JP2014100614A - 排気ガス用触媒担体及び排ガス浄化触媒 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物と、該蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物から分相化してなるセリアとを含有する排気ガス用触媒担体を提案する。
【選択図】なし
Description
このような排気ガスを処理するための触媒(以下「排ガス浄化触媒」と称する)として、CO、HC及びNOxを酸化還元することができる三元触媒(Three way catalysts:TWC)が用いられている。
自動車等の内燃機関は、加速、減速、低速走行、高速走行等の運転状況に応じて空燃比は大きく変化するため、酸素センサーを用いてエンジンの作動条件によって変動する空燃比(A/F)を一定に制御している。しかし、このように空燃比(A/F)を制御するだけでは、触媒が十分に浄化触媒性能を発揮することができないため、触媒自身にも空燃比(A/F)を制御する作用が求められる。そこで、空燃比の変化に起因して発生する触媒の浄化性能の低下を触媒自体の化学的作用により防止する目的で、触媒活性成分である貴金属に助触媒を加えた触媒が用いられている。
セリアは、価数変化(3価⇔4価)に伴い、酸素の授受特性が発現するが、ジルコニアを固溶することで、セリアの価数変化をより促進されるため、セリア−ジルコニア複合酸化物を用いた技術は、最近の排ガス浄化触媒の主流技術として採用されている。
また、特許文献2(特開2004−160433号公報)には、セリア、ジルコニア、アルミニウム、チタン及びマンガンからなる群より選択される少なくとも1種の金属と、鉄との複合酸化物からなる触媒が開示されている。
特許文献3(特開2008−18322号公報)には、酸化鉄がセリア−ジルコニア複合酸化物に分散して少なくとも部分的に固溶してなる構成の触媒が開示されている。
さらに特許文献5(特開2011−219329号公報)には、セリア及びジルコニアの複合酸化物を含むセリア−ジルコニア系複合酸化物であって、前記複合酸化物におけるセリウムとジルコニウムとの含有比率がモル比([セリウム]:[ジルコニウム])で43:57〜48:52の範囲にあり、セリアの分相を抑制してなるセリア−ジルコニア系複合酸化物、すなわち蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物と、パイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物とを含有するOSC材が開示されている。
しかしながら近年、燃料節約や排出ガス削減のため、駐停車や信号待ちなどの間にエンジンを停止させる停車時エンジン停止機構(アイドリングストップ機構)が採用されるなど、時代背景的にみても、低温特性、言い換えるならば、エンジンスタート時のOSC能及び排ガス浄化性をさらに高めることが求められている。
本実施形態の一例に係る触媒担体(「本触媒担体」と称する)は、蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物と、該蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物から分相化してなるセリアとを含有するOSC材(「本OSC材」と称する)を含む触媒担体である。
また、「セリアが分相化している」とは、X線回折測定において、2θ=28.5°に帰属する回折ピークと、2θ=29.0〜30.0°との間に帰属する回折ピークの両方が存在している状態である。
すなわち、2θ=28.5°の回折ピークは、分相化してなるセリア(CeO2)の(111)面に帰属し、2θ=29.0〜30.0°の間の回折ピークは、固溶相としての蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物(CexZr1−xO2(式中:0<X<1))の(111)面に帰属するため、前記ピーク面積比Aは、蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物に対する分相化してなるセリアの含有割合の指標として示すことができる。よって、本発明では、前記ピーク面積比Aを「分相率」とも称する。
そして、本OSC材におけるピーク面積比Aは、0.05〜1.00の範囲であれば、低温域において優れたOSC能を発揮することができ、優れた排ガス浄化性能を発揮することができる。
よって、かかる観点から、本OSC材における前記ピーク面積比Aは、0.05〜0.50であるのがより一層好ましく、中でも0.30以下、中でも特に0.10以上或いは0.25以下、その中でも0.15以上或いは0.25以下であるのがさらに好ましい。
本OSC材は、蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物を製造する過程で、それから分相化してなるセリアを含有することが重要であり、イメージとしては、蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物の固溶体である粒子の表面に、分相化してなるセリアが存在している状態である。よって、蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物と、セリア粒子との混合物とは異なるものである。
この前駆体1が分散した水溶液を40〜80℃に加熱させたところに、硝酸Ce六水和物若しくは塩化Ce七水和物を純水で溶解させて得た溶液(「溶液3」と称する:セリア分相部分(一部は先のCZ核と反応して固溶する))を、前駆体1の固形分質量に対して溶液3の固形分質量が5〜50質量%となるように加えて混合し、さらにアンモニア水若しくは水酸化Na水溶液をpHが8以上になるまで70〜110mL/minの送液速度で滴下させて水酸化物(前駆体2)を得る。
この前駆体2をろ過し、残渣を純水中に分散させ、再びろ過する工程を4〜5回繰り返した後、得られた残渣を110〜150℃で一昼夜乾燥させ、100メッシュ以下に粉砕処理を施した後、大気中で650〜850℃にて1時間〜10時間焼成してセリア分相型CZ粉末、すなわち本OSC材を得ることができる。
この際、上記前駆体1(CZの核となる部分)に加える溶液3(セリア分相部分)の量を調整することでセリアの分相率を調整することができる。また、セリウムとジルコニウムの含有比率(モル比)、焼成温度、焼成時間、滴下速度などを調整することによっても、セリアの分相率を調整することができる。
本触媒担体は、本OSC材のほかに、パイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物(Ce2Zr2O7)を含有するOSC材を含有するのが好ましい。
パイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物を含有することで、低温域におけるOSC能ばかりか、高温域におけるOSC能までも高めることができるから、低温域及び高温域において高い排ガス浄化能を発揮することができる。
パイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物は、蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物よりも「−Ce−O−Zr−O−Ce−」の原子配列が規則的にならないと析出しない結晶相であり、この規則性が高いためCeの価数変化がより活性化しやすいと考えられ、本触媒担体の高温域での酸素授受能力をさらに高めることができる。
かかる割合でパイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物を含有することにより、OSC材としてより一層優れた高温特性を発揮することができる。
よって、かかる観点から、蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物とパイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物との質量比率は20:50〜65:5が好ましく、中でも35:35〜65:5、その中でも特に35:35〜53:17であるのがより好ましい。
なお、パイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物は、粒子状であっても、他の形状であってもよい。
本実施形態の一例に係る触媒組成物(「本触媒組成物」と称する)は、上記本触媒担体と、触媒活性成分とを含むものであり、必要に応じて、他の触媒担体、バインダー、安定化材などを含むことができる。
触媒活性成分としては、例えばパラジウム(Pd)、白金、ロジウム、金、銀、ルテニウム、イリジウム、ニッケル、セリウム、コバルト、銅、オスミウム、ストロンチウム等を挙げることができ、これらのうちの一種又は2種以上の組み合わせを用いることができる。
中でも好ましくは、パラジウム(Pd)、白金(Pt)及びロジウム(Rh)であり、これらのうちの一種又は2種以上の組み合わせを用いるのが好ましい。
本触媒組成物は、必要に応じて、本触媒担体のほかに、他の触媒担体を含むのが好ましい。
他の触媒担体としては、無機多孔質、例えばシリカ、アルミナおよびチタニア化合物から成る群から選択される化合物の多孔質体、より具体的には、例えばアルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、アルミノ−シリケート類、アルミナ−ジルコニア、アルミナ−クロミアおよびアルミナ−セリアから選択される化合物からなる多孔質体などの他の担体成分を含んでいてもよい。これらのうちの一種又は2種以上の組み合わせを用いることができる。
本触媒組成物は、必要に応じて、安定剤を含むのが好ましい。
安定剤としては、例えばアルカリ土類金属やアルカリ金属を挙げることができる。中でも、マグネシウム、バリウム、ホウ素、トリウム、ハフニウム、ケイ素、カルシウムおよびストロンチウムから成る群から選択される金属のうちの一種又は二種以上を選択可能である。その中でも、PdOxが還元される温度が一番高い、つまり還元されにくいという観点から、バリウムが好ましい。
本触媒組成物は、必要に応じて、バインダーを含むのが好ましい。
バインダ−成分としては、無機系バインダー、例えばアルミナゾル等の水溶性溶液を使用することができる。
本触媒組成物は、必要に応じて他の成分を含有することができる。
本実施形態の一例に係る触媒(「本触媒」と称する)は、ペレット状などの適宜形状に成形され、単独で触媒として用いることもできるし、また、セラミックス又は金属材料からなる基材に担持された形態として用いることもできる。
上記の基材の材質としては、セラミックス等の耐火性材料や金属材料を挙げることができる。セラミック製基材の材質としては、耐火性セラミック材料、例えばコージライト、コージライト−アルファアルミナ、窒化ケイ素、ジルコンムライト、スポジュメン、アルミナ−シリカマグネシア、ケイ酸ジルコン、シリマナイト(sillimanite)、ケイ酸マグネシウム、ジルコン、ペタライト(petalite)、アルファアルミナおよびアルミノシリケート類などを挙げることができる。金属製基材の材質としては、耐火性金属、例えばステンレス鋼または鉄を基とする他の適切な耐食性合金などを挙げることができる。
ハニカム材料としては、例えばセラミックス等のコージェライト質のものを用いることができる。また、フェライト系ステンレス等の金属材料からなるハニカムを用いることもできる。
ハニカム形状の基材を用いる場合、例えば基材内部を流体が流通するように、基材内部に平行で微細な気体流通路、すなわちチャンネルを多数有するモノリス型基材を使用することができる。この際、モノリス型基材の各チャンネル内壁表面に、触媒組成物をウォッシュコートなどによってコートして触媒層を形成することができる。
本触媒組成物を用いて形成する触媒層は、単層であっても、二層以上の多層であってもよい。また、本触媒組成物を用いて形成する触媒層以外の触媒層を備えていてもよい。
「触媒層」とは、ガス吸着作用乃至ガス浄化触媒作用を有する層を意味し、触媒活性成分を含有していればガス浄化触媒作用を有するから該当するが、必ずしも触媒活性成分を含有していなくてもよい。
これらの際、触媒層と触媒層の間に、触媒層ではない層、例えば多孔質耐火性無機酸化物粉体からなる層や、多孔質耐火性無機酸化物粉体及び助触媒成分からなる層などの層が存在していてもよい。
この際、排気ガスの流通方向において、触媒層B、触媒層Aの順に設けてなる構成のものを挙げることもできるし、又、基材上に触媒層B、触媒層Aの順に設けてなる構成のものを挙げることもできる。
この際、触媒層Bにおいては、本OSC材、パイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物を含有するOSC材を含有する場合には該OSC材、アルミナ等の無機多孔質体のそれぞれにPdが担持されることになる。
触媒層Bにパイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物を配合する場合には、触媒層B中のパイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物100質量部に対して、Pdを0.2質量部以上、中でも0.2〜1.7質量部、その中でも0.2〜1.3質量部、さらに0.2〜1.0質量部の割合で含有するのが好ましい。
本明細書において「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含する。
また、「X以上」(Xは任意の数字)或いは「Y以下」(Yは任意の数字)と表現した場合、「Xより大きいことが好ましい」或いは「Y未満であることが好ましい」旨の意図も包含する。
セリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物69.4質量%と、無機多孔質体粉末としてのAl2O325.0質量%と、無機系バインダー5.6質量%とを混合して下層担持材料組成物を調製し、これら下層担持材料組成物の総質量100質量部に対して、Pdメタル換算で1.2質量部に相当する量の硝酸Pd溶液を前記下層担持材料組成物に添加し、下層形成用Pd含有スラリーを得た。
他方、ホタル石型CeO2-ZrO2系複合酸化物45.0質量%と、無機多孔質体粉末としてのAl2O345.0質量%と、無機系バインダー7.0質量%とを混合して上層担持材料組成物を調製し、これら上層担持材料組成物の総質量100質量部に対して、Ptメタル換算で0.3質量部に相当する量の硝酸Pt溶液と、同じくRhメタル換算で0.3質量部に相当する量の硝酸Rh溶液とを、前記上層担持材料組成物に添加し、上層形成用Pt・Rh含有スラリーを得た。
次に、上記の如く下層を塗布形成したコージェライト製ハニカム基材の該下層上に、前記上層形成用Pt・Rh含有スラリーを塗布し、次いで乾燥及び500℃で1時間焼成処理を施して上層を形成し、触媒(サンプル)を作製した。この際、上層におけるPt塗布量は5.7g/cft、Rh塗布量は5.7g/cft、ウォッシュコート量は70.4g/Lであった。
セリアの分相率は、X線回折測定により得られるCuKα線を用いたX線回折パターンから求められる2θ=29.5°の回折ピークに対する、2θ=28.5°の回折ピークのピーク面積比の意味である。
この前駆体1が分散した水溶液を55℃に加熱させたところに、硝酸Ce六水和物もしくは塩化Ce七水和物を純水で溶解させて得た溶液(「溶液3」と称する:セリア分相部分(一部は先のCZ核と反応して固溶する))を、前駆体1の固形分質量に対して溶液3の固形分質量が5質量%となるように加えて混合し、さらにアンモニア水もしくは水酸化Na水溶液をpHが8以上になるまで20mL/minの送液速度で滴下させて水酸化物(前駆体2)を得た。
この前駆体2をろ過し、残渣を純水中に分散させ、再びろ過する工程を4〜5回繰り返した後、得られた残渣を120℃で一昼夜乾燥させ、100メッシュ以下に粉砕処理を施した後、大気中で800℃にて5時間焼成してセリア分相型CZ粉末を得た。なお、得られたセリア分相型CZ粉末のセリウム:ジルコニウム(モル比)は30:70であった。
配合したセリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物の作製方法に関して、前駆体1が分散した水溶液に対して溶液3を加える量を変更した。すなわち、前駆体1の固形分質量に対する溶液3の固形分質量が10〜50質量%となるように調整して、セリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物におけるセリアの分相率を変化させた以外、実施例1と同様にセリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物を得た。また、このようにして作製したセリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物用いた以外、実施例1と同様に、触媒(サンプル)を作製した。
配合したセリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物の作製方法に関して、前駆体1が分散した水溶液に対して溶液3を加える量を変更した。すなわち、前駆体1の固形分質量に対する溶液3の固形分質量が0質量%となるように調整して加えた。つまり、溶液3を添加することなく、前駆体1を直接、ろ過工程に供した以外、実施例1と同様に、触媒(サンプル)を作製した。
「下層担持材料」とは、下層を構成する材料のうち活性成分(例えばPdなど)を除いた材料の意味であり、「下層担持材料総質量」とはそれら下層担持材料の合計量の意味である。
「上層担持材料」とは、上層を構成する材料のうち活性成分(例えばPt、Rhなど)を除いた材料の意味であり、「上層担持材料総質量」とはそれら上層担持材料の合計量の意味である。
また、各材料の量は、特に記載しない限り、含有量を示すものである。
表中の( )内の数値は各層担持材料総質量に対する質量%を意味する。但し、PdRh又はPt添加量の( )内の数値は、各層担持材料総質量100質量に対するこれら活性成分の担持量の質量部を意味し、各構成材料のPd担持量の( )内の数値は、各構成材料100質量部に対するPd担持量の質量部を意味する。
これらは、後述する表においても同様である。
実施例・比較例で得た触媒(サンプル)を、ハニカム基材のセル方向に沿って排ガスが流通するように設置し、下記耐久条件下でエンジンを駆動させ、下記測定方法によりハニカム触媒流通後の排ガス成分量を測定した。そして、表中には、各実施例・比較例の排ガス成分量を、比較例1の排ガス成分量を100とした場合の相対値で示した。
5〜10万キロ走行を想定した劣化処理として、次のような耐久条件を課した。
・耐久用エンジン:乗用NA 2L ガソリンエンジン
・使用ガソリン:市販レギュラーガソリン
・耐久温度・時間:1,000℃×40hrs+650℃×10hrs
・触媒前段空燃比変動:13.5(10sec)→14.6(20sec)→15.5(10sec)の繰り返し
・評価車輌:軽乗用ガソリン車
・使用ガソリン:認証試験用燃料
・測定モード:JC08Coldモード+JC08Hotモード(:自動車排気ガスの浄化能力を評価する際に用いられる国土交通省が定めた走行テストモード)
・排気ガスの分析機器:HORIBA社製 MEXA7000
・触媒の配置:エンジン直下位置
また、セリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物(分相CZ)におけるセリアの分相率は、0.05〜1.00、中でも0.05〜0.50、中でも特に0.30以下であるのが好ましく、その中でも0.10以上或いは0.25以下、特に0.15以上或いは0.25以下がさらに好ましいことが分かった。
上記実施例1−8の中で最も評価が高かった実施例4を基準として、「分相CZの添加量」と「無機多孔質Al2O3」を表2のように変更して比較検討した。それ以外の点では、実施例4と同様に触媒(サンプル)を作製した。
実施例4を基準とし、これにパイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物(Py−CZ)を配合して比較検討した。
この際、パイロクロア型CeO2-ZrO2系複合酸化物の含有量に関しては、下層において、セリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物(表中の「分相CZ」)とパイロクロア型CeO2-ZrO2系複合酸化物(表中の「Py−CZ」)との質量比率が20:50〜65:5、中でも35:35〜65:5、その中でも特に35:35〜53:17となるように、パイロクロア型CeO2-ZrO2系複合酸化物を含有させるのが好ましいことが分かった。
上層にも、パイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物(Py−CZ)を配合した点を除いて、実施例14と同様に触媒を作製した。
上記実施例13において、下層担持材料総質量を表9のように変更した以外の点は、実施例13と同様に触媒(サンプル)を作製した。
セリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物100質量部を、Pdメタル換算で2.1質量部に相当する硝酸Pd溶液に添加し、セリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物にPdを担持させて、分相CZ・Pd含有スラリーを得た。
パイロクロア型CeO2-ZrO2系複合酸化物100質量部を、Pdメタル換算で0.2質量部に相当する硝酸Pd溶液に添加し、パイロクロア型CeO2-ZrO2系複合酸化物にPdを担持させて、Py−CZ・Pd含有スラリーを得た。
また、無機多孔質体粉末としての無機多孔質Al2O3100質量部を、Pdメタル換算で1.2質量部に相当する硝酸Pd溶液に添加し、無機多孔質Al2O3にPdを担持させて、Al2O3・Pd含有スラリーを得た。
そして、下層担持材料総質量(180g/L)に対して、上記分相CZ・Pd含有スラリー、Py−CZ・Pd含有スラリー及び無機多孔質Al2O3・Pd含有スラリーを、固形分質量としてそれぞれ65/180、60/180、45/180の質量割合で混合し、さらにこの混合スラリーに対して無機系バインダーを10/180の質量割合で添加し、下層形成用Pd含有スラリーを得た。これ以外の点については、実施例4と同様にして触媒(サンプル)を作製した。
表11のように、セリア分相型CeO2-ZrO2系複合酸化物に対するPdの担持量、並びに、パイロクロア型CeO2-ZrO2系複合酸化物に対するPdの担持量を変化させた以外、実施例21と同様にして触媒(サンプル)を作製した。
また、パイロクロア型CeO2-ZrO2系複合酸化物(100質量部)に対するPdの担持量は、0.2質量部以上、中でも0.2〜1.7質量部、その中でも0.2〜1.3質量部、さらに0.2〜1.0質量部であるのが好ましいことが分かった。
Claims (7)
- 蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物と、該蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物から分相化してなるセリアとを含有する排気ガス用触媒担体。
- X線回折測定により得られるCuKα線を用いたX線回折パターンから求められる2θ=29.0〜30.0°の間の回折ピークに対する、2θ=28.5°の回折ピークのピーク面積比が0.05〜1.00であることを特徴とする請求項1記載の排気ガス用触媒担体。
- 請求項1又は2に記載の排気ガス用触媒担体と、パイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物を含有する排気ガス用触媒担体とを含有する排気ガス用触媒担体。
- 蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物とパイロクロア型セリア−ジルコニア複合酸化物との質量比率が20:50〜65:5であることを特徴とする請求項3に記載の排気ガス用触媒担体。
- Pdと、請求項1〜4の何れかの排気ガス用触媒担体と、を含有する触媒組成物。
- Pt又はRh又はこれら両方を含有する触媒層Aと、Pdを含有する触媒層Bとを備えた排ガス浄化触媒において、少なくとも触媒層Bは、請求項1〜4の何れかの排気ガス用触媒担体を含有する排ガス浄化触媒。
- 蛍石型セリア−ジルコニア複合酸化物と分相化してなるセリアの合計量に対して、Pdを0.3〜8.0質量%含有することを特徴とする請求項6に記載の排ガス浄化触媒。
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