JP2014024058A - 排ガス浄化用触媒担体、それを用いた排ガス浄化用触媒、及び排ガス浄化用触媒担体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミナを5〜30質量%、セリアを25〜39質量%、ジルコニアを33〜51質量%含有する複合金属酸化物多孔体からなり、
空気中、1100℃で5時間焼成した後の複合金属酸化物多孔体が、球面収差補正装置付き走査透過型電子顕微鏡を用いて行なったエネルギー分散型X線分析により求めた、100個の微小領域(1個の微小領域は縦300nm×横330nm)についてのアルミニウム元素、セリウム元素及びジルコニウム元素の含有率(単位:at%)の標準偏差が全て18.5以下であるという条件を満たすものであることを特徴とする排ガス浄化用触媒担体。
【選択図】なし
Description
空気中、1100℃で5時間焼成した後の複合金属酸化物多孔体が、球面収差補正装置付き走査透過型電子顕微鏡を用いて行なったエネルギー分散型X線分析により求めた、100個の微小領域(1個の微小領域は縦300nm×横330nm)についてのアルミニウム元素、セリウム元素及びジルコニウム元素の含有率(単位:at%)の標準偏差が全て18.5以下であるという条件を満たすものであることを特徴とするものである。
複合金属酸化物多孔体中のアルミナの含有率が5〜30質量%、セリアの含有率が25〜39質量%、ジルコニアの含有率が33〜51質量%となるように、アルミニウムイオンとセリウムイオンとジルコニウムイオンとを含有する第一の原料溶液を調製する工程と、
重量平均分子量3000〜15000の高分子分散剤を含有する第二の原料溶液を調製する工程と、
第一の原料溶液と第二の原料溶液とを1000〜200000sec−1の剪断速度となっている領域に独立に直接導入して均質混合して金属化合物のコロイド溶液を得る工程と、
前記コロイド溶液のpHを3〜5に調整する工程と、
必要に応じて、前記コロイド溶液に有機アミンを添加してゲル化処理を施し、金属化合物の懸濁液を得る工程と、
pH調整後のコロイド溶液又は前記金属化合物の懸濁液を脱脂し、酸化雰囲気下、700〜1050℃で熱処理して前記複合金属酸化物多孔体を得る工程と
を含むことを特徴とする方法である。
複合金属酸化物多孔体中のアルミナの含有率が5〜30質量%、セリアの含有率が25〜39質量%、ジルコニアの含有率が33〜51質量%となるように、アルミニウムイオンとセリウムイオンとジルコニウムイオンとを含有する第一の原料溶液を調製する工程と、
重量平均分子量3000〜15000の高分子分散剤を含有する第二の原料溶液を調製する工程と、
第一の原料溶液と第二の原料溶液とを1000〜200000sec−1の剪断速度となっている領域に独立に直接導入して均質混合して金属化合物のコロイド溶液を得る工程と、
前記コロイド溶液のpHを3〜5に調整する工程と、
必要に応じて、前記コロイド溶液に有機アミンを添加してゲル化処理を施し、金属化合物の懸濁液を得る工程と、
pH調整後のコロイド溶液又は前記金属化合物の懸濁液を脱脂し、酸化雰囲気下、700〜1050℃で熱処理して前記複合金属酸化物多孔体を得る工程と
を含むことを特徴とする方法である。この方法によれば、高温での熱処理後においてもアルミナ、セリア及びジルコニアが高い相互微分散度で配置されている複合金属酸化物多孔体からなる前記本発明の排ガス浄化用触媒担体を得ることができる。
前記アルミニウムイオンとセリウムイオンとジルコニウムイオンとを含有する第一の原料溶液は、アルミニウム化合物と、セリウム化合物と、ジルコニウム化合物と、必要に応じて他の金属化合物と、さらに必要に応じて前記低分子分散剤とを、溶媒に溶解させることにより得られる。
前記高分子分散剤を含有する第二の原料溶液は、高分子分散剤と、必要に応じてpH調整剤と、さらに必要に応じて前記低分子分散剤とを、溶媒に溶解させることにより得られる。前記高分子分散剤としては、ポリアルキレンイミン、ポリアクリル酸、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコールが好ましく、液中で高い分散性能を発揮できるという観点から、ポリアルキレンイミン、ポリエチレングリコール及びポリアクリル酸がより好ましく、所定のpH条件で得られるコロイド溶液が保存安定性に特に優れているという観点から、ポリアルキレンイミン及びポリエチレングリコールが特に好ましい。
コロイド溶液を得る工程においては、1000〜200000sec−1の剪断速度となっている領域に、第一の原料溶液及び第二の原料溶液が独立に直接導入され、均質に混合される。このように均質混合することにより、水等の金属化合物結晶子が凝集し易い溶媒においても、金属化合物結晶子を径がより小さく均一な凝集体の状態で液中で分散させることが可能となる。
本発明の製造方法においては、前記コロイド溶液調製工程で得られたコロイド溶液をpH3〜5に調整する。コロイド溶液のpHが前記範囲にあると、高分子分散剤が金属化合物結晶子に吸着して、金属化合物結晶子は径が小さく均一な凝集体の状態で分散し、保存安定性に優れたコロイド溶液を得ることができる。特に、高分子分散剤としてポリアルキレンイミンを用いた場合には、ポリアルキレンイミンが解離してNH3 +基が形成されるため、金属化合物結晶子の負に帯電したサイト又はニュートラルなサイトに吸着しやすく、容易に分散効果が付与される。一方、pHが1以上3未満になると、アルミニウムの中和点に到達していないため、アルミナ(又は水酸化アルミニウム)の粒子が十分に核生成しない傾向にある。このようなコロイド溶液に後述する熱処理を施して得られる複合金属酸化物多孔体においては、アルミナの耐熱性が不十分となり、且つアルミナ、セリア及びジルコニアの相互微分散度が低くなる傾向にある。また、pHが1未満になると、セリア(又は水酸化セリウム)の粒子も十分に核生成しない傾向にある。このようなコロイド溶液に後述する熱処理を施して得られる複合金属酸化物多孔体においては、セリアとジルコニアが十分に固溶していない傾向にある。他方、前記上限を超えると、高分子分散剤が金属化合物結晶子に吸着しにくく、金属化合物結晶子間に十分な斥力が発現せず、金属化合物結晶子が凝集する傾向にある。特に、高分子分散剤としてポリアルキレンイミンを用いた場合には、ポリアルキレンイミンの解離度が小さく、金属化合物微粒子へのポリアルキレンイミンの吸着量が減少する傾向にある。
本発明の製造方法においては、必要に応じて、pHを3〜5に調整した前記コロイド溶液に水熱処理を施してもよい。これにより、アルミニウム化合物を十分に結晶化させることができる。この水熱処理工程における水熱処理温度は、70〜90℃の範囲であることが必要である。温度が前記下限未満では、アルミニウム化合物の結晶化が不十分となり、また、セリア/ジルコニア固溶体を形成せしめる場合に、原子の再配列が起こりにくくなる。他方、温度が前記上限を超えると、触媒担体の比表面積が小さくなり、さらに、セリアのみが単独で分離析出されてしまうため触媒の耐熱性が低下しやすくなる。また、このような水熱処理温度としては、アルミニウム化合物を析出させ、比表面積を大きくし、且つ、セリアとジルコニアとの固溶体を形成せしめる場合には、原子の再配列を促し、空孔が形成されることを抑制できるという観点から、80〜90℃であることが特に好ましい。
本発明の製造方法においては、pHを3〜5に調整した前記コロイド溶液又は水熱処理を施した前記コロイド溶液に、必要に応じて、有機アミンを添加してpHを6〜9.5に再調整し、ゲル化処理を行なってもよい。これにより、コロイド溶液中において、高分子分散剤が金属化合物結晶子の凝集体から脱離し、金属化合物結晶子の凝集体が瞬時に凝集するが、有機アミンが高分子分散剤と類似の役割を果たすため、過剰な凝集は抑制され、適度な大きさの金属化合物結晶子の凝集体を含む懸濁液を得ることができる。その際の温度や時間は特に制限されず、例えば、10〜40℃の温度で5〜60秒間程度撹拌して均一分散状態を固定化することが好ましい。また、前記有機アミンとしては、エチレンジアミン及びトリエタノールアミンなどが好ましい。
本発明の排ガス浄化用触媒担体の製造方法においては、pHを3〜5に調整した前記コロイド溶液又は前記ゲル化処理工程で得られた金属化合物の懸濁液に脱脂処理を施し、熱処理して前記本発明の排ガス浄化用触媒担体を得る。
先ず、硝酸アンモニウムセリウム13.75g、オキシ硝酸ジルコニル12.43g、硝酸イットリウム0.82g、硝酸アルミニウム8.78g、硝酸ランタン1.24gをイオン交換水500gに溶解して複合金属酸化物の原料となる陽イオンを含む第一の原料溶液を調製した。これらの添加量は陽イオン濃度0.1mol/L、Al2O3:CeO2:ZrO2:Y2O3:La2O3=10.0:36.2:47.9:2.0:3.9(質量比)に相当する。次いで、下記式(1)に示す重量平均分子量10000のポリエチレンイミン62.5g、硝酸78gをイオン交換水360gに溶解して第二の原料溶液を調製した。
硝酸アンモニウムセリウム10.58g、オキシ硝酸ジルコニル9.51g、硝酸イットリウム0.71g、硝酸ランタン1.07g、硝酸アルミニウム15.27gをイオン交換水500gに溶解して複合金属酸化物の原料となる陽イオンを含む水溶液を調製した。これらの添加量は陽イオン濃度0.1mol/L、Al2O3:CeO2:ZrO2:Y2O3:La2O3=20.0:31.9:42.2:2.0:3.9(質量比)に相当する。この水溶液を第一の原料溶液として用いたこと以外は実施例1と同様にして、金属化合物の透明なナノコロイド溶液(pH4)を調製した後、複合金属酸化物多孔体粉末を調製した。
硝酸アンモニウムセリウム8.22g、オキシ硝酸ジルコニル7.38g、硝酸イットリウム0.65g、硝酸ランタン1.00g、硝酸アルミニウム20.03gをイオン交換水500gに溶解して複合金属酸化物の原料となる陽イオンを含む水溶液を調製した。これらの添加量は陽イオン濃度0.1mol/L、Al2O3:CeO2:ZrO2:Y2O3:La2O3=29.5:27.9:36.9:2.0:3.9(質量比)に相当する。この水溶液を第一の原料溶液として用いたこと以外は実施例1と同様にして、金属化合物の透明なナノコロイド溶液(pH4)を調製した後、複合金属酸化物多孔体粉末を調製した。
実施例3と同様にして金属化合物の透明なナノコロイド溶液(pH4)を調製した。このナノコロイド溶液にプロペラ撹拌(300rpm)しながらエチレンジアミンを素早く添加してpH7の懸濁液を調製した。この懸濁液に実施例1と同様に脱脂処理を施した後、得られた金属化合物粉末を実施例1と同様に焼成して複合金属酸化物多孔体粉末を得た。
硝酸アンモニウムセリウム18.63g、オキシ硝酸ジルコニル16.84g、硝酸イットリウム0.50g、硝酸ランタン0.75gをイオン交換水500gに溶解して複合金属酸化物の原料となる陽イオンを含む水溶液を調製した。これらの添加量は陽イオン濃度0.1mol/L、Al2O3:CeO2:ZrO2:Y2O3:La2O3=0.0:40.5:53.6:2.0:3.9(質量比)に相当する。この水溶液を第一の原料溶液として用い、硝酸の量を85gに変更した第二の原料溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、金属化合物の透明なナノコロイド溶液(pH2)を調製した後、複合金属酸化物多孔体粉末を調製した。
硝酸アンモニウムセリウム5.01g、オキシ硝酸ジルコニル4.30g、硝酸イットリウム0.53g、硝酸ランタン0.80g、硝酸アルミニウム26.86gをイオン交換水500gに溶解して複合金属酸化物の原料となる陽イオンを含む水溶液を調製した。これらの添加量は陽イオン濃度0.1mol/L、Al2O3:CeO2:ZrO2:Y2O3:La2O3=47.6:20.4:25.8:2.0:3.9(質量比)に相当する。この水溶液を第一の原料溶液として用いたこと以外は実施例1と同様にして、金属化合物の透明なナノコロイド溶液(pH4)を調製した後、複合金属酸化物多孔体粉末を調製した。
硝酸の量を115gに変更した第二の原料溶液を用いたこと以外は実施例3と同様にして金属化合物の透明なナノコロイド溶液(pH1)を調製した。得られたナノコロイド溶液にプロペラ撹拌(300rpm)しながらアンモニア水を素早く添加してpH9に調整して懸濁液を得た。この懸濁液に実施例1と同様に脱脂処理を施した後、得られた金属化合物粉末を実施例1と同様に焼成して複合金属酸化物多孔体粉末を得た。
硝酸の量を115gに変更した第二の原料溶液を用いたこと以外は実施例3と同様にして金属化合物の透明なナノコロイド溶液(pH1)を調製した。得られたナノコロイド溶液をテフロン(登録商標)製の圧力容器に入れて密封し、80℃で24時間加熱して水熱処理を施した。水熱処理後のナノコロイド溶液にプロペラ撹拌(300rpm)しながらアンモニア水を素早く添加してpH9に調整して懸濁液を得た。この懸濁液に実施例1と同様に脱脂処理を施した後、得られた金属化合物粉末を実施例1と同様に焼成して複合金属酸化物多孔体粉末を得た。
実施例3と同様にして複合金属酸化物の原料となる陽イオンを含む第一の原料溶液を調製した。次いで、アンモニア水40gをイオン交換水460gに溶解して第二の原料溶液を調製した。第一の原料溶液に第二の原料溶液を素早く添加し、24時間のプロペラ撹拌(300rpm)を行い、白濁した懸濁液(pH10)を得た。この懸濁液に実施例1と同様に脱脂処理を施した後、得られた金属化合物粉末を実施例1と同様に焼成して複合金属酸化物多孔体粉末を得た。
自動比表面積/細孔分布測定装置(カンタクローム(株)製、商品名「Autosorb−1」)を用い、液体窒素温度(−196℃)で定容量式ガス吸着法により、実施例1〜4及び比較例1〜5で得られた複合金属酸化物多孔体粉末の窒素吸着等温線を求めた。なお、複合金属酸化物多孔体粉末には測定前に120℃で2時間の真空脱気処理を施した。得られた窒素吸着等温線からBET法により複合金属酸化物多孔体粉末(高温での熱処理前)の比表面積及びBJH法により細孔径分布曲線を求め、更に、得られた細孔径分布曲線から1nm〜0.1μmの範囲内の細孔直径を有する細孔の合計細孔容量を求めた。これらの結果を表1〜2に示す。
実施例1〜4及び比較例1〜5で得られた複合金属酸化物多孔体粉末(高温での熱処理前)のX線回折(XRD)パターンを、粉末X線回折装置(リガク社製、商品名「RINT−2200」を用いて、スキャンステップ0.01°、発散及び散乱スリット1deg、受光スリット0.15mm、CuKα線、40kV、20mA、スキャン速度1°/minの条件で測定し、ジルコニア固溶セリア粒子(CZ粒子)の(111)面に由来するピークの半値幅から、シェラーの式:
D=0.9λ/βcosθ
(式中、Dは結晶子径を示し、λは使用X線波長を示し、βはXRDの測定試料の半値幅を示し、θは回折角を示す)
を用いて、CZ粒子の平均結晶子径を算出した。その結果を表1〜2に示す。
実施例1〜4及び比較例1〜5で得られた複合金属酸化物多孔体粉末に空気中、1100℃で5時間の熱処理を施した。
高温での熱処理後の複合金属酸化物多孔体粉末のBET比表面積、窒素吸着法及び水銀圧入法により測定した合計細孔容量、CZ粒子の平均結晶子径を前記方法に従って算出した。これらの結果を表1〜2に示す。
高温での熱処理後の複合金属酸化物多孔体粉末を球面収差補正装置付き走査透過型電子顕微鏡((株)日立ハイテクノロジーズ製Cs−STEM、商品名「HD2700」)を用いて観察した。実施例3の複合金属酸化物多孔体粉末(高温での熱処理後)のSTEM写真を図5に示す。
先ず、高温での熱処理後の複合金属酸化物多孔体粉末について、前記Cs−STEMに装着したエネルギー分散型X線分析装置(EDX、分析スポット径:0.5nm)を用いて元素分析を行い、倍率3万倍の分析視野(縦100ピクセル×横128ピクセル)においてEDXマッピングを行なった。得られたEDXマッピングデータを1ピクセルごとに平均化した。なお、分析視野は、3万倍の倍率で100個程度の粒子が含まれるように抽出した。次に、前記分析視野を100個の微小領域に分割(縦10分割×横10分割)し、1微小領域(1個の微小領域は縦300nm×横330nm)ごとにEDXマッピングデータを平均化して各金属元素の含有率を算出した。100個の微小領域についての各金属元素の含有率の標準偏差を算出した。その結果を表1〜2に示す。なお、金属元素の含有率の標準偏差が小さいほど、各金属酸化物が相互により微細且つ均一に分散した状態で配置されていることを示している。
ジニトロジアミンパラジウム(Pd(NH3)2(NO2)2)酸水溶液(Pd濃度:50g/L)を用い、実施例1〜4及び比較例1〜5で得られた複合金属酸化物多孔体粉末100gに対して0.42gとなるようにパラジウムを担持させ、大気中、300℃で3時間焼成してPd担持複合金属酸化物多孔体粉末を得た。この粉末を、冷間静水等方圧プレス機を用いて1000kgf/cm2で成型した後、粉砕して直径0.5〜1mmのペレット状のPd担持触媒を得た。
得られたPd担持触媒2gを石英反応管に充填し、固定床流通反応装置((株)ベスト測器製)を用いて、リッチガス(H2(2%)、CO2(10%)、H2O(3%)及びN2(残部))とリーンガス(CO2(10%)、O2(1%)、H2O(3%)及びN2(残部))とを、温度1100℃、空間速度(SV)10000h−1の条件で5分間ずつ交互に5時間供給して耐久試験を行なった。
耐久試験後のPd担持触媒0.5gを石英反応管に充填し、固定床流通反応装置((株)ベスト測器製)を用いて、リッチガス(CO(2%)及びN2(残部))とリーンガス(O2(1%)及びN2(残部))とを、温度500℃又は600℃、ガス流量10L/minの条件で3分間ずつ交互に供給し、リッチ雰囲気で生成するCO2の量を自動車排気ガス分析計((株)ベスト測器製、商品名「Bex5900Csp」)を用いて測定し、酸素吸蔵放出量(OSC−c)及び酸素吸蔵放出速度(OSC−r)を算出した。これらの結果を表1〜2に示す。
耐久試験後のPd担持触媒のBET比表面積、CZ粒子の平均結晶子径を前記方法に従って算出した。これらの結果を表1〜2に示す。
先ず、イオン交換水に、硝酸アンモニウムセリウム、オキシ硝酸ジルコニル、硝酸イットリウム、硝酸アルミニウム、硝酸ランタンを、陽イオン濃度が1.0mol/L、金属塩の添加量がAl2O3:CeO2:ZrO2:Y2O3:La2O3=29.5:27.9:36.9:2.0:3.9に相当する質量比となるように溶解し、さらに6−アミノカプロン酸を0.4mol/Lとなるように溶解して複合金属酸化物の原料となる陽イオンと低分子分散剤とを含む第一の原料溶液を調製した。次いで、同量のイオン交換水に、重量平均分子量8000のポリエチレングリコールを20g/Lとなるように、エチレンジアミンを45g/Lとなるように溶解して第二の原料溶液を調製した。
Claims (10)
- アルミナを5〜30質量%、セリアを25〜39質量%、ジルコニアを33〜51質量%含有する複合金属酸化物多孔体からなり、
空気中、1100℃で5時間焼成した後の複合金属酸化物多孔体が、球面収差補正装置付き走査透過型電子顕微鏡を用いて行なったエネルギー分散型X線分析により求めた、100個の微小領域(1個の微小領域は縦300nm×横330nm)についてのアルミニウム元素、セリウム元素及びジルコニウム元素の含有率(単位:at%)の標準偏差が全て18.5以下であるという条件を満たすものであることを特徴とする排ガス浄化用触媒担体。 - 空気中、1100℃で5時間焼成した後の複合金属酸化物多孔体が、窒素吸着法により測定した1nm〜0.1μmの範囲内の細孔直径を有する細孔の合計細孔容量が0.1cm3/g以上であり、水銀圧入法により測定した0.1μm〜10μmの範囲内の細孔直径を有する細孔の合計細孔容量が0.1cm3/g以上であるという条件を満たすものであることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化用触媒担体。
- 空気中、1100℃で5時間焼成した後の複合金属酸化物多孔体が、窒素吸着法により測定したBET比表面積が2m2/g以上であるという条件を満たすものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の排ガス浄化用触媒担体。
- 空気中、1100℃で5時間焼成した後の複合金属酸化物多孔体が、前記エネルギー分散型X線分析により求めた、100個の微小領域についてのセリウム元素及びジルコニウム元素の含有率(単位:at%)の標準偏差が全て10以下であるという条件を満たすものであることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒担体。
- 請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒担体と該触媒担体に担持されている貴金属とを備えるものであることを特徴とする排ガス浄化用触媒。
- 前記貴金属がパラジウムであることを特徴とする請求項5に記載の排ガス浄化用触媒。
- アルミナ、セリア及びジルコニアを含有する複合金属酸化物多孔体からなる排ガス浄化用触媒担体の製造方法であって、
複合金属酸化物多孔体中のアルミナの含有率が5〜30質量%、セリアの含有率が25〜39質量%、ジルコニアの含有率が33〜51質量%となるように、アルミニウムイオンとセリウムイオンとジルコニウムイオンとを含有する第一の原料溶液を調製する工程と、
重量平均分子量3000〜15000の高分子分散剤を含有する第二の原料溶液を調製する工程と、
第一の原料溶液と第二の原料溶液とを1000〜200000sec−1の剪断速度となっている領域に独立に直接導入して均質混合して金属化合物のコロイド溶液を得る工程と、
前記コロイド溶液のpHを3〜5に調整する工程と、
pH調整後のコロイド溶液を脱脂し、酸化雰囲気下、700〜1050℃で熱処理して前記複合金属酸化物多孔体を得る工程と
を含むことを特徴とする排ガス浄化用触媒担体の製造方法。 - アルミナ、セリア及びジルコニアを含有する複合金属酸化物多孔体からなる排ガス浄化用触媒担体の製造方法であって、
複合金属酸化物多孔体中のアルミナの含有率が5〜30質量%、セリアの含有率が25〜39質量%、ジルコニアの含有率が33〜51質量%となるように、アルミニウムイオンとセリウムイオンとジルコニウムイオンとを含有する第一の原料溶液を調製する工程と、
重量平均分子量3000〜15000の高分子分散剤を含有する第二の原料溶液を調製する工程と、
第一の原料溶液と第二の原料溶液とを1000〜200000sec−1の剪断速度となっている領域に独立に直接導入して均質混合して金属化合物のコロイド溶液を得る工程と、
前記コロイド溶液のpHを3〜5に調整する工程と、
前記コロイド溶液に有機アミンを添加してゲル化処理を施し、金属化合物の懸濁液を得る工程と、
前記懸濁液を脱脂し、酸化雰囲気下、700〜1050℃で熱処理して前記複合金属酸化物多孔体を得る工程と
を含むことを特徴とする排ガス浄化用触媒担体の製造方法。 - 第一及び第二の原料溶液のうちの少なくとも一方が、分子量40〜200の低分子分散剤をさらに含有するものであることを特徴とする請求項7または8に記載の排ガス浄化用触媒担体の製造方法。
- 前記低分子分散剤が第一の原料溶液に含まれていることを特徴とする請求項9に記載の排ガス浄化用触媒担体の製造方法。
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