JP2553168B2 - 触媒の製造方法、及び内燃機関の排気ガスから一酸化炭素、炭化水素及び酸化窒素を同時に変換する方法 - Google Patents

触媒の製造方法、及び内燃機関の排気ガスから一酸化炭素、炭化水素及び酸化窒素を同時に変換する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、セラミック又は金属からなる不活性はちの
巣状担体上に、パラジウム及び白金からなる活性層が施
されかつ二酸化セリウムを含有する、格子安定化されて
いてもよい転移列の酸化アルミニウムからなる層被膜を
有する触媒を製造する方法並びに内燃機関の排気ガスか
ら一酸化炭素、炭化水素及び酸化窒素を同時に変換する
方法に関する。
従来の技術 近年ロジウム価格の著しい上昇及び供給の不安定性に
より、内燃機関の排気ガス浄化触媒の製造業者にとっ
て、ロジウムを使用することなく内燃機関の排気ガス中
に含まれる有害物質であるCO、炭化水素及び酸化窒素を
同等に変換しまた実際に使用するのに十分に変換する触
媒組成物を開発することが求められていた。
発明の構成 ところでパラジウム並びに白金を含む触媒において、
通常の貴金属量の維持下に同時に本発明による多量の二
酸化セリウムが担体物質中に存在する場合には、ロジウ
ムを替え得ることが判明した。
同時に白金及びパラジウムを含む触媒が有害物質の放
出を減少させることは以前から知られているが、この触
媒の作用はCO及び炭化水素を酸化によって除去すること
にあった。しかし本発明により担体物質中に多量のCeO2
を装入することによって初めて、酸化窒素を還元する可
能性を付加的に有するPt/Pd−触媒が得られた。この可
能性は従来は極めて高価なロジウム及びほとんど入手不
能のイリジウムによってのみ達成されてきた。従ってC
O、炭化水素及び酸化窒素を同時に変換するためのすべ
ての三成分触媒はロジウムを含む必要があり、また実際
に含んでいた。
従って本発明は、パラジウム及び白金間の重量比が0.
1:1〜10:1であるパラジウムウ及び白金0.03〜3重量%
と特定量の二酸化セリウムとからなる、転移列の酸化ア
ルミニウム(転移アルミナ)に施された活性相を有し、
その際貴金属、二酸化セリウム及び酸化アルミニウムの
合計重量は100%であり、また格子安定化されていても
よい担体物質をパラジウム及び白金の塩の水溶液で含浸
させ、乾燥し、場合によっては水素含有ガス流中で250
℃以上の温度で熱処理することによって得られる、内燃
機関の排気ガスから一酸化炭素、炭化水素及び酸化窒素
を同時に変換する触媒に関する。
この触媒は、前記触媒が、酸化アルミニウムがばら材
料の形で存在する場合には二酸化セリウム5〜20重量
%、有利には11〜20重量%を、また酸化アルミニウムが
セラミック又は金属からなるはちの巣状下活性担体上の
被膜として存在する場合には二酸化セリウム25〜50重量
%を含み、パラジウム塩及び白金塩の溶液で含浸させる
前に酸化アルミニウムをセリウム塩の水溶液で含浸させ
るか又は酸化アルミニウムがはちの巣状の不活性担体上
に存在する場合には更にセリウム化合物として固体物質
の形で酸化アルミニウムに配合し、その後得られた触媒
前駆体をそれぞれ空気中で300〜950℃、有利には600〜7
00℃で熱処理することによって特徴づけられる。
本発明のこの解決手段では二酸化セリウムの量は酸化
アルミニウムの使用形との関連において、すなわち不活
性のモノリシック又ははちの巣状担体上の被膜(薄め塗
膜=Washcoat)としてか又は成形されたばら材料(球状
体、押出成形品、タブレット等)として使用されるかに
よって異なる。それというのも両者は拡散挙動が異なる
ことからばら材料と塗膜の場合とでは異なってドープす
る必要のあることが判明したからである。
転移列の酸化アルミニウムとしては、α−Al2O3以外
の全てのAl2O3結晶変態(単独又は混合形)が挙げら
れ、この場合BETによるその比表面積は40〜250m2/gであ
ってよい。
意図した活性の、すなわち触媒反応促進可能の酸化ア
ルミニウムからなる成形されたばら材料の嵩重量は平均
500kg/m3である。セリウム塩水溶液で含浸し、乾燥しか
つ焼成することによって導入された二酸化セリウムは酸
化アルミニウム成形品に実際に均一に浸透する。
Al2O3−含有量が触媒体積1m3当たり100kgの範囲内で
ある酸化アルミニウム被覆されたモノリシック又ははち
の巣状体の場合と同じ、二酸化セリウムによる酸素−供
給能を、この触媒の単位体積当たりで達成するために
は、セリウム含有量をモノリシック触媒での濃度に比べ
てより低い濃度に調整する必要がある。
ところで予想外にも本発明で規定した高められた量の
二酸化セリウムを使用する限り、三成分複合体Pd/Pt/Ce
O2で貴金属成分の機能は慣用の貴金属の使用下に、常用
の白金、ロジウム及び二酸化セリウム含有成形品の場合
とほぼ同じ水準に達し得ることが判明した。貴金属成分
に関しては慣用の出発物質を水溶性塩の形で使用する。
本発明による触媒では活性増進、高温安定性、λ>1
(λは空気過剰率である)の排気ガス組成でのいわゆる
希薄混合気安定性及び作動時の耐久性を得るため、酸化
アルミニウム量の20重量%までを、単独又は混合物とし
ての二酸化ジルコニウム、酸化ランタンLa2O3、酸化ネ
オジムNd2O3、酸化プラセオジムPr6O11、酸化ニッケルN
iOによって代えることができる。
酸化ニッケルNiOを使用又は一緒に使用した場合には
更に、油性排気ガス範囲における炭化水素の変換がもた
らされ、また濃混合気運転(すなわちλ>1)で生じる
好ましくない硫化水素の放出は著しく減少される。
必要な高濃度で使用される、重要な改質成分である二
酸化セリウムCeO2としては、硝酸セリウムの他に、硝酸
セリウムアンモニウム、蓚酸セリウム、塩化セリウム、
炭酸セリウム、酸化セリウム又は水酸化セリウム及びそ
の他のセリウム塩、特に酢酸セリウム(III)が適して
いる。これらの物質はばら材料触媒及びモノリシック−
又ははちの巣状触媒を製造する場合には含浸水溶液の形
で使用することができる。後者の形態の触媒を製造する
場合には上記のすべての化合物を固体物質の形で酸化ア
ルミニウムに配合することも可能である。
特に触媒の連続使用で活性酸化アルミニウムの比表面
積を安定化するための上記の手段は、酸化アルミニウム
の格子をアルカリ土類金属酸化物、二酸化珪素、二酸化
ジルコニウム又は希土類の酸化物によって予め安定化す
ることにある。本発明の1変法によればこの手段は有利
に使用される。
更に本発明の枠内で2種の貴金属を互いに分離する手
段は、各金属の固有の作用を保持するのに有利である。
従って、本発明の対象は、セラミック又は金属からな
る不活性はちの巣状担体上に、パラジウム及び白金から
なる活性層が施されかつ二酸化セリムを含有する、格子
安定化されていてもよい転移列の酸化アルミニウムから
なる層被膜を有する触媒を製造する方法において、該方
法は、 a)酸化アルミニウム及び可溶性セリウム塩又は固体の
セリウム化合物からなる水性懸濁液を製造し、 b)はちの巣状担体に前記懸濁液の一部を使用して被膜
の第1の層を被覆し、この層を空気中で600〜700℃で乾
燥及び熱処理し、 c)前記第1の層に白金塩を含浸させ、引き続き該被膜
を乾燥及び熱処理し、 d)前記はちの峰状担体に前記の残りの懸濁液を使用し
て被膜の第2の層を被覆し、該被膜を乾燥しかつ熱処理
し、 e)前記被膜にパラジウム塩の溶液を含浸させ、かつ f)引き続きそのようにして得られた触媒先駆物質を必
要により水素を含有するガス流内で乾燥及び熱処理する 工程からなり、その際パラジウム、白金、酸化セリウム
及び酸化アルミニウムの重量割合を総計100%にし、か
つパラジウムと白金を0.03〜3重量%の量及びパラジウ
ムと白金との重量比3:1〜1:2で施し、かつセリウムの量
を、該被膜が二酸化セリウム25〜50重量%含有するよう
に調整することを特徴とする。
本発明のもう1つの対象は、内燃機関の排気ガスから
一酸化炭素、炭化水素及び酸化窒素を同時に変換するた
めに前記の触媒を使用することにある。
実施例 次に本発明を実施例により更に詳述する。なお例1〜
14及び16〜18は比較例ないしは参考例である。
例 1 室数62/cm2、直径102mm及び長さ152mmの、菫青石から
なるはちの巣体を、γ−Al2O3(140m2/g)、酢酸セリウ
ム(III)及び酢酸ジルコニルを含みかつこの物質中酸
化物として計算してAl2O3:CeO2:ZrO2が58:39:3の比で存
在する35%水性懸濁液に浸漬することによって被覆し
た。過剰の懸濁液を吹き払うことによって除去し、被覆
したモノリシックを120℃で乾燥した後、600℃で2時間
熱処理した。その際酢酸塩からCeO2及びZrO2が生じた。
施された被覆はAl2O3128g、CeO286g及びZrO27gからなっ
ていた。引続きこうして被覆されたはちの巣体を、Pd
(NO3の形でPd0.59g及びH2PtCl6の形でPt1.18gを含
む水溶液で含浸法により被覆した。
貴金属で含浸されたモノリシックを乾燥した後、化成
ガス(N2:H2=95:5)中で550℃で4時間還元処理した。
例 2 触媒を例1により製造した。ただしPd0.88g及びPt0.8
8gを施した点でのみ異なっていた。
例 3(比較例) はちの巣体に例1に記載したようにして酸化物被膜を
施した。引続き同じ製造条件下ではあるがPd及びPtの代
わりにH2PtCl6の形でPt1.47gをまたRhCl3の形でRh0.29g
を含浸法で施した。
例 4(比較例) 例1によるセラミックス製はちの巣体を、CeO2(Ce
(NO3として使用)及びγ−Al2O3(140m2/g)を5:9
5の割合で含む30%水性懸濁液で被覆した。熱処理後Al2
O3152g及びCeO28gがモノリシック上に存在していた。そ
の他の製造パラメータは例1と同じであった。
例 5 例1〜4により製造した触媒から各室に対して平行に
直径38mmの円筒状試料体をくり抜き、多室テスト反応器
に組み込み、ガソリン機関の排気ガス流中で三成分触媒
としてのその機能に関して検査した。
テスト機関としてK−JETRONIC(Bosch社製)を備え
たピストン排出量1781cm3の4気筒燃料噴射機関を使用
した。
触媒の低温活性(活性開始温度)を評価するために、
排気ガス流に含まれる一酸化炭素、炭化水素及び酸化窒
素のそれぞれ50%が空気過剰率λ=0.995で変換される
温度を測定した。
その他に、450℃で動的試験において掃引周波数(変
調周波数)1Hz及びλ変動幅0.034で触媒活性を測定し
た。
その際の空間速度は64000h-1であった。該空間速度
は、充填層を通過する流体の流速であって、S.V.とも称
され、充填層の見掛け容積(Vcm3)/流体の容積速度
(Vpcm3・h)、即ち(V/Vp)・h-1で定義され、流体が
充填層を通過するに要する時間(h)の逆数である。触
媒を通る前の排気ガス組成は次の通りであった: CO 2.4〜1.4容量% HC 450〜350ppm NOx 2500〜2000ppm O2 1.0容量% CO2 13〜14容量%。
クリープ特性を調べるため触媒を排気ガス温度450〜8
50℃のモータで100時間使用した。
前記例1〜3の触媒でのこの実験結果は比較触媒の実
験結果と共に第1表に記載されている。
この測定値が示すように、例1及び2でのPt/Pd−触
媒は比較例3のPt/Rh−触媒と、特に重要な動的変換率
に関して新鮮な状態でもまた100時間の機関使用後も同
等である。ただ反応特性に関しては新鮮な状態でももた
老化後においても、Pt/Rh−三成分触媒に比べて劣って
いる。しかしこの欠点は、特に動的変換率での極めて良
好な結果との関連において、前記例1〜3のPt/Pd−触
媒を三成分触媒として実際に使用することを阻止するほ
ど、大きなものではない。
比較例4はその触媒型においてCeO2含有量の少ない市
販のPt/Pd−酸化触媒に相応するが、前記例1〜3の三
成分触媒とはその使用目的によってまた担体物質中にお
ける著しく異なるCeO2濃度によって相違する。
ここで使用した三成分触媒試験で市販の酸化触媒の触
媒活性は、特にNOx−変換率に関して、例1及び例2に
示した本発明によるセリウムを多量に含むPt/Pd−触媒
の触媒活性よりも明らかに低い。この結果から酸化を目
的とするCeO2含有量の少ないPt/Pd−触媒は実地におい
て三成分触媒として使用するのに適していないが、例1
及び例2による本発明の触媒はこの目的にとってなお十
分な触媒活性を有することが明らかである。
次の例6〜8は、本発明によるPt/Pd−三成分触媒
が、例えば西ドイツ国特許第29 07 106号明細書に記載
されているような市販のPt/Rh−三成分触媒よりも高い
触媒活性を有することを示すものである。
例 6 室数62/cm2、直径102mm及び長さ152mmのセラミック製
モノリシックを、γ−Al2O3(150m2/g)、酢酸セリウム
及び硝酸ジルコニルを酸化物の比Al2O3:CeO2:ZrO2=65:
28:7で含む懸濁液で浸漬処理するとによって被覆した。
過剰の懸濁液を吹き払った後、被覆されたはちの巣体
を120℃で乾燥し、900℃で1時間活性化した。
被覆量はAl2O3145g、CeO262g及びZrO215.5gであっ
た。引続き担体物質を備えたモノリシックにPdCl2の形
でPd0.69g及びH2PtCl6の形でPt1.39gを水溶液から含浸
処理により施した。含浸した成形体を150℃で乾燥した
後、水素流中で500℃で2時間還元処理した。
例 7(比較例) 比較触媒はその寸法及び製造条件に関して例6からの
触媒模型と同一であった。しかしこの触媒は、γ−Al2O
3(150m2/g)、酢酸セリウム、酢酸ジルコニル及び酸化
鉄Fe2O3からなる水性懸濁液を施された、担体物質の組
成(Al2O3139g、CeO210g、ZrO212g及びFe2O36g)によっ
て、またPt1.47gをH2PtCl6の形で及びRh0.29gをRh(N
O3の形で含浸させたことによって例6のものと相違
する。
例 8 例6及び例7により製造した触媒を、順次ガソリン機
関の排気ガス流中で三成分触媒としての作用に関して検
査した。テスト条件は、動的変換率を測定するためλ=
変動幅0.068及び空間速度73000h-1を基礎とする点以外
は例5に記載した条件と同じであった。従って次の排気
ガス組成が存在した: CO 3.3〜2.2容量% HC 510〜420ppm NOx 100〜2100ppm O2 1.65容量% CO2 12〜13容量%。
触媒の有害物質変換率を、新鮮な状態でまた950℃で
空気中で24時間熱処理した後に測定した(これについて
は第2表を参照のこと)。
新鮮な状態では本発明によるPt/Pd−触媒はPt/Rh−比
較触媒に比べて動的試験で比較可能な高い変換率を有す
る。反応特性においてこの触媒はCO及びHCに関して利点
(50%変換率でより低い温度)を有するが、酸化窒素に
関しては欠点を有する。
引続き最近の三成分触媒で常用のような、一時的な希
薄混合気での機関運転(λ>1)また同時に存在する高
い温度で触媒の安定性を検査するため、この触媒を空気
中で950℃で24時間熱処理した。
酸化セリウムを多量に含む本発明によるPt/Pd−触媒
は、比較例の触媒に比べて動的試験で極めて高い変換率
をまた一層改良された反応特性を有する。そのCO、HC及
びNOxの50%変換率は通常の測定範囲外である>450℃の
値を有し、従って把握できなかった。
例 9 直径102mm、長さ76mm及び室数62/cm2の室密度を有す
る菫青石からなる円筒状はちの巣体を、酸化アルミニウ
ム(140m2/g)、酢酸セリウム及び酢酸ジルコニウムを
含む30%水性懸濁液に浸漬することによって被覆する。
過剰の懸濁液を圧縮空気で吹き払うことによって除去
し、被覆したモノリシックを120℃で乾燥する。この被
覆工程は、所望の被覆量を施すために場合によっては繰
返す。引続き被覆したモノリシックを600℃で45分間熱
処理するが、その際酢酸セリウム及び酢酸ジルコニウム
はそれぞれ酸化物に分解する。施された酸化物の量及び
種類は第3表に示す。
こうして被覆したモノリシックを、Pd及びPtを1:2の
割合で含むPdCl2及びHePtCl6からなる水溶液で含浸させ
る。施された貴金属の量は触媒当たり1.1gである。
貴金属で含浸されたモノリシックを150℃で乾燥した
後、化成ガス(N2:H2=95:5)中で550℃で2時間還元処
理する。
例 10 触媒を例9により製造した。ただしPd:Ptの割合が3:1
である点でのみ異なっていた。
例 11 触媒を例9により製造するが、酢酸セリウムの代わり
に固体CeO2(炭酸セリウムを空気中で500℃で熱分解す
ることによって得た)を使用した点で異なる。
例 12 触媒を例9により製造するが、被覆懸濁液は酸化ニッ
ケルを含む。
例 13 触媒を例9により製造するが、被覆懸濁液は高濃度の
酢酸セリウム並びに酢酸希土類(La:Nd:Pr=61:21:8)
を含む。
例 14 触媒を例11により製造するが、触媒がZrO2を含まずま
た触媒を還元処理しない点でのみ異なる。
例 15 例9に記載したような層状の構造、寸法、被覆及び貴
金属含有量を有する触媒を次のようにして製造する。
第1製造サイクルで全被覆量の2/3を施す。被覆した
モノリシックを乾燥し、空気中で600℃で45分間熱処理
し、その後H2PtCl6−溶液で被覆し、乾燥し、空気中で5
00℃で熱処理する。
第2製造サイクルでPd含有モノリシックに被覆の残り
の1/3を施し、乾燥し、600℃で45分間熱処理する。引続
きこれをPd(NO3−溶液で含浸させ、乾燥し、化成
ガス(窒素中の水素5%)中で550℃2時間還元処理す
る。
例 16 La2O3/Nd2O3(La:Nd=2:1)で予め安定化した、γ−A
l2O3(粒径2〜4mm、圧縮密度560/dm3、比表面積105m2/
g、間隙率0.85cm3/g)からなる球状担体1dm3に、CeO247
gを含浸処理により施す。
含浸は2工程で酢酸セリウムの水溶液を注ぐことによ
り行う。各含浸工程の後、120℃で乾燥し、500℃で1時
間熱処理する。
引続き貴金属1.2をPd(NO3及びH2PCl6の水溶液の
形で施す。その際Pd及びPtは重量比2:5である。120℃で
乾燥し、空気中で450℃で熱処理した後、触媒を550℃で
1時間化成ガス(N2:H2=95:5)を用いて還元処理す
る。
例 17 γ−Al2O3(粒径2〜4mm、圧縮密度430g/dm3、比表面
積108m2/g、間隙率1.08cm3/g)からなる球状担体1dm3
適当な酢酸塩で2回含浸処理することによってCeO280g
及びZrO210gを施す。乾燥及び熱処理条件は例16と同じ
であった。
次いで貴金属を含浸処理するため、Pd(NO3及びH
2PtCl6を使用した。貴金属の濃度は触媒1dm3当たり1.0g
であった(Pd:Ptの重量比=1:1)。120℃で乾燥した
後、触媒を650℃で化成ガス(N2:H2=95:5)を用いて還
元処理した。
例 18 例9〜17による触媒を新鮮な状態でまた空気中で800
℃で12時間加熱老化させた後、合成排気ガス混合物を用
いて適用技術試験を行った。このためモノリシック触媒
から直径25mm及び長さ75mmの円筒状試料体をくり抜き、
テスト反応器内で空間速度50000h-1で測定した。ばら材
料触媒から同じ容量を検査した。
試験ガス組成 CO2 14容量% O2 0.75±0.75容量% CO 1容量%±1容量% H2 0.33容量% C3H6/C3H8(2/1) 0.05容量% NO 0.1容量% H2O 10容量% N2 残り。
動的試験は400℃で周波数1Hzにより行った。反応特性
はNOに対してλ=0.995でまたCO及び炭化水素に対して
λ=1.01でそれぞれ30゜k/分の加熱速度で測定した。
触媒活性の試験結果は第4表にまとめる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ライナー・ドメスレ ドイツ連邦共和国マインタール1・ヴイ ンゲルトシユトラーセ 202 (72)発明者 ヘルベルト・フエルカー ドイツ連邦共和国ハナウ11・ボーゲンシ ユトラーセ 43 (56)参考文献 特開 昭57−32733(JP,A) 特開 昭61−93832(JP,A) 特開 昭62−71538(JP,A) 特開 昭61−293550(JP,A) 特開 昭62−71536(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミック又は金属からなる不活性はちの
    巣状担体上に、パラジウム及び白金からなる活性層が施
    されかつ二酸化セリムを含有する、格子安定化されてい
    てもよい転移列の酸化アルミニウムからなる層被膜を有
    する触媒を製造する方法において、 a)酸化アルミニウム及び可溶性セリウム塩又は固体の
    セリウム化合物からなる水性懸濁液を製造し、 b)はちの巣状担体に前記懸濁液の一部を使用して被膜
    の第1の層を被覆し、この層を空気中で600〜700℃で乾
    燥及び熱処理し、 c)前記第1の層に白金塩を含浸させ、引き続き該被膜
    を乾燥及び熱処理し、 d)前記はちの峰状担体に前記の残りの懸濁液を使用し
    て被膜の第2の層を被覆し、該被膜を乾燥しかつ熱処理
    し、 e)前記被膜にパラジウム塩の溶液を含浸させ、かつ f)引き続きそのようにして得られた触媒先駆物質を必
    要により水素を含有するガス流内で乾燥及び熱処理する 工程からなり、その際パラジウム、白金、酸化セリウム
    及び酸化アルミニウムの重量割合を総計100%にし、か
    つパラジウムと白金を0.03〜3重量%の量及びパラジウ
    ムと白金との重量比3:1〜1:2で施し、かつセリウムの量
    を、該被膜が二酸化セリウム25〜50重量%含有するよう
    に調整することを特徴とする、触媒の製造方法。
  2. 【請求項2】酸化アルミニウム量の20重量%までのを個
    々の物質としての二酸化ジルコニウム、二酸化ランタン
    La2O3、酸化ネオジムNd2O3、酸化プラセオジムPr6O11
    酸化ニッケルNiOで又はそれらの混合物で代用する、請
    求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】請求項1又は2記載の方法で製造された触
    媒を使用することを特徴とする、内燃機関の排気ガスか
    ら一酸化炭素、炭化水素及び酸化窒素を同時に変換する
    方法。
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