JP2013015398A - Selective hydrogen oxidation catalyst and gas sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、混合ガスから水素を選択的に酸化する水素選択酸化触媒及びこれを用いたガスセンサ素子に関する。 The present invention relates to a hydrogen selective oxidation catalyst that selectively oxidizes hydrogen from a mixed gas and a gas sensor element using the same.
車両用の内燃機関などの排気系には、排ガス等の被測定ガス中における例えば酸素濃度等の特定ガス濃度を検出するガスセンサが配設されている。
特定ガス濃度を検出するために、ガスセンサには、図8に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体91と、その固体電解質体の一方の面911と他方の面912とにそれぞれ設けた測定電極92及び基準電極93と、固体電解質体91における測定電極92が配設された面911に積層されると共に被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層94と、その拡散抵抗層94の外側面940に形成された多孔質の触媒担持層95とを有するガスセンサ素子9が内蔵されている。
An exhaust system such as an internal combustion engine for a vehicle is provided with a gas sensor that detects a specific gas concentration such as an oxygen concentration in a gas to be measured such as exhaust gas.
In order to detect a specific gas concentration, as shown in FIG. 8, the gas sensor includes a
ガスセンサ素子9において、CO、HC、H2、O2、NO等を含む排ガスなど被測定ガスは触媒担持層95から浸入し、拡散抵抗層94を通って被測定ガス室920内に配設された測定電極92に到達する。そして、この測定電極92において排ガス中の例えば酸素等の特定ガスの濃度を検出する。ところが、排ガス中に含まれる分子量の小さな水素は、酸素等の他のガス成分に比べて多孔質の拡散抵抗層94内で拡散し易く、測定電極92に到達し易い。そのため、水素濃度が高く検出され、被測定ガス中の酸素などの特定ガス濃度が低く検出されてしまうことがある。特に、特定ガス濃度として酸素濃度を検出する空燃比センサにおいては、水素濃度が高くなり、酸素濃度が低下していると判定されてしまうと、実際の被測定ガス(排ガス)中の空燃比よりもリッチ側に出力信号が判定されてしまうおそれがある。
In the
そこで、空燃比センサなどのガスセンサにおいては、測定電極92に到達するまでに被測定ガス中の水素を除去する対策がとられている。具体的には、触媒担持層95に貴金属等の触媒を担持している。これにより、被測定ガス中の水素を酸化して、測定電極92に排ガスが到達する前に排ガス中から水素を除去することができる。
Therefore, in a gas sensor such as an air-fuel ratio sensor, measures are taken to remove hydrogen in the gas to be measured before reaching the
ところが、貴金属からなる触媒は、高温酸化雰囲気において酸化し、貴金属酸化物が溶融し、蒸発し易い。その結果、貴金属からなる触媒を担持した触媒担持層95においては、その触媒性能が劣化していくという問題がある。また、貴金属はコストが高いという問題がある。そこで、貴金属触媒に代わる触媒の開発が望まれている。
However, a catalyst made of a noble metal is oxidized in a high-temperature oxidizing atmosphere, and the noble metal oxide is easily melted and evaporated. As a result, the
これまでに、貴金属に代わる触媒として、例えばペロブスカイト構造の卑金属酸化物を用いることが提案されている(特許文献1参照)。ペロブスカイト構造の卑金属酸化物を用いることにより、触媒担持層における触媒性能の劣化を抑制することができる。ペロブスカイト構造の卑金属酸化物は、特にリーン雰囲気において優れた水素燃焼性能を発揮する。 To date, it has been proposed to use, for example, a base metal oxide having a perovskite structure as a catalyst in place of a noble metal (see Patent Document 1). By using a base metal oxide having a perovskite structure, it is possible to suppress deterioration in catalyst performance in the catalyst support layer. Base metal oxides having a perovskite structure exhibit excellent hydrogen combustion performance particularly in a lean atmosphere.
しかしながら、ペロブスカイト構造の卑金属酸化物は、水素を選択的に除去する触媒としては不十分である。即ち、ペロブスカイト構造の卑金属酸化物は、酸素が過剰に存在するリーン雰囲気においては、水素を効果的に酸化(燃焼)させることができるものの、理論空燃比(ストイキ)近傍の雰囲気においては、水素の燃焼に必要な酸素が不足し、十分な水素燃焼性能を発揮することができなくなる。ペロブスカイト構造の卑金属酸化物は、酸素を消費して排ガス中に含まれるCOを水素よりも優先して燃焼するため、水素ガスの酸化に必要な酸素量を確保できなくなるためである。 However, a base metal oxide having a perovskite structure is insufficient as a catalyst for selectively removing hydrogen. That is, a base metal oxide having a perovskite structure can effectively oxidize (combust) hydrogen in a lean atmosphere in which oxygen is excessive, but in an atmosphere near the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric), Oxygen necessary for combustion is insufficient, and sufficient hydrogen combustion performance cannot be exhibited. This is because the base metal oxide having a perovskite structure consumes oxygen and burns CO contained in the exhaust gas in preference to hydrogen, so that the amount of oxygen necessary for the oxidation of hydrogen gas cannot be secured.
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであって、混合ガスから水素を選択的に酸化させることができる水素選択酸化触媒及びこれを用いたガスセンサ素子を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a hydrogen selective oxidation catalyst capable of selectively oxidizing hydrogen from a mixed gas and a gas sensor element using the same.
本発明の一態様は、混合ガス中からH2とO2とを選択的に反応させてH2を選択的に除去する水素選択酸化触媒であって、
SnO2を含有することを特徴とする水素選択酸化触媒にある(請求項1)。
One aspect of the present invention is a hydrogen selective oxidation catalyst that selectively removes H 2 by selectively reacting H 2 and O 2 from a mixed gas,
A hydrogen selective oxidation catalyst characterized by containing SnO 2 (Claim 1).
本発明の他の態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極及び基準電極と、上記固体電解質体における上記測定電極が配設された面に積層されると共に被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層と、該拡散抵抗層の外側面に形成された多孔質の触媒担持層とを有するガスセンサ素子であって、
上記触媒担持層は、SnO2を含有する水素選択酸化触媒を含有することを特徴とするガスセンサ素子にある(請求項3)。
Another aspect of the present invention includes an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a measurement electrode and a reference electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and the measurement electrode in the solid electrolyte body, respectively. Is a gas sensor element having a porous diffusion resistance layer that is laminated on the surface on which the gas is measured and permeates the gas to be measured, and a porous catalyst support layer formed on the outer surface of the diffusion resistance layer. ,
In the gas sensor element, the catalyst supporting layer contains a hydrogen selective oxidation catalyst containing SnO 2 .
SnO2を含有する上記水素選択酸化触媒は、水素だけでなくCO等の他のガス成分を含有する混合ガスから水素ガスを選択的に酸化し、除去することができる。上記水素選択酸化触媒において、SnO2は、その粒子の表面に、排ガス等の混合ガスから水素を選択的に吸着できる。そのため、上記水素選択酸化触媒は、水素と他の可燃性ガスが共存する混合ガスにおいても、水素を優先して燃焼させることができる。 The hydrogen selective oxidation catalyst containing SnO 2 can selectively oxidize and remove hydrogen gas from a mixed gas containing not only hydrogen but also other gas components such as CO. In the hydrogen selective oxidation catalyst, SnO 2 can selectively adsorb hydrogen from a mixed gas such as exhaust gas on the surface of its particles. Therefore, the hydrogen selective oxidation catalyst can preferentially burn hydrogen even in a mixed gas in which hydrogen and another combustible gas coexist.
また、上記ガスセンサ素子においては、上記触媒担持層にSnO2を含有する水素選択酸化触媒を含有する。そのため、上記ガスセンサ素子においては、上記触媒担持層において排ガスなどの被測定ガス中に含まれる水素が酸化して除去される。それ故、水素をほとんど含まない被測定ガスを、上記触媒担持層から上記拡散抵抗層を通って上記測定電極に送ることができ、分子量の小さな水素が拡散層を通って優先的に上記測定電極に送られることを防止することができる。したがって、上記ガスセンサ素子においては、被測定ガス中の特定ガス濃度を正確に測定することができる。 In the gas sensor element, the catalyst supporting layer contains a hydrogen selective oxidation catalyst containing SnO 2 . Therefore, in the gas sensor element, hydrogen contained in the measurement gas such as exhaust gas is oxidized and removed in the catalyst support layer. Therefore, the gas to be measured containing almost no hydrogen can be sent from the catalyst support layer through the diffusion resistance layer to the measurement electrode, and hydrogen having a small molecular weight passes through the diffusion layer preferentially. Can be prevented. Therefore, the gas sensor element can accurately measure the specific gas concentration in the gas to be measured.
次に、本発明の好ましい実施形態について説明する。
上記水素選択酸化触媒は、混合ガス中からH2とO2とを選択的に反応させてH2を選択的に除去するために用いられる。
上記混合ガスは、少なくともH2とO2とCOとを含有することが好ましい。
この場合には、上記水素選択酸化触媒は、COよりも優先してH2を燃焼させることができ、上記水素選択酸化触媒の水素に対する選択的な酸化性能を十分に発揮することができる。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described.
The hydrogen selective oxidation catalyst is used for selectively removing H 2 by selectively reacting H 2 and O 2 from a mixed gas.
The mixed gas preferably contains at least H 2 , O 2 and CO.
In this case, the hydrogen selective oxidation catalyst can burn H 2 in preference to CO, and can fully exhibit the selective oxidation performance of the hydrogen selective oxidation catalyst with respect to hydrogen.
また、上記混合ガスは、CO、HC、H2、O2、NOを含有すること好ましい(請求項2)。このような混合ガスとしては、具体的には排ガス等がある。
この場合においても、上記水素選択酸化触媒は、CO、HC、NOよりも優先してH2を燃焼させることができる。そのため、上記水素選択酸化触媒の水素に対する選択的な酸化性能をより十分に発揮することができる。
The mixed gas preferably contains CO, HC, H 2 , O 2 , and NO (Claim 2). Specific examples of such a mixed gas include exhaust gas.
Even in this case, the hydrogen selective oxidation catalyst can burn H 2 in preference to CO, HC, and NO. Therefore, the selective oxidation performance with respect to hydrogen of the hydrogen selective oxidation catalyst can be more fully exhibited.
次に、上記ガスセンサ素子は、上記固体電解質体と、上記測定電極及び上記基準電極と、上記拡散抵抗層と、上記触媒担持層とを有する。そして、上記触媒担持層は、上記水素選択酸化触媒を含有する。該水素選択酸化触媒は、多孔質の上記触媒担持層に担持させることができる。 Next, the gas sensor element includes the solid electrolyte body, the measurement electrode and the reference electrode, the diffusion resistance layer, and the catalyst support layer. The catalyst support layer contains the hydrogen selective oxidation catalyst. The hydrogen selective oxidation catalyst can be supported on the porous catalyst support layer.
上記固体電解質体は、酸素イオン伝導性のセラミックスから構成することができる。具体的には、ジルコニア、ジルコニアからなる主成分に安定化剤が添加された部分安定化ジルコニア、セリアなどにより構成することができる。
また、上記固体電解質体に形成される上記測定電極及び上記基準電極は、例えば貴金属により構成することができる。
The solid electrolyte body can be made of an oxygen ion conductive ceramic. Specifically, it can be composed of partially stabilized zirconia, ceria or the like in which a stabilizer is added to a main component composed of zirconia or zirconia.
Further, the measurement electrode and the reference electrode formed on the solid electrolyte body can be made of, for example, a noble metal.
また、上記拡散抵抗層は、被測定ガスを透過させる多孔質体であり、多孔質のセラミックスにより構成することができる。具体的には、例えば多孔質のジルコニア、アルミナ等により構成することができる。上記拡散抵抗層は、上記測定電極を覆うように形成することができる。また、上記拡散抵抗層の内側には被測定ガスが導入される空洞部からなる被測定ガス室を形成することができる。 The diffusion resistance layer is a porous body that allows the gas to be measured to pass through, and can be composed of porous ceramics. Specifically, for example, it can be composed of porous zirconia, alumina or the like. The diffusion resistance layer can be formed so as to cover the measurement electrode. In addition, a gas chamber to be measured can be formed inside the diffusion resistance layer, which is a cavity into which the gas to be measured is introduced.
上記触媒担持層は、上記拡散抵抗層の外側面に形成されている。上記ガスセンサ素子において、排ガス等の被測定ガスは、多孔質の上記触媒担持層から上記拡散抵抗層を通って上記測定電極へ供給される。上記触媒担持層は、SnO2を含有する水素選択酸化触媒を含有するため、上記ガスセンサ素子においては、上記触媒担持層において水素が酸化により除去された被測定ガスが、上記拡散抵抗層を通って上記測定電極へ供給される。 The catalyst support layer is formed on the outer surface of the diffusion resistance layer. In the gas sensor element, a measurement gas such as exhaust gas is supplied from the porous catalyst support layer to the measurement electrode through the diffusion resistance layer. Since the catalyst-carrying layer contains a hydrogen selective oxidation catalyst containing SnO 2 , in the gas sensor element, the gas to be measured from which hydrogen has been removed by oxidation in the catalyst-carrying layer passes through the diffusion resistance layer. Supplied to the measurement electrode.
上記触媒担持層は、アルミナからなる多孔質体を有し、上記水素選択酸化触媒は、上記多孔質体に担持されていることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記触媒担持層の耐熱性を向上させることができ、その結果、上記ガスセンサ素子の耐久性を向上させることができる。
また、この場合には、上記触媒担持層の表面積を大きくすることができるため、上記水素選択酸化触媒が排ガスに接触し易くなり、排ガス中に含まれる水素をより効率的に酸化させることが可能になる。
さらにこの場合には、上記触媒担持層は、排ガス等の被測定ガス中に含まれる被毒成分をトラップする役割を果たすことができる。被毒成分は、例えば貴金属等からなる測定電極を被毒劣化させる成分であり、例えば、被測定ガスが排ガスである場合には、被毒成分としては、オイル中に含まれるP、Si、Ca、Zn等の成分から生成する化合物等がある。
Preferably, the catalyst support layer has a porous body made of alumina, and the hydrogen selective oxidation catalyst is supported on the porous body.
In this case, the heat resistance of the catalyst support layer can be improved, and as a result, the durability of the gas sensor element can be improved.
In this case, since the surface area of the catalyst support layer can be increased, the hydrogen selective oxidation catalyst can easily come into contact with the exhaust gas, and the hydrogen contained in the exhaust gas can be oxidized more efficiently. become.
Further, in this case, the catalyst support layer can play a role of trapping poisoning components contained in the measurement gas such as exhaust gas. The poisoning component is a component that poisons and degrades a measurement electrode made of, for example, a noble metal. For example, when the gas to be measured is exhaust gas, the poisoning components include P, Si, and Ca contained in oil. And compounds formed from components such as Zn.
上記多孔質体は、平均粒径1〜10μmのアルミナ粒子により構成することができる。そして、アルミナ粒子に平均粒径0.1〜5μmの上記水素選択酸化触媒を担持させることができる。
アルミナ粒子及び水素選択酸化触媒の平均粒径は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径により規定できる。
The porous body can be composed of alumina particles having an average particle diameter of 1 to 10 μm. And the said hydrogen selective oxidation catalyst with an average particle diameter of 0.1-5 micrometers can be carry | supported to an alumina particle.
The average particle size of the alumina particles and the hydrogen selective oxidation catalyst can be defined by the particle size at an integrated value of 50% in the particle size distribution obtained by the laser diffraction / scattering method.
また、上記多孔質体はγ−アルミナ又はθ−アルミナからなることが好ましい(請求項5)。
この場合には、上記触媒担持層の多孔質体を構成する粒子自体が多孔質となり、上記触媒担持層を表面積の大きいものにすることができる。そのため、排ガス等の被測定ガス中の被毒成分、例えば、オイル中に含まれるP、Si、Ca、Zn等の成分から生成する化合物等を上記触媒担持層においてトラップし易くさせることができる。そのため、被毒成分による測定電極の被毒をより一層防止することができる。より好ましくは、上記多孔質体はθ−アルミナからなることがよい。
The porous body is preferably made of γ-alumina or θ-alumina.
In this case, the particles constituting the porous body of the catalyst support layer itself become porous, and the catalyst support layer can have a large surface area. Therefore, poisoning components in the measurement gas such as exhaust gas, for example, compounds generated from components such as P, Si, Ca, and Zn contained in the oil can be easily trapped in the catalyst support layer. Therefore, poisoning of the measurement electrode due to poisoning components can be further prevented. More preferably, the porous body is made of θ-alumina.
上記触媒担持層における上記水素選択酸化触媒の含有量は10質量%以上であることが好ましい(請求項6)。
この場合には、上記水素選択酸化触媒による水素に対する酸化性能をより向上させることができる。より好ましくは、上記触媒担持層における上記水素選択酸化触媒の含有量は10質量%以上がよく、さらに好ましくは30質量%以上がよい。
また、水素選択酸化触媒の割合が増すと、触媒担持層内のガス拡散性が損なわれるおそれがあるため、上記触媒担持層における上記水素選択酸化触媒の含有量は50質量%以下がよい。
The content of the hydrogen selective oxidation catalyst in the catalyst support layer is preferably 10% by mass or more (Claim 6).
In this case, the oxidation performance for hydrogen by the hydrogen selective oxidation catalyst can be further improved. More preferably, the content of the hydrogen selective oxidation catalyst in the catalyst support layer is preferably 10% by mass or more, and more preferably 30% by mass or more.
Further, when the ratio of the hydrogen selective oxidation catalyst is increased, gas diffusibility in the catalyst supporting layer may be impaired. Therefore, the content of the hydrogen selective oxidizing catalyst in the catalyst supporting layer is preferably 50% by mass or less.
また、上記触媒担持層は、厚み5〜2000μmで形成されていることが好ましい(請求項7)。
この場合には、水素に対する酸化性能を十分に発揮できる十分な量の上記水素選択酸化触媒を上記触媒担持層に担持させることが可能になると共に、上記触媒担持層の気孔率を十分に維持し、上記触媒担持層における上記被測定ガスの流動が妨げられることを防止することができる。より好ましくは、上記触媒担持層の厚みは20〜1000μmがよく、さらに好ましくは100〜200μmがよい。
Further, the catalyst support layer is preferably formed with a thickness of 5 to 2000 μm.
In this case, it becomes possible to support the catalyst supporting layer with a sufficient amount of the hydrogen selective oxidation catalyst capable of sufficiently exhibiting oxidation performance against hydrogen, and to maintain the porosity of the catalyst supporting layer sufficiently. The flow of the gas to be measured in the catalyst support layer can be prevented from being hindered. More preferably, the thickness of the catalyst support layer is 20 to 1000 μm, and more preferably 100 to 200 μm.
上記ガスセンサ素子においては、上記触媒担持層のさらに外側面に、例えばアルミナ等からなるトラップ層を形成することができる。これにより、上記トラップ層において上記被測定ガス中の被毒成分を除去することができる。また、上記触媒担持層の厚みを例えば100μm以上に大きくして、上記触媒担持層に、被毒成分をトラップするトラップ層の役割を担わせることもできる。 In the gas sensor element, a trap layer made of alumina or the like can be formed on the outer surface of the catalyst support layer. Thereby, poisoning components in the measurement gas can be removed in the trap layer. Further, the thickness of the catalyst support layer can be increased to, for example, 100 μm or more, and the catalyst support layer can serve as a trap layer for trapping poisoning components.
また、上記ガスセンサ素子は、該ガスセンサ素子を加熱するヒータを備えることが好ましい。
この場合には、上記ヒータにより、上記ガスセンサ素子を作動温度まで容易に加熱することができる。
The gas sensor element preferably includes a heater for heating the gas sensor element.
In this case, the gas sensor element can be easily heated to the operating temperature by the heater.
上記ガスセンサ素子は、例えば車両用の内燃機関等の排気系に配設され、被測定ガス(排ガス)中の特定ガス濃度(酸素濃度)に依存して電極間を流れる限界電流を基に内燃機関に供給される混合気の空燃比(A/F)を検出する空燃比センサ(A/Fセンサ)、被測定ガス(排ガス)と基準ガス(大気)との間の特定ガス濃度(酸素濃度)比に依存して電極間に生じる起電力を基に空燃比を検出する酸素センサ等に適用することができる。 The gas sensor element is disposed in an exhaust system such as an internal combustion engine for a vehicle, for example, and is based on a limiting current flowing between electrodes depending on a specific gas concentration (oxygen concentration) in a gas to be measured (exhaust gas). An air-fuel ratio sensor (A / F sensor) for detecting an air-fuel ratio (A / F) of an air-fuel mixture supplied to a gas, a specific gas concentration (oxygen concentration) between a measured gas (exhaust gas) and a reference gas (atmosphere) The present invention can be applied to an oxygen sensor or the like that detects an air-fuel ratio based on an electromotive force generated between electrodes depending on the ratio.
上記ガスセンサ素子は、空燃比センサに用いられることが好ましい(請求項8)。
この場合には、水素を選択的に酸化できるという上記水素選択酸化触媒の性能を十分に生かすことができる。即ち、上記水素選択酸化触媒は、リーン雰囲気だけでなく、理論空燃比(ストイキ)近傍の雰囲気においても混合ガスから優れた選択性で水素を燃焼させることができる。そのため、上記水素選択酸化触媒を上記触媒担持層に備えた上記ガスセンサ素子は、リーン雰囲気だけでなく、理論空燃比近傍の雰囲気においても、排ガス等の混合ガスからO2等の特定ガスの濃度を正確に検出することができる。したがって、上記ガスセンサ素子は、空燃比センサに好適である。
The gas sensor element is preferably used for an air-fuel ratio sensor.
In this case, the performance of the hydrogen selective oxidation catalyst that can selectively oxidize hydrogen can be fully utilized. That is, the hydrogen selective oxidation catalyst can burn hydrogen with excellent selectivity from a mixed gas not only in a lean atmosphere but also in an atmosphere near the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric). Therefore, the gas sensor element provided with the hydrogen selective oxidation catalyst in the catalyst support layer has a concentration of a specific gas such as O 2 from a mixed gas such as exhaust gas not only in a lean atmosphere but also in an atmosphere near the theoretical air-fuel ratio. It can be detected accurately. Therefore, the gas sensor element is suitable for an air-fuel ratio sensor.
上記ガスセンサ素子は、例えば上記固体電解質体及び上記拡散抵抗層などを積層して構成された所謂積層型のガスセンサ素子とすることができる。また、上記ガスセンサ素子は、先端が閉塞されると共に基端が開放されたコップ型の上記固体電解質体を有する所謂コップ型のガスセンサ素子とすることもできる。 The gas sensor element can be a so-called stacked gas sensor element formed by stacking the solid electrolyte body and the diffusion resistance layer, for example. Further, the gas sensor element may be a so-called cup-type gas sensor element having the cup-type solid electrolyte body with a distal end closed and a proximal end opened.
(実施例1)
次に、水素選択酸化触媒の実施例について説明する。
本例においては、SnO2を含有する水素選択酸化触媒について、その水素に対する選択的な酸化性能を評価する。
本例の実施例にかかるSnO2としては、市販品のSnO2粉末を準備した。これを試料1とする。
Example 1
Next, examples of the hydrogen selective oxidation catalyst will be described.
In this example, the selective oxidation performance for hydrogen is evaluated for a hydrogen selective oxidation catalyst containing SnO 2 .
The SnO 2 according to the embodiment of this example was prepared SnO 2 powder commercially available. This is designated as
次に、直径30mm、長さ50mmのハニカム構造体(体積約0.035L)を準備した。図1及び図2に示すごとく、ハニカム構造体5は、外周壁51と、この外周壁51内に四角形格子状に配設された多孔質のセル壁52と、これらのセル壁52内に区画されると共に、柱状のハニカム構造体の軸方向に沿って伸びる多数のセル53とを有する。セル壁52は、正方形格子状に配設されており、セル53は、円柱状のハニカム構造体5の軸方向と垂直な断面、及びハニカム構造体5の端面54において正方形状となる。ハニカム構造体5は、多孔質のコージェライトからなり、円柱形状である。
Next, a honeycomb structure (volume: about 0.035 L) having a diameter of 30 mm and a length of 50 mm was prepared. As shown in FIGS. 1 and 2, the
次に、試料1の水素選択酸化触媒をハニカム構造体に担持させた。
具体的には、まず、試料1を水に分散させて触媒スラリーを作製した。次いで、触媒スラリーにハニカム構造体を浸漬し、引き上げた後、でエアブローによって余分な水分を吹き飛ばした。次いで、ハニカム構造体を温度600℃、3時間の条件で焼成することにより、試料1の触媒の焼付け処理を行った。
このようにして、試料1の水素選択酸化触媒を3.5g担持したハニカム構造体を得た。
Next, the hydrogen selective oxidation catalyst of
Specifically, first,
Thus, a honeycomb structure carrying 3.5 g of the hydrogen selective oxidation catalyst of
次に、試料1の水素選択酸化触媒を担持したハニカム構造体の一方の端面側から他方の端面に向けてセル内に空燃比14.6(空気/燃料、質量比)相当の混合ガスを流速20L/分で流通させた。混合ガスは、COを4600ppm、HC(炭化水素)を1600ppm、NOを2500ppm、O2を0.5vol%、H2を5000ppm、H2Oを13.6vol%含有する。
そして、ハニカム構造体に担持した水素選択酸化触媒(試料1)の温度を200℃から700℃まで昇温速度20℃/分で上昇させながら、ハニカム構造体を通過したガス中に含まれるH2、CO、HCの各成分濃度を分析計により測定した。測定結果から各温度におけるH2浄化率、CO浄化率、及びHC浄化率を次の式により算出した。その結果を図3に示す。
H2浄化率(%)=(1−(ハニカム構造体を通過した混合ガス中のH2の濃度(ppm)/5000(ppm))×100
CO浄化率(%)=(1−(ハニカム構造体を通過した混合ガス中のCOの濃度(ppm)/4600(ppm))×100
HC浄化率(%)=(1−(ハニカム構造体を通過した混合ガス中のHCの濃度(ppm)/1600(ppm))×100
Next, a mixed gas corresponding to an air-fuel ratio of 14.6 (air / fuel, mass ratio) is flowed into the cell from one end surface side to the other end surface of the honeycomb structure supporting the hydrogen selective oxidation catalyst of
Then, while increasing the temperature of the hydrogen selective oxidation catalyst (sample 1) supported on the honeycomb structure from 200 ° C. to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./min, H 2 contained in the gas that has passed through the honeycomb structure. The concentration of each component of CO, HC was measured with an analyzer. From the measurement results, the H 2 purification rate, the CO purification rate, and the HC purification rate at each temperature were calculated by the following equations. The result is shown in FIG.
H 2 purification rate (%) = (1− (concentration of H 2 in mixed gas that has passed through honeycomb structure (ppm) / 5000 (ppm)) × 100
CO purification rate (%) = (1− (concentration of CO in mixed gas that has passed through honeycomb structure (ppm) / 4600 (ppm)) × 100
HC purification rate (%) = (1− (concentration of HC in the mixed gas that has passed through the honeycomb structure (ppm) / 1600 (ppm)) × 100
次に、試料1の比較用として、LaFeO3からなるペロブスカイト構造の卑金属酸化物からなる触媒を作製した。
具体的には、まず、水中で硝酸ランタンと硝酸鉄を1:1のモル比で混合し、硝酸塩水溶液を作製した。そして、水分が完全に蒸発するまで硝酸塩水溶液を撹拌しながら加熱した。乾燥後に得られた固形物をメノウ乳鉢で十分に粉砕し均一に混合した後、温度800℃で5時間焼成した。これにより、LaFeO3からなる触媒を得た。これを試料2とする。そして、試料2についても、試料1と同様にして、温度200℃〜700℃におけるH2浄化率、CO浄化率、及びHC浄化率を測定した。その結果を図3に示す。
なお、図3において、横軸は触媒の温度(℃)を示し、縦軸は各ガス成分(H2、CO、HC)の浄化率(%)を示す。
Next, for comparison with
Specifically, first, lanthanum nitrate and iron nitrate were mixed at a molar ratio of 1: 1 in water to prepare a nitrate aqueous solution. Then, the aqueous nitrate solution was heated with stirring until the water was completely evaporated. The solid obtained after drying was sufficiently pulverized in an agate mortar and mixed uniformly, and then baked at a temperature of 800 ° C. for 5 hours. This gave a catalyst comprising LaFeO 3. This is designated as
In FIG. 3, the horizontal axis represents the catalyst temperature (° C.), and the vertical axis represents the purification rate (%) of each gas component (H 2 , CO, HC).
図3より知られるごとく、酸化スズからなる試料1は、COやHCなどよりもH2を優先的に酸化できることがわかる。試料1は、例えば500℃以上の高温領域において、特に優れた選択性及び酸化性能で水素な酸化させるこができる。また、試料1は、低温領域においても他のガスよりもH2を優先して酸化させることができる。
As can be seen from FIG. 3,
これに対し、ペロブスカイト構造の金属酸化物からなる試料2は、H2よりもCOを優先的に酸化させていることがわかる。即ち、水素に対する選択性が低い。そのため、試料2は、COを優先的に酸化し、O2濃度が限られた環境下においてはH2を酸化させるために必要なO2が不十分になり、水素を十分に酸化させることができなくなるおそれがある。
On the other hand, it can be seen that
また、本例においては、試料1の比較用として、さらに5種類のペロブスカイト構造の金属酸化物からなる触媒(試料3〜7)を作製し、その浄化率の評価を行った。
試料3は、LaCoO3粉末からなる触媒である。試料3は、硝酸鉄の代わりに硝酸コバルトを用いた点を除いて、上述の試料2と同様にして作製した。
試料4は、LaMnO3粉末からなる触媒である。試料4は、硝酸鉄の代わりに硝酸マンガンを用いた点を除いて、上述の試料2と同様にして作製した。
Further, in this example, for comparison with
Sample 3 is a catalyst made of LaCoO 3 powder. Sample 3 was prepared in the same manner as
Sample 4 is a catalyst made of LaMnO 3 powder. Sample 4 was prepared in the same manner as
試料5は、LaCu0.2Co0.8O3粉末からなる触媒である。試料5は、水中で硝酸ランタンと硝酸鉄を1:1のモル比で混合する代わりに、水中で硝酸ランタン、硝酸銅、及び硝酸コバルトをそれぞれ1:0.2:0.8のモル比で混合した点を除いて、上述の試料2と同様にして作製した。
試料6は、LaCu0.2Mn0.8O3粉末からなる触媒である。試料6は、水中で硝酸ランタンと硝酸鉄を1:1のモル比で混合する代わりに、水中で硝酸ランタン、硝酸銅、及び硝酸マンガンをそれぞれ1:0.2:0.8のモル比で混合した点を除いて、上述の試料2と同様にして作製した。
試料7は、LaCu0.2Fe0.8O3粉末からなる触媒である。試料7は、水中で硝酸ランタンと硝酸鉄を1:1のモル比で混合する代わりに、水中で硝酸ランタン、硝酸銅、及び硝酸鉄をそれぞれ1:0.2:0.8のモル比で混合した点を除いて、上述の試料2と同様にして作製した。
Sample 6 is a catalyst made of LaCu 0.2 Mn 0.8 O 3 powder. Sample 6 was prepared by mixing lanthanum nitrate and iron nitrate in water at a 1: 1 molar ratio, but lanthanum nitrate, copper nitrate, and manganese nitrate in water at a molar ratio of 1: 0.2: 0.8, respectively. It was produced in the same manner as
Sample 7 is a catalyst made of LaCu 0.2 Fe 0.8 O 3 powder. Instead of mixing lanthanum nitrate and iron nitrate in water at a 1: 1 molar ratio, sample 7 was prepared by mixing lanthanum nitrate, copper nitrate, and iron nitrate in water at a molar ratio of 1: 0.2: 0.8, respectively. It was produced in the same manner as
次いで、試料3〜試料7についても、試料1と同様にして、温度200℃〜700℃におけるH2浄化率、CO浄化率、及びHC浄化率を測定した。そして、温度600℃における各成分ガス(H2、CO、及びHC)の浄化率をそれぞれ図4に示す。同図には、上記試料1及び上記試料2の各成分ガスの浄化率(温度600℃)を併記する。
Next, for Sample 3 to Sample 7, the H 2 purification rate, the CO purification rate, and the HC purification rate at temperatures of 200 ° C. to 700 ° C. were measured in the same manner as
図4より知られるごとく、ペロブスカイト構造の酸化物からなる触媒(試料2〜7)は、水素よりも一酸化炭素を優先的に酸化することがわかる。これに対し、酸化スズからなる触媒(試料1)は、他の成分ガスよりも優先的に水素を酸化しており、水素に対する選択的な酸化性能に優れていることがわかる。
As can be seen from FIG. 4, it can be seen that the catalysts (
このように、本例によれば、SnO2を含有する水素選択酸化触媒は、混合ガス中からH2とO2とを選択的に反応させてH2を選択的に除去できることがわかる。 Thus, according to this example, it can be seen that the hydrogen selective oxidation catalyst containing SnO 2 can selectively remove H 2 by selectively reacting H 2 and O 2 from the mixed gas.
(実施例2)
次に、水素選択酸化触媒を用いたガスセンサ素子の実施例について図5〜図7を用いて説明する。
図5に示すごとく、本例のガスセンサ素子1は、酸素イオン伝導性の固体電解質体11と、その一方の面111と他方の面112とにそれぞれ設けた測定電極12及び基準電極13と、固体電解質体11における測定電極12が配設された面111に積層されると共に被測定ガスを透過させる多孔質の拡散抵抗層14と、その外側面に形成された多孔質の触媒担持層15とを有する。図5及び図6に示すごとく、触媒担持層15は、SnO2を含有する水素選択酸化触媒155を含有する。
(Example 2)
Next, an embodiment of a gas sensor element using a hydrogen selective oxidation catalyst will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 5, the
本例のガスセンサ素子1は、上述の固体電解質体11、測定電極12、基準電極13、拡散抵抗層14、及び触媒担持層15の他、以下の素子構成部を備える。
即ち、ガスセンサ素子1は、図5に示すごとく、拡散抵抗層14の固体電解質体11とは反対側の面を覆う緻密な遮蔽層16と、被測定ガスを導入する空間からなる被測定ガス室120と、基準ガスを導入する空間からなる基準ガス室130と、基準ガスを形成するための基準ガス室形成層17と、通電により発熱する発熱部181が印刷形成されたヒータ基板182を備えたヒータ18とを有する。
The
That is, as shown in FIG. 5, the
以下、ガスセンサ素子1について詳細に説明する。
本例のガスセンサ素子1は、自動車エンジンの排気管に設置して、排ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサ素子(A/Fセンサ素子)である。ガスセンサ素子1は、所謂積層型のガスセンサ素子である。
Hereinafter, the
The
部分安定化ジルコニアなどからなる固体電解質体11の一方の面111には白金からなる測定電極12が配設されており、他方の面112には白金からなる基準電極13が配設されている。
そして、固体電解質体11における測定電極12が配設されている側の面111には、被測定ガス室120及び拡散抵抗層14を介して遮蔽層16が積層されている。
A
The
拡散抵抗層14は、ガス透過性のアルミナ多孔体からなり、固体電解質体11の測定電極12側に積層されており、測定電極12を覆うように形成されている。拡散抵抗層14の内側には被測定ガス室120が形成されており、被測定ガス室120内における固体電解質体11の表面に測定電極12が形成されている。被測定ガス室120内には、多孔質の拡散抵抗層14内を通過した被測定ガス(排ガス)が導入される。
また、遮蔽層16は、拡散抵抗層14における固体電解質体11とは反対側の面に形成されている。遮蔽層16は、電気的絶縁性を有し、緻密でガスを透過させないアルミナからなる。
The
The
一方、固体電解質体11における基準電極13が配設されている側の面112には、アルミナからなる緻密な基準ガス室形成層17を介して、通電により発熱部181とこの発熱部181が印刷形成されたヒータ基板182とからなるヒータ18が積層されている。発熱部181は、通電により発熱することにより、ガスセンサ素子1を活性温度まで加熱するためのものである。
On the other hand, the
触媒担持層15は、図5及び図6に示すごとく、遮蔽層16と固体電解質体11とに面していない部分における拡散抵抗層14の外側面140、即ち拡散抵抗層14における被測定ガスを導入するガス導入外表面140に形成されている。本例において、触媒担持層15は、膜厚150μmで形成されている。触媒担持層15の膜厚dは、拡散抵抗層14の外側面140に対して垂直な方向における触媒担持層15の厚みの最大値によって規定することができる(図5参照)。
As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the
図6に示すごとく、触媒担持層15は、θ−アルミナを主成分とする平均粒径1〜2μmのセラミック粒子151からなる多孔質層により構成されている。そして、触媒担持層15には、平均粒径0.1〜0.5μmの水素選択酸化触媒155が担持されている。本例においては、触媒担持層15における水素選択酸化触媒155の含有量を50wt%にしてある。水素選択酸化触媒155としては、実施例1の試料1を用いた。
As shown in FIG. 6, the
本例の触媒担持層15は、実施例1において作製した試料1の水素選択酸化触媒とθ−アルミナ粉末を重量比1:1で混合した混合粉末にバインダを添加して作製したペースト材料を、拡散抵抗層14の外側面140に塗布し乾燥させることにより形成した。
以上の構成のガスセンサ素子を素子Aとする。
The
The gas sensor element having the above configuration is referred to as an element A.
次に、本例のガスセンサ素子(素子A)のセンサ特性の評価を行った。
具体的には、まず、内蔵するヒータ18によりガスセンサ素子1を温度700℃まで加熱した(図5参照)。次いで、ガスセンサ素子1の触媒担持層15から排ガスのモデルガスを供給した。このとき、モデルガスとしては、N2、CO、H2、O2、及びC3H8を含有する混合ガスを用いた。モデルガスの供給にあたっては、各成分ガスの流量を、N2:2980cc/min、CO:58cc/min、H2:12cc/min、C3H8:15cc/minに調整すると共に、空燃比(空気/燃料)が0.3〜2.0となるようにO2の流量を25.7〜171.3cc/minの間で調整した。そして、ガスセンサ素子から出力される限界電流値を測定した。O2の流量(空燃比)とセンサ出力との関係を図7に示す。
同図において、横軸はO2の流量(cc/min)及び空燃比(空気/燃料)を示し、縦軸はセンサ出力(限界電流値)(mA)を示す。
Next, the sensor characteristics of the gas sensor element (element A) of this example were evaluated.
Specifically, first, the
In the figure, the horizontal axis indicates the O 2 flow rate (cc / min) and the air-fuel ratio (air / fuel), and the vertical axis indicates the sensor output (limit current value) (mA).
また、本例においては、素子Aの比較用として、触媒担持層に担持させる触媒として、実施例1の試料2を用いたガスセンサ素子を作製した。これを素子Bとする。素子Bは、試料1の代わりに試料2を用いた点を除いては、素子Aと同様の構成である。
素子Bについても、素子Aと同様にして、O2の流量(空燃比)とセンサ出力との関係を測定した。その結果を図7に示す。
Further, in this example, for comparison with the element A, a gas sensor element using the
For the element B, the relationship between the O 2 flow rate (air-fuel ratio) and the sensor output was measured in the same manner as the element A. The result is shown in FIG.
また、本例においては、素子Aの比較用として、触媒担持層に触媒を担持させていないガスセンサ素子を作製した。これを素子Cとする。素子Cは、触媒担持層に触媒を担持させていない点を除いては、素子Aと同様の構成である。素子Cにおいて、触媒担持層は、θ−アルミナを主成分とするセラミック粒子からなる多孔質層のみにより構成されている。
素子Cについても、素子Aと同様にして、O2の流量(空燃比)とセンサ出力との関係を測定した。その結果を図7に示す。
In this example, as a comparison with the element A, a gas sensor element in which no catalyst was supported on the catalyst support layer was produced. This is element C. The element C has the same configuration as the element A except that the catalyst is not supported on the catalyst support layer. In the element C, the catalyst supporting layer is composed only of a porous layer made of ceramic particles whose main component is θ-alumina.
For the element C, the relationship between the O 2 flow rate (air-fuel ratio) and the sensor output was measured in the same manner as the element A. The result is shown in FIG.
図7より知られるごとく、触媒担持層に触媒を担持させていない素子Cのガスセンサ素子においては、供給したモデルガスの空燃比λが1であってもセンサ出力がマイナスであり、空燃比がリッチであることを示している。これに対し、SnO2からなる試料1及びLaFeO3からなる試料2を触媒として触媒担持層にそれぞれ担持させた素子A及び素子Bにおいては、素子Cに比べてセンサ出力が向上しており、H2による出力のずれ(出力の低下)が抑制されている。
As is known from FIG. 7, in the gas sensor element of the element C in which the catalyst is not supported on the catalyst support layer, even if the supplied model gas has an air-fuel ratio λ of 1, the sensor output is negative and the air-fuel ratio is rich. It is shown that. On the other hand, in the element A and the element B in which the
特に、H2に対する選択的な酸化性能に優れた試料1を用いた素子Aにおいては、供給したモデルガスの空燃比λが約1のときに、センナ出力が0を示しており、素子Bに比べてさらに出力ずれが十分に抑制されていることがわかる。
In particular, in the device A using the
このように、本例によれば、SnO2からなる水素選択酸化触媒を触媒担持層に担持させることにより、水素による出力ずれを抑制し、ガスセンサ素子の検出性能を向上できることがわかる。 Thus, according to this example, it can be seen that by supporting the hydrogen selective oxidation catalyst made of SnO 2 on the catalyst support layer, output deviation due to hydrogen can be suppressed and the detection performance of the gas sensor element can be improved.
1 ガスセンサ素子
11 固体電解質
12 測定電極
13 基準電極
14 拡散抵抗層
15 触媒担持層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
SnO2を含有することを特徴とする水素選択酸化触媒。 A hydrogen selective oxidation catalyst for selectively removing H 2 by selectively reacting H 2 and O 2 from a mixed gas,
A hydrogen selective oxidation catalyst comprising SnO 2 .
上記触媒担持層は、SnO2を含有する水素選択酸化触媒を含有することを特徴とするガスセンサ素子。 Layered on the surface of the solid electrolyte body, the measurement electrode and the reference electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and the surface of the solid electrolyte body on which the measurement electrode is disposed A porous diffusion resistance layer that allows the gas to be measured to permeate and a porous catalyst support layer formed on the outer surface of the diffusion resistance layer,
The gas sensor element, wherein the catalyst support layer contains a hydrogen selective oxidation catalyst containing SnO 2 .
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---|---|---|---|---|
JP2017171542A (en) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | 日本碍子株式会社 | Method for producing honeycomb structure |
WO2018026994A1 (en) | 2016-08-05 | 2018-02-08 | Dow Global Technologies Llc | Process for increasing the service life of a solar receiver |
-
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