JP2019502550A - 排気ガス処理触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
長い時間にわたり、窒素酸化物(NOx)の有害成分は、大気汚染をもたらしている。NOxは、排気ガス、例えば内燃機関(例えば自動車およびトラックでの)、燃焼設備(例えば天然ガス、オイルまたは石炭により加熱される発電所)、そして硝酸産生プラントからの排気ガス中に含まれている。
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(標準的SCR反応)
2NO2+4NH3→3N2+6H2O(遅いSCR反応)
NO+NO2+NH3→2N2+3H2O(速いSCR反応)。
本発明は、選択的接触還元触媒として使用するために適した触媒組成物であって、細孔構造および8個の四面体原子の最大環サイズを有する、促進剤金属で含浸された小細孔モレキュラーシーブ粒子と、周期律表の第3族または第4族の遷移金属またはランタニドの1種以上の酸化物を含む金属酸化物粒子との均質混合物を含む触媒組成物に関する。モレキュラーシーブ粒子を含み、その中に(しかしながら、小細孔モレキュラーシーブ粒子の外側に)金属酸化物粒子が分散された触媒組成物の特定の実施形態は、金属酸化物粒子を一切含有しないか、または最小限の量の特定のバインダー材料に由来する僅かな金属酸化物を含有する従来の金属で促進されたモレキュラーシーブと比べて、低温および/または高温での高められたNOx還元、ならびに低温および/または高温での低減されたN2O生成をもたらし得ることが分かった。該金属酸化物は、一般的には、ウォッシュコートの全質量に対して酸化物基準で、約1質量%〜約15質量%の範囲内の量で存在する。
少なくとも1種の促進剤金属の塩を水性系金属酸化物ゾル中に溶解させること、
前記少なくとも1種の促進剤金属の塩は、前記水性系金属酸化物ゾル中で解離して、水性系金属塩/金属酸化物ゾル混合物が形成され、ここで、前記金属酸化物粒子は、周期律表の第3族または第4族の遷移金属またはランタニドの1種以上の酸化物を含み、
細孔構造を有し、かつ8個の四面体原子の最大環サイズを有するアンモニウムまたはプロトンで交換された小細孔モレキュラーシーブ粒子を、前記水性系金属塩/金属酸化物ゾル混合物で処理することで、促進剤金属を小細孔モレキュラーシーブの細孔構造内に含浸させること、ならびに
処理された小細孔モレキュラーシーブ粒子を乾燥および焼成することで、促進剤金属で含浸された小細孔モレキュラーシーブ粒子と、小細孔モレキュラーシーブ粒子内で、かつ小細孔モレキュラーシーブ粒子の細孔構造の外側で分散された金属酸化物粒子とを含む触媒組成物を形成すること
を含む、方法を提供する。前記促進剤金属およびモレキュラーシーブは、本明細書の任意の実施形態において記載されるように選択することができる。
少なくとも1種の促進剤金属の塩を水性系金属酸化物ゾル中に溶解させること、
前記少なくとも1種の促進剤金属の塩は、前記水性系金属酸化物ゾル中で解離して、水性系金属塩/金属酸化物ゾル混合物が形成され、ここで、前記金属酸化物粒子は、周期律表の第3族または第4族の遷移金属またはランタニドの1種以上の酸化物を含み、
細孔構造を有し、かつ8個の四面体原子の最大環サイズを有するアンモニウムまたはプロトンで交換された小細孔モレキュラーシーブ粒子を、前記水性系金属塩/金属酸化物ゾル混合物で処理することで、促進剤金属を小細孔モレキュラーシーブの細孔構造内に含浸させること、ならびに
処理された小細孔モレキュラーシーブ粒子を乾燥および焼成することで、促進剤金属で含浸された小細孔モレキュラーシーブ粒子と、小細孔モレキュラーシーブ粒子内で、かつ小細孔モレキュラーシーブ粒子の細孔構造の外側で分散された金属酸化物粒子とを含む触媒組成物を形成すること
を含む、方法。
本発明の幾つかの例示的な実施形態を記載する前に、本発明は、以下の詳細な説明に示される構成または方法工程の詳細に制限されるものでないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態も可能であり、様々な様式で実施することができる。
本明細書で使用される場合に、文言「モレキュラーシーブ」とは、粒状形で、かつ1種以上の促進剤金属と組み合わせて触媒として使用することができるゼオライト等の骨格材料およびその他の骨格材料(例えば同型置換材料)を指す。モレキュラーシーブは、一般的に四面体型サイトを含むとともに、平均細孔サイズが20Å以下である本質的に均一な細孔分布を有する酸素イオンの大規模な三次元網目を基礎とする材料である。その細孔サイズは、環のサイズによって定義される。本明細書で使用される場合に、用語「ゼオライト」とは、ケイ素原子およびアルミニウム原子を含むモレキュラーシーブの具体的な一例を指す。1つ以上の実施形態によれば、当然のことながら、モレキュラーシーブのそれらの構造型による定義は、その構造型、ならびにゼオライト材料と同じ構造型を有するSAPO、ALPOおよびMeAPO等の任意の全ての同型の骨格材料を含むことが意図される。
本明細書で使用される場合に、「促進された」とは、モレキュラーシーブ中に固有の不純物とは異なって、成分がモレキュラーシーブに意図的に添加されたことを指す。このように、促進剤を、意図的に添加することで、促進剤を意図的に添加しなかった触媒と比べて触媒の活性が高められる。窒素の酸化物のSCRを促進するために、1つ以上の実施形態においては、適切な金属が、モレキュラーシーブ成分中に交換される。したがって、1つ以上の実施形態のモレキュラーシーブは、引き続き、1種以上の促進剤金属、例えば銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ランタン(La)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、銀(Ag)、およびセリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、プラセオジム(Pr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ハフニウム(Hf)、イットリウム(Y)、およびタングステン(W)とイオン交換され得る。具体的な実施形態においては、モレキュラーシーブ成分は、Cu、Fe、およびそれらの組み合わせで促進される。非常に具体的な実施形態においては、モレキュラーシーブ成分は、Cuで促進される。
1つ以上の実施形態によれば、触媒組成物は、促進剤金属を含むモレキュラーシーブと、該モレキュラーシーブの表面上の金属酸化物とを含む。金属酸化物は、モレキュラーシーブとの均質な混合物で存在し、こうしてモレキュラーシーブ材料内で分散された金属酸化物相がもたらされる。特定の実施形態においては、モレキュラーシーブ材料全体における金属酸化物の分散は、比較的均一であり得る。しかしながら、幾つかの実施形態においては、金属酸化物の少なくとも一部は、通常はウォッシュコート層表面に移行して、基材の被覆過程の間に空気中で分解/酸化される水溶性ジルコニウム化合物(またはその他の金属酸化物化合物)の量の結果として、本発明の触媒組成物を含有するウォッシュコート層の表面に富化領域で見出すことができる。
本発明の実施形態による触媒は、粉体または噴霧された材料の形で、デカンテーション、濾過、遠心分離、または噴霧を含む分離技術から提供されてよい。
1つ以上の実施形態においては、1つ以上の実施形態の選択的接触還元触媒を含む被覆された基材は、ガス空間速度80000h-1で測定して200℃でのエージング後のNOx転化率少なくとも50%を示す。具体的な実施形態においては、該触媒は、ガス空間速度80000h-1で測定して450℃でのエージング後のNOx転化率少なくとも70%を示す。より具体的には、ガスの毎時体積ベースの空間速度80000h-1で定常状態の条件下で、500ppmのNO、500ppmのNH3、10%のO2、5%のH2O、残部N2のガス混合物中の最大NH3スリップ条件で測定されて、200℃でのエージング後のNOx転化率は、少なくとも55%、450℃の場合に少なくとも75%であってよく、さらにより具体的には、200℃でのエージング後のNOx転化率は、少なくとも60%、450℃の場合に少なくとも80%である。被覆された基材または「コア部」を、管状炉内において10%のH2O、10%のO2、残部N2を含むガス流中で空間速度4000h-1で750℃で5時間にわたって水熱エージングした。
1つ以上の実施形態においては、触媒組成物は、基材へとウォッシュコートとして適用されてよい。本明細書で使用される場合に、用語「基材」とは、触媒が、一般的にウォッシュコートの形で配置されるモノリス型の材料を指す。ウォッシュコートは、液体ビヒクル中の触媒の特定の固体含有量(例えば30質量%〜90質量%)を含むスラリーを調製し、それを次いで基材上に被覆し、乾燥させてウォッシュコート層を得ることによって形成される。
1つ以上の実施形態によれば、選択的接触還元触媒の合成方法が提供される。より具体的には、該触媒は、細孔構造および8個の四面体原子の最大環サイズを有し、かつ促進剤金属を含む小細孔モレキュラーシーブと、該促進剤金属を含む小細孔モレキュラーシーブ上のジルコニア含有層とを含み、その際、前記ジルコニア含有層は、一般的に、約10nm〜約500nmの範囲内の平均粒度を有するジルコニア粒子を有する。
一般的に、前記のジルコニア含有層を有するモレキュラーシーブ材料は、モレキュラーシーブ、吸着材、触媒、触媒担体またはそれらのバインダーとして使用することができる。1つ以上の実施形態においては、該材料は触媒として使用される。
実施例1 − スラリーに添加される酢酸ジルコニルとしての10%のZrO 2
Cu交換されたCHA(3.25質量%のCuO、SAR 28)を、水中に分散させ、50Hzのインラインホモジナイザーを通じて再循環させ、大きな凝集物を破壊することで、14μm未満のD90が得られた。次いで、焼成後のウォッシュコート基準で10質量%の全バインダー負荷量に達するように、酢酸ジルコニルバインダーを添加した。得られたスラリーの最終pHは、約4.0であった。該混合物を次いで、コーディエライト基材上に被覆し、乾燥させ、そして450℃で焼成し、活性触媒コーティングを形成した。乾燥は、部材を通じた流れを促進するために強制通風加熱炉を使用して行った。酢酸ジルコニルは非常に可溶性であるため、酢酸ジルコニルは乾燥の間にウォッシュコート中を動き、CHAの表面上に富化層を形成した。最終ウォッシュコート組成は、被覆、乾燥および焼成の後に2.9%CuO、87.1%CHA、および10%ZrO2であった。
より高い可溶性のZrの影響を調査するために、実施例1と同様であるが、酢酸ジルコニルとして5質量%だけのZrO2を添加して、1つのスラリーバッチを製造した。酢酸ジルコニルの添加後に、そのスラリーを、試料1および試料2と呼称する2つの試料に分けた。試料1は、さらに変更しなかったため、実施例1の組成物の1つと同じ組成を有していた。
工程1: 1.7kgの硝酸銅(II)結晶を、3.6kgの市販の15質量%のZrO2含有量を有する硝酸ベースのジルコニアゾル中に、室温で混合することにより溶解させた。
3.8kgの3.25%のCuO/CHAをまずは、6.2kgの水中に分散させ、50Hzのインラインホモジナイザーを通じて再循環させ、大きな凝集物を破壊することで、20μm未満のD90を有する粒度分布を達成する。この混合物に、794グラムの、第4表に規定される(Ce45Nd5Zr50)O2の水性分散液を加え、そしてホモジナイザーを通した再循環を、粒度分布がD90<14μmを有するまで続ける。最終スラリーのpHは、4.6であった。
1.7kgの硝酸銅(II)結晶を、7.2kgの市販の15質量%のZrO2含有量を有する硝酸ベースのジルコニアゾル(第一稀元素化学工業株式会社から入手可能なZSL−15N)中に、室温で混合することにより溶解させた。得られた溶液を、18.2kgの噴霧乾燥されたNH4/CHA粉体上にミキサー中で含浸させ、次いで同時に乾燥/焼成させた。この工程の生成物は、6%ZrO2/3.25%CuO/CHA粉体である。その焼成された粉体を、次いで水中に分散させ、50Hzのインラインホモジナイザーを通じて再循環させ、大きな凝集物を破壊することで、14μm未満のD90が得られた。空気中でのこの迅速な乾燥および焼成は、1.5秒未満で迅速な濃度勾配を生じ、理論により縛られるものではないが、それがCu2+をブレンステッド酸部位に移動させる駆動力を生ずると考えられる。
1.7kgの硝酸銅(II)結晶を、5.4kgの市販の20質量%のAl2O3含有量を有する硝酸ベースのアルミナゾル(Sasol社から入手可能なDispal 23N4−20)、つまり大結晶ベーマイト材料中に、室温で混合することにより溶解させた。得られた溶液を、18.2kgの噴霧乾燥されたNH4/CHA粉体上に、その溶液をCHA粉体上に吹き付けることによってミキサー中で含浸させ、次いで同時に乾燥/焼成させた。この工程の生成物は、6%Al2O3/3.25%CuO/CHA粉体である。その焼成された粉体を、次いで水中に分散させ、50Hzのインラインホモジナイザーを通じて再循環させ、大きな凝集物を破壊することで、14μm未満のD90が得られた。空気中でのこの迅速な乾燥および焼成は、1.5秒未満で迅速な濃度勾配を生じ、理論により縛られるものではないが、それがCu2+をブレンステッド酸部位に移動させる駆動力を生ずると考えられる。
0.5kgの市販の60/40のZrO2/Y2O3の混合ゾルを、0.17kgの90%酢酸を含む41kgの脱イオン水中に分散させる。2.2kgの市販の15質量%のZrO2含有量を有する硝酸ベースのジルコニアゾル(第一稀元素化学工業株式会社製のZSL−15N)を、先の工程で作製された分散液に、室温で混合することにより添加する。5.4kgの噴霧乾燥された4.91%のCuO/CHAを、得られた分散液に添加し、こうして8%ZrO2/2%Y2O3/4.40%CuO/CHAが生成する。先の工程からの生成混合物を、50Hzのインラインホモジナイザーを通じて再循環させ、大きな凝集物を破壊することで、14μm未満のD90が得られた。得られたスラリーを、次いで400/4コーディエライト基材上に被覆し、乾燥させ、450℃で焼成することで、2.75g/インチ3の乾燥増分が得られる。
Claims (35)
- 選択的接触還元触媒として使用するために適した触媒組成物であって、細孔構造および8個の四面体原子の最大環サイズを有する、促進剤金属で含浸された小細孔モレキュラーシーブ粒子と、小細孔モレキュラーシーブ粒子内で、かつ小細孔モレキュラーシーブ粒子の細孔構造の外側で分散された、周期律表の第3族または第4族の遷移金属またはランタニドの1種以上の酸化物を含む金属酸化物粒子とを含む、触媒組成物。
- 前記金属酸化物粒子は、ジルコニア、アルミナ、セリア、ハフニア、イットリア、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属酸化物を含む、請求項1に記載の触媒組成物。
- 前記金属酸化物粒子は、ジルコニアを含む、請求項1に記載の触媒組成物。
- 前記金属酸化物粒子は、約10nm〜約500nmの範囲内の平均粒度を有する、請求項1に記載の触媒組成物。
- 前記金属酸化物粒子は、前記モレキュラーシーブの細孔開口より10倍超大きいD10粒度を有する、請求項1に記載の触媒組成物。
- 前記金属酸化物粒子は、約10nm以上のD10粒度を有する、請求項1に記載の触媒組成物。
- 前記小細孔モレキュラーシーブは、d6r単位を有する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物。
- 前記小細孔モレキュラーシーブは、AEI、AFT、AFX、CHA、EAB、ERI、KFI、LEV、LTN、MSO、SAS、SAT、SAV、SFW、およびTSCから選択される構造型を有する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物。
- 前記促進剤金属は、Cu、Co、Ni、La、Mn、Fe、V、Ag、Ce、Nd、Pr、Ti、Cr、Zn、Zn、Nb、Mo、Hf、Y、W、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物。
- 前記小細孔モレキュラーシーブは、CHA構造型を有する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物。
- 前記促進剤金属は、CuもしくはFeまたはそれらの組み合わせを含む、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物。
- 前記促進剤金属は、前記モレキュラーシーブの全質量に対して、約1質量%〜約10質量%の範囲内の量で存在する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物。
- 前記促進剤金属は、前記モレキュラーシーブの全質量に対して、約2質量%〜約5質量%の範囲内の量で存在する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物。
- 前記金属酸化物は、ウォッシュコートの全質量に対して酸化物基準で、約1質量%〜約15質量%の範囲内の量で存在する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物。
- フロースルー型モノリス、ウォールフロー型フィルター、フォーム、またはメッシュから選択される基材を含む触媒物品であって、前記基材上にウォッシュコート層として請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒組成物が付着されている、触媒物品。
- 前記ウォッシュコートは、フロースルー型モノリスまたはウォールフロー型フィルター上に配置される、請求項15に記載の触媒物品。
- 前記触媒物品は、同じ触媒組成を有するウォッシュコートを同じ負荷量で含むが、小細孔モレキュラーシーブ粒子内に金属酸化物粒子が分散されていない触媒物品と比べて、少なくとも10質量%低いN2O生成を特徴とする、請求項15に記載の触媒物品。
- 窒素酸化物(NOx)を選択的に還元するための方法であって、NOxを含有する排気ガス流を、請求項15に記載の触媒物品と接触させることを含む、方法。
- 副生成物として生成されるN2Oの量は、同じ触媒組成を有するウォッシュコートを同じ負荷量で含むが、小細孔モレキュラーシーブ粒子内に金属酸化物粒子が分散されていない触媒物品を使用する方法において生成されるN2Oの量と比べて低減される、請求項18に記載の方法。
- 請求項15に記載の触媒物品を、エンジンおよび排気ガス流に還元剤を添加するインジェクターから下流側に備える排気ガス処理システム。
- 触媒組成物の製造方法であって、
少なくとも1種の促進剤金属の塩を水性系金属酸化物ゾル中に溶解させること、
前記少なくとも1種の促進剤金属の塩は、前記水性系金属酸化物ゾル中で解離して、水性系金属塩/金属酸化物ゾル混合物が形成され、ここで、前記金属酸化物粒子は、周期律表の第3族または第4族の遷移金属またはランタニドの1種以上の酸化物を含み、
細孔構造を有し、かつ8個の四面体原子の最大環サイズを有するアンモニウムまたはプロトンで交換された小細孔モレキュラーシーブ粒子を、前記水性系金属塩/金属酸化物ゾル混合物で処理することで、促進剤金属を小細孔モレキュラーシーブの細孔構造内に含浸させること、ならびに
処理された小細孔モレキュラーシーブ粒子を乾燥および焼成することで、促進剤金属で含浸された小細孔モレキュラーシーブ粒子と、小細孔モレキュラーシーブ粒子内で、かつ小細孔モレキュラーシーブ粒子の細孔構造の外側で分散された金属酸化物粒子とを含む触媒組成物を形成すること
を含む、方法。 - 前記金属酸化物は、ジルコニア、アルミナ、セリア、ハフニア、イットリア、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項21に記載の方法。
- 前記金属酸化物は、ジルコニアを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記金属酸化物ゾルは、約10nm〜約500nmの範囲内の平均粒度を有する、請求項21に記載の方法。
- 前記金属酸化物ゾルは、前記モレキュラーシーブの細孔開口より10倍超大きいD10粒度を有する、請求項21に記載の方法。
- 前記金属酸化物ゾルは、約10nm以上のD10粒度を有する、請求項21に記載の方法。
- 前記促進剤金属は、Cu、Co、Ni、La、Mn、Fe、V、Ag、Ce、Nd、Pr、Ti、Cr、Zn、Zn、Nb、Mo、Hf、Y、W、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記金属酸化物ゾルは、水酸化ジルコニルゾル、ナノサイズの水和ジルコニアゾル、アルミナゾル、ジルコニア−イットリアゾル、ジルコニア−アルミナゾル、ジルコニア−セリアゾル、有機ジルコニウムゾル、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記金属酸化物粒子は、小細孔モレキュラーシーブの細孔構造内に入り込まない、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記小細孔モレキュラーシーブは、d6r単位を有する、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記小細孔モレキュラーシーブは、AEI、AFT、AFX、CHA、EAB、ERI、KFI、LEV、LTN、MSO、SAS、SAT、SAV、SFW、およびTSCから選択される構造型を有する、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記小細孔モレキュラーシーブは、CHA結晶構造を有する、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記促進剤金属は、Cu、Fe、またはそれらの組み合わせを含む、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
- 触媒組成物と水とを混合して、ウォッシュコートスラリーを形成し、該ウォッシュコートスラリーを基材に適用して、基材上にウォッシュコートコーティングを形成し、そして該基材を乾燥および焼成して、触媒物品を形成する工程をさらに含む、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
- 水溶性金属酸化物化合物をウォッシュコートスラリーに添加して、その全金属酸化物含量を増大させることをさらに含む、請求項34に記載の方法。
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