JP2017131851A - マイクロ波加熱用触媒材料、マイクロ波加熱用触媒体、及び、その製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い排気ガス浄化性能を有し、かつ、排気ガスの温度が低い状態でも昇温することが可能な触媒材料及び触媒体を提供する。【解決手段】排気ガス浄化用の触媒材料は、マイクロ波を吸収して発熱することが可能な発熱体と、発熱体を保持する触媒担持コート材と、を有するマイクロ波加熱用触媒材料である。発熱体は、室温における抵抗率が、０．１Ω・ｃｍ以上３００Ω・ｃｍ以下である、炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質を含み、各々の繊維状物質が互いに接触した状態で、触媒担持コート材に保持される。触媒担持コート材は、触媒担持酸化物と、触媒担持酸化物に担持されたＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈのうち少なくとも一種と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の排気ガスを浄化するための触媒材料、及び、触媒材料が基材に担持された触媒体に関する。

従来から、自動車の排気ガスを浄化する触媒材料を利用した排気ガス浄化装置が利用されている。通常は、排気ガスの熱を利用して触媒材料を活性化温度まで加熱する。しかしながら、エンジンのコールドスタート直後は排気ガスの温度自体が低いため、触媒材料を十分に加熱することができない。また、近年の環境性能の高い自動車においては、排気ガスの温度が低下する傾向にあり、排気ガスの熱を利用しても触媒材料を十分な活性化温度まで加熱できない場合がある。

この対策として、電気的に触媒を加熱する方法が提案されており、その中でも、マイクロ波で触媒を加熱することが提案されている（特許文献１）。特許文献１の排気ガス浄化装置は、担体（又は基材）としてのハニカムに、白金・ロジウム・パラジウム系三元触媒と、マイクロ波を吸収して発熱するペロブスカイト型複合酸化物とを担持させた触媒成形体を備えたものが例示されている。この触媒成形体にマイクロ波を照射すると、ペロブスカイト型複合酸化物が発熱し、その熱によって三元触媒を活性化温度まで加熱することが可能である。

特開平５−１７１９２６号公報

しかしながら、上述した従来技術では、ペロブスカイト型複合酸化物と、白金・ロジウム・パラジウム系三元触媒等の貴金属粒子とをそれぞれ別個に担体に担持させることが必要であった。このため、それ自身で高い排気ガス浄化性能を有し、かつ、排気ガスの温度が低い状態でも昇温することが可能な触媒材料が望まれている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、マイクロ波が照射され、且つ、内部に形成された複数の孔を介して排気ガスを流通させる基材の当該孔の内面に設けられる排気ガス浄化用の触媒材料が提供される。この触媒材料は、マイクロ波を吸収して発熱することが可能な発熱体と、前記発熱体を保持する触媒担持コート材と、を有し、前記発熱体は、室温における抵抗率が、０．１Ω・ｃｍ以上３００Ω・ｃｍ以下である、炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質を含み、各々の繊維状物質が互いに接触した状態で、前記触媒担持コート材に保持され、前記触媒担持コート材は、触媒担持酸化物と、前記触媒担持酸化物に担持されたＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈのうち少なくとも一種と、を有することを特徴とするマイクロ波加熱用触媒材料である。
このマイクロ波加熱用触媒材料は、炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質を、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈのうち少なくとも一種を含む触媒担持コート材で保持しているので、その触媒材料自身が高い排気ガス浄化性能を有する。また、炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質は、マイクロ波を吸収して発熱するので、排気ガスの温度が低い状態でも昇温させることが可能である。また、室温における抵抗率が、０．１Ω・ｃｍ以上３００Ω・ｃｍ以下であるので、導電損が大きくなり、効率的にマイクロ波を吸収して発熱することができる。また、各々の繊維状物質が互いに接触した状態で触媒担持コート材に保持されているので、繊維状物質によって長い導電パスが形成されることにより、導電損を大きくすることができ、より効率的にマイクロ波を吸収して発熱することができる。更に、貴金属触媒金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ）を触媒担持酸化物に担持させたうえで、炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質を触媒担持酸化物で保持しているので、触媒金属の分散度を高めることができ、浄化性能を高めることが可能である。

（２）上記マイクロ波加熱用触媒材料において、前記発熱体の室温における抵抗率が、０．１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、導電損が更に大きくなり、マイクロ波を更に効率的に吸収して発熱することができる。

（３）上記マイクロ波加熱用触媒材料において、前記触媒材料における前記発熱体の体積割合が、２５％以上９０％以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、導電パスの形成をより確実に行うことができ、さらに効率的にマイクロ波を吸収して発熱することができる。

（４）本発明の他の形態によれば、マイクロ波が照射され、且つ、内部に形成された複数の孔を介して排気ガスを流通させる基材と、前記基材の前記孔の内面に設けられた触媒材料とを備える排気ガス浄化用の触媒体が提供される。この触媒体において、前記触媒材料は、上述のいずれかのマイクロ波加熱用触媒材料であることを特徴とする。

（５）本発明の更に他の形態によれば、上記マイクロ波加熱用触媒体を製造する製造方法が提供される。この製造方法は、前記発熱体と前記触媒担持コート材とを混合した前記触媒材料のスラリーを、前記基材にディップコートまたはウォッシュコートしたのち焼成することを特徴とする。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、マイクロ波加熱用触媒材料や、それを備えたマイクロ波加熱用触媒体、触媒材料又は触媒体の作成方法、それらを用いた排気ガスの浄化方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのマイクロ波加熱用触媒体を示す説明図。 マイクロ波加熱用触媒体の製造方法を示すフローチャート。 炭化ケイ素繊維にマイクロ波を照射したときの温度変化を示すグラフ。 図３における到達温度と炭化ケイ素繊維の抵抗率との関係を示すグラフ。 触媒材料中の炭化ケイ素繊維と触媒担持コート材の体積割合と、触媒材料の発熱性との関係を示す図。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態としてのマイクロ波加熱用触媒体の構成を示す説明図である。このマイクロ波加熱用触媒体１００は、排気ガス浄化用の触媒体であり、マイクロ波加熱用触媒材料を担持する担体としての基材１２０を備えている。図１（Ｂ）は基材１２０の正面図であり、図１（Ｃ）はその一部を拡大した模式図である。これらの図では、図示の便宜上、実際の寸法とは異なる寸法で個々の部材が描かれている。

基材１２０は、ハニカム形状を有しており、壁部１２２と、壁部１２２で区分された多数の孔１２４とを有する。これらの孔１２４は、排気ガス流路として機能する。基材１２０は、例えば、コージェライトなどのセラミックス材料を用いて形成することができる。或いは、耐熱鋼などの非セラミックス材料を用いて基材１２０を形成してもよい。多数の孔１２４は、基材１２０の入口から出口に至るまで直線的に貫通している。壁部１２２の内面１２２ｉ（すなわち孔１２４の内面）には、マイクロ波加熱用触媒材料で形成されたコーティング層２００が設けられている。コーティング層２００は、周知のウォッシュコート法やディップコーティング法を利用して形成可能である。但し、マイクロ波加熱用触媒材料の担持形態としては、これ以外の任意の形態を利用することが可能である。

図１（Ｄ）は、コーティング層２００の断面構造を示す概念図である。このコーティング層２００は、発熱体としての炭化ケイ素繊維２１０と、触媒担持コート材２２０から構成されている。

炭化ケイ素繊維２１０は、炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質であり、Ｔｉ（チタン）やＺｒ（ジルコニウム）などの金属元素や、ｐ型ドーパントとしてのＡｌ（アルミニウム）やＢ（ホウ素）、或いは、ｎ型ドーパントとしてのＮ（窒素）やＰ（リン）を含有しても良い。炭化ケイ素繊維２１０は、導電性を有しており、室温（２０℃）の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上３００Ω・ｃｍ以下のものが好ましく、０．１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下のものが特に好ましい。炭化ケイ素繊維２１０としては、例えば、宇部興産株式会社のチラノ繊維（登録商標）を使用することができ、０．１Ω・ｃｍ〜１０⁶Ω・ｃｍの任意の抵抗率を持つものを入手可能である。炭化ケイ素繊維２１０の抵抗率は、ドーパント濃度を変えることによって調整可能である。ここで、抵抗率が１Ω・ｃｍ未満の繊維は、焼成の際に酸化するおそれがあるため、１Ω・ｃｍ以上であることがより好ましい。

炭化ケイ素繊維２１０は、互いに接触した状態で触媒担持コート材２２０によって均一に保持されていることが好ましい。こうすれば、長い導電パスが形成されるので、導電損を大きくすることができ、効率的にマイクロ波を吸収して発熱することができる。逆に、炭化ケイ素繊維２１０が互いに接触しない状態（孤立した状態）にある場合には、導電パスが短いため、効率的にマイクロ波を吸収して発熱することができない。従って、炭化ケイ素繊維２１０が互いに接触した状態で触媒担持コート材２２０に保持されているか否かは、コーティング層２００を形成する触媒材料にマイクロ波を照射したときに、ある程度の高温（例えば１００℃）まで昇温するか否かによって推定することが可能である。或いは、コーティング層２００の断面の顕微鏡写真を観察することによって、炭化ケイ素繊維２１０が互いに接触した状態で触媒担持コート材２２０に保持されていることを確認することも可能である。

触媒担持コート材２２０は、触媒担持酸化物に触媒金属が担持されたものである。触媒担持酸化物としては、γ−アルミナ又はθ−アルミナを主成分とするアルミナを用いることが好ましい。この理由は、γ−アルミナやθ−アルミナは比表面積が大きいので、触媒金属の分散度を高くすることができ、触媒性能を高めることが可能だからである。この他にも、セリア−ジルコニア固溶体等の他の触媒担持酸化物を用いることができる。触媒金属としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈの一種以上を利用することが好ましい。

炭化ケイ素繊維２１０と触媒担持コート材２２０の体積割合は、触媒材料の用途や触媒体へのコーティング方法に応じて適宜設定することが可能である。例えば、コーティング層２００全体の体積を１００％としたとき、炭化ケイ素繊維２１０の体積割合を２５〜９０％の範囲とし、触媒担持コート材２２０の体積割合を１０〜７５％の範囲とすることができる。体積割合をこの範囲とすれば、互いに接触した炭化ケイ素繊維２１０が十分に長い導電パスを形成するので、導電損を更に大きくすることができ、更に効率的にマイクロ波を吸収して発熱することができる。

なお、マイクロ波ＭＷとしては、典型的には周波数が２．４５ＧＨｚ又は９１５ＭＨｚの電磁波が利用される。但し、周波数が３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの任意の周波数のマイクロ波を利用してもよい。

図２は、マイクロ波加熱用触媒体１００の製造方法の一例を示すフローチャートである。工程Ｔ１１０では、炭化ケイ素繊維２１０と触媒担持コート材２２０とを混合したマイクロ波加熱用触媒材料のスラリーを準備する。この工程Ｔ１１０では、まず、長尺の炭化ケイ素繊維素材（炭化ケイ素繊維のフィラメント）を熱処理したのちに、切断し、さらに乳鉢による粉砕にて５ｍｍ以下の長さに調整する。その後、切断した炭化ケイ素繊維２１０をポットとメディアからなる粉砕ミルに溶媒とともに投入し、粉砕を行う。粉砕ミルは、遊星ボールミルが好適である。ここで、ミル投入前の炭化ケイ素繊維２１０の長さが５ｍｍ以下でないと、互いに絡まるので粉砕効率が悪化し、さらには基材１２０の孔１２４へ入りにくくなり、基材１２０への担持が困難となる可能性がある。その後、粉砕した炭化ケイ素繊維２１０に、溶媒と触媒担持コート材２２０の粉末とを加えて混合し、スラリーを得る。

工程Ｔ１２０では、工程Ｔ１１０で得られたマイクロ波加熱用触媒材料のスラリーを、基材１２０にディップコートする。具体的には、基材１２０をマイクロ波加熱用触媒材料のスラリー中に浸し、引き上げた後、乾燥させて、基材１２０の壁部１２２に未焼成のコーティング層２００を形成する。ここで、コーティング層２００は、ウォッシュコート法により形成してもよい。工程Ｔ１３０では、基材１２０に担持されたコーティング層２００を焼成する。

図３は、炭化ケイ素繊維の昇温試験の結果を示すグラフである。この昇温試験では、炭化ケイ素繊維２１０を５ｍｍ以下に切断し、さらに粉砕したものを堆積させて昇温試験用のサンプルとした。炭化ケイ素繊維の長さは、約１００μｍ〜４００μｍ程度である。また、各サンプルに２．４５ＧＨｚで１００Ｗのマイクロ波を照射して、放射温度計を用いて温度を測定した。炭化ケイ素繊維２１０の抵抗率としては、３Ω・ｃｍから５０００Ω・ｃｍまでのものを準備した。この抵抗率は、切断前の長尺の炭化ケイ素繊維の室温（２０℃）における抵抗率である。この試験結果によれば、マイクロ波を照射すると、炭化ケイ素繊維２１０がマイクロ波を吸収して発熱し、十分な温度上昇が得られる。

図４は、図３における到達温度と炭化ケイ素繊維の抵抗率との関係を示すグラフである。横軸は炭化ケイ素繊維の抵抗率の対数であり、縦軸は図３における各サンプルの２分後の到達温度である。炭化ケイ素繊維２１０の抵抗率を３００Ω・ｃｍ以下とすれば、約２５０℃以上の高温まで昇温できる点で好ましい。また、図３の結果によれば、炭化ケイ素繊維２１０の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以下とすれば、約４００℃以上の高温まで昇温できる点で特に好ましい。なお、炭化ケイ素繊維２１０の抵抗率が低下するほど到達温度が高くなる傾向にある。但し、入手容易性を考慮すれば、炭化ケイ素繊維２１０の抵抗率を０．１Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。

図５は、マイクロ波加熱用触媒材料中の炭化ケイ素繊維２１０及び触媒担持コート材２２０の体積割合と、マイクロ波加熱用触媒材料の発熱性との関係を示す図である。この試験では、図２の工程Ｔ１１０で準備したスラリーを、平板状の基材に塗布し、乾燥及び焼成することによってマイクロ波加熱用触媒材料の４つのサンプルＳ１〜Ｓ４を作製した。４つのサンプルＳ１〜Ｓ４は、炭化ケイ素繊維２１０と触媒担持コート材２２０の体積割合が異なり、これに応じて触媒材料の抵抗率が互いに異なる。なお、炭化ケイ素繊維２１０としては、切断前の長尺の炭化ケイ素繊維の抵抗率が１０Ω・ｃｍのものを使用した。これらのサンプルＳ１〜Ｓ４について、図３と同様の昇温試験を行い、２分後の到達温度を測定した。

図５の結果によれば、マイクロ波照射によって触媒材料を十分に高温まで昇温するためには、触媒材料中における炭化ケイ素繊維２１０の体積割合を２５％以上とすることが好ましく、３０％以上とすることが更に好ましい。但し、炭化ケイ素繊維２１０の体積割合が９０％を超えると、炭化ケイ素繊維２１０を触媒担持コート材２２０によって保持することが難しくなるので、炭化ケイ素繊維２１０の体積割合を９０％以下とすることが好ましい。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

１００…マイクロ波加熱用触媒体
１２０…基材
１２２…壁部
１２２ｉ…壁部の内面
１２４…孔（排気ガス流路）
２００…マイクロ波加熱用触媒材料のコーティング層
２１０…炭化ケイ素繊維（発熱体）
２２０…触媒担持コート材

Claims (5)

1. マイクロ波が照射され、且つ、内部に形成された複数の孔を介して排気ガスを流通させる基材の当該孔の内面に設けられる排気ガス浄化用の触媒材料であって、
   マイクロ波を吸収して発熱することが可能な発熱体と、
   前記発熱体を保持する触媒担持コート材と、
   を有し、
   前記発熱体は、室温における抵抗率が、０．１Ω・ｃｍ以上３００Ω・ｃｍ以下である、炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質を含み、各々の繊維状物質が互いに接触した状態で前記触媒担持コート材に保持され、
   前記触媒担持コート材は、触媒担持酸化物と、前記触媒担持酸化物に担持されたＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈのうち少なくとも一種と、を有する、
   ことを特徴とするマイクロ波加熱用触媒材料。
2. 請求項１に記載のマイクロ波加熱用触媒材料であって、
   前記発熱体の室温における抵抗率が、０．１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下であることを特徴とするマイクロ波加熱用触媒材料。
3. 請求項１〜２のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱用触媒材料であって、
   前記触媒材料における前記発熱体の体積割合が、２５％以上９０％以下であることを特徴とするマイクロ波加熱用触媒材料。
4. マイクロ波が照射され、且つ、内部に形成された複数の孔を介して排気ガスを流通させる基材と、前記基材の前記孔の内面に設けられた触媒材料とを備える排気ガス浄化用の触媒体であって、
   前記触媒材料が、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱用触媒材料であることを特徴とするマイクロ波加熱用触媒体。
5. 請求項４に記載のマイクロ波加熱用触媒体を製造する製造方法であって、
   前記発熱体と前記触媒担持コート材とを混合した前記マイクロ波加熱用触媒材料のスラリーを、前記基材にディップコートまたはウォッシュコートしたのち焼成することを特徴とするマイクロ波加熱用触媒体の製造方法。

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