JP2011088093A - Nox浄化用触媒 - Google Patents

Nox浄化用触媒 Download PDF

Info

Publication number
JP2011088093A
JP2011088093A JP2009244704A JP2009244704A JP2011088093A JP 2011088093 A JP2011088093 A JP 2011088093A JP 2009244704 A JP2009244704 A JP 2009244704A JP 2009244704 A JP2009244704 A JP 2009244704A JP 2011088093 A JP2011088093 A JP 2011088093A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
temperature
atoms
present
solid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2009244704A
Other languages
English (en)
Other versions
JP4901938B2 (ja
Inventor
Mayuko Osaki
真由子 大崎
Hiroto Hirata
裕人 平田
Naoto Nagata
直人 永田
Yuji Matsumoto
祐司 松本
Kei Kuramoto
圭 倉本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2009244704A priority Critical patent/JP4901938B2/ja
Priority to EP10825091A priority patent/EP2500092A1/en
Priority to PCT/JP2010/069232 priority patent/WO2011049245A1/ja
Priority to US13/503,304 priority patent/US20120270729A1/en
Priority to CN2010800478244A priority patent/CN102858454A/zh
Priority to KR1020127009398A priority patent/KR20120054091A/ko
Publication of JP2011088093A publication Critical patent/JP2011088093A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4901938B2 publication Critical patent/JP4901938B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404Removing only nitrogen compounds
    • B01D53/9409Nitrogen oxides
    • B01D53/9413Processes characterised by a specific catalyst
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • B01J23/8906Iron and noble metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/20Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state
    • B01J35/23Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state in a colloidal state
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/40Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by dimensions, e.g. grain size
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/34Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
    • B01J37/341Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation making use of electric or magnetic fields, wave energy or particle radiation
    • B01J37/347Ionic or cathodic spraying; Electric discharge
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/10Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/106Gold
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207Transition metals
    • B01D2255/20738Iron
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/209Other metals
    • B01D2255/2092Aluminium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/80Type of catalytic reaction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/90Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/91NOx-storage component incorporated in the catalyst
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/90Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/92Dimensions
    • B01D2255/9202Linear dimensions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/14Nitrogen oxides
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

【課題】低温および/又は酸化雰囲気でNO浄化性能を奏し得る新規なNO浄化用の触媒を提供する。
【解決手段】ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される窒素酸化物の浄化用触媒であって、固体中でAu原子とFe原子とが近接した状態で存在している触媒、すなわちAu原子およびFe原子の一方の原子に接して他方の原子の少なくとも1つが固体、例えばナノ粒子(一次粒子)中又は薄膜中で存在している状態にある触媒。
【選択図】なし

Description

本発明は、窒素酸化物(以下、NOと略記することもある。)浄化用触媒に関し、さらに詳しくは固体中でAu原子とFe原子とが近接した状態で存在している低温および/又は酸化雰囲気でNO浄化が可能である新規なNO浄化用触媒に関する。
近年、地球環境保護の観点から、排気ガス規制が世界的に年々強化されている。この対応策として、内燃機関においては、排気ガス浄化触媒が用いられる。この排気ガス浄化触媒において、排ガス中のHC、COおよびNOを効率的に除去するために、触媒成分としてPt、Pd、Rh等の貴金属が使用されている。
この浄化用触媒を用いた自動車、例えばガソリンエンジン車あるいはディーゼルエンジン車では触媒活性とともに燃費の向上を図るために種々のシステムが用いられている。例えば、燃費を上げるために定常運転中では空燃比(A/F)がリーン(酸素過剰)の条件で燃焼させ、触媒活性を向上させるために一時的にストイキ(理論空燃比、A/F=14.7)〜リッチ(燃料過剰)の条件で燃焼させている。
しかし、従来公知のPt、Pd、Rh等の貴金属触媒は低温および酸化条件でのNO浄化性能が低く、浄化性能を高めるために浄化用触媒を高温にすることとHC(ハイドロカーボン)又はCO等を加えることによる還元雰囲気を必要とする。この触媒活性への影響から、定常運転中でも空燃比(A/F)を大きくできず前記貴金属触媒では燃費の向上に限界がある。
このように従来公知の貴金属触媒では、浄化性能を得るために浄化用触媒を高温にするためのエネルギーと浄化用触媒を一時的に還元雰囲気にするための燃料とエンジンでの空燃比(A/F)を低くすることが必要であり、自動車用エンジンを始め内燃機関の燃費を向上するためには低温および/又は酸化雰囲気でNO浄化性能を発揮し得る新たな浄化用触媒が求められている。
一方、前記の貴金属触媒はいずれも資源枯渇の問題を抱えており、他の金属を用いて従来の貴金属触媒と同程度以上の浄化性能を有する触媒又は貴金属の使用量を少なくし得る浄化触媒が求められている。
このため、浄化用触媒について種々の改良の試みがなされている。
例えば、特開平8−257403号公報には、遷移金属原子の少なくとも1種類と、Al、Siのうち少なくとも1種類の元素を含む複合酸化物より成り、かつ前記遷移金属が表面の一部を形成してなる高耐熱性でNO浄化性能に優れた排ガス浄化触媒が記載されている。
また、特許第3760717号公報には、金属酸化物又は炭素質材料の担体に高温高圧流体を用いてPt、Pd、Rh、Ru、Ir、Os、Au、Ag、Cu、Fe、Niからなる群から選択される少なくとも一種の金属の超微粒子を担持させた低温有害ガス浄化触媒が記載されている。そして、前記公報には具体例としてPt、Pd、Rh、Ru、Fe、Ni又はAuの1種類を高温高圧法又は超臨界法で担持させた浄化触媒が示されている。
さらに、特開2003−190787号公報には、主成分の12Cao・7Alに金、銀、鉄、亜鉛、マンガン、セリウム及び白金族元素の中から選ばれた1種又は2種以上を担持したエンジン排ガス浄化用触媒が記載されている。そして、具体例として主成分の12Cao・7Alに金、銀、白金、パラジウム、銅、鉄、亜鉛、マンガン、セリウム又はロジウムを単独又は銀とロジウム、ルテニウム又は銅との2種類を担持させた浄化用触媒は酸素ラジカルによる微粒子物質(PM)の酸化反応によって燃焼温度を低下させる効果を奏することが示されている。しかし、前記公報には2種類の金属の位置関係については規定されていない。
特開平8−257403号公報 特許第3760717号公報 特開2003−190787号公報
しかし、これら公知の浄化用触媒では低温および酸化雰囲気でNO浄化性能を奏することは不可能である。
従って、本発明の目的は、低温および/又は酸化雰囲気でNO浄化性能を奏し得る触媒を提供することである。
本発明者らは、前記目的を達成することを目的として鋭意研究を行った結果、NOの分解反応はNOの解離吸着→N、Oの脱離であり、O脱離温度の低い材料が高いNO浄化性能を有することを見出し、さらに検討を行った結果、本発明を完成した。
本発明は、窒素酸化物浄化用触媒であって、固体中でAu原子とFe原子とが近接した状態で存在している触媒に関する。
本発明によれば、低温および/又は酸化雰囲気でNO浄化性能を奏し得る触媒を得ることができる。
図1は、本発明の実施態様のNO浄化用触媒の模式図である。 図2は、本発明の実施例の浄化用触媒および比較例の浄化用触媒のNOガス雰囲気(酸化雰囲気)でのNO分解、脱離特性を示すグラフである。 図3は、本発明の実施例による浄化用触媒(AuFeと表示)のAES(オージェ電子分光分析)による表面Fe濃度とNO離離吸着・脱離温度の関係を示すグラフである。 図4は、Al(サファイア)基板上に堆積させたAu薄膜表面およびAu粒子表面のAESによる二次電子像である。 図5は、本発明の実施例において用いたPLD(Pulsed Laser Deposition)装置の模式図である。 図6は、本発明の実施例による浄化用触媒のFe堆積後の薄膜についてSEMにより測定した二次電子像である。 図7は、本発明の実施例による浄化用触媒のFe堆積、350℃で熱処理後の薄膜のSEMにより測定した二次電子像である。 図8−1は、本発明の実施例による浄化用触媒のNOガス雰囲気(酸化雰囲気)での室温でのエネルギーピークを示すN1s XPSスペクトルである。 図8−2は、本発明の実施例による浄化用触媒のNOガス雰囲気(酸化雰囲気)でのエネルギーピークを示すFe2p XPSスペクトルである。 図9−1は、本発明の実施例による浄化用触媒のNO吸着後の、加熱温度とO AESピーク強度との関係を示すグラフである。 図9−2は、本発明の実施例による浄化用触媒にNO吸着後の、加熱温度とN AESピーク強度との関係を示すグラフである。 図10は、本発明の実施例の浄化用触媒の、Fe堆積後および加熱後のXRD測定図である。 図11−1は、PLD装置でAl基板上に堆積させたFeにNO吸着後の、加熱温度とO AESピーク強度との関係を示すグラフである。 図11−2は、PLD装置でAl基板上に堆積させたFeにNO吸着後の、加熱温度とN AESピーク強度との関係を示すグラフである。 図12−1は、比較例のRhによるNOを1L吸着後の昇温過程におけるN1s XPSスペクトルである。 図12−2は、比較例のRhによるNOを1L吸着後の昇温過程におけるO1s XPSスペクトルである。 図13−1は、NO流通下のAuの各温度におけるN1s XPSスペクトルである。 図13−2は、NO流通下のAuの各温度におけるAu4f XPSスペクトルである。 図14は、本発明の実施例の浄化用触媒の加熱温度と表面の両元素(Au/Fe)濃度との関係を示すグラフである。 図15は、本発明の実施例および比較例による各触媒材料のNO分解、脱離特性を示すグラフである。 図16は、固体中でAu原子とFe原子とが近接した状態の一例を示す模式図である。 図17は、Binary Alloy Phase Diagram Vol.2 P.259 1984年 から引用して複写したAu−Feの相図(計算)である。
本発明のNO浄化用触媒は、固体中でAu原子とFe原子とが近接した状態で存在していることが必要である。
前記の固体中でAu原子とFe原子とが近接した状態とは、Au原子およびFe原子の一方の原子に接して他方の原子の少なくとも1つが固体、例えばナノ粒子(一次粒子)中又は薄膜中で存在している状態のことをいう。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳説する。
本発明のNO浄化用触媒は、例えば図1の(1)に示すように担体、例えば酸化物担体上でAu原子とFe原子とが均一に分散した完全固溶(合金化)して近接した状態であってもよく、又は図1の(2)に示すように酸化物担体上にAu原子が積層された薄膜上にFe原子が積層されて積層面でAu原子とFe原子とが近接した状態(又はこの逆の構成であってもよい)であってもよく、又は図1の(3)に示すように酸化物担体上にAu原子とFe原子とが各々一部の領域に積層されてその境界でAu原子とFe原子とが近接した不完全固溶状態であってもよい。前記の図1の(2)に示す構成であっても、加熱によって少なくとも近接した両元素の固溶(合金化)が進むと考えられる。また粒子であればコアシェルの構造であってもよい。
図2を参照すると、NO流通下のNOガス雰囲気(酸化雰囲気:リーン条件)ではAu単独ではNO吸着反応せず、Rhは約100℃でNOの解離吸着および約400℃でNの脱離および800℃でOの脱離が生じ、Feは約40℃でNOの解離吸着および約660℃でNの脱離および800℃でOの脱離が生じるのに対して、本発明の実施態様の触媒(FeAuで表示)は約40℃でNOの解離吸着および約450℃でNの脱離および約450℃でOの脱離が生じる。このように、本発明の実施態様のNO浄化用触媒によれば、約450℃という低温で且つ酸化雰囲気でNO浄化性能を奏し得ることが見出されたのである。
このことは、NOの分解反応は、NO解離吸着→N、O脱離であり、NOを吸着し且つO脱離温度の低い材料は浄化性能が高いことを示している。
脱離をしない又は困難なことが浄化触媒の活性を下げている要因であり、従来のRh触媒では酸化雰囲気ではNOを浄化できず、ストイキや還元雰囲気にして金属を還元し酸化雰囲気でのO脱離温度よりも低温でO脱離を促進していたのである。FeAu合金を活性点として使用することによって、Oの脱離温度が下がるため450℃程度の低い温度でも酸化雰囲気でNO浄化することが可能となる。FeAuであれば還元温度もO脱離温度と同様に低くなるため、還元剤の存在で酸化雰囲気よりさらに低温でNOを浄化し得ると考えられる。
本発明のNO浄化用触媒は、前記のように、固体中、例えばナノ粒子又は薄膜中でAu原子とFe原子とが近接した状態で存在させることが必要である。このため、両原子が近接している部分には両原子と合金化可能な他の金属原子は含まれ得るが、両原子と合金化が不可能な不活性物質、例えば担体材料は両原子が近接した状態を確保し得る範囲でのみ含まれ得る。従って、担体を使用する必要がある場合は、本発明のNO浄化用触媒は、例えば担体を構成する材料のナノ粒子を核として両金属が近接したナノ粒子を得るか又は担体基板に前記のAu原子とFe原子とを積層、薄膜化することによって得ることができる。
前記のAu原子とFe原子の両原子と合金化可能な他の金属原子としては、例えば合金化によってAuの耐熱性を改善し得るW(タングステン)を挙げることができる。
また、前記の担体材料としては、Al(アルミナ)、ZrO(ジルコニア)、CeO(セリア)、TiO(チタニア)や炭化ケイ素を挙げることが出来る。
そして、本発明のNO浄化用触媒が薄膜である場合、最外層は図1の(1)、(2)又は(3)のいずれであってもよく、例えば図1の(2)に示すように最外層はFeの薄層又はAuの薄層のいずれでもあってよく、好適にはFeの薄層であってよい。本発明のNO浄化用触媒は、図1の(2)の態様である場合には、例えば最外層が0.25〜10nm、特に1〜5nmのFe薄層で、最内層は10〜50nmのAu薄層である薄膜、又は最外層が0.25〜10nm、特に1〜5nmのAu薄層で、最内層が10〜100nm程度のFe薄層からなる薄膜であり得る。
前記の薄膜において、Feの堆積量、酸化還元雰囲気、加熱温度および加熱時間を変えることによって最外層における両元素の組成を変えることが可能である。
前記のNO浄化用触媒、例えば薄膜状の触媒は、好適には加熱してAuとFeとを合金化し得る。
前記の加熱は、例えば赤外線レーザーで堆積物を450℃以下の温度、例えば350〜450℃に加熱して行い得る。
また、前記の加熱は、輻射加熱方式や電子線加熱であってもよい。また、加熱の際に、堆積物を置く試料台はよく加熱された履歴を持つものが好適であり、例えば加熱により反応性の高いガスを放出しないものが望ましい。
本発明のNO浄化用触媒は、固体中のFe又はAuの濃度が両元素の合計量に対して0.2〜99.8atm%であることが好ましく、特にatm比が1/13〜12/13のであることが好ましい。
また、本発明のNO浄化用触媒は、図16に示すように、前記固体がAuとFeとを主成分とする一次粒子又は薄膜であって、固体表面のFeもしくはAuの表面濃度が両元素の合計量に対して原子比として1/7〜6/7であることが好ましい。
本発明のNO浄化用触媒によれば、NO浄化活性を上げるための加熱温度、例えばヒーターによる加熱温度を従来のように高い温度にする必要がなく、酸化雰囲気でもNO浄化活性を有することから雰囲気を還元状態にするための燃料の使用が不必要になるか大幅に低減することが可能となる。
また、本発明のNO浄化用触媒によれば、エンジンでの空燃比(A/F)を低くすることが必要でなく、例えば高い空燃比(A/F)、例えば理論的には定常運転時に、ガソリンエンジンの場合はA/Fが14.7より大きく、例えばA/F≧20、ジーゼルエンジンの場合はA/F≧30を可能とし得る。
以下、本発明の実施例を示す。
以下の各例において、得られた触媒の評価は以下に示す測定法によって行った。
1.O脱離温度およびN脱離温度の測定
測定方法:加熱温度を変えてAES(オージェ電子分光分析:Auger Electron Spectroscopy)によるピーク強度の測定
測定装置:KITANO SEIKI KCMA2002
2.NO解離吸着温度の測定
測定方法:加熱温度を変えてXPS(X線光電子分光法)スペクトル測定
測定装置:φESCA1600
3.触媒の表面元素組成比の測定
測定方法:AES(オージェ電子分光分析:Auger Electron Spectroscopy)によるAu:Fe組成比測定
測定装置:KITANO SEIKI KCMA2002
4.触媒の合金化の測定
測定方法:XRD(X線回折:X-Ray Diffraction)によりバルク全体の組成測定
測定装置:PHILIPS X’Pert MRD
5.触媒の表面状態の測定
測定方法:SEMによる二次電子像測定
SEM測定装置:ZEISS ULTRA55
実施例1
下記の各工程によって、Al(サファイア)基板上にAu、次いでFeを堆積して薄膜を形成してNO浄化用触媒を調製した。この薄膜は次いで加熱処理した。
1)イオンスパッタ(HITACH E101 Energy 100eV、Ion Current 15mA)でAl(サファイア)基板上に、Auスパッタ膜を作製した。2分間x5回でスパッタを行う(合計10分間)ことにより厚さ約30nmの均一なAu膜を堆積させた。このAu堆積後の表面のAESによる二次電子像を図4に示す。
2)堆積物を、図5に模式図を示す機構を持つPLD(Pulsed Laser Deposition)装置[分析手段:オージェ電子分光法(AES)、X線光電子分光法(XPS)を備えてある]の真空チャンバーに搬送する。
このPLDと分析手段とはIn−situであるのが理想である。ただし、In−situである必要はなく、以下に示す前処理を分析直前に行えるのであれば、一旦大気中に曝して搬送し得る。
3)Arスパッタを0.5eV、Cham.Pre.で1.8x10−4Torrの条件で30分間、アニールとして450℃、25分間の条件を2回繰り返して、表面前処理を行う。
4)図5に示すようにエキシマレーザー(LAMBDA PHYSIC、25〜29kV、1〜10Hz、KrF 3000mbar)をチャンバー中に入射し、Feターゲットに当て第2成分(Fe)を表面組成で100%になるまで堆積する。Fe堆積後の表面のAESによる二次電子像を図6に示す。堆積量はAES(PHI)で確認する。
図6から、50nmのAu上にFe粒子が堆積していた。
5)赤外線レーザーで堆積物を350℃に加熱して合金化する。加熱後の表面を図7に示す。
この加熱は、堆積物を置く試料台はよく加熱された履歴を持ち加熱により反応性の高いガスを放出しないものを用いた。
加熱後のAESによる表面組成は約40:60(Fe:Au、atm比)であった。
引き続いて、得られた触媒について下記の工程で評価を行った。
6)約1〜10Langmuir(5.0x10−6Pa、44s/1Langmuir
室温)のNOガス量をチャンバーに導入して、触媒にNOガスを吸着させる。
7)XPS(Φ ESCA1600、Monochlo Al−Ka(1486.7eV)、350W、14.0kV)でN1s、O1s、Fe2p、Au4f等のピークを観察して、XPSによる解離吸着特性の分析を行う。結果を図8−1、図8−2に示す。これら図8−1および図8−2に示すように、エネルギーピーク位置によりNO吸着状態であるか又はN/O解離状態であるかを区別でき、また反応サイトがFe上であるかを判断できる。
図8−1から、Fe上でNOは室温で解離吸着することを示した。
図8−2から、酸化物ピークの出現でFe上にOが吸着していることがわかった。
8)赤外線レーザーで触媒試料を50℃ずつ昇温して加熱し、AES(PHI、Energy 1.5kV、Fil.Cur.1.9A、Emi.Cur.0.9mA)でNピーク、Oピーク変化を観察する。測定結果を図9−1、図9−2に示す。ピークが減少した温度を脱離温度と判断する。
図9−1から、O脱離温度は約450℃であることを示した。
図9−2から、N脱離温度は約450℃であることを示した。
さらに、Fe堆積後の堆積物および350℃で熱処理後の堆積物のXRD測定結果を図10に示す。
比較例1
Al(サファイア)基板上に実施例1と同様にして図5に示すPLDを用いてFeのみを表面Fe濃度が100%になるまで堆積させた。
得られた堆積物試料について、実施例1の工程8)と同様に赤外線レーザーで触媒試料を50℃ずつ昇温して加熱し、AESでNピーク、Oピーク変化を測定した。測定結果を図11−1、図11−2に示す。
図11−1から、O脱離温度は約800℃以上であることを示している。
図11−2から、N脱離温度は約650℃であることを示している。
比較例2
Rh単結晶について、実施例1の6)および7)の工程と同様にして、NOガス量をチャンバーに導入しRhにNOガスを吸着させ、XPSでN1s XPSスペクトル、O1s XPSスペクトルを測定して、XPSによる解離吸着特性の分析を行った。測定結果を図12−1、図12−2に示す。
図12−1から、Rh上でNOは室温では解離せず解離温度は100℃以上であった。
図12−2から、160℃までは吸着NOが観測されるが、温度上昇に伴い解離Oが観察され、800℃を超えるとO脱離する。
比較例3
Au単結晶について、実施例1の6)および7)の工程と同様にして、NOガス量をチャンバーに導入しRhにNOガスを吸着させ、XPSでN1s XPSスペクトル、Au4fXPSスペクトルを測定して、XPSによる解離吸着特性の分析を行った。測定結果を図13−1、図13−2に示す。
図13−1および図13−2から、Au上に−50℃以上ではNO、Oは吸着しないことを示している。
比較例4
Al基板上にAuとFeとを近接しないで距離をおいて存在させて堆積させた。得られたAuとFeとが分離して存在する堆積物の表面の両元素濃度をAESにより測定したところ、表面Fe濃度は40atm.%であった。
この加熱処理後の堆積物についてNO分解、脱離特性を評価した。測定結果を図15に示す。
実施例2
実施例1と同様にして、Al基板上に数nmFe/50nmAuの積層薄膜を形成した。
得られた堆積物について温度を変えて加熱処理した。
加熱温度と表面の両元素濃度をAESにより測定した。加熱処理温度とAu/Feの表面濃度との関係を図14に示す。
図14から、加熱処理温度を変えることによってAl基板上の金属表面濃度(Au/Fe)を変えることが可能であることが理解される。
前記の図10から、熱処理することにより、Au(111)ピークが高角側にシフトしFe(110)ピークは小さくなった。これによって、FeがAuに拡散しAuの原子間距離が短くなったことが示唆される。これらの図7、図10、図14並びに図17の相図から、加熱処理によりAuFeは固溶して固溶体が形成されていると考えられる。
実施例2の加熱処理した触媒(表面濃度Fe:40atm.%)、実施例2のFe堆積後の触媒(表面濃度Fe:100atm.%)、比較例1のFe、比較例2のRhおよび比較例4のFeとAuとが分離して存在する堆積物を加熱処理した触媒について、NO分解、脱離特性を評価した。結果をまとめて図3および図15に示す。
図15から、FeとAuとが分離して存在している場合は、NO解離吸着した後加熱処理しても各々の特性しか示さないことがわかる。
また、積層薄膜からなる固体中でFeとAuとが近接して存在している場合、表面がFe100%であってもO解離吸着の温度が約700℃に低下しており、前記の本発明の効果が認められる。
本発明のNO浄化用触媒によれば、資源枯渇の観点から少なくとも一部が国内で算出可能なAuと地球上に大量に存在するFeとを用いることが可能であり、NO浄化活性を上げるための加熱温度を従来のように高い温度にする必要がなく、酸化雰囲気でもNO浄化活性を有することから雰囲気を還元状態にするための燃料の使用が不必要になるか又は少なくとも低温からNO浄化することが可能となり、定常時のエンジンでの空燃比(A/F)をストイキ(A/F=14.7)に近くにすることが必要でなく、高い空燃比(A/F)、例えば理論的にはガソリンエンジンの場合はA/F=20、ジーゼルエンジンの場合はA/F=30での運転を可能とし得る。

Claims (3)

  1. 窒素酸化物浄化用触媒であって、固体中でAu原子とFe原子とが近接した状態で存在している触媒。
  2. 前記固体がAuとFeとを主成分とする一次粒子又は薄膜であって、固体中のFe又はAuの濃度が両元素の合計量に対して0.2〜99.8atm%である請求項1に記載の触媒。
  3. 前記固体がAuとFeとを主成分とする一次粒子又は薄膜であって、固体表面のFe又はAuの表面濃度が両元素の合計量に対して原子比として1/7〜6/7である請求項1に記載の触媒。
JP2009244704A 2009-10-23 2009-10-23 Nox浄化用触媒 Expired - Fee Related JP4901938B2 (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009244704A JP4901938B2 (ja) 2009-10-23 2009-10-23 Nox浄化用触媒
EP10825091A EP2500092A1 (en) 2009-10-23 2010-10-22 Catalyst for nox removal
PCT/JP2010/069232 WO2011049245A1 (ja) 2009-10-23 2010-10-22 Nox浄化用触媒
US13/503,304 US20120270729A1 (en) 2009-10-23 2010-10-22 CATALYST FOR PURIFICATION OF NOx
CN2010800478244A CN102858454A (zh) 2009-10-23 2010-10-22 Nox 净化用催化剂
KR1020127009398A KR20120054091A (ko) 2009-10-23 2010-10-22 NOx 정화용 촉매

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009244704A JP4901938B2 (ja) 2009-10-23 2009-10-23 Nox浄化用触媒

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011088093A true JP2011088093A (ja) 2011-05-06
JP4901938B2 JP4901938B2 (ja) 2012-03-21

Family

ID=43900464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009244704A Expired - Fee Related JP4901938B2 (ja) 2009-10-23 2009-10-23 Nox浄化用触媒

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20120270729A1 (ja)
EP (1) EP2500092A1 (ja)
JP (1) JP4901938B2 (ja)
KR (1) KR20120054091A (ja)
CN (1) CN102858454A (ja)
WO (1) WO2011049245A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011240307A (ja) * 2010-05-21 2011-12-01 Toyota Motor Corp 窒素酸化物浄化システム

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012108060A1 (en) * 2011-02-07 2012-08-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha NOx PURIFICATION CATALYST
US9272268B2 (en) * 2014-04-01 2016-03-01 Ut-Battelle, Llc Catalysts for low temperature oxidation

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63252908A (ja) * 1987-04-08 1988-10-20 Agency Of Ind Science & Technol 金超微粒子固定化酸化物、その製造法、酸化触媒、還元触媒、可燃性ガスセンサ素子、及び電極用触媒
JPH04281846A (ja) * 1991-03-11 1992-10-07 Agency Of Ind Science & Technol 窒素酸化物除去用金触媒及び窒素酸化物除去方法
JPH04341346A (ja) * 1991-05-20 1992-11-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 排気ガスの浄化方法
JPH08257403A (ja) * 1995-03-24 1996-10-08 Jisedai Haigasu Shokubai Kenkyusho:Kk 排ガス浄化触媒
JP2001104728A (ja) * 1999-10-12 2001-04-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd バグフィルタ及び排ガス浄化方法
JP2001239161A (ja) * 2000-02-29 2001-09-04 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 低温有害ガス浄化触媒
JP2003190787A (ja) * 2001-12-28 2003-07-08 Japan Science & Technology Corp エンジン排ガス浄化用触媒
JP2007506548A (ja) * 2003-09-26 2007-03-22 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー ナノスケールの金触媒、活性化剤、担体媒体、および、特に金を物理的蒸着を用いて担体媒体の上に堆積させて、そのような触媒系を製造するのに有用な関連の方法
JP2008279439A (ja) * 2007-04-13 2008-11-20 Kyoto Univ 一酸化炭素及び/又は窒素酸化物の除去用触媒並びにその製造方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63252908A (ja) * 1987-04-08 1988-10-20 Agency Of Ind Science & Technol 金超微粒子固定化酸化物、その製造法、酸化触媒、還元触媒、可燃性ガスセンサ素子、及び電極用触媒
JPH04281846A (ja) * 1991-03-11 1992-10-07 Agency Of Ind Science & Technol 窒素酸化物除去用金触媒及び窒素酸化物除去方法
JPH04341346A (ja) * 1991-05-20 1992-11-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 排気ガスの浄化方法
JPH08257403A (ja) * 1995-03-24 1996-10-08 Jisedai Haigasu Shokubai Kenkyusho:Kk 排ガス浄化触媒
JP2001104728A (ja) * 1999-10-12 2001-04-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd バグフィルタ及び排ガス浄化方法
JP2001239161A (ja) * 2000-02-29 2001-09-04 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 低温有害ガス浄化触媒
JP2003190787A (ja) * 2001-12-28 2003-07-08 Japan Science & Technology Corp エンジン排ガス浄化用触媒
JP2007506548A (ja) * 2003-09-26 2007-03-22 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー ナノスケールの金触媒、活性化剤、担体媒体、および、特に金を物理的蒸着を用いて担体媒体の上に堆積させて、そのような触媒系を製造するのに有用な関連の方法
JP2008279439A (ja) * 2007-04-13 2008-11-20 Kyoto Univ 一酸化炭素及び/又は窒素酸化物の除去用触媒並びにその製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011240307A (ja) * 2010-05-21 2011-12-01 Toyota Motor Corp 窒素酸化物浄化システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP4901938B2 (ja) 2012-03-21
WO2011049245A1 (ja) 2011-04-28
CN102858454A (zh) 2013-01-02
EP2500092A1 (en) 2012-09-19
US20120270729A1 (en) 2012-10-25
KR20120054091A (ko) 2012-05-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5664918B2 (ja) 排ガス浄化用触媒
Lebukhova et al. The nanostructural catalytic composition CuMoO4/TiO2+ SiO2/Ti for combustion of diesel soot
KR20080047951A (ko) 팔라듐-금을 포함하는 엔진 배기가스 촉매
JP5310767B2 (ja) 排ガス浄化触媒
JP2005046836A (ja) ディーゼル微粒子フィルター
JP7489401B2 (ja) ガソリン排気ガス用途のための新規pgmナノ粒子twc触媒
JP4901938B2 (ja) Nox浄化用触媒
JP4591164B2 (ja) 排ガス浄化方法及び排ガス浄化装置
EP2495043A1 (en) Exhaust cleaner for internal combustion engine
JP2011093756A (ja) 貴金属担持炭化ケイ素粒子とその製造方法及びそれを含有する触媒並びにその製造方法
JP2011098265A (ja) Nox浄化装置および浄化方法
JP5825439B2 (ja) 排ガス浄化用触媒及びその製造方法
JP5560898B2 (ja) 窒素酸化物浄化システム
JP2009247955A (ja) 触媒の製造方法
JP5795071B2 (ja) Nox浄化触媒
JP5767024B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
FR3077507A1 (fr) Catalyseur pour le traitement de l’ammoniac issu de la reduction selective des nox
JP2005185959A (ja) 排ガス浄化用触媒
JP2009178673A (ja) 排ガス浄化装置
JP6565019B2 (ja) 触媒の製造方法、触媒、および触媒の使用
KR101472255B1 (ko) 배기가스 처리장치
JP6350076B2 (ja) 窒素酸化物浄化触媒及び内燃機関の排ガス浄化装置並びに排ガス浄化フィルタ
JP5795083B2 (ja) Nox浄化用触媒
Suga et al. High-Efficiency NOx Trap Catalyst with Highly Dispersed Precious Metal for Low Precious Metal Loading
CN117120161A (zh) 废气净化用催化剂组合物和废气净化用催化剂

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110920

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111117

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111213

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20111227

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150113

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150113

Year of fee payment: 3

R154 Certificate of patent or utility model (reissue)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R154

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees