JP2016512469A - 偏析したウォッシュコートを伴う触媒物品、及びその作製方法 - Google Patents

偏析したウォッシュコートを伴う触媒物品、及びその作製方法 Download PDF

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Abstract

触媒物品、及び単一のコーティングプロセスを使用してそれを作製する方法を提供する。該触媒物品は、複数の縦方向に延在する通路を有する細長い基材モノリスを備え、各通路は、少なくとも第１の表面、及び第１の表面とは反対の第２の表面を有し、第１及び第２の表面は、少なくとも第１のコーティング及び第２のコーティングでコーティングされ、第１のコーティングは、第１の触媒組成物を含み、かつ第１の表面上の第２のコーティングに重なり、第２のコーティングは、第２の触媒組成物を含み、かつ第２の表面上の第１のコーティングに重なり、第１の触媒組成物及び第２の触媒組成物は、表面電荷における相違を有する。ウォッシュコートは、１つのスラリとして適用され得、次いで、これは、２つのコーティングに自己偏析する。【選択図】図１

Description

本発明は、概して、排気ガスの処理のための触媒に関する。
より具体的には、本発明は、偏析したウォッシュコートを有する触媒物品を対象とする。
内部燃焼エンジンの排気ガスは、空気を汚染する炭化水素、一酸化炭素、及び酸化窒素（ＮＯｘ）といった汚染物質を含有する。未燃炭化水素、一酸化炭素、及び酸化窒素汚物質に対する排出基準は、種々の政府によって設定されており、より古い、ならびに新しい車両によって満たされなければならない。かかる基準を満たすために、三元触媒（ＴＷＣ）を含有する触媒コンバータが、内部燃焼エンジンの排気ガスライン中に位置し得る。排気ガス触媒の使用は、空気質の著しい改善に寄与している。ＴＷＣは、最も一般的に使用される触媒であり、それは、ＣＯの酸化、未燃炭化水素（ＨＣ）の酸化、及びＮ２へのＮＯｘの還元の３つの機能を提供する。ＴＷＣは、典型的に、１つ以上の白金族金属（ＰＧＭ）を利用して、同時にＣＯ及びＨＣを酸化し、ＮＯｘ化合物を還元する。ＴＷＣの最も一般的な触媒成分は、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びパラジウム（Ｐｄ）である。
ＴＷＣ触媒における白金族金属（ＰＧＭ）（例えば、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及びイリジウム）は、典型的に、高表面積、耐火性金属酸化物支持体、例えば、高表面積アルミナコーティング、または酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）、またはそれらの混合物上に分散される。支持体は、耐火性セラミックもしくは金属ハニカム構造、または好適な耐火性材料の球状もしくは短い押出されたセグメントといった耐火性粒子を含む、モノリス基材といった好適な基材上に担持される。ＴＷＣ触媒基材はまた、ワイヤメッシュ、典型的に金属ワイヤメッシュであってもよく、これは、小さいエンジンにおいて特に有用である。
多くのＴＷＣ触媒は、主な触媒活性種を代表するパラジウム及びロジウムといった貴金属を分離するために、基材（例えば、セラミックまたは金属から成るハニカム体）上の連続層として水性分散液の形態で適用される、少なくとも２つの別々の触媒コーティング組成物（ウォッシュコート）で製造される。分離は、パラジウム及びロジウムといった一部の白金族金属が、より触媒活性が少ないことが既知である合金を形成し得るため、歴史的に必要であった。
貴金属（即ち、パラジウム及びロジウム）を含有しつつ、別々の層に対して個々にこれらの金属を提供する組成物と比較して、触媒性能を維持及び／または改善する、単一のウォッシュコート組成物を提供する必要性が存在する。また、１つのコーティングステップにおいて、単一のウォッシュコート組成物を適用することに対する必要性も存在する。また、貴金属を効率的に利用し、かつ制御されたＨＣ、ＮＯｘ、及びＣＯ変換を満たすために有効なままである、ＴＷＣ触媒複合物を提供する継続的な必要性も存在する。
本発明の第１の態様は、触媒物品であって、複数の縦方向に延在する通路を有する細長い基材モノリスを備え、各通路は、少なくとも第１の表面、及び第１の表面とは反対の第２の表面を有し、第１及び第２の表面は、少なくとも第１のコーティング及び第２のコーティングでコーティングされ、第１のコーティングは、第１の触媒組成物を含み、かつ第１の表面上の第２のコーティングに重なり、第２のコーティングは、第２の触媒組成物を含み、かつ第２の表面上の第１のコーティングに重なり、第１の触媒組成物及び第２の触媒組成物は、表面電荷における相違を有する、触媒物品に関する。１つ以上の実施形態において、表面電荷における相違は、約１０クーロン／ｍ２以上である。
１つ以上の実施形態において、第１の組成物は、第１の白金族金属を含む。一部の実施形態において、第１の白金族金属は、第１の支持体材料に熱的または化学的に固定される。１つ以上の実施形態において、第１の白金族金属は、パラジウム及び／または白金を含む。一部の実施形態において、パラジウムは、全触媒の約０．０５〜１０重量％の量で存在する。１つ以上の実施形態において、第２の組成物は、第２の支持体材料に熱的または化学的に固定される第２の白金族金属を含む。一部の実施形態において、第２の白金族金属は、第２の支持体材料に熱的または化学的に固定される。１つ以上の実施形態において、第２の白金族金属は、ロジウムを含む。一部の実施形態において、ロジウムは、全触媒の約０．００５〜５重量％の量で存在する。
１つ以上の実施形態において、第２の支持体は、セリアを含む。一部の実施形態において、第１の白金族金属は、パラジウムを含み、第２の白金族金属は、ロジウムを含み、パラジウム及びロジウムは、約１：１０〜約１００：１の比で存在する。１つ以上の実施形態において、パラジウム及びロジウムは、約５〜約３００グラム／立方フィートの量で存在する。一部の実施形態において、第１の支持体は、アルミナを含み、第２の支持体は、セリアを含む。１つ以上の実施形態において、第１の支持体は、ジルコニアを含み、第２の支持体は、セリアを含む。一部の実施形態において、ジルコニアは、セリアでドープされる。
本発明の別の態様は、触媒物品を作製する方法に関する。該方法は、第１の表面電荷、及び第１の支持体粒子に熱的または化学的に固定される第１の白金族金属を有する、第１の支持体を提供することと、第１の表面電荷未満の第２の表面電荷、及び第２の支持体粒子に熱的または化学的に固定される第２の白金族金属を有する、第２の支持体を提供することと、液体媒体、ならびに第１及び第２の支持体を含む、単一のスラリ中に第１及び第２の支持体を懸濁させることと、単一のウォッシュコートを基材に適用することと、を含む。
１つ以上の実施形態において、単一のウォッシュコートは、２つの組成的に別個のコーティングである、第１のコーティング及び第２のコーティングを提供する。一部の実施形態において、基材は、複数の縦方向に延在する通路を有する細長い基材モノリスを備え、各通路は、少なくとも第１の表面、及び第１の表面とは反対の第２の表面を有し、第１のコーティングは、第１の表面上の第２のコーティングに重なり、第２のコーティングは、第２の表面上の第１のコーティングに重なる。１つ以上の実施形態において、表面電荷における相違は、約１０クーロン／ｍ２以上である。一部の実施形態において、第１の支持体は、セリアを含み、第２の支持体は、ジルコニアを含む。１つ以上の実施形態において、第１の支持体は、高密度セリアを含み、第２の支持体は、Ｐｒでドープされる低密度ジルコニアを含む。
一部の実施形態において、白金族金属を第１の支持体及び第２の支持体に熱的に固定することは、白金族金属を第１及び第２の支持体上に含浸して、含浸された支持体を提供することと、含浸された支持体をか焼することと、を含む。１つ以上の実施形態において、含浸された支持体は、約１００〜約８００℃の範囲の温度で、少なくとも約０．２５〜約４時間か焼される。一部の実施形態において、スラリのｐＨは、約３〜約９の範囲内に維持される。１つ以上の実施形態において、スラリｐＨは、有機酸を添加することによって制御される。一部の実施形態において、有機酸は、酒石酸、ギ酸、または硝酸を含む。１つ以上の実施形態において、第１の支持体粒子に熱的または化学的に固定される白金族金属は、全触媒の約０．５〜１０重量％の量でＲｈを含む。一部の実施形態において、第２の支持体粒子に熱的に固定される白金族金属は、全触媒の約０．０５〜５重量％の量でＰｄまたはＰｔを含む。
１つ以上の実施形態において、第１の支持体は、アルミナを含み、第２の支持体は、セリアを含む。一部の実施形態において、第１の支持体は、ジルコニアを含み、第２の支持体は、セリアを含む。１つ以上の実施形態において、ジルコニアは、セリアでドープされる。
本発明の１つ以上の実施形態に従う、基材をコーティングする前及び後のスラリ中の２つの支持体の表示である。 本発明の１つ以上の実施形態に従う、基材をコーティングする前及び後のスラリ中の２つの支持体の表示である。 本発明の１つ以上の実施形態に従う、触媒物品の透過電子顕微鏡像である。 本発明の１つ以上の実施形態に従う、触媒物品の透過電子顕微鏡像である。
触媒物品、及びそれを生成する方法を提供する。該触媒物品は、単一のウォッシュコートプロセスから有利に作製され、それにより、ウォッシュコートは、その中に含有される触媒粒子の表面電荷に基づき、２つ以上のコーティングに偏析する。一部の実施形態において、これらのプロセスによって生成される触媒物品は、基材中の所与のチャネルとは反対上で反対の順序を有するコーティングの順序を特徴とする。つまり、１つのコーティングが第２のものに重なる場合、第２のものは、対向する壁上で第１のものに重なる。他の実施形態において、これらのプロセスによって生成される触媒物品は、従来的であり、つまり、同じ層は、常に基材により近い。
触媒物品
したがって、本発明の一態様は、触媒物品であって、複数の縦方向に延在する通路を有する細長い基材モノリスを備え、各通路は、少なくとも第１の表面、及び第１の表面とは反対の第２の表面を有し、第１及び第２の表面は、少なくとも第１のコーティング及び第２のコーティングでコーティングされ、第１のコーティングは、第１の触媒組成物を含み、かつ第１の表面上の第２のコーティングに重なり、第２のコーティングは、第２の触媒組成物を含み、かつ第２の表面上の第１のコーティングに重なり、第１の触媒組成物及び第２の触媒組成物は、表面電荷における相違を有する、触媒物品に関する。
２つの第１及び第２のコーティングの偏析は、第１及び第２の触媒組成物の表面電荷における相違を伴う材料を創出または選択することによって達成される。したがって、１つ以上の実施形態において、表面電荷における相違は、約１０クーロン／ｍ２、または約１２クーロン／ｍ２以上である。表面電荷は、ゼータ電位プローブ分析器を使用して測定することができる。したがって、表面電荷修飾は、単一層触媒における貴金属偏析を達成する上で重要な役割を果たし得る。例えば、ジルコニアは、セリアよりも塩基性がより低く、このため、セリアは、ジルコニアと比較して、アニオンに対して比較的より低い親和性を示すであろう。そのため、硝酸イオンで被覆されるジルコニアは、スラリ中で別々の層を形成する傾向があり、ウォッシュコートとして適用される時。図１Ａ及びＢは、この概念を例解する。図１Ａは、ジルコニア系粒子及びセリア系粒子を含有するスラリを伴う容器を示す。図１Ｂは、基材上にウォッシュコートされた後のスラリを示す。一度、スラリが基材上にコーティングされると、それは、分離し、個別のジルコニア及びセリア層をもたらす。一部の実施形態において、表面は、種の吸着（例えば、有機イオン及び／または有機界面活性剤）を使用した表面の修飾によってさらに修飾することができる。
１つ以上の実施形態において、触媒組成物は、貴金属または白金族金属を含む。一部の実施形態において、第１の組成物は、第１の白金族金属を含む。１つ以上の実施形態において、第２の組成物は、第２の支持体材料に熱的または化学的に固定される第２の白金族金属を含む。一部の実施形態において、第１の白金族金属は、第１の支持体材料に熱的または化学的に固定される。１つ以上の実施形態において、第１の白金族金属は、パラジウムまたは白金を含む。１つ以上の実施形態において、パラジウムは、全触媒の約０．２、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０重量％の量で存在する。一部の実施形態において、パラジウムは、全触媒の約１〜３重量％の量で存在する。さらなる実施形態において、パラジウムは、全触媒の約１．４重量％の量で存在する。１つ以上の実施形態において、第１の支持体は、ジルコニアを含む。
１つ以上の実施形態において、第２の白金族金属は、第２の支持体材料に熱的または化学的に固定される。一部の実施形態において、第２の白金族金属は、ロジウムを含む。１つ以上の実施形態において、ロジウムは、全触媒の約０．２、０．５、１、２、３、４、または５重量％の量で存在する。一部の実施形態において、ロジウムは、全触媒の約１〜５、または１〜３重量％の量で存在する。１つ以上の実施形態において、ロジウムは、全触媒の約０．２５重量％の量で存在する。一部の実施形態において、第２の支持体は、セリアを含む。１つ以上の実施形態において、第１の白金族金属は、パラジウムを含み、第２の白金族金属は、ロジウムを含み、パラジウム及びロジウムは、約１：１〜約５０：１または５：１〜約２０：１または約１０〜約１の比で存在する。一部の実施形態において、パラジウム及びロジウムは、約５〜約３００、または約１０〜約１００グラム／立方フィートの量で存在する。所与の支持体上に２つ以上の白金族金属がある場合、白金族金属は、合金、粒子集合体、コアシェル等の形態であってもよい。
層は、その各々がそれ自体の支持体上にある２つ以上の貴金属を含有する単一のウォッシュコート層から形成され、基材上の同じ層中で金属の均質の混合物をもたらす。貴金属のうちの１つ以上は、それらの個々の支持体に固定され、これは、貴金属成分（ｐｒｅｃｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）が、ウォッシュコート分散液中で可溶性ではないことを意味する。貴金属の固定は、化学的または熱的固定によって行うことができる。熱的固定に関して、「熱的に固定された」貴金属を生成するために、それは、含浸された支持体が、貴金属がそれらの酸化物形態に変換されるように熱で処理されること、及び水性スラリ中で支持体上の熱的に固定された貴金属を使用すると、貴金属が可溶性ではなく、かつ合金化／凝集しないことを意味する。化学的固定に対して、支持体を伴う貴金属塩の分散液のｐＨまたは一部の他のパラメータは、貴金属成分をウォッシュコート分散液中で不溶性にするように変更される。ウォッシュコートの厚さは、ウォッシュコートの充填に依存する。一部の実施形態において、厚さは、約１００〜約２００ミクロンである。ウォッシュコートの多孔性は、粒子自体及び粒子間に依存する。後者は、支持体材料の粒径に依存する。粒子自体に対する孔径は、約１０〜約２００ナノメートル以内であり、粒子間は、通常、約１００ナノメートル〜約３０ミクロン以内である。
触媒ウォッシュコート層における「支持体」への言及は、会合、分散、含浸、または他の好適な方法を通じて、貴金属、安定剤、促進剤、結合剤等を受容する材料を指す。有用な高表面積支持体は、１つ以上の耐火性酸化物を含む。これらの酸化物としては、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、ならびにシリカ−アルミナ、アルミノケイ酸塩（非晶質または結晶性であり得る）、アルミナ−ジルコニア、アルミナ−セリア、チタン−アルミナ、及びジルコニウム−ケイ酸塩といったこれらの混合酸化物形態が挙げられる。一実施形態において、支持体は、アルミナから成る。アルミナは、ガンマ及びベータアルミナといった、ガンマ、デルタ、シータ、または遷移アルミナのメンバ、ならびに存在する場合、少量の他の耐火性酸化物、例えば、約最大２０重量パーセントを含む。高表面積耐火性金属酸化物支持体は、高い外表面積、２０Å超の孔、及び広い孔分布を有する、支持体粒子を指す。酸化触媒とともに使用される、高表面積耐火性金属酸化物支持体、例えば、「ガンマアルミナ」または「活性アルミナ」は、典型的に、６０平方メートル／グラム（「ｍ２／ｇ」）を超える、しばしば最大約２００ｍ２／ｇ以上のＢＥＴ表面積を呈する。「ＢＥＴ表面積」は、Ｎ２吸着によって表面積を判定するためのＢｒｕｎａｕｅｒ、Ｅｍｍｅｔｔ、Ｔｅｌｌｅｒ方法を指す。本明細書において使用される際、「活性アルミナ」という用語は、限定されないが、ガンマ−アルミナといったアルミナの高表面積相を指す。かかる活性アルミナは、通常、アルミナのガンマ及びデルタ相の混合物であるが、相当量のエータ、カッパ、及びシータアルミナ相も含有し得る。活性アルミナ以外の耐火性金属酸化物は、所与の触媒中の触媒成分のうちの少なくとも一部に対する担体として利用されてもよい。例えば、バルクセリア、ジルコニア、アルファ−アルミナ、及び他の材料が、かかる使用に対して既知である。これらの材料のうちの多くは、活性アルミナよりも低いＢＥＴ表面積を有するが、その不利点は、結果として得られる触媒のより大きい耐久性、または支持体上に堆積される貴金属との有益な相互作用によって、相殺される傾向がある。支持体の例としては、高表面積耐火性金属酸化物、及び酸素貯蔵成分を含有する複合物が挙げられるが、これらに限定されない。例示的な支持体材料は、高表面積酸化アルミニウム（＞８０、９０、１００、１２５、またはさらには１５０ｍ２／ｇ）（種々の修飾にける）、ランタナといった安定剤と組み合わせることができる酸化ジルコニウム成分（即ち、Ｚｒ−Ｌａ複合物）、及び酸素貯蔵成分（即ち、種々の実施形態におけるセリウム−ジルコニウム混合酸化物）である。例示的な高表面積耐火性金属酸化物は、アルミナ、アルミナ−ジルコニア、アルミナ−セリア−ジルコニア、ランタナ−アルミナ、ランタナ−ジルコニア−アルミナ、バリア−アルミナ、バリアランタナ−アルミナ、バリアランタナ−ネオジミアアルミナ、及びアルミナ−セリアから成る群より選択される、活性アルミナ化合物を含むことができる。他の好適な支持体としては、シリカ、チタニアゼオライト等が挙げられ得る。
１つ以上の実施形態において、第１の支持体は、アルミナを含み、第２の支持体は、セリアを含む。他の実施形態において、第１の支持体は、ジルコニアを含み、第２の支持体は、セリアを含む。支持体はまた、他の元素で促進されてもよい。例えば、支持体は、Ｐｒで促進されたジルコニア、またはＢａ／Ｌａで促進されたズルミナ（ｚｌｕｍｉｎａ）を含んでもよい。
１つ以上の実施形態において、１つ以上の触媒組成物は、「基材」上に配置される。基材は、触媒を調製するために典型的に使用されるそれらの材料のうちのいずれであってもよく、好ましくは、セラミックまたは金属ハニカム構造を含む。基材の入口または出口面からそれを通って延在する微細な、平行なガス流通路を有するタイプのモノリス基材といった、任意の好適な基材が採用されてもよく、それにより、通路は、そこを通る流体流（基材を通るハニカム流と称される）に対して開放されている。それらの流体入口からそれらの流体出口への本質的に直線の経路である通路は、その上に触媒材料がウォッシュコートとしてコーティングされる壁によって画定され、それにより、通路を通って流れるガスは、触媒材料と接触する。モノリス基材の流れ通路は、薄壁チャネルであり、これは、台形、長方形、正方形、正弦波、六角形、楕円形、円形等といった任意の好適な断面形状及びサイズであり得る。かかる構造は、約６０〜約９００以上のガス入口開口（即ち、セル）／断面の平方インチを含有してもよい。
基材はまた、壁流フィルタ基材であり得、そこでは、チャネルが交互に閉塞され、一方の方向（入口方向）からチャネルに進入するガス状流れが、チャネル壁を通って流れ、他方の方向（出口方向）からチャネルを出ることを可能にする。二重酸化触媒組成物は、壁流フィルタ上にコーティングすることができる。かかる基材が利用される場合、結果として得られるシステムは、ガス状汚染物質とともに、粒子状物質を除去することができる。壁流フィルタ基材は、コーディエライトまたは炭化ケイ素といった、当該技術分野において一般的に既知の材料から作製することができる。
セラミック基材は、任意の好適な耐火性材料、例えば、コーディエライト、コーディエライト−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、ケイ酸マグネシウム、ジルコン、ペタライト、アルミナ、アルミノケイ酸塩等で作製されてもよい。
代替的な実施形態において、１つ以上の触媒組成物は、オープンセルフォーム基材上に堆積されてもよい。かかる基材は、当該技術分野において公知であり、典型的に、耐火性セラミックまたは金属材料で形成される。
一部の実施形態において、触媒物品は、第３のコーティングをさらに含み、第３のコーティングは、第３の触媒組成物を含む。第３の触媒組成物はまた、第３のコーティングを生成するように、第１及び第２のものとの表面電荷における相違を有するであろう。コーティングの順序は、表面に対して反対である。つまり、第１のコーティングは、第１の表面上の第３のコーティングに重なる第２のコーティングに重なり、第３のコーティングは、第２の表面上の第１のコーティングに重なる第２のコーティングに重なる。一部の実施形態において、追加の層が追加されてもよい。
触媒物品を形成する方法
水における貴金属塩の可溶性により、１つのコーティング組成物において、２つの個々の白金族金属を組み合わせる相当な課題が存在する。従来のＴＷＣ触媒において、例えば、白金族金属であるパラジウム及びロジウムは、支持体材料への含浸によって個々に適用され、次いで、その後、水性ウォッシュコート分散液に組み込まれる。具体的には、先行技術の方法には、以下が含まれた。
ａ．第１の支持体（酸化アルミニウムまたはＯＳＣ）への希釈を考慮せずに、金属塩溶液での含浸によって第１の貴金属を適用して、第１の含浸された支持体を形成すること。
ｂ．第１の含浸された支持体を使用した、第１の水性ウォッシュコート分散液の生成。
ｃ．第２の支持体（酸化アルミニウムまたはＯＳＣ）への希釈を考慮せずに、金属塩溶液での含浸によって第２の貴金属を適用して、第２の含浸された支持体を形成すること。
ｄ．第２の含浸された支持体を使用した、第２の水性ウォッシュコート分散液の生成。
ｅ．第１の水性ウォッシュコート分散液を使用した、第１の層の基材上への適用、及び第１の層のか焼。
ｆ．第２の水性ウォッシュコート分散液を使用した、第２の層の基材上への適用、及び第２の層のか焼。
上で述べられるように、一般的に、両方の貴金属が、従来の方法を利用して、単一の水性ウォッシュコート分散液において処理される場合、水溶性金属塩の使用の結果として、ウォッシュコート層内で合金を形成する２つの貴金属の可能性は、大幅に増加するであろう。これは、別々のパラジウム及びロジウム層の場合よりも、この場合には、ＴＷＣ触媒の性能が、より乏しいことにつながるであろう。
したがって、本発明の態様は、触媒物品を作製する方法に関する。該方法は、単一のウォッシュコートが基材に適用されることを可能にするが、白金族金属は、別々のままであり、それにより、合金化を防止する。したがって、該方法は、第１の表面電荷、及び第１の支持体粒子に熱的または化学的に固定される第１の白金族金属を有する、第１の支持体を提供することと、第１の表面電荷未満の第２の表面電荷、及び第２の支持体粒子に熱的または化学的に固定される第２の白金族金属を有する、第２の支持体を提供することと、液体媒体、ならびに第１及び第２の支持体を含む、単一のスラリ中に第１及び第２の支持体を懸濁させることと、単一のウォッシュコートを基材に適用することと、を含む。１つ以上の実施形態において、単一のウォッシュコートは、２つの組成的に別個のコーティングである、第１のコーティング及び第２のコーティングを提供する。１つ以上の実施形態において、支持体及び／またはスラリの他の化学態様は、層偏析を支援し得る。例えば、支持体は、異なる密度を有し得、これは、スラリ内に多層を形成するのに役立つ。
一部の実施形態において、基材は、複数の縦方向に延在する通路を有する細長い基材モノリスを備え、各通路は、少なくとも第１の表面、及び第１の表面とは反対の第２の表面を有し、第１のコーティングは、第１の表面上の第２のコーティングに重なり、第２のコーティングは、第２の表面上の第１のコーティングに重なる。１つ以上の実施形態において、表面電荷における相違は、約１０クーロン／ｍ２以上である。
第１の表面電荷、及び第１の支持体粒子に熱的に固定される第１の白金族金属を有する、第１の支持体が、最初に提供されなければならない。仕上がった触媒物品に関して上で説明される変形のうちのいずれも、ここで適用され得る。例えば、ロジウムは、セリア上に支持され、かつ熱的に固定されてもよい。パラジウムは、Ｐｒをドープしたジルコニア上に支持され、かつ熱的に固定されてもよい。
上で述べられるように、一部の実施形態において、貴金属は、支持体に熱的に固定され得る。１つ以上の実施形態において、貴金属を支持体上に熱的に固定することは、貴金属を粉末上に含浸することと、次いで、含浸された支持体をか焼することと、を含み得る。か焼は、金属を支持体上に固着する。当該技術分野において既知の方法が、採用されてもよい。か焼のための一般的な温度範囲は、約１００〜約８００℃、またはより具体的には、約３００〜約６００℃である。しかしながら、具体的な温度は、使用される具体的な塩に依存し得る。例えば、硫酸塩が使用される場合、より高い温度（例えば、約７５０℃）が利用され得る。酢酸アミンは、一般的に、より低い温度、約４００℃未満を必要とする。か焼の持続時間は、約０．２５〜約４時間、または約０．５時間〜約４時間のいずれかで変動し得る。時間及び温度のいずれの組み合わせも、具体的な条件に適するように利用され得る。例示的なか焼条件は、５５０℃で２時間である。
一部の実施形態において、貴金属は、当該技術分野において既知の方法を使用して、支持体上に化学的に固定されてもよい。例えば、パラジウムは、ＢａＯＨで固定されてもよく、Ｒｈは、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）で固定されてもよい。
一度、白金族金属が支持体に固着されると、ウォッシュコートは、支持体とともに調製され得る。第１及び第２の支持体は、液体媒体、ならびに第１及び第２の支持体を含む、単一のスラリ中に懸濁され得る。
一般的に、表面電荷を修飾する任意の方法を使用して、必要な電荷差を得てもよい。例えば、表面の修飾は、無機イオンまたは有機界面活性剤といった種の吸着、ならびに熱処理を使用して、行ってもよい。一部の実施形態において、スラリのｐＨは、１つ以上の酸を使用することによって制御することができる。一部の実施形態において、酸は、有機酸を含む。さらなる実施形態において、酸は、酒石酸、ギ酸、または硝酸を含む。いかなる特定の理論にも束縛されることを望まないが、スラリは、最小量のイオン（例えば、酒石酸塩（ｔａｒｔａｒａｔｅ）及びＨ＋）を伴う水性媒体中に分散される、可視化された貴金属酸化物粒子であり得ることが考えられる。一部の実施形態において、スラリのｐＨは、約３〜約９、または５．５〜約６で維持される 結果として得られるスラリは、撹乱されないままである時、２つの可視的な層に分離する。
貴金属が支持体に化学的に固定される実施形態において、スラリは、多くの負及び正の電荷を帯びたイオン（例えば、硝酸塩、酢酸塩、酒石酸塩（ｔａｒｔａｒａｔｅ）、Ｈ＋、Ｂａ＋＋等）を伴う水性媒体中によく分散される貴金属水酸化物粒子として可視化することができる。
一度、スラリが調製されると、それは、当該技術分野において既知の方法を使用して、基材に適用されてもよい。上で説明されるように、１つのウォッシュコートのみが、２つ以上の層を達成するために適用される必要がある。これは、より少ないプロセスステップが触媒物品の生成のために必要とされ、スループットを増加させ、費用を節約するため、有利である。
良好な活性及び長い寿命を呈するＴＷＣ触媒は、高表面積、耐火性金属酸化物支持体、例えば、高表面積アルミナコーティング上に配置される、１つ以上の白金族金属（例えば、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、及びイリジウム）を含む。支持体は、耐火性セラミックもしくは金属ハニカム構造、または好適な耐火性材料の球状もしくは短い押出されたセグメントといった耐火性粒子を含む、モノリス基材といった好適な基材上に担持される。耐火性金属酸化物支持体は、材料、例えば、ジルコニア、チタニア、アルカリ土類金属酸化物、例えば、バリア、カルシア、もしくはストロンチア、または最も通常、希土類金属酸化物、例えば、セリア、ランタナ、及び２つ以上の希土類金属酸化物の混合物による熱分解に対して安定化され得る。例えば、米国特許第４，１７１，２８８号（Ｋｅｉｔｈ）を参照されたい。ＴＷＣ触媒は、例えば、セリア及びプラセオジミア（ｐｒａｓｅｏｄｙｍｉａ）を含む、酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）を含むように製剤化することができる。
高表面耐火性金属酸化物支持体は、２０Å超の孔、及び広い孔分布を有する、支持体粒子を指す。高表面積耐火性金属酸化物支持体、例えば、「ガンマアルミナ」または「活性アルミナ」とも称されるアルミナ支持体材料は、典型的に、６０平方メートル／グラム（「ｍ２／ｇ」）を超える、しばしば最大約２００ｍ２／ｇ以上のＢＥＴ表面積を呈する。かかる活性アルミナは、通常、アルミナのガンマ及びデルタ相の混合物であるが、相当量のエータ、カッパ、及びシータアルミナ相も含有し得る。活性アルミナ以外の耐火性金属酸化物は、所与の触媒中の触媒成分のうちの少なくとも一部に対する支持体として使用することができる。例えば、バルクセリア、ジルコニア、アルファアルミナ、及び他の材料が、かかる使用に対して既知である。これらの材料のうちの多くは、活性アルミナよりもかなり低いＢＥＴ表面積を有するという不利点に見舞われるが、その不利点は、結果として得られる触媒のより大きい耐久性によって、相殺される傾向がある。「ＢＥＴ表面積」は、Ｎ２吸着によって表面積を判定するためのＢｒｕｎａｕｅｒ、Ｅｍｍｅｔｔ、Ｔｅｌｌｅｒ方法を指す、その通常の意味を有する。
触媒層はまた、所望される際、安定剤及び促進剤を含有してもよい。好適な安定剤としては、１つ以上の非還元性金属酸化物が挙げられ、ここで、金属は、バリウム、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、及びこれらの混合物から成る群から選択される。好ましくは、安定剤は、バリウム及び／またはストロンチウムの１つ以上の酸化物を含む。好適な促進剤としては、ランタン、プラセオジム、イットリウム、ジルコニウム、及びこれらの混合物から成る群から選択される、１つ以上の希土類金属の１つ以上の非還元性酸化物が挙げられる。
一部の実施形態において、上のプロセスが、従来のコーティングパターンをもたらすことに留意されたい。つまり、ある層は、常に、基材により近い層であり、他方の層は、常に、第１の層の上の層である。
本発明の別の態様は、電荷を伴う基材を有すること、及び第２の支持体粒子と比較して、第１の支持体粒子に対するより高い親和性を有することに関する。これは、第１または第２の支持体のいずれかが、常に、基材により近く引き寄せられることを可能にし、一方のウォッシュコート層が、常に他方に重なるように、スラリが偏析することをもたらす。上のプロセスからのＰＧＭ、支持体等のうちのいずれも、このプロセスにおいて適用され得る。
排気を処理する方法
本明細書において説明される触媒物品は、内部燃焼排気を処理するために使用され得る。１つ以上の実施形態において、該方法は、内部燃焼エンジン（例えば、化学量論的ガソリンエンジン）の排気ガス流れを、触媒物品であって、複数の縦方向に延在する通路を有する細長い基材モノリスを備え、各通路は、少なくとも第１の表面、及び第１の表面とは反対の第２の表面を有し、第１及び第２の表面は、少なくとも第１のコーティング及び第２のコーティングでコーティングされ、第１のコーティングは、第１の触媒組成物を含み、かつ第１の表面上の第２のコーティングに重なり、第２のコーティングは、第２の触媒組成物を含み、かつ第２の表面上の第１のコーティングに重なり、第１の触媒組成物及び第２の触媒組成物は、表面電荷における相違を有する、触媒物品に接触させることを含む。上で説明される変形のうちのいずれも、この方法に適用され得る。
実施例
以下の非限定的な実施例は、本発明の種々の実施形態を例解する役割を果たすものとする。
実施例１
触媒物品を調製した。セリア上のＰｄ、Ｐｒをドープしたジルコニア上のＲｈ、及びＤｉｓｐａｌ（登録商標）高純度分散性アルミナ（結合剤）支持体を特徴とする、単一のスラリを調製した。２つの支持体間の電荷差は、Ｐｄ及びＲｈで１２クーロン／ｍ２であった。スラリの固体含有量は、３０〜４０％であった。スラリを使用して、ディップコーティングを介して、コーディエライト基材上にコーティングした。図２Ａ〜Ｄは、基材の断面の異なる倍率での走査電子顕微鏡像を示す。黒色の領域は、通路を表し、一方で、非常に暗い灰色の区域は、モノリスチャネルの壁に対応する。明るい及び中程度の灰色の領域は、ウォッシュコートを示す。具体的には、明るい灰色の領域は、セリア支持体に対応し、中程度の灰色の領域は、Ｐｒをドープしたジルコニア支持体に対応する。図２Ｂ及び２Ｄは、チャネルの底部の２つの角部を示す。図２Ｂにおいて、Ｐｒをドープしたジルコニア支持体（中程度の灰色）は、直接、基材上の層として示され、セリア支持体（明るい灰色）が、Ｐｒをドープしたジルコニア支持体に重なっている。しかしながら、図２Ｄにおいて、対向する壁は、基材の上の層としてのセリア支持体（明るい灰色）を示し、Ｐｒをドープしたジルコニア支持体（中程度の灰色）が、セリア支持体に重なっている。
実施例２
触媒物品を調製した。か焼した０．１６％の高密度セリア支持体上のロジウム、１．４％のアルミナ支持体上のパラジウム、及びＤｉｓｐａｌ（登録商標）高純度分散性アルミナ支持体を含有した、単一のスラリを調製した。試料は、概して、実施例１のように調製した。遠心分離後のスラリの上澄液のＩＣＰ分析は、浸出したパラジウムまたはロジウムを示さなかった。これは、全ての白金族金属が、意図したとおりに支持体上に固定されたことを示す。
スラリを使用して、コーディエライト基材をコーティングし、４００〜５５０℃の温度で０．５〜３時間か焼した。図３Ａ〜Ｄは、基材の断面の異なる倍率での透過電子顕微鏡像を示す。黒色の領域は、通路を表し、一方で、中程度の暗い灰色の区域は、モノリスチャネルの壁に対応する。明るい及び暗い灰色の領域は、ウォッシュコートを示す。具体的には、明るい灰色の領域は、Ｒｈ／セリアに対応し、中程度の灰色の領域は、Ｐｄ／アルミナに対応する。図３Ｂ及び３Ｄは、チャネルの右の２つの角部を示す。図３Ｂにおいて、Ｒｈ／セリア（暗い灰色）は、直接、基材上の層として示され、Ｒｈ／セリア（明るい灰色）が、Ｐｒをドープしたジルコニア支持体に重なっている。しかしながら、図３Ｄにおいて、対向する壁は、基材上の層としてのＲｈ／セリア（明るい灰色）を示し、Ｒｈ／セリア（暗い灰色）が、セリア支持体に重なっている。
本明細書を通じて、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「ある実施形態（ｃｅｒｔａｉｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」、「１つ以上の実施形態（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」、または「実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。このため、本明細書を通じた種々の箇所における、「１つ以上の実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」、「ある実施形態において（ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」、「一実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、または「実施形態において（ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」といった句の出現は、必ずしも本発明の同じ実施形態を指していない。さらに、特定の特徴、構造、材料、または特性は、１つ以上の実施形態において、任意の好適な様態で組み合わされ得る。
本発明を、上に説明される実施形態、及びそれへの修正を具体的に参照して説明してきた。さらなる修正及び改変が、本明細書を一読及び理解した上で、他者に着想され得る。全てのかかる修正及び改変が、それらが本発明の範囲内にある限り、含まれることが意図される。

Claims (15)

  1. 触媒物品であって、複数の縦方向に延在する通路を有する細長い基材モノリスを備え、各通路は、少なくとも第１の表面、及び前記第１の表面とは反対の第２の表面を有し、前記第１及び第２の表面は、少なくとも第１のコーティング及び第２のコーティングでコーティングされ、前記第１のコーティングは、第１の触媒組成物を含み、かつ前記第１の表面上の前記第２のコーティングに重なり、前記第２のコーティングは、第２の触媒組成物を含み、かつ前記第２の表面上の前記第１のコーティングに重なり、前記第１の触媒組成物及び第２の触媒組成物は、表面電荷における相違を有する、前記触媒物品。
  2. 前記第１の組成物は、第１の白金族金属を含む、請求項１に記載の前記触媒物品。
  3. 前記第１の白金族金属は、第１の支持体材料に熱的または化学的に固定される、請求項１または２に記載の前記触媒物品。
  4. 前記第１の白金族金属は、パラジウム及び／または白金を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の前記触媒物品。
  5. 前記第２の組成物は、第２の支持体材料に熱的または化学的に固定される第２の白金族金属を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の前記触媒物品。
  6. 前記第２の白金族金属は、第２の支持体材料に熱的または化学的に固定され、前記第２の白金族金属は、ロジウムを含み、前記第２の支持体は、セリアを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の前記触媒物品。
  7. 触媒物品の作製方法であって、
    第１の表面電荷、及び第１の支持体粒子に熱的または化学的に固定される第１の白金族金属を有する、前記第１の支持体を提供し、
    前記第１の表面電荷未満の第２の表面電荷、及び第２の支持体粒子に熱的または化学的に固定される第２の白金族金属を有する、前記第２の支持体を提供し、
    液体媒体、ならびに前記第１及び第２の支持体を含む、単一のスラリ中に、前記第１及び第２の支持体を懸濁させ、
    前記単一のウォッシュコートを基材に適用すること、を含む、前記方法。
  8. 前記単一のウォッシュコートは、２つの組成的に別個のコーティングである、第１のコーティング及び第２のコーティングを提供する、請求項７に記載の前記方法。
  9. 前記基材は、複数の縦方向に延在する通路を有する細長い基材モノリスを備え、各通路は、少なくとも第１の表面、及び前記第１の表面とは反対の第２の表面を有し、前記第１のコーティングは、前記第１の表面上の前記第２のコーティングに重なり、前記第２のコーティングは、前記第２の表面上の前記第１のコーティングに重なる、請求項７または８に記載の前記方法。
  10. 前記表面電荷における相違は、約１０クーロン／ｍ２以上である、請求項１〜６に記載の前記触媒物品、または請求項７〜９のいずれかに記載の前記方法。
  11. 前記白金族金属を前記第１の支持体及び第２の支持体に熱的に固定することは、前記白金族金属を前記第１及び第２の支持体上に含浸して、含浸された支持体を提供し、含浸された支持体をか焼すること、を含む、請求項７〜１０のいずれかに記載の前記方法。
  12. 前記スラリのｐＨは、約３〜約９の範囲内に維持される、請求項７〜１１のいずれかに記載の前記方法。
  13. 前記第１の支持体粒子に熱的または化学的に固定される前記白金族金属は、全触媒の約０．５〜１０重量％の量のＲｈを含む、請求項７〜１２のいずれかに記載の前記方法。
  14. 前記第２の支持体粒子に熱的に固定される前記白金族金属は、全触媒の約０．０５〜５重量％の量のＰｄまたはＰｔを含む、請求項７〜１３のいずれかに記載の前記方法。
  15. 前記第１の支持体は、アルミナまたはジルコニアを含み、前記第２の支持体は、セリアを含む、請求項１〜６に記載の前記触媒物品、または請求項７〜１４のいずれかに記載の前記方法。
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