JP2014105133A - セリア−ジルコニア複合酸化物材料の製造方法及びこの方法によって得られるセリア−ジルコニア複合酸化物材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水と、セリウムイオンと、ジルコニウムイオンと、少なくとも二つのヒドロキシ基を含むヒドロキシ基含有化合物と、を含有し、アルカリ性である原料液を加熱して、水熱反応を実施してセリア−ジルコニア複合酸化物と前記ヒドロキシ基含有化合物との複合体を取得する工程と、前記複合体を還元性雰囲気下で焼成してセリア−ジルコニア複合酸化物相と炭化物相とを含む第1の焼成体を取得する工程と、前記第1の焼成体を酸化雰囲気下で焼成して前記第1の焼成体中の炭化物相を除去してセリア−ジルコニア複合酸化物相を主体とする第2の焼成体を取得する工程と、を備えるようにする。
【選択図】図1A
Description
本発明のセリア−ジルコニア複合酸化物材料は、以下の工程を実施することで製造することができる。製造方法の一例を図1(図1A及び図1B)及び図2(図2A及び図2B)に示す。
(b)第1の焼成工程
(c)第2の焼成工程
水熱反応工程は、水と、セリウム原料と、ジルコニウム原料と、少なくとも二つのヒドロキシ基を含むヒドロキシ基含有化合物と、を含有し、アルカリ性である原料液を調製後、加熱して、水熱反応を実施する工程である。この工程によれば、少なくとも部分的にセリア−ジルコニア複合酸化物とヒドロキシ基含有化合物との複合体を取得することができる。水熱反応工程では、セリウム原料とジルコニウム原料とからそれぞれの水酸化物を経て少なくとも部分的にはセリア−ジルコニア複合酸化物が生成していると考えられる。
例えば、図2Aに示すように、こうして得られた複合体には、必要に応じてさらに追加のヒドロキシ基含有化合物を保持させることができる。追加のヒドロキシ基含有化合物を複合体に保持させることで、より効果的に粒成長を抑制しつつパイロクロア相を生成させることができる。図2Bには、図2Aに記載のフローのより具体的な一例を示す。
第1の焼成工程は、複合体を還元性雰囲気下で焼成してセリア−ジルコニア複合酸化物相と炭化物相とを含む第1の焼成体を取得する工程である。第1の焼成工程によれば、複合体を還元性雰囲気下の焼成することで、炭化物相を生成させつつ炭化物相により粒成長を抑制したパイロクロア相のセリア−ジルコニア複合酸化物相を有する第1の焼成体を得ることができる。
第2の焼成工程は、第1の焼成体をさらに酸化性雰囲気下で焼成して、第2の焼成体を得る工程である。第2の焼成工程によれば、第1の焼成体中の炭化物相を酸化性雰囲気下での焼成により焼失させることで、セリア−ジルコニア酸化物相を独立の相、すなわち、粒子状とするとともにパイロクロア相からκ相を生成させることができる。第2の焼成工程の加熱条件は特に限定しないで、第1の焼成体から炭化物が除去可能な温度及び時間とすればよい。典型的には、第2の焼成工程は、空気などの酸化性雰囲気下で、300℃以上600℃以下で加熱する。好ましくは350℃以上500℃以下である。加熱時間も特に限定しないが、数時間から10数時間程度とすることができる。
(1)この複合酸化物材料を構成するセリア−ジルコニア複合酸化物粒子は、パイロクロア相(還元状態ではκ相)のセリア−ジルコニア複合酸化物を主体とする粒子である。すなわち、当該パイロクロア相を最も優勢成分として有することが好ましい。したがって、前記粒子は、パイロクロア相を全体の50モル%を超えて有していることが好ましい。より好ましく60モル%以上であり、さらに好ましくは70モル%以上であり、一層好ましくは80モル%以上であり、より一層好ましくは90モル%以上であり、さらに一層好ましくは95モル%以上であり、実質的にパイロクロア相のみからなることが最も好ましい。なお、パイロクロア相は、EDXやX線回折スペクトルなどを組み合わせるなどして確認することができる。
(2)なお、パイロクロア相(還元状態ではκ相)を有している。具体的には、CuKαを用いたX線回折パターンの2θ角が、14°、28°、37°、44.5°及び51°の位置に回折角ピークを有していることを意味している。
(3)また、この複合酸化物材料は、実質的にセリア−ジルコニア複合酸化物のみからなる。すなわち、セリア−ジルコニア複合酸化物以外の他には、不可避不純物のみを含む意味である。不可避不純物量は、特に限定しないが、通常、5質量%以下であり、好ましくは3質量%以下であり、より好ましくは1質量%以下である。
(4)平均粒子径が、1μm以下であり、100μm以下であることがより好ましく、さらに50nm以下であることが好ましい。
ただし、平均粒子径の測定は、TEM観察によるものとし、80nm×120nmの視野中で評価した。一視野中において計測する粒子数は15個とし、その平均値を取得する。好ましくは30個の視野につき、平均値を取得し、さらに当該平均値を平均化することが好ましい。
Ce(NO3)3・6H2OとZrOCl2・8H2Oとを水に溶解して、それぞれが0.1mol/lの水溶液を調製した。これに対して、グリコール酸を0.2mol/lとなるように添加し、さらに、アンモニア水を0.5mol/lとなるように添加し、pHを10の水熱反応用の原料液とした。この液を圧力容器内にて100℃、12時間加熱して水熱反応を実施し、不溶物として、セリウム水酸化物とジルコニウム水酸化物とグリコール酸との複合体を得た。
複合体を、限外ろ過フィルター(孔径0.1μm)で固液分離して回収し、回収した複合体中のセリウムに対してモル比で20倍量のグリコール酸を含有するように調製したグリコール酸のエタノール溶液に回収した複合体の全量を投入し、超音波処理を行いよく分散した。この分散液を再び、限外ろ過膜を通過させて、複合体を回収し、200℃で12時間乾燥した。この乾燥により、グリコール酸が追加保持された複合体を得た。
追加のヒドロキシ基含有化合物の保持工程において得られた複合体を、窒素雰囲気下で当初300℃〜500℃にて24時間加熱し、その後、1200℃に昇温し、1200℃で1時間加熱した。こうした工程により、炭化物相の生成を促進させた後にセリア−ジルコニア複合酸化物相の生成を促進するので、効果的にセリア−ジルコニア複合酸化物相の粒成長を抑制できた。得られた焼成体(第1の焼成体)は、パイロクロア相のセリア−ジルコニア複合酸化物相と炭化物相とを備えていた。図3に第1の焼成体のX線回折スペクトルを示す。図3に示すように、パイロクロア相に特徴的な2θ=14°付近の超格子構造に由来するピークが観察された。
第1の焼成体を次いで空気中で400℃で12時間加熱した。こうした工程により、炭化物相を焼失させるとともに、パイロクロア相をκ相とした。図3に第2の焼成体のX線回折スペクトルを示す。得られた焼成体(第2の焼成体)は、κ相に特徴的な2θ=14°付近の超格子構造に由来するピークが観察された。また、図3下図に示すように、第1の焼成体の結晶子径が11.7nmであり、第2の焼成体の結晶子径が13.3nmであることから、第2の焼成工程における粒成長が有効に抑制されており、第2の焼成体の平均粒子径もナノレベルであることがわかった。
本実施例では、第2の焼成体について酸素放出能の評価を行った。具体的には、マスフィルタ付属四重極型質量分析計(REGA-102、アルバック)を備えた固定床流通式反応装置を用いて、水素−昇温還元法(H2-TPR)による触媒の還元特性評価を行った。触媒(第2の焼成体)0.2gをφ10mmの石英反応管に充填し、装置付属のイメージ炉にセットし、所定のガスを流通させた。試験の手順は以下の通りとした。
(2)Arを流通させながら室温まで降温させる
(3)本試験としてH2−1%(Arブランク)30〜800℃(昇温速度20℃/min)で水素質量スペクトルを測定する。
Claims (8)
- セリア−ジルコニア複合酸化物材料の製造方法であって、
水と、セリウムイオンと、ジルコニウムイオンと、少なくとも二つのヒドロキシ基を含むヒドロキシ基含有化合物と、を含有し、アルカリ性である原料液を加熱して、水熱反応を実施してセリア−ジルコニア複合酸化物と前記ヒドロキシ基含有化合物との複合体を取得する工程と、
前記複合体を還元性雰囲気下で焼成してセリア−ジルコニア複合酸化物相と炭化物相とを含む第1の焼成体を取得する工程と、
前記第1の焼成体を酸化性雰囲気下で焼成して前記第1の焼成体中の炭化物相を除去してセリア−ジルコニア複合酸化物相を主体とする第2の焼成体を取得する工程と、
を備える、製造方法。 - さらに、前記複合体取得工程後であって前記第1の焼成体取得工程に先立って、前記複合体に追加のヒドロキシ基含有化合物を保持させる工程、を備える、請求項1に記載の製造方法。
- 前記複合体に対して追加のヒドロキシ基含有化合物の溶液を供給し、前記複合体から前記溶液の液体分の少なくとも一部を除去する工程である、請求項2に記載の製造方法。
- 前記水熱反応は、50℃以上200℃以下で行う、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記ヒドロキシ基含有化合物は、グリコール酸である、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法で得られる、セリア−ジルコニア複合酸化物材料。
- 内燃機関の排ガス浄化用触媒の酸素貯蔵材料である、請求項6に記載の材料。
- 排ガス浄化装置であって、
請求項6に記載のセリア−ジルコニア複合酸化物材料を含む触媒相を備える、装置。
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