JP2010260046A - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents

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Abstract

【課題】少ない貴金属使用量においても十分に高度な水準で窒素酸化物(NOx)と炭化水素(HC)とを浄化することが可能な排ガス浄化用触媒を提供すること。
【解決手段】担体と該担体に担持されたロジウムとを備える排ガス浄化用触媒であって、 前記担体が、アルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しない第一酸化物粒子と、セリアを含有する第二酸化物粒子との混合物であり、
前記ロジウムの70at%以上が前記第一酸化物粒子に担持されており、且つ、
前記第二酸化物粒子の比表面積が35m/g以下であること、
を特徴とする排ガス浄化用触媒。
【選択図】なし

Description

本発明は、排ガス浄化用触媒に関する。
従来から、自動車等の内燃機関から排出される排ガス中に含まれる炭化水素(HC)や窒素酸化物(NOx)等の成分を十分に浄化するために様々な触媒が用いられてきた。このような排ガス浄化用の触媒としては、雰囲気中の酸素分圧に応じて酸素を吸放出可能である(酸素貯蔵能を持つ)セリアを含有させた担体と、前記担体に担持された白金(Pt)やロジウム(Rh)などの貴金属とを備える触媒が知られている。
例えば、特開2007−144290号公報(特許文献1)においては、少なくともロジウム粒子を含む貴金属粒子と、セリア(CeO)等からなる酸素吸蔵放出材粒子と、前記貴金属粒子及び前記酸素吸蔵放出材粒子の間に介在し且つ前記貴金属粒子と前記酸素吸蔵放出材粒子とをそれぞれ離隔した表面に担持する担体酸化物とを有する排ガス浄化触媒が開示されている。また、特開2007−330863号公報(特許文献2)においては、ロジウム粒子と、前記ロジウム粒子を担持するジルコニア等からなる化合物粒子と、前記化合物粒子の周囲に形成され且つ前記化合物粒子の凝集を抑制するためのCe、La及びZrからなる群から選択される少なくとも1種を含有することができる酸化物とを備える排ガス浄化触媒が開示されている。しかしながら、特許文献1〜2に記載のような従来の排ガス浄化用触媒においては、貴金属使用量の更なる低減に対して触媒活性が必ずしも十分なものとはならなかった。
特開2007−144290号公報 特開2007−330863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、少ない貴金属使用量においても十分に高度な水準で窒素酸化物(NOx)と炭化水素(HC)とを浄化することが可能な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、担体と前記担体に担持されたロジウムとを備える排ガス浄化用触媒において、前記担体としてアルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しない第一酸化物粒子と、セリアを含有し且つ比表面積が35m/g以下である第二酸化物粒子との混合物を用い、前記担体中の前記第一酸化物粒子に前記ロジウムの70at%以上を担持することにより、十分に高度な水準で窒素酸化物(NOx)と炭化水素(HC)とを浄化することが可能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、本発明の排ガス浄化用触媒は、担体と該担体に担持されたロジウムとを備える排ガス浄化用触媒であって、
前記担体が、アルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しない第一酸化物粒子と、セリアを含有する第二酸化物粒子との混合物であり、
前記ロジウムの70at%以上が前記第一酸化物粒子に担持されており、且つ、
前記第二酸化物粒子の比表面積が35m/g以下であること、
を特徴とするものである。
上記本発明の排ガス浄化用触媒においては、前記第二酸化物粒子がセリアとジルコニアとの複合酸化物を含有することが好ましく、セリウムイオンとジルコニウムイオンとによりパイロクロア相型の規則配列相が形成されたセリアとジルコニアとの複合酸化物を含有することがより好ましい。
また、上記本発明の排ガス浄化用触媒においては、前記第二酸化物粒子中の前記セリアの含有量が26〜68モル%であることが好ましい。
また、上記本発明の排ガス浄化用触媒においては、前記第二酸化物粒子が、前記第二酸化物粒子に白金を0.1質量%担持してなる試料を用いて、500℃の酸化雰囲気下において前記試料に酸素を吸着させた酸素吸着試料と、500℃の還元雰囲気下において前記酸素吸着試料から酸素を放出させた酸素放出試料との重量差に基づいて、前記試料から放出される酸素量を測定した際に、前記酸素量が前記試料中の全セリア中の酸素原子の20at%以上となることが確認されるものであることが好ましい。
なお、本発明の排ガス浄化用触媒によって十分に高度な水準で窒素酸化物(NOx)と炭化水素(HC)とを浄化することが可能とな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、先ず、セリアに代表される塩基性酸化物にRhを担持した触媒においては、十分な触媒活性を得るためにRhをメタル状態とする必要がある。しかしながら、触媒中のロジウム(Rh)は、酸化雰囲気下において前記塩基性酸化物と強く相互作用して酸化物の状態となる傾向にある。そのため、セリア等の塩基性酸化物に担持されたRhを活性なメタル状態とするためには、前記相互作用が解除されるように周囲の雰囲気を十分に還元雰囲気とする必要がある。
ここで、自動車の内燃機関からの排ガスを浄化する場合について検討すると、自動車の内燃機関からの排ガスは、その雰囲気が還元剤リッチな雰囲気と酸素リッチな雰囲気とに交互に変動する。しかしながら、このような雰囲気の変動周期は1Hz前後であり、触媒の周囲の雰囲気を、Rhのメタル化が十分に進行するほど十分な時間だけ還元性雰囲気として保持できなかった。そのため、従来の排ガス浄化用触媒においては、自動車の内燃機関からの排ガスを浄化する際に十分な触媒活性が得られなかったものと推察される。
一方、セリア(酸素貯蔵材)は、雰囲気中の酸素分圧に応じて酸素を吸放出して排気変動を緩和し、白金(Pt)やパラジウム(Pd)に代表される貴金属の粒成長を抑制する機能を有する。また、セリアは、雰囲気変動を緩和して排ガスの組成を化学量論比付近に保つことで三元触媒の浄化ウインドウを拡大する働きもある。そのため、セリアは排ガス浄化用触媒において好適に用いられてきている。しかしながら、上述のように、塩基性酸化物であるセリアを含む担体に担持されたRhは、十分にメタル化することが困難である。そのため、セリアとRhとを組み合わせて用いた場合には、その触媒活性の点で問題が生じる。
このような観点から、セリアとRhとを組み合わせて用いながら、Rhをメタル化するために様々な検討がなされている。例えば、上述の特許文献1に記載の触媒のようにRhとセリアとが担体の離隔した表面にそれぞれ担持された触媒を用いることが、その一例として挙げられる。しかしながら、特許文献1に記載のような排ガス浄化用触媒においてはRhとセリアとが接触しないため、セリアの酸素吸蔵放出(OSC)性能を十分に発揮できないばかりか耐久性が低下してしまう傾向にある。このように、従来の排ガス浄化用触媒においては、セリアの酸素吸蔵放出(OSC)性能を十分に発揮させながら、Rhにより十分に触媒活性が得られる触媒は得られていなかった。
本発明においては、前記担体として、アルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しない第一酸化物粒子と、セリアを含有する第二酸化物粒子との混合物を用い、前記ロジウムの70at%以上を前記第一酸化物粒子に担持している。このように、第一酸化物粒子はセリアを実質的に含有しないため第一酸化物粒子に担持されているRhは排ガス浄化中に十分にメタル化することができる。一方、本発明の排ガス浄化用触媒においては、セリアを含有する第二酸化物粒子によって十分な酸素吸蔵放出(OSC)性能が得られ、雰囲気変動が緩和してRhの粒成長を抑制できる。このように、本発明の排ガス浄化用触媒においては、Rhのメタル化が十分に図られながらRhの粒成長が抑制され、十分に高い触媒活性が発揮されるものと推察される。また、本発明においては、前記担体中の前記第二酸化物粒子の好適なものとして、前述の比表面積が35m/g以下の第二酸化物粒子を用いた場合には、第二酸化物粒子の比表面積が極めて小さいことから、触媒の使用時に第一酸化物粒子に担持されているRhの一部が第二酸化物粒子に移動することが抑制されるため、その触媒は、より耐久性が高く、しかもRhのメタル化が促進されたものになるものと本発明者らは推察する。
本発明によれば、少ない貴金属使用量においても十分に高度な水準で窒素酸化物(NOx)と炭化水素(HC)とを浄化することが可能な排ガス浄化用触媒を提供することが可能となる。
実施例1〜3及び比較例1〜2で得られた排ガス浄化用触媒のNOの浄化率及びCの浄化率を示すグラフである。 実施例1、実施例4〜5及び比較例3〜7で得られた排ガス浄化用触媒の酸素吸放出量とセリアの含有量との関係を示すグラフである。 実施例1、実施例4〜5及び比較例3〜7で得られた排ガス浄化用触媒のNOの浄化率とセリアの含有量との関係を示すグラフである。
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。
本発明の排ガス浄化用触媒は、前記担体が、アルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しない第一酸化物粒子と、セリアを含有する第二酸化物粒子との混合物であり、
前記ロジウムの70at%以上が前記第一酸化物粒子に担持されており、且つ、
前記第二酸化物粒子の比表面積が35m/g以下であること、
を特徴とするものである。
(第一酸化物粒子)
本発明にかかる第一酸化物粒子は、アルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しないものである。本発明において「セリアを実質的に含有しない」とはセリアの含有量が2.5質量%未満(より好ましくは2.0〜0質量%)であることを意味する。このように第一酸化物粒子がセリアを実質的に含有しないものであるため、第一酸化物粒子に担持されたRhが、その粒子中のセリアと相互作用して酸化物化することが抑制され、結果として、触媒の使用時にRhのメタル化と後述する第二酸化物粒子中のセリアによるOSC性能との両立が図れ、十分に高度な触媒活性が得られる。
また、前記第一酸化物粒子は、アルミナ及びジルコニアを必須成分として含有する。このようにアルミナとジルコニアとを組み合わせて用いることにより、アルミナの耐熱性とジルコニアによるRhのメタル化促進効果とが両立する。また、第一酸化物粒子におけるアルミナとジルコニアの混合比は特に制限されないが、金属換算によるモル比(Al:Zr)が50:95〜600:95であることが好ましく、100:95〜400:95であることがより好ましい。このようなアルミナの混合比が前記下限未満では担体としての耐熱性が不十分でRhの粒成長が促進される傾向にあり、他方、前記上限を超えるとRhのメタル化促進効果が低下する傾向にある。
また、このような第一酸化物粒子は、アルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しないものであればよく、他の金属酸化物を含有していてもよい。このような他の金属酸化物としては、触媒の担体に用いることが可能なものであればよく、例えば、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、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)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、アルカリ金属及びアルカリ土類金属等の金属の酸化物が挙げられる。また、このような他の金属酸化物としては、アルミナあるいはジルコニアを固溶し、耐熱性を向上させるという観点から、La、Nd、Y、Pr(あるいはPr11)がより好ましく、La、Nd、Yが特に好ましい。なお、このような他の金属酸化物は1種を単独で或いは2種以上を混合して用いてもよい。
また、第一酸化物粒子中に含有されるアルミナとジルコニアとの総量は80〜99.6原子%であることが好ましく、90〜98原子%であることがより好ましい。このような第一酸化物粒子におけるアルミナとジルコニアとの総量が前記下限未満では、第3成分の金属酸化物(前記他の金属酸化物等)とRhとの相互作用が強過ぎる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、第3成分の金属酸化物(前記他の金属酸化物等)の添加によるアルミナあるいはジルコニアの安定化効果が失われる傾向にある。
さらに、このような第一酸化物粒子は、アルミナ、ジルコニア及び場合により含有される前記他の金属酸化物が混合されたアルミナ−ジルコニア含有複合酸化物(二次粒子)からなることが好ましい。このようなアルミナ−ジルコニア含有複合酸化物の一次粒子(アルミナ、ジルコニア、前記金属酸化物、又は、これらの複合物の一次粒子)の平均粒子径としては、5〜40nmであることが好ましく、7〜30nmであることがより好ましい。このような一次粒子の平均粒子径が前記下限未満では、粒子の表面エネルギーが大きく、不安定なため粒成長し易くなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、担体としての比表面積が低下する傾向にある。
また、前記アルミナ−ジルコニア含有複合酸化物(二次粒子)の平均粒子径としては0.1〜2μmであることが好ましく、0.1〜1μmであることがより好ましい。このようなアルミナ−ジルコニア含有複合酸化物の平均粒子径が前記下限未満では、アルミナとジルコニアの混合状態が不均一となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、凝集粒子内へのガスの拡散性が低下する傾向にある。このような一次粒子及び二次粒子の粒子径はX線回折装置や透過型電子顕微鏡(TEM)等を用いて測定することができる。
さらに、このような第一酸化物粒子の比表面積は特に制限されないが、30m/g以上であることがより好ましく、35〜200m/gであることが更に好ましい。このような比表面積が前記下限未満では十分な触媒活性が得られなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、粒子径が小さくなり、耐熱性が低下する傾向にある。
また、このような第一酸化物粒子が多孔体である場合における細孔の平均細孔直径としては、3〜40nmであることが好ましく、5〜20nmであることがより好ましい。このような細孔の平均細孔直径が前記下限未満では、排ガスと接触させた際に排ガスの拡散が不十分となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、二次粒子の構造が不安定となり、耐熱性が低下する傾向にある。なお、このような比表面積や平均細孔直径は吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。
また、このような第一酸化物粒子の製造方法は、特に制限されないが、例えば、以下のような方法を採用してもよい。すなわち、このような第一酸化物粒子の製造方法としては、前記第一酸化物粒子の原料となるアルミニウムの塩と、ジルコニウムの塩と、必要に応じて添加される他の金属酸化物の原料金属(I)の塩と、必要に応じて添加される界面活性剤(例えば、ノニオン系界面活性剤)とを含有する混合液を用いて、アンモニアの存在下で、アルミニウムの水酸化物とジルコニウムの水酸化物との共沈物、又は、アルミニウムの水酸化物とジルコニウムの水酸化物と原料金属(I)の水酸化物の共沈殿物を生成せしめ、得られた共沈殿物を濾過、洗浄した後に乾燥し、更に焼成して複合酸化物を形成することにより、前記複合酸化物からなる第一酸化物粒子を得る方法を採用することができる。なお、このようなアルミニウム、ジルコニウム又は原料金属(I)の塩としては、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、リン酸塩などが挙げられる。
(第二酸化物粒子)
本発明にかかる第二酸化物粒子は、セリアを含有する。本発明の排ガス浄化用触媒においては、このような第二酸化物粒子中のセリアにより、OSC性能が発揮される。また、このような第二酸化物粒子においては、セリアを含有していればよく特に制限されないが、セリアの含有量が26〜68モル%(より好ましくは30〜55モル%)であることが好ましい。このようなセリアの含有量が前記下限未満では、十分にOSC性能を発揮させることが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、Rhとの相互作用が発生し易くなる傾向にある。
また、このような第二酸化物粒子としては、セリアとセリア以外の金属酸化物との複合酸化物(例えば、セリアとジルコニアとの複合酸化物、セリアとアルミナとの複合酸化物、セリアとジルコニアとアルミナとの複合酸化物等)を用いてもよい。このような第二酸化物粒子中に含有させるセリア以外の金属酸化物としては、OSC性能を向上させるという観点から、ジルコニア、アルミナ、イットリア、プラセア、チタニア、ネオジアが好ましく、ジルコニア、アルミナがより好ましい。このようなセリア以外の金属酸化物は1種を単独で或いは2種以上を混合して用いることができる。
さらに、このような第二酸化物粒子としては、OSC性能と耐熱性の両立という観点から、セリアとジルコニアとの複合酸化物、又は、セリアとジルコニアとアルミナとの複合酸化物を含有することが好ましい。
このようなセリアとジルコニアとアルミナとの複合酸化物においては、アルミナの含有量が4〜50モル%であることが好ましく、9〜34モル%であることがより好ましい。このようなアルミナの含有量が前記下限未満ではセリアあるいはジルコニアの粒成長を抑制する効果が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えるとセリア含有量の減少によりOSC性能が低下する傾向にある。また、このようなセリアとジルコニアとアルミナとの複合酸化物においては、少なくとも一部のセリアとジルコニアが固溶体を形成し、且つセリアとジルコニアの含有比がモル比(セリア:ジルコニア)で40:60〜60:40であることが好ましい。このようなセリアの含有比が前記下限未満ではOSC性能が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えるとセリアとジルコニアが固溶し難くなり、やはりOSC性能が低下する傾向にある。
また、このような第二酸化物粒子の中でも、第二酸化物粒子の高温に対する耐熱性が向上するという観点からは、セリアとジルコニアとの複合酸化物を含有するものがより好ましい。また、このようなセリアとジルコニアとの複合酸化物としては、複合酸化物中にセリウムイオンとジルコニウムイオンとがパイロクロア相型に規則配列した結晶相が形成されているものがより好ましい。このようなセリアとジルコニアとの複合酸化物にパイロクロア相型の規則配列相が形成されている場合には、高温に対する耐熱性がより向上するとともに高温に晒された後においても酸素吸放出能をより高い水準で発揮できる傾向にある。
ここで、本発明にいう「パイロクロア相型の規則配列相」とは、X線回折測定により得られるCuKαを用いたX線回折パターンの2θ角が14°、28°、37°、44.5°及び51°の位置にそれぞれピークを有する結晶の配列構造(φ’相(カッパー相と同一の相)型の規則配列相:蛍石構造の中に生ずる超格子構造)である。なお、ここにいう「ピーク」とは、ベースラインからピークトップまでの高さが100cps以上のものをいう。また、前記X線回折測定の方法として、測定装置として理学電機社製の商品名「RINT2100」を用いて、CuKα線を用い、30KV、40mA、2θ=2°/minの条件で測定する方法を採用する。
また、このようなセリウムイオンとジルコニウムイオンとがパイロクロア相型に規則配列した結晶相が形成されているセリアとジルコニアとの複合酸化物(以下、場合により単に「パイロクロア相型複合酸化物」という。)においては、前記X線回折パターンのピーク強度比により求まる全結晶相に対する前記パイロクロア相型に規則配列した結晶相の含有比率が、50〜100%であることが好ましく、80〜100%であることがより好ましい。前記パイロクロア相型の規則配列相の含有比率が前記下限未満では、パイロクロア相型の規則配列相の割合が少ないため、耐熱性が低下する傾向にある。
また、前記パイロクロア相型複合酸化物においては、前記パイロクロア相型の規則配列相が、大気中、1000℃の温度条件で5時間加熱する加熱処理を施した後においても、加熱前と比較して50%以上(より好ましくは50〜100%)残存するものが好ましい。また、このようなセリアとジルコニアとの複合酸化物においては、より高い耐熱性を発揮させるという観点から、大気中、1100℃の温度条件で5時間加熱する加熱処理を施した後に、前記パイロクロア相型の規則配列相が、加熱前と比較して50%以上(更に好ましくは50〜100%)残存するものがより好ましい。このようなパイロクロア相型の結晶相の残存率が前記下限未満では、高温耐久後(高温に晒された後)に酸素貯蔵能が十分なものとならない。なお、このようなパイロクロア相型の規則配列相の残存率は、X線回折パターンのピーク強度比により求めることができる。
前記パイロクロア相型複合酸化物においては、より確実に、前記加熱処理後の前記パイロクロア相型の規則配列相の残存率を50%以上とするという観点から、セリア及びジルコニアの含有比率を、モル比([セリア]:[ジルコニア])で55:45〜40:60(特に好ましくは53:47〜45:55)とすることが好ましい。このようなセリアの含有比率が前記下限未満では、複合酸化物の製造時にジルコニアが遊離してパイロクロア相型の規則配列相が減少してしまう(不要なジルコニアが増加する)傾向にある。他方、セリアの含有比率が前記上限を超えると、複合酸化物の製造時に酸素吸放出に寄与しない遊離したセリアが増加する傾向にある。
また、このようなパイロクロア相型複合酸化物においては、前記パイロクロア相型の規則配列相を形成する結晶子(一次粒子)の平均粒子径が1〜30μm(より好ましくは3〜10μm)であることが好ましい。このような結晶子の平均粒子径が前記下限未満では、φ’相の熱安定性が低下し、前記加熱処理後の前記パイロクロア相型の規則配列相の残存率を50%以上とすることが困難となる傾向にある。他方、前記上限を超えると、均一なサイズに粉砕することが困難となり、耐熱性に劣る微小粒子が増加する傾向にある。なお、このような結晶子の平均粒子径は、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて焼結したセリアとジルコニアとの複合酸化物の粒子10個の断面を観察し、断面の結晶粒子径を測定して平均化することにより求めることができる。なお、ここにいう粒子径は断面が円形でない場合には、最大外接円の直径をいう。
また、このようなパイロクロア相型複合酸化物においては、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少なくとも一種の元素を更に含有してもよい。このような元素を含有させることで、より高い排ガス浄化能を発揮できる傾向にある。このようなセリウム以外の希土類元素としては、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等が挙げられ、中でも、ロジウムを担持させた際に過剰な相互作用を抑制する傾向にあることから、La、Nd、Pr、Y、Scが好ましく、La、Y、Ndがより好ましい。また、アルカリ土類金属元素としては、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)、ラジウム(Ra)が挙げられ、中でも、ロジウムを担持させた際に過剰な相互作用を抑制する傾向にあることから、Ca、Sr、Baが好ましい。
さらに、このようなパイロクロア相型複合酸化物において、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少なくとも一種の元素を更に含有する場合には、前記元素の含有量が酸化物換算で1〜20質量%であることが好ましく、3〜7質量%であることが好ましい。このような元素の含有量が前記下限未満では、規則配列相を安定化する効果が十分なものとならない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、得られる第二酸化物粒子の酸素貯蔵能が低下してしまう傾向にある。
また、前記第二酸化物粒子としては、前記第二酸化物粒子に白金を0.1質量%担持してなる試料を用いて、500℃の酸化雰囲気下において前記試料に酸素を吸着させた酸素吸着試料と、500℃の還元雰囲気下において前記酸素吸着試料から酸素を放出させた酸素放出試料との重量差に基づいて、前記試料から放出される酸素量を測定した際に、前記酸素量が前記試料中の全セリア中の酸素原子の20at%以上(より好ましくは22at%以上)となることが確認されるものであるものを用いることが好ましい。このような第二酸化物粒子により、非常に高度なOSC性能が発揮される傾向にある。
また、このような試料中の全セリア中の酸素原子に対する前記試料から放出される酸素量の割合(at%)の測定方法としては、以下に示す方法を採用する。すなわち、先ず、第二酸化物粒子に白金を0.1質量%担持した試料を調製する。次に、前記試料を50mg秤量する。そして、50mgの前記試料を熱重量分析計(例えば、島津製作所社製の商品名「TGA−50」)にセットする。次いで、前記熱重量分析計にセットされた前記試料の周囲の雰囲気を、500℃の温度条件下において、O(20容量%)とN(残部)とからなる酸化ガスのガス雰囲気とする前処理を15分間実施する。次いで、500℃の温度条件のまま、前処理後の試料の周囲の雰囲気をH(20容量%)とN(残部)とからなる還元性ガスのガス雰囲気とし、前記試料の重量の減少が生じなくなるまで、その還元性ガス雰囲気で保持して、試料から酸素を放出させて、酸素放出試料を得る。次に、500℃の温度条件のまま、前記試料の周囲の雰囲気を、O(20容量%)とN(残部)とからなる酸化ガスのガス雰囲気として、前記酸素放出試料の重量の増加がなくなるまで保持し、前記試料に酸素を吸着させて酸素吸着試料を得た後、その酸素吸着試料の重量を測定する(工程(I))。次いで、500℃の温度条件のまま、前記酸素吸着試料の周囲の雰囲気を、H(20容量%)とN(残部)とからなる還元性ガスのガス雰囲気として、前記試料の重量の減少が生じなくなるまで保持し、前記試料から酸素を放出させて酸素放出試料を得た後、その酸素放出試料の重量を測定する(工程(II))。そして、酸素放出試料に工程(I)を実施した際に増加した重量(増加量)と、酸素吸着試料に対して工程(II)を実施した際に減少した重量(減少量)との差([増加量]−[減少量])が±0.015mg以下となるまで前記工程(I)と前記工程(II)とを交互に繰り返し実施した後、更に、工程(I)と工程(II)とを交互に繰り返し2回実施し、最後の2回の工程(I)及び(II)実施時における、酸素吸着試料の重量と酸素放出試料の重量との差([酸素吸着試料の重量]−[酸素放出試料の重量])の平均値を求める。次に、このようにして求められる平均値に基づいて、前記試料から放出される酸素原子の量(酸素量)を求める。そして、このようにして求められる酸素量に基づいて、前記試料中の全セリア中に含まれる酸素原子に対する前記試料から放出される酸素量の比([前記試料から放出される酸素原子の量]/[前記試料中の全セリア中に含まれる全酸素原子の量])を算出する。
以上、前記試料の全セリア中の酸素原子に対する前記試料から放出される酸素量の割合(at%)の測定方法を説明したが、このような測定に用いる試料の製造方法は特に制限されず、例えば、白金の塩(硝酸塩等)を含有する溶液(例えば、ジニトロジアミン白金水溶液等)を、第二酸化物粒子に対して、白金の担持量が0.1質量%となるようにして含浸して担持し、その後焼成する方法等、第二酸化物粒子に白金を0.1質量%担持した試料を調製できる方法を適宜採用できる。
なお、本発明においては、第二酸化物粒子に、前述のセリウムイオンとジルコニウムイオンとによりパイロクロア相型の規則配列相が形成されたセリアとジルコニアとの複合酸化物を用いることで、より確実に、前記試料中の全セリア中の酸素原子に対する前記酸素量を20at%以上(より好ましくは22at%以上)とすることができる傾向にある。
さらに、このような第二酸化物粒子の比表面積は、35m/g以下である。また、このような第二酸化物粒子の比表面積としては、0.1〜25m/gであることがより好ましく、0.1〜2m/gであることが更に好ましく、0.1〜1m/gであることが特に好ましい。このような比表面積が前記下限未満では、酸素貯蔵能が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、粒子径が小さな粒子が増加し、第一酸化物粒子に担持されていたロジウムが触媒の使用時に第二酸化物粒子に移動して担持されてしまい、触媒活性が低下する傾向にある。なお、このような比表面積は吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。
また、このような第二酸化物粒子の製造方法としては特に制限されず、例えば、セリウムの塩と、必要に応じて添加される前述のセリア以外の金属酸化物の原料となる金属(II)の塩とを含有する混合液を用いて、アンモニアの存在下で、セリウムの水酸化物と前記金属(II)の水酸化物の共沈殿物を生成せしめ、得られた共沈殿物を濾過、洗浄した後に乾燥し、その後焼成して第二酸化物粒子を得る方法を採用してもよい。また、前記第二酸化物粒子に好適に用いることが可能な、前述のパイロクロア相型の規則配列相が形成されたセリアとジルコニアとの複合酸化物を製造するための方法としては、以下のような方法を採用することができる。すなわち、このようなセリアとジルコニアとの複合酸化物を製造するための方法としては、セリア及びジルコニアの複合化原料粉末を、900℃以上1900℃以下の温度条件で還元処理して複合酸化物前駆体を得る工程(第一工程)と、前記複合酸化物前駆体を酸化処理して前記セリアとジルコニアとの複合酸化物を得る工程(第二工程)とを含む方法を採用することが好ましい。このような方法により、パイロクロア相型の規則配列相が形成されたセリアとジルコニアとの複合酸化物を効率よく製造することが可能となる。
このような方法に用いられるセリア及びジルコニアの複合化原料粉末は、セリアとジルコニアの含有比率がモル比([セリア]:[ジルコニア])で55:45〜40:60の範囲にあるものを用いることが好ましい。このようなセリアとジルコニアの含有比率が前記範囲外となる場合には、得られるセリアとジルコニアとの複合酸化物において、遊離したセリアあるいはジルコニアがパイロクロア相型の規則配列相以外の別の相として共存し、パイロクロア相の形成のために何ら寄与しない傾向にある。すなわち、このようなセリアの含有比率が前記下限未満では、ジルコニアの含有比率が高くなり過ぎて、還元処理工程においてジルコニアが遊離し、セリウムイオンとジルコニウムイオンとによりパイロクロア相型の規則配列相を十分に形成させることが困難となり、得られるセリアとジルコニアとの複合酸化物の酸素貯蔵能が低下する傾向にある。他方、前記セリアの含有比率が前記上限を超えると、遊離したセリアが混在した状態となる傾向にある。なお、このような遊離したセリアは酸素貯蔵能にはほとんど寄与しない。
また、このようなセリア及びジルコニアの複合化原料粉末としては、セリアとジルコニアとが共存したものであればよく、特に制限されず、セリア−ジルコニア固溶体の粉末であっても、セリア粉末とジルコニア粉末の混合物であってもよい。このようなセリア及びジルコニアの複合化原料粉末として、セリア粉末とジルコニア粉末の混合物を用いる場合には、パイロクロア相型の規則配列相をより十分に形成させるという観点から、セリア粉末及びジルコニア粉末が十分に微粉砕された微細なものであって且つその微細な各粉末が高度に分散、混合された状態のものを用いることが好ましい。なお、このようなセリア粉末及びジルコニア粉末の混合物を用いる場合には、パイロクロア相型の規則配列相をより十分に形成させるという観点から、各粉末の平均粒子径は100〜1000nm程度であることが好ましい。
また、このようなセリア及びジルコニアの複合化原料粉末としては、パイロクロア相型の規則配列相をより十分に形成させるという観点からは、セリアとジルコニアとが原子レベルで混合された固溶体を用いることがより好ましい。また、このようなセリアとジルコニアの固溶体の粉体としては、平均粒子径が2〜100nm程度であることが好ましい。
また、このようなセリア及びジルコニアの複合化原料粉末を製造する方法は特に制限されず、例えば、いわゆる共沈法を採用して、セリアとジルコニアの含有比率が上記含有比率の範囲内となるようにして前記複合酸化物粉末を製造する方法や、微細なセリア粉末とジルコニア粉末とをセリアとジルコニアの含有比率が上記含有比率の範囲内となるようにして混合して前記複合酸化物粉末を製造する方法等が挙げられる。前記共沈法としては、例えば、セリウムの塩(例えば、硝酸塩)とジルコニウムの塩(例えば、硝酸塩)とを含有する水溶液を用い、アンモニアの存在下で共沈殿物を生成せしめ、得られた共沈殿物を濾過、洗浄した後に乾燥し、更に焼成後、ボールミル等の粉砕機を用いて粉砕して、セリア及びジルコニアの複合化原料粉末を得る方法等が挙げられる。なお、前記セリウムの塩とジルコニウムの塩とを含有する水溶液は、得られる複合酸化物粉末中のセリアとジルコニアの含有比率が55:45〜40:60となるようにして調製する。また、このような水溶液には、必要に応じて、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少なくとも一種の元素の塩や、界面活性剤(例えば、ノニオン系界面活性剤)等を添加してもよい。
また、このようなセリア及びジルコニアの複合化原料粉末を製造する方法においては、上述のように、先ず、前記複合酸化物粉末を還元処理して複合酸化物前駆体を得る(第一工程)。このような還元処理の温度条件は、900℃以上1900℃以下とすることが好ましく、1500℃以上1850℃以下とすることがより好ましく、1650℃以上1800℃以下とすることが更に好ましく、1700℃以上1800℃以下とすることが特に好ましい。このような還元処理の温度条件が前記下限未満では、パイロクロア相型の規則配列相は形成されるが、結晶子の平均粒子径を十分な大きさとすることができないため、形成される結晶相の構造安定性が低下し、耐熱性が低下する。すなわち、前記温度条件が前記下限未満では得られるセリアとジルコニアとの複合酸化物を、大気中、1000℃の温度条件で5時間加熱した場合に、前記パイロクロア相型の規則配列相が加熱前と比較して50%以上残存するようなセリアとジルコニアとの複合酸化物を得ることができなくなる。なお、このような加熱処理の際の温度条件は、前記温度範囲内において、より高温にする程、より安定化された結晶構造を持つセリアとジルコニアとの複合酸化物が得られる傾向にある。また、このような還元処理の温度条件が前記上限を超えると、還元ガスのCOとジルコニア(ZrO)が反応してパイロクロア相が分解してしまう傾向にある。
また、前記還元処理の方法は、還元性雰囲気下で前記複合酸化物粉末を1500℃以上1900℃以下の温度条件で加熱処理することが可能な方法であればよく、特に制限されず、例えば、真空加熱炉内に前記セリア及びジルコニアの複合化原料粉末を設置し、真空引きした後に、炉内に還元性ガスを流入させて炉内の雰囲気を還元性雰囲気とし、1500℃以上1900℃以下の温度条件で加熱して還元処理を施す方法や、黒鉛製の炉を用い、炉内に前記セリア及びジルコニアの複合化原料粉末を設置し、真空引きした後、1500℃以上1900℃以下の温度条件で加熱して、炉体及び加熱燃料等から発生するCOやHC等の還元性ガスにより炉内の雰囲気を還元性雰囲気とし、還元処理を施す方法等が挙げられる。なお、前述の黒鉛炉を用いる場合においても、還元性ガスを炉内に流入させて還元性雰囲気しながら加熱してもよい。
また、このような還元性雰囲気を達成させるために用いる還元性ガスとしては、特に制限されず、CO、HC、H、その他の炭化水素ガス等の還元ガスを適宜用いることができる。また、このような還元性ガスの中でも、より高温で還元性処理をした場合に炭化ジルコニウム(ZrC)等の複生成物が生成されることを防止するという観点からは、炭素(C)を含まないものを用いることがより好ましい。このような炭素(C)を含まない還元性ガスを用いた場合には、ジルコニウム等の融点に近いより高い温度条件での還元処理が可能となるため、結晶相の構造安定性をより十分に向上させることが可能となる。
このような還元処理の際の加熱時間としては特に制限されないが、0.5〜5時間程度であることが好ましい。このような加熱時間が前記下限未満では、前記複合酸化物粉末の結晶子径を十分に大きくすることができなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、十分に粒成長が進み、それ以上の操作が無駄となるため経済性が低下する傾向にある。
また、前記還元処理を施す前に、前記セリア及びジルコニアの複合化原料粉末を50MPa以上(より好ましくは100〜400MPa)の圧力でプレスすることが好ましい。このようにしてプレスした後の前記複合酸化物粉末(プレス成形体)を用いることで、前記複合酸化物粉末の粒度の均一性が向上し、前記還元処理中の加熱によって、より焼結が進み易くなり、表面エネルギーが放出され易くなって結晶構造がより安定化される傾向にある。また、前記プレス圧が前記下限未満では、プレスによる効果を十分に得られない傾向にある。なお、このようなプレスの方法としては特に制限されず、静水圧プレス等の公知のプレス方法を適宜採用できる。
このようにして第一工程を実施した後においては、得られた複合酸化物前駆体に対して、酸化処理を施し、セリアとジルコニアとの複合酸化物を得る(第二工程)。
このような酸化処理の方法は特に制限されず、還元処理して得られた複合酸化物前駆体中の金属元素を酸化することが可能な公知の方法を適宜採用することができ、例えば、酸化雰囲気(例えば、空気)中において前記複合酸化物前駆体を加熱処理する方法を好適に採用することができる。また、このような酸化処理の際の加熱温度の条件としては特に制限されないが300〜800℃程度であることが好ましい。さらに、前記酸化処理の際の加熱時間としては特に制限されないが0.5〜5時間であることが好ましい。
このようにして得られるセリアとジルコニアとの複合酸化物は、セリウムイオンとジルコニウムイオンとによりパイロクロア相型の規則配列相が十分に形成され、しかも、大気中、1000℃の温度条件で5時間加熱した場合においても、前記パイロクロア相型の規則配列相が加熱前と比較して50%以上残存する。従って、得られるセリアとジルコニアとの複合酸化物は、耐熱性が十分に高く、長時間高温に晒された後においても十分に優れた酸素貯蔵能を発揮することが可能なものとなる。
(担体)
本発明にかかる担体は、前記第一酸化物粒子と第二酸化物粒子の混合物からなるものである。このような担体中における前記第一酸化物粒子と前記第二酸化物粒子の混合比としては特に制限されないが、質量基準(第一酸化物粒子:第二酸化物粒子)で100:3.4〜100:68とすることが好ましく、100:8.5〜100:51とすることがより好ましい。このような第一酸化物粒子の混合比が前記下限未満では、OSC性能が不足し、耐久時のRhの劣化を抑制できない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、耐久中にRhが第1酸化物粒子上から第2酸化物粒子上に移動する確率が上昇する傾向にある。
(排ガス浄化用触媒)
本発明の排ガス浄化用触媒は、担体と該担体に担持されたロジウムとを備える排ガス浄化用触媒であって、前記担体が、アルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しない第一酸化物粒子と、セリアを含有する第二酸化物粒子との混合物であり、且つ
前記ロジウムの70at%以上が前記第一酸化物粒子に担持されているものである。
このようなロジウムの担持量としては、担体100質量部に対して0.01〜3質量部であることが好ましく、0.05〜1質量部であることがより好ましい。このようなロジウムの担持量が前記下限未満では、十分な触媒活性が得られなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、浄化性能が飽和する傾向にある。
また、本発明においては、前記前記担体に担持されたロジウムのうちの70at%以上(より好ましくは80at%以上、更に好ましくは90at%以上)が前記第一酸化物粒子に担持されている。第一酸化物粒子に担持されているロジウムの量が、触媒中の全ロジウムの70at%未満では、セリアを含有する第二酸化物粒子へのロジウムの担持量が増加し、触媒の使用時に十分な量のロジウムをメタル状態とすることが困難となり、十分な触媒活性が得られなくなる。
また、このような排ガス浄化用触媒としては、1000℃の温度条件下、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、触媒2gあたりに500mL/minの流量で通過するようにして50時間供給する耐久試験を実施した後においても、前記担体に担持されたロジウムのうちの70at%以上(より好ましくは80at%以上、更に好ましくは90at%以上)が前記第一酸化物粒子に担持されていることが好ましい。このような排ガス浄化用触媒により、より長期に亘って、高度な排ガス浄化活性が得られる傾向にある。
このような排ガス浄化用触媒の製造方法としては特に制限されず、別途Rhを担持し、Rhの担持量がそれぞれ異なる第一酸化物粒子と、第二酸化物粒子とを準備し、これらを第一酸化物粒子に担持されているロジウムの量が触媒中の全ロジウムの70at%以上となるようにして混合して、排ガス浄化用触媒を得る方法を採用してもよい。また、このような排ガス浄化用触媒の製造方法としては、より容易に本発明の排ガス浄化用触媒を調製できるという観点から、予め、前記第一酸化物粒子に対してロジウムを担持したRh担持第一粒子を製造しておき、Rh担持第一粒子と前記第二酸化物粒子とを混合して排ガス浄化用触媒を得る方法を採用してもよい。このようにして前記第一酸化物粒子に対してロジウムを担持する一方で前記第二酸化物粒子にはロジウムを担持せず、これらの粒子を混合して排ガス浄化用触媒を得ることで、長期間使用した場合においても十分な触媒活性を有する触媒を製造できる傾向にある。なお、前記耐久試験後においても前記担体に担持されたロジウムのうちの70at%以上が前記第一酸化物粒子に担持されている触媒を製造する場合には、前記第二酸化物粒子として、比表面積が35m/g以下(より好ましくは0.1〜25m/g、更に好ましくは0.1〜2m/g、0.1〜1m/g)の第二酸化物粒子を用いることが好ましい。
また、前記第一酸化物粒子及び/又は前記第二酸化物粒子に貴金属を担持させる方法としては特に制限されず、公知の方法を適宜採用することができ、例えば、貴金属の塩(硝酸塩、塩化物、酢酸塩等)又は貴金属の錯体を水、アルコール等の溶媒に溶解した溶液に、前記第一酸化物粒子及び/又は前記第二酸化物粒子を浸漬し、溶媒を除去した後に焼成する方法を採用してもよい。
さらに、本発明の排ガス浄化用触媒の形態は特に制限されず、例えば、ペレット等の所定の形状に成形して使用してもよくあるいは触媒用基材に担持して用いてもよい。このような基材は特に制限されず、例えば、モノリス担体基材(ハニカムフィルタ、高密度ハニカム等)、フォームフィルタ基材、ペレット状基材、プレート状基材等が好適に採用される。また、このような基材の材質も特に制限されないが、排ガス浄化用触媒等として用いる場合は、コージエライト、炭化ケイ素、ムライト等のセラミックスからなる基材や、クロム及びアルミニウムを含むステンレススチール等の金属からなる基材を好適に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。
(合成例1:Rhが担持された第一酸化物粒子の調製)
先ず、4モルの硝酸アルミニウム9水和物、0.95モルのオキシ硝酸ジルコニウム2水和物及び0.05モルの硝酸ランタン6水和物を1600mLのイオン交換水に溶解して得た混合溶液を調製した。次に、前記混合溶液に対して、前記混合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を、十分に攪拌しながら加え、前記混合溶液のpHを9以上とし、前記混合溶液中にアルミニウム、ジルコニウム及びランタンの水酸化物の共沈物からなる酸化物前駆体を得た。次いで、得られた酸化物前駆体を遠心分離し、十分に洗浄した後、大気中、400℃の温度条件で5時間加熱して仮焼成し、酸化物前駆体の仮焼成物を得た。次に、前記酸化物前駆体の仮焼成物を、大気中、700℃の温度条件で5時間加熱してから、更に、900℃の温度条件で5時間加熱することにより焼成(第一焼成)して、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)及び酸化ランタン(La)を含有する第一焼成後の酸化物混合体を得た。このようにして得られた酸化物混合体の組成比は、酸化物のモル比(Al/ZrO/La)で200/95/2.5であった。
次に、得られた酸化物混合体49gを、2.6gの硝酸ネオジム6水和物(得られる第一酸化物粒子の全体量に対して酸化ネオジム(酸化物)換算で2質量%となる量)が溶解した硝酸ネオジム水溶液中に懸濁し、得られた懸濁液を2時間攪拌した。その後、前記懸濁液から水を蒸発させて残った固形物を、大気中110℃の温度条件で12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)して、第一酸化物粒子を得た。X線回折装置(リガク社製の商品名「RINT−TTR」)を用いて前記第一酸化物粒子を測定したところ、前記第一酸化物粒子の一次粒子の平均粒子径は9nmであった。さらに、粒度分布計(日機装社製の商品名「マイクロトラック MT3300EX」を用いて測定した二次粒子の平均粒子径は0.5μmであった。
次いで、前記第一酸化物粒子を、Rh(NO水溶液中に加えて攪拌した後、水を蒸発せしめ、残った固形物を大気中500℃で3時間加熱して焼成して、Rhが担持された第一酸化物粒子(Rh担持第一酸化物粒子)を得た。なお、ロジウムの担持量は前記第一酸化物粒子100gに対して0.15gであった。
(合成例2:第二酸化物粒子(I)の調製)
先ず、1モルの硝酸セリウム・6水和物及び1モルのオキシ硝酸ジルコニウム2水和物を1600mLのイオン交換水に溶解して混合溶液を得た。次に、前記混合溶液に対して、前記混合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を、十分に攪拌しながら加え、前記溶液のpHを9以上とし、セリウムとジルコニウムの水酸化物を共沈させて酸化物前駆体を得た。次いで、得られた酸化物前駆体を遠心分離してから十分に洗浄した後、大気中、400℃の温度条件で5時間加熱して仮焼成し、酸化物前駆体の仮焼成物を得た。次に、前記酸化物前駆体の仮焼成物を、大気中700℃で5時間加熱して、酸化セリウム(CeO)と酸化ジルコニウム(ZrO)とが固溶した状態の複合酸化物(平均粒子径1μm)を得た。
次に、前記複合酸化物をCIP成型(3000kgf/cm、5分間)して得られた平均粒子径が1μmの粉末を用い、前記粉末を炭素炉に設置した。その後、前記炉内をディフュージョンポンプで0.01Torrまで真空引きした後、アルゴンガスを導入し、アルゴンガス100容量%の還元雰囲気とした。次に、前記炉内の温度を1700℃にして前記固形状試料を5時間加熱して還元処理を施し、複合酸化物前駆体を得た。その後、炉内の温度が50℃となるまで炉冷し、炉から前記複合酸化物前駆体を取り出した。そして、得られた複合酸化物前駆体を、大気中、500℃の温度条件で5時間加熱して酸化し、セリアとジルコニアとの複合酸化物からなる第二酸化物粒子(I)を得た。このようにして得られた第二酸化物粒子(I)の比表面積を測定した。このような比表面積の測定には、マイクロ・データ株式会社製の全自動比表面積測定装置(MICRO SOAP 4232 II)を用いてN吸着(BET1点法)により比表面積を測定する方法を採用した(以下、単に「BET法」と記載する)。このような測定の結果、第二酸化物粒子(I)は比表面積(BET法)が0.2m/gであることが確認された。
(合成例3:第二酸化物粒子(II)の調製)
前記還元処理時の炉内の温度を1700℃から1500℃に変更した以外は合成例2と同様にして、セリアとジルコニアとの複合酸化物からなる第二酸化物粒子(II)を得た。このようにして得られた第二酸化物粒子(II)は比表面積(BET法)が0.4m/gであることが確認された。
(合成例4:第二酸化物粒子(III)の調製)
前記混合溶液を1モルの硝酸アルミニウム・9水和物、1モルの硝酸セリウム・6水和物および1モルのオキシ硝酸ジルコニウム2水和物を1600mLのイオン交換水に溶解した溶液に変更し、得られた酸化アルミニウム(Al)と酸化セリウム(CeO)と酸化ジルコニウム(ZrO)との複合酸化物に対してCIP成型を行わず、更に、還元処理の方法として、管状炉を用いてH(5容量%)とN(残部)からなる還元性ガスが、前記複合酸化物40gに対して1L/minの流量で流通する雰囲気下で1000℃の温度条件下で5時間処理する方法を採用した以外は合成例2と同様にして、アルミナとセリアとジルコニアとの複合酸化物からなる第二酸化物粒子(III)を得た。このようにして得られた第二酸化物粒子(III)は比表面積(BET法)が23m/gであることが確認された。
(実施例1)
100gの合成例1で得られたRh担持第一酸化物粒子と、34gの合成例2で得られた第二酸化物粒子(I)とを乳鉢で十分に物理混合し、直径φ0.5〜1mmのペレット状に成形して、排ガス浄化用触媒を得た。
(実施例2)
合成例2で得られた第二酸化物粒子(I)の代わりに合成例3で得られた第二酸化物粒子(II)を用いた以外は、実施例1と同様にして排ガス浄化用触媒を得た。
(実施例3)
合成例2で得られた第二酸化物粒子(I)の代わりに合成例4で得られた第二酸化物粒子(III)を用いた以外は、実施例1と同様にして排ガス浄化用触媒を得た。
(比較例1)
先ず、4モルの硝酸アルミニウム9水和物、0.95モルのオキシ硝酸ジルコニウム2水和物、0.05モルの硝酸ランタン6水和物、及び、0.35モルの硝酸セリウム・6水和物を1600mLのイオン交換水に溶解して混合溶液を調製した。次に、前記混合溶液に対して、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を十分に攪拌しながら加え、前記混合溶液の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、酸化物前駆体を得た。そして、得られた酸化物前駆体を遠心分離してから十分に洗浄した後、大気中、400℃の温度条件で5時間加熱して、酸化物前駆体の仮焼成物を得た。次いで、前記酸化物前駆体の仮焼成物を、大気中、700℃の温度条件で5時間加熱してから、更に、900℃で5時間加熱することにより焼成(第一焼成)して、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化セリウム(CeO)及び酸化ランタン(La)を含有する第一焼成後の酸化物混合体を得た。得られた酸化物混合体の組成比は、酸化物のモル比(Al/ZrO/CeO/La)で200/95/35/2.5であった。
次に、前記酸化物混合体49gを、2.6gの硝酸ネオジム6水和物(得られる無機酸化物の全体量に対して、酸化ネオジム(酸化物)換算で2質量%となる量)が溶解した硝酸ネオジム水溶液中に懸濁させた後、得られた懸濁液を2時間攪拌した。その後、前記懸濁液から水を蒸発させて残った固形物を、大気中、110℃の温度条件で12時間加熱した後、更に、大気中、900℃の温度条件で5時間加熱することにより焼成(第二焼成)し、粒子状の無機酸化物を得た。
次いで、上述のようにして得られた無機酸化物を担体として用い、前記担体を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大気中500℃で3時間加熱して焼成し、前記担体にRhが担持された比較のための排ガス浄化用触媒を得た。なお、前記排ガス浄化用触媒におけるロジウムの担持量は、担体100gに対して0.15gであった。
(比較例2)
合成例1で得られたRh担持第一酸化物粒子を、そのまま比較のための排ガス浄化用触媒とした。
[実施例1〜3及び比較例1〜2で得られた触媒等の評価]
<合成例2〜3で得られた第二酸化物粒子のX線回折(XRD)測定>
合成例2で得られた第二酸化物粒子(I)及び合成例3で得られた第二酸化物粒子(II)の結晶相をX線回折法により測定した。なお、測定に際しては、測定試料として、複合酸化物の初期品(試料1)、大気中950℃で5時間酸化したもの(試料2)、大気中1000℃で5時間酸化したもの(試料3)、大気中1100℃で5時間酸化したもの(試料4)をそれぞれ準備した。そして、X線回折装置として理学電機社製の商品名「RINT−2100」を用いて、各実施例及び各比較例で得られたセリア−ジルコニア複合酸化物の試料1〜4のX線回折パターンを測定した。また、初期品(試料1)のX線回折パターンの2θ角が14°、28°、37°、44.5°及び51°の位置におけるベースラインからのピークの高さをそれぞれ100とした場合に、試料2〜4のX線回折パターンにおいて、2θ角が14°、28°、37°、44.5°及び51°の位置におけるピークの高さが初期品と比較して何%残存するかをそれぞれ求め、これを平均化することによって残存率を算出した。
このような測定の結果から、合成例2で得られた第二酸化物粒子(I)及び合成例3で得られた第二酸化物粒子(II)に関して、それぞれ初期品(試料1)において、2θ角が14°、28°、37°、44.5°及び51°の位置にそれぞれピークを有する結晶の配列構造(φ’相型の規則配列相)が確認された。また、合成例2で得られた第二酸化物粒子(I)及び合成例3で得られた第二酸化物粒子(II)においては、初期品(試料1)と比較した試料2〜3のφ’相型の規則配列相の残存率が、それぞれ50%以上となっていることがX線回折パターンから確認された。更に、合成例2で得られた第二酸化物粒子(I)においては、1100℃で5時間加熱した試料4においても、φ’相型の規則配列相の残存率が、初期品(試料1)と比較して50%以上となっていることがX線回折パターンから確認された。
<合成例1〜3で得られた粒子及び比較例1で得られた担体のOSC性能評価>
合成例1〜3で得られた第二酸化物粒子(I)〜(III)及び比較例1で得られた担体をそれぞれ用いて、OSC性能の評価試験を行った。先ず、第二酸化物粒子又は前記担体に白金をそれぞれ0.1質量%担持し、試料をそれぞれ調製した。次に、前記試料を50mgそれぞれ秤量し、熱重量分析計(島津製作所社製の商品名「TGA−50」)にそれぞれセットした。その後、前述の試料中の全セリア中の酸素原子に対する前記試料から放出される酸素量の割合(at%)の測定方法と同様の方法を採用して、酸素量の割合([前記試料から放出される酸素原子の量]/[前記試料中の全セリア中に含まれる全酸素原子の量])を算出した。結果を表1に示す。
表1に示す結果からも明らかなように、合成例1〜3で得られた第二酸化物粒子においては、非常に高度な酸素吸放出性能(OSC性能)を有することが確認された。これに対して、比較例1で得られた担体はOSC性能が十分なものではないことが分かった。
<耐久試験>
先ず、実施例1〜3及び比較例1〜2で得られた排ガス浄化用触媒の粉末をそれぞれ2.0g用い、各粉末(2.0g)に対して、温度1000℃、SV値(空間速度)10000h−1の条件で、下記表2に示すリッチガスとリーンガスとを5分ずつ交互に50時間供給する耐久試験をそれぞれ実施した。
<触媒活性の評価試験>
上記耐久試験後の実施例1〜3及び比較例1〜2で得られた排ガス浄化用触媒の粉末をロジウムの量が等しくなるようにそれぞれ秤量(実施例1:0.67g、実施例2:0.67g、実施例3:0.76g、比較例1:0.5g)し、前記秤量後の各粉末に対して、下記表3に示すモデルガス(A)とモデルガス(B)を、以下のようにしてそれぞれ流通させて、NO及びCの最高浄化率([触媒に接触前のガス中の成分(NO又はC)の濃度]−[触媒に接触後のガス中の成分(NO又はC)の濃度]/[触媒に接触前のガス中の成分(NO又はC)の濃度])をそれぞれ測定して、各触媒の触媒活性を評価した。すなわち、先ず、前記秤量後の粉末に対してモデルガス(A)を温度650℃、ガス流量10L/minの条件で5分間流通させた後に、モデルガス(B)を温度650℃、ガス流量10L/minの条件で10分間流通させる前処理を施した。このような前処理後、ガス温度を650℃から600℃に降温し、モデルガス(A)をガス流量10L/minの条件で1分間流通させた。その後、モデルガス(A)を温度600℃、ガス流量10L/minの条件で5分間流通させる工程(A)と、モデルガス(B)を温度600℃、ガス流量10L/minの条件で10分間流通させる工程(B)を交互に繰り返して2回実施し、最後に実施した工程(B)の10分経過後において、前記粉末に接触した後のガス中のNO及びCの濃度をガス分析装置(ベスト測器社製の商品名「BEX−5900c」)で測定して、接触前のガスとの対比によりNO及びCの浄化率を算出した。結果を図1及び表4に示す。
図1及び表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1〜3)においては、比較のための排ガス浄化用触媒(比較例1〜2)と比べて、十分に高度なNOの浄化率及びCの浄化率が得られることが確認された。このような結果から、比較例1で得られた触媒においてはRhがCeOと直接接触していることから、RhとCeOとの相互作用により、前記工程(A)において酸素リッチなモデルガス(A)の雰囲気下に触媒が晒された時点でRhの酸化物が生成されて安定化されてしまい、続く工程(B)において還元剤リッチな濃度モデルガス(B)の雰囲気下に触媒を晒しても、触媒中のRhを十分にメタルに還元できず、触媒活性が十分なものとはならなかったものと推察される。また、上記表1に示す第二酸化物粒子又は担体のOSC性能の結果を合わせ鑑みれば、比較例1で得られた触媒においては、前記酸素量の割合が0.15at%と十分なものではなかったため、耐久試験時の雰囲気変動を本発明に用いた担体と比較して十分に緩和することができなかったものと考えられ、この点からも触媒活性が十分なものとはならなかったものと推察される。また、比較例2で得られた触媒においては、触媒全体としてCeOを含有していないため、耐久試験時の雰囲気変動を十分に緩和することができず、Rhの粒成長が十分に抑制されず、触媒活性が十分なものとはならなかったものと推察される。
(実施例4)
第二酸化物粒子(I)の使用量を34gから51gに変更した以外は実施例1と同様にして排ガス浄化用触媒を得た。
(実施例5)
第二酸化物粒子(I)の使用量を34gから69gに変更した以外は実施例1と同様にして排ガス浄化用触媒を得た。
(比較例3)
粒子状の無機酸化物中の酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化セリウム(CeO)、酸化ランタン(La)及び酸化ネオジム(Nd)の比率が、質量比(Al/CeO/ZrO/La/Nd)で48.4/20.0/27.8/1.9/2.0となるように、硝酸アルミニウム9水和物、オキシ硝酸ジルコニウム2水和物、硝酸ランタン6水和物、硝酸セリウム6水和物及び硝酸ネオジム6水和物の使用量を変更した以外は、比較例1と同様にして、比較のための排ガス浄化用触媒を得た。なお、前記排ガス浄化用触媒におけるロジウムの担持量は、担体(無機酸化物)100gに対して0.15gであった。また、このようにして得られた触媒の担体(無機酸化物)の比表面積(BET法)は115m/gであることが確認された。
(比較例4)
粒子状の無機酸化物中の酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化セリウム(CeO)、酸化ランタン(La)及び酸化ネオジム(Nd)の比率が、質量比(Al/CeO/ZrO/La/Nd)で42.5/29.4/24.4/1.7/2.0となるように、硝酸アルミニウム9水和物、オキシ硝酸ジルコニウム2水和物、硝酸ランタン6水和物、硝酸セリウム6水和物及び硝酸ネオジム6水和物の使用量を変更した以外は、比較例1と同様にして、比較のための排ガス浄化用触媒を得た。なお、前記排ガス浄化用触媒におけるロジウムの担持量は、担体(無機酸化物)100gに対して0.15gであった。また、このようにして得られた触媒の担体(無機酸化物)の比表面積(BET法)が90m/gであることが確認された。
(比較例5)
第二酸化物粒子(I)の代わりに、下記方法により得られた比較用酸化物粒子(A)を33g用いた以外は、実施例1と同様にして比較のための排ガス浄化用触媒を得た。
〈比較用酸化物粒子(A)の製造方法〉
焼成後の酸化物混合体中における酸化セリウム(CeO)、酸化ジルコニウム(ZrO)及び酸化ランタン(La)の質量比(CeO/ZrO/La)が60.0/30.0/3.0となるようにして、硝酸セリウム・6水和物、オキシ硝酸ジルコニウム2水和物及び硝酸ランタン6水和物を1600mLのイオン交換水に溶解して混合溶液を調製した。次に、前記混合溶液に対して、前記混合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を、十分に攪拌しながら加え、前記混合溶液のpHを9以上とし、前記混合溶液中にセリウム、ジルコニウム及びランタンの水酸化物の共沈物からなる酸化物前駆体を得た。次いで、得られた酸化物前駆体を遠心分離し、十分に洗浄した後、大気中、400℃の温度条件で5時間加熱して仮焼成し、酸化物前駆体の仮焼成物を得た。次に、前記酸化物前駆体の仮焼成物を、大気中、700℃の温度条件で5時間加熱してから、更に、900℃の温度条件で5時間加熱することにより焼成(第一焼成)して、酸化セリウム(CeO)、酸化ジルコニウム(ZrO)及び酸化ランタン(La)を含有する第一焼成後の酸化物混合体を得た。
次に、製造する比較用酸化物粒子(A)の一次粒子中における酸化セリウム(CeO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(La)及び酸化プラセオジム(Pr11)の質量比(CeO/ZrO/La/Pr11)が60.0/30.0/3.0/7.0となるようにして、前記酸化物混合体を硝酸プラセオジムが溶解した水溶液中に懸濁し、得られた懸濁液を2時間攪拌した。その後、前記懸濁液から水を蒸発させて残った固形物を、大気中110℃の温度条件で12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)して、比較用酸化物粒子(A)を得た。なお、このようにして得られた比較用酸化物粒子(A)は比表面積(BET法)が55m/gであることが確認された。
(比較例6)
比較用酸化物粒子(A)の使用量を33gから50gに変更した以外は、比較例5と同様にして比較のための排ガス浄化用触媒を得た。
(比較例7)
比較用酸化物粒子(A)の使用量を33gから67gに変更した以外は、比較例5と同様にして比較のための排ガス浄化用触媒を得た。
[実施例1、実施例4〜5及び比較例3〜7で得られた触媒の評価]
<実施例1、実施例4〜5及び比較例3〜7で得られた触媒のOSC性能評価>
実施例1、実施例4〜5及び比較例3〜7で得られた排ガス浄化用触媒をそれぞれ用いて、触媒1gあたりのOSC性能を測定した。このようなOSC性能の測定方法としては、触媒中のロジウムの量が1.5mgで等しくなるように触媒を秤量し、この秤量後の触媒を石英反応管(内容積:直径1.5cm、長さ6cm)に充填し、固定床流通反応装置にてリッチガス(CO(2容量%)+N(残量))とリーンガス(O(1容量%)+N(残量))とを3分毎に交互に切り替えて流し、リッチガス雰囲気で生成するCOの量から触媒1gあたりの酸素吸放出量を測定する方法を採用した。なお、ガス流量は7L/min、各ガスのガス温度450℃とし、分析計としてはベスト測器社製の商品名「Bex5900c」を用いた。結果を図2に示す。
図2に示す結果からも明らかなように、実施例1及び実施例4〜5で得られた排ガス浄化用触媒並びに比較例3〜7で得られた排ガス浄化用触媒を、酸化セリウム(CeO)の含有比率が同じ触媒同士で比較すると、実施例1及び実施例4〜5で得られた排ガス浄化用触媒並びに比較例3で得られた排ガス浄化用触媒は十分に高度なOSC性能を有するものであることが確認された。
<実施例1、4〜5及び比較例3〜7で得られた触媒のNOx浄化性能の評価>
実施例1、実施例4〜5及び比較例3〜7で得られた排ガス浄化用触媒をそれぞれ用い、各触媒2gに対して上記耐久試験と同様の試験をそれぞれ実施し、前記耐久試験後の各触媒の粉末を、触媒中の全ロジウムの量が1.5mgで等しくなるように、それぞれ秤量して、前記秤量後の各触媒に対して下記表4に示すモデルガス(C)とモデルガス(D)を、以下のようにしてそれぞれ流通させて、NOの浄化率([触媒に接触前のガス中のNOの濃度]−[触媒に接触後のガス中のNOの濃度]/[触媒に接触前のガス中のNOの濃度])をそれぞれ測定し、各触媒のNOx浄化性能を評価した。すなわち、先ず、前記秤量後の粉末に対してモデルガス(C)を温度650℃、ガス流量7L/minの条件で2分間流通させた後に、モデルガス(D)を温度650℃、ガス流量7L/minの条件で10分間流通させる前処理を施した。このような前処理後、ガス温度を650℃から450℃に降温し、モデルガス(C)をガス流量7L/minの条件で1分間流通させた。その後、モデルガス(C)を温度450℃、ガス流量7L/minの条件で2分間流通させる工程(C)と、モデルガス(D)を温度450℃、ガス流量7L/minの条件で10分間流通させる工程(D)を交互に繰り返して2回実施し、最後に実施した工程(D)の9分50秒経過後からの10秒間、前記粉末に接触した後のガス中のNOの濃度をガス分析装置(ベスト測器社製の商品名「BEX−5900c」)で測定して、接触前のガスとの対比によりNOの浄化率を算出した。結果を図3に示す。なお、このような図3に示すNO浄化率は、過渡雰囲気下においてNOxを浄化するために利用する触媒中のRhがいかに早くメタル化するかを示す指標となる。
図3に示す結果からも明らかなように、実施例1及び実施例4〜5で得られた排ガス浄化用触媒並びに比較例3〜7で得られた排ガス浄化用触媒を、酸化セリウム(CeO)の含有比率が同じ触媒同士で比較すると、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例1、4、5)においては十分に優れたNOx浄化性能が得られていることが確認された。
また、図2及び図3に示す結果から、比較例3〜4で得られた排ガス浄化用触媒について比較すると、OSC性能が高い触媒(比較例4)ほどNOx浄化性能(NO浄化率)が低いものとなっていることが分かる。同様に、比較例5〜7で得られた排ガス浄化用触媒について比較すると、OSC性能がより高い触媒(比較例7)のNOx浄化性能(NO浄化率)が低いものとなっていた。このように、図2及び図3に示す結果から、比較例3〜7で得られた排ガス浄化用触媒においては、OSC性能の増加に伴い、NOx浄化性能(NO浄化率)が低下する関係(トレードオフの関係)があることが分かる。一方、図2及び図3に示す結果から、本発明で得られた排ガス浄化用触媒(実施例1、4、5)においては、OSC性能とNOx浄化性能(NO浄化率)とが共に優れたものとなっており、上述のようなトレードオフの関係がないこと分かった。このような結果において、特に、本発明で得られた排ガス浄化用触媒(実施例1、4、5)と、比較例5〜7で得られた排ガス浄化用触媒とを比較すると、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例1、4、5)においては、第一酸化物粒子とともに用いている酸化物粒子(第二酸化物粒子)の比表面積が35m/g以下であることに起因して、OSC性能とNOx浄化性能(NO浄化率)とが両立できていることが分かった。また、実施例1で得られた排ガス浄化用触媒と比較例3で得られた排ガス浄化用触媒とを比較すると、双方とも十分に高い水準のOSC性能を有するものであるが、比較例3で得られた排ガス浄化用触媒はNOx浄化性能が必ずしも十分なものではないことが確認された。このように、図2〜3に示す結果から、本発明の排ガス浄化用触媒(実施例1、4、5)においては、OSC性能とNOx浄化性能(NO浄化率)とを十分に高い水準で両立できることが確認された。
以上説明したように、本発明によれば、少ない貴金属使用量においても十分に高度な水準で窒素酸化物(NOx)と炭化水素(HC)とを浄化することが可能な排ガス浄化用触媒を提供することが可能となる。
したがって、本発明の排ガス浄化用触媒は、自動車エンジン等の内燃機関から排出される排ガスの浄化に用いる触媒等として特に有用である。

Claims (5)

  1. 担体と該担体に担持されたロジウムとを備える排ガス浄化用触媒であって、
    前記担体が、アルミナ及びジルコニアを含有し且つセリアを実質的に含有しない第一酸化物粒子と、セリアを含有する第二酸化物粒子との混合物であり、
    前記ロジウムの70at%以上が前記第一酸化物粒子に担持されており、且つ、
    前記第二酸化物粒子の比表面積が35m/g以下であること、
    を特徴とする排ガス浄化用触媒。
  2. 前記第二酸化物粒子がセリアとジルコニアとの複合酸化物を含有することを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化用触媒。
  3. 前記第二酸化物粒子が、セリウムイオンとジルコニウムイオンとによりパイロクロア相型の規則配列相が形成されたセリアとジルコニアとの複合酸化物を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の排ガス浄化用触媒。
  4. 前記第二酸化物粒子中の前記セリアの含有量が26〜68モル%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排ガス浄化用触媒。
  5. 前記第二酸化物粒子が、前記第二酸化物粒子に白金を0.1質量%担持してなる試料を用いて、500℃の酸化雰囲気下において前記試料に酸素を吸着させた酸素吸着試料と、500℃の還元雰囲気下において前記酸素吸着試料から酸素を放出させた酸素放出試料との重量差に基づいて、前記試料から放出される酸素量を測定した際に、前記酸素量が前記試料中の全セリア中の酸素原子の20at%以上となることが確認されるもの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排ガス浄化用触媒。
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