JP2010207807A - 排ガス浄化触媒、排ガス浄化触媒の製造方法、触媒基体の製造方法及びハニカム型触媒基体 - Google Patents

排ガス浄化触媒、排ガス浄化触媒の製造方法、触媒基体の製造方法及びハニカム型触媒基体 Download PDF

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Abstract

【課題】活性金属の必要量が少なく、高温の条件下で長期間使用しても活性が低下し難い排ガス浄化触媒等を提供する。
【解決手段】排ガス浄化触媒は、BaAlおよびBaAl1219を含む担体であって、その2Θ値及び相対強度で規定されるX線回折パターンにおいて、BaAlの面指数(202)のピーク強度に対するBaAl119の面指数(107)のピーク強度比が1:0.001〜1:7の範囲にある担体に、活性金属が担持されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、自動車排ガス中の有害物質を除去する排ガス浄化触媒、この排ガス浄化触媒の製造方法、この排ガス浄化触媒をコーティングした触媒基体の製造方法及びハニカム型触媒基体に関する。
例えば自動車の排ガス中に含まれる窒素酸化物や一酸化炭素、炭化水素は環境規制の対象となっており、三元触媒(以下、排ガス浄化触媒という)はこれらの物質を分解して排ガスを浄化してから大気へと排出する役割を果たしている。排ガス浄化触媒は、例えばアルミナなどの担体に、白金(Pt)やパラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)などの貴金属を活性金属として担持させたものが一般的に知られている。この排ガス浄化触媒は、例えばエンジンの出口部付近に配置され、高温の排ガスと接触させることにより汚染物質を分解する活性を得ている。
一般的に、排ガス浄化触媒は例えば100m/g以上もの比表面積を有する担体の表面に粒子径の小さな活性金属を均一に分散担持することにより、汚染物質と活性金属との接触効率を向上させるといった構造的な効果を利用して触媒の活性を高めている。ところが排ガス浄化触媒は、高温の排ガスと長期間接触すると、担体の比表面積が低下したり、活性金属が凝集して粒子径が大きくなったりするため、次第にこうした構造的な効果が失われて触媒の活性が低下してしまうシンタリングと呼ばれる現象が知られている。
このため従来の排ガス浄化触媒は、シンタリングによる活性の低下を見越して、使用開始時の必要量よりも例えば3%程度多い活性金属を担持しておくことにより、構造的な効果が失われた後も必要な活性を維持する方策が採られてきた。しかしながらこの方策は、使用開始後、当面の期間中に必要な量以上の活性金属を触媒に担持する必要があるため、触媒コストへの影響が大きく、排ガス処理システムを高額にする要因となっていた。
特許文献1には、スピネル構造を持つBaAlを含む排ガス浄化触媒が記載されており、当該触媒は高温雰囲気下で使用しても活性金属が凝集しにくい点と、それでも活性が低下してしまった場合には活性金属を再分散させる再生処理が可能である点とに特徴を有している。
特許文献2には、触媒作用を有する貴金属と、この貴金属が担持される第1の酸化物と、この触媒貴金属が担持された第1の酸化物を包む第2の酸化物とを少なくとも有する触媒粒子ユニットを備え、この触媒粒子ユニットが複数個集まってなる触媒粉末中に、助触媒成分である遷移元素、アルカリ土類金属元素、アルカリ金属元素、希土類元素から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むことを特徴とする排気ガス浄化触媒が開示されている。
特開2008−23482号公報 特開2008−168192号公報
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、活性金属の必要量が少なく、高温の条件下で長期間使用しても活性が低下し難い排ガス浄化触媒及びその製造方法、この排ガス浄化触媒を用いた触媒基体の製造方法並びにハニカム型触媒基体を提供することにある。
本出願における第1の発明は、BaAlおよびBaAl1219を含む担体であって、その2Θ値及び相対強度で規定されるX線回折パターンにおいて、BaAlの面指数(202)のピーク強度に対するBaAl1219の面指数(107)のピーク強度比が1:0.001〜1:7の範囲にある担体に活性金属が担持していることを特徴とする排ガス浄化触媒である。
本出願における第2の発明は、前記担体が更にAl、BaZrO又はZrOから選ばれる1種以上を含むものであり、その2Θ値及び相対強度で規定されるX線回折パターンにおいて、BaAlの面指数(202)のピーク強度を1とした時のAlの面指数(113)のピーク強度比(D)が0〜5の範囲、BaZrOの面指数(310)のピーク強度比(B)が0〜1の範囲、ZrOの面指数(220)のピーク強度比(C)が0〜12の範囲(ただし、B、C、Dのうち少なくとも一つは0でない。)であることを特徴とする前記排ガス浄化触媒である。
本出願における第3の発明は、前記排ガス浄化触媒の比表面積が0.1m/g以上、70m/g以下の範囲にあることを特徴とする前記排ガス浄化触媒である。
本出願における第4の発明は、前記活性金属がPt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Au及びAgからなる貴金属群から選ばれる少なくとも1種類以上の活性金属であることを特徴とする前記排ガス浄化触媒である。
本出願における第5の発明は、前記活性金属の担持量が、前記排ガス浄化触媒質量の0.01質量%以上、2.0質量%以下の範囲であることを特徴とする前記排ガス浄化触媒である。
本出願における第6の発明は、前記排ガス浄化触媒に担持された活性金属の平均粒径が2nm以上、700nm以下の範囲であることを特徴とする前記排ガス浄化触媒である。
本出願における第7の発明は、次の(1)と(2)の工程を含むことを特徴とする排ガス浄化触媒の製造方法である。
(1)アルミニウム含有化合物とバリウム含有化合物とを含む混合物であって、アルミニウムとバリウムのモル比が1:0.04〜1:0.8の範囲であるものを800℃以上、1600℃以下の温度で焼成し、担体を調製する工程。
(2)前記担体にPt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Au及びAgからなる貴金属群から選ばれる少なくとも1種類以上の活性金属を担持させる工程。
本出願における第8の発明は、次の(1)と(2)の工程を含むことを特徴とする前記排ガス浄化触媒の製造方法である。
(1)アルミニウム含有化合物、バリウム含有化合物及びジルコニウム含有化合物を含む混合物であって、アルミニウムとバリウムのモル比が1:0.04〜1:0.8の範囲、アルミニウムとジルコニウムのモル比が1:0〜1:0.5の範囲であるものを800℃以上、1600℃以下の温度で焼成し、担体を調製する工程。
(2)前記担体にPt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Au及びAgからなる貴金属群から選ばれる少なくとも1種類以上の活性金属を担持させる工程。
本出願における第9の発明は、前記アルミニウム含有化合物が、アルミニウム酸化物、アルミニウム水酸化物、アルミニウム硝酸塩、アルミニウム塩化物、アルミニウム酢酸塩、アルミニウム炭酸塩、アルミニウム錯塩、アルミニウムアルコキシドから選択される少なくとも1種類以上であることを特徴とする前記排ガス浄化触媒の製造方法である。
本出願における第10の発明は前記バリウム含有化合物が、バリウム酸化物、バリウム水酸化物、バリウム硝酸塩、バリウム塩化物、バリウム酢酸塩、バリウム炭酸塩、バリウム錯塩、バリウムアルコキシドから選択される少なくとも1種類以上であることを特徴とする排ガス浄化触媒の製造方法である。
本出願における第11の発明は、前記ジルコニウム含有化合物は、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム水酸化物、ジルコニウム硝酸塩、ジルコニウム塩化物、ジルコニウム酢酸塩、ジルコニウム炭酸塩、ジルコニウム錯塩、ジルコニウムアルコキシドから選択される少なくとも1種類以上であることを特徴とする前記排ガス浄化触媒の製造方法である。
本出願における第12の発明は、前記排ガス浄化触媒に含まれるアルミニウムとバリウムのモル比が1:0.04〜1:0.8の範囲にあることを特徴とする排ガス浄化触媒である。
本出願における第13の発明は、前記排ガス浄化触媒に含まれるアルミニウムとバリウムのモル比が1:0.04〜1:0.8の範囲にあり、アルミニウムとジルコニウムのモル比が1:0〜1:0.5の範囲にあることを特徴とする排ガス浄化触媒である。
本出願における第14の発明は、前記排ガス浄化触媒を5質量%〜50質量%含有してなる水性スラリーに、基体を浸漬し、引き上げた後、温度100℃〜200℃の範囲で乾燥させる工程Aを含むことを特徴とする触媒基体の製造方法である。
本出願における第15の発明は、第14の発明に記載の工程Aに続いて、以下に記載の工程Bを1回または2回以上行うことを特徴とする触媒基体の製造方法である。
工程B:前記排ガス浄化触媒を5質量%〜50質量%含有してなる水性スラリーに、触媒基体を浸漬し、引き上げた後、温度100℃〜200℃の範囲で乾燥させる工程。
本出願における第16の発明は、前記水性スラリーの25℃における粘度が、0.7mPa・s〜25mPa・sの範囲にあるものであることを特徴とする触媒基体の製造方法である。
本出願における第17の発明は、前記水性スラリーが粘度調整剤を含むものであることを特徴とする触媒基体の製造方法である。
本出願における第18の発明は、前記基体がハニカム構造を有するものであることを特徴とする触媒基体の製造方法である。
本出願における第19の発明は、前記排ガス浄化触媒がコート密度20g/l〜300g/lの範囲でコーティング処理されてなるハニカム型触媒基体である。
本出願における第20の発明は、前記ハニカム型触媒基体が、体積1cm〜5000cm、単位面積あたりのセル数100cells/inch〜1200cells/inchの範囲のものであることを特徴とするハニカム型触媒基体である。
本発明によれば、BaAlとBaAl1219とを含有する担体に活性金属を担持することにより活性金属の活性が向上するものと推測され、担体の比表面積が低下したり、担体上で活性金属が凝集したりするシンタリングが進行した場合であっても、従来の排ガス浄化触媒に比べて高い触媒活性を維持することができる。この結果、シンタリングの進行に伴う活性の低下を見越して使用開始時に必要量以上の活性金属を担持するといった方策を採る必要がないか、必要があったとしてもその担持量を削減することが可能となり触媒コストの低減に貢献することができる。
実施例に係る担体のX線回折パターンである。
[1]排ガス浄化触媒
本発明に係る排ガス浄化触媒は、所定量のBaAlおよびBaAl1219を含む担体に活性金属が担持してなるものである。担体中にBaAlとBaAl1219が共存することにより、排ガス浄化触媒の高温耐久性が向上し、高温雰囲気下においても優れた触媒性能(排ガス浄化効果)を示すことができる。本発明に係る排ガス浄化触媒について、以下に説明する。
排ガス浄化触媒の組成
本発明に係る排ガス浄化触媒は、BaAlおよびBaAl1219を含む担体であって、その2Θ値及び相対強度で規定されるX線回折パターンにおいて、BaAlの面指数(202)のピーク強度に対するBaAl1219の面指数(107)のピーク強度比が1:0.001〜1:7の範囲にある担体に活性金属が担持していることを特徴とするものである。前記担体は、例えば、アルミニウム含有化合物とバリウム含有化合物とを所定の比率で含む混合物の溶液を乾燥し、所定の条件下で焼結させることにより得ることができる。得られた担体は、スピネル構造のBaAlとマグネトプライムバイト(magnetoplumbite)構造のBaAl1219を含むものとなる。
前記担体について、X線回折パターンを測定した場合、回折角度28.2(2Θ/deg)にBaAlの面指数(202)に対応するピークが現れる。また、同じく回折角度33.1(2Θ/deg)にBaAl1219の面指数(107)面に対応するピークが現れる。このピークの強度比は、担体中に存在するBaAlおよびBaAl1219の質量比に対応するものである。本発明においては、両ピーク強度の比率は、1:0.001〜1:7の範囲にあるものが好ましい。このような担体に活性金属が担持してなる排ガス浄化触媒が、良好な触媒活性と高温での耐久性を示す作用機構の詳細については、明らかではないが、BaAlとBaAl1219が共存することにより、活性金属と担体の間の相互作用により、触媒の耐久性が向上したものと推察される。
BaAの面指数(202)のピーク強度を1とした場合、BaAl1219の面指数(107)のピーク強度が0.001未満の場合については、高温雰囲気での触媒の耐久性に問題がある。また、BaAlの面指数(202)のピーク強度1に対して、BaAl1219のピーク強度が7を超える場合については、本発明製造方法により得ることは容易ではない。前記ピーク強度比については、さらに好適には、1:0.01〜1:6の範囲が推奨される。
本発明に係る排ガス浄化触媒は、前記担体が、さらにAl、BaZrO又はZrOから選ばれる1種以上を含むものであっても構わない。この場合、そのX線回折パターンにおいてBaAlの面指数(202)面のピーク強度を1とした時のAlの面指数(113)のピーク強度比(D)は0〜5の範囲、BaZrOの面指数(310)面のピーク強度比(B)は0〜1の範囲、ZrOの面指数(220)面のピーク強度比(C)は0〜12の範囲(ただし、B、C、Dのうち少なくとも一つは0でない。)が好ましい。
なお、Alの面指数(113)のピークは、回折角度43.4(2Θ/deg)に、BaZrOの面指数、(310)のピークは、回折角度71.0(2Θ/deg)に、ZrOの面指数(220)面のピークは、回折角度50.2(2Θ/deg)に現れる。
担体中に存在するAlの割合が高まると、相対的にBaAlおよびBaAl1219の割合が低下するため、触媒としての耐久性に問題が生じる場合があるので、Alの面指数(113)のピーク強度比は、BaAlの面指数(202)のピーク強度1に対して、5以下であることが望ましい。
担体中におけるBaZrO又はZrOのX線回折パターンによるピーク強度は、BaAlの面指数(202)のピーク強度を1とした場合、BaZrOのそれは1以下、ZrOのそれは12以下が好適である。BaZrOのピーク強度比が1を超える場合、相対的にBaAlおよびBaAl1219の割合が低下するため望ましくない。また、ZrOの場合も同じくピーク強度比が12を超えると、相対的にBaAlおよびBaAl1219の割合が低下するため望ましくない。
前記Alの前記ピーク強度比については、好適には4以下が推奨され。同じく前記BaZrOのピーク強度比については、好適には0.4以下が推奨される。また、同じく前記ZrOのピーク強度比については、好適には9.8以下が推奨される。
本発明に係る排ガス浄化触媒に含まれるアルミニウムとバリウムの比率については、モル比が1:0.04〜1:0.8の範囲にあるものが好ましい。また、本発明に係る排ガス浄化触媒がジルコニウムを含む場合は、アルミニウムとジルコニウムのモル比が1:0〜1:0.5の範囲にあるものが好ましい。
排ガス浄化触媒の性状
従来の排ガス浄化用触媒の比表面積は、概ね100m/g程度であり、触媒として使用した場合、経時でシンタリングが進行し、経時で比表面積が低下し、触媒性能が低下する傾向があった。
本発明に係る排ガス浄化触媒の比表面積については、格別に限定されるものではなく、例えば、0.1〜70m/gの範囲で使用可能であるが、特に0.1m/g以上、1.3m/g以下の範囲であることが望ましい。本発明に係る排ガス浄化触媒は、当初から比表面積を低く設計した場合であっても、実用的な触媒活性を示すことが可能である。前記比表面積については、好ましくは0.1m/g〜2m/g程度の範囲が推奨される。
活性金属
前記活性金属としては、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Au及びAgからなる貴金属群から選ばれる少なくとも1種類以上の活性金属が使用される。
排ガス浄化触媒の担体中にスピネル構造のBaAlやマグネトプライムバイト構造のBaAl1219を含有していることで、汚染物質の分解活性が高くなり、また、その耐久性が向上する理由は必ずしも明らかではないが、BaAlとBaAl1219とを含んだ担体に、貴金属からなる活性金属を担持すると、BaAlやBaAl1219は該活性金属に対して、助触媒としての役割を果たしているものと考えられる。
前記排ガス浄化触媒に占める活性金属の割合については、0.01質量%以上、2.0質量%以下の範囲が好ましい。活性金属の割合が0.01質量%未満の場合は、実用的な触媒性能が得られない場合がある。また、活性金属の割合が2.0質量%を超える場合は、触媒活性を向上させる効果が飽和する傾向が強くなるので、必ずしも必要とはされない。排ガス浄化触媒に占める活性金属の割合については、さらに好適には0.03〜1.0質量%の範囲が推奨される。
前記活性金属については、担体に担持して平均粒子径2〜700nmの範囲であることが好ましい。2nm未満の場合は、調製が容易ではない場合がある。700nmを超える場合は、比表面積が小さくなるため、触媒活性の低下が顕著となる場合がある。前記活性金属の平均粒子径については、更に好適には10〜100nmの範囲が推奨される。
本発明に係る排ガス浄化触媒には、前記活性金属に加えて、例えば遷移金属元素あるいは希土類元素等の元素、例えばTi(チタン)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)などから選択される1以上の元素を添加剤として担持しても構わない。これらの添加剤は、活性向上の目的で必要に応じて適宜添加される。
[2]排ガス浄化触媒の製造方法
本発明に係る排ガス浄化触媒は、アルミニウム含有化合物及びバリウム含有化合物の混合物を800〜1600℃の範囲で焼成し、得られた担体に活性金属を担持させることを特徴とするものである。本発明に係る排ガス浄化触媒の製造方法について、以下に記す。
担体の製造工程
本発明に係る排ガス浄化触媒は、例えば次のようにして製造することができるが、これに限定されるものではない。
原料としては、少なくともアルミニウム含有化合物とバリウム含有化合物を使用する。通常は、バリウム、アルミニウム夫々の酸化物、水酸化物、硝酸塩、塩化物、酢酸塩、炭酸塩、錯塩及びアルコキシドから選ばれる1種類以上ずつを使用する。
具体的には、前記アルミニウム含有化合物としては、アルミニウム酸化物、アルミニウム水酸化物、アルミニウム硝酸塩、アルミニウム塩化物、アルミニウム酢酸塩、アルミニウム炭酸塩、アルミニウム錯塩又はアルミニウムアルコキシドから選ばれるアルミニウム含有化合物が好適に使用される。また、前記バリウム含有化合物としては、バリウム酸化物、バリウム水酸化物、バリウム硝酸塩、バリウム塩化物、バリウム酢酸塩、バリウム炭酸塩、バリウム錯塩又はバリウムアルコキシドから選ばれるバリウム含有化合物が好適に使用される。
使用するアルミニウム含有化合物及びバリウム含有化合物の性状(例えば、粉末状であるか溶液であるかなど)に応じて固相混合法、液相混合法、共沈法、含浸法などの適切な混合方法を選択し、これらの原料の混合物を調製する。
なお、担体の調製にあたっては、前記アルミニウム含有化合物及びバリウム含有化合物に加えて、ジルコニウム含有化合物を加えても構わない。使用するジルコニウム含有化合物としては、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム水酸化物、ジルコニウム硝酸塩、ジルコニウム塩化物、ジルコニウム酢酸塩、ジルコニウム炭酸塩、ジルコニウム錯塩、ジルコニウムアルコキシドからなるジルコニウム源群から選択される少なくとも1種類以上を使用することができる。
各原料を混合するにあたっては、各原料の混合比と、焼成後の担体中のBaAlとBaAl1219の含有量との相関関係を予備実験などにより予め求めておき、排ガス浄化触媒中のBaAl、BaAl1219の含有量が設計値となるように各原料の混合比を当該相関に基づいて決定することが望ましいが、通常は、アルミニウム含有化合物とバリウム含有化合物とを、アルミニウムとバリウムのモル比を1:0.04〜1:0.8の範囲に調整して混合することが好ましい。また、ジルコニウム含有化合物を使用する場合は、アルミニウムとジルコニウムとのモル比が1:0〜1:0.5の範囲に調整して混合することが好ましい。
既述のように本実施の形態に係わる担体中には、スピネル構造のBaAlとマグネトプライムバイト構造のBaAl1219との2種類の物質が含有されていることが必要である。即ち、前記混合物を例えば800℃よりも低い温度にて焼成し、例えば単純にBaO、Al、ZrOの結晶のみが混ざり合った単体を得たとしても、本実施の形態に係わる排ガス浄化触媒のように、比表面積が小さく、粒径の大きな活性金属が担持された状態において高い触媒活性を示す排ガス浄化触媒を得ることはできない。
得られた混合物は、必要に応じて乾燥させ、その後、例えば空気中で800℃〜1600℃の範囲の温度にて焼成することにより、本実施の形態に係わる排ガス浄化触媒の担体を得ることができる。焼成温度が800℃よりも低い場合には、スピネル構造のBaAl及びマグネトプライムバイト構造のBaAl1219が形成されにくく十分な触媒活性を得ることができない。また1600℃を越える温度で焼成を行う場合には、耐熱性の高い特殊な炉材を用いた焼成炉が必要となり経済性が低くなるおそれがある。
活性金属の担持工程
本発明に係る排ガス浄化触媒の製造方法においては、前記担体にPt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、AuまたはAgから選ばれる貴金属から選ばれる活性金属を担持させる。担持方法については、格別に限定されるものではないが、通常は固相混合法、液相混合法、共沈法、含浸法、逆ミセル法などの各種の担持法が適用される。
例えば含浸法による場合は、前記活性金属の単体の溶液または前記活性金属を含む化合物(例えば、金属塩、金属酸化物、金属水酸化物)の溶液に、前記工程で調製した担体を含浸させ、溶媒を蒸発乾固体させた後、大気中または不活性雰囲気中にて温度300〜550℃で焼成することにより、排ガス浄化触媒を調製する。前記焼成時間については、通常は1〜5時間の範囲で行なわれる。なお、焼成に先立って、温度90〜150℃で1〜12時間の範囲で乾燥処理を行っても構わない。
前記活性金属の単体又は活性金属を含む化合物の溶液の溶媒については、水または有機溶媒が使用される。ここで、有機溶媒としては、担体、活性金属の単体金属又は活性金属を含む化合物と反応性のないものであれば使用することができる。
排ガス浄化触媒における前記活性金属の担持量又は担持した活性金属の粒子径については、活性金属の担持方法によっても異なるが、通常は前記活性金属の金属単体の溶液又は活性金属を含む化合物の溶液に含まれる金属成分の濃度を調節することにより制御することができる。金属濃度としては、通常は0.1〜10質量%の範囲が選択される。なお、排ガス浄化触媒に担持した活性金属の粒子径については、担体の組成によっても影響を受ける場合があるため、排ガス浄化触媒の設計に当たっては、事前に担体組成、活性金属の種類、活性金属単体溶液又は活性金属を含む化合物の溶液濃度などについて、実験により検量線を作成することが推奨される。
本発明に係る排ガス浄化触媒における活性金属の担持量は、排ガス浄化触媒の全質量に対して、0.01重量%〜2.0重量%の範囲が望ましく、更に好適には0.03重量%〜2.0重量%の範囲が推奨される。活性金属の担持量が0.01質量%を下回る場合には、十分な触媒活性が得られないことがあり、担持量が2.0質量%を上回る場合には触媒活性を向上させる効果が飽和する場合があり、2.0質量%以上の担持は不要となる場合がある。
製造された排ガス浄化触媒は、例えばセラミック製のハニカム基体に例えば吸引法、流し込み法またはウォッシュコート法などによってコーティングすることにより、本実施の形態の触媒基体(ハニカム型触媒基体)であるモノリス触媒を得ることができる。ウォッシュコート法は、前記排ガス浄化触媒を均一に分散させ、粘度を調整した水性スラリー中に当該基体を浸漬してから引き上げ、これを乾燥させることにより触媒をコーティングする手法である。なお、自動車などに搭載する排ガス浄化触媒の形状はモノリス触媒に限定されるものではなく、例えば打錠や転動により、触媒をペレット状に形成してもよい。
ウォッシュコート法によるモノリス触媒の製造方法について以下に記す。
(水性スラリーの調製)
前記排ガス浄化触媒を(A)水または(B)水及び水溶性溶媒からなる混合溶媒に分散させることにより水性スラリーを調製する。水性スラリーにおける排ガス浄化触媒の濃度(固形分濃度)については、5質量%〜50質量%の範囲が好ましい。5質量%未満では、基体の浸漬を反復する回数が多くなり、また、50質量%を超える場合は、粘度が増大し、例えばセラミック製のハニカム基体であれば、スラリーがセルの中を通り抜けにくいといった問題がある。水性スラリーにおける排ガス浄化触媒の濃度については、さらに好適には5質量%〜10質量%の範囲が推奨される。
前記水溶性溶媒としては、通常は、水溶性アルコール類、ケトン類、アルデヒト類、エーテル類、エステル類、カルボン酸類、ヒドロキシ酸類などが好適に使用される。このうち実用的には、アルコール類、ケトン類、カルボン酸類などが好ましい。水と水溶性溶媒の混合比としては、通常は、100:0〜100:40の範囲が望ましい。
前記水性スラリーについては、好適には、25℃での粘度が0.7mPa・s〜25mPa・sの範囲であるものが好適に使用される。粘度が0.7mPa・s未満の場合は、基体の浸漬処理を反復する回数が増大し、実用的ではない。また、粘度が25mPa・sを超える場合は、例えばセラミック製のハニカム基体であれば、スラリーがセルの中を通り抜けにくいといった問題がある。水性スラリーの粘度のさらに好適な範囲としては1mPa・s〜10mPa・sの範囲が推奨される。
前記水性スラリーには、必要に応じて、粘度調整剤を添加してもかまわない。このような粘度調整剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース系粘度調整剤、ポリアクリル酸ナトリウム、アルカリ可溶性エマルション、会合型アルカリ可溶性エマルションなどのポリカルボン酸系粘度調整剤、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルエステル、会合型ポリエチレングリコール誘導体などのポリエチレングリコール系粘度調整剤、ポリビニルアルコールなどのその他の水溶性高分子系粘度調整剤、モンモリロナイト、ヘクトライト、サポナイトなどのスメクタイト系の粘度調整剤などが挙げられる。これらの粘度調整剤は、単独で用いても2種類以上を併用してもよい。なお、前記水溶性溶媒の中にも粘度調整機能を有するものがある。この例としてはポリビニルアルコールなどを挙げることができる。粘度調整剤の添加量については、水性スラリーを所望の粘度に調整できる程度の添加されるものであるが、通常は水性スラリーに対して0質量%〜40質量%の範囲で添加される。
(浸漬処理)
水性スラリーへの基体の浸漬については、水性スラリーを満たした容器に基体の全体を浸し、通常は10秒〜300秒経過した後、引き上げる方法がとられる。浸漬処理を行う際の水性スラリーの温度については、通常は常温で行われるが、基体上に予定した程度の量の水性スラリーがコートされる限り、格別に制限されるものではない。
(乾燥処理)
水性スラリーへの浸漬処理を終えた基体については、温度100℃〜200℃の範囲で、加熱、乾燥を行う。乾燥処理時間としては、通常は10分〜120分の範囲で行われるが、この範囲に限定されるものではない。乾燥温度が100℃未満の場合は、乾燥効率の点で実用性に劣る。200℃を超える場合は急激な乾燥によりコート層が剥離する問題がある。
基体にウォッシュコート法にて触媒層をコートする場合、通常は所望のコート密度が得られるまで、得られた触媒基体にさらに1回または2回以上のウォッシュコート法を適用して、コート密度を高める方法がとられる。例えば、ハニカム基体へのガス浄化触媒のコート密度が、20g/l〜300g/lの範囲となるようにコーティング処理することが好適である。
(基体)
触媒層をコートして触媒基体とするための基体としては、ハニカム構造体が好適に用いられる。ハニカム構造体からなる基体の材質としては、例えばコージェライト製のセラミックハニカムなどが使用されるが、これに限定されるものではない。例えばコルゲートハニカムやメタルハニカムなどでもよい。ハニカム構造体の仕様としては、通常は体積が1cm〜5000cm、単位面積あたりのセル数が100cells/inch〜1200cells/inchのものが好適に使用される。
以上に述べた手法によって得られた排ガス浄化触媒は、後述の実験結果に示すように、従来の排ガス浄化触媒と比較して比表面積が小さく、且つ活性金属の担持量が少ないにも拘らず、排ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素、炭化水素を分解して排ガスを浄化する高い触媒活性を備えている。さらにこの排ガス浄化触媒は、高温の排ガスと長期間接触させてもその触媒活性が低下しにくいといった特徴も備えている。
[1]X線回折測定(XRD)
X線回折測定は株式会社リガク製MultiFlexを用いた。測定はX線源をCu、波長15.4056nm)、管電圧を40kV、管電流を20mA、データ範囲を2Θ=10〜80Deg.、サンプリング間隔を0.02Deg.、スキャン速度を0.3Deg./秒、発散スリットを1.0Deg.、散乱スリットを1.0Deg.、発光スリットを0.3mmの条件で行った。
[2]比表面積測定
比表面積はBET法によって測定した。測定はユアサアイオニクス株式会社製マルチソーブ12型を用い、サンプルの前処理は250℃で40分間行った。
[3]COパルス法による担持微粒子の平均粒子径測定
貴金属の担持微粒子の平均粒子径測定は、自作の流通式の装置を用いた。測定は日本触媒学会発行の触媒(1986年,page28-41)に記載されているCOパルス法によって求めた。
[4]触媒活性試験
実施例及び比較例で調製した各排ガス浄化触媒を高温雰囲気下で保持する高温耐久処理を行い、処理前後での触媒の活性を調べた。使用したモノリス触媒の作製方法とライトオフ温度の測定方法は次の通り。
(1)モノリス触媒の作製方法
実施例及び比較例で調製した排ガス浄化触媒を水に分散して、排ガス浄化用触媒を含有するスラリー(固形分30質量%)を得た。そして、コージェライト製のセラミックハニカム基体(体積5.3cm、400cells/inch)を前記スラリー中に浸漬し、引き上げる方法(ウォッシュコート法)により、コート密度が100g/Lとなるようにコートして、基体上に均一な触媒層を形成させ、サンプル用のモノリス触媒を得た。なお、乾燥条件は、何れも温度150℃、30分とし、ウォッシュコートの回数は1回とした。
(2)ライトオフ温度の測定方法
各モノリス触媒を800℃に加熱した大気雰囲気中で24時間保持する高温耐久処理を行い、当該処理の前後にてモデルガスを処理し、各触媒の耐久性能を調べた。
モデルガスの処理実験にあたっては、各モノリス触媒を常圧流通式の試験装置に装填し、(表1)に示す組成のモデルガス(理論空気比14.7)を空間速度50000h−1で通流した。試験装置の触媒のホルダーにはヒータが設けられており、このヒータによりモノリス触媒の温度を150℃から650℃へと漸次上昇させ、モデルガス中のプロピレン(C:以下HCという)の浄化率((モノリス触媒入口のHC濃度−モノリス触媒出口のHC濃度)×100/モノリス触媒入口のHC濃度[%])が50%に達したときの温度をライトオフ温度(以下、T50温度と記す)と定義して、このライトオフ温度を比較することにより評価を行った。
Figure 2010207807
NO:一酸化窒素、CO:一酸化炭素、H:水素、C:プロピレン、N:窒素
[実施例1]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)100gと硝酸バリウム(和光純薬工業株式会社製、和光特級)水溶液(固形分10質量%)544g(固形分54.4g)を加えて、その全量を含浸させた後、ホットプレートを用いて水分を蒸発させて乾固した。乾固して得られ固体をさらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥させた後、1500℃の大気雰囲気中で10時間焼成することにより粉体状の担体を調製した。得られた担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Pt金属として4.5質量%含有)11.1gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。また、X線回折パターンを図1に示す。
[実施例2]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)100gと酸化ジルコニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)37gを混合し、硝酸バリウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、和光特級)(固形分10質量%)846g(固形分84.6g)を加えて、その全量を含浸させた後、ホットプレートを用いて水分を蒸発させて乾固した。乾固して得られ固体をさらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥させた後、1500℃の大気雰囲気中で10時間焼成することにより粉体状の担体を調製した。
得られた担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Pt金属として4.5質量%含有)3.33gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[実施例3]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)100gと酸化ジルコニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)37gを混合し、硝酸バリウム(和光純薬工業株式会社製、和光特級)水溶液(固形分10質量%)846g(固形分84.6g)を加えて、その全量を含浸させた後、ホットプレートを用いて水分を蒸発させて乾固した。乾固して得られ固体をさらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥させた後、1500℃の大気雰囲気中で10時間焼成することにより粉体状の担体を調製した。
得られた担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Ptとして4.5質量%含有)5.6gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[実施例4]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)100gと酸化ジルコニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)37gを混合し、硝酸バリウム(和光純薬工業株式会社製、和光特級)水溶液(固形分10質量%)846g(固形分84.6g)を加えて、その全量を含浸させた後、ホットプレートを用いて水分を蒸発させて乾固した。乾固して得られ固体をさらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥させた後、1500℃の大気雰囲気中で10時間焼成することにより粉体状の担体を調製した。
得られた担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Ptとして4.5質量%含有)11.1gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[実施例5]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)100gと酸化ジルコニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)26gを混合し、硝酸バリウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、和光特級)(固形分10質量%)195g(固形分19.5g)を加えて、その全量を含浸させた後、ホットプレートを用いて水分を蒸発させて乾固した。乾固して得られ固体をさらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥させた後、1500℃の大気雰囲気中で10時間焼成することにより粉体状の担体を調製した。
得られた担体50gに硝酸ロジウム溶液(田中貴金属工業株式会社Rhとして4質量%含有)1.25gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Rhの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[実施例6]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)100gと酸化ジルコニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)26gを混合し、硝酸バリウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、和光特級)(固形分10質量%)295g(固形分29.5g)を加えて、その全量を含浸させた後、ホットプレートを用いて水分を蒸発させて乾固した乾固して得られ固体をさらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥させた後、1500℃の大気雰囲気中で10時間焼成することにより粉体状の担体を調製した。得られた担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Pt金属として4.5質量%含有)11.1gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[比較例1]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)からなる担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Ptとして4.5質量%含有)3.33gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[比較例2]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)からなる担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Ptとして4.5質量%含有)11.1gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[比較例5]
BaAl粉末(株式会社高純度化学研究所製、2N)75gと酸化ジルコニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)25gを混合することにより粉体状の担体を調製した。
得られた担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Ptとして4.5質量%含有)3.33gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[比較例6]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)100gと硝酸バリウム(和光純薬工業株式会社製、和光特級)水溶液(固形分10質量%)141g(固形分14.1g)を加えて、その全量を含浸させた後、ホットプレートを用いて水分を蒸発させて乾固した。乾固して得られ固体をさらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥させた後、1500℃の大気雰囲気中で10時間焼成することにより粉体状の担体を調製した。
得られた担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Ptとして4.5質量%含有)3.3gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[比較例7]
BaAl粉末(株式会社高純度化学研究所製、2N)からなる担体50gにジニトロジアンミン白金溶液(田中貴金属工業株式会社、Ptとして4.5質量%含有)3.33gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、1500℃の大気雰囲気中で10時間焼成することにより粉体状の担体を調製した。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Ptの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
[比較例8]
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)からなる担体50gに硝酸ロジウム溶液(田中貴金属工業株式会社Rhとして4質量%含有)1.25gを加えて、その全量を含浸させ、ホットプレートを用いて、蒸発乾固させて、さらに110℃の大気雰囲気中で3時間乾燥後、400℃の大気雰囲気中で3時間焼成し、排ガス浄化触媒を得た。この排ガス浄化触媒についての調製条件を表2、表3に記し、分析結果(X線回折、比表面積、Rhの平均粒子径)並びにライトオフ温度の測定結果を表4および表5に記す。
Figure 2010207807
Figure 2010207807
Figure 2010207807
Figure 2010207807

Claims (20)

  1. BaAlおよびBaAl1219を含む担体であって、その2Θ値及び相対強度で規定されるX線回折パターンにおいて、BaAlの面指数(202)のピーク強度に対するBaAl1219の面指数(107)のピーク強度比が1:0.001〜1:7の範囲にある担体に活性金属が担持していることを特徴とする排ガス浄化触媒。
  2. 前記担体が更にAl、BaZrO又はZrOから選ばれる1種以上を含むものであり、その2Θ値及び相対強度で規定されるX線回折パターンにおいて、BaAlの面指数(202)のピーク強度を1とした時のAlの面指数(113)のピーク強度比(D)が0〜5の範囲、BaZrOの面指数(310)のピーク強度比(B)が0〜1の範囲、ZrOの面指数(220)のピーク強度比(C)が0〜12の範囲(ただし、B、C又はDのうち少なくとも一つは0でない。)にあることを特徴とする請求項1記載の排ガス浄化触媒。
  3. 前記排ガス浄化触媒の比表面積が0.1m/g以上、70m/g以下の範囲にあることを特徴とする請求項1または2に記載の排ガス浄化触媒。
  4. 前記活性金属がPt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Au及びAgからなる貴金属群から選ばれる少なくとも1種類以上の活性金属であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の排ガス浄化触媒。
  5. 前記活性金属の担持量が、前記排ガス浄化触媒の0.01質量%以上、2.0質量%以下の範囲にあることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の排ガス浄化触媒。
  6. 前記排ガス浄化触媒に担持された活性金属の平均粒径が2nm以上、700nm以下の範囲であることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の排ガス浄化触媒。
  7. 次の(1)と(2)の工程を含むことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一つに記載の排ガス浄化触媒の製造方法。
    (1)アルミニウム含有化合物とバリウム含有化合物とを含む混合物であって、アルミニウムとバリウムのモル比が1:0.04〜1:0.8の範囲であるものを800℃以上、1600℃以下の温度で焼成し、担体を調製する工程。
    (2)前記担体にPt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Au及びAgからなる貴金属群から選ばれる少なくとも1種類以上の活性金属を担持させる工程。
  8. 次の(1)と(2)の工程を含むことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一つに記載の排ガス浄化触媒の製造方法。
    (1)アルミニウム含有化合物、バリウム含有化合物及びジルコニウム含有化合物を含む混合物であって、アルミニウムとバリウムのモル比が1:0.04〜1:0.8の範囲、アルミニウムとジルコニウムのモル比が1:0〜1:0.5の範囲であるものを800℃以上、1600℃以下の温度で焼成し、担体を調製する工程。
    (2)前記担体にPt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Au及びAgからなる貴金属群から選ばれる少なくとも1種類以上の活性金属を担持させる工程。
  9. 前記アルミニウム含有化合物が、アルミニウム酸化物、アルミニウム水酸化物、アルミニウム硝酸塩、アルミニウム塩化物、アルミニウム酢酸塩、アルミニウム炭酸塩、アルミニウム錯塩、アルミニウムアルコキシドから選択される少なくとも1種類以上であることを特徴とする請求項7または8記載の排ガス浄化触媒の製造方法。
  10. 前記バリウム含有化合物が、バリウム酸化物、バリウム水酸化物、バリウム硝酸塩、バリウム塩化物、バリウム酢酸塩、バリウム炭酸塩、バリウム錯塩、バリウムアルコキシドから選択される少なくとも1種類以上であることを特徴とする請求項7または8記載の排ガス浄化触媒の製造方法。
  11. 前記ジルコニウム含有化合物は、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム水酸化物、ジルコニウム硝酸塩、ジルコニウム塩化物、ジルコニウム酢酸塩、ジルコニウム炭酸塩、ジルコニウム錯塩、ジルコニウムアルコキシドから選択される少なくとも1種類以上であることを特徴とする請求項8記載の排ガス浄化触媒の製造方法。
  12. 前記排ガス浄化触媒に含まれるアルミニウムとバリウムのモル比が1:0.04〜1:0.8の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の排ガス浄化触媒。
  13. 前記排ガス浄化触媒に含まれるアルミニウムとバリウムのモル比が1:0.04〜1:0.8の範囲にあり、アルミニウムとジルコニウムのモル比が1:0〜1:0.5の範囲にあることを特徴とする請求項2記載の排ガス浄化触媒。
  14. 請求項1〜6、12、13の何れかに記載の排ガス浄化触媒を5質量%〜50質量%含有してなる水性スラリーに、基体を浸漬し、引き上げた後、温度100℃〜200℃の範囲で乾燥させる工程Aを含むことを特徴とする触媒基体の製造方法。
  15. 請求項14記載の工程Aに続いて、以下に記載の工程Bを1回または2回以上行うことを特徴とする触媒基体の製造方法。
    工程B:前記排ガス浄化触媒を5質量%〜50質量%含有してなる水性スラリーに、触媒基体を浸漬し、引き上げた後、温度100℃〜200℃の範囲で乾燥させる工程。
  16. 前記水性スラリーの25℃における粘度が、0.7mPa・s〜25mPa・sの範囲にあるものであることを特徴とする請求項14または請求項15記載の触媒基体の製造方法。
  17. 前記水性スラリーが粘度調整剤を含むものであることを特徴とする請求項14、請求項15または請求項16記載の触媒基体の製造方法。
  18. 前記基体がハニカム構造を有するものであることを特徴とする請求項14、請求項15、請求項16または請求項17記載の触媒基体の製造方法。
  19. 請求項1〜6、12、13の何れかに記載の排ガス浄化触媒がコート密度20g/l〜300g/lの範囲でコーティング処理されてなるハニカム型触媒基体。
  20. 前記ハニカム型触媒基体が、体積1cm〜5000cm、単位面積あたりのセル数100cells/inch〜1200cells/inchの範囲のものであることを特徴とする請求項19記載のハニカム型触媒基体。
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