JP2023079713A - 排ガス浄化触媒装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】初期活性優れ、かつ、水熱耐久後の低温におけるアンモニアの浄化性能にも優れる、積層型のSCR-ASCを提供すること。【解決手段】隔壁によって区画された複数の排ガス流路を有するハニカム基材、前記基材の隔壁内又は隔壁上の触媒貴金属粒子担持層、及び前記触媒貴金属粒子担持層よりも前記排ガス流路側の、銅イオン交換ゼオライトを含むゼオライト層を有する、排ガス浄化触媒装置であって、前記触媒貴金属粒子担持層は、触媒貴金属粒子を含み、前記触媒貴金属粒子担持層と前記ゼオライト層との間に、シリカ以外の無機酸化物粒子を含み、かつ、触媒貴金属含有量が0.01g/L未満である、無機酸化物粒子層を更に有する、排ガス浄化触媒装置。【選択図】図1
Description
本発明は、排ガス浄化触媒装置に関する。
ディーゼルエンジンから排出される排ガス中のNOxを、大気に放出される前に、還元浄化する技術として、選択的接触還元(SCR:Selective Catalytic Reduction)システムが知られている。SCRシステムは、還元剤、例えばアンモニアを用いて、排ガス中のNOxをN2に還元する技術である。
このSCRシステムでは、シリカ/アルミナ比(SAR)が低いゼオライトを銅(Cu)でイオン交換した、Cu-ゼオライトが、低温領域におけるNOx浄化能に優れるものとして知られている。
例えば、特許文献1では、構造コード「CHA」で表されるチャバサイト型ゼオライトを銅(Cu)でイオン交換した、Cu-CHA型ゼオライトを用いた排ガス浄化触媒が、NOx浄化能に優れると説明されている。
このSCRシステムでは、NOxの還元浄化率を向上するため、還元剤が過剰に用いられることがあり、この場合には、NOxの還元に用いられなかった非反応の還元剤が、SCR触媒から排出される。なお、還元剤としてアンモニアを用いた場合、SCR触媒からのアンモニアの排出は、「アンモニアスリップ」と呼ばれることがある
スリップしたアンモニアは、ASC(Ammonia Slip Catalyst:アンモニアスリップ触媒)によって浄化(酸化浄化)されたうえで、大気に放出されることが望ましい。そこで、SCRシステムでは、ASCが、例えば、SCR層と積層されて、或いは、SCR層の後段に配置された状態で、併用されることが多い。
ASCとしては、例えば、特許文献2に、高表面積の金属酸化物担体上に、白金又は白金とパラジウムとの組み合わせから成る酸化触媒金属が担持された、触媒が記載されている。
SCRシステムにおいて、SCR層とASC層とを積層して用いると、排ガス浄化触媒装置をコンパクト化することができ、排気系のデザイン上有利となる。しかしながら、このような積層型のSCR-ASCシステムは、初期活性には優れていても、水熱耐久後にはNH3浄化性能が劣化することがある。
そこで、本発明は、初期活性優れ、かつ、水熱耐久後の低温におけるアンモニアの浄化性能にも優れる、積層型のSCR-ASCを提供することを目的とする。
本発明は、以下のとおりである。
《態様1》隔壁によって区画された複数の排ガス流路を有するハニカム基材、
前記基材の隔壁内又は隔壁上の触媒貴金属粒子担持層、及び
前記触媒貴金属粒子担持層よりも前記排ガス流路側の、銅イオン交換ゼオライトを含むゼオライト層
を有する、排ガス浄化触媒装置であって、
前記触媒貴金属粒子担持層は、触媒貴金属粒子を含み、
前記触媒貴金属粒子担持層と前記ゼオライト層との間に、シリカ以外の無機酸化物粒子を含み、かつ、触媒貴金属含有量が0.01g/L未満である、無機酸化物粒子層を更に有する、
排ガス浄化触媒装置。
《態様2》前記無機酸化物粒子層のコート厚が、2.0μm以上25.0μm以下である、態様1に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様3》前記無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子が、Ce、Ti、Zr、Al、La、Fe、Co、Mn、V、W、Cu、及びNiから選択される1種又は2種以上の金属の酸化物の粒子である、態様1又は2に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様4》前記無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子の粒径(D50)が、0.5μm以上5.0μm以下である、態様1~3のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様5》前記ゼオライト層に含まれる前記銅イオン交換型ゼオライトのシリカアルミナ比(SAR)が15.0以下である、態様1~4のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様6》前記ゼオライト層に含まれる前記銅イオン交換ゼオライト中のCu量が、前記銅イオン交換ゼオライト中のAl原子1モルに対して、0.10mol以上0.50mol以下である、態様1~5のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様7》前記ゼオライト層中の前記銅イオン交換ゼオライトの量が、30g/L以上200g/L以下である、態様1~6のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様8》前記銅イオン交換ゼオライトがCu-CHA型ゼオライトである、態様1~7のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様9》前記触媒貴金属粒子担持層が、Pt、Rh、及びPdから選択される触媒貴金属の粒子を含む、態様1~7のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様10》前記触媒貴金属粒子が基材の隔壁内に直接担持されて、触媒貴金属粒子担持層を形成している、態様1~9のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様11》前記触媒貴金属粒子が、シリカ以外の無機酸化物粒子に担持されており、このシリカ以外の無機酸化物粒子に担持されている触媒貴金属粒子が、基材の隔壁上に配置されて、触媒貴金属粒子担持層を形成している、態様1~9のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
前記基材の隔壁内又は隔壁上の触媒貴金属粒子担持層、及び
前記触媒貴金属粒子担持層よりも前記排ガス流路側の、銅イオン交換ゼオライトを含むゼオライト層
を有する、排ガス浄化触媒装置であって、
前記触媒貴金属粒子担持層は、触媒貴金属粒子を含み、
前記触媒貴金属粒子担持層と前記ゼオライト層との間に、シリカ以外の無機酸化物粒子を含み、かつ、触媒貴金属含有量が0.01g/L未満である、無機酸化物粒子層を更に有する、
排ガス浄化触媒装置。
《態様2》前記無機酸化物粒子層のコート厚が、2.0μm以上25.0μm以下である、態様1に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様3》前記無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子が、Ce、Ti、Zr、Al、La、Fe、Co、Mn、V、W、Cu、及びNiから選択される1種又は2種以上の金属の酸化物の粒子である、態様1又は2に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様4》前記無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子の粒径(D50)が、0.5μm以上5.0μm以下である、態様1~3のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様5》前記ゼオライト層に含まれる前記銅イオン交換型ゼオライトのシリカアルミナ比(SAR)が15.0以下である、態様1~4のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様6》前記ゼオライト層に含まれる前記銅イオン交換ゼオライト中のCu量が、前記銅イオン交換ゼオライト中のAl原子1モルに対して、0.10mol以上0.50mol以下である、態様1~5のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様7》前記ゼオライト層中の前記銅イオン交換ゼオライトの量が、30g/L以上200g/L以下である、態様1~6のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様8》前記銅イオン交換ゼオライトがCu-CHA型ゼオライトである、態様1~7のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様9》前記触媒貴金属粒子担持層が、Pt、Rh、及びPdから選択される触媒貴金属の粒子を含む、態様1~7のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様10》前記触媒貴金属粒子が基材の隔壁内に直接担持されて、触媒貴金属粒子担持層を形成している、態様1~9のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様11》前記触媒貴金属粒子が、シリカ以外の無機酸化物粒子に担持されており、このシリカ以外の無機酸化物粒子に担持されている触媒貴金属粒子が、基材の隔壁上に配置されて、触媒貴金属粒子担持層を形成している、態様1~9のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
本発明によると、特に、水熱耐久後の低温におけるアンモニアの浄化性能に優れる、積層型のSCR-ASCが提供される。
《排ガス浄化触媒装置》
本発明の排ガス浄化触媒装置は、
隔壁によって区画された複数の排ガス流路を有するハニカム基材、
前記基材の隔壁内又は隔壁上の触媒貴金属粒子担持層、及び
前記触媒貴金属粒子担持層よりも前記排ガス流路側の、銅イオン交換ゼオライトを含むゼオライト層
を有する、排ガス浄化触媒装置であって、
前記触媒貴金属粒子担持層は、触媒貴金属粒子を含み、
前記触媒貴金属粒子担持層と前記ゼオライト層との間に、シリカ以外の無機酸化物粒子を含み、かつ、触媒貴金属含有量が0.01g/L未満である、無機酸化物粒子層を更に有する、
排ガス浄化触媒装置である。
本発明の排ガス浄化触媒装置は、
隔壁によって区画された複数の排ガス流路を有するハニカム基材、
前記基材の隔壁内又は隔壁上の触媒貴金属粒子担持層、及び
前記触媒貴金属粒子担持層よりも前記排ガス流路側の、銅イオン交換ゼオライトを含むゼオライト層
を有する、排ガス浄化触媒装置であって、
前記触媒貴金属粒子担持層は、触媒貴金属粒子を含み、
前記触媒貴金属粒子担持層と前記ゼオライト層との間に、シリカ以外の無機酸化物粒子を含み、かつ、触媒貴金属含有量が0.01g/L未満である、無機酸化物粒子層を更に有する、
排ガス浄化触媒装置である。
本発明者らは、積層型のSCR-ASCシステムにおいて、水熱耐久後に、特に低温におけるアンモニアの浄化性能が損なわれる原因について、詳細な検討を行った。その結果、SCR層に含まれるゼオライト中のシリカがASC層に移行(migrate)して、ASC層中の触媒貴金属のNH3浄化活性を低下させることを見出した。
本発明は、この知見に基づいて成されたものである。すなわち、本発明は、積層型のSCR-ASCシステムにおいて、ゼオライト層(SCR層)と触媒貴金属粒子担持層(ASC層)との間に、シリカの移行を阻止するバリア層としての無機酸化物粒子層を設けることによって、水熱耐久後にも低温アンモニア浄化性能が維持される、排ガス浄化触媒装置である。
ただし、本発明は、特定の理論に拘束されない。
以下、本発明の排ガス浄化触媒装置の要素について、順に詳説する。
上述したとおり、本発明の排ガス浄化触媒装置は、ハニカム基材、触媒貴金属粒子担持層、及びゼオライト層を有し、触媒貴金属粒子担持層とゼオライト層との間に無機酸化物粒子層を更に有している。
〈基材〉
本発明の排ガス浄化触媒装置における基材は、隔壁によって区画された複数の排ガス流路を有するハニカム基材である。基材の隔壁は、隣接する排ガス流路間を流体的に連通する細孔を有していてよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置における基材は、隔壁によって区画された複数の排ガス流路を有するハニカム基材である。基材の隔壁は、隣接する排ガス流路間を流体的に連通する細孔を有していてよい。
この基材は、所望の排ガス浄化触媒装置の構成に応じて、適宜に選択されてよい。基材の構成材料は、例えば、コージェライト等の耐火性無機酸化物であってよい。基材は、ストレートフロー型であっても、ウォールフロー型であってもよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置における基材は、典型的には、例えば、コージェライト製のストレートフロー型又はウォールフロー型のモノリスハニカム基材であってよい。
〈触媒貴金属粒子担持層〉
本発明の排ガス浄化触媒装置は、基材の隔壁内又は隔壁上に、触媒貴金属粒子担持層を有する。触媒貴金属粒子担持層は、触媒貴金属の粒子を含む。この触媒貴金属粒子は、アンモニアを、酸化浄化する触媒として機能する。
本発明の排ガス浄化触媒装置は、基材の隔壁内又は隔壁上に、触媒貴金属粒子担持層を有する。触媒貴金属粒子担持層は、触媒貴金属の粒子を含む。この触媒貴金属粒子は、アンモニアを、酸化浄化する触媒として機能する。
触媒貴金属粒子担持層中の触媒貴金属粒子は、白金族金属から選択される貴金属の粒子であってよく、具体的には、Pt、Rh、及びPdから選択される1種又は2種以上の貴金属の粒子であってよく、Pt及びPdから選択される1種又は2種の貴金属の粒子であってよい。
触媒貴金属粒子の粒径(一次粒径)は、例えば、15nm以上、20nm以上、又は30nm以上であってよく、100nm以下、80nm以下、又は60nm以下であってよい。この触媒貴金属粒子の粒径は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡等で撮影された画像から求めた数平均粒径であってよい。
触媒貴金属粒子担持層中の触媒貴金属粒子の量は、基材容量1L当たりの金属換算質量として、0.01g/L以上、0.02g/L以上、0.03g/L以上、0.04g/L以上、又は0.05g/L以上であってよく、2.00g/L以下、1.50g/L以下、1.00g/L以下、0.50g/L以下、0.30g/L以下、0.10g/L以下であってよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置において、触媒貴金属粒子は、
基材の隔壁内に直接担持されて、触媒貴金属粒子担持層を形成していてもよいし、
シリカ以外の無機酸化物粒子に担持されており、このシリカ以外の無機酸化物粒子に担持されている触媒貴金属粒子が、基材の隔壁上に配置されて、触媒貴金属粒子担持層を形成していてもよい。
基材の隔壁内に直接担持されて、触媒貴金属粒子担持層を形成していてもよいし、
シリカ以外の無機酸化物粒子に担持されており、このシリカ以外の無機酸化物粒子に担持されている触媒貴金属粒子が、基材の隔壁上に配置されて、触媒貴金属粒子担持層を形成していてもよい。
ここで、触媒貴金属粒子が基材の隔壁内に直接担持されるとは、触媒貴金属粒子が、担体粒子を介さないで、基材の隔壁の細孔壁上に担持されていることをいう。また、シリカ以外の無機酸化物粒子に担持されている触媒貴金属粒子が基材の隔壁上に配置されるとは、触媒貴金属粒子が担持されているシリカ以外の無機酸化物粒子の少なくとも一部が、基材の隔壁の細孔内には入り込まずに、隔壁上に配置されることをいう。
触媒貴金属粒子担持層中の触媒貴金属粒子が、シリカ以外の無機酸化物粒子上に担持されている場合、この無機酸化物粒子は、チタン、ジルコニウム、及びアルミニウム、並びにセリウム以外の希土類元素から選択される1種又は2種以上の金属の酸化物の粒子であってよい。
なお、触媒貴金属粒子担持層中の触媒貴金属粒子が、シリカを含む無機酸化物粒子上に担持されていると、触媒貴金属のNH3浄化活性が損なわれる懸念があるため、好ましくない。
〈ゼオライト層〉
ゼオライト層は、銅イオン交換ゼオライトを含む層であり、触媒貴金属粒子担持層よりも排ガス流路側に存在している。
ゼオライト層は、銅イオン交換ゼオライトを含む層であり、触媒貴金属粒子担持層よりも排ガス流路側に存在している。
ゼオライト層中の銅イオン交換ゼオライトのシリカアルミナ比(SAR)は、15.0以下であってよい。SARが15.0以下のゼオライトを用いることにより、SCR反応によるNOx浄化率が高いものとなる。このSARの値は、ゼオライト中のシリカ(SiO2)のモル量と、アルミナ(Al2O3)のモル量との比(SiO2/Al2O3)として示される。
銅イオン交換ゼオライトのSARは、NOx浄化率を高くする観点から、14.0以下、13.0以下、12.0以下、11.0以下、10.0以下、9.0以下、又は8.0以下であってよい。一方で、SARが低すぎると、ゼオライトの合成が困難となり、触媒コストの過度の上昇を招く場合がある。このような事態を回避するため、銅イオン交換ゼオライトのSARは、4.0以上、5.0以上、6.0以上、又は7.0以上であってよい。
ゼオライト層中の銅イオン交換ゼオライトは、Cuでイオン交換されたゼオライトである。銅イオン交換ゼオライトのCu量は、本発明の排ガス浄化触媒装置のSCR活性を高くする観点から、ゼオライト中のAl原子1モルに対して、0.08mol以上、0.10mol/mol以上、0.15mol/mol以上、0.20mol/mol以上、又は0.25mol/mol以上であってよい。
銅イオン交換ゼオライトのCu量の上限については、SCR活性の観点らの制限はない。しかしながら、銅イオン交換ゼオライト中のCu量には製造上の限界があり、排ガス浄化触媒装置の製造コストを適正に維持する観点から、銅イオン交換ゼオライトにおけるCu量は、ゼオライト中のAl原子1モルに対して、0.80mol/mol以下、0.50mol/mol以下、0.45mol/mol以下、又は0.40mol/mol以下であってよい。
銅イオン交換ゼオライトのCu量は、典型的には、ゼオライト中のAl原子1モルに対して、0.10mol以上0.50mol以下であってよい。
ゼオライト層中の銅イオン交換ゼオライトの結晶構造は任意である。本発明に適用可能な銅イオン交換ゼオライトの結晶構造を、それぞれの構造コード(カッコ内に記載)とともに示せば、例えば、A型(LTA)、フェリエライト(FER)、MCM-22(MWW)、ZSM-5(MFI)、モルデナイト(MOR)、L型(LTL)、X型又はY型(FAU)、ベータ型(BEA)、チャバサイト(CHA)等であってよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置のゼオライト層に含まれる銅イオン交換ゼオライトは、特に、チャバサイト(CHA)型のゼオライトがCuでイオン交換された、Cu-CHA型ゼオライトであってよい。
ゼオライト層中の銅イオン交換ゼオライトは、粒子状であってよい。粒子状の銅イオン交換ゼオライトの粒径(二次粒径)は、例えば、0.5μm以上、1μm以上、3μm以上、又は5μm以上であってよく、40μm以下、20μm以下、又は10μm以下であってよい。この担体粒子の粒径は、担体粒子を適当な液状媒体(例えば水)中に分散した懸濁液について、動的光散乱法によって得られたメジアン径(D50)であってよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置におけるゼオライト層は、銅イオン交換ゼオライト以外の任意成分を含んでいてよい。ゼオライト層の任意成分は、例えば、銅イオン交換ゼオライト以外の無機酸化物、バインダー等であってよい。ただし、ゼオライト層は、銅イオン交換ゼオライト以外のゼオライトを含んでいなくてよい。
ゼオライト層中の銅イオン交換ゼオライトの量は、本発明の排ガス浄化触媒装置のSCR活性を高くする観点から、基材容量1L当たりの質量として、30g/L以上、40g/L以上、50g/L以上、60g/L以上、又は80g/L以上であってよい。一方で、排ガス浄化触媒装置の圧損が過度に上昇することを回避するため、基材容量1L当たりの銅イオン交換ゼオライトの量は、200g/L以下、180g/L以下、150g/L以下、120g/L以下、又は100g/L以下であってよい。
ゼオライト層中の銅イオン交換ゼオライトの量は、典型的には、30g/L以上200g/L以下であってよい。
ゼオライト層の量は、基材容量1L当たりの質量として、30g/L以上、40g/L以上、50g/L以上、60g/L以上、又は80g/L以上であってよく、180g/L以下、150g/L以下、120g/L以下、又は100g/L以下であってよい。
〈無機酸化物粒子層〉
本発明の排ガス浄化触媒装置は、触媒貴金属粒子担持層とゼオライト層との間に、無機酸化物粒子層を更に有している。この無機酸化物粒子層は、シリカ以外の無機酸化物粒子を含み、かつ、触媒貴金属含有量が、基材容量1L当たりの質量として、0.01g/L以下である。ここで、無機酸化物粒子層の「触媒貴金属含有量」とは、無機酸化物粒子層に含まれるPt、Rh、及びPdの合計の含有量を意味する。
本発明の排ガス浄化触媒装置は、触媒貴金属粒子担持層とゼオライト層との間に、無機酸化物粒子層を更に有している。この無機酸化物粒子層は、シリカ以外の無機酸化物粒子を含み、かつ、触媒貴金属含有量が、基材容量1L当たりの質量として、0.01g/L以下である。ここで、無機酸化物粒子層の「触媒貴金属含有量」とは、無機酸化物粒子層に含まれるPt、Rh、及びPdの合計の含有量を意味する。
無機酸化物粒子層は、ゼオライト層(SCR層)に含まれる銅イオン交換ゼオライト中のシリカが触媒貴金属粒子担持層(ASC層)に移行して、触媒貴金属粒子担持層中の触媒貴金属のNH3浄化活性を低下させることを抑制するために、シリカの移行を阻止するバリア層として機能する。したがって、無機酸化物粒子層は、実質的に、シリカを含まなくてよい。無機酸化物粒子層におけるシリカの量は、ケイ素と他の無機元素との複合酸化物に含まれる量も含めて、基材容量1L当たりの質量として、1.0g/L以下、0.5g/L以下、0.1g/L以下、0.05g/L以下、若しくは0.01g/L以下であってよく、又は0g/Lであってもよい。
無機酸化物粒子層の触媒貴金属含有量が0.01g/L以下であるとは、無機酸化物粒子層が、NH3浄化活性を有する触媒貴金属を実質的に含む必要がないことを意味している。無機酸化物粒子層中の触媒貴金属含有量は、0.005g/L以下、0.001g/L以下、0.0005g/L以下、若しくは0.0001g/L以下であってよく、又は0g/Lであってもよい。
無機酸化物粒子層に含まれるシリカ以外の無機酸化物粒子は、Ce、Ti、Zr、Al、La、Fe、Co、Mn、V、W、Cu、及びNiから選択される1種又は2種以上の金属の酸化物の粒子であってよい。特に、アルミナ、チタニア、及びセリアから選択される1種又は2種以上の無機酸化物の粒子であってよい。
無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子の粒径は、シリカの移行を阻止する機能と、ガスの透過性とを両立する観点から、0.5μm以上、0.7μm以上、1.0μm以上、1.2μm以上、1.5μm以上、2.0μm以上、又は2.5μm以上であってよく、5.0μm以下、4.5μm以下、4.0μm以下、3.5μm以下、3.0μm以下、2.5μm以下、又は2.0μm以下であってよい。
無機酸化物粒子の粒径は、典型的には、0.5μm以上5.0μm以下であってよい。
上記の無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子の粒径は、動的光散乱法によって得られたメジアン径(D50)である。
本発明の排ガス浄化触媒装置における無機酸化物粒子層は、無機酸化物粒子以外に、バインダー等の任意積分を含んでいてもよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置における無機酸化物粒子層のコート厚は、シリカの移行を阻止する機能と、ガスの透過性とを両立する観点から、適宜に定められてよい。無機酸化物粒子層のコート厚は、2.0μm以上、3.0μm以上、5.0μm以上、10.0μm以上、15.0μm以上、又は20.0μm以上であってよく、30.0μm以下、25.0μm以下、20.0μm以下、15.0μm以下、又は10.0μm以下であってよい。
無機酸化物粒子層のコート厚は、典型的には、2.0μm以上25.0μm以下であってよい。
無機酸化物粒子層のコート厚は、例えば、無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子の粒径、無機酸化物粒子層のコート量等を調節することによって、所望の厚みに設定することができる。
無機酸化物粒子層のコート量は、無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子の粒径を考慮のうえ、無機酸化物粒子層が適切なコート厚となるように、適宜に設定されてよい。無機酸化物粒子層のコート量は、基材容量1L当たりの質量として、3.0g/L以上、5.0g/L以上、10.0g/L以上、20.0g/L以上、30.0g/L以上、4.0g/L以上、又は50.0g/L以上であってよく、100.0g/L以下、90.0g/L以下、80.0g/L以下、7.0g/L以下、60.0g/L以下、又は50.0g/L以下であってよい。
《排ガス浄化触媒装置の製造方法》
本発明の排ガス浄化触媒装置は、上記のような構成を有している限り、その製造方法は問わない。しかしながら、本発明の排ガス浄化触媒装置は、例えば、
基材の隔壁内又は隔壁上に、貴金属触媒粒子担持層を形成すること、
貴金属触媒粒子担持層が形成された基材上に、無機酸化物粒子層を形成すること、及び
貴金属触媒粒子担持層及び無機酸化物粒子層が形成された基材上に、ゼオライト層を形成すること
を含む、排ガス浄化触媒装置の製造方法によって製造されてよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置は、上記のような構成を有している限り、その製造方法は問わない。しかしながら、本発明の排ガス浄化触媒装置は、例えば、
基材の隔壁内又は隔壁上に、貴金属触媒粒子担持層を形成すること、
貴金属触媒粒子担持層が形成された基材上に、無機酸化物粒子層を形成すること、及び
貴金属触媒粒子担持層及び無機酸化物粒子層が形成された基材上に、ゼオライト層を形成すること
を含む、排ガス浄化触媒装置の製造方法によって製造されてよい。
〈基材〉
基材は、所望の排ガス浄化触媒装置における基材に応じて、適宜に選択されてよい。例えば、コージェライト製の、ストレートフロー型又はウォールフロー型のモノリスハニカム基材であってよい。
基材は、所望の排ガス浄化触媒装置における基材に応じて、適宜に選択されてよい。例えば、コージェライト製の、ストレートフロー型又はウォールフロー型のモノリスハニカム基材であってよい。
〈貴金属触媒粒子担持層の形成〉
上述したとおり、本発明の排ガス浄化触媒装置の貴金属触媒粒子担持層では、貴金属触媒粒子は、基材の隔壁内又は隔壁上に直接担持されていてもよいし、適当な担体粒子上に担持されていてもよい。以下、貴金属触媒粒子が基材の隔壁内又は隔壁上に直接担持されている場合、及び貴金属触媒粒子が担体粒子上に担持されている場合の貴金属触媒粒子担持層の形成について、順に説明する。
上述したとおり、本発明の排ガス浄化触媒装置の貴金属触媒粒子担持層では、貴金属触媒粒子は、基材の隔壁内又は隔壁上に直接担持されていてもよいし、適当な担体粒子上に担持されていてもよい。以下、貴金属触媒粒子が基材の隔壁内又は隔壁上に直接担持されている場合、及び貴金属触媒粒子が担体粒子上に担持されている場合の貴金属触媒粒子担持層の形成について、順に説明する。
(貴金属触媒粒子が基材の隔壁内又は隔壁上に直接担持されている貴金属触媒粒子担持層の形成)
この場合、例えば、基材上に、貴金属前駆体及び適当な溶媒を含むウォッシュコート液1をコートし、焼成することにより、貴金属触媒粒子担持層を形成してよい。このウォッシュコート液1は、増粘剤を含むことができ、適当な粘度に調節されていてよい。
この場合、例えば、基材上に、貴金属前駆体及び適当な溶媒を含むウォッシュコート液1をコートし、焼成することにより、貴金属触媒粒子担持層を形成してよい。このウォッシュコート液1は、増粘剤を含むことができ、適当な粘度に調節されていてよい。
貴金属前駆体は、所望の貴金属触媒粒子を構成する貴金属の、ハロゲン化物、強酸塩、錯化合物等であってよい。貴金属触媒粒子が、例えば、白金粒子である場合、貴金属前駆体は、例えば、水酸化テトラアンミン白金、塩化テトラアンミン白金、テトラクロロ白金酸アンモニウム、ヘキサクロロ白金酸アンモニウム、ジニトロジアンミン白金(硝酸溶液)等であってよい。
増粘剤は、例えば、多糖類、溶媒可溶なポリマー等であってよく、具体的には、例えば、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、クリンスシードガム、キサンタンガム、ポリアクリル酸、ポリエーテル等であってよい。
ウォッシュコート液1の溶媒は、水及び水溶性有機溶媒から選択される1種以上であってよく、典型的には水である。
基材上へのウォッシュコート液1のコート、及び焼成は、公知の方法により、又はこれに当業者による適宜の変更を加えた方法により、行われてよい。
ここで、ウォッシュコート液1の粘度、コート条件、コート終了後から焼成までの時間、等を適宜に調節することにより、基材の隔壁上、又は任意の深さの隔壁内に、貴金属触媒粒子担持層を形成することができる。
(貴金属触媒粒子が担体粒子上に担持されている貴金属触媒粒子担持層の形成)
この場合、例えば、基材上に、貴金属触媒粒子が担持された担体粒子、及び適当な溶媒を含むウォッシュコート液1’をコートし、焼成することにより、貴金属触媒粒子担持層を形成してよい。このウォッシュコート液1’は、貴金属触媒粒子担持層の任意成分を含んでよい他、増粘剤を含むことができ、適当な粘度に調節されていてよい。
この場合、例えば、基材上に、貴金属触媒粒子が担持された担体粒子、及び適当な溶媒を含むウォッシュコート液1’をコートし、焼成することにより、貴金属触媒粒子担持層を形成してよい。このウォッシュコート液1’は、貴金属触媒粒子担持層の任意成分を含んでよい他、増粘剤を含むことができ、適当な粘度に調節されていてよい。
担体粒子は、所望の貴金属触媒粒子担持層における担体粒子に応じて、適宜に選択されてよい。したがって、この担体粒子は、シリカ以外の無機酸化物の粒子であってよく、例えば、チタン、ジルコニウム、及びアルミニウム、並びにセリウム以外の希土類元素から選択される1種又は2種以上の酸化物の粒子であってよい。
担体粒子上に貴金属触媒粒子を担持することは、担体粒子と貴金属前駆体とを接触させ、次いで焼成することによって、行われてよい。この接触は、適当な溶媒、例えば、水及び水溶性有機溶媒から選択される1種以上、典型的には水、の存在下で行われてよく、無溶媒下で行われてもよい。焼成は、公知の方法により、又はこれに当業者による適宜の変更を加えた方法により、行われてよい。
ウォッシュコート液1’に含まれる任意成分は、所望の貴金属触媒粒子担持層の構成に応じて、適宜に選択されてよい。ウォッシュコート液1’は、例えば、担体粒子以外の無機酸化物粒子、バインダー等を含んでいてよい。
ウォッシュコート液1’に含まれる増粘剤及び溶媒については、貴金属触媒粒子が基材上に直接担持されている貴金属触媒粒子担持層の形成に用いるウォッシュコート液1の場合と同様であってよい。
基材上へのウォッシュコート液1’のコート、及び焼成は、公知の方法により、又はこれに当業者による適宜の変更を加えた方法により、行われてよい。
〈無機酸化物粒子層の形成〉
貴金属触媒粒子担持層が形成された基材上への無機酸化物粒子層の形成は、貴金属触媒粒子担持層が形成された基材上に、所定の粒径の無機酸化物粒子及び適当な溶媒を含むウォッシュコート液2をコートし、焼成することにより、行われてよい。このウォッシュコート液2は、増粘剤を含むことができ、適当な粘度に調節されていてよい。
貴金属触媒粒子担持層が形成された基材上への無機酸化物粒子層の形成は、貴金属触媒粒子担持層が形成された基材上に、所定の粒径の無機酸化物粒子及び適当な溶媒を含むウォッシュコート液2をコートし、焼成することにより、行われてよい。このウォッシュコート液2は、増粘剤を含むことができ、適当な粘度に調節されていてよい。
無機酸化物粒子は、所望の無機酸化物粒子層における無機酸化物粒子に応じて、適宜に選択されてよい。
ウォッシュコート液2に含まれる増粘剤及び溶媒については、ウォッシュコート液1の場合と同様であってよい。
貴金属触媒粒子担持層が形成された基材上へのウォッシュコート液2のコート、及び焼成は、公知の方法により、又はこれに当業者による適宜の変更を加えた方法により、行われてよい。
〈ゼオライト層の形成〉
本発明の排ガス浄化装置の製造方法におけるゼオライト層の形成は、貴金属触媒粒子担持層及び無機酸化物粒子層を有する基材上に、銅イオン交換ゼオライト及び適当な溶媒を含むウォッシュコート液3をコートし、焼成することにより、行われてよい。このウォッシュコート液3は、増粘剤を含むことができ、適当な粘度に調節されていてよい。また、ウォッシュコート液3は、例えば、銅イオン交換ゼオライト以外の無機酸化物、バインダー等の任意成分を、更に含んでいてよく、これらの任意成分の種類及び量は、所望のゼオライト層の構成に応じて、適宜に選択されてよい。
本発明の排ガス浄化装置の製造方法におけるゼオライト層の形成は、貴金属触媒粒子担持層及び無機酸化物粒子層を有する基材上に、銅イオン交換ゼオライト及び適当な溶媒を含むウォッシュコート液3をコートし、焼成することにより、行われてよい。このウォッシュコート液3は、増粘剤を含むことができ、適当な粘度に調節されていてよい。また、ウォッシュコート液3は、例えば、銅イオン交換ゼオライト以外の無機酸化物、バインダー等の任意成分を、更に含んでいてよく、これらの任意成分の種類及び量は、所望のゼオライト層の構成に応じて、適宜に選択されてよい。
ウォッシュコート液3に含まれる増粘剤及び溶媒については、ウォッシュコート液1の場合と同様であってよい。
貴金属触媒粒子担持層及び無機酸化物粒子層を有する基材上へのウォッシュコート液3のコート、及び焼成は、公知の方法により、又はこれに当業者による適宜の変更を加えた方法により、行われてよい。
以上の方法により、本発明の排ガス浄化触媒装置が得られる。
《実施例1》
〈排ガス浄化触媒装置の製造〉
(1)ウォッシュコート液1の調製
貴金属前駆体としてのテトラアンミン白金(II)水酸化物水溶液、及び純水を混合し、更に、増粘剤としての多糖類を添加して、貴金属前駆体を含有するウォッシュコート液1を得た。ウォッシュコート液1中のPt濃度は金属Pt換算値として0.030質量%とした。
〈排ガス浄化触媒装置の製造〉
(1)ウォッシュコート液1の調製
貴金属前駆体としてのテトラアンミン白金(II)水酸化物水溶液、及び純水を混合し、更に、増粘剤としての多糖類を添加して、貴金属前駆体を含有するウォッシュコート液1を得た。ウォッシュコート液1中のPt濃度は金属Pt換算値として0.030質量%とした。
(2)ウォッシュコート液2の調製
無機酸化物粒子としてのアルミナ粒子(メジアン径(D50)1.0μm)、及び純水を混合し、更に、増粘剤としての多糖類を添加して、無機酸化物粒子を含有するウォッシュコート液2を得た。ウォッシュコート液2中の無機酸化物粒子含有量は20質量%とした。
無機酸化物粒子としてのアルミナ粒子(メジアン径(D50)1.0μm)、及び純水を混合し、更に、増粘剤としての多糖類を添加して、無機酸化物粒子を含有するウォッシュコート液2を得た。ウォッシュコート液2中の無機酸化物粒子含有量は20質量%とした。
(3)ウォッシュコート液3の調製
シリカアルミナ比(SAR)13.5、Al原子当たりのCu量0.28mol/mol-AlのCu-CHA型ゼオライト、シリカ系バインダー、及び純水を混合し、更に、増粘剤としての多糖類を添加して、Cu-CHA型ゼオライトを含有するウォッシュコート液3を得た。
シリカアルミナ比(SAR)13.5、Al原子当たりのCu量0.28mol/mol-AlのCu-CHA型ゼオライト、シリカ系バインダー、及び純水を混合し、更に、増粘剤としての多糖類を添加して、Cu-CHA型ゼオライトを含有するウォッシュコート液3を得た。
(4)各コート層の形成(排ガス浄化触媒装置の製造)
コージェライト製、容量17mLのストレートフロー型ハニカム基材に、上記で得られたウォッシュコート液1を、金属Pt換算のPt量が0.05g/Lとなるようにコートした後、空気中、500℃において15分間焼成し、基材の隔壁内にPt粒子が直接担持された貴金属触媒粒子担持層を形成して、触媒装置前駆体1を得た。
コージェライト製、容量17mLのストレートフロー型ハニカム基材に、上記で得られたウォッシュコート液1を、金属Pt換算のPt量が0.05g/Lとなるようにコートした後、空気中、500℃において15分間焼成し、基材の隔壁内にPt粒子が直接担持された貴金属触媒粒子担持層を形成して、触媒装置前駆体1を得た。
次いで、この触媒装置前駆体1に、上記で得られたウォッシュコート液2を、無機酸化物粒子の量が50.0g/Lとなるようにコートした後、空気中、500℃において15分間焼成し、基材の隔壁上に無機酸化物粒子層を形成して、触媒装置前駆体2を得た。
更に、触媒装置前駆体2上に、上記で得られたウォッシュコート液3を、Cu-CHA型ゼオライト量が100g/Lとなるようにコートした後、空気中、500℃において15分間焼成することにより、無機酸化物粒子層上にCu-CHA型ゼオライトを含むゼオライト層を形成して、実施例1の排ガス浄化触媒装置を得た。
得られた実施例1の排ガス浄化触媒装置における無機酸化物粒子層のコート厚を、走査型電子顕微鏡観察によって調べたところ、12.4μmであった。
また、実施例1の排ガス浄化触媒装置の走査型電子顕微鏡像を、図1に示す。
(5)排ガス浄化触媒装置の評価
得られた排ガス浄化触媒装置について、水熱耐久前後のNH3浄化性能を調べた。水熱耐久は、排ガス浄化触媒装置に、水分濃度10体積%の空気を流通させながら、700℃にて50時間加熱することによって、行った。
得られた排ガス浄化触媒装置について、水熱耐久前後のNH3浄化性能を調べた。水熱耐久は、排ガス浄化触媒装置に、水分濃度10体積%の空気を流通させながら、700℃にて50時間加熱することによって、行った。
NH3浄化性能は、水熱耐久前後の排ガス浄化触媒装置に、それぞれ、所定の温度に設定した濃度既知のNH3を含むモデルガスを導入して流通させ、排出ガス中のNH3を測定して、以下の数式によって算出されるNH3浄化率を求めることにより評価した。
NH3浄化率(%)={(導入ガス中のNH3濃度-排出ガス中のNH3濃度)/導入ガス中のNH3濃度}×100
NH3浄化率(%)={(導入ガス中のNH3濃度-排出ガス中のNH3濃度)/導入ガス中のNH3濃度}×100
モデルガスの導入条件は、以下のとおりに設定した:
モデルガスの組成:NH3:500ppm、O2:10%、H2O:5%、及びN2バランス
モデルガス導入時の空間速度:60,000hr-1
モデルガスの組成:NH3:500ppm、O2:10%、H2O:5%、及びN2バランス
モデルガス導入時の空間速度:60,000hr-1
水熱耐久前の評価結果として、入りガス温度300℃のときのNH3浄化率を、また、水熱耐久後の評価結果として、入りガス温度300℃、350°、及び400℃のときのNH3浄化率を、それぞれ、表2に示す。
《実施例2~8》
ウォッシュコート液2に含まれる無機酸化物粒子の種類及び粒径、並びに無機酸化物層のコート量及びコート厚を、それぞれ、表1に記載のとおりに変更した他は、実施例1と同様にして排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。評価結果は、表2に示す。
ウォッシュコート液2に含まれる無機酸化物粒子の種類及び粒径、並びに無機酸化物層のコート量及びコート厚を、それぞれ、表1に記載のとおりに変更した他は、実施例1と同様にして排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。評価結果は、表2に示す。
《比較例1》
ウォッシュコート液2による無機酸化物粒子層の形成を行わなかった他は、実施例1と同様にして、排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。評価結果は、表2に示す。
ウォッシュコート液2による無機酸化物粒子層の形成を行わなかった他は、実施例1と同様にして、排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。評価結果は、表2に示す。
また、比較例1の排ガス浄化触媒装置の走査型電子顕微鏡像を、図2に示す。
表中の各成分の略称は、それぞれ、以下の意味である。
〈貴金属前駆体〉
Ptアンミン:テトラアンミン白金(II)水酸化物水溶液
〈ゼオライト〉
Cu-CHA:シリカアルミナ比(SAR)13.5、Al原子当たりのCu量0.28mol/mol-AlのCu-CHA型ゼオライト
〈貴金属前駆体〉
Ptアンミン:テトラアンミン白金(II)水酸化物水溶液
〈ゼオライト〉
Cu-CHA:シリカアルミナ比(SAR)13.5、Al原子当たりのCu量0.28mol/mol-AlのCu-CHA型ゼオライト
表1及び2から理解されるように、貴金属粒子担持層とゼオライト層との間に無機酸化物粒子層を有する実施例1~8の排ガス浄化触媒装置は、無機酸化物粒子層を有さない比較例1の排ガス浄化触媒装置と比較して、水熱耐久後のNH3浄化性能に優れていた。
特に、無機酸化物粒子層のコート厚が、2.0μm以上25.0μm以下の要件を満たす、実施例1~6の排ガス浄化触媒装置は、水熱耐久後のNH3浄化性能が極めて高かった。
Claims (11)
- 隔壁によって区画された複数の排ガス流路を有するハニカム基材、
前記基材の隔壁内又は隔壁上の触媒貴金属粒子担持層、及び
前記触媒貴金属粒子担持層よりも前記排ガス流路側の、銅イオン交換ゼオライトを含むゼオライト層
を有する、排ガス浄化触媒装置であって、
前記触媒貴金属粒子担持層は、触媒貴金属粒子を含み、
前記触媒貴金属粒子担持層と前記ゼオライト層との間に、シリカ以外の無機酸化物粒子を含み、かつ、触媒貴金属含有量が0.01g/L未満である、無機酸化物粒子層を更に有する、
排ガス浄化触媒装置。 - 前記無機酸化物粒子層のコート厚が、2.0μm以上25.0μm以下である、請求項1に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子が、Ce、Ti、Zr、Al、La、Fe、Co、Mn、V、W、Cu、及びNiから選択される1種又は2種以上の金属の酸化物の粒子である、請求項1又は2に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記無機酸化物粒子層に含まれる無機酸化物粒子の粒径(D50)が、0.5μm以上5.0μm以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記ゼオライト層に含まれる前記銅イオン交換ゼオライトのシリカアルミナ比(SAR)が15.0以下である、請求項1~4のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記ゼオライト層に含まれる前記銅イオン交換ゼオライト中のCu量が、前記ゼオライト中のAl原子1モルに対して、0.10mol以上0.50mol以下である、請求項1~5のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記ゼオライト層中の前記銅イオン交換ゼオライトの量が、30g/L以上200g/L以下である、請求項1~6のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記銅イオン交換ゼオライトがCu-CHA型ゼオライトである、請求項1~7のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記触媒貴金属粒子担持層が、Pt、Rsh、及びPdから選択される触媒貴金属の粒子を含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記触媒貴金属粒子が基材の隔壁内に直接担持されて、貴金属触媒粒子担持層を形成している、請求項1~9のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
- 前記触媒貴金属粒子が、シリカ以外の無機酸化物粒子に担持されており、このシリカ以外の無機酸化物粒子に担持されている触媒貴金属粒子が、基材の隔壁上に配置されて、貴金属触媒粒子担持層を形成している、請求項1~9のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
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