JP2018202403A - Reduction catalyst structure for automobile, exhaust gas treatment device for automobile, catalyst molded body and method for producing reduction catalyst structure for automobile - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多孔質構造の担体とNOx還元触媒とを備える自動車用還元触媒構造体、自動車用排気ガス処理装置、触媒成形体及び自動車用還元触媒構造体の製造方法に関する。 The present invention is an automotive reduction catalyst structure comprising a porous structure carrier and the NO x reduction catalyst, automotive exhaust gas treatment apparatus, a method for producing a shaped catalyst bodies and automotive reduction catalyst structure.
近年の環境意識の高まりに伴い、自動車の排気ガス規制が厳しくなってきている。自動車から排出される排気ガス中には窒素酸化物(NOx)等が含まれる。環境基準により、排気ガス中に含まれるNOxの量を所定の濃度以下にすることが要求される。特に、ディーゼルエンジンを搭載した自動車から排出される排気ガス中に含まれるNOx量は多いため、排気ガス中のNOx量を低減することが強く要望されている。 With the recent increase in environmental awareness, automobile exhaust gas regulations have become stricter. The exhaust gas discharged from the automobile contains nitrogen oxides (NO x ) and the like. Environmental standards require that the amount of NO x contained in the exhaust gas be below a predetermined concentration. In particular, since the amount of NO x contained in the exhaust gas discharged from an automobile equipped with a diesel engine is large, there is a strong demand for reducing the amount of NO x in the exhaust gas.
そこで、従来から、自動車には排気ガス処理装置が内蔵され、環境基準に適合するように、排気ガス中に含まれるNOxの量を低減することが行われている。NOx量を低減する方法としては、例えば尿素の加水分解反応で生成するアンモニアを用いてNOxの還元を行う方法が一般的である。上記のようなNOxの還元を効率的に行うため、通常は、選択的触媒還元(Selective Catalytic Reduction)が行われ、この処理のために還元触媒が使用される。この還元触媒は、一般に、耐熱性に優れた担持体に担持させた形態を有している。 Therefore, conventionally, an exhaust gas treatment device is built in an automobile, and the amount of NO x contained in the exhaust gas is reduced so as to meet environmental standards. As a method for reducing the amount of NO x , for example, a method of reducing NO x by using ammonia generated by a hydrolysis reaction of urea is common. In order to efficiently perform the reduction of NO x as described above, a selective catalytic reduction is usually performed, and a reduction catalyst is used for this treatment. This reduction catalyst generally has a form supported on a support having excellent heat resistance.
このような還元触媒として、例えば、特許文献1には、鉄シリケート骨格内にAlイオンを導入したAl同型置換鉄シリケートに、Cuイオンを導入した尿素SCR触媒が開示されている。
As such a reduction catalyst, for example,
しかしながら、特許文献1に開示されているような尿素SCR触媒では、シリケート骨格内に鉄が導入されているため、酸強度が低い。酸強度が制御された触媒では、触媒機能が抑制されており、今後NOx量の低減がさらに強く要求されると予想される中で、将来的に対応できなくなる可能性が高い。また、酸強度を制御することによって触媒の寿命を向上させることが可能であるが、シリケート骨格内にFeイオンやAlイオン等の金属イオンが導入されていると、高温下で金属元素が脱離し、経時で触媒機能が低下するといった問題がある。
However, the urea SCR catalyst as disclosed in
本発明の目的は、触媒機能の低下が抑制され、優れた触媒機能を有する高活性な自動車用還元触媒構造体、自動車用排気ガス処理装置、触媒成形体及び自動車用還元触媒構造体の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly active automobile reduction catalyst structure, an automobile exhaust gas treatment device, a catalyst molded body, and a production method of an automobile reduction catalyst structure, in which a decrease in the catalyst function is suppressed and which has an excellent catalyst function Is to provide.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する、固体酸からなるNOx還元触媒と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記NOx還元触媒が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることによって、固体酸の機能低下を抑制し、長寿命化を実現できる触媒構造体が得られることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have obtained a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound, a NO x reduction catalyst comprising a solid acid, and present in the carrier, And the carrier has a passage communicating with each other, and the NO x reduction catalyst is present in at least the passage of the carrier, thereby suppressing the deterioration of the function of the solid acid and realizing a long life. It was found that a catalyst structure capable of being obtained was obtained, and the present invention was completed based on such knowledge.
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
[1] ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する、固体酸からなるNOx還元触媒と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記NOx還元触媒が、前記担体の少なくとも前記通路に保持されていることを特徴とする自動車用還元触媒構造体。
[2] 前記通路は、拡径部を有し、かつ、前記NOx還元触媒は、少なくとも前記拡径部に包接されていることを特徴とする、[1]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[3] 前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、[2]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[4] 前記固体酸は微粒子であり、前記微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、かつ、前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、[1]〜[3]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[5] 前記微粒子の平均粒径が、0.1nmn〜50nmであることを特徴とする、[4]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[6] 前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.45nm〜18.5nmであることを特徴とする、[5]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[7] 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、0.06〜500であることを特徴とする、[4]又は[5]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[8] 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、0.1〜36であることを特徴とする、[7]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[9] 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、1.7〜4.5であることを特徴とする、[7]又は[8]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[10] 前記固体酸の金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記触媒構造体に対して0.5〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、[1]〜[9]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[11] 前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、
前記通路の平均内径は、0.1nm〜1.5nmであり、前記拡径部の内径は、0.5nm〜50nmであることを特徴とする、[1]〜[10]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[12] 前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他のNOx還元触媒を更に備えることを特徴とする、[1]〜[11]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[13] 前記担体に内在する前記NOx還元触媒の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他のNOx還元触媒の含有量よりも多いことを特徴とする、[12]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[14] 前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、[1]〜[13]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[15] [1]〜[14]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体を備える、自動車用排気ガス処理装置。
[16] ハニカム状基材と、前記ハニカム状基材の表面上に設けられた[1]〜[15]のいずれか1つに記載の排気ガス浄化用酸化触媒構造体とを有する、触媒成形体。
[17] ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成する焼成工程と、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、を有することを特徴とする自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[18] 前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料(A)に対して50〜500質量%添加することを特徴とする、[17]に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[19] 前記焼成工程の前に、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、[17]又は[18]に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[20] 前記焼成工程の前に前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10〜1000となるように調整することを特徴とする、[17]〜[19]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[21] 前記水熱処理工程において、前記前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することを特徴とする、[17]に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[22] 前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、[17]に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
[1] A support having a porous structure composed of a zeolite-type compound and a NO x reduction catalyst made of a solid acid, which is present in the support, the support having a passage communicating with each other, and the NO x reduction catalyst, automotive reduction catalyst structure characterized by being retained in at least the passage of the carrier.
[2] The reduction catalyst for automobiles according to [1], wherein the passage has an enlarged diameter portion, and the NO x reduction catalyst is at least enclosed by the enlarged diameter portion. Structure.
[3] The reduction in an automobile according to [2], wherein the enlarged diameter portion communicates a plurality of holes constituting any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. Catalyst structure.
[4] The solid acid is a fine particle, and the average particle diameter of the fine particle is larger than the average inner diameter of the passage and equal to or smaller than the inner diameter of the enlarged diameter portion. 3] The reduction catalyst structure for automobiles according to any one of 3).
[5] The reduction catalyst structure for automobiles according to [4], wherein the fine particles have an average particle diameter of 0.1 nmn to 50 nm.
[6] The reduction catalyst structure for automobiles according to [5], wherein the metal oxide fine particles have an average particle diameter of 0.45 nm to 18.5 nm.
[7] The reduction catalyst structure for automobiles according to [4] or [5], wherein the ratio of the average particle diameter of the fine particles to the average inner diameter of the passage is 0.06 to 500.
[8] The reduction catalyst structure for automobiles according to [7], wherein the ratio of the average particle diameter of the fine particles to the average inner diameter of the passage is 0.1 to 36.
[9] The reduction catalyst structure for automobiles according to [7] or [8], wherein the ratio of the average particle diameter of the fine particles to the average inner diameter of the passage is 1.7 to 4.5. .
[10] The metal element (M) of the metal oxide fine particles of the solid acid is contained in an amount of 0.5 to 2.5% by mass with respect to the catalyst structure, [1] to [9] The reduction catalyst structure for automobiles according to any one of [9].
[11] The passage includes any one of a one-dimensional hole, a two-dimensional hole, and a three-dimensional hole defined by a skeleton structure of the zeolite-type compound, and the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. Having an enlarged diameter part different from any of them,
Any one of [1] to [10], wherein an average inner diameter of the passage is 0.1 nm to 1.5 nm, and an inner diameter of the expanded portion is 0.5 nm to 50 nm. The reduction catalyst structure for automobiles according to 1.
[12] The reduction catalyst structure for automobiles according to any one of [1] to [11], further comprising at least one other NO x reduction catalyst held on the outer surface of the carrier. body.
[13] The content of the NO x reduction catalyst inherent in the carrier is greater than the content of the at least one other NO x reduction catalyst held on the outer surface of the carrier, 12] The reduction catalyst structure for automobiles according to [12].
[14] The reduction catalyst structure for automobiles according to any one of [1] to [13], wherein the zeolite-type compound is a silicate compound.
[15] An automobile exhaust gas treatment device comprising the automobile reduction catalyst structure according to any one of [1] to [14].
[16] A catalyst molding comprising a honeycomb substrate and the oxidation catalyst structure for purifying exhaust gas according to any one of [1] to [15] provided on the surface of the honeycomb substrate. body.
[17] A firing step of firing a precursor material (B) obtained by impregnating a precursor material (A) with a metal-containing solution into a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound, and the precursor material And a hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) obtained by firing (B). A method for producing a reduction catalyst structure for automobiles.
[18] The reduction for automobiles according to [17], wherein a nonionic surfactant is added in an amount of 50 to 500% by mass with respect to the precursor material (A) before the firing step. A method for producing a catalyst structure.
[19] Before the firing step, the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution by adding the metal-containing solution to the precursor material (A) in a plurality of times. The method for producing a reduction catalyst structure for automobiles according to [17] or [18], which is characterized in that
[20] When the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution before the firing step, the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is set to the precursor material. In terms of the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to (A) (atomic ratio Si / M), It adjusts so that it may become 10-1000, The manufacturing method of the reduction catalyst structure for motor vehicles as described in any one of [17]-[19] characterized by the above-mentioned.
[21] The method for producing a reduction catalyst structure for an automobile according to [17], wherein the precursor material (C) and a structure directing agent are mixed in the hydrothermal treatment step.
[22] The method for producing a reduction catalyst structure for automobiles according to [17], wherein the hydrothermal treatment step is performed in a basic atmosphere.
本発明によれば、触媒機能の低下が抑制され、優れた触媒機能を有する高活性な自動車用還元触媒構造体及び自動車用排気ガス処理装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of a catalyst function is suppressed and the highly active reduction catalyst structure for motor vehicles which has the outstanding catalyst function, and the exhaust gas processing apparatus for motor vehicles can be provided.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
[触媒構造体の構成]
図1は、本発明の実施形態に係る自動車用還元触媒構造体(以下、単に「触媒構造体」と記す。)の構成を概略的に示す図であり、(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、(b)は部分拡大断面図である。なお、図1における触媒構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Composition of catalyst structure]
FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of a reduction catalyst structure for automobiles (hereinafter simply referred to as “catalyst structure”) according to an embodiment of the present invention, and FIG. (B) is a partially enlarged sectional view. Note that the catalyst structure in FIG. 1 shows an example, and the shape, dimensions, etc. of each component according to the present invention are not limited to those in FIG.
図1(a)に示すように、触媒構造体1は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体10と、該担体10に内在する固体酸20とを備える。固体酸20は、NOx還元触媒として機能する。触媒構造体1において、複数の固体酸20,20,・・・は、担体10の多孔質構造の内部に包接されている。
As shown in FIG. 1 (a), the
担体10は、多孔質構造であり、図1(b)に示すように、好適には複数の孔11a,11a,・・・が形成されることにより、互いに連通する通路11を有する。ここで固体酸20は、担体10の少なくとも通路11に存在しており、好ましくは骨格体10の少なくとも通路11に保持されている。
The
このような構成により、担体10内での固体酸20の移動が規制され、固体酸20、20同士の凝集が有効に防止されている。その結果、固体酸20としての有効表面積の減少を効果的に抑制することができ、固体酸20の機能は長期にわたって持続する。すなわち、触媒構造体1によれば、固体酸20の凝集による機能の低下を抑制でき、触媒構造体1としての長寿命化を図ることができる。また、触媒構造体1の長寿命化により、触媒構造体1の交換頻度を低減でき、使用済みの触媒構造体1の廃棄量を大幅に低減することができ、省資源化を図ることができる。
With such a configuration, the movement of the
通常、触媒構造体を、流体(例えば、重質油や、NOx等の改質ガス等)の中で用いる場合、流体から外力を受ける可能性がある。この場合、固体酸が、担体10の外表面に付着されているのみであると、流体からの外力の影響で担体10の外表面から離脱しやすいという問題がある。これに対し、触媒構造体1では、固体酸20は担体10の少なくとも通路11に保持されているため、流体から外力を受けたとしても、担体10から固体酸20が離脱しにくい。すなわち、触媒構造体1が流体内にある場合、流体は担体10の孔11aから、通路11内に流入するため、通路11内を流れる流体の速さは、流路抵抗(摩擦力)により、担体10の外表面を流れる流体の速さに比べて、遅くなると考えられる。このような流路抵抗の影響により、通路11内に保持された固体酸20が流体から受ける圧力は、担体10の外部において固体酸が流体から受ける圧力に比べて低くなる。そのため、担体11に内在する固体酸20が離脱することを効果的に抑制でき、固体酸20の機能を長期的に安定して維持することが可能となる。なお、上記のような流路抵抗は、担体10の通路11が、曲がりや分岐を複数有し、担体10の内部がより複雑で三次元的な立体構造となっているほど、大きくなると考えられる。
Usually, the catalyst structure, a fluid (e.g., heavy oil or reformed gas such as NO x) when used in, may be subject to external force from the fluid. In this case, if the solid acid is only attached to the outer surface of the
また、通路11は、ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部12とを有していることが好ましく、このとき、固体酸20は、少なくとも拡径部12に存在していることが好ましく、少なくとも拡径部12に包接されていることがより好ましい。ここでいう一次元孔とは、一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の孔、もしくは複数の一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の複数の孔(複数の一次元チャンネル)を指す。また、二次元孔とは、複数の一次元チャンネルが二次元的に連結された二次元チャンネルを指し、三次元孔とは、複数の一次元チャンネルが三次元的に連結された三次元チャンネルを指す。
これにより、固体酸20の担体10内での移動がさらに規制され、固体酸20の離脱や、固体酸20、20同士の凝集をさらに有効に防止することができる。包接とは、固体酸20が担体10に内包されている状態を指す。このとき固体酸20と担体10とは、必ずしも直接的に互いが接触している必要はなく、固体酸20と担体10との間に他の物質(例えば、界面活性剤等)が介在した状態で、固体酸20が担体10に間接的に保持されていてもよい。
Further, the
Thereby, the movement of the
図1(b)では固体酸20が拡径部12に包接されている場合を示しているが、この構成だけには限定されず、固体酸20は、その一部が拡径部12の外側にはみ出した状態で通路11に保持されていてもよい。また、固体酸20は、拡径部12以外の通路11の部分(例えば通路11の内壁部分)に部分的に埋設され、又は固着等によって保持されていてもよい。
また、拡径部12は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔11a,11a同士を連通しているのが好ましい。これにより、担体10の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、固体酸20の機能をより発揮させることができる。
Although FIG. 1B shows a case where the
Moreover, it is preferable that the
また、通路11は、担体10の内部に、分岐部又は合流部を含んで三次元的に形成されており、拡径部12は、通路11の上記分岐部又は合流部に設けられるのが好ましい。
The
担体10に形成された通路11の平均内径DFは、上記一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかを構成する孔11aの短径及び長径の平均値から算出され、例えば0.1nm〜1.5nmであり、好ましくは0.5nm〜0.8nmである。また、拡径部12の内径DEは、例えば0.5nm〜50nmであり、好ましくは1.1nm〜40nm、より好ましくは1.1nm〜3.3nmである。拡径部12の内径DEは、例えば後述する前駆体材料(A)の細孔径、及び包接される固体酸20の平均粒径DCに依存する。拡径部12の内径DEは、固体酸20を包接し得る大きさである。
The average inner diameter DF of the
担体10は、ゼオライト型化合物で構成される。ゼオライト型化合物としては、例えば、ゼオライト(アルミノケイ酸塩)、陽イオン交換ゼオライト、シリカライト等のケイ酸塩化合物、アルミノホウ酸塩、アルミノヒ酸塩、ゲルマニウム酸塩等のゼオライト類縁化合物、リン酸モリブデン等のリン酸塩系ゼオライト類似物質等が挙げられる。中でも、ゼオライト型化合物はケイ酸塩化合物であることが好ましい。
The
ゼオライト型化合物の骨格構造は、FAU型(Y型又はX型)、MTW型、MFI型(ZSM−5)、FER型(フェリエライト)、LTA型(A型)、MWW型(MCM−22)、MOR型(モルデナイト)、LTL型(L型)、BEA型(ベータ型)等の中から選択され、好ましくはMFI型であり、より好ましくはZSM−5である。ゼオライト型化合物には、各骨格構造に応じた孔径を有する孔が複数形成されており、例えばMFI型の最大孔径は0.636nm(6.36Å)、平均孔径0.560nm(5.60Å)である。 The framework structure of the zeolite type compound is FAU type (Y type or X type), MTW type, MFI type (ZSM-5), FER type (ferrierite), LTA type (A type), MWW type (MCM-22). , MOR type (mordenite), LTL type (L type), BEA type (beta type), etc., preferably MFI type, more preferably ZSM-5. In the zeolite type compound, a plurality of pores having a pore size corresponding to each skeleton structure are formed. For example, the maximum pore size of the MFI type is 0.636 nm (6.36 mm), and the average pore size is 0.560 nm (5.60 mm). is there.
以下、固体酸20について詳しく説明する。
固体酸20が微粒子であるとき、微粒子は一次粒子の状態で通路11に保持されている場合と、一次粒子が凝集して形成された二次粒子の状態で通路11に保持されている場合とがある。いずれの場合においても、微粒子の平均粒径DCは、好ましくは通路11の平均内径DFよりも大きく、且つ拡径部12の内径DE以下である(DF<DC≦DE)。このような固体酸20は、通路11内では、好適には拡径部12に包接されており、担体10内での固体酸20の移動が規制される。よって、固体酸20が流体から外力を受けた場合であっても、担体10内での固体酸20の移動が抑制され、担体10の通路11に分散配置された拡径部12、12、・・のそれぞれに包接された固体酸20、20、・・同士が接触するのを有効に防止することができる。
Hereinafter, the
When the
また、固体酸20が微粒子である場合には、微粒子の平均粒径DCは、一次粒子及び二次粒子のいずれの場合も、好ましくは0.1nm〜50nmであり、より好ましくは0.1nm以上30nm未満であり、さらに好ましくは0.45nm〜18.5nm、特に好ましくは1.0nm〜3.3nmである。また、通路11の平均内径DFに対する固体酸20の平均粒径DCの割合(DC/DF)は、好ましくは0.06〜500であり、より好ましくは0.1〜36であり、更に好ましくは1.1〜36であり、特に好ましくは1.7〜4.5である。
Further, when the
固体酸20としては、具体的に、金属酸化物及びその水和物、硫化物、金属塩、複合酸化物、並びにヘテロポリ酸が挙げられる。金属酸化物としては、酸化鉄(FeOx)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)、三酸化セレン(SeO3)、二酸化セレン(SeO2)、三酸化テルル(TeO3)、二酸化テルル(TeO2)、二酸化スズ(SnO2)、酸化マンガン(Mn2O7)、酸化テクネチウム(Tc2O7)及び酸化レニウム(Re2O7)が挙げられる。また、硫化物としては、硫化カドミウム(CdS)及び硫化亜鉛(ZnS)が挙げられる。また、金属塩としては、硫酸マグネシウム(MgSO4)、硫酸鉄(FeSO4)、及び塩化アルミニウム(AlCl3)が挙げられる。また、複合酸化物としては、SiO2−TiO2、SiO2−MgO及びTiO2―ZrO2が挙げられる。さらに、ヘテロポリ酸としては、リンタングステン酸、ケイタングステン酸、リンモリブデン酸及びケイモリブデン酸が挙げられる。これらの固体酸20は、1種のみを用いてもよく、複数の種類を組み合わせて用いてもよい。なお、固体酸20は、担体10を構成するゼオライト型化合物とは区別されるものである。固体酸20には、例えば、ゼオライトは含まれない。
また、固体酸20の金属元素(M)は、触媒構造体1に対して0.5〜2.5質量%で含有されているのが好ましく、触媒構造体1に対して0.5〜1.5質量%で含有されているのがより好ましい。例えば、金属元素(M)がZnである場合、Zn元素の含有量(質量%)は、(Zn元素の質量)/(触媒構造体1の全元素の質量)×100で表される。なお、固体酸に複数の金属が含有されている場合、金属元素(M)は複数の金属の総質量を意味する。
Specific examples of the
Further, the metal element (M) of the
また、固体酸20を構成する金属元素(M)に対する、担体10を構成するケイ素(Si)の割合(原子数比Si/M)は、10〜1000であることが好ましく、50〜200であるのがより好ましい。上記割合が1000より大きいと、活性が低く、固体酸としての作用が十分に得られない可能性がある。一方、上記割合が10よりも小さいと、固体酸20の割合が大きくなりすぎて、担体10の強度が低下する傾向がある。なお、ここでいう固体酸20は、担体10の内部に保持され、又は担持された固体酸をいい、担体10の外表面に付着した固体酸を含まない。
The ratio of the silicon (Si) constituting the
[触媒構造体の機能]
触媒構造体1は、上記のとおり、多孔質構造の担体10と、担体10に内在する少なくとも1つの固体酸20とを備える。触媒構造体1は、担体10に内在する固体酸20が流体と接触することにより、固体酸20の機能に応じた機能を発揮する。具体的に、触媒構造体1の外表面10aに接触した流体は、外表面10aに形成された孔11aから担体10内部に流入して通路11内に誘導され、通路11内を通って移動し、他の孔11aを通じて触媒構造体1の外部へ出る。流体が通路11内を通って移動する経路において、通路11に保持された固体酸20と接触することによって、固体酸20の機能に応じた反応(例えば、触媒反応)が生じる。また、触媒構造体1は、担体が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
[Function of catalyst structure]
As described above, the
まず、触媒構造体1の分子篩能について、図2(a)を用いて、窒素酸化物(NOx)を含む排気ガスである場合を例として説明する。なお、NOxとしては、具体的に、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO2)、亜酸化窒素(N2O)、三酸化二窒素(N2O3)、四酸化二窒素(N2O4)、五酸化二窒素(N2O5)等を挙げることができる。自動車の排気ガスは、主に一酸化窒素から構成されている。
First, the molecular sieving ability of the
図2(a)に示すように、孔11aの孔径以下、言い換えれば、通路11の内径以下の大きさを有する分子で構成されるNOxは、担体10内に流入することができる。一方、孔11aの孔径を超える大きさを有する分子で構成される排気ガス成分15は、担体10内へ流入することができない。このように、流体が複数種類の化合物を含んでいる場合に、担体10内に流入することができない排気ガス成分15の反応は規制され、担体10内に流入することができるNOxを反応させることができる。
As shown in FIG. 2A, NO x composed of molecules having a size smaller than the diameter of the
反応によって担体10内で生成した化合物のうち、孔11aの孔径以下の大きさを有する分子で構成される化合物のみが孔11aを通じて担体10の外部へ出ることができ、反応生成物として得られる。一方、孔11aから担体10の外部へ出ることができない化合物は、担体10の外部へ出ることができる大きさの分子で構成される化合物に変換させれば、担体10の外部へ出すことができる。このように、触媒構造体1を用いることにより、特定の反応生成物を選択的に得ることができる。
Of the compounds produced in the
触媒構造体1では、図2(b)に示すように、好適には通路11の拡径部12に固体酸20が包接されている。固体酸20が微粒子であるとき、固体酸20の平均粒径DCが、通路11の平均内径DFよりも大きく、拡径部12の内径DEよりも小さい場合には(DF<DC<DE)、固体酸20と拡径部12との間に小通路13が形成される。そこで、図2(b)中の矢印に示すように、小通路13に流入した流体が固体酸20と接触する。本実施形態では、小通路13に流入したNOxが固体酸20と接触すると、下記式(1)又は式(2)に示すような還元反応によってNOxが還元される。
NOx→1/2N2+x/2O2 ・・・式(1)
NOx+2x/3NH3→(1/2+x/3)N2+xH2O ・・・式(2)
In the
NO x → 1 / 2N 2 + x / 2O 2 Formula (1)
NO x + 2x / 3NH 3 → (1/2 + x / 3) N 2 + xH 2 O Formula (2)
各固体酸20は、拡径部12に包接されているため、担体10内での移動が制限されている。これにより、担体10内における固体酸20同士の凝集が防止される。その結果、固体酸20とNOxとの大きな接触面積を安定して維持することができる。よって、固体酸20が、優れた触媒機能を有する高活性なNOx還元触媒として機能する。したがって、自動車の排気ガスの温度が低温であっても高効率でNOxを還元することができる。特に、触媒構造体1を、自動車の排気ガス中に含まれるNOxの還元反応に用いることにより、NOxを効率的に除去することができる。
Since each
[自動車の排気ガス処理装置]
本実施形態では、触媒構造体1を有する自動車用排気ガス処理装置(図示せず)が提供されてもよい。自動車用排気ガス処理装置は、触媒構造体1を単独で有していてもよいし、自動車用酸化触媒構造体等の他の触媒構造体、粒子状物質の捕集フィルタなどと組み合わせてもよい。このような構成を有する装置に触媒構造体1を用いることで上記と同様の効果を奏することができる。
[Automobile exhaust gas treatment equipment]
In the present embodiment, an automobile exhaust gas treatment device (not shown) having the
[触媒構造体の製造方法]
図3は、図1の触媒構造体1の製造方法を示すフローチャートである。以下、担体に内在する固体酸が金属酸化物微粒子である場合を例に、触媒構造体の製造方法の一例を説明する。
[Method for producing catalyst structure]
FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing the
(ステップS1:準備工程)
図3に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
(Step S1: Preparation process)
As shown in FIG. 3, first, a precursor material (A) for obtaining a porous support composed of a zeolite-type compound is prepared. The precursor material (A) is preferably a regular mesoporous material, and can be appropriately selected according to the type (composition) of the zeolite-type compound constituting the support of the catalyst structure.
ここで、触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物がケイ酸塩化合物である場合には、規則性メソ細孔物質は、細孔径1〜50nmの細孔が1次元、2次元又は3次元に均一な大きさかつ規則的に発達したSi−O骨格からなる化合物であることが好ましい。このような規則性メソ細孔物質は、合成条件によって様々な合成物として得られるが、合成物の具体例としては、例えばSBA−1、SBA−15、SBA−16、KIT−6、FSM−16、MCM−41等が挙げられ、中でもMCM−41が好ましい。なお、SBA−1の細孔径は10nm〜30nm、SBA−15の細孔径は6nm〜10nm、SBA−16の細孔径は6nm、KIT−6の細孔径は9nm、FSM−16の細孔径は3nm〜5nm、MCM−41の細孔径は1nm〜10nmである。また、このような規則性メソ細孔物質としては、例えばメソポーラスシリカ、メソポーラスアルミノシリケート、メソポーラスメタロシリケート等が挙げられる。 Here, when the zeolitic compound constituting the support of the catalyst structure is a silicate compound, the regular mesoporous material has 1-, 2- or 3-dimensional pores with a pore diameter of 1 to 50 nm. It is preferable that the compound is composed of a Si—O skeleton that has a uniform size and is regularly developed. Such regular mesoporous materials can be obtained as various composites depending on the synthesis conditions. Specific examples of the composites include, for example, SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, FSM- 16, MCM-41, etc., among which MCM-41 is preferable. The pore diameter of SBA-1 is 10 nm to 30 nm, the pore diameter of SBA-15 is 6 nm to 10 nm, the pore diameter of SBA-16 is 6 nm, the pore diameter of KIT-6 is 9 nm, and the pore diameter of FSM-16 is 3 nm. The pore diameter of MCM-41 is 1 nm to 10 nm. Examples of such regular mesoporous materials include mesoporous silica, mesoporous aluminosilicate, and mesoporous metallosilicate.
前駆体材料(A)は、市販品及び合成品のいずれであってもよい。前駆体材料(A)を合成する場合には、公知の規則性メソ細孔物質の合成方法を採用することができる。例えば、前駆体材料(A)の構成元素を含有する原料と、前駆体材料(A)の構造を規定するための鋳型剤とを含む混合溶液を調製し、必要に応じてpHを調整して、水熱処理(水熱合成)を行う。その後、水熱処理により得られた沈殿物(生成物)を回収(例えば、ろ別)し、必要に応じて洗浄及び乾燥し、さらに焼成することで、粉末状の規則性メソ細孔物質である前駆体材料(A)が得られる。ここで、混合溶液の溶媒としては、例えば水、アルコール等の有機溶媒、これらの混合溶媒などを用いることができる。また、原料は、担体の種類に応じて選択されるが、例えばテトラエトキシシラン(TEOS)等のシリカ剤、フュームドシリカ、石英砂等が挙げられる。また、鋳型剤としては、各種界面活性剤、ブロックコポリマー等を用いることができ、規則性メソ細孔物質の合成物の種類に応じて選択することが好ましく、例えばMCM−41を作製する場合にはヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド等の界面活性剤が好適である。水熱処理は、例えば、密閉容器内で、80〜800℃、5時間〜240時間、0〜2000kPaの処理条件で行うことができる。焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことができる。 The precursor material (A) may be a commercially available product or a synthetic product. When synthesizing the precursor material (A), a known method for synthesizing regular mesoporous materials can be employed. For example, a mixed solution containing a raw material containing the constituent elements of the precursor material (A) and a templating agent for defining the structure of the precursor material (A) is prepared, and the pH is adjusted as necessary. Hydrothermal treatment (hydrothermal synthesis) is performed. Thereafter, the precipitate (product) obtained by hydrothermal treatment is recovered (for example, filtered), washed and dried as necessary, and further calcined to form a regular mesoporous material in powder form. A precursor material (A) is obtained. Here, as a solvent of the mixed solution, for example, an organic solvent such as water or alcohol, a mixed solvent thereof or the like can be used. Moreover, although a raw material is selected according to the kind of support | carrier, for example, silica agents, such as tetraethoxysilane (TEOS), fumed silica, quartz sand, etc. are mentioned. Further, as the templating agent, various surfactants, block copolymers and the like can be used, and it is preferable to select according to the type of the synthesized compound of regular mesoporous materials. For example, when preparing MCM-41 A surfactant such as hexadecyltrimethylammonium bromide is preferred. The hydrothermal treatment can be performed, for example, in a sealed container at 80 to 800 ° C., 5 hours to 240 hours, and treatment conditions of 0 to 2000 kPa. The baking treatment can be performed, for example, in air at 350 to 850 ° C. for 2 to 30 hours.
(ステップS2:含浸工程)
次に、準備した前駆体材料(A)に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
(Step S2: impregnation step)
Next, the prepared precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution to obtain the precursor material (B).
金属含有溶液は、触媒構造体の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に対応する金属成分(例えば、金属イオン)を含有する溶液であればよく、例えば、溶媒に、金属元素(M)を含有する金属塩を溶解させることにより調製できる。このような金属塩としては、例えば、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、硝酸塩等が挙げられ、中でも硝酸塩が好ましい。溶媒としては、例えば水、アルコール等の有機溶媒、これらの混合溶媒などを用いることができる。 The metal-containing solution may be a solution containing a metal component (for example, metal ion) corresponding to the metal element (M) constituting the metal oxide fine particles of the catalyst structure. For example, the metal element (M ) Can be prepared by dissolving the metal salt. Examples of such metal salts include chlorides, hydroxides, oxides, sulfates, nitrates, and the like, and nitrates are particularly preferable. As a solvent, organic solvents, such as water and alcohol, these mixed solvents, etc. can be used, for example.
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させる方法は、特に限定されないが、例えば、後述する焼成工程の前に、粉末状の前駆体材料(A)を撹拌しながら、金属含有溶液を複数回に分けて少量ずつ添加することが好ましい。また、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液がより浸入し易くなる観点から、前駆体材料(A)に、金属含有溶液を添加する前に予め、添加剤として界面活性剤を添加しておくことが好ましい。このような添加剤は、前駆体材料(A)の外表面を被覆する働きがあり、その後に添加される金属含有溶液が前駆体材料(A)の外表面に付着することを抑制し、金属含有溶液が前駆体材料(A)の細孔内部により浸入し易くなると考えられる。 The method for impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution is not particularly limited. For example, a plurality of metal-containing solutions are mixed while stirring the powdery precursor material (A) before the firing step described later. It is preferable to add in small portions in portions. Further, from the viewpoint of facilitating the penetration of the metal-containing solution into the pores of the precursor material (A), a surfactant as an additive is added in advance to the precursor material (A) before adding the metal-containing solution. It is preferable to add it. Such an additive has a function of coating the outer surface of the precursor material (A), suppresses the metal-containing solution added thereafter from adhering to the outer surface of the precursor material (A), and the metal It is considered that the contained solution is more likely to enter the pores of the precursor material (A).
このような添加剤としては、例えばポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等の非イオン性界面活性剤が挙げられる。これらの界面活性剤は、分子サイズが大きく前駆体材料(A)の細孔内部には浸入できないため、細孔の内部に付着することは無く、金属含有溶液が細孔内部に浸入することを妨げないと考えられる。非イオン性界面活性剤の添加方法としては、例えば、後述する焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前駆体材料(A)に対して50〜500質量%添加するのが好ましい。非イオン性界面活性剤の前駆体材料(A)に対する添加量が50質量%未満であると上記の抑制作用が発現し難く、非イオン性界面活性剤を前駆体材料(A)に対して500質量%よりも多く添加すると粘度が上がりすぎるので好ましくない。よって、非イオン性界面活性剤の前駆体材料(A)に対する添加量を上記範囲内の値とする。 Examples of such additives include nonionic surfactants such as polyoxyethylene oleyl ether, polyoxyethylene alkyl ether, and polyoxyethylene alkylphenyl ether. Since these surfactants have a large molecular size and cannot penetrate into the pores of the precursor material (A), they do not adhere to the inside of the pores, and the metal-containing solution penetrates into the pores. It is thought not to interfere. As a method for adding the nonionic surfactant, for example, it is preferable to add 50 to 500% by mass of the nonionic surfactant with respect to the precursor material (A) before the firing step described later. When the addition amount of the nonionic surfactant to the precursor material (A) is less than 50% by mass, the above-described inhibitory action is hardly exhibited, and the nonionic surfactant is added to the precursor material (A) at 500. Addition of more than% by mass is not preferable because the viscosity increases excessively. Therefore, the addition amount of the nonionic surfactant with respect to the precursor material (A) is set to a value within the above range.
また、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量は、前駆体材料(A)に含浸させる金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)の量(すなわち、前駆体材料(B)に内在させる金属元素(M)の量)を考慮して、適宜調整することが好ましい。例えば、後述する焼成工程の前に、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10〜1000となるように調整することが好ましく、50〜200となるように調整することがより好ましい。例えば、前駆体材料(A)に金属含有溶液を添加する前に、添加剤として界面活性剤を前駆体材料(A)に添加した場合、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、原子数比Si/Mに換算して50〜200とすることで、金属酸化物微粒子の金属元素(M)を、触媒構造体に対して0.5〜2.5質量%で含有させることができる。前駆体材料(B)の状態で、その細孔内部に存在する金属元素(M)の量は、金属含有溶液の金属濃度や、上記添加剤の有無、その他温度や圧力等の諸条件が同じであれば、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量に概ね比例する。また、前駆体材料(B)に内在する金属元素(M)の量は、触媒構造体の担体に内在する金属酸化物微粒子を構成する金属元素の量と比例関係にある。したがって、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を上記範囲に制御することにより、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液を十分に含浸させることができ、ひいては、触媒構造体の担体に内在させる金属酸化物微粒子の量を調整することができる。 The amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is the amount of the metal element (M) contained in the metal-containing solution impregnated in the precursor material (A) (that is, the precursor material (B It is preferable to adjust appropriately in consideration of the amount of the metal element (M) contained in (). For example, before the firing step described later, the addition amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to the precursor material (A), In terms of the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) (atomic number ratio Si / M), it is preferably adjusted to be 10 to 1000, and adjusted to be 50 to 200. It is more preferable. For example, when a surfactant is added as an additive to the precursor material (A) before the metal-containing solution is added to the precursor material (A), the addition of the metal-containing solution to be added to the precursor material (A) The metal element (M) of the metal oxide fine particles is contained in an amount of 0.5 to 2.5% by mass with respect to the catalyst structure by converting the amount to 50 to 200 in terms of the atomic ratio Si / M. Can be made. In the state of the precursor material (B), the amount of the metal element (M) present in the pores is the same as the metal concentration of the metal-containing solution, the presence or absence of the additive, and other conditions such as temperature and pressure. If so, it is roughly proportional to the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A). The amount of the metal element (M) inherent in the precursor material (B) is proportional to the amount of the metal element constituting the metal oxide fine particles inherent in the support of the catalyst structure. Therefore, by controlling the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) within the above range, the metal-containing solution can be sufficiently impregnated inside the pores of the precursor material (A), and thus It is possible to adjust the amount of metal oxide fine particles incorporated in the support of the catalyst structure.
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させた後は、必要に応じて、洗浄処理を行ってもよい。洗浄溶液として、水、アルコール等の有機溶媒、これらの混合溶媒などを用いることができる。また、前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させ、必要に応じて洗浄処理を行った後、さらに乾燥処理を施すことが好ましい。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、前駆体材料(A)に、金属含有溶液に含まれる水分及び洗浄溶液の水分が多く残った状態で後述の焼成処理を行うと、前駆体材料(A)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥させることが好ましい。 After impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution, a cleaning treatment may be performed as necessary. As the washing solution, water, an organic solvent such as alcohol, a mixed solvent thereof or the like can be used. In addition, it is preferable to impregnate the precursor material (A) with a metal-containing solution and perform a cleaning treatment as necessary, followed by a drying treatment. Examples of the drying treatment include natural drying overnight or high temperature drying at 150 ° C. or lower. In addition, when the below-mentioned baking process is performed in the state in which the precursor material (A) contains a large amount of moisture contained in the metal-containing solution and the moisture of the cleaning solution, the regular mesoporous material of the precursor material (A) is obtained. Therefore, it is preferable to dry the skeleton structure sufficiently.
(ステップS3:焼成工程)
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
(Step S3: Firing step)
Next, the precursor material (B) obtained by impregnating the precursor material (A) for impregnating the porous material structure composed of the zeolite type compound with the metal-containing solution is calcined to obtain the precursor material (C). Get.
焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことが好ましい。このような焼成処理により、規則性メソ細孔物質の孔内に含浸された金属成分が結晶成長して、孔内で金属酸化物微粒子が形成される。 The firing treatment is preferably performed, for example, in the air at 350 to 850 ° C. for 2 to 30 hours. By such a baking treatment, the metal component impregnated in the pores of the regular mesoporous material grows in crystal, and metal oxide fine particles are formed in the pores.
(ステップS4:水熱処理工程)
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、触媒構造体を得る。
(Step S4: Hydrothermal treatment process)
Next, a mixed solution in which the precursor material (C) and the structure directing agent are mixed is prepared, and the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B) is hydrothermally treated to form a catalyst structure. Get the body.
構造規定剤は、触媒構造体の担体の骨格構造を規定するための鋳型剤であり、例えば界面活性剤を用いることができる。構造規定剤は、触媒構造体の担体の骨格構造に応じて選択することが好ましく、例えばテトラメチルアンモニウムブロミド(TMABr)、テトラエチルアンモニウムブロミド(TEABr)、テトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr)等の界面活性剤が好適である。 The structure directing agent is a templating agent for defining the skeletal structure of the support of the catalyst structure. For example, a surfactant can be used. The structure directing agent is preferably selected according to the skeleton structure of the support of the catalyst structure. For example, a surfactant such as tetramethylammonium bromide (TMABr), tetraethylammonium bromide (TEABr), tetrapropylammonium bromide (TPABr), etc. Is preferred.
前駆体材料(C)と構造規定剤との混合は、本水熱処理工程時に行ってもよいし、水熱処理工程の前に行ってもよい。また、上記混合溶液の調製方法は、特に限定されず、前駆体材料(C)と、構造規定剤と、溶媒とを同時に混合してもよいし、溶媒に前駆体材料(C)と構造規定剤とをそれぞれ個々の溶液に分散させた状態にした後に、それぞれの分散溶液を混合してもよい。溶媒としては、例えば水、アルコール等の有機溶媒、これらの混合溶媒などを用いることができる。また、混合溶液は、水熱処理を行う前に、酸又は塩基を用いてpHを調整しておくことが好ましい。 Mixing of the precursor material (C) and the structure directing agent may be performed during the main hydrothermal treatment step, or may be performed before the hydrothermal treatment step. Moreover, the preparation method of the said mixed solution is not specifically limited, A precursor material (C), a structure directing agent, and a solvent may be mixed simultaneously, or precursor material (C) and structure prescription | regulation are carried out to a solvent. After each agent is dispersed in each solution, each dispersion solution may be mixed. As a solvent, organic solvents, such as water and alcohol, these mixed solvents, etc. can be used, for example. Moreover, it is preferable to adjust pH of a mixed solution using an acid or a base before performing hydrothermal treatment.
水熱処理は、公知の方法で行うことができ、例えば、密閉容器内で、80〜800℃、5時間〜240時間、0〜2000kPaの処理条件で行うことが好ましい。また、水熱処理は、塩基性雰囲気下で行われることが好ましい。
ここでの反応メカニズムは必ずしも明らかではないが、前駆体材料(C)を原料として水熱処理を行うことにより、前駆体材料(C)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造は次第に崩れるが、前駆体材料(C)の細孔内部での金属酸化物微粒子の位置は概ね維持されたまま、構造規定剤の作用により、触媒構造体の担体としての新たな骨格構造(多孔質構造)が形成される。このようにして得られた触媒構造体は、多孔質構造の担体と、担体に内在する金属酸化物微粒子を備え、さらに担体はその多孔質構造により複数の孔が互いに連通した通路を有し、金属酸化物微粒子はその少なくとも一部分が担体の通路に保持されている。
また、本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料(C)を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合すること無く、前駆体材料(C)を水熱処理してもよい。
Hydrothermal treatment can be performed by a well-known method, for example, it is preferable to perform in 80-800 degreeC, 5 hours-240 hours, and processing conditions of 0-2000 kPa in an airtight container. The hydrothermal treatment is preferably performed in a basic atmosphere.
Although the reaction mechanism here is not necessarily clear, by performing hydrothermal treatment using the precursor material (C) as a raw material, the skeleton structure of the precursor material (C) as a regular mesoporous material gradually collapses. While the position of the metal oxide fine particles inside the pores of the precursor material (C) is generally maintained, a new skeletal structure (porous structure) is formed as a support for the catalyst structure by the action of the structure directing agent. Is done. The catalyst structure thus obtained includes a porous structure carrier and metal oxide fine particles inherent in the carrier, and the carrier has a passage in which a plurality of pores communicate with each other due to the porous structure. At least a part of the metal oxide fine particles is held in the passage of the carrier.
In this embodiment, in the hydrothermal treatment step, a mixed solution in which the precursor material (C) and the structure directing agent are mixed is prepared, and the precursor material (C) is hydrothermally treated. Not limited to this, the precursor material (C) may be hydrothermally treated without mixing the precursor material (C) and the structure directing agent.
水熱処理後に得られる沈殿物(触媒構造体)は、回収(例えば、ろ別)後、必要に応じて洗浄処理、乾燥処理及び焼成処理を施すことが好ましい。洗浄溶液としては、水、アルコール等の有機溶媒、これらの混合溶媒等を用いることができる。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥、150℃以下の高温乾燥等が挙げられる。なお、沈殿物に水分が多く残った状態で焼成処理を行うと、触媒構造体の担体としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥させることが好ましい。また、焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことができる。このような焼成処理により、触媒構造体に付着していた構造規定剤が焼失する。また、触媒構造体は、使用目的に応じて、回収後の沈殿物に対して焼成処理を施すことなくそのまま用いることもできる。例えば、触媒構造体の使用する環境が、酸化性雰囲気の高温環境である場合には、使用環境に一定時間晒すことで、構造規定剤は焼失する。この場合、焼成処理を施した場合と同様の触媒構造体が得られるので、焼成処理を施す必要がない。 The precipitate (catalyst structure) obtained after the hydrothermal treatment is preferably subjected to a washing treatment, a drying treatment and a calcination treatment as necessary after collection (for example, filtration). As the washing solution, water, an organic solvent such as alcohol, a mixed solvent thereof or the like can be used. Examples of the drying treatment include natural drying for about one night and high temperature drying at 150 ° C. or lower. In addition, if the calcination treatment is performed in a state where a large amount of moisture remains in the precipitate, the skeleton structure as a support of the catalyst structure may be broken. Moreover, a baking process can be performed on the process conditions of 350-850 degreeC and 2 to 30 hours, for example in the air. By such a calcination treatment, the structure directing agent attached to the catalyst structure is burned away. Further, the catalyst structure can be used as it is without subjecting the recovered precipitate to a calcination treatment depending on the purpose of use. For example, when the environment in which the catalyst structure is used is a high-temperature environment in an oxidizing atmosphere, the structure-directing agent is burned away by exposure to the environment in which it is used for a certain period of time. In this case, since the same catalyst structure as that obtained when the calcination treatment is performed is obtained, it is not necessary to perform the calcination treatment.
[触媒構造体1の変形例]
図4は、図1の触媒構造体1の変形例を示す模式図である。
図1の触媒構造体1は、担体10と、担体10に内在する固体酸20とを備えるが、この構成だけに限定されず、例えば、図4に示すように、触媒構造体2が、担体10の外表面10aに保持された少なくとも1つの他のNOx還元触媒30を更に備えていてもよい。
[Modification of Catalyst Structure 1]
FIG. 4 is a schematic view showing a modification of the
The
NOx還元触媒30は、一又は複数の触媒能を発揮する物質である。NOx還元触媒30が有する触媒能は、固体酸20が有する触媒能と同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、NOx還元触媒30は、固体酸であってもよく、固体酸以外の物質であってもよい。NOx還元触媒30が固体酸である場合に、NOx還元触媒30は固体酸20と同一の物質であってもよいし、異なる物質であってもよい。特に、NOx還元触媒30が固体酸である場合、触媒構造体2に保持された固体酸の含有量を増大させることができ、固体酸の触媒活性を更に促進することができる。
The NO x reduction catalyst 30 is a substance that exhibits one or more catalytic capabilities. The catalytic ability of the NO x reduction catalyst 30 may be the same as or different from the catalytic ability of the
この場合、担体10に内在する固体酸20の含有量は、担体10の外表面10aに保持されたNOx還元触媒30の含有量よりも多いことが好ましい。これにより、担体10の内部に保持された固体酸20による触媒能が支配的となり、固体酸の触媒能が安定的に発揮される。
In this case, the content of the
[触媒成形体]
一実施形態では、自動車用還元触媒構造体を有する触媒成形体が提供されてもよい。触媒成形体は、自動車用還元触媒構造体を単独で有していてもよいし、他の触媒構造体を有してもよい。このような構成を有する触媒成形体に自動車用還元触媒構造体を用いることで、上記と同様の効果を奏することができる。
[Catalyst compact]
In one embodiment, a molded catalyst body having a reduced catalyst structure for automobiles may be provided. The catalyst molded body may have a reduction catalyst structure for automobiles alone or may have another catalyst structure. By using the reduction catalyst structure for automobiles in the catalyst molded body having such a configuration, the same effects as described above can be obtained.
触媒成形体は好ましくは、基材と、基材の表面上に設けられた自動車用還元触媒構造体とを有する。基材は、軸方向に排気ガスが通過する管状通路を有する部材である。すなわち、その内部を排気ガスが通過する管状通路を有する構造とすることで、自動車用還元触媒構造体の排気ガスとの接触面積が大きくなる。このように自動車用還元触媒構造体の排気ガスとの接触面積を大きくすることにより、排気ガスの浄化能を向上させることができる。このような基材としては好ましくは、ハニカム状基材を挙げることができる。ハニカム状基材の形状は特に限定されるものではなく、公知のハニカム状基材(一体構造型担体)の中から選択可能である。ハニカム状基材の材料としてはステンレス等の金属、コーディエライトなどの耐熱性セラミックスを挙げることができる。 The catalyst molded body preferably has a base material and a reduction catalyst structure for automobiles provided on the surface of the base material. The base material is a member having a tubular passage through which exhaust gas passes in the axial direction. That is, by providing a structure having a tubular passage through which the exhaust gas passes, the contact area of the automobile reduction catalyst structure with the exhaust gas is increased. Thus, by increasing the contact area of the reduction catalyst structure for automobiles with the exhaust gas, the purification ability of the exhaust gas can be improved. As such a base material, Preferably, a honeycomb-shaped base material can be mentioned. The shape of the honeycomb substrate is not particularly limited, and can be selected from known honeycomb substrates (integrated structure type carriers). Examples of the material for the honeycomb substrate include metals such as stainless steel and heat-resistant ceramics such as cordierite.
[触媒成形体の製造方法]
一実施形態の触媒成形体の製造方法では、自動車用還元触媒構造体に粉砕処理などを行い、粒子状の自動車用還元触媒構造体を得る。次に、粒子状の自動車用還元触媒構造体に、水などの媒体を混合してスラリーを得る。この後、ハニカム状基材へ該スラリーを塗工、乾燥することにより、ハニカム状基材とハニカム状基材の表面上に自動車用還元触媒構造体とを有する触媒成形体を製造することができる。ハニカム状基材へのスラリーの塗工方法は、特に限定されないがウォッシュコート法が好ましい。上記乾燥時の温度は100〜300℃が好ましく、100〜200℃がより好ましい。加熱手段については、電気炉やガス炉等の公知の加熱手段を用いることができる。
[Method for producing catalyst molded body]
In the manufacturing method of the catalyst molded body of one embodiment, the reduction catalyst structure for automobiles is pulverized and the like to obtain a particulate automobile reduction catalyst structure. Next, the particulate reduction catalyst structure for automobiles is mixed with a medium such as water to obtain a slurry. Thereafter, the slurry is applied to the honeycomb-shaped substrate and dried to produce a catalyst molded body having the honeycomb-shaped substrate and the reduction catalyst structure for automobiles on the surface of the honeycomb-shaped substrate. . A method for applying the slurry to the honeycomb-shaped substrate is not particularly limited, but a wash coat method is preferable. 100-300 degreeC is preferable and the temperature at the time of the said drying has more preferable 100-200 degreeC. About a heating means, well-known heating means, such as an electric furnace and a gas furnace, can be used.
以上、本発明の実施形態に係る触媒構造体について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。 As mentioned above, although the catalyst structure which concerns on embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation and change are possible based on the technical idea of this invention.
(実施例1〜288)
[前駆体材料(A)の合成]
シリカ剤(テトラエトキシシラン(TEOS)、和光純薬工業株式会社製)と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜pH調整を行い、密閉容器内で、80〜350℃、100時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水及びエタノールで洗浄し、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1〜6に示す種類及び孔径の前駆体材料(A)を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料(A)の種類に応じて(「前駆体材料(A)の種類:界面活性剤」)以下のものを用いた。
・MCM−41:ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)(和光純薬工業株式会社製)
・SBA−1:Pluronic P123(BASF社製)
(Examples 1-288)
[Synthesis of Precursor Material (A)]
A mixed aqueous solution in which a silica agent (tetraethoxysilane (TEOS), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and a surfactant as a templating agent was mixed was prepared, pH was adjusted as appropriate, and 80 to 80 in a sealed container. Hydrothermal treatment was performed at 350 ° C. for 100 hours. Thereafter, the produced precipitate is filtered off, washed with water and ethanol, and further fired in air at 600 ° C. for 24 hours to obtain a precursor material (A) having the types and pore sizes shown in Tables 1 to 6. It was. The following surfactants were used according to the type of the precursor material (A) (“type of precursor material (A): surfactant”).
MCM-41: hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・ SBA-1: Pluronic P123 (manufactured by BASF)
[前駆体材料(B)及び(C)の作製]
次に、表1〜6に示す種類の固体酸微粒子を構成する金属元素(M)に応じて、該金属元素(M)を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、固体酸微粒子の種類に応じて(「固体酸微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
・ZnOX:硝酸亜鉛六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・AlOX:硝酸アルミニウム九水和物(和光純薬工業株式会社製)
・ZrOX:硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業株式会社製)
[Preparation of Precursor Materials (B) and (C)]
Next, in accordance with the metal element (M) constituting the solid acid fine particles of the types shown in Tables 1 to 6, a metal salt containing the metal element (M) is dissolved in water to prepare a metal-containing aqueous solution. did. The following metal salts were used according to the type of solid acid fine particles (“solid acid fine particles: metal salt”).
ZnO X : zinc nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・ AlO X : Aluminum nitrate nonahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・ ZrO X : Zirconyl nitrate dihydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
次に、粉末状の前駆体材料(A)に、金属含有水溶液を複数回に分けて少量ずつ添加し、室温(20℃±10℃)で12時間以上乾燥させて、前駆体材料(B)を得た。 Next, the metal-containing aqueous solution is added to the powdery precursor material (A) in small portions in small portions, and dried at room temperature (20 ° C. ± 10 ° C.) for 12 hours or more to obtain the precursor material (B). Got.
なお、表1〜6に示す添加剤の有無の条件が「有り」の場合は、金属含有水溶液を添加する前の前駆体材料(A)に対して、添加剤としてのポリオキシエチレン(15)オレイルエーテル(NIKKOL BO−15V、日光ケミカルズ株式会社製)の水溶液を添加する前処理を行い、その後、上記のように金属含有水溶液を添加した。なお、添加剤の有無の条件が「無し」の場合については、上記のような添加剤による前処理は行っていない。 In addition, when the conditions of the presence or absence of the additive shown in Tables 1 to 6 are “Yes”, polyoxyethylene (15) as an additive with respect to the precursor material (A) before adding the metal-containing aqueous solution A pretreatment of adding an aqueous solution of oleyl ether (NIKKOL BO-15V, manufactured by Nikko Chemicals Co., Ltd.) was performed, and then the metal-containing aqueous solution was added as described above. In the case where the condition for the presence or absence of the additive is “none”, the pretreatment with the additive as described above is not performed.
また、前駆体材料(A)に添加する金属含有水溶液の添加量は、該金属含有水溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算したときの数値が、表1〜6の値になるように調整した。 Moreover, the addition amount of the metal-containing aqueous solution added to the precursor material (A) is the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing aqueous solution ( The numerical values when converted to atomic ratio (Si / M) were adjusted to the values shown in Tables 1-6.
次に、上記のようにして得られた金属含有水溶液を含浸させた前駆体材料(B)を、600℃、24時間、空気中で焼成して、前駆体材料(C)を得た。 Next, the precursor material (B) impregnated with the metal-containing aqueous solution obtained as described above was baked in air at 600 ° C. for 24 hours to obtain a precursor material (C).
[触媒構造体の合成]
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、表1〜6に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、80〜350℃、表1〜6に示すpH及び時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、100℃で12時間以上乾燥させ、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1〜6に示す担体と固体酸微粒子とを有する触媒構造体を得た(実施例1〜288)。
[Synthesis of catalyst structure]
The precursor material (C) obtained as described above and the structure directing agent shown in Tables 1 to 6 are mixed to prepare a mixed aqueous solution, and 80 to 350 ° C. and Tables 1 to 6 in a sealed container. Hydrothermal treatment was performed under the conditions of pH and time shown in FIG. Thereafter, the produced precipitate is filtered off, washed with water, dried at 100 ° C. for 12 hours or more, and further calcined in air at 600 ° C. for 24 hours to obtain the carriers and solid acid fine particles shown in Tables 1 to 6. The catalyst structure which has was obtained (Examples 1-288).
(比較例1)
比較例1では、MFI型シリカライトに平均粒径50nm以下の酸化コバルト粉末(II,III)(シグマ アルドリッチ ジャパン合同会社製)を混合し、骨格体としてのシリカライトの外表面に、機能性物質として酸化コバルト微粒子を付着させた機能性構造体を得た。MFI型シリカライトは、金属を添加する工程以外は、実施例52〜57と同様の方法で合成した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, cobalt oxide powder (II, III) (manufactured by Sigma Aldrich Japan LLC) having an average particle size of 50 nm or less was mixed with MFI type silicalite, and a functional substance was formed on the outer surface of silicalite as a skeleton. As a result, a functional structure having cobalt oxide fine particles adhered thereto was obtained. MFI type silicalite was synthesized in the same manner as in Examples 52 to 57 except for the step of adding metal.
(比較例2)
比較例2では、酸化コバルト微粒子を付着させる工程を省略したこと以外は、比較例1と同様の方法にてMFI型シリカライトを合成した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, MFI type silicalite was synthesized by the same method as Comparative Example 1 except that the step of attaching the cobalt oxide fine particles was omitted.
[評価]
実施例1〜288の触媒構造体及び比較例1〜2のシリカライトについて、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。
[Evaluation]
With respect to the catalyst structures of Examples 1 to 288 and the silicalites of Comparative Examples 1 and 2, various characteristics were evaluated under the following conditions.
[A]断面観察
実施例1〜288の触媒構造体及び比較例1〜2のシリカライトについて、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)(TITAN G2、FEI社製)を用いて、断面観察を行った。
[A] Cross-sectional observation About the catalyst structure of Examples 1-288 and the silicalite of Comparative Examples 1-2, an observation sample was prepared by a pulverization method, and a transmission electron microscope (TEM) (TITAN G2, manufactured by FEI) was used. Using this, cross-sectional observation was performed.
その結果、上記実施例の触媒構造体では、シリカライトからなる担体の内部に固体酸微粒子が内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例の触媒構造体では、固体酸微粒子が担体の外表面に付着しているのみで、担体の内部には存在していなかった。
また、上記実施例のうち金属酸化物が酸化ジルコニウム酸化物(ZrOx)微粒子である触媒構造体について、FIB(集束イオンビーム)加工により断面を切り出し、SEM(SU8020、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)、EDX(X−Max、株式会社堀場製作所製)を用いて断面元素分析を行った。その結果、骨格体内部からZr元素が検出された。
上記TEMとSEM/EDXによる断面観察の結果から、担体内部にZrOx微粒子が存在していることが確認された。
As a result, in the catalyst structures of the above examples, it was confirmed that the solid acid fine particles were contained and held inside the support made of silicalite. On the other hand, in the catalyst structure of the comparative example, the solid acid fine particles were only attached to the outer surface of the carrier, and were not present inside the carrier.
Moreover, about the catalyst structure whose metal oxide is a zirconium oxide oxide (ZrOx) microparticles | fine-particles in the said Example, a cross section is cut out by FIB (focused ion beam) processing, SEM (SU8020, Hitachi High-Technologies Corporation make), Cross-sectional elemental analysis was performed using EDX (X-Max, manufactured by Horiba, Ltd.). As a result, Zr element was detected from the inside of the skeleton.
From the results of cross-sectional observation using the TEM and SEM / EDX, it was confirmed that ZrOx fine particles were present inside the carrier.
[B]担体の通路の平均内径及び固体酸微粒子の平均粒径
上記評価[A]で行った断面観察により撮影したTEM画像にて、担体の通路を、任意に500個選択し、それぞれの長径及び短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し(N=500)、さらに内径の平均値を求めて、担体の通路の平均内径DFとした。また、固体酸微粒子についても同様に、上記TEM画像から、固体酸微粒子を、任意に500個選択し、それぞれの粒径を測定して(N=500)、その平均値を求めて、固体酸微粒子の平均粒径DCとした。結果を表1〜6に示す。
また、固体酸の平均粒径及び分散状態を確認するため、SAXS(小角X線散乱)を用いて分析した。SAXSによる測定は、Spring−8のビームラインBL19B2を用いて行った。得られたSAXSデータは、Guinier近似法により球形モデルでフィッティングを行い、粒径を算出した。粒径は、金属酸化物が酸化鉄微粒子である触媒構造体について測定した。また、比較対象として、市販品である酸化鉄微粒子(Wako社製)をSEMにて観察、測定した。
この結果、市販品では粒径約50nm〜400nmの範囲で様々なサイズの酸化鉄微粒子がランダムに存在しているのに対し、TEM画像から求めた平均粒径が1.2nm〜2.0nmの各実施例の触媒構造体では、SAXSの測定結果においても粒径が10nm以下の散乱ピークが検出された。SAXSの測定結果とSEM/EDXによる断面の測定結果から、担体内部に、粒径10nm以下の固体酸が、粒径が揃いかつ非常に高い分散状態で存在していることが分かった。
[B] Average inner diameter of carrier passage and average particle diameter of solid acid fine particles In the TEM image taken by the cross-sectional observation performed in the above evaluation [A], arbitrarily select 500 passages of the carrier, and each major diameter is selected. Then, the inner diameter was calculated from the average value (N = 500), and the average inner diameter was obtained as the average inner diameter DF of the carrier passage. Similarly, for solid acid fine particles, arbitrarily select 500 solid acid fine particles from the above TEM image, measure the particle diameter of each (N = 500), determine the average value, and calculate the solid acid fine particles. It was defined as the average particle diameter D C of the fine particles. The results are shown in Tables 1-6.
Moreover, in order to confirm the average particle diameter and dispersion state of a solid acid, it analyzed using SAXS (small angle X-ray scattering). The SAXS measurement was performed using Spring-8 beam line BL19B2. The obtained SAXS data was fitted with a spherical model by the Guinier approximation method, and the particle size was calculated. The particle size was measured for a catalyst structure in which the metal oxide was iron oxide fine particles. Further, as a comparison object, commercially available iron oxide fine particles (manufactured by Wako) were observed and measured with an SEM.
As a result, in the commercial product, iron oxide fine particles of various sizes are randomly present in the particle size range of about 50 nm to 400 nm, whereas the average particle size obtained from the TEM image is 1.2 nm to 2.0 nm. In the catalyst structure of each Example, a scattering peak having a particle size of 10 nm or less was detected in the SAXS measurement results. From the SAXS measurement result and the cross-sectional measurement result by SEM / EDX, it was found that a solid acid having a particle size of 10 nm or less was present in the support in a very dispersed state with a uniform particle size.
[C]金属含有溶液の添加量と骨格体内部に包接された金属量との関係
原子数比Si/M=50,100,200,1000(M=Al、Zr、Zn)の添加量で、金属酸化物微粒子を担体内部に包接させた触媒構造体を作製し、その後、上記添加量で作製された触媒構造体の担体内部に包接された金属量(質量%)を測定した。尚、本測定において原子数比Si/M=100,200,1000の機能性構造体は、それぞれ実施例1〜288のうちの原子数比Si/M=100,200,1000の触媒構造体と同様の方法で金属含有溶液の添加量を調整して作製し、原子数比Si/M=50の触媒構造体は、金属含有溶液の添加量を異ならせたこと以外は、原子数比Si/M=100,200,1000の触媒構造体と同様の方法で作製した。
金属量の定量は、ICP(高周波誘導結合プラズマ)単体か、或いはICPとXRF(蛍光X線分析)を組み合わせて行った。XRF(エネルギー分散型蛍光X線分析装置「SEA1200VX」、エスエスアイ・ナノテクノロジー株式会社製)は、真空雰囲気、加速電圧15kV(Crフィルター使用)或いは加速電圧50kV(Pbフィルター使用)の条件で行った。
XRFは、金属の存在量を蛍光強度で算出する方法であり、XRF単体では定量値(質量%換算)を算出できない。そこで、Si/M=100で金属を添加した触媒構造体の金属量は、ICP分析により定量し、Si/M=50および100未満で金属を添加した触媒構造体の金属量は、XRF測定結果とICP測定結果を元に算出した。
この結果、少なくとも原子数比Si/Mが50〜1000の範囲内で、金属含有溶液の添加量の増加に伴って、構造体に包接された金属量が増大していることが確認された。
[C] Relationship between the addition amount of the metal-containing solution and the amount of metal included in the skeleton body The atomic ratio Si / M = 50, 100, 200, 1000 (M = Al, Zr, Zn) Then, a catalyst structure in which metal oxide fine particles were included in the inside of the support was prepared, and then the amount of metal (mass%) included in the support of the catalyst structure prepared in the above addition amount was measured. In this measurement, the functional structure having an atomic ratio of Si / M = 100, 200, 1000 is the same as the catalyst structure having an atomic ratio of Si / M = 100, 200, 1000 in Examples 1 to 288, respectively. A catalyst structure having an atomic ratio Si / M = 50 was prepared by adjusting the addition amount of the metal-containing solution in the same manner, except that the addition amount of the metal-containing solution was changed. It was produced by the same method as the catalyst structure of M = 100, 200, 1000.
The amount of metal was determined by using ICP (high frequency inductively coupled plasma) alone or a combination of ICP and XRF (fluorescence X-ray analysis). XRF (energy dispersive X-ray fluorescence analyzer “SEA1200VX”, manufactured by SSI Nanotechnology Co., Ltd.) was performed under the conditions of vacuum atmosphere,
XRF is a method of calculating the abundance of a metal by fluorescence intensity, and a quantitative value (mass% conversion) cannot be calculated with XRF alone. Therefore, the amount of metal in the catalyst structure added with metal at Si / M = 100 was quantified by ICP analysis, and the amount of metal in the catalyst structure added with metal at Si / M = 50 and less than 100 was determined by XRF measurement results. And calculated based on the ICP measurement results.
As a result, it was confirmed that the amount of metal included in the structure increased as the amount of the metal-containing solution added increased at least in the atomic ratio Si / M in the range of 50 to 1000. .
[D]性能評価
担体と固体酸微粒子とを備える上記実施例及び比較例の触媒構造体について、固体酸微粒子がもつ触媒能(性能)を評価した。結果を表1〜6に示す。
[D] Performance evaluation About the catalyst structure of the said Example and comparative example provided with a support | carrier and solid acid microparticles | fine-particles, the catalyst ability (performance) which a solid acid microparticle has was evaluated. The results are shown in Tables 1-6.
(1)触媒活性
触媒活性は、以下の条件で評価した。
まず、触媒構造体を、常圧流通式反応装置に0.2g充填し、NO(一酸化窒素)を含むガスを流速1.0ml/hで流し、還元反応を行った。
(1) Catalytic activity The catalytic activity was evaluated under the following conditions.
First, 0.2 g of the catalyst structure was charged into an atmospheric pressure flow reactor, and a gas containing NO (nitrogen monoxide) was flowed at a flow rate of 1.0 ml / h to perform a reduction reaction.
反応終了後に、回収した生成ガスの成分を、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC/MS)により分析した。なお、生成ガスの分析装置には、TRACE1310GC(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器:熱伝導度検出器)を用いた。 After completion of the reaction, the components of the collected product gas were analyzed by gas chromatography mass spectrometry (GC / MS). Note that TRACE1310GC (manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd., detector: thermal conductivity detector) was used as the product gas analyzer.
さらに、分析結果に基づき、N2(窒素)の収率(mol%)を求めた。上記化合物の収率は、反応開始前のNOの物質量(mol)に対する、生成ガス中に含まれるN2の物質量の総量(mol)の百分率(mol%)として算出した。 Furthermore, the yield (mol%) of N 2 (nitrogen) was determined based on the analysis results. The yield of the above compound was calculated as a percentage (mol%) of the total amount (mol) of the amount of N 2 contained in the product gas with respect to the amount (mol) of NO before the start of the reaction.
本実施例では、生成ガス中に含まれるN2の収率が、80mol%以上である場合を触媒活性(分解能)が優れていると判定して「◎」、50mol%以上80mol%未満である場合を触媒活性が良好であると判定して「○」、20mol%以上50mol%未満である場合を触媒活性が良好ではないものの合格レベル(可)でありと判定して「△」、そして20mol%未満である場合を触媒活性が劣る(不可)と判定して「×」とした。 In this example, when the yield of N 2 contained in the product gas is 80 mol% or more, it is determined that the catalytic activity (resolution) is excellent, and “」 ”is 50 mol% or more and less than 80 mol%. The case where the catalytic activity is good is judged as “◯”, and the case where it is 20 mol% or more and less than 50 mol% is judged that the catalytic activity is not good but the acceptable level is “△”, and 20 mol. The case where it was less than% was judged that the catalyst activity was inferior (impossible), and was set as “x”.
(2)耐久性(寿命)
耐久性は、以下の条件で評価した。
(2) Durability (life)
The durability was evaluated under the following conditions.
まず、上記評価(1)で使用した触媒構造体を回収し、650℃で、12時間加熱して、加熱後の触媒構造体を作製した。次に、得られた加熱後の触媒構造体を用いて、上記評価(1)と同様の方法により、NOの還元反応を行い、さらに上記評価(1)と同様の方法で、生成ガスの成分を分析した。 First, the catalyst structure used in the evaluation (1) was collected and heated at 650 ° C. for 12 hours to produce a heated catalyst structure. Next, using the obtained catalyst structure after heating, a reduction reaction of NO is performed by the same method as in the above evaluation (1), and the components of the product gas are further processed by the same method as in the above evaluation (1). Was analyzed.
分析結果に基づき、上記評価(1)と同様の方法で、N2の収率(mol%)を求めた。さらに、加熱前の触媒構造体によるN2の収率(評価(1)で求めた収率)と比較して、加熱後の触媒構造体によるN2の収率が、どの程度維持されているかを比較した。具体的には、加熱前の触媒構造体によるN2の収率(評価(1)で求めた収率)に対する、上記加熱後の触媒構造体によるN2の収率(評価(2)で求めた収率)の百分率(%)を算出した。 Based on the analysis results, the yield (mol%) of N 2 was determined by the same method as in the evaluation (1). Furthermore, how much the yield of N 2 by the catalyst structure after heating is maintained as compared with the yield of N 2 by the catalyst structure before heating (the yield obtained in evaluation (1)) Compared. Specifically, the yield of N 2 by the catalyst structure after heating (determined by evaluation (2)) relative to the yield of N 2 by the catalyst structure before heating (the yield determined by evaluation (1)). %) Was calculated.
本実施例では、加熱後の触媒構造体によるN2の収率(評価(2)で求めた収率)が、加熱前の触媒構造体によるN2の収率(記評価(1)で求めた収率)に比べて、80%以上維持されている場合を耐久性(耐熱性)が優れていると判定して「◎」、50%以上80%未満維持されている場合を耐久性(耐熱性)が良好であると判定して「○」、20%以上50%未満維持されている場合を耐久性(耐熱性)が良好ではないものの合格レベル(可)であると判定して「△」、そして20%未満に低下している場合を耐久性(耐熱性)が劣る(不可)と判定して「×」とした。 In this example, the yield of N 2 by the catalyst structure after heating (the yield determined by evaluation (2)) was determined by the yield of N 2 by the catalyst structure before heating (determined by evaluation (1)). The yield is determined to be excellent when the durability (heat resistance) is excellent when it is maintained at 80% or more, and the durability (when it is maintained at 50% or more and less than 80%). It is determined that the heat resistance is good, and the case where it is maintained at 20% or more and less than 50% is determined to be a pass level (possible) although the durability (heat resistance) is not good. “△” and the case where it was lowered to less than 20% was judged as “poor” because the durability (heat resistance) was judged to be inferior (impossible).
なお、比較例2についても、評価(1)及び(2)と同様の性能評価を行った。比較例2は、担体そのものであり、固体酸微粒子は有していない。そのため、上記性能評価では、触媒構造体に替えて、比較例2の担体のみを充填した。結果を表6に示す。 In Comparative Example 2, the same performance evaluation as in the evaluations (1) and (2) was performed. Comparative Example 2 is a carrier itself and does not have solid acid fine particles. Therefore, in the performance evaluation, only the support of Comparative Example 2 was filled instead of the catalyst structure. The results are shown in Table 6.
表1〜6から明らかなように、断面観察により担体の内部に固体酸が保持されていることが確認された触媒構造体(実施例1〜288)は、単に固体酸微粒子が担体の外表面に付着しているだけの触媒構造体(比較例1)と比較して、NOの還元反応において優れた触媒活性を示し、触媒としての耐久性にも優れていることが分かった。 As is clear from Tables 1 to 6, the catalyst structures (Examples 1 to 288) in which the solid acid was confirmed to be retained inside the support by cross-sectional observation, the solid acid fine particles were simply formed on the outer surface of the support. As compared with the catalyst structure (Comparative Example 1) that is only attached to the catalyst, it was found that the catalyst showed excellent catalytic activity in the NO reduction reaction and was excellent in durability as a catalyst.
一方、固体酸を何ら有していない比較例2の担体そのものは、NOの還元反応において触媒活性は殆ど示さず、実施例1〜288の触媒構造体と比較して、触媒活性及び耐久性の双方が劣っていた。 On the other hand, the support itself of Comparative Example 2, which does not have any solid acid, shows almost no catalytic activity in the reduction reaction of NO. Compared with the catalyst structures of Examples 1 to 288, the carrier activity and durability are relatively low. Both were inferior.
また、担体の外表面にのみ固体酸を付着させた比較例1の触媒構造体は、固体酸を何ら有していない比較例2の担体そのものと比較して、NOの還元反応における触媒活性は改善されるものの、実施例1〜288の触媒構造体に比べて、触媒としての耐久性は劣っていた。 In addition, the catalyst structure of Comparative Example 1 in which the solid acid is attached only to the outer surface of the carrier has a catalytic activity in the reduction reaction of NO as compared with the carrier of Comparative Example 2 that does not have any solid acid. Although improved, the durability as a catalyst was inferior to the catalyst structures of Examples 1 to 288.
1、2 触媒構造体
10 担体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 固体酸
30 NOx還元触媒
1,2
Claims (22)
前記担体に内在する、固体酸からなるNOx還元触媒と、
を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記NOx還元触媒が、前記担体の少なくとも前記通路に保持されていることを特徴とする自動車用還元触媒構造体。 A porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
A NO x reduction catalyst comprising a solid acid inherent in the carrier;
With
The carrier has passages communicating with each other;
A reduction catalyst structure for automobiles, wherein the NO x reduction catalyst is held in at least the passage of the carrier.
前記NOx還元触媒は、少なくとも前記拡径部に包接されていることを特徴とする、請求項1に記載の自動車用還元触媒構造体。 The passage has an enlarged diameter portion, and
2. The reduction catalyst structure for an automobile according to claim 1, wherein the NO x reduction catalyst is included in at least the enlarged diameter portion.
前記通路の平均内径は、0.1nm〜1.5nmであり、前記拡径部の内径は、0.5nm〜50nmであることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体。 The passage is any one of a one-dimensional hole, a two-dimensional hole, and a three-dimensional hole defined by a skeleton structure of the zeolite-type compound, and any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. With a different enlarged diameter part,
The average inner diameter of the passage is 0.1 nm to 1.5 nm, and the inner diameter of the enlarged diameter portion is 0.5 nm to 50 nm. Reduction catalyst structure for automobiles.
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とする自動車用還元触媒構造体の製造方法。 A firing step of firing the precursor material (B) obtained by impregnating the precursor material (A) with a metal-containing solution to obtain a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
A hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B);
The manufacturing method of the reduction catalyst structure for motor vehicles characterized by having.
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