JP2018023945A - Catalyst for exhaust purification - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排ガス浄化触媒に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification catalyst.
自動車等のための内燃機関、例えば、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中には、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、及び窒素酸化物(NOx)等の成分が含まれている。 In exhaust gas discharged from internal combustion engines for automobiles, for example, gasoline engines or diesel engines, carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx), etc. Contains ingredients.
このため、一般的には、これらの成分を浄化するための排ガス浄化装置が内燃機関に設けられており、この排ガス浄化装置内に取り付けられた排ガス浄化触媒によって、これらの成分が実質的に分解されている。このような排ガス浄化触媒の例として、銅(Cu)系の排ガス浄化触媒を挙げることができる。 For this reason, in general, an exhaust gas purification device for purifying these components is provided in the internal combustion engine, and these components are substantially decomposed by the exhaust gas purification catalyst attached in the exhaust gas purification device. Has been. An example of such an exhaust gas purification catalyst is a copper (Cu) -based exhaust gas purification catalyst.
このCu系の排ガス浄化触媒では、NOxの還元反応を触媒する性能が比較的高いことが知られている。しかしながら、当該還元反応の効率は充分ではない。したがって、NOxを効率的に還元して分解する技術が検討されている。 This Cu-based exhaust gas purification catalyst is known to have a relatively high performance for catalyzing a reduction reaction of NOx. However, the efficiency of the reduction reaction is not sufficient. Therefore, techniques for efficiently reducing and decomposing NOx have been studied.
特許文献1の排ガス浄化触媒は、金属酸化物からなる担体と、当該担体に担持されている金属粒子とを含み、かつ当該金属粒子がAu及びCuを含むバイメタリッククラスターである。特許文献1では、当該バイメタリッククラスターが数十〜数万個程度のCu原子とAu原子からなることが、開示されている。
The exhaust gas purifying catalyst of
本発明は、排ガス、特にNOxを含有している排ガスを浄化するのに優れている排ガス浄化触媒を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification catalyst that is excellent in purifying exhaust gas, particularly exhaust gas containing NOx.
本発明者らは、以下の手段により、上記課題を解決できることを見出した。 The present inventors have found that the above problems can be solved by the following means.
〈1〉2個の金原子及び1個の銅原子からなるクラスター、1個の金原子及び1個の銅原子からなるクラスター、及び1個の金原子及び2個の銅原子からなるクラスターからなる群から選択される少なくとも一種のクラスターを含む、排ガス浄化触媒。 <1> A cluster composed of two gold atoms and one copper atom, a cluster composed of one gold atom and one copper atom, and a cluster composed of one gold atom and two copper atoms An exhaust gas purification catalyst comprising at least one cluster selected from the group.
本発明によれば、排ガス、特にNOxを含有している排ガスを浄化するのに優れている排ガス浄化触媒を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the exhaust gas purification catalyst excellent in purifying exhaust gas, especially the exhaust gas containing NOx can be provided.
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist of the present invention.
《従来の排ガス浄化触媒》
従来のCu系の排ガス浄化触媒では、NOxの還元反応が生じ難い。これは、何らの理論によって束縛されないが、当該還元反応の中途段階で生じる酸素原子−銅原子結合が、比較的強く、かつ安定なため、触媒金属としての金属銅に還元される反応が抑制されるためと考えられる。
《Conventional exhaust gas purification catalyst》
In the conventional Cu-based exhaust gas purification catalyst, NOx reduction reaction hardly occurs. This is not limited by any theory, but the oxygen atom-copper atom bond generated in the middle of the reduction reaction is relatively strong and stable, so that the reaction to be reduced to metallic copper as the catalyst metal is suppressed. It is thought to be for this purpose.
これに関して、従来、還元剤、例えばCO等をさらに用い、酸素原子−銅原子結合を切断して金属銅に還元し、これによって上記の還元反応を効率的に進行させる技術が知られている。しかしながら、この技術では、還元剤が必須の構成であることから、NOxの還元条件に関して制約がある。 In this regard, there is conventionally known a technique in which a reducing agent such as CO is further used to cut the oxygen atom-copper atom bond and reduce it to metallic copper, thereby efficiently proceeding the above reduction reaction. However, in this technique, since a reducing agent is an essential configuration, there are limitations on the NOx reduction conditions.
また、従来、特許文献1でのように、Au及びCuを含むバイメタリッククラスターを含む排ガス浄化触媒では、必須の構成としての還元剤を必要とすることなく、NOxの還元反応を比較的に触媒することが可能である。これは、何らの理論によって束縛されないが、酸化され難い金原子が、酸化され易い銅原子に原子レベルで近接しているため、酸素原子−銅原子結合が不安定化し、これによって触媒金属としての金属銅に還元される反応が促進されるためと考えられる。このようなAu及びCuを含む当該バイメタリッククラスターは、一般的には、平均で数十〜数万個の原子から構成されている。
Conventionally, as in
これに対して、本発明者らは、金原子の数、及び銅原子の数が特定されているバイメタリッククラスターを採用することによって、酸素原子−銅原子結合がより不安定化し、これによって触媒金属としての金属銅に還元される反応が顕著に促進されることを見出した。本発明を下記に示している。 On the other hand, the present inventors adopt a bimetallic cluster in which the number of gold atoms and the number of copper atoms are specified, thereby destabilizing the oxygen atom-copper atom bond, and thereby the catalyst. It has been found that the reaction reduced to metallic copper as a metal is significantly promoted. The invention is shown below.
《本発明の排ガス浄化触媒》
本発明の排ガス浄化触媒は、2個の金原子及び1個の銅原子からなるクラスター、1個の金原子及び1個の銅原子からなるクラスター、及び1個の金原子及び2個の銅原子からなるクラスターからなる群から選択される少なくとも一種のクラスターを含む。
<< Exhaust gas purification catalyst of the present invention >>
The exhaust gas purification catalyst of the present invention comprises a cluster composed of two gold atoms and one copper atom, a cluster composed of one gold atom and one copper atom, and one gold atom and two copper atoms. Including at least one cluster selected from the group consisting of:
《排ガス浄化触媒の製造方法》
前記排ガス浄化触媒は、例えば下記の工程を含む方法によって製造することができる。
金及び銅を含有しているターゲット材料にレーザーを照射して、金及び銅を含有している複数のバイメタリッククラスターを生成すること(クラスター生成工程)、及び
金及び銅を含有している複数の上記バイメタリッククラスターを、金原子の数、及び銅原子の数が特定されているバイメタリッククラスターに選別すること(クラスター選別工程)。
<Method for producing exhaust gas purification catalyst>
The exhaust gas purification catalyst can be produced, for example, by a method including the following steps.
Irradiating a target material containing gold and copper with a laser to generate a plurality of bimetallic clusters containing gold and copper (cluster generation process), and a plurality containing gold and copper The bimetallic cluster is sorted into bimetallic clusters in which the number of gold atoms and the number of copper atoms are specified (cluster sorting step).
〈クラスター生成工程〉
クラスター生成工程では、レーザーアブレーション法、例えばレーザー蒸発法を採用することができる。レーザー蒸発法は、一般的には、レーザーをターゲット材料に照射して、当該照射部分から原子、分子、及び/又はクラスター等を蒸発させてイオン化し、これらの成分からなるプラズマ蒸気を生成する方法である。
<Cluster generation process>
In the cluster generation step, a laser ablation method such as a laser evaporation method can be employed. In general, the laser evaporation method is a method in which a target material is irradiated with a laser, and atoms, molecules, and / or clusters, etc. are evaporated and ionized from the irradiated portion to generate plasma vapor composed of these components. It is.
クラスター生成工程は、プラズマ蒸気からバイメタリッククラスターを効率的に生成する観点から、プラズマ蒸気を冷却する段階を、さらに含んでよい。 The cluster generation step may further include a step of cooling the plasma vapor from the viewpoint of efficiently generating the bimetallic cluster from the plasma vapor.
(雰囲気)
クラスター生成工程における雰囲気は、実質的には、生成したクラスター等を移動させるキャリアガスの雰囲気でよい。クラスター生成工程における雰囲気は、特に限定されないが、プラズマ蒸気を安定化する観点から、例えば、不活性ガス雰囲気でよい。不活性ガス雰囲気は、他の微量成分、例えば微量な元素成分を含有していてもよい。クラスター生成工程における雰囲気の温度は、特に限定されないが、プラズマ蒸気の温度の影響を受けてよい。クラスター生成工程における雰囲気の圧力は、特に限定されないが、例えば、0Pa超、1.0×10−5Pa以上、1.0×10−4Pa以上、若しくは1.0×10−3Pa以上でよく、かつ/又は1×106Pa以下、0.7×106Pa以下、1.0×102Pa以下、若しくは1.0×101Pa以下でよく、特にプラズマ蒸気を安定化し、かつレーザーのエネルギー損失が少ないような低圧、例えば1.0×10−5Pa以上、1.0×102Pa以下であるのが好ましい。
(atmosphere)
The atmosphere in the cluster generation step may be substantially a carrier gas atmosphere that moves the generated clusters and the like. The atmosphere in the cluster generation step is not particularly limited, but may be, for example, an inert gas atmosphere from the viewpoint of stabilizing the plasma vapor. The inert gas atmosphere may contain other trace components, for example, trace element components. The temperature of the atmosphere in the cluster generation step is not particularly limited, but may be affected by the temperature of the plasma vapor. The pressure of the atmosphere in the cluster generation step is not particularly limited. For example, the pressure is more than 0 Pa, 1.0 × 10 −5 Pa or more, 1.0 × 10 −4 Pa or more, or 1.0 × 10 −3 Pa or more. And / or 1 × 10 6 Pa or less, 0.7 × 10 6 Pa or less, 1.0 × 10 2 Pa or less, or 1.0 × 10 1 Pa or less, particularly stabilizing plasma vapor, and It is preferable that the pressure is low such that the energy loss of the laser is small, for example 1.0 × 10 −5 Pa or more and 1.0 × 10 2 Pa or less.
(レーザー)
レーザーの例としては、特に限定されないが、固体レーザー、例えばNd:YAGレーザー;気体レーザー;液体レーザー;及び半導体レーザー等を挙げることができる。
(laser)
Examples of lasers include, but are not limited to, solid lasers such as Nd: YAG lasers; gas lasers; liquid lasers; and semiconductor lasers.
レーザーの発振の例としては、連続発振及びパルス発振を挙げることができる。この中でも、パルス発振のレーザーのエネルギーは、瞬間的には、連続発振のレーザーのエネルギーより高く、かつパルス発振のパルス幅が短い(例えばフェムト秒単位など)ほど、ピークパワーは大きくなるため、プラズマ蒸気を容易に生成することができる。 Examples of laser oscillation include continuous oscillation and pulse oscillation. Among them, the energy of a pulsed laser is instantaneously higher than that of a continuous wave laser and the pulse width of the pulsed oscillation is shorter (for example, in femtosecond units). Steam can be easily generated.
レーザーの波長は、特に限定されない。レーザーの波長は、レーザーを照射する対象の性質、例えばレーザーの吸収率、反射率、及び透過率等の性質を考慮して適宜決定することができる。 The wavelength of the laser is not particularly limited. The wavelength of the laser can be appropriately determined in consideration of the properties of the target to be irradiated with the laser, for example, properties such as the laser absorptance, reflectance, and transmittance.
連続発振のレーザーパワー密度の例は、特に限定されないが、1W/cm2以上でよい。パルス発振のフルエンスの例は、特に限定されないが、0.5mJ/cm2以上でよい。なお、これらのレーザーの出力は、レーザーを照射する対象の質量、大きさ、厚さ、及び性質等に応じて、適宜調節することができる。 An example of the continuous wave laser power density is not particularly limited, but may be 1 W / cm 2 or more. An example of the fluence of pulse oscillation is not particularly limited, but may be 0.5 mJ / cm 2 or more. Note that the output of these lasers can be adjusted as appropriate according to the mass, size, thickness, properties, etc. of the target to be irradiated with the laser.
なお、レーザーの例は、上記のレーザーに非線形光学結晶等の手段を適用して生じた第n高調波レーザー(nは自然数)を含むことは言うまでもない。 Needless to say, examples of the laser include an nth harmonic laser (n is a natural number) generated by applying means such as a nonlinear optical crystal to the above laser.
(ターゲット材料)
金及び銅を含有しているターゲット材料の例としては、特に限定されないが、例えば、金を含有したもの及び銅を含有したものの2つのターゲット材料(複数型ターゲット材料)、金及び銅を交互に配列したターゲット材料(交互配列型ターゲット材料)、金粉末及び銅粉末を混合して成型及び焼結等したミクロ混合ターゲット材料(ミクロ混合型ターゲット材料)などを用いることができる。
(Target material)
Examples of the target material containing gold and copper are not particularly limited. For example, two target materials (multiple target material) including gold and copper are alternately used. An arrayed target material (alternate array type target material), a micro mixed target material (micro mixed type target material) obtained by mixing and molding gold powder and copper powder, and the like can be used.
なお、スパッタリングによる金属の弾かれ易さは、各金属元素によって異なる。したがって、金及び銅の弾かれやすさを考慮して、ターゲット材料中のそれら金属元素の組成比を決定してもよい。さらに、金粉末及び銅粉末を混合するときの組成比は、レーザーアブレーションによって生成したバイメタリッククラスター中の金及び銅の組成比と相関又は比例してよい。 In addition, the easiness of metal repelling by sputtering differs depending on each metal element. Therefore, the composition ratio of these metal elements in the target material may be determined in consideration of the ease of repelling gold and copper. Furthermore, the composition ratio when the gold powder and the copper powder are mixed may be correlated or proportional to the composition ratio of gold and copper in the bimetallic cluster generated by laser ablation.
金を含有したもの及び銅を含有したものの2つのターゲット材料を採用する場合には、各ターゲット材料にレーザーを照射し、これによって生じた各プラズマ蒸気を混合し、バイメタリッククラスターを生成してよい。 When two target materials are used, one containing gold and one containing copper, each target material may be irradiated with a laser, and each plasma vapor generated thereby may be mixed to generate a bimetallic cluster. .
金及び銅を交互に配列したターゲット材料の例としては、例えば、金及び銅を放射状に交互に配列した円板状材料を使用することができる。このような円板状のターゲット材料によれば、金及び銅の面積又は面積比を変更して、所望の金及び銅の組成比を有しているバイメタリッククラスターを生成してよい。 As an example of the target material in which gold and copper are alternately arranged, for example, a disk-like material in which gold and copper are alternately arranged in a radial manner can be used. According to such a disk-shaped target material, the area or area ratio of gold and copper may be changed to generate a bimetallic cluster having a desired composition ratio of gold and copper.
ミクロ混合ターゲット材料を採用した場合には、当該ターゲット材料中の金及び銅の組成比を変更して、所望の金及び銅の組成比を有しているバイメタリッククラスターを生成してよい。 When the micro mixed target material is adopted, the composition ratio of gold and copper in the target material may be changed to generate a bimetallic cluster having a desired composition ratio of gold and copper.
〈クラスター選別工程〉
クラスター選別工程では、質量分析装置、例えば飛行時間型Time−of−Flight)、磁場偏向型(Magnetic Sector)、四重極型(Quadrupole)、イオントラップ型(Ion Trap)等、又はこれらを組み合わせたタンデム型の質量分析装置を用いてよい。これらの装置を用いることによって、複数のクラスターの間の質量電荷比(m/z)の違いからクラスターを選別することができる。
<Cluster selection process>
In the cluster selection process, a mass spectrometer such as a time-of-flight time-of-flight, a magnetic deflector, a quadrupole, an ion trap, or a combination of these is used. A tandem mass spectrometer may be used. By using these devices, clusters can be selected based on the difference in mass-to-charge ratio (m / z) between the plurality of clusters.
(雰囲気)
クラスター選別工程における雰囲気に関しては、クラスター生成工程における雰囲気の記載を参照することができる。
(atmosphere)
Regarding the atmosphere in the cluster selection process, the description of the atmosphere in the cluster generation process can be referred to.
本発明の排ガス浄化触媒、及び上記の排ガス浄化触媒の製造方法は、これらを相互に関連させて参照することができる。例えば、排ガス浄化触媒の構成や特徴に関して、上記の排ガス浄化触媒の製造方法を参照することができる。 The exhaust gas purifying catalyst of the present invention and the method for producing the above exhaust gas purifying catalyst can be referred to in relation to each other. For example, with respect to the configuration and characteristics of the exhaust gas purification catalyst, the above-described method for producing an exhaust gas purification catalyst can be referred to.
以下に示す実施例を参照して本発明を更に詳しく説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例によって限定されるものでないことは、言うまでもない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but it goes without saying that the scope of the present invention is not limited by these examples.
《装置》
排ガス浄化触媒の製造及び測定を行うための装置を図1に示し、当該装置の一部を図2に示している。図1の当該装置1は、クラスター生成反応部100、及びクラスター選択測定部200から構成されている。
"apparatus"
An apparatus for manufacturing and measuring an exhaust gas purification catalyst is shown in FIG. 1, and a part of the apparatus is shown in FIG. The
図2はクラスター生成反応部100を示す図である。図2のクラスター生成反応部100は、クラスター生成部110、クラスター反応部120、及び加熱部130から構成されている。
FIG. 2 is a diagram illustrating the cluster
クラスター生成部110では、金含有ターゲット材料101及び銅含有ターゲット材料102に対して、レーザー111及び112が、それぞれ照射され、これによってプラズマ蒸気を発生させて様々なバイメタリッククラスターが生成される。プラズマ蒸気及び/又はバイメタリッククラスターは、キャリアガス103によって、クラスター反応部120に運ばれる。
In the
当該クラスター反応部120では、反応ガス123が必要に応じてキャリアガス103に添加され、反応ガス123と、プラズマ蒸気中のバイメタリッククラスター等とが反応する。さらに、プラズマ蒸気を含むキャリアガス103は、冷却部122で冷却され、これによってバイメタリッククラスターが生成され易くなる。冷却部122を流通したキャリアガス103は、断熱部121を通り、加熱部130へと至る。
In the
加熱部130は、加熱コイル131と、これが巻かれた管132とから構成されている。当該加熱部130の管132を通ったキャリアガス103は、次にクラスター選択測定部200(図1)へと至る。
The
図1のクラスター選択測定部200では、バイメタリッククラスター等を含むキャリアガス103が、インターフェース部210へと至る。インターフェース部210は、差動排気用のスキマーコーンで構成されており、キャリアガス103は、これを通り抜けてイオンレンズ部220へと至る。キャリアガス103に含有されている、電荷を帯びたクラスター等が、イオンレンズ部220の電界によって収束し、結果としてクラスタービーム230が形成される。
In the cluster
クラスタービーム230は、加速電極部240へと至り、ここで電荷を帯びたクラスター等は、電極部240が作る電場によって方向を変えられて加速される。なお、電荷を帯びているクラスターは方向を変えられ、かつ加速された荷電クラスター等は、電圧切換スイッチ250及びディフレクター260を通ることによって荷電及び質量に応じて偏向し、二段式リフレクトロン270へと至る。二段式リフレクトロン270において、クラスター等は、それらの初期速度に由来する誤差の修正を受ける。この二段式リフレクトロン270から出たクラスター281及び282等は、検出部290へと至る。
The
図1及び2の装置及び上記の手順を参照しつつ、本発明をさらに詳しく説明する。なお、本明細書では、「AunCum」を、n個の金原子及びm個の銅原子からなるクラスターとしても言及する。ここで、n及びmは0以上の整数である。 The present invention will be described in more detail with reference to the apparatus of FIGS. 1 and 2 and the above procedure. In the present specification, “Au n Cu m ” is also referred to as a cluster composed of n gold atoms and m copper atoms. Here, n and m are integers of 0 or more.
上記の図1及び2の装置を用いて、金及び銅の様々なクラスターを得た。当該クラスターの生成条件、特にクラスター生成部110における条件を下記に示している。
・金含有ターゲット材料101:
金ロッド、(株)フルヤ金属社製、直径5mm、高さ30mm、純度99.95%
・銅含有ターゲット材料102:
銅ロッド、(株)ニラコ社製、直径5mm、高さ30mm、純度99.9%
・キャリアガス103:
ヘリウムガス、流量100ml/min(圧力約0.7MPa、パルスバルブより10Hzで噴射、クラスター生成部のチャンバー内の平均圧力1.3×10−3Pa)
Various clusters of gold and copper were obtained using the apparatus of FIGS. 1 and 2 above. The cluster generation conditions, particularly the conditions in the
-Gold-containing target material 101:
Gold rod, manufactured by Furuya Metal Co., Ltd.,
Copper-containing target material 102:
Copper rod, manufactured by Niraco Co., Ltd.,
Carrier gas 103:
Helium gas,
得られたクラスターの金原子及び銅原子の数の関係を、下記の表1に示している。なお、複数のイオンが同時に同じ加速電圧を受けた場合、軽いイオンは重いイオンよりも先に検出器に到着するという原理を用いる、飛行時間型質量分析計(Time−of−Flight Mass Spectrometer)では、同じ距離をそれぞれのイオンが飛行する時間を測定することによって、異なる質量電荷比(荷電粒子の質量と電荷の比)を持つイオンを、時間軸上で分離して検出することができる。 The relationship between the number of gold atoms and copper atoms in the obtained cluster is shown in Table 1 below. In a time-of-flight mass spectrometer (Time-of-Flight Mass Spectrometer) that uses the principle that light ions arrive at the detector earlier than heavy ions when a plurality of ions receive the same acceleration voltage at the same time. By measuring the time that each ion flies over the same distance, ions having different mass-to-charge ratios (charged particle mass-to-charge ratio) can be detected separately on the time axis.
《評価》
上記の表1に示したクラスターに関して、酸素親和性の評価、及びNOx還元反応サイクルの評価を行った。
<Evaluation>
With respect to the clusters shown in Table 1 above, evaluation of oxygen affinity and evaluation of NOx reduction reaction cycle were performed.
〈実施例1:酸素親和性の評価〉
クラスターを作製する際に、上記のキャリアガス103に酸素をさらに添加し、かつ加熱部130の加熱コイル131を連続的に昇温することによって、クラスターと酸素との間の親和性の評価を行った。クラスター生成部110における条件を下記に示し、かつ評価結果を図3、及び図3〜19に示している。なお、クラスター生成部のチャンバー内には、下記のキャリアガス103の成分のみが、実質的に存在しており、その他の成分は、極微量であるため、その記載を省略している。
・キャリアガス103(圧力約0.7MPa、パルスバルブより10Hzで噴射):
ヘリウムガス、流量100ml/min(クラスター生成部のチャンバー内の分圧2.5×10−3Pa)
酸素ガス、流量1ml/min(クラスター生成部のチャンバー内の分圧2.9×10−4Pa)
<Example 1: Evaluation of oxygen affinity>
When producing a cluster, the oxygen is further added to the
Carrier gas 103 (pressure about 0.7 MPa, jetted from a pulse valve at 10 Hz):
Helium gas,
Oxygen gas, flow
それぞれのクラスターについての具体的な評価結果は、それぞれ図3〜20に示されている。各図中の「強度比」は、下記の式(I)で表すことができる。なお、クラスター等の強度は、質量分析装置、例えば上記の図1の検出部290で測定することができる。
強度比=ICLUSTER/ISUM (I)
[式中、
ICLUSTER:対象としているクラスターの強度の値、又はこのクラスターに酸素が吸着又は結合したものの強度の値、
ISUM:対象としているクラスターの強度の値、及びこのクラスターに酸素が結合したものの強度の値を、合算した値。]
Specific evaluation results for each cluster are shown in FIGS. The “intensity ratio” in each figure can be expressed by the following formula (I). In addition, the intensity | strength of a cluster etc. can be measured with a mass spectrometer, for example, the
Intensity ratio = I CLUSTER / I SUM (I)
[Where:
I CLUSTER : The intensity value of the target cluster, or the intensity value of oxygen adsorbed or bound to this cluster,
I SUM : A value obtained by adding together the values of the intensity of the target cluster and the intensity of oxygen bonded to the cluster. ]
図3〜5は、それぞれAu1Cu1、Au1Cu2、及びAu2Cu1と酸素との間の親和性に関して、温度(K)と強度比との関係を示す図である。図3〜5に示すAu1Cu1Ox、Au1Cu2Ox、及びAu2Cu1Oxのxは、酸素原子の数を表している。これらの図からは、これらのクラスターに関して、酸素と結合していないものの割合が高いこと、すなわちxが0であるものの割合が高いことが分かる。この結果は、測定した温度範囲300K〜1000Kで認められる。 3-5, with respect to the affinity between the Au 1 Cu 1, Au 1 Cu 2 respectively, and Au 2 Cu 1 and oxygen is a diagram showing the relationship between the temperature (K) and the intensity ratio. 3-5 to show Au 1 Cu 1 O x, Au 1 Cu 2 O x, and Au 2 Cu 1 O x of x represents the number of oxygen atoms. From these figures, it can be seen that, regarding these clusters, the proportion of those not bonded to oxygen is high, that is, the proportion of those having x of 0 is high. This result is observed in the measured temperature range of 300K to 1000K.
また、図6〜図19は、それぞれAu0Cu1等のクラスターと酸素との間の親和性に関して、温度(K)と強度比との関係を示す図である。これらの図からは、これらのクラスターに関して、酸素と結合していないものの割合が低いこと、すなわちxが0であるものの割合が低いことが分かる。なお、図17からは、クラスターAu3Cu1に関しては、酸素と結合していないものの割合が比較的高く、かつ酸素と結合しているものの割合も比較的高いことが分かる。 Moreover, 6 to 19, with respect to the affinity between the clusters and oxygen, such as Au 0 Cu 1 are diagrams showing the relationship between the temperature (K) and the intensity ratio. From these figures, it can be seen that regarding these clusters, the proportion of those not bonded to oxygen is low, that is, the proportion of those having x of 0 is low. From FIG. 17, it can be seen that for the cluster Au 3 Cu 1 , the proportion of those not bonded to oxygen is relatively high, and the proportion of those bonded to oxygen is also relatively high.
〈実施例2:NOx還元反応サイクルの評価〉
反応ガス123をキャリアガス103に添加し、かつ加熱部130の加熱コイル131を連続的に昇温することによって、NOx還元反応サイクルの評価を行った。クラスター生成部110及びクラスター反応部120における条件(1)〜(3)を下記に示し、かつ評価結果を図20〜22に示している。なお、クラスター生成部のチャンバー内には、下記のキャリアガス103の成分のみ、又は下記のキャリアガス103の成分及び反応ガス123の成分のみが、実質的に存在しており、その他の成分は、極微量であるため、その記載を省略している。
(1)反応ガス123としてのNOガスの濃度が0%である場合
・キャリアガス103(パルスバルブより10Hzで噴射):
ヘリウムガス、流量10ml/min(クラスター生成部のチャンバー内の分圧2.5×10−3Pa)
(2)反応ガス123としてのNOガスの濃度が1%である場合
・キャリアガス103(パルスバルブより10Hzで噴射):
ヘリウムガス、流量10ml/min(クラスター生成部のチャンバー内の分圧1.5×10−3Pa)
・反応ガス123
NOガス、流量0.1ml/min(クラスター生成部のチャンバー内の分圧9.6×10−5Pa)
(3)反応ガス123としてのNOガスの濃度が7%である場合
・キャリアガス103(パルスバルブより10Hzで噴射):
ヘリウムガス、流量10ml/min(クラスター生成部のチャンバー内の分圧1.5×10−3Pa)
・反応ガス123
NOガス、流量0.7ml/min(クラスター生成部のチャンバー内の分圧1.3×10−4Pa)
<Example 2: Evaluation of NOx reduction reaction cycle>
The NOx reduction reaction cycle was evaluated by adding the
(1) When the concentration of NO gas as the
Helium gas, flow
(2) When the concentration of NO gas as the
Helium gas, flow
・
NO gas, flow rate 0.1 ml / min (partial pressure 9.6 × 10 −5 Pa in the chamber of the cluster generator)
(3) When the concentration of NO gas as the
Helium gas, flow
・
NO gas, flow rate 0.7 ml / min (partial pressure 1.3 × 10 −4 Pa in the chamber of the cluster generator)
(クラスターAu1Cu1のNOx還元反応サイクルの評価)
図20は、クラスターAu1Cu1とNOガスとの間の反応に関して、NOガスの濃度が0%、1%、及び7%であるときの質量電荷比(m/z)と強度(任意単位)との関係を示す図である。当該図20中のAunCum(NO)lのn、m、及びlは、0以上の整数であり、所定のピークに添えられている括弧内の数値は、当該n、m、及びlに対応している。例えば、(1,1,0)は、Au1Cu1(NO)0を意味している。
(Evaluation of NOx reduction reaction cycle of cluster Au 1 Cu 1 )
FIG. 20 shows the mass-to-charge ratio (m / z) and intensity (arbitrary units) when the concentration of NO gas is 0%, 1%, and 7% for the reaction between the cluster Au 1 Cu 1 and NO gas. FIG. In FIG. 20, n, m, and l of Au n Cu m (NO) l are integers of 0 or more, and the numerical values in parentheses attached to a predetermined peak are the n, m, and l, respectively. It corresponds to. For example, ( 1 , 1, 0 ) means Au 1 Cu 1 (NO) 0 .
図20からは、NO濃度0%においてAu1Cu1のピークのみが観測され;さらに、NO濃度1%においてAu1Cu1(NO)1、Au1Cu1(NO)2、及びAu1Cu1(NO)3のピークが観測され;かつNO濃度7%において、主にAu1Cu1(NO)2、及びAu1Cu1(NO)3のピークが観測されたことが分かる。すなわち、Au1Cu1クラスターにNOが吸着又は結合していることが理解される。 From FIG. 20, only the peak of Au 1 Cu 1 is observed at a NO concentration of 0%; furthermore, Au 1 Cu 1 (NO) 1 , Au 1 Cu 1 (NO) 2 , and Au 1 Cu at a NO concentration of 1%. It can be seen that the peak of 1 (NO) 3 was observed; and the peaks of Au 1 Cu 1 (NO) 2 and Au 1 Cu 1 (NO) 3 were mainly observed at the NO concentration of 7%. That is, it is understood that NO is adsorbed or bonded to the Au 1 Cu 1 cluster.
図21は、クラスターAu1Cu1とNOガスとの間のNOx還元反応サイクルに関して、NOガスの濃度が1%及び7%であるときの質量電荷比(m/z)と強度(任意単位)との関係を示す図である。当該図21中のAunCumNlOkのn、m、l、及びkは、0以上の整数であり、所定のピークに添えられている括弧内の数値は、当該n、m、l、及びkに対応している。例えば、(1,1,0,2)は、Au1Cu1N0O2を意味している。 FIG. 21 shows the mass-to-charge ratio (m / z) and strength (arbitrary unit) when the NO gas concentration is 1% and 7% for the NOx reduction reaction cycle between the cluster Au 1 Cu 1 and NO gas. It is a figure which shows the relationship. In FIG. 21, n, m, l, and k of A n Cu m N l O k are integers of 0 or more, and the numerical values in parentheses attached to a predetermined peak are the n, m, Corresponding to l and k. For example, ( 1, 1, 0, 2 ) means Au 1 Cu 1 N 0 O 2 .
図21からは、NO濃度1%及び300Kの条件においてAu1Cu1N1O1のピークが観測されていることから、Au1Cu1にNOが吸着又は結合していることが分かる。 FIG. 21 shows that the peak of Au 1 Cu 1 N 1 O 1 is observed under the conditions of NO concentration of 1% and 300K, and thus it can be seen that NO is adsorbed or bonded to Au 1 Cu 1 .
また、図21からは、NO濃度7%及び300Kの条件でAu1Cu1N0O2(Au1Cu1O2としても言及する)が増加したことが分かる。 In addition, FIG. 21 shows that Au 1 Cu 1 N 0 O 2 (also referred to as Au 1 Cu 1 O 2 ) increased under the conditions of NO concentration of 7% and 300K.
これは、Au1Cu1にNOが2分子吸着又は結合し、生成したAu1Cu1(NO)2から窒素(N2)が脱離してAu1Cu1O2が増加したためと考えられる。このことは、NO濃度7%及び300Kの条件でのAu1Cu1N1O1のピーク強度が、NO濃度1%及び300Kの条件のものより小さいこと;並びにNO濃度7%及び300Kの条件でAu1Cu1O2のピークが観測されていることから、理解される。 This, NO 2 molecules adsorbed or bonded to the Au 1 Cu 1, resulting Au 1 Cu 1 (NO) 2 from the nitrogen (N 2) is considered to be because Au 1 Cu 1 O 2 desorbed is increased. This means that the peak intensity of Au 1 Cu 1 N 1 O 1 under the conditions of NO concentration of 7% and 300K is smaller than that of the conditions of NO concentration of 1% and 300K; and the conditions of NO concentration of 7% and 300K It can be understood from the fact that the peak of Au 1 Cu 1 O 2 is observed.
さらに、図21からは、NO濃度7%及び400Kの条件において、Au1Cu1O2のピークがほとんど見えなくなり、Au1Cu1N1O1が増加したことが分かる。 Further, FIG. 21 shows that the Au 1 Cu 1 O 2 peak is almost invisible and the Au 1 Cu 1 N 1 O 1 is increased under the conditions of NO concentration of 7% and 400K.
これは、Au1Cu1O2から酸素(O2)が脱離し、触媒金属としてのAu1Cu1クラスターに戻り(NOx還元反応サイクルの一巡完了)、再度、これにNOが吸着又は結合して、Au1Cu1N1O1が生成したためと考えられる。このことは、NO濃度7%及び400Kの条件でのAu1Cu1N1O1のピーク強度が、NO濃度7%及び300Kの条件のものより大きいこと;並びにNO濃度7%及び400Kの条件でAu1Cu1O2のピークがほとんど見えないことから理解される。 This is because oxygen (O 2 ) is desorbed from Au 1 Cu 1 O 2 and returns to the Au 1 Cu 1 cluster as the catalyst metal ( one cycle of the NOx reduction reaction cycle is completed), and again NO is adsorbed or bound thereto. This is probably because Au 1 Cu 1 N 1 O 1 was generated. This means that the peak intensity of Au 1 Cu 1 N 1 O 1 under the conditions of NO concentration of 7% and 400K is larger than that of the conditions of NO concentration of 7% and 300K; and the conditions of NO concentration of 7% and 400K It can be understood from the fact that almost no Au 1 Cu 1 O 2 peak is visible.
これらの事実から、Au1Cu1クラスターは、NOx還元反応サイクルの中途段階で生じる酸素原子−銅原子結合を顕著に不安定化し、これによって触媒金属としての金属銅に還元される反応を促進し、結果として、NOx還元反応を効率的に触媒することが理解される。 From these facts, the Au 1 Cu 1 cluster significantly destabilizes the oxygen atom-copper atom bond generated in the middle stage of the NOx reduction reaction cycle, thereby promoting the reaction to be reduced to metallic copper as the catalyst metal. As a result, it is understood that the NOx reduction reaction is efficiently catalyzed.
図22は、クラスターAu1Cu1とNOガスとの間のNOx還元反応サイクルに関して、NOガスの濃度が7%であるときの温度(K)と強度比との関係を示す図である。図22中の「強度比」に関しては、クラスターに吸着又は結合しているものが、酸素でなくNOxであることに注意しつつ、上記の式(I)での説明を参照されたい。また、当該図22中のAu1Cu1NxOyのx及びyは、0以上の整数であり、所定の線に添えられている括弧の数値は、当該x及びyに対応している。例えば、(3,4)は、Au1Cu1N3O4を意味している。 FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the temperature (K) and the intensity ratio when the concentration of NO gas is 7% with respect to the NOx reduction reaction cycle between the cluster Au 1 Cu 1 and NO gas. Regarding the “intensity ratio” in FIG. 22, please refer to the description in the above formula (I), noting that what is adsorbed or bonded to the cluster is not oxygen but NOx. Further, x and y of Au 1 Cu 1 N x O y in FIG. 22 are integers of 0 or more, and the numerical values in parentheses attached to a predetermined line correspond to the x and y. . For example, (3,4) means Au 1 Cu 1 N 3 O 4 .
図22からは、300K〜500Kの間でAu1Cu1N3O4が比較的多く;500K〜600Kの間でAu1Cu1N3O4が減少しつつAu1Cu1N2O3が増加し;かつ600K〜750Kの間でAu1Cu1N2O3が減少しつつAu1Cu1N1O2が増加していることが分かる。
From Figure 22, Au 1 Cu 1 N 3 O 4 is relatively large between the 300K~500K; Au 1 Cu 1 N 3
すなわち、図22では、各温度領域において、NO吸着、N2脱離、及びO2脱離のNOx還元反応サイクルが進行していることが理解される。このことから、クラスターAu1Cu1は、広範な温度領域において、NOx還元反応を効率的に触媒することが理解される。 That is, in FIG. 22, it is understood that the NOx reduction reaction cycle of NO adsorption, N 2 desorption, and O 2 desorption proceeds in each temperature region. From this, it is understood that the cluster Au 1 Cu 1 efficiently catalyzes the NOx reduction reaction in a wide temperature range.
(クラスターAu1Cu2のNOx還元反応サイクルの評価)
図23は、クラスターAu1Cu2とNOガスとの間の反応に関して、NOガスの濃度が0%、1%、及び7%であるときの質量電荷比(m/z)と強度(任意単位)との関係を示す図である。当該図23中のAunCum(NO)lのn、m、及びlに関する説明は、上記の図20での説明と同様である。
(Evaluation of NOx reduction reaction cycle of cluster Au 1 Cu 2 )
FIG. 23 shows the mass-to-charge ratio (m / z) and intensity (arbitrary units) when the concentration of NO gas is 0%, 1%, and 7% for the reaction between the cluster Au 1 Cu 2 and NO gas. FIG. The description regarding n, m, and l of Au n Cu m (NO) 1 in FIG. 23 is the same as the description in FIG.
図23からは、NO濃度0%においてAu1Cu2のピークのみが観測され;さらに、NO濃度1%においてAu1Cu2(NO)2のピークが観測され;かつNO濃度7%においても、Au1Cu2(NO)2のピークが観測されたことが分かる。すなわち、Au1Cu2クラスターにNOが吸着又は結合していることが理解される。 From FIG. 23, only the peak of Au 1 Cu 2 is observed at a NO concentration of 0%; furthermore, the peak of Au 1 Cu 2 (NO) 2 is observed at a NO concentration of 1%; It can be seen that a peak of Au 1 Cu 2 (NO) 2 was observed. That is, it is understood that NO is adsorbed or bonded to the Au 1 Cu 2 cluster.
図24は、クラスターAu1Cu2とNOガスとの間のNOx還元反応サイクルに関して、NOガスの濃度が7%であるときの温度(K)と強度比との関係を示す図である。図24中の「強度比」に関しては、クラスターに吸着又は結合しているものが、酸素でなくNOxであることに注意しつつ、上記の式(I)での説明を参照されたい。また、当該図24中のAu1Cu2NxOyのx及びyに関しては、上記の図22での説明を参照されたい。 FIG. 24 is a diagram showing the relationship between the temperature (K) and the intensity ratio when the concentration of NO gas is 7% with respect to the NOx reduction reaction cycle between the cluster Au 1 Cu 2 and NO gas. Regarding the “intensity ratio” in FIG. 24, refer to the description in the above formula (I), noting that what is adsorbed or bonded to the cluster is not oxygen but NOx. For the x and y of Au 1 Cu 2 N x O y in FIG. 24, refer to the description in FIG.
図24からは、300K〜400Kの間でAu1Cu2N2O2が減少しつつ、Au1Cu2N0O2が増加し;400K〜500Kの間でAu1Cu2N0O2が減少しつつAu1Cu2N0O0が増加し;かつ500K〜800Kの間でAu1Cu2N0O0が顕著に増加していることが分かる。
FIG from 24, Au 1 Cu 2 N 2
すなわち、図24では、300K〜400Kの間でN2脱離が生じ;400K〜500Kの間でO2脱離が生じてクラスターAu1Cu2が再生し;かつ400K〜800Kの間でクラスターAu1Cu2の再生が顕著に進行していることが理解される。このことから、クラスターAu1Cu2は、広範な温度領域において、NOx還元反応を効率的に触媒することが理解される。 That is, in FIG. 24, N 2 desorption occurs between 300K and 400K; O 2 desorption occurs between 400K and 500K to regenerate cluster Au 1 Cu 2 ; and cluster Au between 400K and 800K. It is understood that the regeneration of 1 Cu 2 is proceeding remarkably. From this, it is understood that the cluster Au 1 Cu 2 efficiently catalyzes the NOx reduction reaction in a wide temperature range.
(クラスターAu2Cu1のNOx還元反応サイクルの評価)
図25は、クラスターAu2Cu1とNOガスとの間の反応に関して、NOガスの濃度が7%であるときの質量電荷比(m/z)と強度(任意単位)との関係を示す図である。当該図25中のAunCum(NO)lのn、m、及びlに関する説明は、上記の図20での説明と同様である。
(Evaluation of NOx reduction reaction cycle of cluster Au 2 Cu 1 )
FIG. 25 is a diagram showing the relationship between the mass-to-charge ratio (m / z) and the intensity (arbitrary unit) when the concentration of NO gas is 7% with respect to the reaction between the cluster Au 2 Cu 1 and NO gas. It is. The description regarding n, m, and l of Au n Cu m (NO) 1 in FIG. 25 is the same as the description in FIG.
図25からは、NO濃度7%において、Au2Cu1(NO)2及びAu2Cu1(NO)3のピークが観測されたことが分かる。すなわち、Au2Cu1クラスターにNOが吸着又は結合していることが理解される。 FIG. 25 shows that peaks of Au 2 Cu 1 (NO) 2 and Au 2 Cu 1 (NO) 3 were observed at an NO concentration of 7%. That is, it is understood that NO is adsorbed or bonded to the Au 2 Cu 1 cluster.
図26は、クラスターAu2Cu1とNOガスとの間のNOx還元反応サイクルに関して、NOガスの濃度が7%であるときの温度(K)と強度比との関係を示す図である。図26中の「強度比」に関しては、クラスターに吸着又は結合しているものが、酸素でなくNOxであることに注意しつつ、上記の式(I)での説明を参照されたい。また、当該図26中のAu2Cu1(NO)xのxは、一酸化窒素分子の数を表している。 FIG. 26 is a diagram showing the relationship between the temperature (K) and the intensity ratio when the concentration of NO gas is 7% with respect to the NOx reduction reaction cycle between the cluster Au 2 Cu 1 and NO gas. Regarding the “intensity ratio” in FIG. 26, refer to the explanation in the above formula (I), noting that what is adsorbed or bonded to the cluster is not oxygen but NOx. Further, x in Au 2 Cu 1 (NO) x in FIG. 26 represents the number of nitric oxide molecules.
図26からは、300K〜600Kの間でAu2Cu1(NO)0が顕著に増加していることが分かる。すなわち、図26では、300K〜600Kの間でクラスターAu2Cu1の再生が顕著に進行していることが理解される。このことから、クラスターAu2Cu1は、広範な温度領域において、NOx還元反応を効率的に触媒してよいことが理解される。 From FIG. 26, it can be seen that Au 2 Cu 1 (NO) 0 significantly increases between 300K and 600K. That is, in FIG. 26, it is understood that the regeneration of the cluster Au 2 Cu 1 is proceeding significantly between 300K and 600K. From this, it is understood that the cluster Au 2 Cu 1 may efficiently catalyze the NOx reduction reaction in a wide temperature range.
本発明の好ましい実施形態を詳細に記載したが、特許請求の範囲から逸脱することなく、変更が可能であることを当業者は理解する。 Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail, those skilled in the art will recognize that modifications can be made without departing from the scope of the claims.
1 排ガス浄化触媒の製造及び測定を行うための装置
100 クラスター生成反応部
101 金含有ターゲット材料
102 銅含有ターゲット材料
103 キャリアガス
110 クラスター生成部
111,112 レーザー
120 クラスター反応部
121 断熱部
122 冷却部
123 反応ガス
130 加熱部
131 加熱コイル
132 管
200 クラスター選択測定部
210 インターフェース部
220 イオンレンズ部
230 クラスタービーム
240 加速電極部
250 電圧切換スイッチ
260 ディフレクター
270 二段式リフレクトロン
281,282 バイメタリッククラスター
290 検出部
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