JP2010253430A - 排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒体 - Google Patents

排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒体 Download PDF

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拓巳 岡本
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Abstract

【課題】低温においても排ガス中の炭化水素等の有害成分を充分に浄化でき、耐熱性に優れた排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒体を提供すること。
【解決手段】内燃機関10から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒体である。排ガス浄化システム1は、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層を第1基材に担持してなる貴金属触媒担持体2と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層を第2基材に担持してなる酸化物半導体担持体3とを有する。酸化物半導体担持体3は、貴金属触媒担持体よりも排ガス流路15における上流側に配置されている。また、排ガス浄化触媒体においては、酸化物半導体層は、貴金属触媒層よりも排ガス流路における上流側で基材に担持されているか、または、貴金属触媒層上に積層形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒体に関する。
自動車の排ガスに含まれる炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)等の有害成分を浄化するために排ガス浄化触媒体が用いられている。
この排ガス浄化触媒体としては、例えばPt、Pd、Rh等の貴金属からなる触媒成分が担持されたアルミナ等の酸化物粒子を、コージェライト等の多孔質基材に担持してなるものがある。このような排ガス浄化触媒体を用いると、排ガス中に含まれる炭化水素、一酸化炭素、及び一酸化窒素(NO)を同時に浄化することが可能になる。
しかし、エンジンの始動直後の低温時においては、排ガス中の特に炭化水素に対しての浄化(酸化)性能が充分ではなかった。そのため、自動車の排ガス浄化触媒体として用いるために、低温時における炭化水素の浄化性能の向上が望まれている。
例えば、Pt等の貴金属触媒を酸化チタン等の酸化物担体に担持させた排ガス浄化用触媒が開発されている(特許文献1参照)。このような構成の排ガス浄化用触媒においては、酸化チタン等からなる酸化物担体の半導体特性により、これに担持された貴金属の活性を向上させることができる。
また、酸化チタンは、光触媒作用を有しており、その触媒作用によってダイオキシン等の環境汚染物質等を浄化する装置が開発されている(特許文献2参照)。
特開平8−71418号公報 特開2001−104752号公報
しかしながら、酸化チタンなどからなる酸化物担体に貴金属触媒を担持させた触媒においては、酸化物担体と貴金属触媒との密着性が悪い。そのため、例えば1000℃という高温での使用環境下において貴金属触媒が凝集し、浄化性能が損なわれるおそれがある。また、光触媒作用を利用した浄化装置においては、貴金属触媒の触媒作用を向上させることはできず、炭化水素等を充分に浄化させることが困難になる。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低温においても排ガス中の炭化水素等の有害成分を充分に浄化でき、耐熱性に優れた排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒体を提供しようとするものである。
第1の発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化システムにおいて、
該排ガス浄化システムは、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層を第1基材に担持してなる貴金属触媒担持体と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層を第2基材に担持してなる酸化物半導体担持体とを有し、
該酸化物半導体担持体は、上記貴金属触媒担持体よりも排ガス流路における上流側に配置されていることを特徴とする排ガス浄化システムにある(請求項1)。
第2の発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化触媒体において、
該排ガス浄化触媒体は、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層とを基材に担持してなり、
上記酸化物半導体層は、上記貴金属触媒層よりも排ガス流路における上流側で上記基材に担持されていることを特徴とする排ガス浄化触媒体にある(請求項8)。
第3の発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化触媒体において、
上記排ガス浄化触媒体は、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層とを基材に担持してなり、
上記酸化物半導体層は、上記基材上に担持された上記貴金属触媒層上に積層形成されていることを特徴とする排ガス浄化触媒体にある(請求項9)。
上記第1の発明においては、貴金属触媒を含有する上記貴金属触媒層と、酸化物半導体を含有する上記酸化物半導体層とをそれぞれ別々に基材(上記第1基材及び上記第2基材)に担持させている。
上記貴金属触媒と例えば酸化チタン等からなる上記酸化物半導体とは密着性に問題があるが、上記のごとくこれらを別々の基材に担持させることにより、上記貴金属触媒と上記酸化物半導体とをそれぞれ基材に密着性よく担持させることができる。そのため、高温環境下における貴金属触媒の凝集を抑制し、貴金属触媒の触媒性能の低下を抑制することができる。
また、上記排ガス浄化システムにおいては、上記排ガス流路において、上記酸化物半導体担持体を上記貴金属触媒担持体よりも上流側に配置している。即ち、上記排ガス流路において、上記酸化物半導体を上流側に配置し、上記貴金属触媒体を下流側に配置している。
そのため、上記酸化物半導体担持体において排ガス中に含まれる炭化水素等の有害物質を低分子化し、上記貴金属触媒担持体においては低分子化した有害成分を浄化することができる。表1に示すごとく、炭化水素等の有害物質は、一般に低分子で分子量が小さいほど燃焼熱が小さく、より低温で浄化することが可能になる。
本発明においては、上記のごとく上記酸化物半導体担持体において低分子化された炭化水素等の有害物質を上記貴金属触媒担持体において浄化できるため、例えば自動車のエンジンの始動直後における低温状態でも排ガス中に含まれる有害物質の浄化が可能になる。
Figure 2010253430
このように、第1の発明によれば、低温においても排ガス中の炭化水素等の有害成分を充分に浄化でき、耐熱性に優れた排ガス浄化システムを提供することができる。
また、第2及び第3の発明の排ガス浄化触媒体においては、貴金属触媒を含有する上記貴金属触媒層と酸化物半導体を含有する上記酸化物半導体層とを同一の基材に担持させている。上記第2の発明においては、上記酸化物半導体層を上記貴金属触媒層よりも排ガス流路における上流側で上記基材に担持している。また、上記第3の発明においては、上記酸化物半導体層を、上記基材上に担持された上記貴金属触媒層上に積層形成している。
このように、上記貴金属触媒層と上記酸化物半導体層とを別々に担持させているため、酸化物半導体と貴金属触媒との直接的な密着性の低さに影響されることなく、上記基材に密着性よく担持させることができる。そのため、高温環境下における貴金属触媒の凝集を抑制し、貴金属触媒の触媒性能の低下を抑制することができる。
また、第2の発明においては、上記酸化物半導体層は、上記貴金属触媒層よりも排ガス流路における上流側で上記基材に担持されている。また、第3の発明においては、上記酸化物半導体層は、上記基材上に担持された上記貴金属触媒層上に積層形成されている。そのため、上記第2及び上記第3の発明の上記排ガス浄化触媒体においては、上記酸化物半導体層において排ガス中に含まれる炭化水素等の有害物質を低分子化し、上記貴金属触媒層においては低分子化した有害成分を浄化することができる。そのため、例えば自動車のエンジンの始動直後における低温状態でも排ガス中に含まれる有害物質の浄化が可能になる。
このように、第2及び第3の発明によれば、低温においても排ガス中の炭化水素等の有害成分を充分に浄化でき、耐熱性に優れた排ガス浄化触媒体を提供することができる。
実施例1にかかる、排ガス流路の上流側に酸化物半導体担持体を配置し、下流側に貴金属触媒担持体を配置してなる排ガス浄化システムの構成を示す説明図。 実施例1にかかる、貴金属触媒担持体の全体構造を示す説明図(a)、貴金属触媒担持体の径方向断面を示す説明図(b)、貴金属触媒担持体におけるセル壁近傍部分を示す説明図(c)。 実施例1にかかる、酸化物半導体担持体の全体構造を示す説明図(a)、酸化物半導体担持体の径方向断面を示す説明図(b)、酸化物半導体担持体におけるセル壁近傍部分を示す説明図(c)。 実施例1にかかる、貴金属触媒層の構成を示す説明図。 実施例1にかかる、酸化物半導体層の構成を示す説明図。 実施例1にかかる、触媒材料のスラリー中に基材を浸漬する様子を示す説明図(a)、酸化物半導体材料のスラリー中に基材を浸漬する様子を示す説明図(b)。 実施例2にかかる、排ガス浄化触媒体の全体構造を示す説明図(a)、排ガス浄化触媒体の径方向断面を示す説明図(b)、排ガス浄化触媒体におけるセル壁近傍部分を示す説明図(c)。 実施例2にかかる、触媒材料のスラリー中に基材を浸漬する様子を示す説明図(a)、酸化物半導体材料のスラリー中に基材を浸漬する様子を示す説明図(b)。 実施例3にかかる、排ガス浄化触媒体の全体構造を示す説明図(a)、排ガス浄化触媒体の上流側における径方向断面を示す説明図(b)、排ガス浄化触媒体の上流側におけるセル壁近傍部分を示す説明図(c)、排ガス浄化触媒体の下流側における径方向断面を示す説明図(d)、排ガス浄化触媒体の下流側におけるセル壁近傍部分を示す説明図(e)。 実施例3にかかる、排ガス浄化触媒体の中央部分におけるセル壁近傍部分を示す説明図。 実施例3にかかる、触媒材料のスラリー中に基材を浸漬する様子を示す説明図(a)、酸化物半導体材料のスラリー中に基材を浸漬する様子を示す説明図(b)。
本発明において、上記酸化物半導体層は、上記酸化物半導体の粒子と、アルミナ、ジルコニア、セリア、及びシリカから選ばれる1種以上からなる担体粒子とが凝集してなることが好ましい(請求項2、請求項10)。
この場合には、上記担体粒子の優れた密着性を生かして、上記酸化物半導体を充分に上記基材に密着させることができる。また、この場合には、多孔質の上記酸化物半導体層を形成することができるため、上記酸化物半導体層のガス拡散性を向上させることができる。そのため、上記酸化物半導体と排ガスとが接触し易くなり、上記酸化物半導体による炭化水素等の低分子化をより充分に行うことができる。それ故、低温における排ガスの浄化性能をより向上させることができる。
上記酸化物半導体は、バンドギャップ(エネルギーギャップ)が0.6eV〜6.0eVの範囲にある酸化物、複合酸化物、固溶体等である。バンドギャップは、例えばフォトルミネッセンス装置等により測定することができる。より好ましくは1.0eV〜5.0eVの範囲、更に好ましくは2.0eV〜3.5eVの範囲の酸化物半導体を用いることがよい。
好ましくは、上記酸化物半導体は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化カドミウム、酸化銀、酸化鉄、酸化マンガン、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化銅、及び酸化インジウムから選ばれる1種以上からなることが好ましい(請求項3、請求項11)。
この場合には、上記酸化物半導体は、炭化水素に対して優れた酸化性能を示すことができ、炭化水素をより充分に低分子化することができる。そのため、低温での浄化性能をより向上させることができる。また、上記酸化物半導体としては、酸化チタン等の上述の酸化物だけでなく、これらの金属元素を複数含有する複合酸化物、固溶体等を用いることができる。
上記貴金属触媒層は、上記貴金属触媒の粒子と、アルミナ、ジルコニア、セリア、及びシリカから選ばれる1種以上からなる担体粒子と、Ce/Zr複合酸化物、Fe系酸化物、及びLnオキシ硫酸塩から選ばれる1種以上からなる助触媒粒子とが凝集してなることが好ましい(請求項4、請求項12)。
この場合には、上記担体粒子の優れた密着性を生かして、上記貴金属触媒の粒子及び上記助触媒粒子を充分に上記基材に密着させることができる。また、この場合には、多孔質の上記貴金属触媒層を形成することができるため、該貴金属触媒層のガス拡散性を向上させることができる。そのため、上記貴金属触媒と排ガスとが接触し易くなり、排ガスの浄化性能をより向上させることができる。さらにこの場合には、上記助触媒粒子と上記貴金属触媒との相乗効果により排ガス中の有害成分に対する浄化性能をより向上させることができる。
また、上記貴金属触媒は、Pt、Pd、Rhから選ばれる少なくとも1種を主成分とすることが好ましい(請求項5、請求項13)。
この場合には、上記貴金属触媒層の有害物質に対する浄化性能をより向上させることができる。
第1の発明において、上記貴金属触媒層を担持させる上記第1基材、上記酸化物半導体層を担持させる上記第2基材としては、同じ基材を採用することもできるし、異なる基材を採用することができる。例えばコージェライト、SiC、ゼオライト、シリカ、及びアルミナ等のセラミックスからなる基材を採用することができる。また、上記第2の発明及び第3の発明において、上記貴金属触媒層及び上記酸化物半導体層を担持させる上記基材についても同様である。
上記第1の発明において、上記第1基材及び/又は上記第2基材は、コージェライトセラミックスよりなる多孔質基材であることが好ましい(請求項6)。
また、上記第2及び第3の発明において、上記基材は、コージェライトセラミックスよりなる多孔質基材であることが好ましい(請求項14)。
これらの場合には、上記第1基材及び/又は第2基材、及び上記基材は、熱膨張係数が低く、耐熱衝撃性に優れたものとなる。そのため、上記貴金属触媒担持体及び/又は上記酸化物半導体担持体、及び上記排ガス浄化触媒体は、高温下での使用においても、優れた耐久性を示すことができる。
上記第1の発明において、上記第1基材及び/又は上記第2基材は、ハニカム構造体よりなることが好ましい(請求項7)。
また、上記第2及び第3の発明において、上記基材は、ハニカム構造体よりなることが好ましい(請求項15)。
ここで、上記ハニカム構造体とは、例えばハニカム(蜂の巣)状のセル壁と該セル壁に囲まれた多数のセルとを有する構造のものである。この場合には、上記基材の表面積を増やすことが可能であり、上記基材に流入する排ガスと上記基材に担持されている上記貴金属触媒層及び上記酸化物半導体層との接触機会を増やすことができ、排ガスを効果的に浄化することができる。
なお、上記ハニカム構造体の形状としては、種々の形状を採用することができるが、例えば円筒形状等とすることができる。また、上記セルの断面形状としては、種々の形状を採用することができるが、例えば三角形、四角形、六角形等とすることができる。
(実施例1)
本発明の実施例にかかる排ガス浄化システムについて説明する。
図1に示すごとく、本例における排ガス浄化システム1は、内燃機関10から排出される排ガスを浄化するためのシステムである。
排ガス浄化システム1は、貴金属触媒担持体2と酸化物半導体担持体3とを有し、酸化物半導体担持体3は、貴金属触媒担持体2よりも排ガス流路15における上流側に配置されている。図1において、貴金属触媒担持体2及び酸化物半導体担持体3は、排ガス流路15の配管内に配置されている。
図2(a)〜(c)に示すごとく、貴金属触媒担持体2は、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層25を第1基材21に担持してなる。
また、図3(a)〜(c)に示すごとく、酸化物半導体担持体3は、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層35を第2基材31に担持してなる。酸化物半導体層35は貴金属触媒を含有しない。
図2(a)及び(b)、図3(a)及び(b)に示すごとく、第1基材21及び第2基材31は、コージェライトセラミックスからなる円筒形状のハニカム構造体である。即ち、第1基材21及び第2基材31は、四角形格子状に配された多孔質のセル壁211と、このセル壁211に囲まれた多数のセル212とを有する。
図2(b)及び(c)、図3(b)及び(c)に示すごとく、貴金属触媒層25及び酸化物半導体層35は、それぞれ第1基材21及び第2基材31のセル壁211、311に担持されている。
本例においては、図4に示すごとく、貴金属触媒層25は、Ptよりなる貴金属触媒の粒子251とアルミナからなる担体粒子252とCe/Zr複合酸化物からなる助触媒粒子253とが凝集してなる。具体的には、貴金属触媒層25においては、平均粒径(以下単に「粒径」という)約1nmの貴金属触媒の粒子251を担持した粒径約5nm助触媒粒子253が粒径約20nmの担体粒子252に担持されている。貴金属触媒の粒子251を担持した助触媒粒子253は、担体粒子252間の隙間259に配置される構成になる。すなわち、貴金属触媒の粒子251を担持した助触媒粒子253は、担体粒子252によって取り囲まれており、担体粒子252と貴金属触媒の粒子251を担持した助触媒粒子253とは互いに入れ子状態で存在している。
また、図5に示すごとく、酸化物半導体層35は、酸化チタンからなる酸化物半導体の粒子351とアルミナからなる担体粒子352とが凝集してなる。具体的には、酸化物半導体担持層35においては、粒径約20nmの酸化物半導体の粒子351が粒径約100nmの担体粒子352に担持されている。酸化物半導体の粒子351は、担体粒子352間の隙間359に配置される構成になる。すなわち、酸化物半導体の粒子351は、担体粒子352によって取り囲まれており、担体粒子352と酸化物半導体の粒子351とは互いに入れ子状態で存在している。
次に、本例の排ガス浄化システムの製造方法について説明する。
まず、以下のようにして貴金属触媒担持体を作製する。
すなわち、まず、溶媒としての水1000ml中にCe/Zr複合酸化物よりなる助触媒粒子を25g添加して、助触媒スラリーを得た。そして、Ce/Zr複合酸化物含有スラリーに対して、超音波発生器(ソノリアクター)により超音波(25kHz)を照射しながら30分間撹拌した。これにより、助触媒粒子をナノオーダーに微細化すると共に溶媒中に分散させた。
次いで、助触媒スラリーに、貴金属触媒の原料としてのPtCl2を0.1g添加し、超音波を照射しながら撹拌した。さらに、PtCl2におけるPtへの還元助剤としてアルカノールアミンを約10ml添加し、超音波を照射しながら30分間撹拌した。これにより、PtCl2を還元し、貴金属触媒としてのPt粒子を助触媒粒子(Ce/Zr複合酸化物粒子)上に担持させた。
次いで、貴金属触媒が担持した助触媒粒子を含むスラリーに対して遠心分離機による洗浄を行った。これにより、貴金属触媒が担持した助触媒粒子を固形物として得た。その後、固形分に対して硝酸及び水を加え、溶液のpHを約1〜2に調整し、超音波を照射することにより、貴金属触媒が担持した助触媒粒子をナノオーダーに微細化すると共に分散させた。これにより、触媒成分分散スラリーを得た。
次いで、粒子径約20nmのアルミナ粒子からなる担体粒子の粉末を触媒成分分散スラリーに混合し、スプレードライ法により、貴金属触媒が担持した助触媒粒子を担体粒子上に担持させ、その後、これを400℃にて仮焼した。このようにして、貴金属触媒を担持した助触媒粒子と担体粒子とが凝集した触媒材料を得た。
次いで、図6(a)に示すごとく、触媒材料を純水中に分散させてスラリー250を作製し、触媒材料のスラリー250中にコージェライトからなるハニカム構造体21(第1基材21)を浸漬させた。その後、熱風発生器により第1基材を温度150℃で乾燥させ、第1基材に触媒材料を担持させた。その後、温度500℃で2時間焼成した。
これにより、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層25を第1基材21に担持してなる貴金属触媒担持体2を得た(図2(a)〜(c)参照)。
次に、酸化物半導体担持体を作製する。
即ち、まず、溶媒としての水1000ml中に酸化チタンからなる酸化物半導体の粉末を25g添加して、酸化物半導体スラリーを得た。そして、このスラリーに対して、超音波発生器(ソノリアクター)により超音波(25kHz)を照射しながら30分間撹拌した。これにより、酸化物半導体の粒子をナノオーダーに微細化すると共に溶媒中に分散させた。
次いで、粒子径約100nmのアルミナ粒子からなる担体粒子の粉末を酸化物半導体スラリーに混合し、スプレードライ法により、酸化物半導体の粒子を担体粒子上に担持させ、その後、これを温度400℃にて仮焼した。このようにして、酸化物半導体の粒子と担体粒子とが凝集してなる酸化物半導体材料を得た。
次いで、図6(b)に示すごとく、酸化物半導体材料を純水中に分散させてスラリー350を作製し、酸化物半導体材料のスラリー350中にコージェライトからなるハニカム構造体31(第2基材31)を浸漬させた。その後、熱風発生器により第2基材を温度150℃で乾燥させ、第2基材に酸化物半導体材料を担持させた。その後、温度500℃で2時間焼成した。
これにより、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層35を第2基材31に担持してなる酸化物半導体担持体3を得た(図3(a)〜(c)参照)。
次に、図1に示すごとく、内燃機関10からの排ガス流路15において、酸化物半導体担持体3を上流側に配置し、貴金属触媒担持体2を下流側に配置した。これにより、排ガス浄化システム1を構築した。
本例の排ガス浄化システム1においては、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層25と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層35とをそれぞれ別々に基材21、31(第1基材21及び第2基材31)に担持させている(図1、図2(a)〜(c)及び図3(a)〜(c)参照)。そのため、貴金属触媒と酸化物半導体とをそれぞれ基材に密着性よく担持させることができる。それ故、高温環境下における貴金属触媒の凝集を抑制し、貴金属触媒の触媒性能の低下を抑制することができる。
また、本例において、貴金属触媒層25は、貴金属触媒の粒子251とセリア−ジルコニア複合酸化物からなる助触媒粒子253とアルミナからなる担体粒子252とが凝集してなり、酸化物半導体層35は、酸化物半導体の粒子351とアルミナからなる担体粒子352とが凝集してなる(図4及び図5参照)。
そのため、貴金属触媒251及び酸化物半導体351は、担体粒子252、352の優れた密着性を生かして、充分に基材21、31に密着することができる。また、多孔質の貴金属触媒層25及び酸化物半導体層35を形成することができるため、貴金属触媒層25及び酸化物半導体層35中におけるガス拡散性を向上させることができる(図2(c)及び図3(c)参照)。そのため、貴金属触媒251及び酸化物半導体351と排ガスとが接触し易くなり、排ガスの浄化性能を向上させることができる(図4及び図5参照)。さらに、助触媒粒子253と貴金属触媒251との相乗効果により排ガス中の有害成分に対する浄化性能をより向上させることができる。
また、図1に示すごとく、本例の排ガス浄化システム1においては、排ガス流路15において、酸化物半導体担持体3を貴金属触媒担持体2よりも上流側に配置している。
そのため、酸化物半導体担持体3において排ガス中に含まれる炭化水素等の有害物質を低分子化し、貴金属触媒担持体2においては低分子化した有害成分を浄化することができる。そのため、本例の排ガス浄化システム1においては、例えば自動車のエンジンの始動直後における低温状態でも排ガス中に含まれる有害物質の浄化が可能になる。
このように、本例によれば、低温においても排ガス中の炭化水素等の有害成分を充分に浄化でき、耐熱性に優れた排ガス浄化システムを提供することができる。
(実施例2)
本例は、貴金属触媒層と酸化物半導体層とを同一の基材にさせると共に、貴金属触媒層上に酸化物半導体層を積層形成してなる排ガス浄化触媒体の例である。本例の排ガス浄化触媒体は、内燃機関から排出される排ガスを浄化するために用いられ、排ガス流路の途中に配置されて用いられる。
図7(a)〜(c)に示すごとく、本例の排ガス浄化触媒体4は、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層25と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層35とを基材21に担持してなる。基材21は、実施例1と同様のコージェライトセラミックからなる多孔質体のハニカム構造体であり、四角形格子状に配されたセル壁211と、このセル壁211に囲まれた多数のセル212とを有する。
図7(c)に示すごとく、貴金属触媒層25と酸化物半導体層35とは互いに積層状態で形成されており、酸化物半導体層35が基材21(セル壁211)上に担持された貴金属触媒層25上に積層形成されている。
貴金属触媒層25は、実施例1と同様に、Ptからなる貴金属触媒の粒子251と、Ce/Zr複合酸化物からなる助触媒粒子253と、アルミナからなる担体粒子252とが凝集してなる(図4参照)。
また、酸化物半導体層35は、実施例1と同様に、酸化チタンからなる酸化物半導体の粒子351と、アルミナからなる担体粒子352とが凝集してなる(図5参照)。
以下、本例の排ガス浄化触媒体の製造方法について説明する。
まず、実施例1と同様にして、貴金属触媒を担持した助触媒粒子と担体粒子とが凝集した触媒材料を作製し、これを純水中に分散させて触媒材料のスラリーを作製した。また、実施例1と同様にして、酸化物半導体の粒子と担体粒子とが凝集してなる酸化物半導体材料を作製し、これを純水中に分散させて酸化物半導体材料のスラリーを作製した。
次に、図8(a)に示すごとく、上記のようにして作製した触媒材料スラリー250中に、コージェライトセラミックスからなるハニカム構造体21(基材21)を完全に浸漬させた。その後、熱風発生器により基材を温度150℃で乾燥させ、基材に触媒材料を担持させた。
次いで、触媒材料を担持させた基材を酸化物半導体材料スラリー350中に完全に浸漬させた(図8(b)参照)。その後、熱風発生器により基材を温度150℃で乾燥させ、基材に酸化物半導体材料を担持させた。
その後、触媒材料と酸化物半導体材料とを積層状態で担持させた基材を温度500℃で2時間焼成した。これにより、基材21に、貴金属触媒層25と酸化物半導体層35とを積層形成してなる排ガス浄化触媒体4を得た(図7(a)〜(c)参照)。
図7(a)〜(c)に示すごとく、本例の排ガス浄化触媒体4においては、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層25と酸化物半導体を含有する酸化物半導体層35とを同一の基材21に担持させており、酸化物半導体層35を、基材21上に担持された貴金属触媒層25上に積層形成させている。
このように、貴金属触媒層25と酸化物半導体層35とを別々に担持させているため、酸化物半導体と貴金属触媒との直接的な密着性の低さに影響されることなく、基材21に密着性よく貴金属触媒及び酸化物半導体を担持させることができる。そのため、高温環境下における貴金属触媒の凝集を抑制し、貴金属触媒の触媒性能の低下を抑制することができる。
また、本例の排ガス浄化触媒体4においては、一つの基材21において、基材21上に担持された貴金属触媒層25上に酸化物半導体層35が積層形成されている。そのため、酸化物半導体層35において排ガス中に含まれる炭化水素等の有害物質を低分子化させ、貴金属触媒層25において低分子化した有害成分を浄化することができる。そのため、例えば自動車のエンジンの始動直後における低温状態でも排ガス中に含まれる有害物質の浄化が可能になる。
このように、本例によれば、低温においても排ガス中の炭化水素等の有害成分を充分に浄化でき、耐熱性に優れた排ガス浄化触媒体を提供することができる。
(実施例3)
本例は、貴金属触媒層と酸化物半導体層とを同一の基材に、かつ排ガス流路において酸化物半導体層が貴金属触媒層の上流側となるように担持させてなる排ガス浄化触媒体の例である。本例の排ガス浄化触媒体は、内燃機関から排出される排ガスを浄化するために用いられ、排ガス流路の途中に配置されて用いられる。
図9(a)〜(e)及び図10に示すごとく、本例の排ガス浄化触媒体5は、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層25と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層35とを基材21に担持してなる。基材21は、実施例1と同様のコージェライトセラミックからなる多孔質体のハニカム構造体であり、四角形格子状に配されたセル壁211と、このセル壁211に囲まれた多数のセル212とを有する(図9(a)参照)。
図9(b)〜(e)及び図10に示すごとく、酸化物半導体層35は、貴金属触媒層25よりも排ガス流路における上流側51で基材21に担持されている。即ち、排ガス浄化触媒体5においては、貴金属触媒層25及び酸化物半導体層35は、これらが排ガスの流れ方向59に対して平行に、直列して配置され、かつ上流側51に酸化物半導体層35が配置され下流側52に貴金属触媒層25が配置されるように基材21に担持されている。
貴金属触媒層25は、実施例1と同様に、Ptからなる貴金属触媒の粒子251と、Ce/Zr複合酸化物からなる助触媒粒子253と、アルミナからなる担体粒子252とが凝集してなる(図4参照)。
また、酸化物半導体層35は、実施例1と同様に、酸化チタンからなる酸化物半導体の粒子351と、アルミナからなる担体粒子352とが凝集してなる(図5参照)。
以下、本例の排ガス浄化触媒体の製造方法について説明する。
まず、実施例1と同様にして、貴金属触媒を担持した助触媒粒子と担体粒子とが凝集した触媒材料を作製し、これを純水中に分散させて触媒材料のスラリーを作製した。また、実施例1と同様にして、酸化物半導体の粒子と担体粒子とが凝集してなる酸化物半導体材料を作製し、これを純水中に分散させて酸化物半導体材料のスラリーを作製した。
次に、図11(a)に示すごとく、上記のようにして作製した触媒材料スラリー250中に、コージェライトセラミックスからなるハニカム構造体21(基材21)を浸漬させた。このとき、同図に示すごとく、基材21を触媒材料スラリー250中に完全に浸漬させるのではなく、基材内部の排ガス流路との平行方向59における基材の一方の末端215からその全長の半分の位置219までを浸漬させた。その後、熱風発生器により基材を温度150℃で乾燥させ、基材に触媒材料を担持させた。
次いで、図11(b)に示すごとく、触媒材料を担持させた基材21を酸化物半導体材料スラリー350中に浸漬させた。このとき、同図に示すごとく、触媒材料スラリーに浸漬させた末端215とは反対側の末端216から浸漬させると共に、排ガス流路との平行方向59における全長の半分の位置219までを浸漬させた。即ち、基材21において触媒材料が担持されていない側を浸漬させた。その後、熱風発生器により基材を温度150℃で乾燥させ、基材に酸化物半導体材料を担持させた。
その後、触媒材料と酸化物半導体材料とを担持させた基材を温度500℃で2時間焼成した。これにより、図10に示すごとく、基材21に、貴金属触媒層25と酸化物半導体層35とを排ガス流路方向59に平行でかつ直列に配列して担持させた排ガス浄化触媒体5を得た。
図9(b)〜(e)及び図10に示すごとく、本例の排ガス浄化触媒体5においては、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層25と酸化物半導体を含有する酸化物半導体層35とを同一の基材21に担持させており、酸化物半導体層35は、貴金属触媒層25よりも基材21内の排ガス流路における上流側51に担持されている。
このように、貴金属触媒層25と酸化物半導体層35とを別々に担持させているため、酸化物半導体と貴金属触媒との直接的な密着性の低さに影響されることなく、基材21に密着性よく貴金属触媒及び酸化物半導体を担持させることができる。そのため、高温環境下における貴金属触媒の凝集を抑制し、貴金属触媒の触媒性能の低下を抑制することができる。
また、本例の排ガス浄化触媒体5においては、一つの基材21において、排ガス流路の上流側51に酸化物半導体層35が担持され、下流側52に貴金属触媒層25が担持されている。そのため、酸化物半導体層35において排ガス中に含まれる炭化水素等の有害物質を低分子化させ、貴金属触媒層25において低分子化した有害成分を浄化することができる。そのため、例えば自動車のエンジンの始動直後における低温状態でも排ガス中に含まれる有害物質の浄化が可能になる。
このように、本例によれば、低温においても排ガス中の炭化水素等の有害成分を充分に浄化でき、耐熱性に優れた排ガス浄化触媒体を提供することができる。
1 排ガス浄化システム
2 貴金属触媒担持体
21 基材
25 貴金属触媒層
251 貴金属触媒(粒子)
252 担体粒子
253 助触媒粒子
3 酸化物半導体担持体
31 基材
35 酸化物半導体層
351 酸化物半導体(粒子)
352 担体粒子

Claims (15)

  1. 内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化システムにおいて、
    該排ガス浄化システムは、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層を第1基材に担持してなる貴金属触媒担持体と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層を第2基材に担持してなる酸化物半導体担持体とを有し、
    該酸化物半導体担持体は、上記貴金属触媒担持体よりも排ガス流路における上流側に配置されていることを特徴とする排ガス浄化システム。
  2. 請求項1において、上記酸化物半導体層は、上記酸化物半導体の粒子と、アルミナ、ジルコニア、セリア、及びシリカから選ばれる1種以上からなる担体粒子とが凝集してなることを特徴とする排ガス浄化システム。
  3. 請求項1又は2において、上記酸化物半導体は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化カドミウム、酸化銀、酸化鉄、酸化マンガン、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化銅、及び酸化インジウムから選ばれる1種以上からなることを特徴とする排ガス浄化システム。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項において、上記貴金属触媒層は、上記貴金属触媒の粒子と、アルミナ、ジルコニア、セリア、及びシリカから選ばれる1種以上からなる担体粒子と、Ce/Zr複合酸化物、Fe系酸化物、及びLnオキシ硫酸塩から選ばれる1種以上からなる助触媒粒子とが凝集してなることを特徴とする排ガス浄化システム。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項において、上記貴金属触媒は、Pt、Pd、Rhから選ばれる少なくとも1種を主成分とすることを特徴とする排ガス浄化システム。
  6. 請求項1〜5のいずれか一項において、上記第1基材及び/又は上記第2基材は、コージェライトセラミックスよりなる多孔質基材であることを特徴とする排ガス浄化システム。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項において、上記第1基材及び/又は上記第2基材は、ハニカム構造体よりなることを特徴とする排ガス浄化システム。
  8. 内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化触媒体において、
    該排ガス浄化触媒体は、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層とを基材に担持してなり、
    上記酸化物半導体層は、上記貴金属触媒層よりも排ガス流路における上流側で上記基材に担持されていることを特徴とする排ガス浄化触媒体。
  9. 内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化触媒体において、
    上記排ガス浄化触媒体は、貴金属触媒を含有する貴金属触媒層と、酸化物半導体を含有する酸化物半導体層とを基材に担持してなり、
    上記酸化物半導体層は、上記基材上に担持された上記貴金属触媒層上に積層形成されていることを特徴とする排ガス浄化触媒体。
  10. 請求項8又は9において、上記酸化物半導体層は、上記酸化物半導体の粒子と、アルミナ、ジルコニア、セリア、及びシリカから選ばれる1種以上からなる担体粒子とが凝集してなることを特徴とする排ガス浄化触媒体。
  11. 請求項8〜10のいずれか一項において、上記酸化物半導体は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化カドミウム、酸化銀、酸化鉄、酸化マンガン、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化銅、及び酸化インジウムから選ばれる1種以上からなることを特徴とする排ガス浄化触媒体。
  12. 請求項8〜11のいずれか一項において、上記貴金属触媒層は、上記貴金属触媒の粒子と、アルミナ、ジルコニア、セリア、及びシリカから選ばれる1種以上からなる担体粒子と、Ce/Zr複合酸化物、Fe系酸化物、及びLnオキシ硫酸塩から選ばれる1種以上からなる助触媒粒子とが凝集してなることを特徴とする排ガス浄化触媒体。
  13. 請求項8〜12のいずれか一項において、上記貴金属触媒は、Pt、Pd、Rhから選ばれる少なくとも1種を主成分とすることを特徴とする排ガス浄化触媒体。
  14. 請求項8〜13のいずれか一項において、上記基材は、コージェライトセラミックスよりなる多孔質基材であることを特徴とする排ガス浄化触媒体。
  15. 請求項8〜14のいずれか一項において、上記基材は、ハニカム構造体よりなることを特徴とする排ガス浄化触媒体。
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