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
【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
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。
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、NOx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。
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。
<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、H2(2容量%)、CO2(10容量%)、H2O(3容量%)及びN2(残部)からなるリッチガスと、O2(1容量%)、CO2(10容量%)、H2O(3容量%)及びN2(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。
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%)、C3H6(0容量%C)、O2(0.8容量%)、CO2(10容量%)、H2O(4容量%)及びN2(残部)からなるリーンガスと、NO(0.15容量%)、CO(0.65容量%)、C3H6(0.3容量%C)、O2(0容量%)、CO2(10容量%)、H2O(4容量%)及びN2(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NOX濃度を測定し、それらの測定値からNOX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。
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。
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、O2(1容量%)及びN2(残部)からなる酸化ガスと、CO(2容量%)及びN2(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CO2の濃度(容量%)を測定し、還元ガスの供給時間とCO2の濃度との関係をプロットして、CO2の積分量を求めた。なお、本試験においては、求めたCO2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。
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(Nd2O3、La2O又はPr2O3)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Nd2O3の総量(質量%)と、表面濃化領域におけるNd2O3の量(質量%)との関係を示すグラフを図5に示す。
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。
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。
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。
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、N2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。
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、O2(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H2(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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (7)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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