JP2022178440A - Exhaust gas purification device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排ガス浄化用の排ガス浄化装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an exhaust gas purifying device for purifying exhaust gas.
自動車等の内燃機関から排出される排ガスには、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)及び窒素酸化物(NOx)等の有害成分が含まれている。これらの有害成分を除去するために、排ガス浄化装置が用いられる。排ガス浄化装置は、内燃機関の下流に設けられ、排ガス中のCO及びHCを酸化して水及び二酸化炭素に変換し、NOxを還元して窒素に変換する。 Exhaust gases emitted from internal combustion engines such as automobiles contain harmful components such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NOx). Exhaust gas purifiers are used to remove these harmful components. The exhaust gas purifier is provided downstream of the internal combustion engine, oxidizes CO and HC in the exhaust gas to convert them to water and carbon dioxide, and reduces NOx to nitrogen.
特許文献1において、細孔を有する触媒層を備える排気ガス浄化用触媒が記載されている。特許文献1において、触媒層が貴金属を含む触媒粉末を含むこと、及び、該貴金属としてパラジウム(Pd)及びロジウム(Rh)が例示されることが記載されている。
内燃機関に供給される混合気の空燃比(A/F)は、自動車の走行条件等によって、理論空燃比(ストイキ:A/F=14.7)を中心に変動する。排ガス浄化装置は、燃料過剰(リッチ:A/F<14.7)の混合気が供給された内燃機関からの排ガスに含まれるHC及びNOxを効率的に浄化することが求められる。 The air-fuel ratio (A/F) of the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine fluctuates around the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric: A/F=14.7) depending on the running conditions of the automobile. An exhaust gas purifier is required to efficiently purify HC and NOx contained in exhaust gas from an internal combustion engine supplied with a fuel-rich (rich: A/F<14.7) mixture.
そこで、リッチ条件下で高いHC浄化性能及びNOx浄化性能を示す排ガス浄化装置を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide an exhaust gas purifier that exhibits high HC purification performance and NOx purification performance under rich conditions.
本発明の一態様に従えば、
基材と、
前記基材上に配置された触媒層と、
を備え、
前記触媒層が、第1の触媒金属及び第2の触媒金属を含み、
前記第1の触媒金属がロジウムであり、
前記第2の触媒金属がパラジウム又は白金の少なくとも一方であり、
前記触媒層が、外表面と、マクロ孔を画成する内表面と、を有し、
前記外表面の近傍における前記第1の触媒金属の濃度及び前記内表面の近傍における前記第1の触媒金属の濃度が、前記触媒層全体で平均した前記第1の触媒金属の濃度と同等かそれ未満であり、
前記外表面の近傍における前記第2の触媒金属の濃度及び前記内表面の近傍における前記第2の触媒金属の濃度が、前記触媒層全体で平均した前記第2の触媒金属の濃度よりも高い、排ガス浄化装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
a substrate;
a catalyst layer disposed on the substrate;
with
the catalyst layer comprises a first catalyst metal and a second catalyst metal;
the first catalytic metal is rhodium;
the second catalytic metal is at least one of palladium and platinum;
the catalyst layer has an outer surface and an inner surface defining macropores;
The concentration of the first catalytic metal in the vicinity of the outer surface and the concentration of the first catalytic metal in the vicinity of the inner surface are equal to or less than the concentration of the first catalytic metal averaged over the entire catalyst layer. is less than
the concentration of the second catalytic metal in the vicinity of the outer surface and the concentration of the second catalytic metal in the vicinity of the inner surface are higher than the concentration of the second catalytic metal averaged over the entire catalyst layer; An exhaust gas purification device is provided.
本発明の排ガス浄化装置は、リッチ条件下で高いHC浄化性能及びNOx浄化性能を示す。 The exhaust gas purifier of the present invention exhibits high HC purifying performance and NOx purifying performance under rich conditions.
以下、適宜図面を参照して実施形態を説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができる。説明の都合上、図面中の各部の寸法比率及び形状が誇張され、実際の寸法比率及び形状とは異なる場合がある。また、本願において、記号「~」を用いて表される数値範囲は、記号「~」の前後に記載される数値のそれぞれを下限値及び上限値として含む。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings as appropriate. The present invention is not limited to the following embodiments, and various design changes can be made without departing from the spirit of the invention described in the claims. For convenience of explanation, the dimensional ratio and shape of each part in the drawings are exaggerated, and may differ from the actual dimensional ratio and shape. In addition, in the present application, a numerical range represented using the symbol "~" includes the numerical values described before and after the symbol "~" as lower and upper limits, respectively.
I 排ガス浄化装置
実施形態に係る排ガス浄化装置1を、図1を参照しながら説明する。排ガス浄化装置1は、基材10と、基材10上に配置された触媒層30とを備える。
I Exhaust Gas Purifying Apparatus An exhaust gas purifying
基材10としては、特に制限されず、排ガス浄化装置の基材として用いることが可能な任意の基材を使用できる。基材10として、ハニカム形状を有する基材、例えばハニカム形状のモノリス基材(ハニカムフィルタ、高密度ハニカム等)を使用することができる。基材10の材質の例として、コージエライト、炭化ケイ素、シリカ、アルミナ、ムライト等のセラミックス、クロム及びアルミニウムを含むステンレススチール等の金属が挙げられる。これらの材質により、排ガス浄化装置1が高温条件下でも高い排ガス浄化性能を発揮することができる。コスト低減の観点から、基材10はコージエライト製であってよい。
The
触媒層30は、第1の触媒金属33及び第2の触媒金属35を含む。第1の触媒金属33はロジウムであり、第2の触媒金属35はパラジウム又は白金の少なくとも一方である。触媒層30は、第1の触媒金属33及び第2の触媒金属35の性能を損なわない程度にその他の貴金属を含んでもよい。
触媒層30はさらに担体31を含んでよい。担体31としては、通常の排ガス浄化装置に使用することができるものであれば特に制限されずに用いることができる。例えば、担体31は、酸化アルミニウム(Al2O3、アルミナ)、酸化セリウム(CeO2、セリア)、酸化ジルコニウム(ZrO2、ジルコニア)、酸化珪素(SiO2、シリカ)、酸化イットリウム(Y2O3、イットリア)及び酸化ネオジム(Nd2O3)等の酸化物又はこれらの複合酸化物であってよい。担体31には、第1の触媒金属33又は第2の触媒金属35の少なくとも一方が担持されていてよい。
触媒層30は、外表面36と、マクロ孔50を画成する内表面37とを有する。
マクロ孔50は、1~20μmの平均孔径を有してよい。平均孔径が1μm以上であることにより、排ガスがマクロ孔50を通って触媒層30全体に十分に拡散することができ、排ガスの効率的な浄化が可能となる。平均孔径が20μm以下であることにより、触媒層30が十分な強度を有することができ、また、触媒層30の嵩が必要以上に大きくなって圧力損失が増大することを避けることができる。より確実に排ガスを触媒層30全体に十分に拡散させるために、マクロ孔の平均孔径は、2~10μmであってよく、3~10μmであってよい。
マクロ孔50の平均孔径は、以下のようにして求めることができる。走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、触媒層30の表面又は断面の任意の複数の50μm角の領域の反射電子像を得る。得られた反射電子像から、任意の20個以上のマクロ孔50の直径を求め、平均値を算出する。ここで、マクロ孔50の直径とは、反射電子像中のマクロ孔50の長さをあらゆる方向に測った場合に最も長さが大きくなる方向(マクロ孔50の長手方向)に垂直な方向における、マクロ孔50の長さの最大値を指す。マクロ孔50が、後述するように繊維状造孔材を用いて形成されたものである場合、反射電子像中で確認されるマクロ孔50は、通常、細長い形状を有するため、上述のように、マクロ孔50の長手方向に垂直な方向のマクロ孔の長さの最大値をマクロ孔の直径と擬制して平均孔径を求めることができる。
The average pore diameter of the
マクロ孔50は、9~40、好ましくは9~30、より好ましくは9~28の範囲内の平均アスペクト比を有してよい。マクロ孔50の平均アスペクト比が上記範囲内であることにより、排ガスが適度な速度で触媒層30内を拡散できるため、排ガスの効率的な浄化が可能となる。
The
マクロ孔50の平均アスペクト比は、以下のようにして求めることができる。SEMを用いて、触媒層30の表面又は断面の任意の複数の50μm角の領域の反射電子像を得る。得られた反射電子像から、任意の20個以上のマクロ孔50のアスペクト比を求め、平均値を算出する。ここで、マクロ孔50のアスペクト比とは、(マクロ孔50の長手方向の長さ)/(マクロ孔50の長手方向に垂直な方向におけるマクロ孔50の長さの最大値)の値を指す。
The average aspect ratio of
触媒層30は、2~30vol%、好ましくは5~20vol%の空隙率を有してよい。空隙率が上記範囲内であることにより、排ガス浄化装置1が良好な排ガス浄化性能を有することができる。触媒層30の空隙率は、水銀圧入法又はガス吸着測定法により測定でき、あるいはFIB-SEM(Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscope)又はX線CT等による三次元解析により算出することもできる。
The
第2の触媒金属35は、触媒層30の外表面36、及びマクロ孔50を画成する触媒層30の内表面37の近傍に集中的に配置される。具体的には、外表面36の近傍における第2の触媒金属35の濃度及び内表面37の近傍における第2の触媒金属35の濃度がいずれも、触媒層30全体で平均した第2の触媒金属35の濃度より高い。触媒層30に含まれる第2の触媒金属35の実質的に全てが、外表面36及び内表面37の近傍に配置されてもよい。さらに、触媒層30に含まれる第2の触媒金属35の総重量の30~70%の量の第2の触媒金属35が、外表面36の近傍に配置されてよい。触媒層30に含まれる第2の触媒金属35の総重量の30~70%の量の第2の触媒金属35が、内表面37の近傍に配置されてよい。また、外表面36の近傍に配置された第2の触媒金属35の重量と内表面37の近傍に配置された第2の触媒金属35の重量の比が3:7~7:3の範囲内であってよい。それにより、後述する実施例で示されるように、排ガス浄化装置1が特に高いHC浄化性能及びNOx排出性能を示す。
The second
外表面36及び内表面37の近傍における第1の触媒金属33の濃度は、触媒層30全体で平均した第1の触媒金属33の濃度と同等かそれ未満である。特に、第1の触媒金属33は、触媒層30の全体にわたって略均一な濃度で配置されてよく、この場合、外表面36及び内表面37の近傍における第1の触媒金属33の濃度は、触媒層30全体で平均した第1の触媒金属33の濃度と同等である。
The concentration of first
なお、本願において、外表面36の近傍とは、外表面36から触媒層30の内部に向かって4μm以内の領域を指す。同様に、内表面37の近傍とは、内表面37から触媒層30の内部に向かって4μm以内の領域を指す。触媒層30中の各位置における第1の触媒金属33の濃度及び第2の触媒金属35の濃度は、電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)を用いて測定される。また、本願において、触媒層30全体で平均した第1の触媒金属33の濃度とは、触媒層30の総重量に対する、触媒層30中に含まれる第1の触媒金属33の総重量の割合を意味する。触媒層30全体で平均した第2の触媒金属35の濃度とは、触媒層30の総重量に対する、触媒層30中に含まれる第2の触媒金属35の総重量の割合を意味する。
In the present application, the vicinity of the outer surface 36 refers to a region within 4 μm from the outer surface 36 toward the inside of the
触媒層30中で第1の触媒金属33及び第2の触媒金属35が上記のように配置されることにより、排ガス浄化装置1がリッチ条件下で高いHC浄化性能及びNOx浄化性能を示すことを、本発明者らは鋭意検討により見出した。その理由を本発明者らは以下のように考えている。
By arranging the first
第1の触媒金属33はNOx浄化反応において優れた触媒作用を示し、第2の触媒金属35はHC浄化反応において優れた触媒性能を示す。実施形態に係る排ガス浄化装置1に供給された排ガスの一部は、触媒層30の外表面36に接触しながら排ガス浄化装置1を通過する。このとき、排ガス中のHCが高確率で第2の触媒金属35に接触する。それにより、排ガス中のHCが酸化されて水及び二酸化炭素に変換される。その結果、排ガス中のHC含有量が低減する。
The first
また、排ガス浄化装置1に供給された排ガスの一部は、触媒層30の外表面36を通って触媒層30に入り、触媒層30内を拡散する。排ガスが外表面36を通るときにも、排ガス中のHCが高効率で第2の触媒金属35に接触して酸化され、排ガス中のHC含有量が低減する。そのため、触媒層30中の外表面36の近傍以外の領域に配置された第1の触媒金属33とHCとの接触確率が低い。通常、HCは第1の触媒金属33を被覆して第1の触媒金属33を失活させることがあるが、実施形態の排ガス浄化装置1では、第1の触媒金属33とHCとの接触確率が低いため、第1の触媒金属33のHCによる失活が抑制される。その結果、排ガス中のNOxが高確率で活性な第1の触媒金属33と接触して還元され、除去される。そのため、高いNOx浄化性能が得られる。
Part of the exhaust gas supplied to the
さらに、触媒層30内を拡散する排ガスの少なくとも一部は、触媒層30の内表面37の近傍を通ったり、内表面37を通ってマクロ孔50と触媒層30の間を移動したりする。このとき、排ガス中に含まれるHCが高確率で第2の触媒金属35に接触して酸化される。それにより、排ガス中のHC含有量がさらに低減する。
Furthermore, at least part of the exhaust gas diffusing in the
II 排ガス浄化装置の製造方法
実施形態に係る排ガス浄化装置の製造方法の一例を説明する。排ガス浄化装置の製造方法は、第2の触媒金属を担持した造孔材(以下、適宜「第2触媒金属担持造孔材」とも称する)を用意することと、触媒金属担持造孔材及び第1の触媒金属を含むスラリーを調製することと、基材にスラリー層を形成し、スラリー層を乾燥及び焼成して、触媒層を形成することと、触媒層の外表面に第2の触媒金属を含有する溶液を吸収させて、第2の触媒金属を外表面近傍に配置することと、を含む。以下、各工程を順に説明する。
II Method for Manufacturing Exhaust Gas Purifying Device An example of a method for manufacturing an exhaust gas purifying device according to the embodiment will be described. A method for manufacturing an exhaust gas purifier includes preparing a pore-forming material supporting a second catalyst metal (hereinafter also referred to as a "second catalyst metal-supporting pore-forming material"); preparing a slurry containing one catalyst metal, forming a slurry layer on a substrate, drying and calcining the slurry layer to form a catalyst layer, and applying a second catalyst metal on the outer surface of the catalyst layer and placing the second catalytic metal proximate the outer surface by imbibing a solution containing Each step will be described in order below.
(1)第2触媒金属担持造孔材の調製
まず、造孔材を用意する。造孔材として繊維状造孔材を用いてよい。繊維状造孔材として、例えば、ポリエチレンテレフタラート(PET)繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、レーヨン繊維、セルロース繊維が挙げられる。加工性と焼成温度のバランスの観点から、造孔材は、PET繊維及びナイロン繊維からなる群から選択される少なくとも1種であってよい。
(1) Preparation of Second Catalyst Metal-Supporting Pore-Forming Material First, a pore-forming material is prepared. A fibrous pore former may be used as the pore former. Examples of fibrous pore-forming materials include polyethylene terephthalate (PET) fibers, acrylic fibers, nylon fibers, rayon fibers, and cellulose fibers. The pore-forming material may be at least one selected from the group consisting of PET fibers and nylon fibers from the viewpoint of the balance between workability and firing temperature.
繊維状造孔材は、1~20μm、好ましくは2~10μm、より好ましくは3~10μmの平均直径(平均繊維径)を有してよい。平均直径が上記範囲内であることにより、ガスの拡散に適した大きさを有するマクロ孔の形成が可能となる。繊維状造孔材の平均直径は、無作為に50以上の繊維状造孔材を取り出して繊維径を測定し、平均を求めることによって算出される。 The fibrous pore formers may have an average diameter (mean fiber diameter) of 1-20 μm, preferably 2-10 μm, more preferably 3-10 μm. When the average diameter is within the above range, it is possible to form macropores having a size suitable for gas diffusion. The average diameter of the fibrous pore-forming material is calculated by randomly taking fifty or more fibrous pore-forming materials, measuring the fiber diameters, and calculating the average.
繊維状造孔材は、9~40、好ましくは9~30、より好ましくは9~28の範囲内の平均アスペクト比を有してよい。平均アスペクト比が上記範囲内であることにより、排ガスが適度な速度で拡散可能な適切な大きさのマクロ孔が形成されるため、排ガスを効率的に浄化可能な排ガス浄化装置を製造できる。ここで、繊維状造孔材の平均アスペクト比は、(平均繊維長)/(平均直径(平均繊維径))と定義される。繊維長とは、繊維の両端の間の直線距離を意味し、無作為に50以上の繊維状造孔材を取り出して繊維長を測定し、平均値を求めることにより算出される。 The fibrous pore former may have an average aspect ratio within the range of 9-40, preferably 9-30, more preferably 9-28. When the average aspect ratio is within the above range, macropores having an appropriate size are formed to allow the exhaust gas to diffuse at an appropriate speed, so that an exhaust gas purifying device capable of efficiently purifying the exhaust gas can be manufactured. Here, the average aspect ratio of fibrous pore formers is defined as (average fiber length)/(average diameter (average fiber diameter)). The fiber length means the linear distance between both ends of the fiber, and is calculated by taking out fifty or more fibrous pore-forming materials at random, measuring the fiber length, and calculating the average value.
用意した造孔材を、第2の触媒金属を含有する化合物の溶液に加え、溶液を撹拌しながら溶媒を気化させる。それにより、第2の触媒金属が造孔材に担持され、第2触媒金属担持造孔材が得られる。 The prepared pore-forming material is added to the solution of the compound containing the second catalytic metal, and the solvent is evaporated while stirring the solution. As a result, the second catalyst metal is supported on the pore-forming material, and a second catalyst metal-supporting pore-forming material is obtained.
第2の触媒金属を含有する化合物として、第2の触媒金属の塩(例えば、酢酸塩、炭酸塩、硝酸塩、アンモニウム塩、クエン酸塩、ジニトロジアンミン塩)、第2の触媒金属の錯体(例えば、テトラアンミン錯体)等を用いることができる。第2の触媒金属を含有する化合物の溶液は、溶媒として水、アルコール等を含有してよい。この溶液の量及び濃度は、目的とする排ガス浄化装置の触媒層の内表面の近傍に配置する第2の触媒金属の量に応じて適宜設定してよい。 Compounds containing the second catalyst metal include salts of the second catalyst metal (e.g., acetates, carbonates, nitrates, ammonium salts, citrates, dinitrodiammine salts), complexes of the second catalyst metal (e.g., , tetraammine complex) and the like can be used. The solution of the compound containing the second catalytic metal may contain water, alcohol, etc. as a solvent. The amount and concentration of this solution may be appropriately set according to the amount of the second catalytic metal to be placed near the inner surface of the catalyst layer of the target exhaust gas purifier.
第2の触媒金属以外の貴金属(但し、ロジウムは除く)を造孔材にさらに担持してもよい。 A noble metal other than the second catalyst metal (excluding rhodium) may be further supported on the pore-forming material.
(2)スラリーの調製
第2触媒金属担持造孔材、及び第1の触媒金属を含むスラリーを調製する。具体的には、第2触媒金属担持造孔材と、第1の触媒金属を含有する化合物と、担体粒子と、分散媒(溶媒)とを混合する。あるいは、第1の触媒金属を予め担持した担体粒子と、第2触媒金属担持造孔材と、分散媒とを混合する。
(2) Preparation of Slurry A slurry containing the pore-forming material supporting the second catalyst metal and the first catalyst metal is prepared. Specifically, the pore-forming material supporting the second catalytic metal, the compound containing the first catalytic metal, the carrier particles, and the dispersion medium (solvent) are mixed. Alternatively, the carrier particles preloaded with the first catalytic metal, the second catalytic metal-carrying pore-forming material, and the dispersion medium are mixed.
第1の触媒金属を含有する化合物としては、第1の触媒金属の塩(例えば、酢酸塩、炭酸塩、硝酸塩、アンモニウム塩、クエン酸塩、ジニトロジアンミン塩)、第1の触媒金属の錯体(例えば、テトラアンミン錯体)等を用いることができる。 Compounds containing the first catalyst metal include salts of the first catalyst metal (e.g., acetates, carbonates, nitrates, ammonium salts, citrates, dinitrodiammine salts), complexes of the first catalyst metal ( For example, a tetraammine complex) and the like can be used.
担体粒子としては、金属酸化物粒子、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3、アルミナ)、酸化セリウム(CeO2、セリア)、酸化ジルコニウム(ZrO2、ジルコニア)、酸化珪素(SiO2、シリカ)、酸化イットリウム(Y2O3、イットリア)及び酸化ネオジム(Nd2O3)等の酸化物又はこれらの複合酸化物の粒子を用いることができる。 As carrier particles, metal oxide particles such as aluminum oxide (Al 2 O 3 , alumina), cerium oxide (CeO 2 , ceria), zirconium oxide (ZrO 2 , zirconia), silicon oxide (SiO 2 , silica), Particles of oxides such as yttrium oxide (Y 2 O 3 , yttria) and neodymium oxide (Nd 2 O 3 ) or composite oxides thereof can be used.
分散媒としては、スラリーを調製可能な任意の溶媒を適宜用いてよく、例えば、水、好ましくはイオン交換水及び蒸留水等の純水を用いることができる。 As the dispersion medium, any solvent capable of preparing a slurry may be appropriately used. For example, water, preferably pure water such as ion-exchanged water and distilled water may be used.
スラリーは、必要に応じて、その他の成分をさらに含有してよい。その他の成分としては、バインダー、増粘剤、第1の触媒金属以外の金属を含有する化合物(例えば塩及び錯体)、第1の触媒金属以外の金属を予め担持した担体粒子等が挙げられる。 The slurry may further contain other ingredients as needed. Other components include binders, thickeners, compounds containing metals other than the first catalyst metal (e.g., salts and complexes), carrier particles preloaded with metals other than the first catalyst metal, and the like.
(3)触媒層の形成
基材の表面をスラリーでコートして、スラリー層を形成する。例えば、基材をスラリーに浸漬したり、スラリーを圧入手段により基材に圧入したり、ウォッシュコート法を用いたりすることにより、スラリー層を形成できる。
(3) Formation of catalyst layer A slurry layer is formed by coating the surface of the substrate with slurry. For example, the slurry layer can be formed by immersing the base material in the slurry, pressing the slurry into the base material using a press-fitting means, or using a wash coating method.
次にスラリー層を加熱してスラリー層を乾燥及び焼成する。すなわち、加熱により、スラリー層中の溶媒を蒸発させるとともに、造孔材を除去する。それにより、基材上に、第1の触媒金属及び第2の触媒金属を含む触媒層が形成される。 The slurry layer is then heated to dry and bake the slurry layer. That is, by heating, the solvent in the slurry layer is evaporated and the pore-forming material is removed. Thereby, a catalyst layer containing the first catalyst metal and the second catalyst metal is formed on the substrate.
造孔材の残存を防止するとともに、第1の触媒金属及び第2の触媒金属の粒成長を防止するという観点から、加熱は、300~800℃、好ましくは400~700℃の温度の雰囲気中で行ってよい。加熱は、20分以上行ってよく、30分~2時間行ってよい。また、加熱は、大気中又は窒素等の不活性ガス中で行ってよい。 From the viewpoint of preventing the pore-forming material from remaining and grain growth of the first catalytic metal and the second catalytic metal, the heating is carried out in an atmosphere at a temperature of 300 to 800° C., preferably 400 to 700° C. You can go with Heating may be performed for 20 minutes or more, and may be performed for 30 minutes to 2 hours. Moreover, heating may be performed in the atmosphere or in an inert gas such as nitrogen.
加熱により造孔材が焼失すると、造孔材が存在していた部分に、造孔材の形状に応じた形状を有するマクロ孔が形成される。造孔材に担持されていた第2の触媒金属は、マクロ孔を取り囲む内表面の近傍に残存する。したがって、触媒層はマクロ孔を画成する内表面を備え、内表面の近傍には第2の触媒金属が集中的に配置される。 When the pore-forming material is burned off by heating, macropores having a shape corresponding to the shape of the pore-forming material are formed in the portions where the pore-forming material was present. The second catalytic metal supported on the pore-forming material remains near the inner surface surrounding the macropores. Thus, the catalytic layer has an inner surface defining macropores, with the second catalytic metal concentrated near the inner surface.
(4)外表面近傍への第2の触媒金属の配置
さらに、触媒層の外表面から第2の触媒金属を含有する化合物の溶液を吸収させる。それにより、外表面の近傍に第2の触媒金属が集中的に配置される。第2の触媒金属を含有する化合物としては、上記のものを用いることができる。使用する溶液の量及び濃度は、目的とする排ガス浄化装置の触媒層の外表面の近傍に配置する第2の触媒金属の量に応じて適宜設定してよい。
(4) Placement of Second Catalyst Metal Near Outer Surface Further, a solution of a compound containing the second catalyst metal is absorbed from the outer surface of the catalyst layer. Thereby, the second catalytic metal is concentrated in the vicinity of the outer surface. The compounds described above can be used as the compound containing the second catalytic metal. The amount and concentration of the solution to be used may be appropriately set according to the amount of the second catalytic metal to be arranged in the vicinity of the outer surface of the catalyst layer of the target exhaust gas purifier.
以上により、実施形態に係る排ガス浄化装置が製造される。 As described above, the exhaust gas purifier according to the embodiment is manufactured.
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
(1)試験体の作製
実施例1
繊維状造孔材としてポリエチレンテレフタラート繊維を用いた。繊維状造孔材を硝酸パラジウム水溶液に加え、溶液を撹拌しながら加熱して乾燥させた。それにより、繊維状造孔材にPdが担持されたPd担持造孔材を得た。
(1) Preparation of test body Example 1
A polyethylene terephthalate fiber was used as the fibrous pore former. The fibrous pore former was added to the aqueous palladium nitrate solution and the solution was heated with stirring to dryness. As a result, a Pd-supporting pore-forming material in which Pd was supported on the fibrous pore-forming material was obtained.
アルミナ-セリア-ジルコニア複合酸化物、アルミナ-ジルコニア複合酸化物、アルミナ、Pd担持造孔材、硝酸ロジウム、水、アルミナバインダー、及び増粘剤を混合して、スラリーを調製した。スラリー中のアルミナ-セリア-ジルコニア複合酸化物、アルミナ-ジルコニア複合酸化物及びアルミナの濃度は、それぞれ99g/L、41g/L、45g/Lとした。スラリー中、全固形分重量を基準とするPdの含有量は0.075wt%、Rhの含有量は0.25wt%であった。 Alumina-ceria-zirconia composite oxide, alumina-zirconia composite oxide, alumina, Pd-supporting pore former, rhodium nitrate, water, alumina binder, and thickener were mixed to prepare slurry. The concentrations of alumina-ceria-zirconia composite oxide, alumina-zirconia composite oxide and alumina in the slurry were 99 g/L, 41 g/L and 45 g/L, respectively. In the slurry, the Pd content was 0.075 wt% and the Rh content was 0.25 wt% based on the total solid weight.
0.875Lの容量を有するハニカム形状のモノリス基材の表面全体をスラリーでコートした。コートは吸引方式にて行った。次いで、基材上のスラリーを乾燥及び焼成した。それにより、基材上に触媒層を形成した。触媒層の外表面に、上記スラリー中の全固形分重量を基準として0.075wt%の量のPdを含有する硝酸パラジウム水溶液を吸収させた。これにより、実施例1の試験体を得た。 The slurry was coated over the entire surface of a honeycomb-shaped monolith substrate having a volume of 0.875 L. Coating was performed by a suction method. The slurry on the substrate was then dried and fired. Thereby, a catalyst layer was formed on the substrate. The outer surface of the catalyst layer was imbibed with an aqueous palladium nitrate solution containing Pd in an amount of 0.075 wt% based on the total solid weight in the slurry. Thus, a specimen of Example 1 was obtained.
なお、作製した試験体の触媒層全体で平均したPdの濃度は、上記スラリー中の全固形分重量を基準とするスラリー中のPdの含有量と触媒層の外表面に吸収させた硝酸パラジウム水溶液中のPdの含有量の和(すなわち、0.15wt%)と実質的に等しい。 In addition, the concentration of Pd averaged over the entire catalyst layer of the prepared test specimen is the content of Pd in the slurry based on the total solid weight in the slurry and the aqueous solution of palladium nitrate absorbed on the outer surface of the catalyst layer. is substantially equal to the sum of the Pd contents in (i.e., 0.15 wt%).
実施例2
繊維状造孔材と混合する硝酸パラジウム水溶液の濃度を調整することによってスラリー中の全固形分重量を基準とするPdの含有量を0.03wt%としたことと、触媒層の外表面に吸収させる硝酸パラジウム水溶液が含有するPdの量を、上記スラリー中の全固形分重量を基準として0.12wt%としたこと以外は実施例1と同様にして、試験体を作製した。
Example 2
By adjusting the concentration of the palladium nitrate aqueous solution mixed with the fibrous pore-forming material, the Pd content based on the total solid weight in the slurry was set to 0.03 wt%, and the Pd was absorbed on the outer surface of the catalyst layer. A test specimen was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of Pd contained in the palladium nitrate aqueous solution was set to 0.12 wt % based on the total solid weight in the slurry.
実施例3
繊維状造孔材と混合する硝酸パラジウム水溶液の濃度を調整することによってスラリー中の全固形分重量を基準とするPdの含有量を0.06wt%としたことと、触媒層の外表面に吸収させる硝酸パラジウム水溶液が含有するPdの量を、上記スラリー中の全固形分重量を基準として0.09wt%としたこと以外は実施例1と同様にして、試験体を作製した。
Example 3
By adjusting the concentration of the palladium nitrate aqueous solution mixed with the fibrous pore-forming material, the Pd content based on the total solid weight in the slurry was set to 0.06 wt%, and the Pd content was absorbed on the outer surface of the catalyst layer. A test specimen was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of Pd contained in the palladium nitrate aqueous solution was set to 0.09 wt% based on the total solid weight in the slurry.
実施例4
繊維状造孔材と混合する硝酸パラジウム水溶液の濃度を調整することによってスラリー中の全固形分重量を基準とするPdの含有量を0.09wt%としたことと、触媒層の外表面に吸収させる硝酸パラジウム水溶液が含有するPdの量を、上記スラリー中の全固形分重量を基準として0.06wt%としたこと以外は実施例1と同様にして、試験体を作製した。
Example 4
By adjusting the concentration of the palladium nitrate aqueous solution mixed with the fibrous pore-forming material, the Pd content based on the total solid weight in the slurry was set to 0.09 wt%, and the Pd was absorbed on the outer surface of the catalyst layer. A test specimen was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of Pd contained in the palladium nitrate aqueous solution was set to 0.06 wt% based on the total solid weight in the slurry.
実施例5
繊維状造孔材と混合する硝酸パラジウム水溶液の濃度を調整することによってスラリー中の全固形分重量を基準とするPdの含有量を0.12wt%としたことと、触媒層の外表面に吸収させる硝酸パラジウム水溶液が含有するPdの量を、上記スラリー中の全固形分重量を基準として0.03wt%としたこと以外は実施例1と同様にして、試験体を作製した。
Example 5
By adjusting the concentration of the palladium nitrate aqueous solution mixed with the fibrous pore-forming material, the Pd content based on the total solid weight in the slurry was set to 0.12 wt%, and the Pd content was absorbed on the outer surface of the catalyst layer. A test specimen was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of Pd contained in the palladium nitrate aqueous solution was set to 0.03 wt% based on the total solid weight in the slurry.
比較例1
アルミナ-セリア-ジルコニア複合酸化物、アルミナ-ジルコニア複合酸化物、アルミナ、繊維状造孔材、硝酸パラジウム、硝酸ロジウム、水、アルミナバインダー、及び増粘剤を混合して、スラリーを調製した。スラリー中のアルミナ-セリア-ジルコニア複合酸化物、アルミナ-ジルコニア複合酸化物及びアルミナの濃度は、それぞれ99g/L、41g/L、45g/Lとした。スラリー中、全固形分重量を基準とするPdの含有量は0.15wt%、Rhの含有量は0.25wt%であった。
Comparative example 1
Alumina-ceria-zirconia composite oxide, alumina-zirconia composite oxide, alumina, fibrous pore former, palladium nitrate, rhodium nitrate, water, alumina binder, and thickener were mixed to prepare slurry. The concentrations of alumina-ceria-zirconia composite oxide, alumina-zirconia composite oxide and alumina in the slurry were 99 g/L, 41 g/L and 45 g/L, respectively. In the slurry, the Pd content was 0.15 wt% and the Rh content was 0.25 wt% based on the total solid weight.
得られたスラリーを用いて、実施例1と同様にして基材上に触媒層を形成した。これにより比較例1の試験体を得た。 A catalyst layer was formed on a substrate in the same manner as in Example 1 using the obtained slurry. Thus, a specimen of Comparative Example 1 was obtained.
比較例2
アルミナ-セリア-ジルコニア複合酸化物、アルミナ-ジルコニア複合酸化物、アルミナ、繊維状造孔材、硝酸ロジウム、水、アルミナバインダー、及び増粘剤を混合して、スラリーを調製した。スラリー中のアルミナ-セリア-ジルコニア複合酸化物、アルミナ-ジルコニア複合酸化物及びアルミナの濃度は、それぞれ99g/L、41g/L、45g/Lとした。スラリー中、全固形分重量を基準とするRhの含有量は0.25wt%であった。
Comparative example 2
Alumina-ceria-zirconia composite oxide, alumina-zirconia composite oxide, alumina, fibrous pore former, rhodium nitrate, water, alumina binder, and thickener were mixed to prepare slurry. The concentrations of alumina-ceria-zirconia composite oxide, alumina-zirconia composite oxide and alumina in the slurry were 99 g/L, 41 g/L and 45 g/L, respectively. In the slurry, the content of Rh based on total solid weight was 0.25 wt%.
得られたスラリーを用いて、実施例1と同様にして基材上に触媒層を形成した。触媒層の外表面に、上記スラリー中の全固形分重量を基準として0.15wt%の量のPdを含有する硝酸パラジウム水溶液を吸収させた。これにより比較例2の試験体を得た。 A catalyst layer was formed on a substrate in the same manner as in Example 1 using the obtained slurry. The outer surface of the catalyst layer was imbibed with an aqueous palladium nitrate solution containing Pd in an amount of 0.15 wt% based on the total solid weight in the slurry. Thus, a specimen of Comparative Example 2 was obtained.
比較例3
スラリー中の全固形分重量を基準とするPdの含有量を0.15wt%としたこと以外は実施例1と同様にして、基材上に触媒層を形成した。これにより、比較例3の試験体を得た。
Comparative example 3
A catalyst layer was formed on a substrate in the same manner as in Example 1, except that the Pd content based on the total solid weight in the slurry was 0.15 wt%. Thus, a specimen of Comparative Example 3 was obtained.
(2)電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)による分析
EPMAを用いて、実施例1、及び比較例1~3の各試験体の触媒層の断面SEM観察及び元素分析を行った。実施例1の断面SEM像を図2に、Pdの濃度分布を示すマッピング像(Pdマッピング像)を図3に、Rhの濃度分布を示すマッピング像(Rhマッピング像)を図4に示す。比較例1の断面SEM像を図5に、Pdマッピング像を図6に、Rhマッピング像を図7に示す。比較例2の断面SEM像を図8に、Pdマッピング像を図9に、Rhマッピング像を図10に示す。比較例3の断面SEM像を図11に、Pdマッピング像を図12に、Rhマッピング像を図13に示す。
(2) Analysis by Electron Probe Microanalyzer (EPMA) Cross-sectional SEM observation and elemental analysis of the catalyst layer of each test piece of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were performed using EPMA. A cross-sectional SEM image of Example 1 is shown in FIG. 2, a mapping image (Pd mapping image) showing the concentration distribution of Pd is shown in FIG. 3, and a mapping image (Rh mapping image) showing the concentration distribution of Rh is shown in FIG. A cross-sectional SEM image of Comparative Example 1 is shown in FIG. 5, a Pd mapping image is shown in FIG. 6, and an Rh mapping image is shown in FIG. A cross-sectional SEM image of Comparative Example 2 is shown in FIG. 8, a Pd mapping image is shown in FIG. 9, and an Rh mapping image is shown in FIG. A cross-sectional SEM image of Comparative Example 3 is shown in FIG. 11, a Pd mapping image is shown in FIG. 12, and an Rh mapping image is shown in FIG.
図2、図5、図8、及び図11のSEM像から、実施例1、及び比較例1~3のいずれの試験体においても、触媒層が、マクロ孔を画成する内表面を有することが確認された。 From the SEM images of FIGS. 2, 5, 8, and 11, the catalyst layer has an inner surface defining macropores in all test specimens of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. was confirmed.
図3のPdマッピング像から、実施例1の試験体では、触媒層の外表面とマクロ孔を画成する触媒層の内表面の近傍にPdが偏在する(すなわち、外表面及び内表面の近傍におけるPdの濃度が、触媒層全体で平均したPdの濃度より高い)ことが確認された。図6のPdマッピング像から、比較例1の試験体では触媒層全体にわたって略均一な濃度でPdが分布している(すなわち、内表面の近傍におけるPdの濃度が、触媒層全体で平均したPdの濃度と同等である)ことが確認された。図9のPdマッピング像から、比較例2の試験体では、触媒層の外表面の近傍にPdが偏在し(すなわち、外表面の近傍におけるPdの濃度が、触媒層全体で平均したPdの濃度より高く)、内表面の近傍におけるPdの濃度が触媒層全体で平均したPdの濃度と同等かそれ未満であることが確認された。図12のPdマッピング像から、比較例3の試験体では、触媒層の内表面の近傍にPdが偏在し(すなわち、内表面の近傍におけるPdの濃度が、触媒層全体で平均したPdの濃度より高く)、外表面の近傍におけるPdの濃度が触媒層全体で平均したPdの濃度と同等かそれ未満であることが確認された。 From the Pd mapping image in FIG. 3, in the test piece of Example 1, Pd is unevenly distributed near the outer surface of the catalyst layer and the inner surface of the catalyst layer that defines the macropores (that is, near the outer surface and the inner surface was higher than the Pd concentration averaged over the entire catalyst layer). From the Pd mapping image in FIG. 6, in the specimen of Comparative Example 1, Pd is distributed in a substantially uniform concentration throughout the catalyst layer (that is, the concentration of Pd near the inner surface is the average Pd concentration in the entire catalyst layer). is equivalent to the concentration of ). From the Pd mapping image in FIG. 9, in the specimen of Comparative Example 2, Pd is unevenly distributed near the outer surface of the catalyst layer (that is, the Pd concentration near the outer surface is the average Pd concentration of the entire catalyst layer higher) and confirmed that the concentration of Pd in the vicinity of the inner surface was equal to or less than the concentration of Pd averaged over the entire catalyst layer. From the Pd mapping image in FIG. 12, in the test piece of Comparative Example 3, Pd is unevenly distributed near the inner surface of the catalyst layer (that is, the Pd concentration near the inner surface is the average Pd concentration of the entire catalyst layer higher) and confirmed that the concentration of Pd in the vicinity of the outer surface was equal to or less than the concentration of Pd averaged over the entire catalyst layer.
図4、図7、図10、及び図13のRhマッピング像から、実施例1及び比較例1~3のいずれの試験体においても、触媒層全体にわたって略均一な濃度でRhが分布している(すなわち、触媒層の内表面及び外表面の近傍におけるRhの濃度が触媒層全体で平均したRhの濃度と同等である)ことが確認された。 From the Rh mapping images in FIGS. 4, 7, 10, and 13, Rh is distributed at a substantially uniform concentration throughout the catalyst layer in both the test specimens of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. (That is, it was confirmed that the concentration of Rh in the vicinity of the inner surface and the outer surface of the catalyst layer is equivalent to the concentration of Rh averaged over the entire catalyst layer).
(3)性能評価
実施例1~5及び比較例1~3の各試験体のHC浄化性能及びNOx浄化性能を以下のようにして評価した。
(3) Performance Evaluation The HC purifying performance and NOx purifying performance of each test body of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated as follows.
各試験体をエンジンの直下に配置した。試験体の温度が950℃になるように、エンジンの運転条件を設定した。空燃比フィードバック制御とフューエルカット(燃料カット)を交互に繰り返し、50時間にわたり試験体をエージングした。 Each test body was placed directly under the engine. The operating conditions of the engine were set so that the temperature of the specimen was 950°C. Air-fuel ratio feedback control and fuel cut were alternately repeated to age the specimen for 50 hours.
試験体に流入するガスの温度が550℃になるように、エンジンの運転条件を設定した。エンジンに供給する混合ガスの空燃比(A/F)を14.4とし、試験体にエンジンからの排ガスを流入させた。試験体に流入するガスの温度が550℃に安定した後、エンジンに供給する混合ガスの空燃比(A/F)を3分間隔で14.1(リッチ)と15.1(リーン(酸素過剰))に交互に切り替えた。3回目にA/Fを15.1(リーン)から14.1(リッチ)に切り替えた後、3分経過したときのHC排出量及びNOxの排出量を測定した。 The operating conditions of the engine were set so that the temperature of the gas flowing into the test body was 550°C. The air-fuel ratio (A/F) of the mixed gas supplied to the engine was set to 14.4, and the exhaust gas from the engine was allowed to flow into the test specimen. After the temperature of the gas flowing into the test body stabilized at 550°C, the air-fuel ratio (A/F) of the mixed gas supplied to the engine was changed to 14.1 (rich) and 15.1 (lean (excess oxygen) at intervals of 3 minutes. )) alternately. Three minutes after the A/F was switched from 15.1 (lean) to 14.1 (rich) for the third time, HC emissions and NOx emissions were measured.
図14及び図15は、それぞれ、実施例1及び比較例1~3の試験体のHC排出量及びNOx排出量を示す。実施例1の試験体は、比較例1~3の試験体のいずれよりも低いHC排出量及びNOx排出量を示した。 14 and 15 show the HC emissions and NOx emissions of the test specimens of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, respectively. The test specimen of Example 1 exhibited lower HC emissions and NOx emissions than any of the specimens of Comparative Examples 1-3.
図16及び図17は、実施例1~5及び比較例2、3の試験体の評価結果に基づいて、触媒層中の総Pd量に対する触媒層の外表面の近傍に配置されたPd量の割合に対してHC排出量及びNOx排出量をプロットしたグラフである。図16は、30%以上100%未満のPdが外表面近傍に配置される場合のHC排出量が、全てのPdが外表面近傍に配置される場合のHC排出量以下であったことを示している。図17は、0%超70%以下のPdが外表面近傍に配置される場合のHC排出量が、全てのPdが内表面近傍に配置される場合のHC排出量以下であったことを示している。したがって、総Pd量の30~70%の量のPdが触媒層の外表面近傍に配置された場合に、特に低いHC排出量及びNOx排出量が達成されることが示された。 16 and 17 show the ratio of the amount of Pd disposed near the outer surface of the catalyst layer to the total amount of Pd in the catalyst layer, based on the evaluation results of the specimens of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 2 and 3. 1 is a graph plotting HC and NOx emissions versus percentage; FIG. 16 shows that the HC emission amount when 30% or more and less than 100% of Pd is arranged near the outer surface is equal to or less than the HC emission amount when all Pd is arranged near the outer surface. ing. FIG. 17 shows that the HC emissions when more than 0% and 70% or less of Pd were placed near the outer surface were less than or equal to the HC emissions when all the Pd was placed near the inner surface. ing. Therefore, it was shown that particularly low HC and NOx emissions are achieved when Pd is placed near the outer surface of the catalyst layer in an amount of 30-70% of the total Pd amount.
1:排ガス浄化装置、10:基材、30:触媒層、31:担体、33:第1の触媒金属、35:第2の触媒金属、36:外表面、37:内表面、50:マクロ孔
1: Exhaust gas purification device, 10: Base material, 30: Catalyst layer, 31: Carrier, 33: First catalyst metal, 35: Second catalyst metal, 36: Outer surface, 37: Inner surface, 50: Macropores
Claims (1)
前記基材上に配置された触媒層と、
を備え、
前記触媒層が、第1の触媒金属及び第2の触媒金属を含み、
前記第1の触媒金属がロジウムであり、
前記第2の触媒金属がパラジウム又は白金の少なくとも一方であり、
前記触媒層が、外表面と、マクロ孔を画成する内表面と、を有し、
前記外表面の近傍における前記第1の触媒金属の濃度及び前記内表面の近傍における前記第1の触媒金属の濃度が、前記触媒層全体で平均した前記第1の触媒金属の濃度と同等かそれ未満であり、
前記外表面の近傍における前記第2の触媒金属の濃度及び前記内表面の近傍における前記第2の触媒金属の濃度が、前記触媒層全体で平均した前記第2の触媒金属の濃度よりも高い、排ガス浄化装置。
a substrate;
a catalyst layer disposed on the substrate;
with
the catalyst layer comprises a first catalyst metal and a second catalyst metal;
the first catalytic metal is rhodium;
the second catalytic metal is at least one of palladium and platinum;
the catalyst layer has an outer surface and an inner surface defining macropores;
The concentration of the first catalytic metal in the vicinity of the outer surface and the concentration of the first catalytic metal in the vicinity of the inner surface are equal to or less than the concentration of the first catalytic metal averaged over the entire catalyst layer. is less than
the concentration of the second catalytic metal in the vicinity of the outer surface and the concentration of the second catalytic metal in the vicinity of the inner surface are higher than the concentration of the second catalytic metal averaged over the entire catalyst layer; Exhaust gas purifier.
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