JP2011056342A - Catalyst and method for manufacturing catalyst - Google Patents

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Hideaki Kasai
秀明 笠井
Hiroshi Nakanishi
寛 中西
Hiroshi Kishi
浩史 岸
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst which can efficiently make a nitrogen oxide harmless while inhibiting the consumption of a precious metal, as well as a method for manufacturing a catalyst. <P>SOLUTION: This catalyst has a rhodium (Rh) atomic layer 1 laminated on the surface of a carrier 2. The carrier 2 is constituted of a material in which the distance between atoms in the Rh atomic layer 1 laminated on the surface of the carrier 2 is equal to or larger than the distance between atoms of Rh in bulk. On the surface of the Rh atomic layer 1 where the distance between atoms is equal to or larger than the distance between atoms of Rh in bulk, the probability of dissociative adsorption of nitrogen monoxide is high. Therefore, the nitrogen oxide (NOx) can be easily reduced and as such, the catalyst can make NOx harmless efficiently. When the number of the Rh atomic layers 1 to be laminated on the surface of the carrier 2 is lessened, the consumption of Rh can be cut more and besides, the capability of the catalyst to make NOx harmless can be increased more. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関等から排出される排ガスに含まれる有害成分を無害化するための触媒及び触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a catalyst for detoxifying harmful components contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine or the like, and a method for producing the catalyst.

ガソリンエンジン等の内燃機関又はボイラー等の燃焼装置から排出される排ガスには、窒素酸化物を始めとする有害成分が含まれており、この有害成分を無害化するための各種の触媒が開発されている。特に、多くの自動車に備えられているガソリンエンジンについては、排ガスに含まれる有害成分の規制が強化され続けており、効率良く有害成分を無害化することができる触媒の開発が望まれている。   Exhaust gas discharged from internal combustion engines such as gasoline engines or combustion devices such as boilers contains harmful components such as nitrogen oxides, and various catalysts have been developed to render these harmful components harmless. ing. In particular, for gasoline engines provided in many automobiles, regulations on harmful components contained in exhaust gas continue to be strengthened, and development of a catalyst capable of efficiently detoxifying harmful components is desired.

ガソリンエンジンから排出される排ガスに含まれる主な有害成分には、窒素酸化物(NOx)、炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)がある。これらの有害成分を無害化する方法は、HC及びCOを酸化反応により二酸化炭素及び水に変化させ、NOxを還元反応により窒素及び酸素に変化させることが一般的である。HC及びCOの酸化反応並びにNOxの還元反応を促進させることにより、NOx、HC及びCOを効率的に無害化させる触媒は、三元触媒と呼ばれ、ガソリンエンジンから排出される排ガスを無害化するために利用されている。従来、三元触媒として、白金(Pt)、パラジウム(Pd)又はロジウム(Rh)等の貴金属を用いた触媒が開発されている。また特許文献1には、貴金属の一種であるイリジウム(Ir)を材料の一つに用いた触媒が開示されている。   Major harmful components contained in exhaust gas discharged from a gasoline engine include nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HC), and carbon monoxide (CO). In general, a method for detoxifying these harmful components changes HC and CO into carbon dioxide and water by an oxidation reaction, and changes NOx to nitrogen and oxygen by a reduction reaction. A catalyst that efficiently detoxifies NOx, HC, and CO by promoting the oxidation reaction of HC and CO and the reduction reaction of NOx is called a three-way catalyst, and detoxifies exhaust gas discharged from a gasoline engine. Is used for. Conventionally, catalysts using noble metals such as platinum (Pt), palladium (Pd) or rhodium (Rh) have been developed as three-way catalysts. Patent Document 1 discloses a catalyst using iridium (Ir), which is a kind of noble metal, as one of the materials.

特開2009−61394号公報JP 2009-61394 A

NOx、HC及びCOの三種の有害成分の内、NOxは最も無害化が困難であり、特にNOxを効率的に無害化する触媒の開発が望まれている。また従来の三元触媒は、希少な資源である貴金属を使用しているので、高価であり、また大量生産が困難である。従って、貴金属の使用量を削減した触媒の開発が望まれている。   Of the three harmful components of NOx, HC and CO, NOx is the most difficult to detoxify, and in particular, the development of a catalyst that effectively detoxifies NOx is desired. In addition, the conventional three-way catalyst uses a noble metal which is a scarce resource, so it is expensive and difficult to mass-produce. Therefore, development of a catalyst that reduces the amount of noble metal used is desired.

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、貴金属の使用量を抑制しながらも、効率良くNOxを無害化することができる触媒、及び触媒の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to produce a catalyst capable of efficiently detoxifying NOx while suppressing the amount of noble metal used, and production of the catalyst. It is to provide a method.

本発明に係る触媒は、窒素酸化物を含むガスを接触させることにより、ガス中の窒素酸化物を還元させる触媒において、d電子を有する特定の金属元素の原子層を、原子間距離がバルクでの原子間距離以上の大きさになった状態で、担体の表面に積層してあり、前記原子層の表面に対する窒素酸化物の解離吸着エネルギーが、マイナスの値で、前記原子層の表面に対する窒素酸化物の分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値であることを特徴とする。   The catalyst according to the present invention is a catalyst that reduces nitrogen oxides in a gas by bringing a gas containing nitrogen oxides into contact with each other. The dissociative adsorption energy of nitrogen oxide with respect to the surface of the atomic layer is a negative value, and the nitrogen is absorbed with respect to the surface of the atomic layer. The energy is lower than the molecular adsorption energy of the oxide.

本発明に係る触媒は、前記金属元素は、ロジウム、イリジウム、コバルト、又は銅のいずれか一つであることを特徴とする。   The catalyst according to the present invention is characterized in that the metal element is any one of rhodium, iridium, cobalt, or copper.

本発明に係る触媒は、前記担体は、前記金属元素以外の金属結晶であり、原子間距離が前記金属元素のバルクでの原子間距離以上の大きさであることを特徴とする。   In the catalyst according to the present invention, the carrier is a metal crystal other than the metal element, and an interatomic distance is greater than or equal to an interatomic distance in the bulk of the metal element.

本発明に係る触媒は、前記担体は、金属酸化物の結晶であり、原子間距離が前記金属元素のバルクでの原子間距離以上の大きさであることを特徴とする。   In the catalyst according to the present invention, the support is a crystal of a metal oxide, and the interatomic distance is greater than or equal to the interatomic distance in the bulk of the metal element.

本発明に係る触媒は、前記担体は、半導体物質の結晶であり、原子間距離が前記金属元素のバルクでの原子間距離以上の大きさであることを特徴とする。   In the catalyst according to the present invention, the carrier is a crystal of a semiconductor material, and an interatomic distance is greater than or equal to an interatomic distance in the bulk of the metal element.

本発明に係る触媒は、前記担体はクラスター構造をなしていることを特徴とする。   The catalyst according to the present invention is characterized in that the carrier has a cluster structure.

本発明に係る触媒は、前記担体は膜状の構造を有することを特徴とする。   The catalyst according to the present invention is characterized in that the carrier has a film-like structure.

本発明に係る触媒の製造方法は、本発明の触媒を製造する方法であって、d電子を有する各金属元素について、当該金属元素の原子層を担体の表面に積層したときに前記原子層内での原子間距離がバルクでの原子間距離以上の大きさになるような担体を選択し、第一原理計算により、各金属元素について、選択した担体の表面に積層した当該金属元素の原子層の表面に対する窒素酸化物の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算し、計算した解離吸着エネルギーがマイナスの値であり、しかも解離吸着エネルギーが分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値となる金属元素を選出し、選出した金属元素の原子層を、前記金属元素について選択した担体の表面に積層することによって、前記触媒を製造することを特徴とする。   The method for producing a catalyst according to the present invention is a method for producing the catalyst according to the present invention, wherein for each metal element having d electrons, the atomic layer of the metal element is laminated on the surface of the carrier. A carrier having an interatomic distance greater than or equal to the interatomic distance in the bulk is selected, and for each metal element, the atomic layer of the metal element stacked on the surface of the selected carrier is determined by first-principles calculation. Calculate the molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy of nitrogen oxide on the surface of the metal, and select the metal element whose calculated dissociative adsorption energy is negative and whose dissociative adsorption energy is lower than the molecular adsorption energy. The catalyst is manufactured by laminating the selected atomic layer of the metal element on the surface of the carrier selected for the metal element.

本発明においては、触媒は担体の表面にd電子を有する特定の金属元素の原子層を積層して形成されており、原子層における原子間距離はバルクでの原子間距離以上の大きさとなっており、原子層の表面に対する窒素酸化物の解離吸着エネルギーがマイナスで分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値となっている。窒素酸化物の解離吸着エネルギーがマイナスで分子吸着エネルギーよりも低エネルギーであるために、原子層の表面に窒素酸化物が解離吸着し、解離吸着した窒素酸化物は容易に還元されるので、触媒は効率良く窒素酸化物を無害化することができる。   In the present invention, the catalyst is formed by laminating an atomic layer of a specific metal element having d electrons on the surface of the support, and the interatomic distance in the atomic layer is larger than the interatomic distance in the bulk. Thus, the dissociative adsorption energy of nitrogen oxides on the surface of the atomic layer is negative and is lower than the molecular adsorption energy. Since the dissociative adsorption energy of nitrogen oxides is negative and lower than the molecular adsorption energy, nitrogen oxides dissociate and adsorb on the surface of the atomic layer, and the dissociated and adsorbed nitrogen oxides are easily reduced. Can efficiently detoxify nitrogen oxides.

また本発明においては、原子層を構成する金属元素は、Rh、Ir、コバルト、又は銅であり、これらの金属元素の原子層を担体に積層することにより、窒素酸化物の解離吸着エネルギーがマイナスで分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値となる触媒が得られる。   In the present invention, the metal element constituting the atomic layer is Rh, Ir, cobalt, or copper, and the dissociative adsorption energy of nitrogen oxide is negative by stacking the atomic layer of these metal elements on the carrier. Thus, a catalyst having a lower energy value than the molecular adsorption energy can be obtained.

また本発明においては、原子層を構成する金属元素のバルクでの原子間距離以上の大きさの原子間距離を有する金属元素以外の金属結晶、金属酸化物の結晶、又は半導体物質の結晶で担体を構成する。担体の原子間距離がバルクの金属元素での原子間距離以上の大きさであることにより、原子層での原子間距離がバルクでの原子間距離よりも大きくなる。   Further, in the present invention, the carrier is formed of a metal crystal other than a metal element, a metal oxide crystal, or a semiconductor material crystal having an interatomic distance larger than the interatomic distance in the bulk of the metal element constituting the atomic layer. Configure. When the interatomic distance of the carrier is larger than the interatomic distance in the bulk metal element, the interatomic distance in the atomic layer becomes larger than the interatomic distance in the bulk.

また本発明においては、クラスター構造をなす担体の表面に金属元素の原子層を積層して触媒を構成する。クラスター状に構成することにより触媒の表面積が大きくなり、NOxを還元する効率が向上する。   In the present invention, a catalyst is formed by laminating an atomic layer of a metal element on the surface of a carrier having a cluster structure. By configuring in a cluster shape, the surface area of the catalyst is increased, and the efficiency of reducing NOx is improved.

また本発明においては、膜状に構成した担体の表面に金属元素の原子層を積層して触媒を構成する。これにより、薄膜状の触媒が構成される。   In the present invention, the catalyst is formed by laminating an atomic layer of a metal element on the surface of a support formed in a film shape. Thereby, a thin-film catalyst is formed.

本発明にあっては、担体の表面に積層されたRh等の特定の金属元素の原子層における原子間距離がバルクの状態での原子間距離以上の大きさであれば、一酸化窒素がRh表面に解離吸着する確率が高く、NOxが容易に還元されることが明らかとなったので、Rh等の特定の金属元素の原子層における原子間距離をバルクの状態での原子間距離以上の大きさにする担体の表面に原子層を積層することにより、Rh等の特定の金属元素の使用量を抑制しながらも効率良くNOxを無害化することができる触媒を実現できる。特に、担体の表面に積層する原子層を1層にした場合は、Rh等の特定の金属元素の使用量を最小限に抑制し、しかもNOxを無害化する能力を最大限に向上させることが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。   In the present invention, if the interatomic distance in the atomic layer of a specific metal element such as Rh stacked on the surface of the support is greater than or equal to the interatomic distance in the bulk state, nitric oxide is Rh. Since the probability of dissociative adsorption on the surface is high and NOx is easily reduced, the interatomic distance in the atomic layer of a specific metal element such as Rh is larger than the interatomic distance in the bulk state. By stacking the atomic layer on the surface of the support, a catalyst capable of detoxifying NOx efficiently while suppressing the amount of a specific metal element such as Rh can be realized. In particular, when the atomic layer laminated on the surface of the support is made into one layer, the amount of use of a specific metal element such as Rh can be minimized and the ability to detoxify NOx can be maximized. The present invention has excellent effects such as being possible.

Rh金属結晶の表面に対するNOの分子吸着エネルギーを計算した結果を示す図表である。It is a graph which shows the result of having calculated the molecular adsorption energy of NO with respect to the surface of a Rh metal crystal. Rh金属結晶の表面に対するNOの解離吸着エネルギーを計算した結果を示す図表である。It is a graph which shows the result of having calculated the dissociative adsorption energy of NO with respect to the surface of a Rh metal crystal. Rh金属結晶の表面に吸着するN原子又はO原子の位置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the position of the N atom or O atom which adsorb | sucks to the surface of a Rh metal crystal. Rh、Pt、Pd、Cu及びIrの夫々について計算した分子吸着エネルギー、解離吸着エネルギー及び活性化障壁の計算結果を示す図表である。It is a graph which shows the calculation result of the molecular adsorption energy calculated about each of Rh, Pt, Pd, Cu, and Ir, dissociation adsorption energy, and an activation barrier. Rh表面でNOが還元されるプロセスを示す想像図である。It is an imaginary figure which shows the process in which NO is reduce | restored on the Rh surface. 4層のCu原子層に積層した1層のRh原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。It is a graph which shows the calculation result of the molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy of NO calculated about one Rh atomic layer laminated | stacked on four Cu atomic layers. 4層のAl原子層に積層した1層のRh原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。It is a graph which shows the calculation result of the molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated about one Rh atomic layer laminated | stacked on four Al atomic layers. 4層のAg原子層に積層した1層のRh原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。It is a graph which shows the calculation result of the molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated about one Rh atomic layer laminated | stacked on four Ag atomic layers. 本発明の触媒の構造を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the catalyst of this invention. 4層のAl原子層に積層した1層のCo原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。It is a graph which shows the calculation result of the molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO which were calculated about one Co atomic layer laminated | stacked on four Al atomic layers. 4層のAg原子層に積層した1層のCo原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。It is a graph which shows the calculation result of the molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated about one Co atomic layer laminated | stacked on four Ag atomic layers. 4層のAl原子層に積層した1層のCu原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。It is a graph which shows the calculation result of the molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated about one Cu atomic layer laminated | stacked on four Al atomic layers. 4層のAg原子層に積層した1層のCu原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。It is a graph which shows the calculation result of the molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated about one Cu atomic layer laminated | stacked on four Ag atomic layers. 本発明の触媒の使用形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the usage form of the catalyst of this invention. 触媒の利用条件を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the utilization conditions of a catalyst.

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
(第1の実施の形態)
従来、触媒に多く利用されているRh、Pt及びPdの内、Rhが最もNOxを還元し易いことが知られている。しかしながら、その理由は明らかではなかった。本願の発明者は、密度汎関数法を用いた第一原理計算により、Rhが最もNOxを還元し易い理由を解明し、更に、RhがNOxを還元する能力を維持しながらもRh使用量を最小源に削減することができる触媒の構造を解明した。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings showing embodiments thereof.
(First embodiment)
Conventionally, it is known that among Rh, Pt, and Pd that are widely used in catalysts, Rh is most likely to reduce NOx. However, the reason was not clear. The inventor of the present application clarifies the reason why Rh is most likely to reduce NOx by first-principles calculation using the density functional method, and further, while maintaining the ability of Rh to reduce NOx, the amount of Rh used is reduced. The structure of the catalyst that can be reduced to the minimum source was elucidated.

まず、密度汎関数法を用いた第一原理計算により、Rhの金属結晶の表面に対する一酸化窒素(NO)分子の分子吸着エネルギー、及び解離吸着エネルギーを計算した。ここで、分子吸着エネルギーは、NO分子が分子の状態でRh表面に吸着した状態のエネルギーであり、解離吸着エネルギーは、NO分子がN原子とO原子とに解離した上でN原子及びO原子が共にRh表面に吸着した状態のエネルギーである。Rh金属結晶の結晶構造は、面心立方構造となっている。計算では、バルクのRh金属結晶の(111)表面にNO分子を吸着させる計算を行った。   First, molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy of nitric oxide (NO) molecules on the surface of the Rh metal crystal were calculated by first-principles calculation using a density functional method. Here, the molecular adsorption energy is energy in a state in which NO molecules are adsorbed on the Rh surface in a molecular state, and the dissociative adsorption energy is N atoms and O atoms after the NO molecules are dissociated into N atoms and O atoms. Are energy in the state adsorbed on the surface of Rh. The crystal structure of the Rh metal crystal is a face-centered cubic structure. In the calculation, NO molecules were adsorbed on the (111) surface of the bulk Rh metal crystal.

図1は、Rh金属結晶の表面に対するNOの分子吸着エネルギーを計算した結果を示す図表である。図1に示した1行目のON/Rh(111)は、NO分子をN原子側からRh金属結晶の(111)表面に近付けて分子吸着エネルギーを計算した結果を示し、2行目のNO/Rh(111)は、NO分子をO原子側からRh金属結晶の(111)表面に近付けて分子吸着エネルギーを計算した結果を示す。また図1には、NO分子が、Rhの表面の内、Topサイト、fcc−hollowサイト、hcp−hollowサイト、及びBridgeサイトの夫々に吸着した場合の分子吸着エネルギーを計算した結果を示す。Topサイトは、表面のRh原子上の位置であり、Bridgeサイトは、二つのRh原子間の位置であり、fcc−hollowサイトは、面心立方格子の隙間に相当する三つ以上のRh原子の隙間の位置であり、hcp−hollowサイトは、六方細密格子の隙間に相当する三つ以上のRh原子の隙間の位置である。計算結果の単位は全てエレクトロンボルト(eV)である。   FIG. 1 is a chart showing the results of calculating the molecular adsorption energy of NO on the surface of the Rh metal crystal. ON / Rh (111) in the first row shown in FIG. 1 shows the result of calculating the molecular adsorption energy by bringing the NO molecule closer to the (111) surface of the Rh metal crystal from the N atom side, and the NO in the second row. / Rh (111) indicates the result of calculating the molecular adsorption energy by bringing NO molecules closer to the (111) surface of the Rh metal crystal from the O atom side. FIG. 1 also shows the results of calculating the molecular adsorption energy when NO molecules are adsorbed on each of the Top site, the fcc-hollow site, the hcp-hollow site, and the Bridge site in the surface of Rh. The Top site is a position on the surface Rh atom, the Bridge site is a position between two Rh atoms, and the fcc-hollow site is a group of three or more Rh atoms corresponding to the gap of the face-centered cubic lattice. It is the position of the gap, and the hcp-hollow site is the position of the gap between three or more Rh atoms corresponding to the gap of the hexagonal close-packed lattice. The unit of calculation results is all electron volts (eV).

吸着エネルギーがマイナスである場合は、NO分子が吸着する反応が発熱反応であり、NO分子がRh表面に吸着した状態が安定であることを示し、絶対値の値が大きいほど、即ちより低エネルギーであるほど、NO分子が吸着する確率は高い。また吸着エネルギーがプラスである場合は、NO分子がRh表面に吸着する反応が吸熱反応であり、NO分子がRh表面に吸着した状態は不安定であることを示し、実質的にNO分子は吸着しない。図1に示す計算結果によれば、ON/Rh(111)のhcp−hollowサイトでの吸着エネルギーが−1.974eVとなり、符号がマイナスで絶対値が最大である。これにより、NO分子がRh金属結晶の表面に分子吸着する場合は、N原子の側がhcp−hollowサイトに位置する分子吸着が最も発生する確率が高いことが分かる。   When the adsorption energy is negative, the reaction of adsorbing NO molecules is an exothermic reaction, indicating that the state in which NO molecules are adsorbed on the Rh surface is stable. The larger the absolute value, the lower the energy. The higher the probability is, the more NO molecules are adsorbed. In addition, when the adsorption energy is positive, the reaction in which NO molecules are adsorbed on the Rh surface is an endothermic reaction, indicating that the state in which NO molecules are adsorbed on the Rh surface is unstable. do not do. According to the calculation result shown in FIG. 1, the adsorption energy at the hcp-hollow site of ON / Rh (111) is -1.974 eV, the sign is negative, and the absolute value is maximum. Accordingly, it can be seen that when NO molecules are adsorbed on the surface of the Rh metal crystal, the probability that the molecule adsorption with the N atom side located at the hcp-hollow site is the highest is generated.

図2は、Rh金属結晶の表面に対するNOの解離吸着エネルギーを計算した結果を示す図表であり、図3は、Rh金属結晶の表面に吸着するN原子又はO原子の位置を示す模式図である。NOが解離吸着を行う際は、N原子とO原子とが分離して個別にRh表面に吸着する。図3は、Rh金属結晶の(111)表面を模式的に示しており、実線の丸記号は表面のRh原子を示し、破線の丸記号は表面から2層目のRh原子を示す。図3には、a、b、c及びdの位置を示しており、a及びdの位置はhcp−hollowサイトであり、b及びcの位置はfcc−hollowサイトである。   FIG. 2 is a chart showing the results of calculating the dissociative adsorption energy of NO on the surface of the Rh metal crystal, and FIG. 3 is a schematic diagram showing the positions of N atoms or O atoms adsorbed on the surface of the Rh metal crystal. . When NO is dissociatively adsorbed, N atoms and O atoms are separated and adsorbed individually on the Rh surface. FIG. 3 schematically shows the (111) surface of the Rh metal crystal, the solid circle symbol indicates the Rh atom on the surface, and the broken circle symbol indicates the second layer Rh atom from the surface. FIG. 3 shows the positions of a, b, c, and d. The positions of a and d are hcp-hollow sites, and the positions of b and c are fcc-hollow sites.

図2(a)は、N原子がaの位置に吸着し、O原子がb、c又はdの何れかの位置に吸着するときの解離吸着エネルギーを示し、図2(b)は、N原子がbの位置に吸着し、O原子がa、c又はdの何れかの位置に吸着するときの解離吸着エネルギーを示す。図2中に「不安定」と示した組み合わせは、状態が不安定で吸着エネルギーが計算できなかった組み合わせである。その他の計算結果の単位は全てeVである。図2に示す計算結果によれば、N原子がaの位置に吸着し、O原子がcの位置に吸着するときの吸着エネルギーが−2.190eVとなり、符号がマイナスで絶対値が最大であり、最も低エネルギーとなっている。これにより、NO分子がRh金属結晶の表面に解離吸着する場合は、N原子がaの位置に吸着し、O原子がcの位置に吸着する解離吸着が最も発生する確率が高いことが分かる。   FIG. 2A shows dissociative adsorption energy when an N atom is adsorbed at a position and an O atom is adsorbed at any position of b, c, or d. FIG. Shows the dissociative adsorption energy when O is adsorbed at the position b and the O atom is adsorbed at any position a, c or d. The combination indicated as “unstable” in FIG. 2 is a combination in which the adsorption energy cannot be calculated because the state is unstable. All other calculation result units are eV. According to the calculation result shown in FIG. 2, the adsorption energy when the N atom is adsorbed at the position a and the O atom is adsorbed at the position c is −2.190 eV, the sign is minus, and the absolute value is the maximum. , Has become the lowest energy. Thus, it can be seen that, when NO molecules are dissociatively adsorbed on the surface of the Rh metal crystal, the probability that the dissociative adsorption in which the N atom is adsorbed at the position a and the O atom is adsorbed at the position c is the highest.

図1に示した最も発生する確率が高い分子吸着エネルギーと、図2に示した最も発生する確率が高い解離吸着エネルギーとを比較すれば、解離吸着エネルギーの方が絶対値が大きい。従って、Rh金属結晶の表面では、NOは、分子吸着よりも解離吸着を行う確率が高い。   Comparing the molecular adsorption energy having the highest probability of occurrence shown in FIG. 1 with the dissociative adsorption energy having the highest probability of occurrence shown in FIG. 2, the dissociative adsorption energy has a larger absolute value. Therefore, on the surface of the Rh metal crystal, NO has a higher probability of performing dissociative adsorption than molecular adsorption.

次に、密度汎関数法を用いた第1原理計算により、NOが解離吸着する前後でRh金属結晶の表面における状態密度を計算した。図3に示すeの位置のRh原子の状態密度を、NOが吸着していない状態と、図3に示すaの位置にN原子が吸着し、cの位置にO原子が吸着した状態とについて計算した。eの位置のRh原子は、NOがRh金属結晶の表面に解離吸着した際にN原子に隣接するRh原子である。状態密度の計算によれば、eの位置のRh原子におけるdzz軌道は、NOの解離吸着前は非占有軌道であったのに対し、NOの解離吸着後では占有軌道になっていることが明らかとなった。これは、金属結晶表面のRh原子が有するd電子がNOを解離吸着させるために寄与していることを示唆している。   Next, the density of states on the surface of the Rh metal crystal was calculated before and after NO was dissociated and adsorbed by first-principles calculation using a density functional method. The state density of the Rh atom at the position e shown in FIG. 3 is the state in which NO is not adsorbed, and the state in which the N atom is adsorbed at the position a and the O atom is adsorbed at the position c shown in FIG. Calculated. The Rh atom at the position e is an Rh atom adjacent to the N atom when NO is dissociated and adsorbed on the surface of the Rh metal crystal. According to the calculation of the density of states, it is clear that the dzz orbit of the Rh atom at the position e is an unoccupied orbit after NO dissociative adsorption, whereas it is an occupied orbit after NO dissociative adsorption. It became. This suggests that d electrons possessed by Rh atoms on the surface of the metal crystal contribute to dissociate and adsorb NO.

次に、Rhについての計算結果を他の金属と比較する。Rh、Pt、Pd、銅(Cu)、Irの夫々について、表面にNOが吸着する際の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算し、更に、表面にNOが解離吸着するために必要な活性化障壁を計算した。Pt及びPdは、Rhと同様に触媒として多く利用される材料であり、Cuは遷移金属の代表であり、Irは特許文献1で触媒に利用された材料である。図4は、Rh、Pt、Pd、Cu及びIrの夫々について計算した分子吸着エネルギー、解離吸着エネルギー及び活性化障壁の計算結果を示す図表である。分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーはいずれのマイナスの値が得られている。   Next, the calculation results for Rh are compared with other metals. For each of Rh, Pt, Pd, copper (Cu), and Ir, the molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy when NO is adsorbed on the surface are calculated, and further, activation necessary for NO to dissociate and adsorb on the surface is calculated. The barrier was calculated. Pt and Pd are materials that are often used as a catalyst, like Rh, Cu is a representative transition metal, and Ir is a material used as a catalyst in Patent Document 1. FIG. 4 is a chart showing calculation results of molecular adsorption energy, dissociative adsorption energy, and activation barrier calculated for each of Rh, Pt, Pd, Cu, and Ir. As for the molecular adsorption energy and the dissociative adsorption energy, any negative value is obtained.

図4を参照すれば、Pt、Pd及びCuでは、分子吸着エネルギーの方が、解離吸着エネルギーよりも絶対値が大きい。従って、Pt、Pd及びCuの表面では、NOは、解離吸着よりも分子吸着を行う確率が高い。逆に、Rh及びIrでは、分子吸着エネルギーよりも解離吸着エネルギーの方が絶対値が大きく、Rh及びIrの表面では、NOは解離吸着を行う確率が高いことが分かる。またRhは、表面にNOが解離吸着するための活性化障壁が最も小さいので、他の材料に比べてNOが解離吸着し易いことが分かる。   Referring to FIG. 4, for Pt, Pd and Cu, the molecular adsorption energy has a larger absolute value than the dissociative adsorption energy. Therefore, on the surface of Pt, Pd and Cu, NO has a higher probability of performing molecular adsorption than dissociative adsorption. In contrast, in Rh and Ir, the absolute value of the dissociative adsorption energy is larger than the molecular adsorption energy, and it can be seen that NO has a high probability of performing dissociative adsorption on the surface of Rh and Ir. Rh has the smallest activation barrier for dissociating and adsorbing NO on the surface, so it can be seen that NO is more easily dissociated and adsorbed than other materials.

解離吸着したNOは、N原子とO原子とが既に分離しているので、分子吸着したNOに比べてより還元され易い。例えば、NOがCOと反応して還元される場合、NO分子に含まれるO原子がN原子から引き離されてCOと反応するよりも、N原子から既に分離しているO原子がCOと反応する方がより容易である。図5は、Rh表面でNOが還元されるプロセスを示す想像図である。図5(a)に示すように、NO及びCOを含む排ガスがRh表面に接触した場合、NOはRh表面に解離吸着する。図5(b)に示すように、N原子から分離して吸着したO原子は、排ガス中のCOと反応し、また吸着したN原子はRh表面上で拡散してN原子同士が反応する。最終的に、図5(c)に示すように、NOは還元されて窒素分子となり、窒素分子はRh表面から離脱する。またNOを還元したCOは、自身は酸化されて二酸化炭素となる。このようにして、排ガス中のNO及びCOは、窒素分子及び二酸化炭素となって共に無害化される。NO以外のNOxについても、O原子が分離してCOと反応する還元反応が繰り返されることにより、最終的に還元されて窒素分子となる。   Dissociated and adsorbed NO is more easily reduced than NO that has been molecularly adsorbed because N and O atoms are already separated. For example, when NO reacts with CO and is reduced, O atoms already separated from N atoms react with CO rather than O atoms contained in NO molecules are separated from N atoms and react with CO. Is easier. FIG. 5 is an imaginary view showing a process in which NO is reduced on the Rh surface. As shown in FIG. 5A, when the exhaust gas containing NO and CO contacts the Rh surface, NO is dissociated and adsorbed on the Rh surface. As shown in FIG. 5B, the O atoms separated and adsorbed from the N atoms react with CO in the exhaust gas, and the adsorbed N atoms diffuse on the Rh surface and react with each other. Finally, as shown in FIG. 5C, NO is reduced to nitrogen molecules, and the nitrogen molecules are detached from the Rh surface. Further, CO that has reduced NO is itself oxidized to carbon dioxide. In this way, NO and CO in the exhaust gas are detoxified together as nitrogen molecules and carbon dioxide. NOx other than NO is also finally reduced to nitrogen molecules by repeating the reduction reaction in which O atoms are separated and react with CO.

以上のように、Rhは、Pt及びPdとは異なり、表面にNOが解離吸着し易い。解離吸着したNOは、分子吸着したNOよりも還元され易いので、表面にNOが解離吸着し易いRhは、表面でNOの解離吸着よりも分子吸着が起こり易いPt及びPdに比べて、NOを還元する能力が高くなる。このように、Pt及びPdに比べてRhがNOxを還元し易い理由が明らかとなった。   As described above, unlike Pt and Pd, Rh tends to dissociate and adsorb NO on the surface. Since dissociated and adsorbed NO is easier to be reduced than molecularly adsorbed NO, Rh that easily dissociates and adsorbs NO on the surface is more NO than Pt and Pd, which are more susceptible to molecular adsorption than NO. Increases ability to reduce. Thus, it became clear why Rh can reduce NOx more easily than Pt and Pd.

次に、本願の発明者は、Rh以外の金属結晶を被膜したRh原子層に対するNOの吸着し易さを密度汎関数法を用いた第一原理計算により計算した。触媒の形態を、他の金属結晶等の担体をRhで被膜した形態とした場合は、触媒でのRhの使用量を削減することができる。各種の担体を被膜したRhに対するNOの吸着し易さを計算することにより、触媒の能力をシミュレートすることができる。担体にRh原子層を積層する場合、担体とRhとで結晶構造が同一であれば、Rh原子層が積層し易い。また担体にRh原子層を積層した状態では、担体の原子層の数の方がRh原子層の数よりも大幅に多いので、Rh原子層における原子間距離は、担体における原子距離の影響を受けて変化する。これを反映するために、計算では、Rh原子層における原子間距離は、バルクの状態での担体の原子間距離と同一の値に設定した。計算では、担体として、Cu、及びアルミニウム(Al)及び銀(Ag)びの金属結晶を用いた。これらの金属結晶はいずれも立方細密構造を有するので、バルクの状態での担体の原子間距離として、格子定数を用いればよい。夫々の格子定数は、Rhで3.8Å、Cuで3.61Å、Alで4.05Å、Agで4.09Åである。Cuの金属結晶を担体とした場合は、Rh原子層における原子間距離はバルクの状態よりも小さくなる。またAl又はAgの金属結晶を担体とした場合は、Rh原子層における原子間距離はバルクの状態よりも大きくなる。   Next, the inventor of the present application calculated the ease of adsorption of NO to the Rh atomic layer coated with a metal crystal other than Rh by first-principles calculation using a density functional method. When the catalyst is in a form in which a carrier such as another metal crystal is coated with Rh, the amount of Rh used in the catalyst can be reduced. The ability of the catalyst can be simulated by calculating the ease of NO adsorption on Rh coated with various supports. When the Rh atomic layer is stacked on the carrier, the Rh atomic layer can be easily stacked if the carrier and Rh have the same crystal structure. In addition, in the state where the Rh atomic layer is stacked on the carrier, the number of atomic layers of the carrier is significantly larger than the number of Rh atomic layers, so the interatomic distance in the Rh atomic layer is affected by the atomic distance in the carrier. Change. In order to reflect this, in the calculation, the interatomic distance in the Rh atomic layer was set to the same value as the interatomic distance of the carrier in the bulk state. In the calculation, Cu and aluminum (Al) and silver (Ag) and metal crystals were used as the carrier. Since these metal crystals all have a cubic fine structure, the lattice constant may be used as the interatomic distance of the carrier in the bulk state. The respective lattice constants are 3.83 for Rh, 3.61Å for Cu, 4.05Å for Al, and 4.09Å for Ag. When a Cu metal crystal is used as a carrier, the interatomic distance in the Rh atomic layer is smaller than that in the bulk state. In addition, when an Al or Ag metal crystal is used as a carrier, the interatomic distance in the Rh atomic layer is larger than that in the bulk state.

図6は、4層のCu原子層に積層した1層のRh原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。計算では、4層のCu原子層からなるCu金属結晶の(111)表面に1層のRh原子層を積層し、Rh原子層にNOが吸着する際の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算した。Rh原子層における原子間距離は、Cuの原子間距離である3.61Åに設定した。この計算は、Cuの金属結晶でなる担体の表面にRh原子層を積層し、Cuの原子間距離の影響を受けてRh原子層での原子間距離がバルクの状態よりも小さくなった状態を模している。分子吸着エネルギーについては、NO分子のN原子側がfcc−hollowサイト及びhcp−hollowサイトの夫々に吸着した場合の分子吸着エネルギーを計算した。また解離吸着エネルギーについては、N原子及びO原子が共にfcc−hollowサイトに位置する場合(N−fcc_O−fcc)、N原子がfcc−hollowサイトに位置してO原子がhcp−hollowサイトに位置する場合(N−fcc_O−hcp)、N原子がhcp−hollowサイトに位置してO原子がfcc−hollowサイトに位置する場合(N−hcp_O−fcc)、並びにN原子及びO原子が共にhcp−hollowサイトに位置する場合(N−hcp_O−hcp)の夫々の解離吸着エネルギーを計算した。   FIG. 6 is a chart showing calculation results of molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated for one Rh atomic layer laminated on four Cu atomic layers. In the calculation, a single Rh atomic layer was stacked on the (111) surface of a Cu metal crystal composed of four Cu atomic layers, and the molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy when NO was adsorbed to the Rh atomic layer were calculated. . The interatomic distance in the Rh atomic layer was set to 3.61 mm which is the interatomic distance of Cu. In this calculation, an Rh atomic layer is laminated on the surface of a support made of a Cu metal crystal, and the interatomic distance in the Rh atomic layer is smaller than the bulk state due to the influence of the Cu interatomic distance. Imitate. Regarding the molecular adsorption energy, the molecular adsorption energy was calculated when the N atom side of the NO molecule was adsorbed on each of the fcc-hollow site and the hcp-hollow site. As for the dissociative adsorption energy, when both N atom and O atom are located at the fcc-hollow site (N-fcc_O-fcc), the N atom is located at the fcc-hollow site and the O atom is located at the hcp-hollow site. (N-fcc_O-hcp), N atom is located at the hcp-hollow site and O atom is located at the fcc-hollow site (N-hcp_O-fcc), and both N atom and O atom are hcp- The dissociative adsorption energy of each of the cases located at the hollow site (N-hcp_O-hcp) was calculated.

図6を参照すれば、分子吸着エネルギーの最小値は−1.787eVであり、解離吸着エネルギーの最小値は−1.486eVであり、分子吸着エネルギーの方が解離吸着エネルギーよりも絶対値が大きい。このため、バルクのRhとは異なり、Cu金属結晶の表面に積層した1層のRh原子層の表面ではNOの解離吸着は発生し難い。従って、Cu金属結晶の表面に積層したRh原子層は、NOを還元させる能力が低く、NOxを還元するための触媒としては能力が不十分である。   Referring to FIG. 6, the minimum value of the molecular adsorption energy is -1.787 eV, the minimum value of the dissociative adsorption energy is −1.486 eV, and the molecular adsorption energy has a larger absolute value than the dissociative adsorption energy. . Therefore, unlike bulk Rh, NO dissociative adsorption hardly occurs on the surface of one Rh atomic layer laminated on the surface of the Cu metal crystal. Therefore, the Rh atomic layer laminated on the surface of the Cu metal crystal has a low ability to reduce NO, and is insufficient as a catalyst for reducing NOx.

図7は、4層のAl原子層に積層した1層のRh原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。計算では、4層のAl原子層からなるAl金属結晶の(111)表面に1層のRh原子層を積層し、Rh原子層にNOが吸着する際の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算した。Rh原子層における原子間距離は、バルクの状態でのAlの原子間距離である4.05Åに設定した。この計算は、Alの金属結晶でなる担体の表面にRh原子層を積層し、Alの原子間距離の影響を受けてRh原子層での原子間距離がバルクの状態よりも大きくなった状態を模している。   FIG. 7 is a chart showing calculation results of molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated for one Rh atomic layer laminated on four Al atomic layers. In the calculation, a single Rh atomic layer was stacked on the (111) surface of an Al metal crystal composed of four Al atomic layers, and molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy when NO was adsorbed to the Rh atomic layer were calculated. . The interatomic distance in the Rh atomic layer was set to 4.05 cm, which is the interatomic distance of Al in the bulk state. In this calculation, an Rh atomic layer is stacked on the surface of a carrier made of Al metal crystals, and the interatomic distance in the Rh atomic layer is larger than the bulk state due to the influence of the interatomic distance of Al. Imitate.

図7を参照すれば、分子吸着エネルギーの最小値は−2.533eVであり、解離吸着エネルギーの最小値は−3.099eVであり、分子吸着エネルギーよりも解離吸着エネルギーの方が絶対値が大きい。このため、バルクのRhと同様に、Al金属結晶の表面に積層した1層のRh原子層の表面ではNOが解離吸着する確率が高く、NOは容易に還元される。従って、Al金属結晶の表面に積層したRh原子層は、NOを還元させる能力が十分に高く、NOxを還元するための触媒としては十分な能力を有する。   Referring to FIG. 7, the minimum value of the molecular adsorption energy is −2.533 eV, the minimum value of the dissociative adsorption energy is −3.099 eV, and the dissociative adsorption energy has a larger absolute value than the molecular adsorption energy. . For this reason, like bulk Rh, there is a high probability that NO is dissociated and adsorbed on the surface of one Rh atomic layer laminated on the surface of the Al metal crystal, and NO is easily reduced. Therefore, the Rh atomic layer laminated on the surface of the Al metal crystal has a sufficiently high ability to reduce NO, and has a sufficient ability as a catalyst for reducing NOx.

図8は、4層のAg原子層に積層した1層のRh原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。計算では、4層のAg原子層からなるAg金属結晶の(111)表面に1層のRh原子層を積層し、Rh原子層にNOが吸着する際の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算した。Rh原子層における原子間距離は、バルクの状態でのAgの原子間距離である4.09Åに設定した。この計算は、Agの金属結晶でなる担体の表面にRh原子層を積層し、Agの原子間距離の影響を受けてRh原子層での原子間距離がバルクの状態よりも大きくなった状態を模している。   FIG. 8 is a chart showing calculation results of molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated for one Rh atomic layer laminated on four Ag atomic layers. In the calculation, one Rh atomic layer was laminated on the (111) surface of an Ag metal crystal composed of four Ag atomic layers, and the molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy when NO was adsorbed to the Rh atomic layer were calculated. . The interatomic distance in the Rh atomic layer was set to 4.09 cm which is the interatomic distance of Ag in the bulk state. In this calculation, the Rh atomic layer is laminated on the surface of the support made of Ag metal crystal, and the interatomic distance in the Rh atomic layer is larger than the bulk state due to the influence of the interatomic distance of Ag. Imitate.

図8を参照すれば、Al金属結晶の表面に積層した1層のRh原子層と同様に、Ag金属結晶の表面に積層した1層のRh原子層では、分子吸着エネルギーよりも解離吸着エネルギーの方が絶対値が大きい。このため、バルクのRhと同様に、Ag金属結晶の表面に積層した1層のRh原子層の表面ではNOが解離吸着する確率が高く、NOは容易に還元される。従って、Ag金属結晶の表面に積層したRh原子層は、NOを還元させる能力が十分に高く、NOxを還元するための触媒としては十分な能力を有する。   Referring to FIG. 8, similarly to the single Rh atomic layer stacked on the surface of the Al metal crystal, the single Rh atomic layer stacked on the surface of the Ag metal crystal has a dissociative adsorption energy higher than the molecular adsorption energy. The absolute value is larger. For this reason, similarly to bulk Rh, there is a high probability that NO is dissociated and adsorbed on the surface of one Rh atomic layer stacked on the surface of the Ag metal crystal, and NO is easily reduced. Therefore, the Rh atomic layer stacked on the surface of the Ag metal crystal has a sufficiently high ability to reduce NO, and has a sufficient ability as a catalyst for reducing NOx.

以上の計算結果より、担体表面にRh原子層を積層した場合は、Rh原子層での原子間距離がバルクの状態よりも小さくなった状態では、NOを還元させる能力が低く、Rh原子層での原子間距離がバルクの状態よりも大きくなった状態で、NOを還元させる能力が高くなることが明らかとなった。そこで、本願の発明者は、NOxを還元するための触媒として、原子間距離がバルクでの原子間距離以上の大きさになった状態のRh原子層を担体の表面に積層してある構造の触媒を提案する。担体表面に積層されたRh原子層における原子間距離がバルクの状態での原子間距離以上の大きさであれば、NOがRh表面に解離吸着する確率が高くなり、解離吸着したNOは容易に還元されるので、触媒は効率良くNOxを無害化することができる。担体に積層するRh原子層の数が多いほど、Rh原子層における原子間距離はバルクの状態に近づくので、担体に積層するRh原子層の数が少ないほど、Rh原子層における原子間距離は大きく、NOxを還元させる能力が高い。従って、本発明の触媒は、貴金属であるRhの使用量を削減すると同時に、NOxを無害化する能力を向上させるために、担体に積層するRh原子層の数を可及的に少なくすることが望ましい。特に、担体表面に積層するRh原子層を1層にした場合は、Rhの使用量を最小限に抑制し、しかもNOxを無害化する能力を最大限に向上させることができる。   From the above calculation results, when the Rh atomic layer is laminated on the support surface, the ability to reduce NO is low in the state where the interatomic distance in the Rh atomic layer is smaller than the bulk state. It has been clarified that the ability to reduce NO increases when the interatomic distance of is larger than the bulk state. Therefore, the inventor of the present application has a structure in which an Rh atomic layer in which the interatomic distance is larger than the interatomic distance in the bulk is laminated on the surface of the support as a catalyst for reducing NOx. A catalyst is proposed. If the interatomic distance in the Rh atomic layer stacked on the support surface is larger than the interatomic distance in the bulk state, the probability that NO will dissociate and adsorb on the Rh surface increases, and the dissociated and adsorbed NO easily Since it is reduced, the catalyst can efficiently detoxify NOx. The greater the number of Rh atomic layers stacked on the carrier, the closer the interatomic distance in the Rh atomic layer approaches the bulk state. Therefore, the smaller the number of Rh atomic layers stacked on the support, the greater the interatomic distance in the Rh atomic layer. The ability to reduce NOx is high. Therefore, the catalyst of the present invention can reduce the amount of Rh, which is a noble metal, and at the same time reduce the number of Rh atomic layers stacked on the support as much as possible in order to improve the ability to detoxify NOx. desirable. In particular, when the Rh atomic layer laminated on the support surface is made into one layer, the amount of Rh used can be minimized and the ability to detoxify NOx can be maximized.

触媒に用いる担体の材料は、Rh以外の金属結晶であって、結晶構造が面心立方構造であり、原子間距離がバルク状態でのRhの原子間距離以上の大きさである金属結晶であることが望ましい。例えば、前述したように、Ag又はAlの金属結晶が望ましい。Rhの金属結晶は面心立方構造を有するので、担体の材料が面心立方構造の金属結晶である場合は、Rhと担体との親和性が高く、Rhの原子層は担体の表面に容易に積層される。担体の原子間距離がバルク状態でのRhの原子間距離より大きい場合は、Rh原子層における原子間距離がバルクの状態よりも大きくなり、触媒がNOxを無害化する能力が向上する。担体の原子間距離がバルク状態でのRhの原子間距離と同一である場合でも、バルクのRhを触媒に利用した場合に比べ、Rh原子層における原子間距離は同一であるので、触媒がNOxを無害化する能力は同等であり、しかもRhの使用量を削減することが可能である。このように、本発明の触媒は、貴金属であるRhの使用量を従来よりも削減することができるので、従来よりも安価に製造することが可能であり、また従来よりも大量生産が可能である。   The support material used for the catalyst is a metal crystal other than Rh, the crystal structure of which is a face-centered cubic structure, and the interatomic distance is larger than the interatomic distance of Rh in the bulk state. It is desirable. For example, as described above, Ag or Al metal crystals are desirable. Since the Rh metal crystal has a face-centered cubic structure, if the carrier material is a face-centered cubic metal crystal, the affinity between Rh and the carrier is high, and the atomic layer of Rh is easily formed on the surface of the support. Laminated. When the interatomic distance of the carrier is larger than the interatomic distance of Rh in the bulk state, the interatomic distance in the Rh atomic layer is larger than in the bulk state, and the ability of the catalyst to detoxify NOx is improved. Even when the interatomic distance of the carrier is the same as the interatomic distance of Rh in the bulk state, the interatomic distance in the Rh atomic layer is the same as when the bulk Rh is used as a catalyst. Can be made harmless, and the amount of Rh used can be reduced. As described above, the catalyst of the present invention can reduce the amount of Rh, which is a noble metal, as compared with the conventional one, and thus can be manufactured at a lower cost than the conventional one and can be mass-produced as compared with the conventional one. is there.

図9は、本発明の触媒の構造を示す模式的断面図である。図9(a)は、クラスター状の触媒を示す。触媒は、クラスター構造をなす担体2の表面に2層以上のRh原子層1を積層して形成されている。担体2が金属であれば、バルクの金属を粉末状に破砕する方法、蒸発させた金属原子を気相中で凝集させる方法、又は溶液中で金属イオンを還元する方法等の方法により、クラスター構造をなす担体2を作成することができる。Rh原子層1は、クラスター構造をなす担体2の表面に気相中でRh原子を凝集させるか、又は溶液中でRhイオンを還元する等の方法により、作成することができる。担体2の表面にRh原子層1が作成された状態で、クラスターを回収することにより、図9(a)に示す如き本発明の触媒を製造することができる。なお、本発明の触媒の製造方法は、その他のものであってもよい。クラスター状の触媒のサイズは、直径が数十nm以下のサイズにすることが望ましい。クラスター状の触媒の直径を数十nm以下のサイズにした場合は、触媒の表面積が大きくなり、NOxを還元する効率が向上する。クラスター状の触媒は、ハニカム形状に形成したセラミック等の構造材に塗布されて、排ガスを浄化するための浄化器が作成される。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the catalyst of the present invention. FIG. 9A shows a cluster catalyst. The catalyst is formed by laminating two or more Rh atomic layers 1 on the surface of a carrier 2 having a cluster structure. If the carrier 2 is a metal, the cluster structure can be obtained by a method such as a method of crushing bulk metal into a powder, a method of agglomerating evaporated metal atoms in a gas phase, or a method of reducing metal ions in a solution. The carrier 2 that forms The Rh atom layer 1 can be formed by a method of aggregating Rh atoms in the gas phase on the surface of the carrier 2 having a cluster structure or reducing Rh ions in a solution. By collecting the cluster in a state where the Rh atomic layer 1 is formed on the surface of the support 2, the catalyst of the present invention as shown in FIG. 9A can be produced. In addition, the manufacturing method of the catalyst of this invention may be other. The size of the cluster catalyst is desirably a diameter of several tens of nm or less. When the diameter of the cluster-like catalyst is set to a size of several tens of nm or less, the surface area of the catalyst is increased, and the efficiency of reducing NOx is improved. The cluster-like catalyst is applied to a structural material such as ceramic formed in a honeycomb shape to create a purifier for purifying exhaust gas.

図9(b)は、薄膜状の構造を有する触媒を示す。セラミック等の構造材3の表面を膜状の担体2が被膜し、更に担体2の表面にRh原子層1が積層されている。膜状の担体2は、溶液中での金属イオンの還元、物理蒸着又は化学蒸着等の方法で構造材3の表面に形成することができる。またRh原子層1も、同様の方法で担体2の表面に形成することができ、これによって薄膜状の触媒を製造することができる。なお、触媒の製造方法は、その他の方法であってもよい。ハニカム形状に形成した構造材3の表面を担体2で被膜し、担体2の表面に2層以上Rh原子層1を積層して図9(b)に示す如き本発明の触媒を製造することにより、浄化器が作成される。なお、薄膜状の触媒は、担体2として利用することができる材料で構造材3を構成しておき、この構造材3の表面にRh原子層1を直接積層することによって製造してもよい。   FIG. 9B shows a catalyst having a thin film structure. A film-like carrier 2 is coated on the surface of the structural material 3 such as ceramic, and the Rh atom layer 1 is laminated on the surface of the carrier 2. The film-like carrier 2 can be formed on the surface of the structural material 3 by a method such as reduction of metal ions in a solution, physical vapor deposition or chemical vapor deposition. The Rh atomic layer 1 can also be formed on the surface of the carrier 2 by the same method, whereby a thin film catalyst can be produced. The method for producing the catalyst may be other methods. By coating the surface of the structural material 3 formed in a honeycomb shape with the carrier 2 and laminating two or more Rh atom layers 1 on the surface of the carrier 2, the catalyst of the present invention as shown in FIG. 9B is produced. A purifier is created. The thin-film catalyst may be manufactured by forming the structural material 3 with a material that can be used as the carrier 2 and directly laminating the Rh atomic layer 1 on the surface of the structural material 3.

担体2としてAlの金属結晶を用いた場合は、前述したように、触媒がNOxを還元させる能力が向上する。またAlとRhとは結晶構造が同じ面心立方構造であるので、Rh原子層1と担体2との親和性が高くなり、Rh原子層1は担体2の表面に容易に積層される。Alの金属結晶をクラスター状に形成する技術、及びAlの金属結晶を薄膜状に形成する技術は確立されているので、図9に示す構造の本発明の触媒は容易に製造することが可能である。またAlは貴金属に比べて安価で豊富に存在するので、担体2としてAlの金属結晶を用いることにより、本発明の触媒を安価に製造することが可能となり、また大量生産が可能となる。   When an Al metal crystal is used as the carrier 2, the ability of the catalyst to reduce NOx is improved as described above. In addition, since Al and Rh have the same face-centered cubic structure in crystal structure, the affinity between the Rh atom layer 1 and the carrier 2 is increased, and the Rh atom layer 1 is easily laminated on the surface of the carrier 2. Since the technology for forming Al metal crystals in a cluster and the technology for forming Al metal crystals in a thin film have been established, the catalyst of the present invention having the structure shown in FIG. 9 can be easily produced. is there. Further, since Al is present at a lower price and abundantly than noble metals, the use of Al metal crystals as the support 2 makes it possible to produce the catalyst of the present invention at a low cost and to enable mass production.

なお、本発明の触媒を構成するための担体2の材料は、金属結晶に限るものではなく、金属酸化物の結晶であってもよい。金属結晶の表面に金属元素の原子層を積層する技術と同様に、金属酸化物の表面に金属元素の原子層を積層する技術は確立された技術であり、Rh原子層1は金属酸化物を用いた担体2の表面に容易に積層することができる。金属酸化物の内、NaCl型の金属酸化物は、面心立方構造を有し、Rh原子層1を容易に積層することができるので、担体2の材料として望ましい。より具体的には、酸化ニッケル(NiO)は格子定数が4.26Åであり、酸化コバルト(CoO)は格子定数が4.17Åであり、共にバルクのロジウムよりも格子定数が大きい。NaCl型の金属酸化物の(111)面に対してRh原子層1を積層した場合は、Rh原子は、共に面心立方構造を取る金属原子又は酸素原子の位置に配置され、またRh原子間の距離は金属酸化物の格子定数に応じた値となる。NiO又はCoO等、バルクのロジウムよりも格子定数が大きい金属酸化物を担体2の材料として用いた場合は、Rh原子層1内での原子間距離がバルクのロジウムでの原子間距離よりも大きくなり、Rh原子層1の表面でNOxを還元させる能力が向上する。従って、Rh原子層1内での原子間距離がバルクのロジウムでの原子間距離以上の大きさとなるような金属酸化物を担体2の材料とした場合においても、Rhの使用量を抑制しながらも効率良くNOxを無害化できる触媒を実現することができる。   In addition, the material of the support | carrier 2 for comprising the catalyst of this invention is not restricted to a metal crystal, The crystal | crystallization of a metal oxide may be sufficient. Similar to the technique of laminating an atomic layer of a metal element on the surface of a metal crystal, the technique of laminating an atomic layer of a metal element on the surface of a metal oxide is an established technique, and the Rh atomic layer 1 is composed of a metal oxide. It can be easily laminated on the surface of the carrier 2 used. Among the metal oxides, NaCl-type metal oxides have a face-centered cubic structure and can be easily stacked with the Rh atomic layer 1, and therefore are desirable as the material for the carrier 2. More specifically, nickel oxide (NiO) has a lattice constant of 4.26Å, and cobalt oxide (CoO) has a lattice constant of 4.17Å, both of which are larger than bulk rhodium. When the Rh atom layer 1 is laminated with respect to the (111) plane of the NaCl type metal oxide, the Rh atoms are arranged at the positions of metal atoms or oxygen atoms having a face-centered cubic structure, and between the Rh atoms. This distance is a value corresponding to the lattice constant of the metal oxide. When a metal oxide having a lattice constant larger than that of bulk rhodium such as NiO or CoO is used as the material of the carrier 2, the interatomic distance in the Rh atomic layer 1 is larger than the interatomic distance in bulk rhodium. Thus, the ability to reduce NOx on the surface of the Rh atomic layer 1 is improved. Therefore, even when the metal oxide whose interatomic distance in the Rh atomic layer 1 is larger than the interatomic distance in bulk rhodium is used as the material of the carrier 2, the amount of Rh used is suppressed. In addition, a catalyst capable of detoxifying NOx efficiently can be realized.

また、本発明の触媒を構成するための担体2の材料は、半導体物質の結晶であってもよい。金属結晶又は金属酸化物と同様に、半導体物質の表面に金属元素の原子層を積層する技術は確立された技術であり、また半導体物質の結晶は結晶性が良いので、Rh原子間の距離がバルクのロジウムでの原子間距離よりも大きくなるように、半導体物質の結晶を用いた担体2の表面にRh原子層1を積層することが可能である。具体的には、半導体物質としては、シリコン(Si)及びゲルマニウム(Ge)等の4族半導体、セレン化亜鉛(ZnSe)、硫化カドミウム(CdS)及び酸化亜鉛(ZnO)等の2−6族化合物半導体、ガリウム砒素(GaAs)、インジウム燐(InP)及び窒化ガリウム(GaN)等の3−5族化合物半導体、炭化ケイ素(SiC)及びシリコンゲルマニウム(SiGe)等の4族化合物半導体、セレン化インジウム銅(CuInSe2 )等の1−3−6族化合物半導体を用いることが可能である。このように、Rh原子層1内での原子間距離がバルクのロジウムでの原子間距離以上の大きさとなるような半導体物質を担体2の材料とした場合においても、Rhの使用量を抑制しながらも効率良くNOxを無害化できる触媒を実現することができる。 The material of the carrier 2 for constituting the catalyst of the present invention may be a crystal of a semiconductor substance. Similar to metal crystals or metal oxides, the technology for stacking atomic layers of metal elements on the surface of a semiconductor material is an established technology, and the crystal of a semiconductor material has good crystallinity, so that the distance between Rh atoms is It is possible to stack the Rh atomic layer 1 on the surface of the carrier 2 using a crystal of a semiconductor material so as to be larger than the interatomic distance in bulk rhodium. Specifically, examples of the semiconductor material include group 4 semiconductors such as silicon (Si) and germanium (Ge), and group 2-6 compounds such as zinc selenide (ZnSe), cadmium sulfide (CdS), and zinc oxide (ZnO). Semiconductors, Group 3-5 compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs), indium phosphorus (InP) and gallium nitride (GaN), Group 4 compound semiconductors such as silicon carbide (SiC) and silicon germanium (SiGe), indium copper selenide It is possible to use a 1-3-6 compound semiconductor such as (CuInSe 2 ). In this way, even when a semiconductor substance whose interatomic distance in the Rh atomic layer 1 is larger than the interatomic distance in bulk rhodium is used as the material of the carrier 2, the amount of Rh used is suppressed. However, a catalyst capable of detoxifying NOx efficiently can be realized.

また、本発明の触媒を構成するための担体2の材料は、Rh原子層1での原子間距離がバルクのRhでの原子間距離以上の大きさになるように担体2の表面にRh原子層1が積層することができる材料であれば、以上に挙げた材料以外の材料であってもよい。例えば、面心立方構造以外の構造を有する金属結晶又は金属酸化物であってもよく、非晶質の金属又は金属酸化物であってもよく、非晶質又は多結晶の半導体物質であってもよい。またセラミック又は樹脂等のその他の材料であってもよい。担体2の材料がこれらの物質であったとしても、Rh原子層1での原子間距離がバルクのRhでの原子間距離以上の大きさになるように担体2の表面にRh原子層1が積層することができる材料であれば、効率良くNOxを無害化できる触媒を実現することが可能である。   In addition, the material of the support 2 for constituting the catalyst of the present invention is such that the Rh atoms are formed on the surface of the support 2 so that the interatomic distance in the Rh atomic layer 1 is larger than the interatomic distance in the bulk Rh. Any material other than those listed above may be used as long as the layer 1 can be laminated. For example, it may be a metal crystal or metal oxide having a structure other than a face-centered cubic structure, may be an amorphous metal or metal oxide, and is an amorphous or polycrystalline semiconductor material. Also good. Moreover, other materials, such as a ceramic or resin, may be sufficient. Even if the material of the carrier 2 is such a substance, the Rh atomic layer 1 is formed on the surface of the carrier 2 so that the interatomic distance in the Rh atomic layer 1 is larger than the interatomic distance in bulk Rh. If the material can be laminated, a catalyst capable of detoxifying NOx efficiently can be realized.

(他の実施の形態)
本発明では、担体2の表面に積層する金属元素として、Rhの替わりにIrを用いて本発明の触媒を構成することも可能である。図4に示すように、Irは、Rhと同様に、解離吸着エネルギーがマイナスの値であり、しかも解離吸着エネルギーは分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値である。このため、Irは、Rhと同様にNOを還元させる能力が高い。従って、担体2の表面にIrの原子層を積層した触媒は、担体2の表面にRh原子層1を積層した触媒と同様に、効率良くNOxを無害化することができる。またこの触媒は、貴金属であるIrの使用量が少ないので、従来よりも安価に製造することが可能であり、また従来よりも大量生産が可能である。
(Other embodiments)
In the present invention, the catalyst of the present invention can be configured using Ir instead of Rh as the metal element laminated on the surface of the support 2. As shown in FIG. 4, Ir has a negative value for dissociative adsorption energy, as in Rh, and the dissociative adsorption energy has a value lower than the molecular adsorption energy. For this reason, Ir has a high ability to reduce NO similarly to Rh. Therefore, the catalyst in which the Ir atomic layer is stacked on the surface of the carrier 2 can efficiently detoxify NOx in the same manner as the catalyst in which the Rh atomic layer 1 is stacked on the surface of the carrier 2. In addition, since the amount of Ir, which is a noble metal, is small, this catalyst can be manufactured at a lower cost than in the past, and can be mass-produced more than in the past.

また本発明では、担体2の表面に積層する金属元素として、Rhの替わりにコバルト(Co)を用いて本発明の触媒を構成することも可能である。Coは、Rh及びIrと同じ9族元素であり、同様にNOxを還元させる能力が高いことが予想される。   In the present invention, it is also possible to constitute the catalyst of the present invention using cobalt (Co) instead of Rh as the metal element laminated on the surface of the support 2. Co is the same group 9 element as Rh and Ir, and is similarly expected to have a high ability to reduce NOx.

図10は、4層のAl原子層に積層した1層のCo原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。計算では、4層のAl原子層からなるAl金属結晶の(111)表面に1層のCo原子層を積層し、Co原子層にNOが吸着する際の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算した。Co原子層における原子間距離は、バルクの状態でのAlの原子間距離に設定した。また図11は、4層のAg原子層に積層した1層のCo原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。計算では、4層のAg原子層からなるAg金属結晶の(111)表面に1層のCo原子層を積層し、Co原子層にNOが吸着する際の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算した。Co原子層における原子間距離は、バルクの状態でのAgの原子間距離に設定した。   FIG. 10 is a chart showing calculation results of molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated for one Co atomic layer stacked on four Al atomic layers. In the calculation, a single Co atomic layer was stacked on the (111) surface of an Al metal crystal composed of four Al atomic layers, and molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy when NO was adsorbed to the Co atomic layer were calculated. . The interatomic distance in the Co atomic layer was set to the interatomic distance of Al in the bulk state. FIG. 11 is a chart showing calculation results of molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated for one Co atomic layer stacked on four Ag atomic layers. In the calculation, one Co atomic layer was laminated on the (111) surface of an Ag metal crystal composed of four Ag atomic layers, and the molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy when NO was adsorbed to the Co atomic layer were calculated. . The interatomic distance in the Co atomic layer was set to the interatomic distance of Ag in the bulk state.

図10及び図11を参照すれば、Al金属結晶及びAg金属結晶のいずれに積層したCo原子層においても、解離吸着エネルギーはマイナスの値であり、しかも解離吸着エネルギーは分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値である。このため、Rhの場合と同様に、Al金属結晶又はAg金属結晶の表面に積層した1層のCo原子層の表面ではNOが解離吸着する確率が高く、NOは容易に還元される。従って、バルクの状態よりも原子間距離が大きくなるようにCoの原子層を担体2の表面に積層した触媒は、担体2の表面にRh原子層1を積層した触媒と同様に、効率良くNOxを無害化することができる。   Referring to FIGS. 10 and 11, the dissociative adsorption energy is a negative value in the Co atomic layer laminated on either the Al metal crystal or the Ag metal crystal, and the dissociative adsorption energy is lower than the molecular adsorption energy. Is the value of For this reason, as in the case of Rh, there is a high probability that NO is dissociated and adsorbed on the surface of one Co atom layer stacked on the surface of an Al metal crystal or an Ag metal crystal, and NO is easily reduced. Therefore, a catalyst in which an atomic layer of Co is laminated on the surface of the carrier 2 so that the interatomic distance is larger than that in the bulk state is as efficient as a catalyst in which the Rh atomic layer 1 is laminated on the surface of the carrier 2. Can be detoxified.

また本発明では、担体2の表面に積層する金属元素として、Cuを用いて本発明の触媒を構成することも可能である。図12は、4層のAl原子層に積層した1層のCu原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。計算では、4層のAl原子層からなるAl金属結晶の(111)表面に1層のCu原子層を積層し、Cu原子層にNOが吸着する際の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算した。Cu原子層における原子間距離は、バルクの状態でのAlの原子間距離に設定した。また図13は、4層のAg原子層に積層した1層のCu原子層について計算したNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーの計算結果を示す図表である。計算では、4層のAg原子層からなるAg金属結晶の(111)表面に1層のCu原子層を積層し、Cu原子層にNOが吸着する際の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算した。Cu原子層における原子間距離は、バルクの状態でのAgの原子間距離に設定した。   In the present invention, it is also possible to constitute the catalyst of the present invention using Cu as the metal element laminated on the surface of the carrier 2. FIG. 12 is a chart showing calculation results of molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated for one Cu atomic layer laminated on four Al atomic layers. In the calculation, one Cu atomic layer was laminated on the (111) surface of an Al metal crystal composed of four Al atomic layers, and molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy when NO was adsorbed to the Cu atomic layer were calculated. . The interatomic distance in the Cu atomic layer was set to the interatomic distance of Al in the bulk state. FIG. 13 is a chart showing calculation results of molecular adsorption energy and dissociation adsorption energy of NO calculated for one Cu atomic layer laminated on four Ag atomic layers. In the calculation, one Cu atomic layer was laminated on the (111) surface of an Ag metal crystal composed of four Ag atomic layers, and molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy when NO adsorbed to the Cu atomic layer were calculated. . The interatomic distance in the Cu atomic layer was set to the interatomic distance of Ag in the bulk state.

図12及び図13を参照すれば、Al金属結晶及びAg金属結晶のいずれに積層したCu原子層においても、解離吸着エネルギーはマイナスの値であり、しかも解離吸着エネルギーは分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値である。このため、Rhの場合と同様に、Al金属結晶又はAg金属結晶の表面に積層した1層のCu原子層の表面ではNOが解離吸着する確率が高く、NOは容易に還元される。従って、バルクの状態よりも原子間距離が大きくなるようにCuの原子層を担体2の表面に積層した触媒は、担体2の表面にRh原子層1を積層した触媒と同様に、効率良くNOxを無害化することができる。   Referring to FIGS. 12 and 13, the dissociative adsorption energy is a negative value in the Cu atomic layer laminated on either the Al metal crystal or the Ag metal crystal, and the dissociative adsorption energy is lower than the molecular adsorption energy. Is the value of For this reason, as in the case of Rh, there is a high probability that NO is dissociated and adsorbed on the surface of one Cu atom layer laminated on the surface of an Al metal crystal or an Ag metal crystal, and NO is easily reduced. Therefore, the catalyst in which the atomic layer of Cu is laminated on the surface of the carrier 2 so that the interatomic distance is larger than that in the bulk state is efficiently NOx as the catalyst in which the Rh atomic layer 1 is laminated on the surface of the carrier 2. Can be detoxified.

以上のIr、Co及びCuはいずれもd電子を有する金属元素であり、Rhの場合と同様に、d電子の寄与によってNOの解離吸着が促進されると考えられる。Ir、Co又はCuの原子層を積層する担体2の材料は、Rhの場合と同様の材料である。但し、担体2の材料は、原子層での原子間距離がバルクでの原子間距離よりも大きくなるように担体2の表面に原子層を積層することができる材料である必要がある。また、原子層の金属元素としてIr、Co又はCuを用いた触媒の構造は、図9に示した金属元素がRhの場合と同様である。また原子層の金属元素としてIr、Co又はCuを用いた触媒では、Rhの場合と同様に、担体2の表面に積層する金属元素の原子層を1層にすることにより、金属元素の使用量が最小になり、しかもNOxを無害化する能力が最大になる。   Ir, Co and Cu are all metallic elements having d electrons, and it is considered that dissociative adsorption of NO is promoted by the contribution of d electrons, as in the case of Rh. The material of the carrier 2 on which the atomic layer of Ir, Co or Cu is laminated is the same material as in the case of Rh. However, the material of the carrier 2 needs to be a material capable of laminating the atomic layer on the surface of the carrier 2 so that the interatomic distance in the atomic layer is larger than the interatomic distance in the bulk. The structure of the catalyst using Ir, Co or Cu as the metal element of the atomic layer is the same as that in the case where the metal element shown in FIG. 9 is Rh. In addition, in the case of a catalyst using Ir, Co, or Cu as the metal element of the atomic layer, the amount of the metal element used can be reduced by making the atomic layer of the metal element laminated on the surface of the carrier 2 into one layer, as in the case of Rh. And the ability to detoxify NOx is maximized.

また本発明の触媒は、担体2に積層した原子層の表面に対する窒素酸化物の解離吸着エネルギーが、マイナスの値で、分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値になるような金属元素であれば、Rh、Ir、Co及びCu以外の金属元素を用いた触媒であってもよい。以下に、Rh、Ir、Co及びCu以外の金属元素を用いた触媒を含む本発明の触媒の製造方法を説明する。まず、d電子を有する各金属元素について、各金属元素の原子層を担体2の表面に積層したときに原子層内での原子間距離がバルクでの原子間距離以上の大きさになるような担体2を選択する。担体2としては、例えば、金属元素の単体と結晶構造が同一で、金属元素の単体よりも格子定数が大きい担体2を選択する。次に、密度汎関数法を用いた第一原理計算により、各金属元素について、選択した担体2の表面に積層した金属元素の原子層の表面に対するNOの分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算する。なお、第一原理計算を実行することができる計算方法であれば、密度汎関数法以外の計算方法を用いてもよい。次に、分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算した金属元素の中から、計算した解離吸着エネルギーがマイナスの値であり、しかも計算した分子吸着エネルギーよりも解離吸着エネルギーが低エネルギーの値となる金属元素を選出する。次に、選出した金属元素の原子層を、選択してある担体2の表面に積層する。以上の製造方法によって、Rh、Ir、Co又はCu等の特定の金属元素の原子層を担体2の表面に積層した本発明の触媒を製造することができる。以上の製造方法で製造した触媒は、金属元素がRh、Ir、Co及びCuである場合について説明したように、効率良くNOxを無害化することができる。   Further, the catalyst of the present invention is a metal element such that the dissociative adsorption energy of nitrogen oxides on the surface of the atomic layer laminated on the support 2 is a negative value and a value lower than the molecular adsorption energy. A catalyst using a metal element other than Rh, Ir, Co and Cu may be used. Below, the manufacturing method of the catalyst of this invention containing the catalyst using metal elements other than Rh, Ir, Co, and Cu is demonstrated. First, for each metal element having d electrons, when the atomic layer of each metal element is stacked on the surface of the carrier 2, the interatomic distance in the atomic layer is greater than the interatomic distance in the bulk. Carrier 2 is selected. As the carrier 2, for example, a carrier 2 having the same crystal structure as that of a simple metal element and having a larger lattice constant than the simple metal element is selected. Next, for each metal element, the molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy of NO on the surface of the atomic layer of the metal element stacked on the surface of the selected carrier 2 are calculated by first-principles calculation using the density functional method. . Note that a calculation method other than the density functional method may be used as long as the calculation method can execute the first principle calculation. Next, among the metal elements whose molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy are calculated, the calculated dissociative adsorption energy is a negative value, and the dissociative adsorption energy is lower than the calculated molecular adsorption energy. Select elements. Next, the atomic layer of the selected metal element is laminated on the surface of the selected carrier 2. By the above production method, the catalyst of the present invention in which an atomic layer of a specific metal element such as Rh, Ir, Co or Cu is laminated on the surface of the carrier 2 can be produced. The catalyst produced by the above production method can efficiently detoxify NOx as described in the case where the metal elements are Rh, Ir, Co, and Cu.

(本発明の使用形態)
次に、本発明の触媒の使用形態を説明する。図14は、本発明の触媒の使用形態を示す模式図である。本発明の触媒を用いて構成された浄化器4はガソリンエンジンに装着されて使用される。ガソリンエンジンは、シリンダ51に連結した給気管52及び排気管53を備え、給気管52には、給気される空気の流量を測定する流量計54と燃料インジェクタ55が設けられている。また排気管53には、排ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ57と、浄化器4とが設けられている。浄化器4は、内部がハニカム状に形成された構造材で構成され、本発明のクラスター状の触媒が構造材に塗布されているか、又は本発明の薄膜状の触媒が構造材上に形成されており、内部を排ガスが通過できる構造となっている。排気管53に設けられた浄化器4は、内部を排ガスが通過し、本発明の触媒に排ガスが十分接触するように配置されている。また流量計54、燃料インジェクタ55及び酸素センサ57は、コントローラ56に接続されている。コントローラ56は、流量計54及び酸素センサ57の測定結果に基づいて、燃料インジェクタ55の動作を制御する処理を実行する。
(Usage form of the present invention)
Next, the usage pattern of the catalyst of the present invention will be described. FIG. 14 is a schematic view showing a usage pattern of the catalyst of the present invention. The purifier 4 constructed using the catalyst of the present invention is used by being mounted on a gasoline engine. The gasoline engine includes an air supply pipe 52 and an exhaust pipe 53 connected to a cylinder 51. The air supply pipe 52 is provided with a flow meter 54 and a fuel injector 55 for measuring the flow rate of the supplied air. The exhaust pipe 53 is provided with an oxygen sensor 57 for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas and the purifier 4. The purifier 4 is composed of a structural material having an inside formed in a honeycomb shape, and the cluster-like catalyst of the present invention is applied to the structural material, or the thin-film catalyst of the present invention is formed on the structural material. The exhaust gas can pass through the inside. The purifier 4 provided in the exhaust pipe 53 is arranged so that exhaust gas passes through the exhaust pipe 53 and the exhaust gas sufficiently contacts the catalyst of the present invention. The flow meter 54, the fuel injector 55, and the oxygen sensor 57 are connected to the controller 56. The controller 56 executes processing for controlling the operation of the fuel injector 55 based on the measurement results of the flow meter 54 and the oxygen sensor 57.

図15は、触媒の利用条件を示す特性図である。図15中の横軸はガソリンエンジンにおける空燃比を示し、縦軸は、各空燃比の条件において浄化器4でCO、HC及びNOの夫々が転化されて無害化する割合を示す。空燃比14.6付近の図15中に斜線で示した最適条件の元では、CO、HC及びNOの転化率は100%に近く、効率良く無害化される。しかし、空燃比が最適条件を上回った場合はNOの転化率が急激に低下し、また空燃比が最適条件を下回った場合はCO及びHCの転化率が急激に低下する。従って、本発明の触媒を利用した浄化器4を用いてCO、HC及びNOを効果的に無害化するには、図15中に斜線で示した最適条件の元で浄化器4を使用する必要がある。コントローラ56は、流量計54及び酸素センサ57の測定結果に基づき、空燃比が図15中に示した最適条件に含まれるように燃料インジェクタ55の動作を制御する処理を行う。このようにして本発明の触媒を利用することで、ガソリンエンジンから排出される排ガスに含まれる有害成分を効果的に無害化することが可能となる。   FIG. 15 is a characteristic diagram showing conditions for using the catalyst. The horizontal axis in FIG. 15 indicates the air-fuel ratio in the gasoline engine, and the vertical axis indicates the rate at which each of CO, HC, and NO is converted and rendered harmless by the purifier 4 under each air-fuel ratio condition. Under the optimum conditions shown by the oblique lines in FIG. 15 near the air-fuel ratio of 14.6, the conversion rates of CO, HC and NO are close to 100%, and are made harmless efficiently. However, when the air-fuel ratio exceeds the optimal condition, the NO conversion rate decreases rapidly, and when the air-fuel ratio falls below the optimal condition, the CO and HC conversion rates decrease rapidly. Accordingly, in order to effectively detoxify CO, HC, and NO using the purifier 4 using the catalyst of the present invention, it is necessary to use the purifier 4 under the optimum conditions shown by hatching in FIG. There is. The controller 56 performs processing for controlling the operation of the fuel injector 55 so that the air-fuel ratio is included in the optimum conditions shown in FIG. 15 based on the measurement results of the flow meter 54 and the oxygen sensor 57. Thus, by using the catalyst of the present invention, it is possible to effectively detoxify harmful components contained in the exhaust gas discharged from the gasoline engine.

なお、本発明の触媒は、ディーゼルエンジン等、ガソリンエンジン以外の内燃機関からから排出される排ガスに含まれる有害成分を無害化するように使用することも可能である。また本発明の触媒は、内燃機関に限らず、ボイラー等の燃焼装置から排出される排ガスに含まれる有害成分を効果的に無害化するように使用することも可能である。いずれの使用形態においても、本発明の触媒は、貴金属であるRhの使用量を抑制しながらも、排ガスに含まれる有害成分を効率良く無害化することが可能である。   In addition, the catalyst of this invention can also be used so that the harmful component contained in the exhaust gas discharged | emitted from internal combustion engines other than gasoline engines, such as a diesel engine, may be detoxified. The catalyst of the present invention is not limited to an internal combustion engine, and can be used so as to effectively detoxify harmful components contained in exhaust gas discharged from a combustion apparatus such as a boiler. In any use form, the catalyst of the present invention can efficiently detoxify harmful components contained in exhaust gas while suppressing the amount of Rh, which is a noble metal.

本発明の触媒は、特にNOxを還元する能力が高く、ガソリンエンジンから排出される排ガスに含まれるNOx等の有害成分を効率的に無害化するために利用することが可能である。同様に、本発明の触媒は、ガソリンエンジン以外の内燃機関、又は内燃機関以外の燃焼装置から排出される排ガスに含まれる有害成分を無害化するために利用することも可能である。   The catalyst of the present invention has a particularly high ability to reduce NOx, and can be used for efficiently detoxifying harmful components such as NOx contained in exhaust gas discharged from a gasoline engine. Similarly, the catalyst of the present invention can be used for detoxifying harmful components contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine other than a gasoline engine or a combustion device other than an internal combustion engine.

1 Rh原子層
2 担体
3 構造材
4 浄化器
1 Rh atomic layer 2 Carrier 3 Structural material 4 Purifier

Claims (8)

窒素酸化物を含むガスを接触させることにより、ガス中の窒素酸化物を還元させる触媒において、
d電子を有する特定の金属元素の原子層を、原子間距離がバルクでの原子間距離以上の大きさになった状態で、担体の表面に積層してあり、前記原子層の表面に対する窒素酸化物の解離吸着エネルギーが、マイナスの値で、前記原子層の表面に対する窒素酸化物の分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値であることを特徴とする触媒。
In the catalyst for reducing the nitrogen oxide in the gas by contacting the gas containing nitrogen oxide,
An atomic layer of a specific metal element having d electrons is stacked on the surface of the carrier in a state in which the interatomic distance is greater than or equal to the interatomic distance in the bulk. A catalyst characterized in that the dissociative adsorption energy of an object is a negative value and is lower than the molecular adsorption energy of nitrogen oxide on the surface of the atomic layer.
前記金属元素は、ロジウム、イリジウム、コバルト、又は銅のいずれか一つであることを特徴とする請求項1に記載の触媒。   The catalyst according to claim 1, wherein the metal element is any one of rhodium, iridium, cobalt, and copper. 前記担体は、前記金属元素以外の金属結晶であり、原子間距離が前記金属元素のバルクでの原子間距離以上の大きさであることを特徴とする請求項1又は2に記載の触媒。   The catalyst according to claim 1 or 2, wherein the carrier is a metal crystal other than the metal element, and an interatomic distance is greater than or equal to an interatomic distance in the bulk of the metal element. 前記担体は、金属酸化物の結晶であり、原子間距離が前記金属元素のバルクでの原子間距離以上の大きさであることを特徴とする請求項1又は2に記載の触媒。   3. The catalyst according to claim 1, wherein the carrier is a metal oxide crystal and has an interatomic distance greater than or equal to an interatomic distance in the bulk of the metal element. 前記担体は、半導体物質の結晶であり、原子間距離が前記金属元素のバルクでの原子間距離以上の大きさであることを特徴とする請求項1又は2に記載の触媒。   3. The catalyst according to claim 1, wherein the carrier is a crystal of a semiconductor substance, and an interatomic distance is greater than or equal to an interatomic distance in the bulk of the metal element. 前記担体はクラスター構造をなしていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の触媒。   The catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the carrier has a cluster structure. 前記担体は膜状の構造を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の触媒。   The catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the carrier has a film-like structure. 請求項1に記載の触媒を製造する方法であって、
d電子を有する各金属元素について、当該金属元素の原子層を担体の表面に積層したときに前記原子層内での原子間距離がバルクでの原子間距離以上の大きさになるような担体を選択し、
第一原理計算により、各金属元素について、選択した担体の表面に積層した当該金属元素の原子層の表面に対する窒素酸化物の分子吸着エネルギー及び解離吸着エネルギーを計算し、
計算した解離吸着エネルギーがマイナスの値であり、しかも解離吸着エネルギーが分子吸着エネルギーよりも低エネルギーの値となる金属元素を選出し、
選出した金属元素の原子層を、前記金属元素について選択した担体の表面に積層することによって、前記触媒を製造すること
を特徴とする触媒の製造方法。
A method for producing the catalyst of claim 1, comprising:
For each metal element having d electrons, a carrier whose atomic distance in the atomic layer is greater than or equal to the interatomic distance in the bulk when the atomic layer of the metallic element is stacked on the surface of the carrier. Selected,
First-principles calculation, for each metal element, calculate the molecular adsorption energy and dissociative adsorption energy of nitrogen oxide on the surface of the atomic layer of the metal element laminated on the surface of the selected carrier,
The metal element whose calculated dissociative adsorption energy is a negative value and whose dissociative adsorption energy is lower than the molecular adsorption energy is selected.
A method for producing a catalyst, comprising: stacking an atomic layer of a selected metal element on a surface of a support selected for the metal element.
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