JP2958873B2 - Exhaust gas purification catalyst and method for producing the same - Google Patents
Exhaust gas purification catalyst and method for producing the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、酸素過剰雰囲気
下においても窒素酸化物を選択的に除去する事ができる
排ガス浄化触媒およびその製造方法に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an exhaust gas purifying catalyst capable of selectively removing nitrogen oxides even in an oxygen-excess atmosphere, and a method for producing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】この種の排ガス浄化触媒には、従来よ
り、酸素過剰雰囲気下で使用される窒素酸化物除去を目
的とする希土類元素をジルコニアに担持した触媒が知ら
れている。2. Description of the Related Art As this type of exhaust gas purifying catalyst, there has been conventionally known a catalyst which is used in an oxygen-excess atmosphere and has a rare earth element supported on zirconia for the purpose of removing nitrogen oxides.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の希土類
元素を担持したジルコニア触媒は、窒素酸化物の除去性
能に限界があり、かつ水蒸気が共存する条件下において
浄化率が低いという問題がある。However, the conventional rare earth element-supported zirconia catalyst has a problem in that the performance of removing nitrogen oxides is limited, and the purification rate is low under conditions where steam is present.
【0004】この発明は、このような技術背景の下でな
されたものであり、サマリウム触媒の活性のさらなる向
上と水蒸気共存下における活性の向上を図ることが可能
となり、これにより、窒素酸化物の除去性能を向上させ
ることができる排ガス浄化触媒とその製造方法を提供す
ることを目的とする。The present invention has been made under such a technical background, and it is possible to further improve the activity of the samarium catalyst and the activity in the coexistence of steam, whereby the nitrogen oxides can be reduced. An object of the present invention is to provide an exhaust gas purifying catalyst capable of improving the removal performance and a method for producing the same.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】この発明は、下記構成に
基づいて上記課題を解決できるものである。The present invention can solve the above-mentioned problems based on the following constitution.
【0006】(1)サマリウム−ジルコニウム−ビスマ
スの酸化物より成ることを特徴とする排ガス浄化触媒。(1) An exhaust gas purifying catalyst comprising an oxide of samarium - zirconium - bismuth.
【0007】(2)サマリウム/ビスマスが原子数比で
10/1の場合にサマリウム/ジルコニウムが原子数比
で1/25以上であることを特徴とする前記(1)記載
の排ガス浄化触媒。(2) The exhaust gas purifying catalyst as described in (1) above, wherein the samarium / zirconium atomic ratio is 1/25 or more when the samarium / bismuth atomic ratio is 10/1.
【0008】(3)サマリウム/ジルコニウムが原子数
比で1/25の場合にビスマス/サマリウムが原子数比
で1/10以下であることを特徴とする前記(1)記載
の排ガス浄化触媒。(3) The exhaust gas purifying catalyst according to the above (1), wherein the bismuth / samarium ratio is 1/10 or less when the samarium / zirconium ratio is 1/25.
【0009】(4)ビスマス、サマリウムを含むw/o
型のマイクロエマルジョンを含む溶液にジルコニウムア
ルコキシドおよびアルカリ溶液を添加するマイクロエマ
ルジョン共沈法により得た沈殿を熟成することを特徴と
する排ガス浄化触媒。(4) w / o containing bismuth and samarium
An exhaust gas purifying catalyst characterized by aging a precipitate obtained by a microemulsion coprecipitation method in which a zirconium alkoxide and an alkaline solution are added to a solution containing a microemulsion of a type.
【0010】(5)ジルコニウムアルコキシドを含む溶
液に、ビスマス、サマリウムを含むw/o型のマイクロ
エマルジョンを含む溶液およびアルカリ溶液を添加する
マイクロエマルジョン共沈法により得た沈殿を熟成する
ことを特徴とする排ガス浄化触媒。(5) A method comprising ripening a precipitate obtained by a microemulsion coprecipitation method in which a solution containing a w / o type microemulsion containing bismuth and samarium and an alkali solution are added to a solution containing zirconium alkoxide. Exhaust gas purification catalyst.
【0011】(6)ビスマス、サマリウムおよびジルコ
ニウムを含む溶液より共沈法により得た沈殿物を80℃
で熟成すると共に110℃で乾燥し、さらに高温で焼成
することによりサマリウム−ジルコニウム−ビスマスの
酸化物触媒を得ることを特徴とする排ガス浄化触媒の製
造方法。(6) A precipitate obtained by a coprecipitation method from a solution containing bismuth, samarium and zirconium is heated to 80 ° C.
A method for producing an exhaust gas purifying catalyst, characterized by obtaining an samarium-zirconium-bismuth oxide catalyst by aging at 110 ° C. , drying at 110 ° C. , and firing at a higher temperature.
【0012】[0012]
【作用】この発明においては、これまでのジルコニアに
担持されたサマリウム触媒と異なり、w/o型エマルジ
ョンを利用することにより、サマリウムとビスマスが一
定の割合で原子団を生成した後、この原子団がジルコニ
ア中に分散されるために、ビスマスのサマリウムに対す
る添加効果がより強固なものとなる。また、利用するw
/o型エマルジョンのサイズを変化させることにより、
エマルジョン中に含まれる金属量を変化させ、サマリウ
ム−ビスマスの複合原子団のサイズを変化させ窒素酸化
物除去反応に適したサイズとすることが容易となる。こ
のため、この発明によれば、従来にはなかった高い活性
で窒素酸化物を除去できる。According to the present invention, unlike the conventional samarium catalyst supported on zirconia, by using a w / o emulsion, samarium and bismuth form an atomic group at a certain ratio, and then the atomic group is formed. Is dispersed in zirconia, so that the effect of adding bismuth to samarium becomes stronger. Also use w
By changing the size of the / o emulsion,
By changing the amount of metal contained in the emulsion, it is easy to change the size of the samarium-bismuth complex atomic group to a size suitable for the nitrogen oxide removal reaction. Therefore, according to the present invention, nitrogen oxides can be removed with a high activity that has never existed before.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態を
実施例により詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to examples.
【0014】実施例1 サマリウム(Sm)−ビスマス(Bi)−ジルコニウム
(Zr)の酸化物よりなる排ガス触媒の合成(ME法) サマリウムとビスマスとジルコニウムの原子数比が1
0:1:250となるように硝酸サマリウムと硝酸ビス
マスを混合した溶液およびジルコニウムイソプロポキシ
ドを希釈した溶液を作成した。このうちビスマスとサマ
リウムの溶液に、体積比で5倍のポリオキシエチレンラ
ウリルエーテル−n−ヘキサノール溶液を添加した後、
さらにシクロヘキサンを適量添加し、透明になるまで混
合攪拌しw/o型マイクロエマルジョンを作成する。こ
の溶液に、ジルコニウムアルコシド希釈溶液およびアン
モニア−界面活性剤混合溶液を別途で滴下し、サマリウ
ム−ビスマス−ジルコニウムの水酸化物沈殿を得る。そ
の後、この溶液を80℃に加熱攪拌しながら1時間処理
し、得られた溶液を吸引ろ過する事により、ゲル状の沈
殿を得た。このゲルを純水1リットルで洗浄した後、1
10℃で12時間乾燥し、乳鉢で粉砕する事により粉末
を得た。この粉末を400℃で10時間から700℃で
5時間の条件で焼成する事により、サマリウム−ビスマ
ス−ジルコニウムの酸化物よりなる排ガス触媒を合成で
きた。Example 1 Synthesis of an exhaust gas catalyst comprising an oxide of samarium (Sm) -bismuth (Bi) -zirconium (Zr) (ME method) The atomic ratio of samarium, bismuth and zirconium was 1
A solution in which samarium nitrate and bismuth nitrate were mixed and a solution in which zirconium isopropoxide was diluted so as to be 0: 1: 250 were prepared. After adding a polyoxyethylene lauryl ether-n-hexanol solution 5 times in volume ratio to the bismuth and samarium solution,
Further, an appropriate amount of cyclohexane is added, and the mixture is stirred until it becomes transparent to prepare a w / o type microemulsion. To this solution, a zirconium alkoxide dilute solution and an ammonia-surfactant mixed solution are separately added dropwise to obtain a samarium-bismuth-zirconium hydroxide precipitate. Thereafter, this solution was treated for 1 hour while being heated and stirred at 80 ° C., and the obtained solution was subjected to suction filtration to obtain a gel-like precipitate. After washing this gel with 1 liter of pure water,
The powder was dried at 10 ° C. for 12 hours and pulverized in a mortar to obtain a powder. By calcining this powder at 400 ° C. for 10 hours to 700 ° C. for 5 hours, an exhaust gas catalyst comprising an oxide of samarium-bismuth-zirconium was synthesized.
【0015】実施例2 サマリウム(Sm)−ビスマス(Bi)−ジルコニウム
(Zr)の酸化物よりなる排ガス触媒の合成(ME法) サマリウムとビスマスとジルコニウムの原子数比が1
0:1:250となるように硝酸サマリウムと硝酸ビス
マスを混合した溶液およびジルコニウムアルコシドを希
釈した溶液を作成した。このうちビスマスとサマリウム
の溶液に、体積比で5倍のポリオキシエチレンラウリル
エーテル−n−ヘキサノール溶液を添加した後、さらに
シクロヘキサンを適量添加し、透明になるまで混合攪拌
しw/o型マイクロエマルジョンを作成する。この溶液
と、アンモニア−界面活性剤混合溶液を別途でジルコニ
ウムイソプロポキシド希釈溶液に滴下し、サマリウム−
ビスマス−ジルコニウムの水酸化物沈殿を得る。その後
は、実施例1と同様の処理を行い、サマリウム−ビスマ
ス−ジルコニウムの酸化物触媒を合成した。Example 2 Synthesis of an exhaust gas catalyst composed of an oxide of samarium (Sm) -bismuth (Bi) -zirconium (Zr) (ME method) The atomic ratio of samarium, bismuth and zirconium is 1
A solution in which samarium nitrate and bismuth nitrate were mixed and a solution in which zirconium alkside was diluted so as to be 0: 1: 250 were prepared. After adding a polyoxyethylene lauryl ether-n-hexanol solution at a volume ratio of 5 times to the bismuth and samarium solution, an appropriate amount of cyclohexane is further added, and mixed and stirred until the mixture becomes transparent, and the w / o type microemulsion is added. Create This solution and an ammonia-surfactant mixed solution were separately dropped into a zirconium isopropoxide diluted solution, and samarium-
A hydroxide precipitate of bismuth-zirconium is obtained. Thereafter, the same treatment as in Example 1 was performed to synthesize an oxide catalyst of samarium-bismuth-zirconium.
【0016】実施例3 サマリウム(Sm)−ビスマス(Bi)−ジルコニウム
(Zr)の酸化物よりなる排ガス触媒の合成(共沈法) サマリウムとビスマスとジルコニウムの原子数比が1
0:1:250となるように硝酸サマリウムと硝酸ビス
マスと硝酸ジルコニルを混合した溶液を作成した。な
お、溶解性であれば、硝酸塩以外のサマリウム、ビスマ
スあるいはジルコニウムの化合物を用いることができ
る。この水溶液を攪拌しながら10%アンモニア水を滴
下した。アンモニア水の滴下は水溶液のpHを測定しな
がら行い、pHが9.0となったところで滴下を停止し
た。なお、溶液の中和に用いる試薬はアルカリ性であれ
ば、アンモニア水に限る理由はない。このとき、生成し
たサマリウムとビスマスとジルコニウムの共沈物を含む
水溶液を室温で17時間放置した。その後、その水溶液
を80℃に加熱して攪拌しながら5時間の温熱処理を行
い、得られた溶液を吸引ろ過することにより、ゲル状の
共沈物質を得た。このゲルを2リットルの純水で洗浄し
た後、110℃で17時間乾燥し乳鉢で粉砕することに
より微粉末を得た。この粉末を700℃で5時間焼成す
ることにより、サマリウム−ビスマス−ジルコニウムの
酸化物よりなる排ガス触媒を合成した。Example 3 Synthesis of Exhaust Gas Catalyst Consisting of Samarium (Sm) -Bismuth (Bi) -Zirconium (Zr) Oxide (Coprecipitation Method) The atomic ratio of samarium, bismuth and zirconium is 1
A solution was prepared by mixing samarium nitrate, bismuth nitrate, and zirconyl nitrate at a ratio of 0: 1: 250. In addition, compounds of samarium, bismuth, or zirconium other than nitrates can be used as long as they are soluble. While stirring the aqueous solution, 10% aqueous ammonia was added dropwise. The dropping of aqueous ammonia was performed while measuring the pH of the aqueous solution, and the dropping was stopped when the pH reached 9.0. In addition, if the reagent used for neutralization of the solution is alkaline, there is no reason to be limited to aqueous ammonia. At this time, the formed aqueous solution containing the coprecipitate of samarium, bismuth and zirconium was left at room temperature for 17 hours. Thereafter, the aqueous solution was heated to 80 ° C. and heated for 5 hours while stirring, and the obtained solution was subjected to suction filtration to obtain a gel-like coprecipitated substance. The gel was washed with 2 liters of pure water, dried at 110 ° C. for 17 hours, and ground in a mortar to obtain a fine powder. The powder was calcined at 700 ° C. for 5 hours to synthesize an exhaust gas catalyst comprising an oxide of samarium-bismuth-zirconium.
【0017】比較例1 ジルコニウム担持サマリウム−ビスマス触媒の合成(担
持法) サマリウムに対してビスマスが原子比で1/10となる
ように硝酸サマリウムと硝酸ビスマスから溶液を調製し
た。その後、サマリウムに対して担体ジルコニアが1:
25となるように量り取り、先の溶液と混合後、ロータ
リーエバポレーターにて蒸発乾固して得た粉末を700
℃で5時間焼成することにより得た。Comparative Example 1 Synthesis of Zirconium-Supported Samarium-Bismuth Catalyst (Supporting Method) A solution was prepared from samarium nitrate and bismuth nitrate such that the atomic ratio of bismuth to samarium was 1/10. Thereafter, the carrier zirconia was added to samarium at 1:
Weighed to 25, mixed with the previous solution, and evaporated to dryness with a rotary evaporator to obtain a powder of 700
It was obtained by calcining at 5 ° C. for 5 hours.
【0018】比較例2 サマリウム−ジルコニウム酸化物触媒の合成(ME法) サマリウム:ビスマス:ジルコニウムの比が10:0:
250(すなわちビスマスを含まない)とした以外は、
実施例1と全く同様の手法で合成した。Comparative Example 2 Synthesis of Samarium-Zirconium Oxide Catalyst (ME Method) The ratio of samarium: bismuth: zirconium was 10: 0:
Except for 250 (ie without bismuth)
Synthesis was performed in exactly the same manner as in Example 1.
【0019】以上の合成された触媒の性能試験は、常圧
固定床流通式反応装置で行った。The performance test of the synthesized catalyst was carried out in a fixed-bed flow reactor under normal pressure.
【0020】反応ガスとして、NO:1000ppm,
C3 H6 :1000ppm,CO:1200ppm、H
2 :400ppm、O2 :6%、CO2 :10%、H2
O:10%の組成を持つN2 希釈のガスを用い、これら
を2.5リットル/minの流量で顆粒状(0.5〜
1.0mm)の触媒で構成される体積0.75mlの触
媒層に供給した。このときの空間速度は100,000
h−1である。この組成の反応ガスの流通下、800℃
において熱処理を行った後、反応温度を段階的に変化さ
せながら性能評価を行った。As the reaction gas, NO: 1000 ppm,
C 3 H 6 : 1000 ppm, CO: 1200 ppm, H
2: 400ppm, O 2: 6 %, CO 2: 10%, H 2
O: with 10% N 2 dilution of gas having a composition, granular at a flow rate of the 2.5 liters / min (0.5 to
1.0 mm) of a catalyst layer having a volume of 0.75 ml. The space velocity at this time is 100,000
h-1. 800 ° C. under the flow of a reaction gas of this composition
After performing the heat treatment, the performance was evaluated while changing the reaction temperature stepwise.
【0021】[0021]
【表1】 [Table 1]
【0022】表1は、各触媒のNOxの最大浄化率と浄
化温度を示した。なお、浄化率は以下の式によって定義
される値である。Table 1 shows the maximum NOx purification rate and purification temperature of each catalyst. Note that the purification rate is a value defined by the following equation.
【0023】[0023]
【数1】 (Equation 1)
【0024】表1から明らかなように比較例のいずれの
場合と比較しても、実施例の触媒の浄化率が高いことが
解る。ビスマスを添加した組成系において、共沈法(温
熱熟成無し)<共沈法(温熱熟成有り)<マイクロエマ
ルジョン法の関係が成立し、同じマイクロエマルジョン
法においても、ビスマス添加無し<ビスマス添加有りの
関係が成立しており、発明の有効性が明らかである。As is clear from Table 1, it can be seen that the purification rate of the catalyst of the example is higher than that of any of the comparative examples. In the composition system to which bismuth was added, the relationship of coprecipitation method (without thermal aging) <coprecipitation method (with thermal aging) <microemulsion method was established, and even in the same microemulsion method, there was no bismuth addition <bismuth addition The relationship is established, and the effectiveness of the invention is clear.
【0025】この触媒をTEM(透過型電子顕微鏡)に
より分析した結果(触媒の表面および粒径の観察)を以
下に示す。The results of the analysis of the catalyst by TEM (transmission electron microscope) (observation of the surface and particle size of the catalyst) are shown below.
【0026】TEMによる観察結果からサマリウムの粒
子径は以下の序列で表される。From the result of observation by TEM, the particle size of samarium is represented by the following order.
【0027】 含浸担持法 > マイクロエマルジョン法 > 共沈法 100〜200nm 約5nm 極微細粒子 サマリウム粒子の存在形態は、含浸法では30〜50n
mの微結晶の集合体である事が解った。Impregnation-supporting method> Microemulsion method> Coprecipitation method 100 to 200 nm Approximately 5 nm Ultrafine particles The existence form of samarium particles is 30 to 50 n in the impregnation method.
It was found to be an aggregate of m microcrystals.
【0028】共沈法においてはサマリウム単独の粒子は
観察されず、EDS(エネルギー分散型蛍光X線分析装
置)測定においてもスペクトル中にわずかなサマリウム
のピークが検出されるにとどまった。このことは、非常
に小さいサマリウム粒子が酸化ジルコウニウム上に分散
している可能性が高いことを示す。In the coprecipitation method, particles of samarium alone were not observed, and only a small peak of samarium was detected in the spectrum by EDS (energy dispersive X-ray fluorescence spectroscopy). This indicates that very small samarium particles are likely to be dispersed on the zirconium oxide.
【0029】マイクロエマルジョン法触媒の場合、観察
された頻度は少ないが、周辺の粒子(20〜30nm)
より粒子径が小さい(5nm前後)粒子の集合組織が観
察された。EDSスペクトル中のサマリウムピークは比
較的大きく、集合組織はサマリウム粒子と酸化ジルコニ
ウム粒子の混合組織と考えられる。In the case of the microemulsion method catalyst, the observed frequency is low, but the surrounding particles (20 to 30 nm)
A texture of particles having a smaller particle diameter (around 5 nm) was observed. The samarium peak in the EDS spectrum is relatively large, and the texture is considered to be a mixed structure of samarium particles and zirconium oxide particles.
【0030】このことが、NOxの浄化活性向上に重要
な要素となっている。This is an important factor for improving the NOx purification activity.
【0031】なお、実施例1に示すマイクロエマルジョ
ン共沈法(ME)を用い、触媒を構成する元素の原子数
比を変化させた場合の浄化率をサマリウム/ビスマスの
原子数比を10/1の一定にしてジルコニウムに対する
サマリウムの比を変化させた場合の表2と、サマリウム
/ジルコニウムの原子数比を1/25の一定にしてサマ
リウムに対するビスマスの比を変化させた場合の表3と
を得た。When the microemulsion coprecipitation method (ME) shown in Example 1 was used and the atomic ratio of the elements constituting the catalyst was changed, the purification rate was changed to the samarium / bismuth atomic ratio of 10/1. Table 2 in the case where the ratio of samarium to zirconium was changed while the ratio of bismuth to samarium was changed while the atomic ratio of samarium / zirconium was fixed to 1/25. Was.
【0032】この2つの表から分かるように浄化率はサ
マリウム/ビスマス/ジルコニウムの原子数比が10/
1/250で最も高く、表2からはサマリウム/ジルコ
ニウムの比が1/25以上で有効であり、また表3から
はビスマス/サマリウムの比が1/10以下で同様に有
効であることが分る。As can be seen from these two tables, the purification rate is 10 / atomic ratio of samarium / bismuth / zirconium.
The highest value is 1/250, and Table 2 shows that the samarium / zirconium ratio is effective when the ratio is 1/25 or more, and Table 3 shows that the bismuth / samarium ratio is 1/10 or less. You.
【0033】[0033]
【表2】 [Table 2]
【0034】[0034]
【表3】 [Table 3]
【0035】[0035]
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、上述のような構成としたので、サマリウム触媒の活
性のさらなる向上を図ることができ、従ってNOx浄化
能を向上させることができる。As described above, according to the present invention, since the above-described structure is employed, the activity of the samarium catalyst can be further improved, and therefore, the NOx purifying ability can be improved.
Claims (6)
酸化物より成ることを特徴とする排ガス浄化触媒。1. A samarium - Zirconium - bismuth
An exhaust gas purifying catalyst comprising an oxide .
/1の場合にサマリウム/ジルコニウムが原子数比で1
/25以上であることを特徴とする請求項1記載の排ガ
ス浄化触媒。2. The ratio of samarium / bismuth is 10 in atomic ratio.
/ 1 in the case of 1 samarium / zirconium in an atomic ratio
The exhaust gas purifying catalyst according to claim 1, wherein the catalyst is not less than / 25.
1/25の場合にビスマス/サマリウムが原子数比で1
/10以下であることを特徴とする請求項1記載の排ガ
ス浄化触媒。3. 1 bismuth / samarium atomic ratio when samarium / zirconium 1/25 by atomic ratio
The exhaust gas purifying catalyst according to claim 1, wherein the ratio is / 10 or less.
マイクロエマルジョンを含む溶液にジルコニウムアルコ
キシドおよびアルカリ溶液を添加するマイクロエマルジ
ョン共沈法により得た沈殿を熟成することを特徴とする
排ガス浄化触媒。4. An exhaust gas purifying catalyst characterized by aging a precipitate obtained by a microemulsion coprecipitation method in which a zirconium alkoxide and an alkali solution are added to a solution containing a w / o type microemulsion containing bismuth and samarium.
に、ビスマス、サマリウムを含むw/o型のマイクロエ
マルジョンを含む溶液およびアルカリ溶液を添加するマ
イクロエマルジョン共沈法により得た沈殿を熟成するこ
とを特徴とする排ガス浄化触媒。5. A method of ripening a precipitate obtained by a microemulsion coprecipitation method in which a solution containing a w / o type microemulsion containing bismuth and samarium and an alkali solution are added to a solution containing zirconium alkoxide. Exhaust gas purification catalyst.
ムを含む溶液より共沈法により得た沈殿物を80℃で熟
成すると共に110℃で乾燥し、さらに高温で焼成する
ことによりサマリウム−ジルコニウム−ビスマスの酸化
物触媒を得ることを特徴とする排ガス浄化触媒の製造方
法。6. A samarium-zirconium-bismuth oxide obtained by aging a precipitate obtained by coprecipitation from a solution containing bismuth, samarium and zirconium at 80 ° C. , drying at 110 ° C. and firing at a high temperature. A method for producing an exhaust gas purifying catalyst, comprising obtaining a catalyst.
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