JP2018176091A - マイクロ波加熱用触媒材料、マイクロ波加熱用触媒体、及びマイクロ波加熱用触媒体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い触媒性能を有し、被処理ガスの温度が低い状態でも昇温することができるマイクロ波加熱用触媒材料、マイクロ波加熱用触媒体、及びマイクロ波加熱用触媒体の製造方法を提供する。【解決手段】繊維状物質２１０と、繊維状物質を保持するコート材２２０と、を有し、繊維状物質は炭化ケイ素を主成分とし、マイクロ波を吸収して発熱することが可能で、室温における抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下であり、コート材は、導電性酸化物２２１と、触媒担持酸化物２２２と、触媒担持酸化物に担持されたＰｔ、Ｐｄ及びＲｈの群から選ばれる少なくとも１種と、を有し、導電性酸化物の抵抗率が０．００１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下であり、少なくとも一部の繊維状物質同士が導電性酸化物を介して互いに接続された状態でコート材に保持され、繊維状物質の合計体積が、導電性酸化物の合計体積より多いマイクロ波加熱用触媒材料２００である。【選択図】図３
Description
本発明は、自動車の内燃機関等の排気ガスを浄化等するための触媒材料、この触媒材料が基材に担持された触媒体、及び触媒体の製造方法に関する。
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用いられている。通常の触媒材料を活性化させるには３００℃以上に加熱する必要があるため、従来は排気ガスの熱を利用して触媒材料を加熱していた。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困難である。又、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することが困難な場合がある。
この対策として、触媒を電気的に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１参照）。特許文献１には、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排気ガス浄化装置が例示されている。そして、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。
しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、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別個に担持させる必要があり、装置が複雑かつ製造コストが増大する。
そこで、本発明は、それ自身で高い触媒性能を有し被処理ガスの温度が低い状態でも昇温することができるマイクロ波加熱用触媒材料、マイクロ波加熱用触媒体、及びマイクロ波加熱用触媒体の製造方法の提供を目的とする。
そこで、本発明は、それ自身で高い触媒性能を有し被処理ガスの温度が低い状態でも昇温することができるマイクロ波加熱用触媒材料、マイクロ波加熱用触媒体、及びマイクロ波加熱用触媒体の製造方法の提供を目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のマイクロ波加熱用触媒材料は、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被処理ガスを流通させる基材の当該孔の内面に設けられるマイクロ波加熱用触媒材料であって、繊維状物質と、前記繊維状物質を保持するコート材と、を有し、前記繊維状物質は炭化ケイ素を主成分とし、マイクロ波を吸収して発熱することが可能で、室温における抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下であり、前記コート材は、粒子及び該粒子の結合体からなる導電性酸化物と、触媒担持酸化物と、該触媒担持酸化物に担持されたＰｔ、Ｐｄ及びＲｈの群から選ばれる少なくとも１種と、を有し、前記導電性酸化物の抵抗率が０．００１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下であり、少なくとも一部の前記繊維状物質同士が、前記導電性酸化物を介して互いに接続された状態で前記コート材に保持され、前記繊維状物質の合計体積が、前記導電性酸化物の合計体積より多いことを特徴とする。
このマイクロ波加熱用触媒材料によれば、繊維状物質の抵抗率を規定することで、マイクロ波を効率的に吸収して発熱することができ、触媒担持酸化物に担持された触媒を有効に機能させることができる。
又、少なくとも一部の繊維状物質同士が、導電性酸化物を介して互いに接続されているので、繊維状物質同士の間に導電パスが形成される。これにより、繊維状物質の導電に寄与する最大長さが長くなるので、マイクロ波をより効率的に吸収して発熱することができる。特に、マイクロ波加熱用触媒体の製造上、繊維状物質自体の長さをあまり大きく取れない場合でも、導電に寄与する最大長さを長くすることができるという利点がある。
なお、室温とは２５℃である。
又、少なくとも一部の繊維状物質同士が、導電性酸化物を介して互いに接続されているので、繊維状物質同士の間に導電パスが形成される。これにより、繊維状物質の導電に寄与する最大長さが長くなるので、マイクロ波をより効率的に吸収して発熱することができる。特に、マイクロ波加熱用触媒体の製造上、繊維状物質自体の長さをあまり大きく取れない場合でも、導電に寄与する最大長さを長くすることができるという利点がある。
なお、室温とは２５℃である。
本発明のマイクロ波加熱用触媒材料において、前記マイクロ波加熱用触媒材料に対する前記繊維状物質の合計体積の割合が２５％以上６５％以下であるとよい。
このマイクロ波加熱用触媒材料によれば、導電性酸化物による上述の導電パスの形成をより確実に行うことができる。
このマイクロ波加熱用触媒材料によれば、導電性酸化物による上述の導電パスの形成をより確実に行うことができる。
本発明のマイクロ波加熱用触媒材料において、前記コート材に対する前記導電性酸化物の合計体積の割合が５％以上３０％以下であるとよい。
このマイクロ波加熱用触媒材料によれば、導電性酸化物による上述の導電パスの形成をより確実に行うことができる。
このマイクロ波加熱用触媒材料によれば、導電性酸化物による上述の導電パスの形成をより確実に行うことができる。
本発明のマイクロ波加熱用触媒体は、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被処理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触媒体であって、前記触媒材料が、前記マイクロ波加熱用触媒材料であることを特徴とする。
本発明のマイクロ波加熱用触媒体の製造方法は、前記マイクロ波加熱用触媒体の製造方法であって、前記繊維状物質と前記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。
この発明によれば、それ自身で高い触媒性能を有し、被処理ガスの温度が低い状態でも昇温することができるマイクロ波加熱用触媒材料、及び、マイクロ波加熱用触媒体が得られる。
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係るマイクロ波加熱用触媒体の構成を示す図である。マイクロ波加熱用触媒体１００は、被処理ガスである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２００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部分拡大模式図である。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。
図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係るマイクロ波加熱用触媒体の構成を示す図である。マイクロ波加熱用触媒体１００は、被処理ガスである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２００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部分拡大模式図である。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。
図１（Ｃ）に示すように、基材１２０はハニカム形状を有しており、壁部１２２と、壁部１２２で区画された多数の孔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等のセラミックス材料を用いて形成することができる。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、周知のディップコート法やウォッシュコート法を用いて形成可能である。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用いることも可能である。
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、周知のディップコート法やウォッシュコート法を用いて形成可能である。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用いることも可能である。
図１（Ｄ）は、コーティング層２００の断面構造を示す模式図である。コーティング層２００は、発熱体としての繊維状物質２１０と、後述する繊維状物質２１０を保持する（繊維状物質２１０が埋設される）コート材２２０と、を有している。
又、図２は図１（Ｄ）の部分拡大図、図３は図２の部分拡大図である。図２、図３に示すように、コート材２２０は、導電性酸化物２２１と触媒担持酸化物２２２との混合物である。コート材２２０は、例えば導電性酸化物２２１と触媒担持酸化物２２２の粉末を含むスラリーを焼成することで、これら導電性酸化物２２１と触媒担持酸化物２２２の少なくとも一部の粒子が結合することで、繊維状物質２１０を埋設して保持する被膜を形成する。
又、図２は図１（Ｄ）の部分拡大図、図３は図２の部分拡大図である。図２、図３に示すように、コート材２２０は、導電性酸化物２２１と触媒担持酸化物２２２との混合物である。コート材２２０は、例えば導電性酸化物２２１と触媒担持酸化物２２２の粉末を含むスラリーを焼成することで、これら導電性酸化物２２１と触媒担持酸化物２２２の少なくとも一部の粒子が結合することで、繊維状物質２１０を埋設して保持する被膜を形成する。
繊維状物質２１０は、炭化ケイ素を主成分（繊維状物質２１０のうち５０質量％を超える割合）とし、マイクロ波を吸収して発熱することが可能で、室温（２５℃）における抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下の導電性繊維である。繊維状物質２１０の抵抗率をこの範囲にすることで、繊維状物質２１０が導電性を有して導電損が大きくなり、マイクロ波をより効率的に吸収して発熱することができる。
繊維状物質２１０を発熱させるマイクロ波ＭＷ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、周波数は制限されず、例えば周波数が３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの任意の周波数のマイクロ波を利用してもよい。
繊維状物質２１０の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ未満の材料は、焼成時に酸化して抵抗率が変化する恐れがある。一方、抵抗率が１０Ω・ｃｍを超えると、抵抗が大きくなってマイクロ波の吸収が不十分になって発熱が少なくなる。なお、繊維状物質２１０の抵抗率は、断面積がほぼ一定の部分を任意の長さに切断した繊維の両端に導電性ペーストで電極を形成し、二端子法で抵抗値を測定し、さらに測定に供した繊維における電極間距離と上記断面積を測定し、抵抗率を算出する。なお、コーティング層２００から繊維を取り出す際は、コーティング層２００を剥がし、軽く粉砕して繊維を回収する。
繊維状物質２１０を発熱させるマイクロ波ＭＷ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、周波数は制限されず、例えば周波数が３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの任意の周波数のマイクロ波を利用してもよい。
繊維状物質２１０の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ未満の材料は、焼成時に酸化して抵抗率が変化する恐れがある。一方、抵抗率が１０Ω・ｃｍを超えると、抵抗が大きくなってマイクロ波の吸収が不十分になって発熱が少なくなる。なお、繊維状物質２１０の抵抗率は、断面積がほぼ一定の部分を任意の長さに切断した繊維の両端に導電性ペーストで電極を形成し、二端子法で抵抗値を測定し、さらに測定に供した繊維における電極間距離と上記断面積を測定し、抵抗率を算出する。なお、コーティング層２００から繊維を取り出す際は、コーティング層２００を剥がし、軽く粉砕して繊維を回収する。
繊維状物質２１０の長さは例えば１００μｍ〜４００μｍ程度とし、直径は例えば５〜１５μｍ程度とすることができる。
なお、繊維状物質２１０の長さ及び直径は、それぞれ繊維の長手方向、径方向の値であり、ＳＥＭ又は光学顕微鏡にて、繊維状物質２１０の１００個の測定点における繊維の長手方向、径方向の値を測定し、平均する。
なお、繊維状物質２１０の長さ及び直径は、それぞれ繊維の長手方向、径方向の値であり、ＳＥＭ又は光学顕微鏡にて、繊維状物質２１０の１００個の測定点における繊維の長手方向、径方向の値を測定し、平均する。
導電性酸化物２２１は、単体の粒子及びこの粒子の結合体からなる。この粒子の結合体は、上述のように導電性酸化物２２１の粉末が焼成されて互いに結合したものであり、断面ＳＥＭ像を見たときに粒子間の境界が一体化し、単体の粒子よりも寸法が大きくなったものである。
図３に示すように、コート材２２０が導電性酸化物２２１を含むことで、少なくとも一部の繊維状物質２１０ｘ、２１０ｙ同士が、導電性酸化物２２０ａを介して互いに接続され、繊維状物質２１０ｘ、２１０ｙ同士の間に導電パスが形成される。
これにより、繊維状物質２１０ｘ、２１０ｙの導電に寄与する最大長さが長くなるので、繊維状物質の導電損が大きくなり、マイクロ波をより効率的に吸収して発熱することができるようになる。特に、上述のように繊維状物質２１０ｘ、２１０ｙ自体の長さを短く（例えば４００μｍ以下）したとしても、導電に寄与する最大長さを長くすることができるという利点がある。
これにより、繊維状物質２１０ｘ、２１０ｙの導電に寄与する最大長さが長くなるので、繊維状物質の導電損が大きくなり、マイクロ波をより効率的に吸収して発熱することができるようになる。特に、上述のように繊維状物質２１０ｘ、２１０ｙ自体の長さを短く（例えば４００μｍ以下）したとしても、導電に寄与する最大長さを長くすることができるという利点がある。
なお、図３において、導電性酸化物２２１のうち、２つ以上の繊維状物質２１０ｘ、２１０ｙ同士の間に介在して両者を接続しているものを、導電性酸化物（導電パス）２２１ａ（図３のハッチング）で表している。又、繊維状物質２１０ｙ、２１０ｚ同士の間にも導電性酸化物（導電パス）２２１ｂが介在して同様に両者を接続している。
又、導電性酸化物２２１により２つ以上の繊維状物質２１０が接続しているか否かは、２液硬化式樹脂などの液体樹脂でコーティング層２００を樹脂埋めし、樹脂埋めしたコーティング層２００を切断し、断面が露出している任意の近接した２つの繊維状物質２１０の断面にプローブを接触させ、電気が通るか否か（例えば、抵抗値２０ＭΩ以下か）により判定する。
又、導電性酸化物２２１により２つ以上の繊維状物質２１０が接続しているか否かは、２液硬化式樹脂などの液体樹脂でコーティング層２００を樹脂埋めし、樹脂埋めしたコーティング層２００を切断し、断面が露出している任意の近接した２つの繊維状物質２１０の断面にプローブを接触させ、電気が通るか否か（例えば、抵抗値２０ＭΩ以下か）により判定する。
導電性酸化物２２１の抵抗率は、０．００１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下である。これにより、繊維状物質２１０同士の間に導電性酸化物２２０が接続された際、繊維状物質２１０同士の間の導電パスを有効に形成させることができる。
導電性酸化物２２１の抵抗率が０．００１Ω・ｃｍ未満であると、金属のようにマイクロ波を反射したりすることで、発熱特性が低下する恐れがある。又、マイクロ波照射時にスパークを生じる恐れもある。抵抗率が１０Ω・ｃｍを超えると、繊維状物質２１０同士の間に導電性酸化物２２０が介在しても、有効な導電パスを形成することが困難になる。
なお、導電性酸化物２２１の抵抗率は、ＳＥＭ−ＥＤＳやＩＣＰ分析から導電性酸化物２２１の組成を特定したり、ＸＲＤから導電性酸化物２２１の結晶構造を特定し、組成や結晶構造がこれら特定したものと同様の材料を合成して比抵抗測定用の試料（直方体の柱状試料）を作成する。そして、この試料につき、直流４端子法により測定できる。
導電性酸化物２２１の抵抗率が０．００１Ω・ｃｍ未満であると、金属のようにマイクロ波を反射したりすることで、発熱特性が低下する恐れがある。又、マイクロ波照射時にスパークを生じる恐れもある。抵抗率が１０Ω・ｃｍを超えると、繊維状物質２１０同士の間に導電性酸化物２２０が介在しても、有効な導電パスを形成することが困難になる。
なお、導電性酸化物２２１の抵抗率は、ＳＥＭ−ＥＤＳやＩＣＰ分析から導電性酸化物２２１の組成を特定したり、ＸＲＤから導電性酸化物２２１の結晶構造を特定し、組成や結晶構造がこれら特定したものと同様の材料を合成して比抵抗測定用の試料（直方体の柱状試料）を作成する。そして、この試料につき、直流４端子法により測定できる。
導電性酸化物２２１の組成は特に限定は無いが、一般式ABO3で表わされるペロブスカイト構造を有する酸化物で、それぞれＡサイト及びＢサイトが、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｉｎ，Ｈｆ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの群から選ばれる少なくとも１種の元素からなる複合酸化物で形成することができる。
Ａサイトは、例えば希土類元素及び／又はアルカリ土類金属とすることができ、Ｂサイトは、例えば遷移金属とすることができる。
導電性酸化物２２１として具体的には、AはLaであり、BはFe及び／又はNiである組成を用いることができる。
Ａサイトは、例えば希土類元素及び／又はアルカリ土類金属とすることができ、Ｂサイトは、例えば遷移金属とすることができる。
導電性酸化物２２１として具体的には、AはLaであり、BはFe及び／又はNiである組成を用いることができる。
触媒担持酸化物２２２としては、無機酸化物を用いることができるが、特に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。γ‐アルミナやθ‐アルミナは比表面積が大きいので、触媒担持酸化物２２２に担持される触媒金属が触媒担持酸化物２２２表面に広く分散し、触媒能を向上させることが可能である、この他、セリア‐ジルコニア固溶体等を用いることができる。
なお、触媒担持酸化物２２２も単体の粒子が適宜結合してなる。この粒子の結合体は、触媒担持酸化物２２２の粉末が焼成されて互いに結合したものである。
触媒担持酸化物２２２には、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈの群から選ばれる少なくとも１種の触媒金属が担持されている。
なお、触媒担持酸化物２２２も単体の粒子が適宜結合してなる。この粒子の結合体は、触媒担持酸化物２２２の粉末が焼成されて互いに結合したものである。
触媒担持酸化物２２２には、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈの群から選ばれる少なくとも１種の触媒金属が担持されている。
マイクロ波加熱用触媒材料（コーティング層）２００に対する繊維状物質２１０の合計体積の割合が２５％以上６５％以下であると、導電性酸化物２２１による上述の導電パスの形成をより確実に行うことができる。
繊維状物質２１０の合計体積の割合が２５％未満であると、コーティング層２００内で繊維状物質２１０が少な過ぎ、隣接する繊維状物質２１０の間隔が広くなり過ぎて導電パスの形成が困難になる場合がある。又、繊維状物質２１０が少なくなり過ぎると、マイクロ波を十分に吸収できないため、発熱特性が低下する場合がある。
繊維状物質２１０の合計体積の割合が６５％を超えると、繊維同士が干渉し易くなって絡まり易く、繊維を含むスラリーを基材に均一に塗布することが困難になる場合がある。
繊維状物質２１０の合計体積の割合が２５％未満であると、コーティング層２００内で繊維状物質２１０が少な過ぎ、隣接する繊維状物質２１０の間隔が広くなり過ぎて導電パスの形成が困難になる場合がある。又、繊維状物質２１０が少なくなり過ぎると、マイクロ波を十分に吸収できないため、発熱特性が低下する場合がある。
繊維状物質２１０の合計体積の割合が６５％を超えると、繊維同士が干渉し易くなって絡まり易く、繊維を含むスラリーを基材に均一に塗布することが困難になる場合がある。
コート材２２０に対する導電性酸化物２２１の合計体積の割合が５％以上３０％以下であると、同様に導電性酸化物２２１による上述の導電パスの形成をより確実に行うことができる。
導電性酸化物２２１の合計体積の割合が５％未満であると、コート材２２０内で導電性酸化物２２１が少な過ぎ、隣接する導電性酸化物２２１の間隔が広くなり過ぎて導電パスの形成が困難になる場合がある。
導電性酸化物２２１の合計体積の割合が３０％を超えると、触媒担持酸化物２２２の割合が少なくなりすぎ、充分な触媒性能を維持するのが困難となる場合がある。
導電性酸化物２２１の合計体積の割合が５％未満であると、コート材２２０内で導電性酸化物２２１が少な過ぎ、隣接する導電性酸化物２２１の間隔が広くなり過ぎて導電パスの形成が困難になる場合がある。
導電性酸化物２２１の合計体積の割合が３０％を超えると、触媒担持酸化物２２２の割合が少なくなりすぎ、充分な触媒性能を維持するのが困難となる場合がある。
上述のマイクロ波加熱用触媒材料（コーティング層）２００に対する繊維状物質２１０の合計体積の割合は、コーティング層２００の断面ＳＥＭ像として、繊維状物質２１０の組成を示す２次電子像を取得し、断面における繊維状物質２１０の面積割合を画像解析で求め、この面積割合を「合計体積の割合」とみなすことができる。又、２次電子像のみでなく、同一視野でＳＥＭ−ＥＤＳにより元素マッピングを取得し、２次電子像と照合して画像中の繊維状物質２１０、導電性酸化物２２１の元素を同定することで、両者をより確実に識別することもできる。
断面ＳＥＭ像の視野を面積が０．２５ｍｍ２となるように設定し、５視野についてそれぞれ面積割合を求め、その平均値を採用する。
コート材２２０に対する導電性酸化物２２１の合計体積の割合は、繊維状物質２１０の合計体積の割合と同様に求める。但し１視野を面積が０．００２５ｍｍ２となるように設定する。但し、コーティング層２００の断面ＳＥＭ像全体の面積から繊維状物質２１０の面積割合を除いた面積を「コート材２２０の面積」とみなし、この面積に対する導電性酸化物２２１の合計体積の割合を求める。
断面ＳＥＭ像の視野を面積が０．２５ｍｍ２となるように設定し、５視野についてそれぞれ面積割合を求め、その平均値を採用する。
コート材２２０に対する導電性酸化物２２１の合計体積の割合は、繊維状物質２１０の合計体積の割合と同様に求める。但し１視野を面積が０．００２５ｍｍ２となるように設定する。但し、コーティング層２００の断面ＳＥＭ像全体の面積から繊維状物質２１０の面積割合を除いた面積を「コート材２２０の面積」とみなし、この面積に対する導電性酸化物２２１の合計体積の割合を求める。
次に、図４を参照し、本発明の一実施形態に係るマイクロ波加熱用触媒体１００の製造方法について説明する。図４は本発明の一実施形態に係るマイクロ波加熱用触媒体１００の製造方法を示す。
工程Ｔ１１０では、繊維状物質２１０とコート材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、長尺の繊維状物質（炭化ケイ素繊維等）の素材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以下の長さに調製する。その後、切断した繊維状物質２１０をポットとメディアからなる粉砕ミルに投入し、粉砕を行う。粉砕は遊星ボールミルが好適である。ここで、ミル投入前の繊維状物質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、粉砕不十分な繊維が残留しやすくなり、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。次に、導電性酸化物２２１と、貴金属触媒を担持した触媒担持酸化物２２２をポットとメディアからなる粉砕ミルに溶媒と共に投入し、粉砕し、コート材２２０のスラリーを作製する。
その後、粉砕した繊維状物質２１０を、コート材２２０のスラリーに加えて混合し、マイクロ波加熱用触媒材料のスラリーを得る。
工程Ｔ１１０では、繊維状物質２１０とコート材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、長尺の繊維状物質（炭化ケイ素繊維等）の素材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以下の長さに調製する。その後、切断した繊維状物質２１０をポットとメディアからなる粉砕ミルに投入し、粉砕を行う。粉砕は遊星ボールミルが好適である。ここで、ミル投入前の繊維状物質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、粉砕不十分な繊維が残留しやすくなり、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。次に、導電性酸化物２２１と、貴金属触媒を担持した触媒担持酸化物２２２をポットとメディアからなる粉砕ミルに溶媒と共に投入し、粉砕し、コート材２２０のスラリーを作製する。
その後、粉砕した繊維状物質２１０を、コート材２２０のスラリーに加えて混合し、マイクロ波加熱用触媒材料のスラリーを得る。
工程Ｔ１２０では、工程１１０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をマイクロ波加熱触媒材料のスラリーに浸し、引き揚げた後、乾燥させて基材１２０の壁部１２２に未焼成のコーティング層２００ｘを形成する。ここで、未焼成のコーティング層２００ｘは、ウォッシュコート法により成型してもよい。
工程Ｔ１３０では、基材１２０に担持された未焼成のコーティング層２００ｘを焼成してコーティング層２００とする。
次に、本発明の一実施形態に係るマイクロ波加熱用触媒体２００の実際の性能試験の結果を示す。
抵抗率が１０Ω・ｃｍの炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質と、導電性酸化物としてＡサイトをＬａとし、ＢサイトにＦｅ及びＮｉを有し、抵抗率が０．００３Ω・ｃｍのペロブスカイト型酸化物と、触媒担持酸化物としてγーアルミナと、触媒としてＰｔを用い、図４のようにしてマイクロ波加熱用触媒体２００を製造した。
抵抗率が１０Ω・ｃｍの炭化ケイ素を主成分とする繊維状物質と、導電性酸化物としてＡサイトをＬａとし、ＢサイトにＦｅ及びＮｉを有し、抵抗率が０．００３Ω・ｃｍのペロブスカイト型酸化物と、触媒担持酸化物としてγーアルミナと、触媒としてＰｔを用い、図４のようにしてマイクロ波加熱用触媒体２００を製造した。
図５は、繊維状物質（炭化ケイ素繊維）２１０の昇温試験の結果を示す図である。この昇温試験では、繊維状物質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。繊維状物質２１０の長さは、１ｍｍ以下であった。
そして、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サンプル表面の温度を測定した。繊維状物質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。抵抗率は、長さ１ｃｍに切断した繊維状物質の室温（２５℃）における抵抗率を測定した。抵抗率が異なるサンプルは、炭化ケイ素に加える添加物を変えることで製造した。
図５に示すように、マイクロ波を照射すると、抵抗率が１０Ω・ｃｍ以下の繊維状物質２１０の場合、温度が大幅に上昇し、マイクロ波を十分に吸収して発熱することがわかった。一方、抵抗率が１０Ω・ｃｍを超えた繊維状物質２１０の場合、温度上昇が少なかった。
そして、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サンプル表面の温度を測定した。繊維状物質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。抵抗率は、長さ１ｃｍに切断した繊維状物質の室温（２５℃）における抵抗率を測定した。抵抗率が異なるサンプルは、炭化ケイ素に加える添加物を変えることで製造した。
図５に示すように、マイクロ波を照射すると、抵抗率が１０Ω・ｃｍ以下の繊維状物質２１０の場合、温度が大幅に上昇し、マイクロ波を十分に吸収して発熱することがわかった。一方、抵抗率が１０Ω・ｃｍを超えた繊維状物質２１０の場合、温度上昇が少なかった。
図６は、図５における各サンプルの２分後の到達温度と、繊維状物質２１０の抵抗率の対数との関係を示す図である。
図６より、繊維状物質２１０の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以下とすれば、２５０℃以上の高温まで昇温できることがわかった。なお、繊維状物質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、高温での安定性を考慮し、繊維状物質２１０の抵抗率を０．１Ω・ｃｍ以上とする。
図６より、繊維状物質２１０の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以下とすれば、２５０℃以上の高温まで昇温できることがわかった。なお、繊維状物質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、高温での安定性を考慮し、繊維状物質２１０の抵抗率を０．１Ω・ｃｍ以上とする。
図７、図８は、コーティング層中の各成分の組成（体積％）を変化させたときの各サンプルの２分後の到達温度（発熱特性）を示す。
なお、実施例１〜４は、繊維状物質（炭化ケイ素繊維）と、導電性酸化物と、触媒担持酸化物とをコーティング層に含む組成とした。一方、比較例１〜６は、繊維状物質（炭化ケイ素繊維）と、触媒担持酸化物のみをコーティング層に含み、導電性酸化物を含まない組成とした。
繊維状物質としては、抵抗率が１０Ω・ｃｍのものを使用した。
なお、図７の「SiC繊維＋導電性酸化物」の体積割合は、コーティング層中のマイクロ波を吸収して発熱に寄与する部位の割合を示す。
なお、実施例１〜４は、繊維状物質（炭化ケイ素繊維）と、導電性酸化物と、触媒担持酸化物とをコーティング層に含む組成とした。一方、比較例１〜６は、繊維状物質（炭化ケイ素繊維）と、触媒担持酸化物のみをコーティング層に含み、導電性酸化物を含まない組成とした。
繊維状物質としては、抵抗率が１０Ω・ｃｍのものを使用した。
なお、図７の「SiC繊維＋導電性酸化物」の体積割合は、コーティング層中のマイクロ波を吸収して発熱に寄与する部位の割合を示す。
図７より、各実施例の場合、到達温度が３５０℃以上となり、効率よくマイクロ波を吸収して発熱することがわかった。なお、導電性酸化物の体積割合が５％未満の実施例１の場合、他の実施例より到達温度が低かったが、実用上問題はない。
一方、比較例１〜４の場合、到達温度が３５０℃未満であった。これはコーティング層中の、吸収して発熱に寄与する部位の割合が４０体積％以下と少ないためと考えられる。
又、比較例５の場合、到達温度が３５０℃以上となったが、発熱に寄与する部位の割合がほぼ同一の実施例３，４に比べて到達温度が低かった。これは、実施例３，４の導電性酸化物が繊維状物質同士の間に導電パスを形成し、マイクロ波をより効率的に吸収して発熱するためと考えられる。
一方、比較例１〜４の場合、到達温度が３５０℃未満であった。これはコーティング層中の、吸収して発熱に寄与する部位の割合が４０体積％以下と少ないためと考えられる。
又、比較例５の場合、到達温度が３５０℃以上となったが、発熱に寄与する部位の割合がほぼ同一の実施例３，４に比べて到達温度が低かった。これは、実施例３，４の導電性酸化物が繊維状物質同士の間に導電パスを形成し、マイクロ波をより効率的に吸収して発熱するためと考えられる。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、マイクロ波加熱用触媒体の基材の形状は限定されない。
１００ マイクロ波加熱用触媒体
１２０ 基材
１２４ 孔
２００ マイクロ波加熱用触媒材料（コーティング層）
２１０ 繊維状物質
２２０ コート材
２２１ 導電性酸化物
２２１ａ、２２１ｂ 導電性酸化物のうち繊維状物質同士を接続させた部位（導電パス）
２２２ 触媒担持酸化物
１２０ 基材
１２４ 孔
２００ マイクロ波加熱用触媒材料（コーティング層）
２１０ 繊維状物質
２２０ コート材
２２１ 導電性酸化物
２２１ａ、２２１ｂ 導電性酸化物のうち繊維状物質同士を接続させた部位（導電パス）
２２２ 触媒担持酸化物
Claims (5)
- 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被処理ガスを流通させる基材の当該孔の内面に設けられるマイクロ波加熱用触媒材料であって、
繊維状物質と、前記繊維状物質を保持するコート材と、を有し、
前記繊維状物質は炭化ケイ素を主成分とし、マイクロ波を吸収して発熱することが可能で、室温における抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下であり、
前記コート材は、粒子及び該粒子の結合体からなる導電性酸化物と、触媒担持酸化物と、該触媒担持酸化物に担持されたＰｔ、Ｐｄ及びＲｈの群から選ばれる少なくとも１種と、を有し、
前記導電性酸化物の抵抗率が０．００１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下であり、
少なくとも一部の前記繊維状物質同士が、前記導電性酸化物を介して互いに接続された状態で前記コート材に保持され、
前記繊維状物質の合計体積が、前記導電性酸化物の合計体積より多いことを特徴とするマイクロ波加熱用触媒材料。 - 前記マイクロ波加熱用触媒材料に対する前記繊維状物質の合計体積の割合が２５％以上６５％以下であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱用触媒材料。
- 前記コート材に対する前記導電性酸化物の合計体積の割合が５％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱用触媒材料。
- 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被処理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。 - 請求項４に記載のマイクロ波加熱用触媒体の製造方法であって、
前記繊維状物質と前記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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