JP2012050980A - Catalyst, oxidation catalyst, reduction catalyst, and exhaust gas cleaning catalyst - Google Patents

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Hideo Kameyama
秀雄 亀山
Yu Kaku
ユ 郭
Seizo Miyata
清蔵 宮田
Takeshi Chin
健 陳
Tomohisa Kida
智久 木田
Hiroshi Tsuboyama
浩士 坪山
Shinpei Kawada
晋平 川田
Mariko Kanehira
真梨子 金平
Harunobu Oda
晴信 小田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst for cleaning exhaust gas, which does not contain platinum (Pt) as a catalyst component, oxidizes carbon monoxide (CO) and a hydrocarbon (HC) which are an exhaust gas component, and further can efficiently reduce nitrogen oxide (NOx).SOLUTION: A composition containing a carbon atom, an iron atom, and a cerium atom is heated, thereby the catalyst is obtained. The catalyst does not contain platinum (Pt) as a catalyst component, oxidizes carbon monoxide (CO) and a hydrocarbon (HC) which are an exhaust gas component, and further can efficiently reduce nitrogen oxide (NOx).

Description

本発明は、触媒、酸化触媒、還元触媒及び排ガス浄化用触媒に関する。さらに詳しくは、排気ガス浄化活性及び高温耐久性にきわめて優れ、触媒成分として白金(Pt)を含有しない触媒、酸化触媒、還元触媒及び排気ガス浄化用触媒に関する。   The present invention relates to a catalyst, an oxidation catalyst, a reduction catalyst, and an exhaust gas purification catalyst. More specifically, the present invention relates to a catalyst, an oxidation catalyst, a reduction catalyst, and an exhaust gas purification catalyst that are extremely excellent in exhaust gas purification activity and high-temperature durability and do not contain platinum (Pt) as a catalyst component.

内燃機関から排出される排気ガスを浄化するために、主に白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)等の触媒成分が担体上に担持された三元触媒が使用されている。また、アンモニア、硫化水素(HS)、ホルムアルデヒド等の悪臭有害物質やベンゼン、トルエン、キシレン、ジクロロメタン等の揮発性有機化合物(VOCs)、環境負荷物質を酸化あるいは還元するために白金(Pt)を触媒成分とする白金触媒が使用されている(特許文献1〜4参照)。 In order to purify the exhaust gas discharged from the internal combustion engine, a three-way catalyst in which a catalyst component such as platinum (Pt), rhodium (Rh), palladium (Pd) is supported on a carrier is mainly used. Also, odorous harmful substances such as ammonia, hydrogen sulfide (H 2 S), formaldehyde, volatile organic compounds (VOCs) such as benzene, toluene, xylene and dichloromethane, and platinum (Pt) for oxidizing or reducing environmentally hazardous substances. The platinum catalyst which uses as a catalyst component is used (refer patent documents 1-4).

しかしながら、上記触媒成分の中でも、特に白金(Pt)は、非常に高価であり、その埋蔵量も少なくかつ地球上に偏在しているため、将来長期に亘って安定的な供給がなされない可能性がある。そのため、白金(Pt)に代わる安価で長期的に安定供給が可能な触媒成分を含有する排気ガス浄化用触媒が求められている。   However, among the above catalyst components, in particular, platinum (Pt) is very expensive, its reserves are small, and it is unevenly distributed on the earth, so there is a possibility that a stable supply will not be made over the long term in the future. There is. Therefore, there is a need for an exhaust gas purifying catalyst containing a catalyst component that can be stably supplied over a long period of time instead of platinum (Pt).

たとえば、特許文献1には、金属M元素(Fe)と金属X元素(Ce、Zr、Al、Ti、Mg)を含み、還元雰囲気でMとXの複合酸化物を形成することで酸素を放出し、酸化雰囲気で該複合酸化物が酸化されM酸化物とX酸化物を形成することで酸素を吸蔵するOSC能を備えたことを特徴とする金属複合体を触媒成分とする排気ガス浄化用触媒が開示されている。   For example, Patent Document 1 includes metal M element (Fe) and metal X element (Ce, Zr, Al, Ti, Mg), and releases oxygen by forming a complex oxide of M and X in a reducing atmosphere. In addition, the composite oxide is oxidized in an oxidizing atmosphere to form M oxide and X oxide, thereby providing an OSC ability to occlude oxygen. A catalyst is disclosed.

また、特許文献2には、セリア(Ce)−ジルコニア(ZrO)複合酸化物、及び上記セリア(Ce)−ジルコニア(ZrO)複合酸化物中に分散して少なくとも部分的に固溶している酸化鉄を含む複合酸化物を触媒成分とする、排気ガス浄化用触媒が開示されている。さらに、特許文献3には、アンモニア、硫化水素、ホルムアルデヒド、トルエン等の複合有害臭気物質を効果的に吸着消臭することができる吸着消臭材用触媒として、微粉状の金属酸化物、金属フタロシアニン、酸化チタン、白金、金、又は酸化銅を触媒成分とする触媒が開示されている。特許文献4には、ガス状または蒸気状の炭化水素(VOCs)を酸化し、かつ窒素酸化物(NOx)を選択還元する触媒として、担体上に多段結晶化工程により、希土類元素と重金属のコバルト又はマンガンとの触媒活性物質の結晶層を形成した触媒成分が開示されている。 Patent Document 2 discloses that a ceria (Ce) -zirconia (ZrO 2 ) composite oxide and the ceria (Ce) -zirconia (ZrO 2 ) composite oxide are dispersed and at least partially dissolved. An exhaust gas purifying catalyst using a composite oxide containing iron oxide as a catalyst component is disclosed. Further, Patent Document 3 discloses a finely divided metal oxide, metal phthalocyanine as a catalyst for an adsorbent deodorant capable of effectively adsorbing and deodorizing composite harmful odorous substances such as ammonia, hydrogen sulfide, formaldehyde, and toluene. In addition, a catalyst containing titanium oxide, platinum, gold, or copper oxide as a catalyst component is disclosed. In Patent Document 4, as a catalyst for oxidizing gaseous or vapor hydrocarbons (VOCs) and selectively reducing nitrogen oxides (NOx), a rare-earth element and a heavy metal cobalt are formed on a support by a multi-stage crystallization process. Alternatively, a catalyst component in which a crystal layer of a catalytically active substance with manganese is formed is disclosed.

しかしながら、特許文献1〜4に開示された排気ガス浄化用触媒は、触媒活性化温度が高温となっており、しかも排気ガスに含まれる各ガス成分の浄化活性(触媒作用効率)の点で満足できるものではなかった。   However, the exhaust gas purification catalysts disclosed in Patent Documents 1 to 4 have a high catalyst activation temperature, and are satisfactory in terms of purification activity (catalytic efficiency) of each gas component contained in the exhaust gas. It wasn't possible.

なお、本件特許出願人は、先行技術として以下の特許文献を提示する。   In addition, this patent applicant presents the following patent documents as prior art.

特開2004−160433号公報JP 2004-160433 A 特開2008−18322号公報JP 2008-18322 A 特開2003−70887号公報JP 2003-70887 A 特開2008−86987号公報JP 2008-86987 A

そこで、本発明の課題は、触媒成分として白金(Pt)を含有することなく、排気ガス成分である一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)を酸化し、さらに窒素酸化物(NOx)を効率良く還元することができる排気ガス浄化用触媒を提供することある。   Therefore, an object of the present invention is to oxidize carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC), which are exhaust gas components, without containing platinum (Pt) as a catalyst component, and further convert nitrogen oxide (NOx). An exhaust gas purification catalyst that can be efficiently reduced is provided.

上記課題を解決する手段として、鉄とセリウム系触媒の活性向上について鋭意検討した結果、鉄化合物とセリウム化合物に炭素を加え加熱することで、酸化触媒機能、還元触媒機能を有し、排気ガス浄化触媒としても活性の高い触媒を得られることを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、具体的に以下の技術的手段から構成される。
(1)炭素原子(炭素材料)と、鉄原子(鉄化合物)と、セリウム原子(セリウム化合物)と、を含有する組成物からなることを特徴とする触媒。
(2)前記組成物中の炭素原子、鉄原子、及び原子の質量分率がそれぞれ、1.0〜70.0%、5.0〜65.0%、及び5.0〜90.0%であることを特徴とする(1)記載の触媒。
(3)前記組成物が、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、水蒸気、炭酸ガス、アンモニア、空気から選ばれるガス雰囲気下において100℃〜800℃で加熱処理されたものであることを特徴とする(1)または(2)記載の触媒。
(4)前記触媒が、排気ガス浄化用触媒であることを特徴とする(1)ないし(3)いずれか記載の触媒。(5)炭素原子、鉄原子、及びセリウム原子の構成質量分率がそれぞれ、1.0〜70.0%、5.0〜65.0%、及び5.0〜90.0%であることを特徴とする酸化触媒。
(6)200℃以上、800℃以下の温度で、悪臭有害物質、揮発性有機化合物、環境負荷物質、及び化学薬品の酸化反応を促進できることを特徴とする(5)の酸化触媒。
(7)炭素原子、鉄原子、及びセリウム原子の構成質量分率がそれぞれ、1.0〜70.0%、5.0〜65。0%、及び5.0〜90.0%であることを特徴とする酸化触媒。
(8)200℃以上、800℃以下の温度で、悪臭有害物質、揮発性有機化合物、環境負荷物質、及び化学薬品の還元反応を促進できることを特徴とする(7)の還元触媒。
As a means to solve the above problems, as a result of intensive studies on the activity improvement of iron and cerium-based catalysts, by adding carbon to iron compounds and cerium compounds and heating them, it has an oxidation catalyst function and a reduction catalyst function, and exhaust gas purification It has been found that a highly active catalyst can be obtained as a catalyst, and the present invention has been completed. That is, the present invention is specifically composed of the following technical means.
(1) A catalyst comprising a composition containing a carbon atom (carbon material), an iron atom (iron compound), and a cerium atom (cerium compound).
(2) The mass fraction of carbon atoms, iron atoms, and atoms in the composition is 1.0 to 70.0%, 5.0 to 65.0%, and 5.0 to 90.0%, respectively. The catalyst according to (1), wherein
(3) The composition is heat-treated at 100 ° C. to 800 ° C. in a gas atmosphere selected from nitrogen, argon, helium, hydrogen, water vapor, carbon dioxide, ammonia, and air ( The catalyst according to 1) or (2).
(4) The catalyst according to any one of (1) to (3), wherein the catalyst is an exhaust gas purification catalyst. (5) The constituent mass fractions of carbon atom, iron atom, and cerium atom are 1.0 to 70.0%, 5.0 to 65.0%, and 5.0 to 90.0%, respectively. An oxidation catalyst characterized by.
(6) The oxidation catalyst according to (5), which can promote oxidation reaction of malodorous harmful substances, volatile organic compounds, environmentally hazardous substances, and chemicals at a temperature of 200 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
(7) The constituent mass fractions of carbon atom, iron atom, and cerium atom are 1.0 to 70.0%, 5.0 to 65.0%, and 5.0 to 90.0%, respectively. An oxidation catalyst characterized by.
(8) The reduction catalyst according to (7), wherein the reduction reaction of malodorous harmful substances, volatile organic compounds, environmentally hazardous substances, and chemicals can be promoted at a temperature of 200 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.

本発明の触媒は、炭素材料、鉄化合物及びセリウム化合物を含有する組成物からなるものである。この触媒は、100℃〜800℃で加熱処理を行うことが、活性をより向上させるために好ましい。また、本発明の触媒は、炭素原子、鉄原子、及びセリウム原子を含有する酸化還元触媒である。本発明の触媒は、前記構成からなるため、CO、HCを酸化し、NOxを還元する排気ガスを浄化することが可能でその浄化開始温度が低くかつ浄化効率が高い。   The catalyst of this invention consists of a composition containing a carbon material, an iron compound, and a cerium compound. This catalyst is preferably heat-treated at 100 ° C. to 800 ° C. in order to further improve the activity. The catalyst of the present invention is a redox catalyst containing a carbon atom, an iron atom, and a cerium atom. Since the catalyst of the present invention has the above-described configuration, it is possible to purify exhaust gas that oxidizes CO and HC and reduces NOx, and has a low purification start temperature and high purification efficiency.

本発明の触媒は、前記構成からなるため、CO、HCを酸化し、NOxを還元する排気ガスを浄化することが可能でその浄化開始温度が低くかつ浄化効率が高く、しかも、アンモニア、硫化水素(HS)、ホルムアルデヒド等の有害物質、ベンゼン、トルエン、キシレン、ジクロロメタン等の揮発性有機化合物(VOCs)、環境負荷物質の酸化または還元による無害化、あるいは酸、アルコール等の化学薬品の製造に使用でき、酸化触媒、還元触媒、排ガス浄化触媒等として機能する。 Since the catalyst of the present invention has the above-described configuration, it is possible to purify the exhaust gas that oxidizes CO and HC and reduces NOx, has a low purification start temperature and high purification efficiency, and further, ammonia, hydrogen sulfide. Hazardous substances such as (H 2 S), formaldehyde, volatile organic compounds (VOCs) such as benzene, toluene, xylene, and dichloromethane, detoxification by oxidation or reduction of environmentally hazardous substances, or production of chemicals such as acids and alcohols It functions as an oxidation catalyst, a reduction catalyst, an exhaust gas purification catalyst, and the like.

本発明の触媒の触媒活性が高くなる理由は定かではないが、酸化還元反応に伴う電子の授受により、鉄原子は原子価を2価(FeO)と3価(Fe)に、セリウム原子は原子価を3価(Ce)と4価(CeO)に変化させることができるので、酸化雰囲気では高原子価となり、還元雰囲気下では低原子価となることにより酸素を吸脱着し酸化還元反応を促進していると考えられる。そこに鉄及びセリウムよりも触媒活性の低い炭素を添加すると、その3成分触媒は、鉄及びセリウムからなる触媒より活性が高くなることから、炭素原子が、上記、鉄原子、セリウム原子の電子の授受に何らかの相互作用を及ぼしているためと考えられる。 Although the reason why the catalytic activity of the catalyst of the present invention is high is not clear, the transfer of electrons accompanying the oxidation-reduction reaction causes the iron atom to be divalent (FeO) and trivalent (Fe 2 O 3 ), and cerium. The atoms can change the valence between trivalent (Ce 2 O 3 ) and tetravalent (CeO 2 ), so that they have a high valence in an oxidizing atmosphere and a low valence in a reducing atmosphere, thereby absorbing oxygen. It is thought that it desorbs and promotes the redox reaction. When carbon having a lower catalytic activity than iron and cerium is added thereto, the three-component catalyst becomes more active than a catalyst made of iron and cerium, so that the carbon atom is an electron of the above iron atom or cerium atom. This is thought to be due to some interaction with the exchange.

本発明の触媒の使用温度は、200℃以上であり800℃以下であることが好ましい。200℃未満であると、酸化触媒の活性が向上し、COやHCの酸化能力が格段に向上する。同様に、還元触謀の活性が向上し、NOxを還元する能力が格段に優れるようになる。一方、使用温度が800℃を超えると、長時間曝される触媒成分の凝集による触媒劣化が見られる。   The use temperature of the catalyst of the present invention is 200 ° C. or higher and preferably 800 ° C. or lower. When the temperature is lower than 200 ° C., the activity of the oxidation catalyst is improved, and the oxidation ability of CO and HC is remarkably improved. Similarly, the activity of the reduction scheme is improved, and the ability to reduce NOx is remarkably improved. On the other hand, when the use temperature exceeds 800 ° C., catalyst deterioration due to aggregation of catalyst components exposed for a long time is observed.

本発明の触媒(酸化・還元触媒)を排気ガス浄化触媒として使用する場合、一方ではエンジン直下型に使用されるときは約800℃に至ることもあるがそれは瞬時であり常時ではないこと、他方では床下型に使用されるときは常時約550℃の温度下にあることから、十分その機能を発揮することができる。還元触媒機能を発揮できる組成範囲は、酸化触媒機能を発揮する組成範囲より狭い傾向があるので、排気ガス浄化触媒として使用する場合、還元触媒機能を発揮できる組成範囲の触媒を使用することが望ましい。   When the catalyst of the present invention (oxidation / reduction catalyst) is used as an exhaust gas purification catalyst, on the one hand, it may reach about 800 ° C. when used in an engine direct type, but it is instantaneous and not always, Then, when it is used in an underfloor mold, it is always at a temperature of about 550 ° C., so that its function can be sufficiently exhibited. Since the composition range that can exhibit the reduction catalyst function tends to be narrower than the composition range that exhibits the oxidation catalyst function, it is desirable to use a catalyst having a composition range that can exhibit the reduction catalyst function when used as an exhaust gas purification catalyst. .

還元触媒機能を発揮できる組成範囲は、酸化触媒機能を発揮する組成範囲より狭い傾向があるので、排気ガス浄化触媒として使用する場合、還元触媒機能を発揮できる組成範囲の触媒を使用することが望ましい。また、炭素はこのような高温では酸化されるため耐熱性が低いとして使用されることは無かった。   Since the composition range that can exhibit the reduction catalyst function tends to be narrower than the composition range that exhibits the oxidation catalyst function, it is desirable to use a catalyst having a composition range that can exhibit the reduction catalyst function when used as an exhaust gas purification catalyst. . Also, since carbon is oxidized at such a high temperature, it has not been used as having low heat resistance.

炭素材料は、これまでこのような高温下では酸化されてしまうため耐熱性が低いとされ排気バス浄化用触媒に使用されることは無かった。しかしながら、炭素材料、鉄化合物、セリウム化合物、並びに酸素の化合物を構成することにより、驚くべきことに酸化されにくくなり耐熱性が向上した。その結果として、本発明の排気ガス浄化用触媒は、床下型はもちろん直下型のエンジンに対しても十分使用できることが分かった。   Until now, the carbon material is oxidized at such a high temperature, so that the heat resistance is low, and it has not been used as a catalyst for exhaust gas purification. However, by constructing a carbon material, an iron compound, a cerium compound, and an oxygen compound, it is surprisingly difficult to oxidize and heat resistance is improved. As a result, it has been found that the exhaust gas purifying catalyst of the present invention can be sufficiently used not only for an underfloor type engine but also for a direct type engine.

本発明の触媒によれば、触媒成分として白金(Pt)を含有しない触媒を提供することができる。さらに、一酸化炭素(CO)や担架水素(HC)を効率よく酸化することができる。加えて、窒素化合物(NOx)を効率よく還元することができる。さらに加えて、悪臭有害物質、揮発性有機化合物、環境負荷物質、及び化学薬品を効率よくの酸化することができる。   According to the catalyst of the present invention, a catalyst containing no platinum (Pt) as a catalyst component can be provided. Furthermore, carbon monoxide (CO) and stretched hydrogen (HC) can be efficiently oxidized. In addition, nitrogen compounds (NOx) can be reduced efficiently. In addition, malodorous harmful substances, volatile organic compounds, environmentally hazardous substances, and chemicals can be efficiently oxidized.

浄化されるNOxやCO、HCの濃度を測定する装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus which measures the density | concentration of NOx, CO, and HC to be purified. 図1の装置における反応管の概略図である。It is the schematic of the reaction tube in the apparatus of FIG. 実施例1における、NOx、CO、HC(C)、Hの転化率を示す図である。In Example 1, NOx, CO, HC ( C 3 H 6), is a diagram illustrating the conversion of H 2. 実施例11における、600℃における長時間の試験結果を示す図である。It is a figure which shows the long-term test result in 600 degreeC in Example 11. FIG. 実施例11における、800℃における長時間の試験結果を示す図である。It is a figure which shows the long-term test result in 800 degreeC in Example 11. FIG. 実施例1〜10、及び三角組成図内の他のプロットに相当する組成の触媒、並びに、下記比較例1〜7の組成の触媒における、NOxのT50を示す三角組成等活性温度線図である。FIG. 7 is an active temperature diagram of the triangular composition etc. showing the T50 of NOx in the catalysts of the compositions corresponding to the other plots in Examples 1 to 10 and the triangular composition diagram, and the catalysts of the compositions of Comparative Examples 1 to 7 below. . 実施例1〜10、及び三角組成図内の他のプロットに相当する組成の触媒、並びに、下記比較例1〜7の組成の触媒における、HCのT50を示す三角組成等活性温度線図である。FIG. 7 is an active temperature diagram of triangular composition and the like showing T50 of HC in Examples 1 to 10 and catalysts having compositions corresponding to other plots in the triangular composition diagram, and catalysts having compositions of Comparative Examples 1 to 7 below. . 実施例1〜10、及び三角組成図内の他のプロットに相当する組成の触媒、並びに、下記比較例1〜7の組成の触媒における、COのT50を示す三角組成等活性温度線図である。FIG. 7 is an active temperature diagram of a triangular composition, etc. showing a T50 of CO in Examples 1 to 10 and catalysts having compositions corresponding to other plots in the triangular composition diagram, and catalysts having compositions of Comparative Examples 1 to 7 below. . 比較例1における、NOx、CO、HC(C)、Hの転化率を示す図である。In Comparative Example 1, NOx, CO, HC ( C 3 H 6), is a diagram illustrating the conversion of H 2. 比較例2における、NOx、CO、HC(C)、Hの転化率を示す図である。In Comparative Example 2, NOx, CO, HC ( C 3 H 6), is a diagram illustrating the conversion of H 2. 比較例3における、NOx、CO、HC(C)、Hの転化率を示す図である。In Comparative Example 3, NOx, CO, HC ( C 3 H 6), is a diagram illustrating the conversion of H 2. 比較例4における、NOx、CO、HC(C)、Hの転化率を示す図である。In Comparative Example 4, NOx, CO, HC ( C 3 H 6), is a diagram illustrating the conversion of H 2. 比較例5における、NOx、CO、HC(C)、Hの転化率を示す図である。In Comparative Example 5, NOx, CO, HC ( C 3 H 6), is a diagram illustrating the conversion of H 2. 比較例8における、NOx、CO、HC(C)、Hの転化率を示す図である。In Comparative Example 8, NOx, CO, HC ( C 3 H 6), is a diagram illustrating the conversion of H 2.

以下、本発明の実施の形態(以下、適宜「本実施形態」という)について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as “this embodiment” as appropriate) will be described.

<触媒>
本実施形態の触媒は、炭素材料、鉄化合物、及びセリウム化合物を含有する組成物からなるものである。以下、排気ガス浄化用触媒を構成する各成分について説明する。
<Catalyst>
The catalyst of this embodiment consists of a composition containing a carbon material, an iron compound, and a cerium compound. Hereinafter, each component constituting the exhaust gas purification catalyst will be described.

(炭素材料)
本実施形態の触媒に使用できる炭素材料としては、触媒成分である鉄化合物中の鉄原子及びセリウム化合物中のセリウム原子の触媒活性を低減させることなく、炭素材料中の炭素が触媒活性を発揮することができるものであれば、特に制限されるものではない。そのような炭素材料として、たとえば、グラファイト、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ナノダイヤ、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェンから選ばれた少なくとも1種類以上の炭素等が挙げられる。
(Carbon material)
As the carbon material that can be used for the catalyst of the present embodiment, the carbon in the carbon material exhibits catalytic activity without reducing the catalytic activity of the iron atom in the iron compound as the catalyst component and the cerium atom in the cerium compound. As long as it can be used, there is no particular limitation. Examples of such a carbon material include at least one kind of carbon selected from graphite, furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, nano diamond, fullerene, carbon nanotube, and graphene.

また、本実施形態に使用できる炭素材料として、炭素材料の前駆体を加熱し生成した炭素を炭素材料として使用することもできる。上記した炭素材料の前駆体としては、熱硬化等の処理によって炭素化可能なものであれば特に限定するものではないが、たとえば、フェノール樹脂、フェノールホルムアルデビド樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、キレート樹脂、ポリアクリロニトリル、セルロース、カルボキシメチルセルロース、ポジスルフォン、リグニン、ピッチ、タンパク質等の熱硬化性樹脂やポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフルフリルアルコ−ル、ポリメタクリル酸カルボキシメチル、アイオノマー樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。   Further, as a carbon material that can be used in the present embodiment, carbon generated by heating a precursor of the carbon material can be used as the carbon material. The precursor of the above-described carbon material is not particularly limited as long as it can be carbonized by a treatment such as thermosetting. For example, phenol resin, phenol formaldehyde resin, epoxy resin, melamine resin, urea resin, Thermosetting resins such as polyamide resin, polyimide resin, furan resin, chelate resin, polyacrylonitrile, cellulose, carboxymethylcellulose, positive sulfone, lignin, pitch, protein, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, Thermoplastic resins such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyfurfuryl alcohol, polycarboxymethyl methacrylate, and ionomer resin can be used.

また、炭素材料の前駆体として、ポリピロール等のピロール化合物、フタロシアニン錯体、ポリイミド、ポリカルボジイミド等のイミド化合物、ポリアミド等のアミド化合物、ポリイミダソール等のイミダソール化合物、フミン酸、ポリアニリン、ε−カプロラクタム、ポリビニルピリジン等の有機化合物、バイオマス、木材、石炭等炭素を含有する物質を用いることができる。すなわち、本発明の触媒においては、石油等を原料とする有機化学工業製品のみならず、廃材等の天然リサイクル資源をもその原材料とすることができる点において、大きな技術的意義を有するものである。   Moreover, as precursors of carbon materials, pyrrole compounds such as polypyrrole, phthalocyanine complexes, imide compounds such as polyimide and polycarbodiimide, amide compounds such as polyamide, imidazole compounds such as polyimidazole, humic acid, polyaniline, ε-caprolactam, Substances containing carbon such as organic compounds such as polyvinyl pyridine, biomass, wood, and coal can be used. That is, the catalyst of the present invention has great technical significance in that not only organic chemical industrial products made from petroleum and the like, but also natural recycled resources such as waste materials can be used as the raw material. .

さらに、本発明の触媒に使用される炭素材料としては、前掲した炭素化合物の前駆体を、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気下または、水素、水蒸気、炭酸ガス、アンモニア、空気等の反応性ガス雰囲気下で500℃〜1,500℃で加熱したものを使用することができる。上記した不活性ガス又は活性ガスにより加熱すれば、炭素材料の表面積を増大させ、賦活した炭素材料とするができるからである。   Further, as the carbon material used in the catalyst of the present invention, the above-mentioned carbon compound precursor is used in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, helium, or hydrogen, water vapor, carbon dioxide, ammonia, air, etc. Those heated at 500 ° C. to 1,500 ° C. in a reactive gas atmosphere can be used. This is because heating with the above-described inert gas or active gas can increase the surface area of the carbon material and provide an activated carbon material.

これらの炭素材料は、加熱処理により、炭素材料の前駆体から、一部の炭素及び水素、酸素、窒素が水、二酸化炭素、一酸化炭素、二酸化窒素、一酸化窒素等として揮発するので、多孔質な炭素となっている。さらに、炭素をあらかじめボールミルやジェットミル等の粉砕機で微粒子化し、さらに目開きの異なる篩を用いて粗大粒子を取り除き、均一な微粒子にすることによって、炭素の表面積を増大させ、触媒に使用した時の活性を向上させることができる。   These carbon materials are porous because some carbon and hydrogen, oxygen, and nitrogen are volatilized as water, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen dioxide, nitrogen monoxide, etc. from the precursor of the carbon material by heat treatment. It is a quality carbon. Furthermore, carbon was finely divided by a pulverizer such as a ball mill or a jet mill in advance, and coarse particles were removed using a sieve having a different opening to make uniform fine particles, thereby increasing the surface area of carbon and using it as a catalyst. The activity of time can be improved.

さらに、上記した炭素材料を、金属アセチリド化合物の偏析反応を利用して炭素材料のナノ構造体とすることもできる。たとえば、アルカリ性の水溶液中で硝酸銀とアセチレンから生成させたAgのナノ樹状体モノリスをポリテトラフルオロエチレン製の容器に詰め、更にステンレス容器内で脱水し、200℃に加熱すると瞬間的に銀と炭素への偏析反応が起きて、膨大な反応熱よって銀が蒸気となって炭素の風船を膨らまし、銀のナノ粒子となって炭素の中に沈殿する。この銀粒子を硝酸銀で溶解すると、グラフェンシートが形成されており、本発明の触媒に用いる炭素材料として使用することができる。 Furthermore, the above-described carbon material can be made into a nanostructure of a carbon material by utilizing a segregation reaction of a metal acetylide compound. For example, Ag 2 C 2 nano dendritic monolith produced from silver nitrate and acetylene in an alkaline aqueous solution is packed in a polytetrafluoroethylene container, dehydrated in a stainless steel container, and heated to 200 ° C. for an instant. Then, a segregation reaction between silver and carbon occurs, and the enormous amount of heat of reaction causes the silver to become vapor, which inflates the carbon balloon and becomes silver nanoparticles that precipitate in the carbon. When these silver particles are dissolved with silver nitrate, a graphene sheet is formed and can be used as a carbon material used in the catalyst of the present invention.

(鉄化合物)
本発明の触媒に使用できる鉄化合物としては、鉄の酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、硫化物、硫酸塩、亜硫酸塩、有機酸塩、炭化鉄、及びフェロシアン化鉄等の鉄錯体、鉄フタロシアンニンの群の中から選ばれた少なくとも1種類以上の鉄化合物等が挙げられる。
(Iron compounds)
Examples of iron compounds that can be used in the catalyst of the present invention include iron oxides, hydroxides, halides, nitrates, nitrites, carbonates, acetates, sulfides, sulfates, sulfites, organic acid salts, and iron carbides. And an iron complex such as iron ferrocyanide, and at least one iron compound selected from the group of iron phthalocyanine.

また、上記した鉄化合物の少なくとも一部を、ニッケル化合物、銅化合物、コバルト化合物の少なくとも1種類の化合物で置換することができる。ニッケル化合物、銅化合物及びコバルト化合物としては、ニッケル、銅及びコバルトのそれぞれの酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、硫化物、硫酸塩、亜硫酸塩、有機酸塩、及びフェロシアン化物の群の中から選ばれた少なくとも1種類以上の化合物等を使用することができる。   Moreover, at least a part of the iron compound described above can be replaced with at least one compound of a nickel compound, a copper compound, and a cobalt compound. Nickel compounds, copper compounds and cobalt compounds include nickel, copper and cobalt oxides, hydroxides, halides, nitrates, nitrites, carbonates, acetates, sulfides, sulfates, sulfites, organic At least one compound selected from the group of acid salts and ferrocyanides can be used.

(セリウム化合物)
本発明の触媒に使用できるセリウム化合物としては、セリウムの酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、錯体、硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、硫化物、硫酸塩、亜硫酸塩、有機酸塩の群の中から選ばれた少なくとも1種類以上のセリウム化合物等が挙げられる。
(Cerium compound)
Examples of cerium compounds that can be used in the catalyst of the present invention include cerium oxides, hydroxides, halides, complexes, nitrates, nitrites, carbonates, acetates, sulfides, sulfates, sulfites, and organic acid salts. And at least one cerium compound selected from the group.

また、本発明で使用できるセリウム化合物としては、ジルコニウム(Zr)系、ランタン系化合物の少なくとも1種類の化合物を含有で置換することができる。ランタン系化合物としては、ランタンの酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、錯体、硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、硫化物、硫酸塩、亜硫酸塩、有機酸塩の群の中から選ばれた少なくとも1種類以上のランタン化合物等を使用することができる。   Moreover, as a cerium compound which can be used by this invention, it can substitute by containing at least 1 type of compound of a zirconium (Zr) type | system | group and a lanthanum type compound. The lanthanum compound is selected from the group of lanthanum oxides, hydroxides, halides, complexes, nitrates, nitrites, carbonates, acetates, sulfides, sulfates, sulfites, and organic acid salts. Further, at least one kind of lanthanum compound or the like can be used.

本実施形態における触媒を排気ガス浄化用に使用した場合、COやHCに比べ浄化しにくいNOxを還元する。そして、上記排気ガス浄化用触媒は、酸素と還元剤が共存する酸化還元雰囲気下においては、NOx、CO及びHCを同時に浄化する三元触媒として機能する。   When the catalyst in this embodiment is used for exhaust gas purification, NOx that is difficult to purify as compared with CO and HC is reduced. The exhaust gas purification catalyst functions as a three-way catalyst that simultaneously purifies NOx, CO, and HC in an oxidation-reduction atmosphere in which oxygen and a reducing agent coexist.

NOx、CO、HCを含む排気ガスとしては、たとえば、自動車の排気ガスが想定される。自動車排気ガスにおいては、酸化雰囲気においてCOはCOへ、HCは水とCOに酸化され、還元雰囲気においてNOxは窒素に還元されるが、酸化と還元がバランス良く反応する領域は理論空燃比近傍に制限されている。よって、本発明の触媒を自動車排ガス浄化用の三元触媒として機能させるには、自動車排ガスの組成が理論空燃比近傍に制御されていることが望ましい。 As an exhaust gas containing NOx, CO, and HC, for example, an exhaust gas of an automobile is assumed. In automobile exhaust gas, CO is oxidized to CO 2 in an oxidizing atmosphere, HC is oxidized to water and CO 2 , and NOx is reduced to nitrogen in a reducing atmosphere, but the region where oxidation and reduction react in a well-balanced region is the stoichiometric air-fuel ratio. Limited to neighborhood. Therefore, in order for the catalyst of the present invention to function as a three-way catalyst for automobile exhaust gas purification, it is desirable that the composition of the automobile exhaust gas is controlled in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio.

上記触媒は、主として自動車排気ガスの浄化用途に使用することができるものであるが、これに限られず、他のガスに含まれるNOxやCO、HCを浄化することもできる。たとえば、燃料電池の燃料として、天然ガス等を改質して得た水素に含まれる微量のCOを除去する酸化触媒の用途に適し、燃料電池の燃料極にガスを供給するためのCO除去装置に本発明の排気ガス浄化用酸化触媒を配置し、あるいは本酸化触媒を燃料電池の燃料極触媒と混合して燃料極部分に用いることで、水素中のCOをCOに酸化し、電極触媒の被毒を防止することもできる。 The catalyst can be used mainly for purification of automobile exhaust gas, but is not limited to this, and can also purify NOx, CO, and HC contained in other gases. For example, a CO removal device for supplying gas to the fuel electrode of a fuel cell, suitable for use as an oxidation catalyst for removing a small amount of CO contained in hydrogen obtained by reforming natural gas or the like as fuel for a fuel cell The oxidation catalyst for purifying exhaust gas according to the present invention is disposed in the catalyst, or the oxidation catalyst is mixed with the fuel electrode catalyst of the fuel cell and used in the fuel electrode portion, so that CO in hydrogen is oxidized to CO 2 , and the electrode catalyst Can also be prevented.

なお、NOx、CO、又は炭化水素が本触媒により酸化又は還元されてCOや窒素等に転化される割合を測定するには、たとえば、自動車排気ガスを直接用いることもできるが、含まれるNOxやCO、HCの濃度を制御することが難しいことから、モデルガスを用いることもできる。モデルガスは、たとえば、ガソリン車の実排気ガスと類似する組成にすることが好ましい。 Incidentally, NOx NOx, CO, or hydrocarbons and measuring the ratio which is converted to be oxidized or reduced CO 2 or nitrogen by the catalyst, for example, can also be used automobile exhaust gas directly included Since it is difficult to control the concentration of CO, HC, model gas can also be used. The model gas preferably has a composition similar to, for example, actual exhaust gas of a gasoline vehicle.

<モデルガスの濃度を測定する装置>
図1に、NOxやCOやH、HCとしてCを含むモデルガスの濃度を測定する装置の概略図を示す。また、上記測定装置の一部である反応管の概略図を図2に示す。
<Device for measuring the concentration of model gas>
FIG. 1 shows a schematic diagram of an apparatus for measuring the concentration of a model gas containing C 3 H 3 as NOx, CO, H 2 , or HC. Moreover, the schematic of the reaction tube which is a part of the said measuring apparatus is shown in FIG.

図1に示すように、上記モデルガスの濃度を測定する装置は、標準ガスボンベ1、マスフローコントローラー2、水タンク3、水ポンプ4、蒸発器5、反応管6、冷却器8、ガス分析装置9などで構成される。   As shown in FIG. 1, the apparatus for measuring the concentration of the model gas is a standard gas cylinder 1, a mass flow controller 2, a water tank 3, a water pump 4, an evaporator 5, a reaction tube 6, a cooler 8, and a gas analyzer 9. Etc.

まず、標準ガスボンベ1から各モデルガスを発生させ、マスフローコントローラー2によりガスが混合されて、水ポンプ4から導入された水を蒸発器5で気化されて、蒸発器5で各ガスが合流されて、反応管6へ導入される。そして、モデルガスが入った反応管6が電気加熱炉7により加熱される。   First, each model gas is generated from the standard gas cylinder 1, the gas is mixed by the mass flow controller 2, the water introduced from the water pump 4 is vaporized by the evaporator 5, and each gas is merged by the evaporator 5. Introduced into the reaction tube 6. Then, the reaction tube 6 containing the model gas is heated by the electric heating furnace 7.

各モデルガスは反応管6内の触媒10により酸化または還元される。反応後のガスは、冷却器8において水蒸気がかれた後、ガス分析装置9で組成が分析される。ガス分析装置9は、たとえば、ガスクロマトグラフィーで、O、H2、CO、NO、CO、HC(C)、H等の定量分析を行うことができ、NOx、NO、NO、CO、SO等は、たとえば、NOx分析訃で定量的に分析することができる。 Each model gas is oxidized or reduced by the catalyst 10 in the reaction tube 6. The gas after the reaction is steamed in the cooler 8 and then analyzed in the gas analyzer 9. The gas analyzer 9 can perform quantitative analysis of O 2 , H 2, CO, N 2 O, CO 2 , HC (C 3 H 6 ), H 2, etc. by gas chromatography, for example, NOx, NO, NO 2 , CO, SO 2 and the like can be quantitatively analyzed with, for example, a NOx analyzer.

上記ガスの分析について、具体的には、株式会社島津製作所のガスクロマトグラフィー(製品名:GC−14BでO2、、H、CO、NO、CO、炭化水素(HC)等の定量分析を行い、株式会社堀場製作所のNOx分析計(製品名:PG−250)でNO、NO、NO、CO、SO等の定量分析を行った。 For the analysis of the above gas, specifically, gas chromatography (product name: GC-14B, such as O 2 , H 2 , CO, N 2 O, CO 2 , hydrocarbon (HC), etc. of Shimadzu Corporation) perform quantitative analysis, NOx analyzer (product name: PG-250) of HORIBA, Ltd in NO x, NO, NO 2, CO, a quantitative analysis of such SO 2 was conducted.

反応管6は石英でできている。図2に示すように、排気ガス浄化触媒10はその中心部に充填することが好ましい。そして、モデルガスを触媒のある部分に分布させるために触媒10の両側に石英砂11や石英ウール12を詰めることもできる。   The reaction tube 6 is made of quartz. As shown in FIG. 2, the exhaust gas purification catalyst 10 is preferably filled in the center thereof. Then, quartz sand 11 and quartz wool 12 can be packed on both sides of the catalyst 10 in order to distribute the model gas to a portion where the catalyst is present.

上記測定装置においては、触媒の浄化性能は以下の算出式により各ガスの転化率として評価することができる。
NOx転化率={(入口のNOモル流量十NOモル流量)−(出口のNOモル流量十NOモル流量)}/(入口のNOモル流量十NOモル流量)×100%
転化率=(入口のCモル流量一出口のCモル流量)/(入口のCモル流量)×100%
CO転化率=(入口のCOモル流量一出口のCOモル流量)/(入口のCOモル流量)×100%
転化率=(入口のHモル流量一出口のHモル流量)/(入口のHモル流量)×100%
In the above measuring apparatus, the purification performance of the catalyst can be evaluated as the conversion rate of each gas by the following calculation formula.
NOx conversion ratio = {(NO molar flow rate at the inlet + NO 2 molar flow rate) − (NO molar flow rate at the outlet + NO 2 molar flow rate)} / (NO molar flow rate at the inlet + NO 2 molar flow rate) × 100%
C 3 H 6 conversion = (C 3 H 6 molar flow rate of the inlet of the C 3 H 6 molar flow rate primary outlet) / (inlet of C 3 H 6 molar flow rate) × 100%
CO conversion rate = (CO molar flow rate at the inlet 1 CO molar flow rate at the outlet) / (CO molar flow rate at the inlet) × 100%
H 2 conversion = (H 2 molar flow rate of the inlet of the H 2 molar flow rate primary outlet) / (inlet of H 2 molar flow rate) × 100%

上記の転化率は、NOxやCOやH、HCがどの程度、触媒によって酸化又は還元されたかを示しており、転化率は高い方がより酸化又は還元されていることを示し、100%であれば完全にNOxやCO、HCが浄化されたことを示す。 The above conversion rate indicates how much NOx, CO, H 2 , and HC are oxidized or reduced by the catalyst, and the higher conversion rate indicates that the higher one is oxidized or reduced, 100% If present, it indicates that NOx, CO, and HC have been completely purified.

<排気ガス浄化用触媒の製造方法>
本発明の排気ガス浄化用触媒を製造する方法は、特に制限されないが、たとえば以下の工程を含む製法等が挙げられる。鉄化合物の少なくとも1種類の化合物とセリウム化合物の少なくとも1種類の化合物の溶液又は分散液を作成する。これらの化合物は、炭素表面に金属イオンとして均一に付着させるため、溶媒中から析出させることが望ましく、溶解度の高いものを使用する。溶媒も水が望ましいが、エタノール又は水とエタノールの混合液を使用することもできる。
<Method for producing exhaust gas purification catalyst>
The method for producing the exhaust gas purifying catalyst of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a production method including the following steps. A solution or dispersion of at least one compound of iron compound and at least one compound of cerium compound is prepared. These compounds are preferably deposited from a solvent in order to uniformly adhere to the carbon surface as metal ions, and those having high solubility are used. The solvent is preferably water, but ethanol or a mixture of water and ethanol can also be used.

上記溶液の化合物の濃度は、0.5〜50.0g/Lが好ましい。上記鉄化合物及びセリウム化合物の量は、加熱後の触媒中に含有させる鉄原子とセリウム原子の原子分率(構成質量分率)に基づいて使用する必要がある。しかし、これらの化合物の少なくとも1種類が不溶性の化合物であっても、水中に平均粒子径0.1〜1μm程度の微粒子として分散させ、炭素表面に均一に付着させて使用することもできる。   The concentration of the compound in the solution is preferably 0.5 to 50.0 g / L. The amount of the iron compound and the cerium compound needs to be used based on the atomic fraction (constituent mass fraction) of iron atoms and cerium atoms contained in the catalyst after heating. However, even if at least one of these compounds is an insoluble compound, it can be used by dispersing it in water as fine particles having an average particle size of about 0.1 to 1 μm and uniformly adhering to the carbon surface.

得られた溶液又は分散液をプロペラ式攪拌機等で攪拌しながら炭素材料を添加し、均一な混合液を作成する。添加する炭素材料の量は、加熱後の排気ガス浄化用触媒に含有させる炭素原子の原子分率に基づいて使用する必要がある。炭素材料中の炭素原子は、加熱中に減少する傾向があるので予め減少量を考慮して使用する必要がある。添加した炭素と鉄化合物及びセリウム化合物とを均一に混合させ、凝集状態の炭素を分散させるため、ボールミル、サンドミル、ホモミキサー等の分散機を使用して混合することもできる。   While stirring the obtained solution or dispersion with a propeller-type stirrer or the like, a carbon material is added to prepare a uniform mixed solution. The amount of carbon material to be added needs to be used based on the atomic fraction of carbon atoms contained in the exhaust gas purification catalyst after heating. Since carbon atoms in the carbon material tend to decrease during heating, it is necessary to consider the amount of decrease in advance. In order to uniformly mix the added carbon with the iron compound and the cerium compound and disperse the aggregated carbon, the carbon can be mixed using a dispersing machine such as a ball mill, a sand mill, or a homomixer.

上記混合液は、100℃〜150℃の乾燥機で溶媒を除去して乾燥させ、乾燥後加熱炉に入れ、200℃〜1,500℃で加熱し、触媒を作成することができる。加熱時、加熱炉には窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、あるいは、触媒活性を測定する際に使用する排気ガスと同様のモデルガス、並びに、炭酸ガス、水蒸気、水素等の反応性ガスを流入させながら加熱することが望ましい。   The mixed solution can be dried by removing the solvent with a dryer at 100 ° C. to 150 ° C., put into a heating furnace after drying, and heated at 200 ° C. to 1,500 ° C. to prepare a catalyst. During heating, the heating furnace contains an inert gas such as nitrogen, argon or helium, or a model gas similar to the exhaust gas used to measure catalytic activity, and a reactive gas such as carbon dioxide, water vapor, or hydrogen. It is desirable to heat while inflowing.

上述したように、加熱時に不活性ガスを流入させることにより、炭素材料中の炭素原子、鉄化合物及びセリウム化合物に含有される揮発性成分、熱分解物をそのまま加熱炉外へ排出することができる。また、排気ガスと同じガスを流入させることもできる。さらに、炭酸ガス、水蒸気、水素等の反応性ガスを流入させることにより触媒を賦活することができる。   As described above, by introducing an inert gas during heating, volatile components and pyrolysis products contained in carbon atoms, iron compounds and cerium compounds in the carbon material can be discharged out of the heating furnace as they are. . Further, the same gas as the exhaust gas can be introduced. Furthermore, the catalyst can be activated by flowing a reactive gas such as carbon dioxide, water vapor, or hydrogen.

本発明に使用する炭素材料として炭素前駆体を使用する場合は、炭素化する前に、炭素前駆体と鉄化合物及びセリウム化合物と混合し、均一化したものを乾燥した後、100℃〜800℃に加熱することにより、1回の加熱で排気ガス浄化用触媒を製造することも可能である。   When a carbon precursor is used as the carbon material used in the present invention, before carbonization, the carbon precursor is mixed with an iron compound and a cerium compound, and after homogenized and dried, 100 ° C to 800 ° C. It is also possible to produce an exhaust gas purifying catalyst by one heating.

以下、本発明の技術的範囲を明確にするため、炭素材料、鉄化合物、セリウム化合物の含有量を変化させた試料を作成し、該試料の排気ガス浄化性能について試験した。以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。試料は、以下のようにして調製した。   Hereinafter, in order to clarify the technical scope of the present invention, samples with varying contents of carbon material, iron compound, and cerium compound were prepared, and the exhaust gas purification performance of the sample was tested. EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to these Examples. Samples were prepared as follows.

<実施例1>
(排気ガス浄化用触媒の製造)
室温で、50mLの蒸留水の入ったビーカーに、硝酸鉄(II)(9水和物)(キシダ化学株式会社)12.43gと硝酸セリウム(III)(6水和物)24.22gを入れ、攪拌機で攪拌し、完全に溶解させた。その溶液に、攪拌しながら、グラファイト(和光純薬工業株式会社)0.5gを投入し、10分間攪拌した後、28質量%のアンモニア水をpH値が10になるまで添加し、炭素―鉄―セリウムからなる沈殿物を得た。さらに、回転速度600rpmで3時間攪拌した後、その溶液をろ過して沈殿を分別し、水洗後、120℃で乾燥させ、三元触媒を得た。触媒の組成は、ICP発光分析装置(ICPE−9000、島津製作所製)で測定した。触媒組成の中には酸素も含有されるが、組成の決定には除外した。試料を乳鉢で粉砕し、40メッシュの篩を通過させた。
<Example 1>
(Manufacture of exhaust gas purification catalyst)
In a beaker containing 50 mL of distilled water at room temperature, put 12.43 g of iron (II) nitrate (9 hydrate) (Kishida Chemical Co., Ltd.) and 24.22 g of cerium (III) nitrate (hexahydrate) The mixture was stirred with a stirrer and completely dissolved. While stirring, 0.5 g of graphite (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the solution and stirred for 10 minutes, and then 28% by mass of ammonia water was added until the pH value reached 10, and carbon-iron -A precipitate consisting of cerium was obtained. Furthermore, after stirring at a rotational speed of 600 rpm for 3 hours, the solution was filtered to separate precipitates, washed with water and dried at 120 ° C. to obtain a three-way catalyst. The composition of the catalyst was measured with an ICP emission analyzer (ICPE-9000, manufactured by Shimadzu Corporation). The catalyst composition also contains oxygen, but was excluded from the composition determination. The sample was ground in a mortar and passed through a 40 mesh screen.

得られた試料を、内径6mmの石英反応管の中心部に0.1g充填し、ガス分布を均一化するために触媒層の両側にそれぞれ0.5gの石英砂を詰めた。石英反応管を電気加熱機中に入れ、表1に示した、NOx、HC、及びCOを含むモデルガスを理論空燃比14.63となるように調整し、150mL/分で流入させながら、石英反応管を20℃/分の昇温速度で800℃まで昇温させた。200℃から800℃まで、100℃毎に昇温を停止し、1時間保持し、流入ガス(NOx、HC、CO)と流出ガスの濃度から転化率を求めた。温度と転化率のグラフを図3に示した。図3から転化率が50%となる温度(T50)を求め、表2に示した。   The obtained sample was filled in 0.1 g at the center of a quartz reaction tube having an inner diameter of 6 mm, and 0.5 g of quartz sand was packed on each side of the catalyst layer in order to make the gas distribution uniform. Place the quartz reaction tube in an electric heater, adjust the model gas containing NOx, HC and CO shown in Table 1 to a theoretical air-fuel ratio of 14.63, and let it flow at 150 mL / min. The reaction tube was heated to 800 ° C. at a temperature increase rate of 20 ° C./min. From 200 ° C. to 800 ° C., the temperature increase was stopped every 100 ° C., held for 1 hour, and the conversion rate was determined from the concentrations of the inflow gas (NOx, HC, CO) and the outflow gas. A graph of temperature and conversion is shown in FIG. The temperature (T50) at which the conversion was 50% was determined from FIG.

<実施例2〜10>
実施例1において、硝酸鉄(II)(9水和物)、硝酸セリウム(III)(6水和物)及びグラファイトの量を、表2のNo.2〜10に示す量に変更する以外は、実験例1と同様な操作を行い、NOx、HC、CO各ガスのT50を求めた。結果を表2に併せて示した。
<Examples 2 to 10>
In Example 1, the amounts of iron (II) nitrate (9 hydrate), cerium (III) nitrate (hexahydrate) and graphite were measured according to No. 2 in Table 2. Except changing to the quantity shown in 2-10, operation similar to Experimental example 1 was performed and T50 of each gas of NOx, HC, and CO was calculated | required. The results are also shown in Table 2.

実施例1〜10、及び図6の三角組成図内の他のプロットに相当する組成の触媒、並びに下記比較例1〜7の組成の触媒のT50測定値を、株式会社ライトストーンのOriginPro7.5グラフ作成ソフトを利用し、炭素、鉄、セリウム組成の三角組成等活性線図に各ガスのT50が同じ温度となる組成を線(等活性温度線)で結んだ。NOxの場合の三角組成図を図6に、HCの場合を図7に、COの場合を図8に示した。NOx、HC、CO各ガスのT50はNOxが一番高く、HC、COの順で、COが一番低かった。   The T50 measurement values of the catalysts having the compositions corresponding to the other plots in the triangular composition diagram of Examples 1 to 10 and FIG. 6 and the catalysts of the compositions of Comparative Examples 1 to 7 below were obtained from Lightstone Corporation, Origin Pro 7.5. Using graphing software, a composition in which the T50 of each gas has the same temperature was connected to a triangular composition isoactive diagram of carbon, iron, and cerium by a line (isoactive temperature line). The triangular composition diagram in the case of NOx is shown in FIG. 6, the case of HC in FIG. 7, and the case of CO in FIG. The NOx, HC, and CO gas T50 was highest for NOx, and CO was the lowest in the order of HC and CO.

各ガスとも、触媒組成が単一成分(三角組成等活性線図の頂点:炭素、鉄、セリウム)及び2成分(三角組成等活性線図の辺:炭素―鉄、炭素―セリウム、鉄―セリウム)に比べ、3成分の場合の方がT50が低い傾向にあった。3枚の三角組成等活性線図から、本発明の触媒の組成範囲を、炭素:1〜70質量%、鉄:5〜65質量%、セリウムが5〜90質量%(酸素原子を計算に入れていない率)とした。その中で、特に、炭素、鉄、及びセリウムの構成質量分率がそれぞれ、5.0%、17.0%、及び78.0%である組成の触媒は、最もT50が低く、高い浄化性能が得られた。   For each gas, the catalyst composition is a single component (the apex of the triangle composition isoactivity diagram: carbon, iron, cerium) and two components (the sides of the trigonometric composition activity diagram: carbon-iron, carbon-cerium, iron-cerium) ), T50 tends to be lower in the case of 3 components. From the activity diagram of three triangular compositions, the composition range of the catalyst of the present invention is as follows: carbon: 1 to 70% by mass, iron: 5 to 65% by mass, cerium 5 to 90% by mass (calculating oxygen atoms Not rate). Among them, in particular, a catalyst having a composition mass fraction of carbon, iron, and cerium of 5.0%, 17.0%, and 78.0%, respectively, has the lowest T50 and high purification performance. was gotten.

図3に示されるように、実施例1の触媒は、300℃において、COが酸化され、94%の転化率が得られた。そして、400℃において、COは完全に浄化し、HCも約92%の転化率となった。NOxの還元温度は、COとHCより高いが、400℃において約34%のNOxが還元され、500℃において、有害三成分共に酸化、還元浄化された。NOx、CO、及びHCのT50は表2に示す通りであり、それぞれ、425℃、251℃、及び290℃であった。   As shown in FIG. 3, in the catalyst of Example 1, CO was oxidized at 300 ° C., and a conversion rate of 94% was obtained. At 400 ° C., CO was completely purified, and HC was about 92% conversion. Although the reduction temperature of NOx is higher than that of CO and HC, about 34% of NOx was reduced at 400 ° C., and harmful three components were oxidized and reduced and purified at 500 ° C. The T50s of NOx, CO, and HC were as shown in Table 2, and were 425 ° C, 251 ° C, and 290 ° C, respectively.

<実施例11>
また図4に、実施例1の触媒の触媒量を0.3gにし、600℃における長時間の試験結果(耐久性)を示す。その結果、NOx、CO、C共に約100%の転化率が20時間維持され、600℃において本触媒が高い耐久性を有することが確認された。
<Example 11>
FIG. 4 shows the long-term test results (durability) at 600 ° C. with the catalyst amount of Example 1 being 0.3 g. As a result, it was confirmed that the conversion rate of about 100% was maintained for 20 hours for all of NOx, CO, and C 3 H 6 and that this catalyst had high durability at 600 ° C.

図5は、実施例1の触媒の触媒量を0.3gにし、800℃における長時間の試験結果(耐久性)を示す。同図に示すように、800℃において、本触媒上でNOx、CO、Cを完全に浄化した初期活性を得たが、試験時間につれて、NOxの転化率は7%程度低下した。しかし、10時間以後、約93%のNOxの転化率が維持でき、50時間まで劣化がなかった。そして、CO、C、Hの活性は初期活性のまま、50時間まで維持できた。800℃の高温においても本触媒が高い耐久性を有することが確認された。 FIG. 5 shows long-term test results (durability) at 800 ° C. with the catalyst amount of the catalyst of Example 1 being 0.3 g. As shown in the figure, the initial activity was obtained by completely purifying NOx, CO, and C 3 H 6 on this catalyst at 800 ° C., but the NOx conversion rate decreased by about 7% with the test time. However, after about 10 hours, the NOx conversion of about 93% could be maintained, and there was no deterioration until 50 hours. The activities of CO, C 3 H 6 , and H 2 could be maintained up to 50 hours while maintaining the initial activity. It was confirmed that this catalyst has high durability even at a high temperature of 800 ° C.

(比較例1)(触媒なし)
反応管内に触媒を入れないで、反応ガスを流し、NO、CO、HCの転化率を測定した。その結果を図9及び表2に示す。
(Comparative Example 1) (without catalyst)
The reaction gas was allowed to flow without putting the catalyst into the reaction tube, and the conversion rates of NO x , CO, and HC were measured. The results are shown in FIG.

図9に示す通り、触媒を入れない場合、200〜800℃におけるNOx、COの転化率はほぼゼロであった。HCは500℃以上になると転化率が徐々に向上したが、800℃であっても64%でしかなく、触媒を入れないとガスが浄化できないことが確認された。   As shown in FIG. 9, when no catalyst was added, the NOx and CO conversions at 200 to 800 ° C. were almost zero. The conversion rate of HC gradually improved at 500 ° C. or higher, but it was only 64% even at 800 ° C. It was confirmed that the gas could not be purified unless a catalyst was added.

(比較例2)(グラファイト)
反応管に、炭素原料である市販のグラファイトをいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。その結果を図10及び表2に示す
(Comparative Example 2) (Graphite)
A commercially available graphite as a carbon raw material was put into a reaction tube, a reaction gas was allowed to flow, and measurement was performed in the same manner as described above. The results are shown in FIG. 10 and Table 2.

図10に示す通り、市販のグラファイトにおいては、800℃まで、温度を上昇させても、NOx、COの転化率は向上せず、触媒効果が得られなかった。   As shown in FIG. 10, in the case of commercially available graphite, even if the temperature was increased to 800 ° C., the conversion rate of NOx and CO was not improved, and the catalytic effect was not obtained.

(比較例3)(炭素―鉄)
実施例1において、セリウムを用いず、炭素と鉄の原子比率が50%、50%となる触媒を作成した。該触媒0.1gを反応管に入れて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。その結果を図11及び表2に示す。
(Comparative Example 3) (Carbon-Iron)
In Example 1, a catalyst in which the atomic ratio of carbon to iron was 50% and 50% without using cerium was prepared. 0.1 g of the catalyst was put in a reaction tube, a reaction gas was flowed, and measurement was performed in the same manner as described above. The results are shown in FIG.

図11に示す通り、炭素、鉄からなる触媒の場合、400以下ではNOxの転化率はほぼゼロであった。500℃においても52%しかなかった。800℃においてNOxを完全に浄化した。400℃においてCOの転化率が69%であった。500℃まで昇温して、完全にCO浄化した。   As shown in FIG. 11, in the case of a catalyst composed of carbon and iron, the NOx conversion was almost zero at 400 or less. Even at 500 ° C., it was only 52%. NOx was completely purified at 800 ° C. At 400 ° C., the CO conversion was 69%. The temperature was raised to 500 ° C. to completely purify CO.

(比較例4)(炭素―セリウム)
比較例として、Feを用いず炭素とセリウムからなる触媒を、反応管にいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。炭素原子、セリウム原子の構成質量分率がそれぞれ、50%、50%である。その結果を図12及び表2に示す。
(Comparative Example 4) (Carbon-cerium)
As a comparative example, a catalyst composed of carbon and cerium without using Fe was placed in a reaction tube, and a reaction gas was allowed to flow, and measurement was performed in the same manner as described above. The constituent mass fractions of carbon atom and cerium atom are 50% and 50%, respectively. The results are shown in FIG.

図12に示す通り、炭素、セリウムからなる触媒の場合、400以下ではNOxの転化率はほぼゼロであった。500℃になっても15%しかなかった。そして、温度の上昇につれて、NOx転化率が徐々に高くなって、700℃以上になると、NOxを完全に浄化した。COの転化率は400℃において67であった。500℃で昇温して、完全にCO浄化した。HCは400℃における転化率が36であり、そして、500℃において87%になった。   As shown in FIG. 12, in the case of a catalyst composed of carbon and cerium, the NOx conversion was almost zero at 400 or less. Even at 500 ° C., it was only 15%. As the temperature increased, the NOx conversion rate gradually increased, and when it reached 700 ° C. or higher, NOx was completely purified. The CO conversion was 67 at 400 ° C. The temperature was raised at 500 ° C. to completely purify CO. HC had a conversion of 36 at 400 ° C. and was 87% at 500 ° C.

(比較例5)(鉄―セリウム)
比較例として、炭素を用いず鉄とセリウムからなる触媒を、反応管にいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。鉄原子、セリウム原子の構成質量分率がそれぞれ、25%、75%である。その結果を図13及び表2に示す。
(Comparative Example 5) (Iron-cerium)
As a comparative example, a catalyst made of iron and cerium without using carbon was placed in a reaction tube, and a reaction gas was allowed to flow, and measurement was performed in the same manner as described above. The constituent mass fractions of iron atom and cerium atom are 25% and 75%, respectively. The results are shown in FIG.

図13に示す通り、鉄、セリウムからなる触媒は400以下の温度では、NOxの転化率がほぼゼロであった。そして、温度の上昇につれてNOx転化率が徐々に向上したが、800℃においても77%の転化率しかなかった。HCは300度から酸化され、400℃において74%の転化率が得られた。COは、300℃から酸化され、67%の転化率となり、400℃になるとCOが完全浄化した。
入れる
As shown in FIG. 13, the catalyst composed of iron and cerium had a NOx conversion rate of almost zero at a temperature of 400 or less. As the temperature increased, the NOx conversion rate gradually improved, but even at 800 ° C., there was only a 77% conversion rate. HC was oxidized from 300 degrees and a conversion of 74% was obtained at 400 ° C. CO was oxidized from 300 ° C. to a conversion rate of 67%, and at 400 ° C., the CO was completely purified.
Put in

(比較例6)
比較例として、炭素とセリウムを用いず鉄のみからなる触媒を反応管にいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。その結果を表2に示す。
(Comparative Example 6)
As a comparative example, a catalyst made of only iron without using carbon and cerium was put in a reaction tube, a reaction gas was flowed, and measurement was performed in the same manner as described above. The results are shown in Table 2.

表2に示す通り、鉄のみからなる触媒は、前記2元触媒と比較しても、いずれのガスに対してもT50が高かった。   As shown in Table 2, the catalyst composed only of iron had a high T50 for any gas even when compared with the above-mentioned two-way catalyst.

(比較例7)
比較例として、炭素と鉄を用いずセリウムのみからなる触媒を反応管にいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。その結果を表2に示す。
(Comparative Example 7)
As a comparative example, a catalyst consisting only of cerium without using carbon and iron was placed in a reaction tube, a reaction gas was flowed, and measurement was performed in the same manner as described above. The results are shown in Table 2.

表2に示す通り、セリウムのみからなる触媒は、前記鉄のみからなる触媒より、いずれのガスに対してもT50が高かった。   As shown in Table 2, the catalyst consisting only of cerium had a higher T50 for any gas than the catalyst consisting only of iron.

(比較例8)(Pt−酸化セリウム)
比較例として、炭素材料を用いずPtからなる触媒として、反応管内に排ガス浄化用市販Pt−酸化セリウム触媒を入れて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。Ptの担持量は1.0wt%である。その結果を図14及び表2に示す。
(Comparative Example 8) (Pt-cerium oxide)
As a comparative example, a commercial Pt-cerium oxide catalyst for exhaust gas purification was placed in a reaction tube as a catalyst made of Pt without using a carbon material, and a reaction gas was allowed to flow, and measurement was performed in the same manner as described above. The amount of Pt supported is 1.0 wt%. The results are shown in FIG.

図14に示す通り、Pt系触媒の場合、250℃以下ではNOx、HC、COの転化率はほぼゼロであった。300℃においても転化率はかなり低いが、500℃以上においてはNOx、HC、COの3成分が転化率約100%とほぼ完全に浄化した。   As shown in FIG. 14, in the case of the Pt-based catalyst, the conversion rates of NOx, HC, and CO were almost zero at 250 ° C. or lower. Although the conversion rate was considerably low even at 300 ° C., the three components of NOx, HC, and CO were almost completely purified at a conversion rate of about 100% above 500 ° C.

表2に上記の実施例と比較例で述べた活性のT50の温度をまとめた表を示す。この表からも実施例のC−Fe−Ce系の触媒が、他の比較例の触媒よりも有害3成分のT50の値が低い温度を示していることが分かり、触媒活性が最も優れていると言える。   Table 2 summarizes the temperatures of the active T50s described in the above examples and comparative examples. Also from this table, it can be seen that the C-Fe-Ce-based catalyst of the example shows a temperature at which the T50 value of harmful three components is lower than the catalyst of the other comparative examples, and the catalytic activity is most excellent. It can be said.

本発明によれば、Ptを使用しないで、炭素原子(炭素材料)、鉄原子(鉄化合物)、セリウム原子(セリウム化合物)を含有する組成物で構成された触媒で、CO及びHCを酸化して浄化でき、NOxを還元して浄化できる酸化触媒、還元触媒及び排気ガス浄化触媒を提供することができる。   According to the present invention, CO and HC are oxidized with a catalyst composed of a composition containing carbon atoms (carbon material), iron atoms (iron compound), and cerium atoms (cerium compound) without using Pt. Thus, it is possible to provide an oxidation catalyst, a reduction catalyst and an exhaust gas purification catalyst that can be purified by reducing NOx.

1・・・標準ガスボンベ、2・・・マスフローコントローラー、3・・・水タンク、4・・・水ポンプ、5・・・蒸発器、6・・・反応管、7・・・電気加熱路、8・・・冷却器、9・・・ガス分析装置、10・・・触媒、11・・・石英砂、12・・・石英ウール、13・・・熱電対 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Standard gas cylinder, 2 ... Mass flow controller, 3 ... Water tank, 4 ... Water pump, 5 ... Evaporator, 6 ... Reaction tube, 7 ... Electric heating path, 8 ... cooler, 9 ... gas analyzer, 10 ... catalyst, 11 ... quartz sand, 12 ... quartz wool, 13 ... thermocouple

Claims (8)

炭素原子と、鉄原子と、セリウム原子と、を含有する組成物からなる
ことを特徴とする触媒。
A catalyst comprising a composition containing a carbon atom, an iron atom, and a cerium atom.
前記組成物中の炭素原子、鉄原子、及びセリウム原子の質量分率がそれぞれ、1.0〜70.0%、5.0〜65.0%、及び5.0〜90.0%である
ことを特徴とする請求項1記載の触媒。
The mass fractions of carbon atoms, iron atoms, and cerium atoms in the composition are 1.0 to 70.0%, 5.0 to 65.0%, and 5.0 to 90.0%, respectively. The catalyst according to claim 1.
前記組成物が、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、水蒸気、炭酸ガス、アンモニア、空気から選ばれるガス雰囲気下において100℃〜800℃で加熱処理されたものである
ことを特徴とする請求項1または2記載の触媒。
2. The composition according to claim 1, wherein the composition is heat-treated at 100 ° C. to 800 ° C. in a gas atmosphere selected from nitrogen, argon, helium, hydrogen, water vapor, carbon dioxide, ammonia, and air. 2. The catalyst according to 2.
前記触媒が、排気ガス浄化用触媒である
ことを特徴とする請求項1ないし3いずれか記載の触媒
The catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst is an exhaust gas purifying catalyst.
炭素原子、鉄原子、及びセリウム原子の構成質量分率がそれぞれ、1.0〜70.0%、5.0〜65。0%、及び5.0〜90.0%である
ことを特徴とする酸化触媒。
The constituent mass fractions of carbon atoms, iron atoms, and cerium atoms are 1.0 to 70.0%, 5.0 to 65.0%, and 5.0 to 90.0%, respectively. Oxidation catalyst.
200℃以上、800℃以下の温度で、悪臭有害物質、揮発性有機化合物、環境負荷物質、及び化学薬品の酸化反応を促進できる
ことを特徴とする請求項5記載の酸化触媒。
The oxidation catalyst according to claim 5, wherein the oxidation reaction of malodorous harmful substances, volatile organic compounds, environmentally hazardous substances, and chemicals can be promoted at a temperature of 200 ° C or higher and 800 ° C or lower.
炭素原子、鉄原子、及びセリウム原子の構成質量分率がそれぞれ、1.0〜70.0%、5.0〜65.0%、及び5.0〜90.0%である
ことを特徴とする酸化触媒。
The constituent mass fractions of carbon atoms, iron atoms, and cerium atoms are 1.0 to 70.0%, 5.0 to 65.0%, and 5.0 to 90.0%, respectively. Oxidation catalyst.
200℃以上、800℃以下の温度で、悪臭有害物質、揮発性有機化合物、環境負荷物質、及び化学薬品の還元反応を促進できる
ことを特徴とする請求項7記載の還元触媒。
The reduction catalyst according to claim 7, wherein the reduction reaction of malodorous harmful substances, volatile organic compounds, environmentally hazardous substances, and chemicals can be promoted at a temperature of 200 ° C or higher and 800 ° C or lower.
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