JP2009220095A - 酸化触媒及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】PM酸化温度を有効に低下させ得る酸化触媒及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】酸化触媒は、セリウムとガリウムとを有し、ガリウムがセリウムの少なくとも一部と置換した固溶体からなるCe−Ga複合酸化物を含有する。CeとGaの合計100モルに対し、Mn又はFeを0.01〜50モル、好ましくは0.01〜30モル含有する。アルカリ金属を含有し、このアルカリ金属が酸化物や塩を形成している。酸化触媒の製造方法は、Mn硝酸塩又はFe硝酸塩を含むCe−Ga複合酸化物の前駆体を、アルカリ金属イオンが溶解した溶液に曝し、次いで、乾燥及び焼成することにより、上記Ce−Ga複合酸化物を形成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、酸化触媒及びその製造方法に係り、更に詳細には、PMの酸化ないし燃焼温度を低下させることができる酸化触媒及びその製造方法に関する。
従来、PM(パティキュレートマター)の燃焼を促進すべく、ジルコニウム系複酸化物とセリウム系複酸化物の少なくとも一方を含む酸素供給酸化物上にPt、Rhなどの白金族を担持した触媒をセラミック製交互目詰めしたハニカム上へコーティングしたディーゼルパティキュレートフィルターが提案されており(例えば、特許文献1参照)、PM燃焼温度の低下が図られている。
特開2007−54713号公報
しかしながら、かかる従来のディーゼルパティキュレートフィルターにあっては、PM燃焼温度の低下が図られているものの、必ずしも十分とはいえなかった。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Ptなどの白金族をたくさん使わなくても、特にPM酸化温度を有効に低下させ得る酸化触媒及びその製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、セリウムとガリウムとの固溶体を形成させることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の酸化触媒は、セリウムとガリウムとを含有し、ガリウムがセリウムの少なくとも一部と置換した固溶体からなるCe−Ga複合酸化物を含むことを特徴とする。
また、本発明の酸化触媒の製造方法は、Ce−Ga複合酸化物の前駆体を、アルカリ金属イオンが溶解した溶液に曝した後、乾燥及び焼成し、上記Ce−Ga複合酸化物を形成することを特徴とする。
本発明によれば、セリウムとガリウムとの固溶体を形成させることとしたため、PM燃焼温度を有効に低下させ得る酸化触媒及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の酸化触媒につき詳細に説明する。なお、本明細書において、濃度、含有量及び配合量などについての「%」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。
上述の如く、本発明の酸化触媒は、Ce−Ga複合酸化物を含有するが、このCe−Ga複合酸化物は、ガリウム原子が少なくとも一部のセリウム原子と置換した固溶体からなる。
このCe−Ga複合酸化物は、CeO2の結晶構造(蛍石型構造)を基本構造としており、立方格子の頂点又は面心に存在する一部のCeがGaに置換した構造を有しているものと思われる。
図1は、通常のCeO2及び本発明で用いるCe−Ga複合酸化物の結晶構造を示す模式的な斜視図である。図1(A)に示すように、通常のCeO2では、Ce原子は立方格子の頂点及び面心に存在する。
これに対し、上記Ce−Ga複合酸化物では、図1(B)に示すように、一部のCe原子がGa原子と置換している。
ここで、Ce4+のイオン半径は約0.97Å、Ga3+のイオン半径は0.62Åである。よって、上記のCeとGaの置換により電荷が減少すると、電荷バランスをとるため酸素空孔が生成するとともにCe立方格子内の特定方向にスペースが生じ、Ce立方格子内における酸素イオンの移動性が向上する。
かかる酸素イオンの移動性向上、即ち活性酸素が生成する温度が低下することにより、活性酸素を有効に利用でき、PMを酸化ないしは燃焼させる温度を低下させることができるものと推測される。
本発明においては、上述のCe−Ga複合酸化物でもCeO2−Ga2O3複合酸化物系のものが良好であり、Ce/Gaのモル比が99.99/0.01〜70/30のものが好ましく、Ce/Gaのモル比が97/3〜85/15が更に好ましく、Ce/Gaのモル比が97/3〜95/5が特に好ましい。
このモル比が70/30未満では、CeO2に対してGa2O3相が発現するまでGaを置換することになり、酸化触媒性能が低下することがある。また、CeO2の蛍石構造を維持できなくなって、酸化触媒性能が低下することがある。
なお、当該モル比をCe/Ga=97/3〜95/5とすれば、PM酸化温度を最も低温下できる。
また、本発明においては、Ce−Ga複合酸化物にMn若しくはFeを含有させることが好ましい。Ce−Ga複合酸化物にMn若しくはFeを含有させることによって、Mn若しくはFe自体が新たな活性点になるか又はCe−Ga複合酸化物からの活性酸素の供給を促進するか又はCe−Ga−Mn複合酸化物若しくはCe−Ga−Fe複合酸化物からの活性酸素の供給を促進するかのいずれかの作用により、上述のPM酸化温度を更に低下させることができるからである。
Ce−Ga複合酸化物に含有させるMn若しくはFeの量としては、例えばCeとGaの合計100モルに対してMn若しくはFeを0.01〜50モル含有させることが好ましく、0.01〜30モル含有させることがより好ましい。
0.01モル以上であれば、活性点としてもPM酸化にするのに十分であり、活性酸素の供給の面からもPM酸化するために十分な活性酸素放出が得られる、50モル以下であれば、PM酸化活性は添加量に見合った効果を発揮でき、その有効利用が図れ、シンタリングにより活性低下することもない。
なお、Mn、Feの他にCo、Ni等の遷移金属も同様の効果を有する。
更に、本発明においては、上述のCe−Ga複合酸化物にアルカリ金属、特にナトリウムを含有させることが好ましく、Ce−Ga複合酸化物の表面に、ナトリウム(Na)を酸化物及び塩の少なくとも一方の形態で存在させることがより好ましい。また塩としては、特に炭酸塩が取り扱いしやすく貯蔵安定安定性も高いため好ましい。
図2は、Naを含有させたCe−Ga複合酸化物を示す模式図である。この図に示すように、この複合酸化物表面に存在するNa+は、近接するPM粒子に移動してPM粒子自体を活性化する。活性化されたPM粒子は適当なサイズに分割され、分散する。これにより、PMの酸化を更に促進することができる。
Naなどのアルカリ金属の共存は、上述のようなメカニズムによりPMの酸化を促進するものと思われる。
また、Ce−Ga複合酸化物に含有させるNaの量としては、特に限定されるものではないが、Ce−Ga複合酸化物1モルに対して0.01〜10モルとすることが好ましい。
0.01モル未満では、PM酸化温度低温化に効果が小さいことがあり、10モルを超えると、PM酸化温度低温化効果が平行に達してしまうことがある。
本発明の酸化触媒は、以上に説明したCe−Ga複合酸化物を必須成分とするものであるが、これ以外の成分、例えば、白金などの貴金属や、酸化マンガンなどの遷移金属酸化物及び第三成分を複合酸化物に固溶させることができる。
また、ハニカム状モノリス担体などの一体構造型触媒担体に担持して用いることが可能であり、特にディーゼルエンジンなどの希薄燃焼エンジンのPMを対象とする場合には、ハニカム担体のセルの一端を交互に目詰めした、いわゆるチェッカードハニカム担体などを好適に用いることができる。
次に、本発明の酸化触媒の製造方法について説明する。
この製造方法は、上述のような酸化触媒を製造する方法であって、上記Ce−Ga複合酸化物の前駆体を、アルカリ金属イオンが溶解した溶液に曝し、次いで、乾燥及び焼成することにより、上記Ce−Ga複合酸化物を形成する方法である。
ここで、Ce−Ga複合体の前駆体としては、Ceの硝酸塩とGaの硝酸塩を挙げることができる。更に、このCeの硝酸塩とGaの硝酸塩に、マンガン原としてMn硝酸塩、Mn水酸化物、Mn酸水酸化物、Mn炭酸塩又はこれらの複合物を添加することができる。また、上記マンガン原の代わりに、鉄原としてFe硝酸塩、Fe水酸化物、Fe酸水酸化物、Fe炭酸塩又はこれらの複合物を添加することもできる。
アルカリ金属イオンとしてはNa+が好ましく、このようなアルカリ金属イオンは、水酸化ナトリウム(NaOH)などのアルカリ金属水酸化物を挙げることができる。
具体的には、硝酸セリウムと硝酸ガリウムの混合水溶液に必要に応じてMn硝酸塩等のマンガン原料又はFe硝酸塩等の鉄原料を添加し、その後、水酸化ナトリウム水溶液を加えて共沈させ、沈殿生成した水酸化セリウムと水酸化ガリウムの混合物を100℃〜150℃で8時間〜24時間乾燥し、更に500℃〜700℃で5時間〜8時間焼成することにより、所望のCe−Ga複合酸化物を得ることができる。
なお、この製造方法によれば、前駆体の段階から、Naなどのアルカリ金属をCe−Ga複合酸化物の表面に担持することができ、便利である。
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
硝酸セリウムと硝酸ガリウムを、Ce/Ga=97/3(モル比)となるように秤取し、イオン交換水に溶解させた。1時間攪拌した後、水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、Ce−Ga水酸化物沈殿を得た。得られた沈殿物を150℃で一昼夜乾燥し、更に500℃で焼成を行い、本例の酸化触媒を得た。
(実施例2)
Ce/Ga=95/5(モル比)とした以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例3)
Ce/Ga=85/15(モル比)とした以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例4)
Ce/Ga=68/32(モル比)とした以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例5)
水酸化ナトリウム水溶液の代わりにアンモニア水溶液を用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例6)
水酸化ナトリウム水溶液の代わりにアンモニア水溶液を用いた以外は、実施例2と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例7)
水酸化ナトリウム水溶液の代わりにアンモニア水溶液を用いた以外は、実施例3と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例8)
水酸化ナトリウム水溶液の代わりにアンモニア水溶液を用いた以外は、実施例4と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例9)
Mn/(Ce+Ga)=5/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを上述の硝酸セリウムと硝酸ガリウムに添加したこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例10)
Mn/(Ce+Ga)=10/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例9と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例11)
Mn/(Ce+Ga)=20/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例9と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例12)
Mn/(Ce+Ga)=30/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例9と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例13)
Mn/(Ce+Ga)=50/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例9と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例14)
Mn/(Ce+Ga)=5/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを上述の硝酸セリウムと硝酸ガリウムに添加したこと以外は、実施例2と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例15)
Mn/(Ce+Ga)=10/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例14と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例16)
Mn/(Ce+Ga)=20/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例14と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例17)
Mn/(Ce+Ga)=30/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例14と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例18)
Mn/(Ce+Ga)=50/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例14と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例19)
Mn/(Ce+Ga)=5/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを上述の硝酸セリウムと硝酸ガリウムに添加したこと以外は、実施例3と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例20)
Mn/(Ce+Ga)=10/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例19と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例21)
Mn/(Ce+Ga)=20/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例19と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例22)
Mn/(Ce+Ga)=30/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例19と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例23)
Mn/(Ce+Ga)=50/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例19と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例24)
Mn/(Ce+Ga)=5/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを上述の硝酸セリウムと硝酸ガリウムに添加したこと以外は、実施例4と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例25)
Mn/(Ce+Ga)=10/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例24と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例26)
Mn/(Ce+Ga)=20/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例24と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例27)
Mn/(Ce+Ga)=30/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例24と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例28)
Mn/(Ce+Ga)=50/100(モル比)となるように、硝酸マンガンを添加したこと以外は、実施例24と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例29)
Fe/(Ce+Ga)=5/100(モル比)となるように、硝酸鉄を上述の硝酸セリウムと硝酸ガリウムに添加したこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例30)
Fe/(Ce+Ga)=10/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例29と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例31)
Fe/(Ce+Ga)=20/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例29と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例32)
Fe/(Ce+Ga)=25/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例29と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例33)
Fe/(Ce+Ga)=30/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例29と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例34)
Fe/(Ce+Ga)=35/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例29と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例35)
Fe/(Ce+Ga)=50/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例29と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例36)
Fe/(Ce+Ga)=5/100(モル比)となるように、硝酸鉄を上述の硝酸セリウムと硝酸ガリウムに添加したこと以外は、実施例2と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例37)
Fe/(Ce+Ga)=10/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例36と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例38)
Fe/(Ce+Ga)=20/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例36と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例39)
Fe/(Ce+Ga)=25/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例36と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例40)
Fe/(Ce+Ga)=30/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例36と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例41)
Fe/(Ce+Ga)=35/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例36と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(実施例42)
Fe/(Ce+Ga)=50/100(モル比)となるように、硝酸鉄を添加したこと以外は、実施例36と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(比較例1)
硝酸ガリウムを用いず硝酸セリウムのみを用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
(比較例2)
水酸化ナトリウム水溶液の代わりにアンモニア水溶液を用いた以外は、比較例1と同様の操作を繰り返し、本例の酸化触媒を得た。
〈性能評価〉
(1)固溶の有無
実施例1及び実施例2の酸化触媒をX線回折分析に供し、固溶の有無を判断した。
得られた結果を図3に示す。図3のX線チャートに示すように、実施例1及び実施例2の酸化触媒では、各回折ピークがCeO2のピーク位置からシフトしているのが確認でき、CeとGaが固溶体を形成していることが分かる。
また実施例9〜28の酸化触媒に含有されるMnは、X線回折分析で酸化物相として検出されず、TEMでも粒子として確認できなかった。同様に、実施例29〜42の酸化触媒に含有されるFeもまた、X線回折分析で酸化物相として検出されず、TEMでも粒子として確認できなかった。
従って、これらのMn及びFeは、高分散しているか又は複合酸化物に固溶していると考えられる。
(2)PM酸化性能
各例の酸化触媒粉末と、自動車エンジンから採取したすす(PM)を乳鉢で混合し、試料とした。各試料につき、5vol%のO2ガスとHeガス(バランス量)の混合ガス流を導入しながら触媒床の温度を変化させ、質量分析計を用い、一酸化炭素(CO)及び二酸化炭素(CO2)が発生した温度を測定し、この測定値をPM酸化開始温度とした。得られた結果を表1、図4〜図6に示す。
Figure 2009220095
通常のCeO2(A)及び本発明で用いるCe−Ga複合酸化物(B)の結晶構造を示す模式的な斜視図である。 Naを含有させたCe−Ga複合酸化物を示す模式図である。 固溶の有無を示す説明図である。 Ga固溶量とPM燃焼温度の測定値との関係を示すグラフである。 Mn添加量とPM酸化開始温度の測定値との関係を示すグラフである。 Fe添加量とPM酸化開始温度の測定値との関係を示すグラフである。

Claims (10)

  1. セリウムとガリウムとを含有し、ガリウムがセリウムの少なくとも一部と置換した固溶体からなるCe−Ga複合酸化物を含有することを特徴とする酸化触媒。
  2. 上記Ce−Ga複合酸化物のCe/Gaモル比が99.99/0.01〜70/30であることを特徴とする請求項1に記載の酸化触媒。
  3. 上記Ce−Ga複合酸化物のCe/Gaモル比が97/3〜85/15であることを特徴とする請求項1に記載の酸化触媒。
  4. 更に、上記Ce−Ga複合酸化物がマンガン(Mn)を含有し、Mn/(Ce+Ga)のモル比が0.01/100〜50/100であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の酸化触媒。
  5. 更に、上記Ce−Ga複合酸化物がマンガン(Mn)を含有し、Mn/(Ce+Ga)のモル比が0.01/100〜30/100であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の酸化触媒。
  6. 更に、上記Ce−Ga複合酸化物が鉄(Fe)を含有し、Fe/(Ce+Ga)のモル比が0.01/100〜50/100であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の酸化触媒。
  7. 更に、上記Ce−Ga複合酸化物が鉄(Fe)を含有し、Fe/(Ce+Ga)のモル比が0.01/100〜30/100であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の酸化触媒。
  8. 更に、アルカリ金属を含有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の酸化触媒。
  9. 上記アルカリ金属が、酸化物及び/又は塩を形成していることを特徴とする請求項8に記載の酸化触媒。
  10. 請求項1〜9のいずれか1つの項に記載の酸化触媒を製造するに当たり、
    上記Ce−Ga複合酸化物の前駆体を、アルカリ金属イオンが溶解した溶液に曝し、
    次いで、乾燥及び焼成することにより、上記Ce−Ga複合酸化物を形成することを特徴とする酸化触媒の製造方法。
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