JP3733687B2

JP3733687B2 - 耐熱性触媒およびその製造方法

Info

Publication number: JP3733687B2
Application number: JP08953797A
Authority: JP
Inventors: 直人三好
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: JPH10277393A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス浄化用触媒に関し、特に高温焼成時の粒成長を抑制して１０００℃またはそれ以上の高温でのリーン雰囲気においても、浄化性能が劣化しない排ガス浄化用耐熱性触媒およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車等の排ガス浄化用触媒は、触媒成分としては白金・パラジウム・ロジウムなどの貴金属が単独あるいは組み合わせて用いられており、通常、触媒担体に担持された構成とされている。この中で、ロジウムに比べまだ資源的に余裕のある白金が主流を占めている。
【０００３】
しかし、白金は高温のリーン雰囲気中で酸化され、シンタリングにより表面積が減少して触媒成分としての活性が著しく低下してしまう問題がある。
さらに、欧州ステップIII 規制やλ＝１規制等の排気規制強化への対応により、排気温度が上昇するため、触媒の耐熱性向上が要求されている。現行のＰｔ／Ａｌ₂Ｏ₃系触媒では、高温でのリーン雰囲気下で著しく浄化性能が低下し、これを満足することはできない。この理由も白金のシンタリングに起因すると考えられる。
【０００４】
一方、Ｐｄ系触媒は比較的耐熱性の良い触媒であるが、自動車排気浄化用触媒や燃焼触媒は極めて過酷な条件下で使用されるため、さらなる耐熱性向上が望まれている。この要請に対応する技術として、Ｐｄと希土類、アルカリ土類金属等との複合酸化物を形成する（特開昭６１−２０９０４５号、特開平１−４３３４７号、４−２７４３３号、４−３４１３４３号、７−８８３７２号）あるいは、ペロブスカイト型の複合酸化物にＰｄを固溶させて耐熱性を向上する（特開昭６２−２６９７４７号、特開平２−１６６３０５号、７−８８３０７号）などの技術が開示されている。
【０００５】
しかし、Ｐｄの複合酸化物は１０００℃以上の高温下で生成する。このため、焼成中に粒成長を起こし、表面積が小さくなり、触媒活性が低くなる問題がある。
また、実際の自動車排気中では、高温還元雰囲気で分解しやすく、本来の狙いである高温耐久性が十分に発揮できない問題がある。前記耐熱性触媒として、ペロブスカイト複合酸化物にＰｄが含有されたものでも、排ガス温度が９００℃を超える領域ではペロブスカイト型複合酸化物は分解を始める。このように、最近の各種排ガス規制によって、排ガスの温度が大幅に上昇しており、１０００℃を超えるような領域でも十分な排ガス浄化が行える触媒の開発が望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、Ｐｄを複合酸化物の結晶中に取り込むことを検討し、高温焼成においても粒成長なく、均一に微細分散して高温安定性に優れた耐熱性触媒を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、複合酸化物同志のシンタリングを防止する方法を検討し、耐熱性複合酸化物の比表面積の減少を抑制可能とする耐熱性触媒を提供することにある。
【０００７】
さらに、本発明の別の目的は、ペロブスカイト構造より耐熱性に優れた複合酸化物を検討し、これを硝酸塩の乾膠体の熱分解工程を必須工程として製造を可能とする耐熱性触媒の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、Ｐｄが複合酸化物に担持されている排ガス浄化用触媒において、Ｌａ ₄ ＰｄＯ ₇ 、Ｂａ ₂ ＰｄＯ ₃ 、Ｓｒ ₂ ＰｄＯ ₃ の群から選ばれる少なくとも１種からなるＰｄ系複合酸化物と鉄族金属の少なくとも１種からなる複合酸化物が、固溶ないし混合された状態で、共存している複合酸化物として用いられることを特徴とする耐熱性触媒によって達成される。
【０００９】
さらに、上記の目的は、Ｐｄが複合酸化物に担持されている排ガス浄化用触媒の製造方法において、Ｌａ ₄ ＰｄＯ ₇ 、Ｂａ ₂ ＰｄＯ ₃ 、Ｓｒ ₂ ＰｄＯ ₃ の群から選ばれる少なくとも１種からなるＰｄ系複合酸化物と鉄族金属の少なくとも１種からなる複合酸化物が、硝酸塩溶液の中和・濃縮工程と、乾膠体の熱分解工程と、焼成工程を経て製造されることを特徴とする耐熱性触媒の製造方法によっても達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１の発明では、Ｐｄ系複合酸化物と遷移金属複合酸化物のうち、最初に生成し易い遷移金属複合酸化物が生成し、その後Ｐｄ系複合酸化物が生成するので、Ｐｄ系複合酸化物が微粒子化して触媒活性が向上すると考えられる。
上記のＰｄ複合酸化物は、Ｌａ₄ ＰｄＯ₇ 、Ｂａ₂ ＰｄＯ₃ 、Ｓｒ₂ ＰｄＯ₃ の群から選ばれるいずれか１種であり、Ｐｄを複合酸化物の結晶中に取り込み、１０００℃以上の高耐熱性を有する排ガス浄化用触媒が得られる。
【００１１】
第２の発明では、担体酸化物の金属イオンの溶液添加として、かつ硝酸溶液の中和・濃縮工程および乾膠体の熱分解工程と、焼成工程を経て製造するものである。この製造方法で得られる複合酸化物は、ペロブスカイト型構造の複合酸化物を経由しないで、初期状態が変わることなく、かつ触媒特性に優れたものである。このことは、Ｐｄが触媒成分として表面に微細に分散することによる形状効果（活性状態）によるものと考えられる。
【００１２】
本発明は、Ｐｄが希土類、アルカリ土類元素（Ｌａ、Ｂａ、Ｓｒ等）との複合酸化物（Ｌａ₄ＰｄＯ₇、Ｂａ₂ＰｄＯ₃、Ｓｒ₂ＰｄＯ₃等）として担持されている排ガス浄化用触媒において、これらの複合酸化物にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの遷移金属を固溶させる、または遷移金属と希土類、アルカリ土類元素との複合酸化物（ＬａＦｅＯ₃、Ｓｒ₄Ｆｅ₃Ｏ₁₀等）として混合するものである。
この複合酸化物に遷移金属を固溶させるあるいは遷移金属と希土類、アルカリ土類との複合酸化物を混合させることによって、これらの遷移金属はＰｄの複合酸化物を生成しやすくする働きがあり、一旦分解した複合酸化物を再生しやすくする。その結果、高温耐久性が向上する。図１にＬａ₄ＰｄＯ₇のみの場合とＬａＦｅＯ₃を混合（一部Ｆｅが固溶）の９５０℃耐久後の浄化性能を示す。この図から遷移金属複合酸化物が触媒活性を向上することがわかる。
【００１３】
すなわち、Ｐｄ複合酸化物（Ｌａ₄ＰｄＯ₇、Ｂａ₂ＰｄＯ₃、Ｓｒ₂ＰｄＯ₃等）を用いる触媒において、複合酸化物合成時にＰｄ複合酸化物とＦｅ、Ｎｉなどの遷移金属の複合酸化物を同時に合成する。その結果、触媒活性が向上し、初期と耐久試験後の活性変化の少ない、極めて耐熱性のよい触媒が得られる。触媒活性が向上する理由は必ずしも明確ではないが、一般により複合酸化物が生成し易いため、Ｐｄの複合酸化物が微粒子化して活性が向上すると考えられる。
【００１４】
本発明の複合酸化物の比表面積の確保の点について説明する。この複合酸化物の比表面積と表面に存在するＰｄイオンの数（＝表面積）は比例するので、複合酸化物の比表面積は大きいほどよいことになる。この比表面積を大きくする方法として、本発明では、全て溶液熱分解法によって複合酸化物を合成した。この溶液熱分解法以外に気相分解法等も適用しても良い。なお、本発明の担体酸化物の添加は、Ｐｄ複合酸化物のシンタリングを防止することにも作用する。
【００１５】
前記Ｐｄ複合酸化物とＡｌ₂Ｏ₃を混合した場合、複合酸化物中のアルカリ土類元素とＡｌ₂Ｏ₃が反応しアルカリ土類−アルミネートを生成するため、耐久中にＰｄが析出することが考えられるが、本発明はこれを防止するものである。このことは、ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂の場合も同様にアルカリ土類−ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂複合酸化物を生成することを意味する。本発明では、耐熱性が高いだけでなく、あらかじめアルカリ土類元素を含んでいるためアルカリ土類元素とは反応しにくい。その結果、触媒の耐久性が向上する。
以下に、本発明について実施例に基づいてさらに説明する。
【００１６】
【実施例】
実施例１
硝酸Ｐｄの硝酸溶液（Ｐｄ：４．４０５ｗｔ％）１２１ｇ、硝酸Ｌａ粉末０．４ｍｏｌ、硝酸第２鉄粉末０．０５ｍｏｌを混合し、さらにイオン交換水を加えて総容量３００ｍｏｌの混合硝酸溶液を得た。これを攪拌しながら炭酸アンモニウムを加え中和させた後、９０℃の水浴上で加熱濃縮し、ペースト状の混合物を得た。この混合物には硝酸アンモニウムが含まれるため、硝酸アンモニウムの分解温度２２０℃に比べ十分に高い３００℃で３０分間熱処理を行い分解させた。この後、９００℃で３時間焼成した。
焼成後、この粉末が、Ｌａ₄ＰｄＯ₇とＬａＦｅＯ₃との混合物により成り立っていることをＸＲＤにより確認した。
得られた粉末を粉砕後、アルミナと混合し、成形して粒状の触媒Ａを得た。
【００１７】
実施例２
硝酸Ｐｄ、硝酸Ｓｒ、硝酸Ｃｏの混合水溶液を用い、実施例１と同様な操作により複合酸化物（Ｓｒ₂ＰｄＯ₃とＳｒＣｏＯ_Xの混合物）を得た。この後、実施例１と同様にして、粒状触媒Ｂを得た。
【００１８】
比較例１
硝酸Ｐｄ、硝酸Ｌａの混合水溶液を炭酸アンモニウムで中和後濃縮しペースト状の混合物を得た。この後、３００℃で熱分解後、１０００℃で３時間焼成した。この粉末は、Ｌａ₄ＰｄＯ₇の均一相により成り立っている。得られた粉末を粉砕後、アルミナと混合し、成形して粒状の触媒Ｃを得た。
【００１９】
比較例２
硝酸Ｐｄ、硝酸Ｓｒの混合水溶液を用い、実施例１と同様な操作により、複合酸化物（Ｓｒ₂ＰｄＯ₃）の粉末を得た。この後、実施例１と同様にして、粒状触媒Ｄを得た。
【００２０】
〔活性評価〕
得られた触媒は初期および耐久試験後、活性評価を実施した。評価は、自動車のモデル排気ガスを触媒に流通させ、Ａ／Ｆ（空燃比）＝１４．０相当、ＳＶ（流量）＝１５００００ｈ^-1にて行った。また、耐久試験は、Ａ／Ｆ＝１４．０相当とＡ／Ｆ＝１５．０のモデルガスを１分毎に交互に流通させ、入ガス温度９５０℃で３時間行った。
結果を図２から図４に示す。図２の本発明の触媒Ａは、初期浄化性能が従来の複合酸化物の触媒Ｃに比べ、大幅に性能が向上している。その結果、図３、図４に示すように初期および耐久後の触媒性能の変化がほとんどなく、非常に耐久性の良い（活性変化の少ない）触媒が得られた。
【００２１】
【発明の効果】
本発明では、高温焼成においてもＰｄの粒成長なく、均一に微細分散して高温安定性に優れ、かつ複合酸化物同志のシンタリングを防止した耐熱性触媒が得られる。また、前記耐熱性触媒を硝酸塩の乾膠体の熱分解工程を必須工程として製造を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高温耐久後の浄化性能の遷移金属複合酸化物の効果を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る初期の浄化性能と比較触媒のそれを示す図である。
【図３】本発明実施例１に係る初期および耐久後の浄化性能を示す図である。
【図４】本発明実施例２に係る初期および耐久後の浄化性能を示す図である。

Claims

Ｐｄが複合酸化物に担持されている排ガス浄化用触媒において、Ｌａ ₄ ＰｄＯ ₇ 、Ｂａ ₂ ＰｄＯ ₃ 、Ｓｒ ₂ ＰｄＯ ₃ の群から選ばれる少なくとも１種からなるＰｄ系複合酸化物と鉄族金属の少なくとも１種からなる複合酸化物が、固溶ないし混合された状態で、共存している複合酸化物として用いられることを特徴とする耐熱性触媒。
Ｐｄが複合酸化物に担持されている排ガス浄化用触媒の製造方法において、Ｌａ ₄ ＰｄＯ ₇ 、Ｂａ ₂ ＰｄＯ ₃ 、Ｓｒ ₂ ＰｄＯ ₃ の群から選ばれる少なくとも１種からなるＰｄ系複合酸化物と鉄族金属の少なくとも１種からなる複合酸化物が、硝酸塩溶液の中和・濃縮工程と、乾膠体の熱分解工程と、焼成工程を経て製造されることを特徴とする耐熱性触媒の製造方法。