JP3199562B2 - 窒素酸化物除去用酸化物触媒材料並びに窒素酸化物除去方法 - Google Patents

窒素酸化物除去用酸化物触媒材料並びに窒素酸化物除去方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒素酸化物を還元除去
することができる新規な酸化物触媒材料並びにこれを用
いて排気ガス中の窒素酸化物を除去する方法に関するも
のである。
【0002】
【従来技術】近年、各種汚染物質による大気の汚れが大
きな社会問題となり、その中でも大気汚染の移動発生源
となっている自動車の排気ガス中のNOX、COX等の有
害物質を分解、除去する方法の開発が急務となってい
る。
【0003】従来より自動車の排気ガス中のNOX、C
X等の有害物質を分解、除去する方法として、一酸化
炭素(CO)および炭化水素(CXy)の酸化と、窒素
酸化物(NOX)の還元を同時に行う三元触媒を用いる
方法が採用されてきた。
【0004】そのような方法に用いられる三元触媒とし
ては、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ロジウム
(Rh)等の貴金属を、γ−アルミナを被覆したコージ
ェライト等の耐火物に担持したものが用いられていた。
【0005】しかしながら、前記三元触媒は、およそ
0.5%程度の低酸素濃度においてのみ排気ガスの浄化
を効率よく行うことができるものの、排気ガスの酸素濃
度が1%を越えるような高濃度域では有効に働かなくな
るという欠点がある。
【0006】そこで、通常は排気ガス中の酸素濃度を測
定し、一酸化炭素(CO)および炭化水素(CXy)、
窒素酸化物(NOX)を高い浄化率で処理し得る理論等
量値に近い範囲の空燃比となるように制御することが行
われているが、前記一酸化炭素(CO)および炭化水素
(CXy)と、窒素酸化物(NOX)の発生メカニズム
が相反する特性を有するため、限られた状態での燃焼を
維持しなければならず、それより高い酸素濃度中での排
気ガス浄化はほとんどできていないのが現状である。
【0007】更に、昨今、省エネルギー、省資源も叫ば
れていることから、ガソリンエンジンにおいては、低燃
費化を図るために希薄燃焼方式の研究開発が行われてい
るが、この場合、排気ガス中の酸素濃度は数%と更に高
くなり、触媒の貴金属が酸素被毒により排気ガスの浄化
ができなくなるという欠点がある。
【0008】またディーゼルエンジンにおいても、現在
の燃焼方式では排気ガス中の酸素濃度が高いため、排気
ガスの浄化が全くなされていないのが現状である。
【0009】一方、約1000℃以上の高温で発生し、
燃焼温度が高くなるほどその濃度が増す窒素酸化物(N
X)を効果的に浄化する方法としては、前記以外にア
ンモニアを用いた選択的接触還元法があるが、工場等の
固定式の燃焼装置における酸素濃度の高い排気ガス中の
窒素酸化物(NOX)の浄化に対しては有効ではあるも
のの、本方法を自動車等の移動式燃焼装置に適用するこ
とは安全性の面で問題を生じる恐れがある。
【0010】そこで、前記諸問題を解消するものとし
て、金属を担持した疎水性ゼオライトを触媒として炭化
水素と接触させながら窒素酸化物(NOX)を除去する
方法が、特開平4−349938号公報等に提案されて
いる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記金
属を担持した疎水性ゼオライトを触媒とするものは耐熱
性が悪く、例えば600℃の温度で数時間保持する程度
で触媒活性が劣化し始め、800℃の温度条件下ではゼ
オライトの骨格構造の崩壊という構造破壊を起こし、触
媒活性をほとんど示さなくなる恐れがあることから、内
燃機関でも比較的排気ガスの温度が低いディーゼルエン
ジンにおいてさえ、その用途が限定されるという課題が
あり、耐熱性に優れた触媒材料が望まれていた。
【0012】
【発明の目的】本発明はアンモニア等の毒性の強い還元
剤を必要とせず、高温の排気ガスに曝されても構造破壊
を起こしたりせず、かつ酸素濃度の高い排気ガスであっ
ても、有効に該排気ガス中の窒素酸化物(NOX)を浄
化することができる有用な触媒材料並びにそれを用いた
窒素酸化物除去方法を提供するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題に鑑
みなされたもので、亜鉛(Zn)およびガリウム(G
a)を主たる金属元素として含有するスピネル型構造を
主とする結晶相から成る複合酸化物が、高温の高酸素濃
度雰囲気中でも高い触媒活性を示すことを見出したもの
である。
【0014】即ち、本発明の窒素酸化物除去用酸化物触
媒材料は、亜鉛(Zn)およびガリウム(Ga)を主た
る金属元素として含有する複合酸化物で、亜鉛(Zn)
に対するガリウム(Ga)のモル比が2.00を越え、
2.10未満で、主たる結晶相がスピネル型構造を有す
る複合酸化物から成ることを特徴とするものである。
【0015】更に、本発明の窒素酸化物除去方法は、過
剰の酸素と還元性を有する炭素含有ガスが存在する酸化
雰囲気中で、亜鉛(Zn)およびガリウム(Ga)を主
たる金属元素として含有し、亜鉛(Zn)に対するガリ
ウム(Ga)のモル比が2.00を越え、2.10未満
で、主たる結晶相がスピネル型構造の複合酸化物と窒素
酸化物を含む排気ガスを接触させることを特徴とするも
のである。
【0016】前記亜鉛(Zn)およびガリウム(Ga)
を主たる金属元素として含有する複合酸化物は、亜鉛
(Zn)に対するガリウム(Ga)のモル比が2.00
以下になると、触媒活性が実用的なレベル以下に低下し
てしまい、また、2.10以上になるとスピネル型結晶
構造以外の結晶やガラスが生成して前記同様に触媒活性
が劣化することから、前記モル比は2.00を越え、
2.10未満、とりわけNO還元活性の点からは2.0
3〜2.07であることが望ましい。
【0017】また、前記複合酸化物はZnGaXyで表
されるスピネル型構造であり、式中のx及びyは、2.
00<x<2.10、4.00<y<4.15を満足す
ることが望ましい。
【0018】
【作用】本発明の窒素酸化物除去用酸化物触媒材料並び
に窒素酸化物除去方法によれば、亜鉛(Zn)およびガ
リウム(Ga)を主たる金属元素として含有する複合酸
化物は、亜鉛(Zn)に対するガリウム(Ga)のモル
比が2.00を越え、2.10未満であり、主たる結晶
相がスピネル型構造を有することから、該結晶相が定比
のスピネル型構造を示すZnGa24に、やゝ過剰のG
a金属が固溶して金属元素の周囲に微妙な電子状態の差
が生じる結果、窒素酸化物(NOX)の還元分解作用
が、前記定比のスピネル型構造であるZnGa24より
も高い特性を示すものと考えられる。
【0019】
【実施例】以下、本発明の窒素酸化物除去用酸化物触媒
材料並びに窒素酸化物除去方法について、実施例に基づ
き詳細に述べる。
【0020】本発明で適用する複合酸化物は、亜鉛(Z
n)およびガリウム(Ga)を主たる金属元素として含
有し、かつ亜鉛(Zn)に対するガリウム(Ga)のモ
ル比が2.00を越え、2.10未満で、主たる結晶相
がスピネル型構造を有するものであり、このスピネル型
構造の複合酸化物は、一般式としてZnGa24で表さ
れるものである。
【0021】また、前記複合酸化物はいずれも、排気ガ
スと接触させることにより排気ガス中に含まれる窒素酸
化物(NOX)を還元し有効に除去することができる
が、排気ガス中の酸素濃度が5%以上の高濃度であって
も、優れたNOX還元性能を有するものである。
【0022】更に、前記排気ガス雰囲気中にC24、C
36、C38等の炭化水素、CH3OH、C25OH等
のアルコール、CO等の還元性を有する炭素ガス等を含
有させて前記複合酸化物の触媒材料と接触させると、N
X還元性が高くなる。
【0023】次に、本発明の窒素酸化物除去用酸化物触
媒材料の製造方法について詳細に述べる。
【0024】窒素酸化物除去用酸化物触媒材料は、Zn
及びGaを含有する原料粉末を含有する原料粉末を所定
量秤量し、十分に攪拌混合した後、該混合物を酸化雰囲
気中、600〜1600℃の温度で5〜30時間熱処理
することにより、Zn及びGaを主たる金属元素として
含有した主結晶相がスピネル型結晶から成る複合酸化物
粉末として得ることができる。
【0025】前記原料粉末としては、例えば、Zn及び
Gaの酸化物や、熱処理により酸化物を生成するそれら
の炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等を用いることができる。
【0026】また前記複合酸化物は、前記以外に酸化物
や他の金属塩による固相反応法、金属アルコキシド等の
ゾル−ゲル法等によっても合成できるものであり、何等
これらの製造方法に限定されるものではない。
【0027】前記製造方法において、いずれも、熱処理
温度が600℃より低いと結晶化が不充分となり、逆に
1600℃を越えると緻密化してしまうため、該熱処理
は600〜1600℃の温度で、酸化雰囲気中、5〜3
0時間行い、特に熱処理時間は長く必要とするが、低い
温度で熱処理することが粉末の比表面積を高め、触媒作
用をより効果的にならしめる上で望ましい。
【0028】本発明を評価するに際し、出発原料として
Zn(NO32・6H2O、Ga(NO33・9H2Oの
各試薬を用い、亜鉛(Zn)とガリウム(Ga)を主た
る金属元素として含有した複合酸化物を調製する場合に
は、Znに対するGaの金属元素比を表1に示すモル比
となるように秤量する。
【0029】次いで、これら試薬を蒸留水中に溶解さ
せ、撹拌しながらアンモニア水で中和し、生じた沈澱物
を濾過、洗浄し、凍結乾燥させた。
【0030】乾燥した粉末を700℃の温度で30時
間、大気中で熱処理して評価用の複合酸化物粉末を調製
した。
【0031】尚、CuとGaを金属元素比で1対2とし
て前記同様にして調製した複合酸化物粉末を比較例とし
た。
【0032】
【表1】
【0033】かくして得られた評価用の複合酸化物粉末
を用いてX線回折測定(XRD)により結晶相を同定
し、本発明に係る複合酸化物粉末はいずれも主結晶相が
スピネル結晶からなる単一相であることを確認した。
【0034】本発明の窒素酸化物除去用酸化物触媒材料
の代表的なX線回折測定結果を図1に、また本発明の請
求範囲外の測定結果を図2にそれぞれX線回折記録図と
して示す。
【0035】次に、前記評価用複合酸化物の粉末を金型
プレスにより成型後、冷間静水圧成形法により更に圧縮
成形し、その成形物を解砕して40メッシュパス、80
メッシュオンに整粒するとともに、整粒した評価試料の
表面積(BET比表面積×測定試料重量)を測定した。
【0036】次いで、NOが1000ppm、O2が5
%、C24が1000ppm、残部がHeから成る評価
用ガスを、空間速度(SV)が40000/hの条件で
前記評価試料を充填した触媒層に流し、300〜600
℃の温度範囲でNOの還元により生成したN2をガスク
ロマトグラフで測定し、該N2の生成量から350℃、
400℃及び450℃の各温度におけるNO転換率をN
O還元活性として評価した。
【0037】
【表2】
【0038】前記表の結果より明らかなように、試料番
号1及び7はいずれもNO還元活性が低いのに対して、
本発明の試料番号2乃至6はいずれも高いNO還元活性
を有しており、また試料番号8はNO還元活性が低く、
特に高温でのNO還元活性の低下が著しいことが分か
る。
【0039】尚、前記評価用の複合酸化物粉末を大気
中、800℃の温度で5時間保持した後、X線回折法に
より結晶相を同定したところ、本発明の複合酸化物はい
ずれもスピネル結晶からなる単一相のみであることが確
認でき、ゼオライトの如く骨格構造の崩壊という構造破
壊は起こしてはおらず、十分な耐熱性を有していること
が確認できた。
【0040】
【発明の効果】以上、詳述したように本発明の窒素酸化
物除去用酸化物触媒材料並びに窒素酸化物除去方法によ
れば、高温の高酸素濃度雰囲気下でも高い窒素酸化物
(NOX)の還元分解作用を有し、NO還元活性の温度
域を制御できることから、省エネルギー、省資源を目標
として開発される今後のディーゼルエンジンやリーンバ
ーンエンジン等の各種内燃機関の排気ガスをはじめ、窒
素酸化物(NOX)を含有する各種有害物質の浄化に極
めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の亜鉛(Zn)とガリウム(Ga)を主
たる金属元素として含有する窒素酸化物除去用酸化物触
媒材料の代表的なX線回折測定結果を示すX線回折記録
図である。
【図2】本発明の請求範囲外のX線回折測定結果を示す
X線回折記録図である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】亜鉛(Zn)とガリウム(Ga)を主たる
    金属元素として含有し、亜鉛(Zn)に対するガリウム
    (Ga)のモル比が2.00を越え、2.10未満であ
    るスピネル型構造の複合酸化物であることを特徴とする
    窒素酸化物除去用酸化物触媒材料。
  2. 【請求項2】過剰の酸素と還元性を有する炭素含有ガス
    が存在する酸化雰囲気中で、亜鉛(Zn)とガリウム
    (Ga)を主たる金属元素として含有し、亜鉛(Zn)
    に対するガリウム(Ga)のモル比が2.00を越え、
    2.10未満であるスピネル型構造の複合酸化物と窒素
    酸化物を含む排気ガスを接触させることを特徴とする窒
    素酸化物除去方法。
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