JP2019058870A - ハニカム触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、貴金属としてA及びBを含む場合には、隔壁の表面におけるAの濃度が隔壁の厚さ方向の中央部におけるAの濃度よりも高い、及び/又は、隔壁の表面におけるBの濃度が隔壁の厚さ方向の中央部におけるBの濃度よりも高いことを意味する。
具体的には、まず、隔壁の元素マッピング画像(貴金属が複数ある場合には、各元素毎の画像)の隔壁部分から、隔壁の厚さ方向の中央における10μm×10μmの領域と、該領域から隔壁の厚さ方向の表面側に位置する隔壁の表面における10μm×10μmの領域との組み合わせを無作為に10点選択する。続いて、領域の各組み合わせで、隔壁の中央における10μm×10μmの領域の元素濃度と、隔壁の表面における10μm×10μmの領域の元素濃度とを比較する。全ての組み合わせにおいて、隔壁の中央における10μm×10μmの領域の元素濃度よりも、隔壁の表面における10μm×10μmの領域の元素濃度のほうが高い場合、隔壁の表面における貴金属の濃度が隔壁の厚さ方向の中央部における貴金属の濃度よりも高いものとする。
ハニカム焼成体が無機バインダをさらに含むと、ハニカム焼成体の機械的強度を向上させることができる。
暖機運転時にはエンジンが温まっておらず、必要となる燃料量が増加することや、燃焼が安定しない等の理由により、排気ガスにはHCやCOが多く含まれることとなる。貴金属が少なくともPdを含むと、HCやCOを浄化することができるため、暖機運転時の排ガス浄化性能(以下、暖機性能ともいう)を向上させることができる。
さらに、温度の低い排ガスは隔壁の奥まで到達しにくいため、隔壁の表面におけるPd濃度が隔壁の中央部におけるPd濃度よりも高いと、より多くのPdを排ガスと接触させることができるため、暖機運転時の排ガス浄化性能をより向上させることができる。
隔壁の厚さを上記範囲にすることで、ハニカム触媒の機械的強度と排ガス浄化性能とを両立させやすい。
ハニカム触媒の形状が上記範囲であると、ハニカム触媒の圧力損失を低く抑えつつ、必要な排ガス浄化性能を満たしやすい。
ハニカム触媒の直径を130mm以下にすることで、熱衝撃による破損を起こりにくくすることができる。
セリア−ジルコニア複合酸化物の占める割合を上記範囲に設定することで、ハニカム触媒の酸素吸蔵能(OSC)を高めることができる。
[ハニカム触媒]
まず、本発明のハニカム触媒について説明する。
本発明のハニカム触媒が上記した成分を有していることは、X線回折(XRD)にて確認することができる。
図1に示すハニカム触媒10は、複数の貫通孔12が隔壁13を隔てて長手方向に並設された単一のハニカム焼成体11を備えている。ハニカム焼成体11は、CZ粒子とアルミナ粒子とを含み、押出成形体の形状を有している。
図1に示すように、ハニカム触媒10が単一のハニカム焼成体11からなる場合、ハニカム焼成体11はハニカム構造体でもある。
図2に示すように、隔壁13には貴金属14が担持されており、隔壁13の表面(貫通孔12側)における貴金属14の濃度が、隔壁13の厚さ方向(図2中、両矢印tで示す方向)の中央部における貴金属14の濃度よりも高い。
本発明のハニカム触媒では、隔壁の表面に貴金属が多く担持されているため、排ガスの温度が低く、触媒活性が低い暖機運転時においても、充分な排ガス浄化性能を発揮することができる。
具体的には、まず、隔壁の元素マッピング画像(貴金属が複数ある場合には、各元素毎の画像)の隔壁部分から、隔壁の厚さ方向の中央における10μm×10μmの領域と、該領域から隔壁の厚さ方向の表面側に位置する隔壁の表面における10μm×10μmの領域との組み合わせを無作為に10点選択する。続いて、領域の各組み合わせで、隔壁の中央における10μm×10μmの領域の元素濃度と、隔壁の表面における10μm×10μmの領域の元素濃度とを比較する。全ての組み合わせにおいて、隔壁の中央における10μm×10μmの領域の元素濃度よりも、隔壁の表面における10μm×10μmの領域の元素濃度のほうが高い場合、隔壁の表面における貴金属の濃度が隔壁の厚さ方向の中央部における貴金属の濃度よりも高いものとする。なお、貴金属の濃度は元素マッピング画像の色相及び濃淡によって判断することができる。
CZ粒子の平均粒子径が1〜50μmであると、ハニカム触媒とした際に、表面積が大きくなるため、OSCを高くすることができる。
θ相のアルミナ粒子をセリア−ジルコニア複合酸化物の仕切り材として用いることにより、アルミナ粒子が使用中に熱によって互いに焼結することを抑制できるため、触媒機能を維持することが可能となる。さらに、アルミナ粒子をθ相とすることにより、耐熱性を高くすることができる。
ハニカム触媒がアルミナ繊維等の無機繊維を含んでいると、ハニカム触媒の機械的特性を改善することができる。
(1)ハニカム触媒を10セル×10セル×10mmの大きさに切断して、測定試料とする。この測定試料をイオン交換水及びアセトンを用いて超音波洗浄した後、オーブンを用いて100℃で乾燥する。なお、10セル×10セル×10mmの測定試料とは、貫通孔が縦方向に10個、横方向に10個並んだ状態で、最も外側の貫通孔とその貫通孔を構成する隔壁を含み、長手方向の長さが10mmとなるように切り出した試料を指す。
(2)測定顕微鏡(ニコン製Measuring Microscope MM−40 倍率:100倍)を用いて、測定試料の断面形状の寸法を測定し、幾何学的な計算から体積を求める(なお、幾何学的な計算から体積を求めることができない場合は、飽水重量と水中重量とを実測して体積を測定する)。
(3)計算から求められた体積及びピクノメータで測定した測定試料の真密度から、測定試料が完全な緻密体であると仮定した場合の重量を計算する。なお、ピクノメータでの測定手順は(4)に示す通りとする。
(4)ハニカム焼成体を粉砕し、23.6ccの粉末を準備する。得られた粉末を200℃で8時間乾燥させる。その後、Micromeritics社製 Auto Pycnometer1320を用いて、JIS R 1620(1995)に準拠して真密度を測定する。排気時間は40分とする。
(5)測定試料の実際の重量を電子天秤(A&D製 HR202i)で測定する。
(6)以下の式から、ハニカム触媒の気孔率を求める。
(ハニカム触媒の気孔率)=100−(測定試料の実際の重量/測定試料が完全な緻密体であると仮定した場合の重量)×100[%]
外周コート層の厚さは、0.1〜2.0mmであることが望ましい。
貴金属としては、例えば、Pt、Pd、Rh等の白金族金属が挙げられる。
隔壁の表面における貴金属の濃度が、隔壁の厚さ方向の中央部における貴金属の濃度よりも高いと、隔壁の表面に貴金属が多く担持されるため、排ガスの温度が低く、触媒活性が低い暖機運転時においても、充分な排ガス浄化性能を発揮することができる。
貴金属が少なくともPdを含むと、HCやCOを浄化することができるため、暖機運転時の排ガス浄化性能を向上させることができる。
さらに、温度の低い排ガスは隔壁の奥まで到達しにくいため、隔壁の表面におけるPd濃度が隔壁の中央部におけるPd濃度よりも高いと、より多くのPdを排ガスと接触させることができるため、暖機運転時の排ガス浄化性能をより向上させることができる。
本明細書において、貴金属の担持量とは、ハニカム触媒の見掛けの体積当たりの貴金属の重量をいう。なお、ハニカム触媒の見掛けの体積は、空隙の体積を含む体積であり、外周コート層及び/又は接着層の体積を含むこととする。
次に、本発明のハニカム触媒を製造する方法について説明する。
本発明のハニカム触媒を製造する方法としては、例えば、以下の方法で製造したハニカム焼成体(ハニカム構造体)に対して、隔壁の表面に貴金属が優先的に吸着するような条件で貴金属を担持させる担持工程を行う方法が挙げられる。
まず、ハニカム焼成体(ハニカム構造体)を製造する方法について説明する。
ハニカム構造体を製造する方法としては、例えば、CZ粒子とアルミナ粒子とを含む原料ペーストを成形することにより、複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム成形体を作製する成形工程と、上記ハニカム成形体を焼成することにより、ハニカム焼成体を作製する焼成工程と、を含む方法が挙げられる。
成形工程では、まずCZ粒子とアルミナ粒子とを含む原料ペーストを調製する。
ただし、ハニカム触媒の原料となるCZ粒子及びアルミナ粒子の平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置(MALVERN社製 MASTERSIZER2000)により求めることができる。
造孔剤とは、焼成体を製造する際、焼成体の内部に気孔を導入するために用いられるものをいう。
具体的には、上記原料ペーストを用いて押出成形することにより、ハニカム成形体を作製する。つまり、所定の形状の金型に上記ペーストを通過させることにより、所定の形状の貫通孔を有するハニカム成形体の連続体を形成し、所定の長さにカットすることにより、ハニカム成形体が得られる。
本発明のハニカム構造体の製造方法において、焼成工程では、ハニカム成形体を焼成することにより、ハニカム焼成体を作製する。なお、この工程は、ハニカム成形体の脱脂及び焼成が行われるため、「脱脂・焼成工程」ということもできるが、便宜上「焼成工程」という。
続いて、該ハニカム構造体の隔壁に対して貴金属を担持させる担持工程について説明する。
本発明のハニカム触媒を製造する方法としては、上記ハニカム構造体に対して、隔壁の表面に優先的に貴金属を担持させる担持工程を含む方法が挙げられる。
隔壁の表面に貴金属を優先的に担持させる方法としては、隔壁表面に吸着しやすい貴金属溶液にハニカム構造体を含浸させ、引き上げた後に加熱又は乾燥する方法が挙げられる。
ハニカム構造体が外周コート層を備える場合、外周コート層を形成する前のハニカム焼成体に貴金属を担持してもよいし、外周コート層を形成した後のハニカム焼成体又はハニカム構造体に貴金属を担持してもよい。また、ハニカム構造体が接着層を備える場合、接着層を形成する前のハニカム焼成体に貴金属を担持してもよいし、接着層を形成した後のハニカム焼成体又はハニカム構造体に貴金属を担持してもよい。
このとき、上記溶液のpHを1.5〜5.0に調整することで、隔壁表面に対する貴金属の吸着がより起こりやすくなる。
上記溶液のpHはpH調整剤を添加することにより調整することができる。pH調整剤としては、触媒毒となるフッ素、塩素、臭素などのハロゲン及び硫黄を含有しないことが望ましく、例えば硝酸やシュウ酸などが挙げられる。
本発明のハニカム触媒を製造する方法において、ハニカム焼成体の外周面に外周コート層を形成する場合、外周コート層は、ハニカム焼成体の両端面を除く外周面に外周コート層用ペーストを塗布した後、乾燥固化することにより形成することができる。外周コート層用ペーストとしては、原料ペーストと同じ組成のものが挙げられる。
以下、本発明をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。
(製造例1)
CZ粒子(平均粒子径:2μm)を26.4重量%、θ−アルミナ粒子(平均粒子径:2μm)を13.2重量%、アルミナ繊維(平均繊維径:3μm、平均繊維長:60μm)を5.3重量%、無機バインダとしてベーマイトを11.3重量%、有機バインダとしてメチルセルロースを5.3重量%、造孔剤としてアクリル樹脂を2.1重量%、同じく造孔剤としてコークスを2.6重量%、成形助剤として界面活性剤であるポリオキシエチレンオレイルエーテルを4.2重量%、及び、イオン交換水を29.6重量%混合混練して、原料ペーストを調製した。
ジニトロジアンミンパラジウム硝酸溶液([Pd(NH3)2(NO2)2]HNO3、Pd濃度100g/L)と硝酸ロジウム溶液(Rh(NO3)3、ロジウム濃度50g/L)を3:1の体積割合で混合し、さらに硝酸を添加することで混合溶液のpHを2.3に調整した。
この混合溶液中に、製造例1で製造されたハニカム構造体を浸漬し、24時間保持した。その後、ハニカム構造体を混合溶液から引き上げ、110℃で2時間乾燥し、窒素雰囲気中500℃で1時間焼成することによって、ハニカム焼成体にPdとRhを担持させたハニカム触媒を得た。
触媒の担持量はハニカム構造体の見掛けの体積当たり、Pdが1.2g/L、Rhが0.4g/L、合計で1.6g/Lとした。
硝酸パラジウム溶液Pd(NO3)2(Pd濃度100g/L)と硝酸ロジウム溶液Rh(NO3)3(ロジウム濃度50g/L)を3:1の体積割合で混合して混合溶液(pH:2.3)を準備した他は、実施例1と同様の手順で比較例1に係るハニカム触媒を得た。
実施例1及び比較例1に係るハニカム触媒を長手方向に垂直な方向に切断し、切断面に露出した隔壁をEPMAで観察し、隔壁の表面における貴金属の濃度と隔壁の中央部における貴金属の濃度とを比較した。結果を表1、図3及び図4に示す。
具体的には、ハニカム触媒を3セル×3セル×10mmに加工し、エポキシ樹脂で固めた後鏡面研磨し、観察面にプラチナを蒸着させて観察試料とした。使用した装置は、JEOL製JXA8500F。加速電圧は25kV、照射電流は4×10−8A、ビーム形は10μm、照射時間は40msとし、PdとRhの元素分布をマッピングした。
なお、3セル×3セル×10mmの観察試料とは、貫通孔が縦方向に3個、横方向に3個並んだ状態で、最も外側の貫通孔とその貫通孔を構成する隔壁を含み、長手方向の長さが10mmとなるように切り出した試料を指す。
図3は、実施例1に係るハニカム触媒の隔壁のEPMA画像であり、図4は、比較例1に係るハニカム触媒の隔壁のEPMA画像である。図3及び図4では、対象となる元素濃度が高い部分ほど白く表示されている。図3及び図4における左側の写真がPdの元素マッピング写真であり、右側の写真がRhの元素マッピング写真である。
図3から、実施例1に係るハニカム触媒では、隔壁の表面における貴金属の濃度が、隔壁の中央部における貴金属の濃度よりも高いことが確認できる。
一方、図4から、比較例1に係るハニカム触媒では、貴金属が隔壁内にほぼ均一に分散していることが確認できる。なお、Rhについては実施例1及び比較例1で条件を変えていないが、実施例1ではRhが隔壁の表面に偏在していたのに対して、比較例1ではRhが隔壁の内部に均一に分散していた。この理由は定かではないが、隔壁表面に優先的に吸着しやすいPd錯体の影響を受けた可能性も考えられる。
V型6気筒3.5Lエンジンに、実施例1及び比較例1に係るハニカム触媒をセットし、ストイキエンジン始動からHC濃度((HCの流入量−HCの流出量)/(HCの流入量)×100)が50%以下となるまでの時間を測定し、ハニカム触媒の暖機性能を評価した。
HC濃度が50%以下となるまでの時間が短いほど、暖機性能に優れていることを意味する。HC濃度が50%以下となるまでの時間が15秒以下の場合には、暖機性能が優れていると評価(評価:○)し、HC濃度が50%以下となるまでの時間が15秒を超える場合には、暖機性能が優れていないと評価(評価:×)とした。
11 ハニカム焼成体(ハニカム構造体)
12 貫通孔
13 隔壁
14 貴金属
Claims (7)
- 複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム焼成体を備えたハニカム構造体に貴金属が担持されてなるハニカム触媒であって、
前記ハニカム焼成体は、セリア−ジルコニア複合酸化物粒子とアルミナ粒子とを含む押出成形体からなり、
前記貴金属は前記隔壁に担持されており、
前記隔壁の表面における前記貴金属の濃度が、前記隔壁の厚さ方向の中央部における前記貴金属の濃度よりも高いことを特徴とするハニカム触媒。 - 前記ハニカム焼成体は、無機バインダをさらに含む請求項1に記載のハニカム触媒。
- 前記貴金属は、少なくともPdを含み、
前記隔壁の表面における前記Pd濃度が、前記隔壁の中央部における前記Pd濃度より高い請求項1又は2に記載のハニカム触媒。 - 前記隔壁の厚さは0.05〜0.25mmである請求項1〜3のいずれかに記載のハニカム触媒。
- 前記ハニカム触媒の直径に対する長さの比(長さ/直径)は、0.5〜1.1である請求項1〜4のいずれかに記載のハニカム触媒。
- 前記ハニカム触媒の直径は、130mm以下である請求項1〜5のいずれかに記載のハニカム触媒。
- 前記ハニカム触媒におけるセリア−ジルコニア複合酸化物の占める割合は、25〜75重量%である請求項1〜6のいずれかに記載のハニカム触媒。
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