本発明にかかる第二の添加元素は、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群から選択される元素である。このような第二の添加元素は、無機混合酸化物の表面においてRh−O−M(式中、Mは第二の添加元素を示す。)で表される結合の生成を実現させるために、主として、後述する表面濃化領域を形成させるようにして配置して含有させる元素(表面濃化元素)である。このような第二の添加元素としては、例えば、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジウム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びスカンジウム(Sc)を好適に用いることができる。これらの中でも、得られる無機混合酸化物をロジウム(Rh)触媒として用いる場合に無機混合酸化物の表面においてRh−O−M(式中、Mは第二の添加元素を示す。)で表される結合を生成してRhの安定化を図るという観点から、Y、La、Pr、Nd、Yb、Mg、Ca、Baがより好ましく、La、Pr、Ndが更に好ましく、Ndが特に好ましい。なお、これらの第二の添加元素は、前記元素の1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
また、このような第一の添加元素(構造安定化元素)と第二の添加元素(表面濃化元素)との組み合わせは、特に制限されず、同一の元素をそれぞれ第一の添加元素及び第二の添加元素として用いてもよい。なお、このような第一の添加元素と第二の添加元素の区別をより明確にした本発明の無機混合酸化物の好適な一例としては、例えば、第一の添加元素(構造安定化元素)としてLaを用い、第二の添加元素(表面濃化元素)としてNdを用いたものが挙げられる。すなわち、このような本発明の無機混合酸化物の好適な一例としては、アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、表面濃化元素としてのNdと、構造安定化元素としてのLaとを含有するものが挙げられる。
また、このような第一及び第二の添加元素の合計量の含有割合としては、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として1〜12at%である。このような第一及び第二の添加元素の合計量の含有割合が1at%未満では、得られる無機混合酸化物の耐熱性が不十分となり、他方、12at%を超えると、ロジウムを担持した触媒を製造した場合に、十分なOSC性能と、十分なNO浄化性能と、十分なHC改質活性とをバランスよく発揮させることができなくなる。
さらに、このような第一及び第二の添加元素うちの前記第一の添加元素の含有割合としては、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる全元素の合計量に対して、元素として0.5〜9at%であることが好ましく、0.8〜6at%であることがより好ましい。このような第一の添加元素(構造安定化元素)の含有割合が前記下限未満では、得られる無機混合酸化物の耐熱性が十分に確保できなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えるとHC改質性能とNOx浄化性能が低下する傾向にある。
また、このような第一及び第二の添加元素うちの前記第二の添加元素の含有割合としては、前記無機混合酸化物に対して、酸化物換算による質量比で0.5〜6質量%であることが好ましく、1〜6質量%であることがより好ましい。このような第二の添加元素の含有割合が前記下限未満では、得られる無機混合酸化物の表面においてRh−O−M(Mは第二の添加元素)で表される結合を生成する効果が十分に得られず、他方、上記上限を超えると、担持させるロジウムに対する第二の添加元素の量が過剰となる傾向にある。
また、本発明の無機混合酸化物の一次粒子のうち、粒子数の割合で80%以上の粒子は、比表面積を大きくして触媒活性を高めるために、100nm以下の粒子径を有することが必要である。また、100nm以下の粒子径を有する一次粒子の割合は、90%以上であることがより好ましく、95%以上であることがさらに好ましい。なお、この粒子径は、1つの粒子に定義可能な直径のうち最大のものとする。また、粒子状の無機混合酸化物全体における一次粒子の平均粒子径は、1〜50nmであることが好ましく、3〜40nmであることがより好ましい。
さらに、このような無機混合酸化物の一次粒子が凝集してなる二次粒子のうち少なくとも一部は、主として酸化アルミニウムからなる粒子径100nm以下の一次粒子と、主として酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び/又はこれらの複合酸化物からなる粒子径100nm以下の一次粒子と、が凝集して形成されていることが好ましい。これにより、高温環境下における担体のシンタリングがさらに顕著に抑制される傾向にある。
ここで、「主として酸化アルミニウムからなる一次粒子」とは、酸化アルミニウムを主成分として形成される一次粒子のことを意味する。具体的には、主として酸化アルミニウムからなる粒子は、モル比又は質量比での比率において、全体の少なくとも半分以上が酸化アルミニウムで構成されることが好ましい。また、「主として酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び/又はこれらの複合酸化物からなる一次粒子」等の同様の表現についても、上記と同様の内容を意味する。
なお、一次粒子の粒子径やそれぞれの組成、さらに二次粒子の凝集状態は、TEM(透過電子顕微鏡)、SEM(走査電子顕微鏡)、FE−STEM(フィールドエミッション−走査透過電子顕微鏡)、EDX(エネルギー分散型X線検出装置)、XPS(光電子分光分析装置)等を適宜組み合わせて無機混合酸化物を観察又は分析することにより、確認することができる。
また、本発明においては、無機混合酸化物を構成する一次粒子のうちの少なくとも一部が、表層部において、前記第二の添加元素の含有割合が局部的に高められた表面濃化領域を有していることが必要である。
また、本発明において、表面濃化領域における第二の添加元素の含有割合は、粒子中のさらに内層側の領域における第二の添加元素の含有割合に対して相対的に高められていればよい。このような表面濃化領域は、ある程度の深さを有しながら一次粒子の表面を覆うように形成されるが、必ずしも一次粒子の表面全体を完全に覆っている必要はない。また、通常、一次粒子における第二の添加元素の含有割合は、内層側から表層側に向かって徐々に高められている。したがって、表面濃化領域と、これより深層側の粒子中心部とは必ずしも明瞭な境界を形成するものではない。
このような表面濃化領域における第二の添加元素は、無機混合酸化物の一次粒子の表層部に存在している。本発明において、表面濃化領域における第二の添加元素の量は、前記無機混合酸化物の全体量に対して、酸化物換算で0.1〜0.95質量%であり、より好ましくは0.15〜0.9質量%である。表面濃化領域における第二の添加元素の量が0.1質量%未満では、第二の添加元素とロジウム等の触媒金属との相互作用が不十分となるために、優れた耐熱性を有する触媒を得ることができず、他方、0.95質量%を超えると、触媒金属との相互作用が強すぎるために、得られた無機混合酸化物を担体として使用した際に触媒活性が低下する。
なお、表面濃化領域における第二の添加元素は、硝酸水溶液等の酸性溶液と接触したときに溶出する。したがって、表面濃化領域に存在する第二の添加元素の量は、無機混合酸化物を硝酸水溶液に接触させたときに、硝酸水溶液中に溶出する第二の添加元素の量を定量することによって、確認できる。より具体的には、例えば、無機混合酸化物0.1gを10mlの0.1N硝酸水溶液に加え、これを2時間攪拌して表面濃化領域に存在している第二の添加元素を溶出させ、溶出した第二の添加元素の量を化学分析により定量することにより、表面濃化領域における第二の添加元素の量を確認できる。
また、無機混合酸化物の一次粒子において表面濃化領域が形成されていることは、上述のような第二の添加元素の溶出による方法の他、例えば、無機混合酸化物全体についてICP(高周波プラズマ発光分析装置)等で組成分析して無機混合酸化物全体の平均値としての第二の添加元素の含有割合を定量するか或いは無機混合酸化物の各金属の組成比を使用して第二の添加元素の含有割合を算出し、表層部での第二の添加元素の含有割合が前述のようにして定量した含有割合よりも高いことをXPS分析によって確認してもよい。
次に、本発明の無機混合酸化物を製造するための方法の一例を説明する。例えば、アルミニウム、ジルコニウム、セリウム、並びに、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群から選択される第一の添加元素、を含有する共沈物を得る共沈工程と、得られた共沈物を焼成して酸化物の混合物を得る第一焼成工程と、得られた混合物に、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群から選択される第二の添加元素を付着させた後に、更に焼成する第二焼成工程と、を含む製造方法を採用することができる。
前記共沈物は、アルミニウム、ジルコニウム、セリウム及び第一の添加元素が溶解した溶液から生成される。また、このような共沈物を得るための溶液としては、アルミニウム、ジルコニウム、セリウム及び第一の添加元素の塩等を水、アルコール等に溶解したものが好適に用いられる。このような塩としては、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、酢酸塩等が挙げられる。さらに、セリウムの原料塩として3価の塩を使用する際には、過酸化水素を加えて酸化させて4価とすることが好ましい。このようにしてセリウムを4価とすることで、セリウムとジルコニウムの固溶度が上がる傾向にある。
また、これらの共沈物を得るための溶液をアルカリ性溶液と混合するなどして、溶液のpHを各金属元素の水酸化物が析出するような範囲(好ましくはpH9以上)となるように調整することにより、酸化物の混合物の前駆体としての共沈物を生成することができる。アルカリ性溶液としては、焼成時等に揮発により除去しやすい点等から、アンモニア又は炭酸アンモニウムの溶液が好適に用いられる。
また、前記第一焼成工程においては、得られた共沈物を、好ましくは遠心分離及び洗浄した後、加熱により焼成して、酸化物の混合物を得る。このような第一焼成工程では、大気雰囲気等の酸化性雰囲気下、600〜1200℃で0.5〜10時間焼成することが好ましい。
また、前記第二焼成工程において、前記酸化物の混合物に、更に第二の添加元素を付着せしめ、これを焼成することにより、粒子状の無機混合酸化物を得ることができる。このような方法によって、付着された第二の添加元素の大部分は、焼成により酸化物となるとともに、一次粒子表層部に存在するようになる。そのため、このような方法によって、第二の添加元素の表面濃化領域を有する無機混合酸化物を得ることが可能となる。
このように第二の添加元素を付着させる一例としては、第二の添加元素の塩(硝酸塩等)が溶解した溶液中に、酸化物の混合物を懸濁させてこれを担持する方法を挙げることができる。また、酸化物の混合物に付着させる第二の添加元素(表面濃化領域を形成させるために用いる第二の添加元素)の量は、得られる無機混合酸化物の表面濃化領域における添加元素の量を調整するという観点から、前記無機混合酸化物の全体量に対して、添加元素の酸化物換算で、0.5〜6質量%(より好ましくは1〜6質量%)とすることが好ましい。このような酸化物の混合物に付着させる第二の添加元素の量を前記範囲とすることにより、得られる無機混合酸化物において、前記表面濃化領域における前記第二の添加元素の量を、前記無機混合酸化物の全体量に対して、酸化物換算で0.1〜0.95質量%とすることが可能となる。なお、前記共沈物を得るための溶液に含有させる第一の添加元素と、前記酸化物の混合物に付着させる第二の添加元素の種類は、同一であっても異なるものであってもよく、目的とする設計に応じて、前述の添加元素の中から適宜選択すればよい。例えば、本発明の無機混合酸化物の好適な一例として挙げられる、アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、第一の添加元素(構造安定化元素)としてのLaと、第二の添加元素(表面濃化元素)としてのNdとを含有する無機混合酸化物を製造する場合においては、前記共沈物を得るための溶液に含有させる第一の添加元素としてLaを選択し、前記酸化物の混合物に付着させる第二の添加元素としてNdを選択すればよい。
さらに、このような第二焼成工程においては、焼成温度が400〜1100℃の範囲であることが好ましく、700〜1000℃の範囲であることがより好ましい。焼成温度が前記下限未満では、得られる無機混合酸化物の表面濃化領域を適正な範囲とすることが困難となり、触媒金属と添加元素との相互作用を適正に制御できない傾向にある。他方、前記上限を超えると、添加元素と酸化物の混合物との反応が進行し、表面濃化領域の保持が困難となる傾向にある。また、焼成時間は0.5〜10時間の範囲であることが好ましい。
<排ガス浄化用触媒>
本発明の排ガス浄化用触媒は、前述した本発明の無機混合酸化物にロジウムを担持してなることを特徴とするものである。本発明の排ガス浄化用触媒においては、表面濃化領域における添加元素の量が適正に調整された上記本発明の無機混合酸化物を担体として用いているため、その担体の固体塩基性が適正に制御されている。そして、このように担体の固体塩基性を適正に制御することにより、高温環境下においても担持されたロジウムの移動が抑制され、その粒成長が抑制されるものと推察される。さらに、このような排ガス浄化用触媒を実車に用いる場合には、本発明の排ガス浄化用触媒を、白金、パラジウム等のロジウム以外の触媒金属を担持した他の触媒と組み合わせて用いることが好ましく、その場合、本発明の排ガス浄化用触媒から、組み合わせた他の触媒の担体へのロジウムの移動が十分に抑制され、ロジウムを最適な担体上で使用し続けることができる。また、本発明の排ガス浄化用触媒においては、上記本発明の無機混合酸化物を用いることで、ロジウムの粒成長や他の担体への移動による劣化が十分に抑制されるため、特にRhの特性が重要となる還元剤が過剰な雰囲気下において、NO浄化性能が十分に発揮される。さらに、適切な第二の添加元素を選択することにより、Rh−O−M(式中、Mは第二の添加元素)で表される結合を生成してロジウムの粒成長抑制と、ロジウムメタルへの易還元性が両立でき、低温性能(低温域における触媒活性)も向上するものと推察される。なお、ロジウムは、含浸法等の従来公知の方法を採用して、前記無機混合酸化物に担持させることができる。また、本発明の無機混合酸化物に白金、パラジウム等のロジウム以外の触媒金属を更に担持してもよい。
本発明の排ガス浄化用触媒中のロジウムの少なくとも一部は、前記無機混合酸化物の一次粒子の表層部において前記添加元素の含有割合が局部的に高められた領域(表面濃化領域)と接触するように担持されていることが好ましい。これにより、第二の添加元素によるロジウムの粒成長抑制の効果がより顕著に発現する。
また、本発明の排ガス浄化用触媒中のロジウムを担持量としては、担持したロジウム量あたりの触媒活性として十分に高い触媒活性を発現させるため、前記無機混合酸化物の総量に対して0.01〜1質量%であることが好ましく、第二の添加元素によるロジウムの粒成長抑制の効果のためには0.01〜0.5質量%であることがより好ましく、0.01〜0.3質量%であることが更に好ましい。
また、このような排ガス浄化用触媒を使用する形態は特に限定されず、例えば、ハニカム形状のモノリス基材、ペレット基材又はフォーム基材などの基材の表面上に排気浄化用触媒からなる層を形成させて、これを内燃機関等の排気流路中に配置する等して用いることができる。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1〜7及び比較例1〜2)
各成分が表1に示す含有割合となるようにして、無機混合酸化物をそれぞれ製造した。すなわち、先ず、硝酸アルミニウム9水和物をイオン交換水に溶解した後、得られた硝酸アルミニウム水溶液に対して、オキシ硝酸ジルコニウム2水和物、硝酸セリウム6水和物及び硝酸ランタン6水和物を表1に示す仕込みモル数となるように混合し、さらに硝酸セリウム中のセリウムの1.2倍モル量の過酸化水素を加えて撹拌して原料溶液を得た。次に、前記原料溶液を、溶液中の金属カチオンに対する中和当量の1.2倍のアンモニアを含有するアンモニア水に十分に攪拌しながら加えて溶液のpHを9以上とし、アルミニウム、ジルコニウム、セリウム及びランタンの水酸化物を共沈させて酸化物の前駆体を得た。そして、得られた酸化物の前駆体を遠心分離してから十分に洗浄した後、大気中150℃で7時間乾燥し、さらに330℃で5時間加熱して仮焼成した。続いて、仮焼成後の固形物を、粉砕機(大阪ケミカル社製の商品名「小型粉砕機ワンダーブレンダー」)を用いて75μm以下に乾式粉砕した。次いで、大気中700℃で5時間加熱してから、さらに900℃で5時間加熱することにより焼成(第一焼成)して、元素として、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、セリウム(Ce)及びランタン(La:第一の添加元素)を含有する第一焼成後の酸化物の混合物を得た。
次に、得られた酸化物の混合物を、第二の添加元素(Nd、La又はPr)の硝酸塩を含有する水溶液[得られる無機混合酸化物の全体量に対する第二の添加元素の酸化物換算の含有比率が表1に示す割合となるようにして調製した硝酸ネオジム水溶液(実施例1及び4〜7並びに比較例2)、硝酸ランタン水溶液(実施例2)又は硝酸プラセオジム水溶液(実施例3)]中に懸濁させ、得られた懸濁液を3時間攪拌した。その後、懸濁液を撹拌しながら加熱し、水を蒸発させて、残った固形物を大気中110℃で40時間加熱した後、更に大気中900℃で5時間加熱することにより焼成(第二焼成)し、粒子状の無機混合酸化物を得た。なお、得られた各無機混合酸化物をTEMにより観察したところ、各無機混合酸化物の一次粒子の80%以上は100nm以下の粒子径を有していた。
また、仕込み量から算出される、無機混合酸化物中の各成分の含有割合を表1に示す。また、仕込み量から算出される、無機混合酸化物中において陽イオンとなる全元素の合計量に対する添加元素の合計量[第一の添加元素(La)及び第二の添加元素〔Nd(実施例1及び4〜7並びに比較例2)、La(実施例2)又はPr(実施例3)〕の合計量]の含有比率(at%)を表1に示す。
次いで、得られた無機混合酸化物を担体として、これをRh(NO水溶液中に加えて攪拌した後、水を蒸発させて残った固形物を110℃の温度条件下で乾燥させた後、大気中500℃で3時間加熱して焼成し、担体にロジウムが担持された排ガス浄化用触媒を得た。なお、Rh(NO水溶液の濃度は、得られた各排ガス浄化用触媒に担持されるロジウムの量が各担体に対して、それぞれ0.25質量%となるように調整した。
次に、得られた排ガス浄化用触媒に対して、大気中1000℃で5時間加熱したPt用担体を、前記排ガス浄化用触媒の質量の1/3の質量となる割合で加え、乳鉢にて乾式混合して混合物を得た。その後、得られた混合物を真空パックし、冷間等方圧加圧装置を用いて1000Kgf/cmの圧力で、直径0.5〜1mmのペレット状に成形して、混合ペレット触媒を作成した。なお、前記Pt用担体としては、組成が、酸化セリウム−酸化ジルコニウム−酸化ランタン−酸化プラセオジムの担体を使用した。また、以下の各試験において、このようなPt用担体と前記排ガス浄化用触媒との混合ペレット触媒を用いることにより、本発明の無機混合酸化物にRhを担持した前記排ガス浄化用触媒について、Rhの劣化要因の一つである他の担体への移動による失活をも含めた形態で評価することを可能とした。
[実施例1〜7及び比較例1〜2で得られた無機混合酸化物及び触媒の特性の評価]
<触媒の耐熱性試験>
実施例1〜7及び比較例1〜2で得られた混合ペレット触媒に対して耐久試験を行った。すなわち、先ず、各混合ペレット触媒を石英管内に設置し、図1に示す耐久試験用装置を作成した。なお、入りガス側の石英管10の内径Xは10mmであった。また、石英管10においては、出ガス側に内径Yが7mmの石英管を更に挿入して、コージェライト製のハニカム基材を設置した。そこに各混合ペレット触媒11(3g)を設置するのに際して、触媒11の前後に石英ウール12を配置した。なお、図1中の矢印Aは、ガスの流れを示したものである。次に、各混合ペレット触媒に対して、H(2容量%)、CO(10容量%)、HO(3容量%)及びN(残部)からなるリッチガスと、O(1容量%)、CO(10容量%)、HO(3容量%)及びN(残部)からなるリーンガスとを5分ずつ交互に50時間供給した。なお、このようなリッチガスとリーンガスは、温度1000℃の条件下、触媒3gあたりに500ml/minで通過するように供給した。
<触媒のNOx浄化率の測定>
耐久試験後の各混合ペレット触媒(実施例1〜7及び比較例1〜2)を用いて、NOx浄化率を測定した。このようなNOx浄化率の測定に際しては、先ず、耐久試験後の各混合ペレット触媒0.5gと石英砂0.5gとを混合して得られた触媒試料をペレット触媒評価装置(ベスト測器社製の商品名「CATA−5000−4」)に設置した。次に、供給するガスとしては、NO(0.15容量%)、CO(0.65容量%)、C(0容量%C)、O(0.8容量%)、CO(10容量%)、HO(4容量%)及びN(残部)からなるリーンガスと、NO(0.15容量%)、CO(0.65容量%)、C(0.3容量%C)、O(0容量%)、CO(10容量%)、HO(4容量%)及びN(残部)からなるリッチガスとを使用し、ガス流量は7L/分とした。そして、前記リーンガスと前記リッチガスとを10分交互に切り替えながら、触媒に対する入りガス温度が600℃で前処理した後、入りガス温度を450℃に保持しつつ、リッチガスに切り替えた後、定常状態になった時の触媒への入りガス及び触媒からの出ガス中のNO濃度を測定し、それらの測定値からNO浄化率を算出した。得られた結果を表1に示す。また、実施例1、実施例4〜7並びに比較例1〜2で得られた混合ペレット触媒のNOx浄化率のグラフを図2に示す。
<触媒のHC改質率の測定>
耐久試験後の各混合ペレット触媒(実施例1〜7及び比較例1〜2)を用いて、HC改質率を測定した。このようなHC改質活性を測定は、上述のNOx浄化性能の測定と同様の方法を採用して、定常状態における触媒への入りガス及び触媒からの出ガス中の炭化水素の濃度を測定し、それらの測定値からHC改質率を算出した。得られた結果を表1に示す。また、実施例1、実施例4〜7並びに比較例1〜2で得られた混合ペレット触媒のHC改質率のグラフを図3に示す。
<OSC量の測定>
耐久試験後の各混合ペレット触媒(実施例1〜7及び比較例1〜2)を用いて、OSC量を測定した。このようなOSC量の測定に際しては、耐久試験後の各混合ペレット触媒0.5gを石英砂0.5gと混合し、各試料に対して、O(1容量%)及びN(残部)からなる酸化ガスと、CO(2容量%)及びN(残部)からなる還元ガスとを7L/分のガス流量で60秒ずつ交互に供給した。なお、試料に対する入りガス温度は450℃となるようにした。そして、還元ガスを供給している間の出ガス中のCOの濃度(容量%)を測定し、還元ガスの供給時間とCOの濃度との関係をプロットして、COの積分量を求めた。なお、本試験においては、求めたCOの積分量をOSC量とする。得られた結果を表1に示す。また、実施例1、実施例4〜7並びに比較例1〜2で得られた混合ペレット触媒のOSC量のグラフを図4に示す。
<表面濃化領域における第二の添加元素の量の測定>
先ず、実施例1〜7及び比較例1〜2で得られた無機混合酸化物0.1gを0.1N硝酸10ml中で2時間攪拌後、濾液を抽出した。次に、得られた濾液中に溶解した第二の添加元素(Nd、La又はPr)の量を誘導結合高周波プラズマ発光分光法〔Inductively copuled plasma atmoic emssion spectroscopy (ICP−AES)〕により測定した。そして、濾液中に溶解した第二の添加元素(Nd、La又はPr)の量を、無機混合酸化物0.1g中の表面濃化領域における第二の添加元素の量として、無機混合酸化物の全体量に対する第二の添加元素(Nd、La又はPr)の量を算出した。このようにして算出された表面濃化領域における第二の添加元素の量の比率を表1に示す。なお、表1中、第二の添加元素の量は無機混合酸化物中の酸化物(Nd、LaO又はPr)の質量に換算した値(単位:質量%)である。また、実施例1、実施例4〜7並びに比較例1〜2で得られた混合ペレット触媒に関して、無機混合酸化物中のNdの総量(質量%)と、表面濃化領域におけるNdの量(質量%)との関係を示すグラフを図5に示す。
Figure 2009107901
表1及び図2〜4に示す結果からも明らかなように、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例1〜7)においては、耐熱性が十分に高く、耐久試験後においても高度なNOx浄化性能、高度なHC改質性能及び高度なOSC性能をバランスよく発揮できることが確認された。また、第二の添加元素としてLa、Pr又はNdを用いた場合には、十分な効果が得られることが確認されるとともに、それぞれの含有比率を無機酸化物に対して酸化物換算で2質量%とした場合には、Ndを含有させた場合に特にNOx浄化活性に優れることが確認された。
一方、表面濃化領域におけるNdの含有割合が0wt%の排ガス浄化用触媒(比較例1)と、表面濃化領域におけるNdの含有割合が1.49wt%の排ガス浄化用触媒(比較例2)とにおいては、NOx浄化性能及びHC改質性能が低下していることが分かった。これは、比較例1で得られた排ガス浄化用触媒においては、表面濃化領域を積極的に実現していないため、担体最表面でのRh安定化が十分なものとならなかったためであると推察される。また、比較例2で得られた排ガス浄化用触媒においては、表面濃化領域における添加元素の含有割合が高いため、比表面積が低下するばかりか、Rhのメタル化が阻害されたことに起因するものと推察される。また、表1及び図2〜4に示す結果から、表面濃化領域における添加元素の含有割合を過剰にすると、触媒性能が低下するばかりか、OSC性能も低下する傾向があった。なお、実施例2で得られた無機混合酸化物においては、第一及び第二の添加元素が同一の元素(La)からなるものであるため、上述の表面濃化領域における第二の添加元素の量の測定方法により測定されるLaの量は、表面濃化領域に存在する第一の添加元素(La)と第二の添加元素(La)との和となってしまう。そのため、実施例2で得られた無機混合酸化物においては、表中の表面濃化領域における第二の添加元素の量の数値が0.95質量%よりも大きな値となっているが、他の実施例等(例えば実施例3〜4)の結果から、表面濃化領域の第二の添加元素の量は、酸化物換算で0.1〜0.95質量%の範囲にあることが推定できる。
<実施例1、実施例4〜7及び比較例1〜2で得られた無機混合酸化物のXPS測定>
実施例1、実施例4〜7及び比較例1〜2で得られた無機混合酸化物を用い、各無機混合酸化物の表面近傍のジルコニウムとネオジムの含有比率(原子比)をX線光電子分光法(XPS)により求めた。XPS測定により得られたジルコニウムとネオジムの含有比率(Nd/Zr:原子比)と、仕込み量から算出されるジルコニウムとネオジムの含有比率(Nd/Zr:原子比)との関係を示すグラフを図6に示す。
図6に示す結果からも明らかなように、各無機混合酸化物においては、仕込み量から算出されるジルコニウムとネオジムの含有比率に対して、XPS測定により得られたジルコニウムとネオジムの含有比率が大きな値となり、しかも比例関係にあることが確認された。このような結果から、各実施例及び比較例で得られた無機混合酸化物においては、Ndが表面近傍で濃化されていることが分かった。
<EPMAによる特性評価>
耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例4及び比較例1)を用いて、EPMA測定を行った。測定に際しては、先ず、丸本ストルアス株式会社製の商品名「“エポフィックス”樹脂」15cc中に、丸本ストルアス株式会社製の商品名「“エポフィックス”硬化剤」2cc加えて撹拌し、40℃の温度条件で1分間加熱した後、更に撹拌した。その一部に耐久試験後の混合ペレット触媒を0.1g入れて混合し、直径2cm、高さ3cmの円筒状プラスチック容器中に入れた後、その円筒の内部を真空ポンプで脱気した。その後、その上部に硬化剤樹脂入りの樹脂の残りを高さ2cm程度まで入れ、真空ポンプで脱気した後、室温(25℃)で2日間放置して樹脂を硬化せしめた。そして、下面を湿式研磨機で研摩した後、前記下面を、日本電子製のJXA−8200を用いて、加速電圧15kV、照射電流0.3μAの条件で測定した。その結果から画像解析し、本発明の無機混合酸化物上のRhと、Pt用担体上のRhとを区別し、Rhの面積比率からPt用担体へのRhの移動度を測定した。
このような測定の結果、実施例4で得られた混合ペレット触媒においては、Rhの移動度が13.4%であったのに対して、比較例1で得られた混合ペレット触媒においては、移動度が20.9%であった。このような結果から、表面濃化領域を形成せしめることによって、Rhの安定性が増し、耐久試験後においてもRhのPt用担体への移動を抑制でき、活性なRhが担体上により多く残ることが分かった。
以上のような結果から、第二の添加元素としてはNdがより好ましいことが分かり、実施例1〜7で得られた無機混合酸化物においては、表面濃化領域が形成されていることが確認された。そこで、以下の実施例においては、第二の添加元素としてNdを用い、無機混合酸化物の全体量に対するNdの仕込み量(Nd換算)を2質量%とした。
(実施例8〜10及び比較例3〜4)
各成分が表2に示す含有割合となるようにした以外は実施例1と同様にして、無機混合酸化物、排ガス浄化用触媒及び混合ペレット触媒を製造した。なお、比較例3においては、硝酸セリウム6水和物を用いなかった。
このようにして得られた無機混合酸化物及び各混合ペレット触媒(実施例8〜10及び比較例3〜4)を用いて、上述の方法と同様の方法を採用して耐熱性試験を行った後、NOx浄化率の測定、HC改質率の測定、及び、OSC量の測定を行った。得られた結果を表2及び図7〜9に示す。なお、図7は、各触媒のNOx浄化率を示すグラフであり、図8は、各触媒のHC改質率を示すグラフであり、図9は、各触媒のOSC量を示すグラフである。
<比表面積維持率(SSA維持率)の測定>
耐久試験前の各混合ペレット触媒(実施例9〜10及び比較例4)及び耐久試験後の各混合ペレット触媒(実施例9〜10及び比較例4)の比表面積を、マイクロ・データ株式会社製の全自動比表面積測定装置(マイクロソープ4232 II型)を用いて、N吸着(BET1点法)により測定した。そして、このようにして測定した比表面積から、下記式:
[SSA維持率(%)]=([耐久試験後の触媒の比表面積]/[耐久試験前の触媒の比表面積])×100
を計算して求められるSSA維持率を求めた。実施例2で得られた触媒のSSA維持率を基準として相対比較した結果を図10に示す。
<Rhの分散度の測定>
耐久試験後の各混合ペレット触媒(実施例9〜10及び比較例4)のRhの分散度を測定した。このようなRhの分散度の測定にはCOパルス測定法を採用した。すなわち、先ず、耐久試験後の各混合ペレット触媒を、O(100容量%)のガス雰囲気下、400℃まで15分で昇温した後、15分間保持する。次に、ガス雰囲気をHe(100容量%)のガス雰囲気に変更した後、400℃で10分間保持する。次いで、ガス雰囲気をH(100容量%)のガス雰囲気に変更した後、400℃で15分間保持し、その後、更に、ガス雰囲気をHe(100容量%)のガス雰囲気に変更して400℃で10分間保持し、He(100容量%)のガス雰囲気を保ったまま、室温(25℃)まで自然冷却した。次いで、各混合ペレット触媒を、He(100容量%)のガス雰囲気下においてドライアイスエタノール温度(−78℃)まで冷却した。その後、He(100容量%)のガス雰囲気下において、各混合ペレット触媒に対して、0.7μmol/pulseのCOを5回パルスした。そして、熱伝導検出器を用いて、パルスしたCOのうちの触媒に吸着されなかったCOの量を検出し、パルス回数と吸着が飽和した時のTCD面積からCOの吸着量を測定した。そして、得られたCO吸着量と、Rhの担持量とから、下記式:
[Rh分散度(%)]=([CO吸着量(mol)]/[Rhの担持量(mol)])×100
を計算して、Rh分散度を求めた。実施例2で得られた触媒のRh分散度を基準として相対比較した結果を図10に示す。
Figure 2009107901
表2及び図7〜9に示す結果からも明らかなように、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例8〜10)においては、耐久試験後においても高いNOx浄化率、高いHC改質率及び高いOSC量を有することが確認された。すなわち、本発明の排ガス浄化用触媒においては、耐熱性が十分に高く、耐久試験後においても高度なNOx浄化性能、高度なHC改質性能及び高度なOSC性能をバランスよく発揮できることが分かった。また、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例8〜10)においては、無機混合酸化物中において陽イオンとなる全元素の合計量に対するセリウムの含有割合が高くなるのに比例してOSC量が高くなることが分かった。図10からは、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例9〜10)においては、比表面積の維持率及びRhの分散度が十分に高いことが確認された。
一方、比較例3で得られた排ガス浄化用触媒においては、耐久試験後においても高いNOx浄化率を示すものの、HC改質率及びOSC量が十分なものではなかった。なお、比較例3で得られた排ガス浄化用触媒においては、OSC量は主に混合したPt用担体によるものである。このような結果は、比較例3で得られた排ガス浄化用触媒においては、セリウムを含有していないことに起因するものと推察される。
また、比較例4で得られた排ガス浄化用触媒においては、耐久試験後においてもある程度高度なOSC量を有するものの、NOx浄化率及びHC改質率が十分なものではないことが確認された。このように比較例4で得られた排ガス浄化用触媒においてNOx浄化率及びHC改質率が低下したのは、図10からも明らかなように、比表面積の維持率が低く、しかもRhの分散度が低いことに起因するものと考えられる。さらに、比較例4で得られた排ガス浄化用触媒においては、セリウムの含有割合が本発明の排ガス浄化用触媒(実施例8〜10)よりも高いにもかかわらず、OSC量が本発明の排ガス浄化用触媒(実施例8〜10)よりも低いものとなっていた。これは、無機混合酸化物中のジルコニウムとセリウムとの合計量に対するセリウムの含有割合(表中、「C/CZ」と記載)が50at%を超えると、セリウムイオンの価数の変換効率(Ce4+とCe3+との間の変換効率)が低下することに起因するものと推察される。このような結果から、セリウムを無駄なく利用し、高い触媒活性を得るためには、セリウムの含有割合(C/CZ)を50at%以下とする必要があることが分かった。
(実施例11〜13及び比較例5〜6)
各成分が表3に示す含有割合となるようにした以外は実施例1と同様にして、無機混合酸化物、排ガス浄化用触媒及び混合ペレット触媒を製造した。なお、表3に示す含有割合で製造された各排ガス浄化用触媒においては、各触媒の重量あたりのセリアの含有割合がそれぞれ約10質量%であり、理論OSC量はほぼ同等のものであった。
このようにして得られた無機混合酸化物及び各混合ペレット触媒(実施例11〜13及び比較例5〜6)を用いて、上述の方法と同様の方法を採用して耐熱性試験を行った後、NOx浄化率の測定、HC改質率の測定、及び、OSC量の測定を行った。得られた結果を表3及び図11〜13に示す。なお、図11は、各触媒のNOx浄化率を示すグラフであり、図12は、各触媒のHC改質率を示すグラフであり、図13は、各触媒のOSC量を示すグラフである。
Figure 2009107901
(実施例14〜16及び比較例7〜8)
各成分が表4に示す含有割合となるようにした以外は実施例1と同様にして、無機混合酸化物、排ガス浄化用触媒及び混合ペレット触媒を製造した。なお、表4に示す含有割合で製造された各排ガス浄化用触媒においては、各触媒の重量あたりのセリアの含有割合がそれぞれ約20質量%であり、理論OSC量はほぼ同等のものであった。
このようにして得られた無機混合酸化物及び各混合ペレット触媒(実施例14〜16及び比較例7〜8)を用いて、上述の方法と同様の方法を採用して耐熱性試験を行った後、NOx浄化率の測定、HC改質率の測定、及び、OSC量の測定を行った。得られた結果を表4及び図14〜16に示す。なお、図14は、各触媒のNOx浄化率を示すグラフであり、図15は、各触媒のHC改質率を示すグラフであり、図16は、各触媒のOSC量を示すグラフである。
Figure 2009107901
表3〜4及び図11〜16に示す結果からも明らかなように、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例11〜16)においては、耐熱性が十分に高く、耐久試験後においても高度なNOx浄化性能、高度なHC改質性能及び高度なOSC性能をバランスよく発揮できることが確認された。一方、比較のための排ガス浄化用触媒(比較例5及び7〜8)においては、NOx浄化性能及びHC改質性能をバランスよく高い水準で発揮できないことが分かった。特に、無機混合酸化物中のアルミニウムの含有割合が元素として60at%未満である排ガス浄化用触媒(比較例5及び比較例7)においては、NOx浄化性能及びHC改質性能が十分なものとならなかった。このような結果は、比較例5及び比較例7で得られた排ガス浄化用触媒においては、アルミニウムの含有割合が低いため、無機混合酸化物中の酸化ジルコニウム、酸化セリウム及びこれらの複合酸化物の一次粒子の粒成長を十分に抑制できなかったことに起因するものと推察される。
また、無機混合酸化物中のアルミニウムの含有割合が元素として87.8at%の排ガス浄化用触媒(実施例13)と、無機混合酸化物中のアルミニウムの含有割合が91.7at%の排ガス浄化用触媒(比較例6)とを比較すると、比較のための排ガス浄化用触媒(比較例6)のOSC性能が劣ってきていることが確認された。このような結果から、高い触媒性能をバランスよく発揮させるためには、無機混合酸化物中のアルミニウムの含有割合を90at%以下とする必要があることが分かった。更に、図13及び図16に示す結果から、OSC性能はセリウムの含有割合(C/CZ)に依存し、C/CZが高くなるに連れ、その効率が落ちていることが分かる。また、比較のための排ガス浄化用触媒(比較例8)においては、セリウムの含有割合(C/CZ)が50at%を超えているために、OSC性能が低下していることが分かる。このような結果から、セリウムの含有割合(C/CZ)が50at%以下とする必要があることが分かった。
(実施例17〜22及び比較例9)
各成分が表5に示す含有割合となるようにした以外は実施例1と同様にして、無機混合酸化物、排ガス浄化用触媒及び混合ペレット触媒を製造した。
このようにして得られた無機混合酸化物及び各混合ペレット触媒(実施例17〜22及び比較例9)を用いて、上述の方法と同様の方法を採用して耐熱性試験を行った後、NOx浄化率の測定、HC改質率の測定、及び、OSC量の測定を行った。得られた結果を表5及び図17〜19に示す。なお、図17は、各触媒のNOx浄化率を示すグラフであり、図18は、各触媒のHC改質率を示すグラフであり、図19は、各触媒のOSC量を示すグラフである。
Figure 2009107901
表5及び図17〜19に示す結果からも明らかなように、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例17〜22)においては、耐熱性が十分に高く、耐久試験後においても高度なNOx浄化性能、高度なHC改質性能及び高度なOSC性能をバランスよく発揮できることが確認された。第一及び第二の添加元素の合計量の含有割合が10.37at%であっても、第一の添加元素の含有割合が9.35at%である排ガス浄化用触媒(実施例22)においては、NOx浄化性能及びHC改質性能が低下してきていることが確認された。これは、実施例22で得られた排ガス浄化用触媒においては、添加元素のうちの第一の添加元素(La:構造安定化元素)の含有割合が9.0at%を超えているため、ロジウムのメタル化が却って阻害されたためであると推察される。
一方、比較のための排ガス浄化用触媒(比較例9)においては、NOx浄化性能及びHC改質性能をバランスよく高い水準で発揮できないことが分かった。第一及び第二の添加元素の合計量の含有割合が0.89at%である排ガス浄化用触媒(比較例9)においては、NOx浄化性能及びHC改質性能が極端に低く、耐熱性が十分なものとならないことが確認された。このような結果は、比較例9で得られた排ガス浄化用触媒において添加元素の量が十分でないことに起因し、特に、前記添加元素のうちの第一の添加元素(La:構造安定化元素)を含有させなかったため、耐熱性が不十分となったものと推察される。
(実施例23及び比較例10〜14)
各成分が表6に示す含有割合となるようにした以外は実施例1と同様にして、無機混合酸化物、排ガス浄化用触媒及び混合ペレット触媒を製造した。
(比較例15)
無機混合酸化物の代わりに酸化ネオジムの粉末を担体とした以外は実施例1と同様にして排ガス浄化用触媒及び混合ペレット触媒を製造した。
このようにして得られた無機混合酸化物及び各混合ペレット触媒(実施例23及び比較例10〜15)を用いて、上述の方法と同様の方法を採用して耐熱性試験を行った後、NOx浄化率の測定、及び、HC改質活性の測定を行った。得られた結果を表6及び図20〜21に示す。なお、図20は、各触媒のNOx浄化率を示すグラフであり、図21は、各触媒のHC改質率を示すグラフである。
Figure 2009107901
表6及び図20〜21に示す結果からも明らかなように、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例23)においては、耐熱性が十分に高く、耐久試験後においても高度なNOx浄化性能、高度なHC改質性能を発揮できることが確認された。一方、本発明の無機混合酸化物中の必須元素であるアルミニウム、ジルコニウム及びセリウムのうちのいずれか一つあるいは二つを含有しない場合、又は、表面濃化領域が形成されていない無機混合酸化物を担体とした場合においては、NOx浄化性能及びHC改質性能を高い水準で発揮することができないことが示された。
以上説明したように、本発明によれば、十分に優れた耐熱性を有し、触媒の担体として利用した際に、触媒に高度な酸素貯蔵性能、高度なHC改質活性及び高度なNO浄化性能をバランスよく発揮させることが可能な無機混合酸化物、及び、それを用いた排ガス浄化用触媒を提供することが可能となる。
触媒の耐熱性試験に用いた耐久試験用装置の模式図である。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例1、実施例4〜7及び比較例1〜2)のNOx浄化率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例1、実施例4〜7及び比較例1〜2)のHC改質率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例1、実施例4〜7及び比較例1〜2)のOSC量を示すグラフである。 実施例1、実施例4〜7及び比較例1〜2で得られた無機混合酸化物中のNdの総量(質量%)と、表面濃化領域におけるNdの量(質量%)との関係を示すグラフである。 実施例1、実施例4〜7及び比較例1〜2で得られた無機混合酸化物中のXPS測定により得られたジルコニウムとネオジムの含有比率(Nd/Zr:原子比)と、仕込み量から算出されるジルコニウムとネオジムの含有比率(Nd/Zr:原子比)との関係を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例8〜10及び比較例3〜4)のNOx浄化率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例8〜10及び比較例3〜4)のHC改質率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例8〜10及び比較例3〜4)のOSC量を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例9〜10及び比較例4)のSSA維持率及びRh分散度を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例11〜13及び比較例5〜6)のNOx浄化率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例11〜13及び比較例5〜6)のHC改質率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例11〜13及び比較例5〜6)のOSC量を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例14〜16及び比較例7〜8)のNOx浄化率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例14〜16及び比較例7〜8)のHC改質率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例14〜16及び比較例7〜8)のOSC量を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例17〜22及び比較例9)のNOx浄化率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例17〜22及び比較例9)のHC改質率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例17〜22及び比較例9)のOSC量を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例23及び比較例10〜15)のNOx浄化率を示すグラフである。 耐久試験後の混合ペレット触媒(実施例23及び比較例10〜15)のHC改質率を示すグラフである。
符号の説明
10…石英管、11…混合ペレット触媒、12…石英ウール、13…ハニカム基材、X…入ガス側の石英管の内径、Y…出ガス側の石英管の内径、A…ガスの流れる方向。

Claims (7)

  1. アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類元素からなる群からそれぞれ選択される第一及び第二の添加元素と、を含有する粒子状の無機混合酸化物であって、
    前記無機混合酸化物中のアルミニウムの含有割合が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として60〜90at%であり、
    前記無機混合酸化物中のセリウムの含有割合が、前記無機混合酸化物中のジルコニウム及びセリウムの合計量に対して、元素として0.4〜50at%であり、
    前記第一及び第二の添加元素の合計量の含有割合が、前記無機混合酸化物中において陽イオンとなる元素の合計量に対して、元素として1〜12at%であり、
    前記無機混合酸化物の一次粒子のうちの80%以上が100nm以下の粒子径を有し、
    前記一次粒子のうちの少なくとも一部が、表層部において前記第二の添加元素の含有割合が局部的に高められた表面濃化領域を有するものであり、且つ、
    前記表面濃化領域における前記第二の添加元素の量が、前記無機混合酸化物の全体量に対して、酸化物換算で0.1〜0.95質量%であることを特徴とする無機混合酸化物。
  2. 前記第一及び第二の添加元素が、それぞれ、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mg、Ca、Sr、Ba及びScからなる群から選択される元素であることを特徴とする請求項1に記載の無機混合酸化物。
  3. 前記第一及び第二の添加元素が、それぞれ、Y、La、Pr、Nd、Yb、Mg、Ca及びBaからなる群から選択される元素であることを特徴とする請求項1又は2に記載の無機混合酸化物。
  4. 前記第二の添加元素が、それぞれ、La、Pr及びNdからなる群から選択される少なくとも1種の元素であることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の無機混合酸化物。
  5. 前記第一の添加元素がLaであり且つ前記第二の添加元素がNdであることを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載の無機混合酸化物。
  6. 請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載の無機混合酸化物にロジウムを担持してなることを特徴とする排ガス浄化用触媒。
  7. 前記ロジウムの担持量が、前記無機混合酸化物の総量に対して0.01〜1質量%であることを特徴とする請求項6に記載の排ガス浄化用触媒。
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