JP3745988B2 - Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor - Google Patents

Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor Download PDF

Info

Publication number
JP3745988B2
JP3745988B2 JP2001247501A JP2001247501A JP3745988B2 JP 3745988 B2 JP3745988 B2 JP 3745988B2 JP 2001247501 A JP2001247501 A JP 2001247501A JP 2001247501 A JP2001247501 A JP 2001247501A JP 3745988 B2 JP3745988 B2 JP 3745988B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
oxide
catalyst component
rhodium
catalyst layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001247501A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003053151A (en
Inventor
忠夫 仲辻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Isuzu Motors Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Isuzu Motors Ltd filed Critical Isuzu Motors Ltd
Priority to JP2001247501A priority Critical patent/JP3745988B2/en
Priority to PCT/JP2002/007703 priority patent/WO2003011438A1/en
Priority to US10/485,072 priority patent/US7175822B2/en
Priority to EP02755681A priority patent/EP1424121A4/en
Publication of JP2003053151A publication Critical patent/JP2003053151A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3745988B2 publication Critical patent/JP3745988B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素酸化物(主として、NOとNO2 とからなる。以下、NOx という。)の触媒による接触還元、即ち、触媒的還元のための方法に関する。詳しくは、本発明は、周期的なリッチ/リーン燃料供給行程(excursion: 行程)にて燃料を供給して燃焼させ、生成した排ガスを触媒に接触させることによって、排ガス中のNOx を接触還元する方法に関する。この方法は、例えば、自動車からの排ガスに含まれる有害な窒素酸化物を低減し、除去するために適している。
【0002】
また、本発明は、特に、硫黄酸化物(主として、SO2 とSO3 とからなる。以下、SOx という。)の存在下に、周期的なリッチ/リーン燃料供給行程にて燃料を供給して燃焼させ、その燃焼によって生成する排ガス中のNOx を接触還元するための触媒に関する。
【0003】
ここに、本発明は、
(A)(a)セリウム酸化物と
(b)ジルコニウム、ガドリニウム、テルビウム、サマリウム及びランタンから選ばれる少なくとも1つの元素の酸化物と
の混合物又は複合酸化物からなる第1の触媒成分(但し、セリウム酸化物とジルコニウム酸化物との混合物又は複合酸化物を除く。)と、
(c)ロジウム、パラジウム、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種
からなる第2の触媒成分と
を表面触媒成分として有する表面触媒層と、
(B)(a)白金、ロジウム、パラジウム、白金酸化物、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種の触媒成分と
(b)担体と
を内部触媒成分として有する内部触媒層と
からなる触媒を用いる排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法とその触媒とに関する。
【0004】
本発明において、上記「行程」(excursion) なる用語は、空気/燃料比率が時間軸に沿ってその平均値から両方に動くこと又はそのような作業を意味する。上記「リッチ」なる用語は、問題とする燃料の空気/燃料比率が化学量論的な空気/燃料比率よりも小さいことを意味し、上記「リーン」なる用語は、問題とする燃料の空気/燃料比率が化学量論的な空気/燃料比率よりも大きいことを意味する。通常の自動車ガソリンでは、化学量論的な空気/燃料比率は約14.5である。また、本発明において、「触媒」は、燃料のリッチ/リーン燃焼の間、NOx を除去するのために作動する触媒又はこれを含む構造体を意味する。
【0005】
従って、本発明において、「周期的なリッチ/リーン燃料供給行程にて燃料を供給する」とは、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの燃焼室に、燃料の燃焼を主としてリーン条件(燃焼後の排ガス中の酸素濃度は、通常、5%から10%程度である。)で行い、上記リッチ条件とリーン条件との間で交互に雰囲気を周期的に振動させるように、空気/燃料比率を調整しながら、燃料を供給、注入又は噴射することをいう。従って、リッチ/リーン行程は、リッチ/リーン条件と同義である。
【0006】
従来、排ガスに含まれるNOx は、例えば、これを酸化した後、アルカリに吸収させる方法や、還元剤としてアンモニア、水素、一酸化炭素又は炭化水素を用いて、窒素に還元する等の方法によって除去されている。しかし、これらの従来の方法には、それぞれ欠点がある。
【0007】
即ち、前者の方法によれば、環境問題を防止するために、生成するアルカリ性の廃水を処理する手段が必要である。後者の方法によれば、例えば、アンモニアを還元剤として用いる場合であれば、アンモニアが排ガス中のSOx と反応して塩類を形成し、その結果、低温で触媒活性が低減する。また、とりわけ、自動車のような移動発生源からのNOxを処理する場合、その安全性が問題となる。
【0008】
他方、還元剤として水素、一酸化炭素又は炭化水素を用いる場合であれば、それら還元剤は、排ガスがNOx よりも酸素を高濃度で含むので、その酸素と優先的に反応することとなり、かくして、NOx を実質的に低減しようとすれば、多量の還元剤を必要とすることとなり、燃費が大きく低下する。
【0009】
そこで、還元剤を用いることなしに、NOx を接触分解することが提案されている。しかし、NOx を直接に分解するために、従来知られている触媒は、その低い分解活性の故に、未だ実用化されていない。他方、還元剤として、炭化水素や酸素含有有機化合物を用いるNOx 接触還元触媒として、種々のゼオライトが提案されている。特に、銅イオン交換ZSM−5やH型(水素型又は酸型)ゼオライトZSM−5(SiO2 /Al2 3 モル比=30〜40)が最適であるとされている。しかし、H型ゼオライトでさえ、十分な還元活性を有しておらず、特に、排ガス中に水分が含まれるとき、ゼオライト触媒は、ゼオライト構造の脱アルミニウムのために速やかに性能が低下することが知られている。
【0010】
このような事情の下、NOx 接触還元のための一層高活性な触媒の開発が求められており、例えば、EP−A1−526099やEP−A1−679427(JP−A2−5317647に相当する。)に記載されているように、最近、無機酸化物担体材料に銀又は銀酸化物を担持させてなる触媒が提案されている。この触媒は、酸化活性は高いものの、NOx に対する選択還元活性が低いので、NOx の窒素への変換速度が遅いことが知られている。しかも、この触媒は、SOx の存在下に速やかに活性が低下する問題がある。これらの触媒は、完全なリーン条件下に炭化水素を用いてNOx をある程度選択的に還元する触媒作用を有するが、しかし、三元触媒に比べて、NOx 除去率が低く、作動する温度ウインドウ(温度域)が狭いために、このようなリーンNOx 触媒の実用化を困難にしている。かくして、NOx 接触還元のための一層高耐熱性で高活性の触媒が緊急に求められている。
【0011】
上述した問題を克服するために、「自動車技術者協会」(Society of Automotive Engineers) 誌(SAE)(1995年8月9日)に記載されているように、最近、NOx 貯蔵−還元システムが最も有望な方法として提案されている。この提案(トヨタ自動車(株))によれば、燃料を周期的に短時間、化学量論量を上回る量にて燃焼室に供給する。リーン燃焼エンジンを備えている自動車は、非常に小さい燃料/空気比率で駆動することができるので、従来のエンジンを備えた自動車よりも燃料消費率を低くすることができる。このようなリーン燃焼エンジンのNOx 貯蔵−還元システムは、1〜2分間隔の周期的な2工程によってNOx を低減する。
【0012】
即ち、第1の工程においては、(通常の)リーン条件下、白金やロジウム触媒上でNOはNO2 に酸化され、このNO2 はK2CO3 やBaCO3 のようなアルカリ化合物に吸着される。次いで、第2工程のためのリッチ条件が形成され、このリッチ条件が数秒間、持続される。このリッチ条件下、上記吸着(貯蔵)されたNO2 は、白金やロジウム触媒上で炭化水素、一酸化炭素又は水素を用いて効率よく窒素に還元される。このNOx 貯蔵−還元システムは、SOx の不存在下であれば、長期間にわたってよく作動する。しかし、SOx が存在すれば、リーン及びリッチいずれの条件下においても、アルカリ化合物上のNO2 吸着サイトにおけるSOx の不可逆的吸着によって、触媒システムは急激に劣化する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、酸素、硫黄酸化物又は水の存在下においても、また、広範囲の反応温度においても、周期的なリッチ/リーン条件の下で燃料を燃焼させ、この燃焼によって生成した排ガス中のNOx を高い耐久性にて接触還元する方法を提供することを目的とする。
【0014】
本発明の方法によれば、リッチ行程、即ち、還元条件下において、リーン工程で酸化された内部触媒層中の白金、ロジウム又はパラジウムの貴金属触媒成分が還元され、これらの貴金属触媒上でNOxが接触還元される。
【0015】
更に、このリッチ工程において重要なことは、次のリーン行程に備えて、上記内部触媒層の貴金属触媒成分の高い還元力の助けによって、OSC(酸素貯蔵能)を有する表面触媒層の第1の触媒成分が効率よく酸素貯蔵機能を発揮し得るように速やかに還元されること、即ち、リーン時に排ガス中の酸素を吸蔵し、その結果として、リーン時に表面触媒層中の貴金属触媒成分の反応雰囲気がリッチ乃至ストイキ条件に保たれるように再生されることである。
【0016】
次いで、これに続くリーン行程、即ち、酸化条件下においては、NOx が表面触媒層の前記貴金属触媒成分上で選択的に還元される。即ち、上記内部触媒層の貴金属触媒成分の高い還元力の助けによって還元された上記表面触媒層の第1の触媒成分が第2の触媒成分であるロジウム等のリーン時の酸化を防止する結果、上記表面触媒層の第2の触媒成分上での排ガスからのNOxの還元反応が高い効率で続けられるのである。
【0017】
また、本発明は、酸素、硫黄酸化物又は水の存在下においても、とりわけ、NOx吸蔵触媒の深刻な問題点であった硫黄酸化物共存下での劣化がなく、広い温度域において、周期的なリッチ/リーン燃焼のリーン行程において、NOx を還元するための耐久性にすぐれた触媒を提供することを目的とする。本発明による触媒が硫黄酸化物共存下において高い耐久性をを示す理由については、共存するSOxがリーン時にSO2 として表面触媒層に吸着され、リッチ時に気相中に脱離され、NOx吸蔵触媒のように触媒中に非可逆的に吸蔵されないことによる。
【0018】
更に、本発明は、不活性な支持用の基材に触媒を担持させてなるNOx 接触還元のための触媒構造体を提供することを目的とする。
【0019】
かくして、本発明によれば、周期的なリッチ/リーン条件下に燃料を供給して燃焼させ、生成する排ガスを触媒に接触させて、その排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法において、上記触媒が
(A)(a)セリウム酸化物と
(b)ジルコニウム、ガドリニウム、テルビウム、サマリウム及びランタンから選ばれる少なくとも1つの元素の酸化物と
の混合物又は複合酸化物からなる第1の触媒成分(但し、セリウム酸化物とジルコニウム酸化物との混合物又は複合酸化物を除く。)と、
(d)ロジウム、パラジウム、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種
からなる第2の触媒成分と
を表面触媒成分として有する表面触媒層と、
(B)(a)白金、ロジウム、パラジウム、白金酸化物、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種の触媒成分と
(b)担体と
を内部触媒成分として有する内部触媒層と
からなる排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法と、上記触媒を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、周期的なリッチ/リーン条件下に燃料を供給して燃焼させ、生成する排ガスを触媒に接触させて、その排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法において、上記触媒が
(A)(a)セリウム酸化物と
(b)ジルコニウム、ガドリニウム、テルビウム、サマリウム及びランタンから選ばれる少なくとも1つの元素の酸化物と
の混合物又は複合酸化物からなる第1の触媒成分(但し、セリウム酸化物とジルコニウム酸化物との混合物又は複合酸化物を除く。)と、
(c)ロジウム、パラジウム、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種
からなる第2の触媒成分と
を表面触媒成分として有する表面触媒層と、
(B)(a)白金、ロジウム、パラジウム、白金酸化物、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種の触媒成分と
(b)担体と
を内部触媒成分として有する内部触媒層と
からなることを特徴とする排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法が提供される。
【0021】
更に、本発明によれば、周期的なリッチ/リーン条件下に燃料を供給して燃焼させ、生成する排ガスを触媒に接触させて、その排ガス中の窒素酸化物を接触還元するための触媒であって、
(A)(a)セリウム酸化物と
(b)ジルコニウム、ガドリニウム、テルビウム、サマリウム及びランタンから選ばれる少なくとも1つの元素の酸化物と
の混合物又は複合酸化物からなる第1の触媒成分(但し、セリウム酸化物とジルコニウム酸化物との混合物又は複合酸化物を除く。)と、
(c)ロジウム、パラジウム、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種
からなる第2の触媒成分と
を表面触媒成分として有する表面触媒層と、
(B)(a)白金、ロジウム、パラジウム、白金酸化物、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種の触媒成分と
(b)担体と
を内部触媒成分として有する内部触媒層と
からなることを特徴とする排ガス中の窒素酸化物を接触還元するための触媒が提供される。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明による窒素酸化物を接触還元するための触媒は、表面触媒層と内部触媒層とを有し、上記表面触媒層は排ガスと直接に接触するように露出している。本発明によれば、好ましくは、このような触媒は、不活性な基材上に内部触媒層と表面触媒層とがこの順序で積層された触媒構造体として用いられる。
【0023】
本発明において、窒素酸化物の接触還元とは、触媒反応によってNOx の大部分が窒素と酸素に直接分解されることをいう。NOx の一部は、還元剤との反応によって、窒素と水、一酸化炭素、二酸化炭素等に変換される。
【0024】
本発明による触媒の上記表面触媒層は、
(A)(a)セリウム酸化物と
(b)ジルコニウム、ガドリニウム、テルビウム、サマリウム及びランタンから選ばれる少なくとも1つの元素の酸化物と
の混合物又は複合酸化物からなる第1の触媒成分(但し、セリウム酸化物とジルコニウム酸化物との混合物又は複合酸化物を除く。)と、
(c)ロジウム、パラジウム、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種
からなる第2の触媒成分と
を表面触媒成分として有する。
【0025】
他方、上記内部触媒層は、
(B)(a)白金、ロジウム、パラジウム、白金酸化物、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種の触媒成分と
(b)担体と
を内部触媒成分として有する。
【0026】
本発明による触媒は、このような表面触媒層と内部触媒層とを有し、それが上述した方法によって作動する限りは、任意の触媒構造体とすることができる。本発明の触媒はまた、その効率を改善するための添加剤を含むことができる。
【0027】
本発明によれば、表面触媒層は、表面触媒成分を少なくとも50重量%、特に好ましくは、少なくとも80重量%を含む。表面触媒層において、表面触媒成分の割合が50重量%を下回るときは、得られる表面触媒層の酸素貯蔵能が、通常のリーン時間(1分から2分)の間、内部触媒層の還元雰囲気を保持するのに不十分となり、リーン時、ロジウム又はパラジウム上でのNOx 還元能が低下すると共に、SOx 耐久性が低下することになる。
【0028】
本発明によれば、表面触媒層の第1の触媒成分は、短時間のリッチ条件下に、表面触媒層の第2の触媒成分と共に、内部触媒層を構成する白金等の前記貴金属触媒成分の高い還元力の助けによって、速やかに還元されて、酸化物(例えば、セリア)中の酸素の一部を失う一方、リーン条件下において、気相中の酸素を貯蔵する。即ち、酸素貯蔵能を有する物質(以下、OSC機能物質という。)として機能する。かくして、リーン条件下において、表面触媒層の第1の触媒成分、即ち、OSC機能物質は、表面触媒層の第2の触媒成分であるロジウム又はパラジウムの酸化を抑制して、ロジウム又はパラジウム上でのNOx 還元反応が高効率で進行することを可能とする。
【0029】
本発明によれば、このように、表面触媒層において、OSC機能物質として機能する上記第1の触媒成分として、
(a)セリウム酸化物と
(b)ジルコニウム、ガドリニウム、テルビウム、サマリウム及びランタンから選ばれる少なくとも1つの元素の酸化物と
の混合物又は複合酸化物(固溶体)からなる第1の触媒成分(但し、セリウム酸化物とジルコニウム酸化物との混合物又は複合酸化物を除く。)が用いられる。
【0030】
ここに、上記混合物は、均一な混合物であることが好ましい。しかし、本発明によれば、上記酸化物の混合物よりは、上記元素の複合酸化物が好ましく用いられ、特に、二元系又は三元系の複合酸化物が好ましく用いられる。
【0031】
例えば、二元系複合酸化物の場合、固溶体における各元素の酸化物基準重量比は、セリア/酸化テルビウム複合酸化物やセリア/酸化サマリウム複合酸化物であれば、好ましくは、80/20から60/40の範囲である。また、三元系複合酸化物の場合、固溶体における酸化物基準重量比は、セリア/酸化ガドリニウム/ジルコニア複合酸化物、セリア/ジルコニア/酸化ガドリニウム複合酸化物、セリア/ジルコニア/酸化ランタン複合酸化物、セリア/ジルコニア/酸化サマリウム複合酸化物、セリア/ジルコニア/酸化テルビウム複合酸化物等であれば、好ましくは、45/30/30から75/20/5の範囲である。但し、本発明において、これらの複合酸化物中のそれぞれ元素の酸化物基準重量比は、セリア、ジルコニア、酸化テルビウム、酸化ガドリニウム、酸化サマリウム及び酸化ランタンをそれぞれCeO2、ZrO2、Tb23、Ga23、Sm23及びLa23として計算するものとする。
【0032】
本発明によれば、表面触媒層は、上記第1の触媒成分と共に、更に、
(c)ロジウム、パラジウム、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種
からなる第2の触媒成分を有し、本発明によれば、このような第2の触媒成分は、好ましくは、上述したOSC機能物質である第1の触媒成分上に担持されている。本発明によれば、このような第2の触媒成分は、表面触媒層の触媒成分の0.05〜3重量%の範囲で含まれる。
【0033】
このような第2の触媒成分は、リッチ時にOSC機能物質の還元速度を速めると共に、それ自身が還元されて、リーン時にNOx 分解反応の活性種として機能し、速やかにNOx を還元分解する役割を担っている。
【0034】
表面触媒層の厚みは、本発明による触媒のリッチ/リーン工程におけるNOx 還元能及び耐SOx 被毒性に大きい影響を及ぼす。表面触媒層の最適の厚みは、温度、酸素濃度、空間速度(SV)等のような反応条件にもよるが、リッチ/リーン工程の中で高いNOx 還元能を得ることができる好ましい表面触媒層の厚みは、20μmから80μmの範囲である。しかし、通常、40μm程度が好ましい。表面触媒層の厚みを80μm以上としても、それに見合って性能が向上せず、むしろ低能が低下する。また、表面触媒層の厚みを20μmより小さくしたとき、リーン時にNOx が内部触媒層上で酸化されて、NOx 還元能が低下する。
【0035】
ここに、本発明によれば、触媒層の厚みは、便宜的に触媒層の見かけ密度を1.5g/cm3 とし、触媒成分を含むスラリーの基材への塗布量から計算にて求めることができる。
【0036】
本発明において、表面触媒層を形成する表面触媒成分は、例えば、次のような方法によって得ることができる。即ち、先ず、セリウム、テルビウム、サマリウム、ランタン、ガドリニウム等の第1の触媒成分を構成する元素の水溶性塩、例えば、硝酸塩の水溶液を中和し、又は加熱加水分解して、水酸化物を形成させた後、得られた生成物を酸化性又は還元性雰囲気中、300〜900℃の温度で焼成して、第1の触媒成分を得る。しかし、市販されているセリウム、テルビウム、サマリウム、ランタン、ガドリニウム等の水酸化物や酸化物を上述したように焼成することによっても、第1の触媒成分を得ることができる。次いで、このようにして得た第1の触媒成分上に、従来より知られている含浸法やイオン交換法等の適宜の手段によって、第2の触媒成分を構成する元素の水溶性塩、例えば、硝酸塩の水溶液を担持させた後、酸化性又は還元性雰囲気中、500〜900℃の温度で焼成すれば、第1と第2の触媒成分からなる表面触媒成分を粉体として得ることができる。
【0037】
本発明の方法によれば、リッチ行程、即ち、還元条件下において、次のようにして、窒素酸化物の還元が行われる。リーン行程において酸化された内部触媒層の貴金属触媒成分が還元され、これら触媒上でNOx が還元分解され。更に、この貴金属触媒成分上で酸素が還元剤にて速やかに還元されるので、表面触媒層中の第1の触媒成分、即ち、OSC機能物質の酸素が内部触媒層にスピルオーバーし、その結果、OSC機能物質が表面触媒層中の第2の触媒成分と共に効率よく部分還元され、かくして、次のリーン行程に備えて再生される。
【0038】
次いで、このようなリッチ行程に続くリーン行程、即ち、酸化条件下において、次のようにして、窒素酸化物の還元が行われる。即ち、リーン行程において、表面触媒層中に拡散してきた酸素は、表面触媒層の第1の触媒成分、即ち、OSC機能物質によって吸蔵されるので、表面触媒層中の第2の触媒成分の反応雰囲気がリッチ乃至ストイキ条件に保持される。その結果、リーン条件下においても、NOx は、表面触媒層の第2の触媒成分上で速やかに還元分解される。
【0039】
また、本発明によれば、SOx が表面触媒層に捕捉され、それがリッチ時に脱離排出されて、内部触媒層の助触媒に吸着され難いので、SOx による助触媒の劣化は、前述したNOx 貯蔵−還元システムに比べて非常に小さく、かくして、本発明による触媒は、SOx 共存下での使用においても、劣化が殆ど起こらない。また、リーン時に吸着されたNOx は、リッチ時に簡単に再生される。
【0040】
本発明によれば、内部触媒層は、内部触媒成分を少なくとも50重量%、特に好ましくは、少なくとも80重量%を含む。内部触媒層において、内部触媒成分の割合が50重量%を下回るときは、内部触媒層のリッチ時のNOx 接触還元能が低下すると共に、表面触媒層の貴金属触媒成分とOSC機能物質の還元を助ける効果が低下する。
【0041】
内部触媒層は、白金、ロジウム、パラジウム、白金酸化物、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少なくとも1種の触媒成分と担体とからなる内部触媒成分を有し、上記触媒成分は、内部触媒層中、金属換算にて、0.05〜5重量%の範囲で含まれている。内部触媒層中、触媒成分の割合が金属換算にて5重量%を越えるときは、リッチ時のNOx と還元剤との反応の選択性が低下し、他方、0.05重量%よりも少ないときは、触媒反応の雰囲気がリーンからリッチに転換するときに、リーンからリッチへの反応の雰囲気の転換速度が低下し、その結果、本発明の触媒によるNOx 還元分解能が低下する。
【0042】
本発明によれば、このような触媒成分は、好ましくは、アルミナ、シリカ、シリカ・アルミナ、ゼオライト、チタニア等の従来より知られている担体に担持されている。
【0043】
内部触媒成分は、1つの方法として、例えば、アルミナ等の担体を触媒成分である白金等の水溶性塩の水溶液に加えてスラリーとし、混合、攪拌した後、乾燥させ、酸化性又は還元性雰囲気中、500〜900℃の温度で焼成すれば、担体上に触媒成分を有する粉体として得ることができる。
【0044】
特に、好ましい方法として、触媒成分である白金等のイオン交換可能な水溶液塩の水溶液(例えば、テトラアンミン白金(II)硝酸塩(Pt(NH3)4 (NO3)2 )やジニトロジアンミン白金(II)(Pt(NO2)2(NH3)2) 等)を用いて、イオン交換法にてアルミナ等の担体に触媒成分を担持させた後、乾燥させ、酸化性又は還元性雰囲気中、500〜900℃の温度で焼成すれば、担体上に触媒成分を有するものを粉体として得ることができる。
【0045】
内部触媒層は、内部触媒成分のNOx 還元性が高く、従って、その厚みがリッチ/リーン工程におけるNOx 還元能に及ぼす影響は、表面触媒層の厚み程には大きくはないが、しかし、通常は、10μmから50μmの範囲が適当である。内部触媒層の厚みを50μmよりも厚くしても、それに見合って性能が向上せず、他方、内部触媒層の厚みを10μmより小さくしたときは、NOx 還元能が低下する。
【0046】
本発明によれば、表面触媒層と内部触媒層のための触媒成分は、前述したように、粉末や粒状物のような種々の形態にて得ることができる。従って、従来からよく知られている任意の方法によって、このような内部触媒成分を用いて、内部触媒層を、例えば、ハニカム、環状物、球状物等のような種々の形状に成形し、その後、表面触媒成分を用いて、上記内部触媒層の表面に表面触媒層を形成することによって、種々の形状の触媒構造体とすることができる。このような触媒構造体の調製に際して、必要に応じて、適当の添加物、例えば、成形助剤、補強材、無機繊維、有機バインダー等を用いることができる。
【0047】
特に、本発明による触媒は、任意の形状の支持用の不活性な基材の表面に、例えば、ウォッシュ・コート法によって、(例えば、塗布して、)その表面に内部触媒層と表面触媒層とを有する触媒構造体とするのが有利である。上記不活性な基材は、例えば、コージーライトのような粘土鉱物や、また、ステンレス鋼のような金属、好ましくは、Fe−Cr−Alのような耐熱性の金属からなるものであってよく、また、その形状は、ハニカム、環状、球状構造等であってよい。
【0048】
このような本発明による触媒はいずれも、熱に対する抵抗にすぐれるのみならず、硫黄酸化物に対する抵抗性にもすぐれており、ディーゼルエンジンやリーンガソリンエンジン自動車排ガス中のNOx の還元、即ち、脱硝するための触媒として用いるのに好適である。
【0049】
本発明においては、触媒は、好ましくは、燃料の燃焼雰囲気が前述したようなリッチ条件とリーン条件の間で振動する条件下での触媒反応において用いられる。ここに、触媒反応の周期(即ち、リッチ雰囲気(又はリーン雰囲気)から次のリッチ雰囲気(又はリーン雰囲気)までの時間)は、好ましくは、5〜150秒、特に好ましくは、30〜90秒である。また、リッチ/リーン幅、即ち、リッチ時間(秒)/リーン時間(秒)は、通常、0.5/5〜10/150の範囲であり、好ましくは、2/30〜5/90の範囲である。
【0050】
リッチ条件は、燃料としてガソリンを用いる場合には、通常、エンジンの燃焼室に重量比で10〜14の空気/燃料比率で燃料を周期的に噴射することによって形成される。リッチ条件下の典型的な排ガスは、数百容量ppmのNOx 、5〜6容量%の水、2〜3容量%のCO、2〜3容量%の水素、数千容量ppmの炭化水素及び0〜0.5容量%の酸素を含む。一方、リーン条件は、燃料としてガソリンを用いる場合には、通常、エンジンの燃焼室に重量比で20〜40の空気/燃料比率で燃料を周期的に噴射することによって形成される。リーン条件下の典型的な排ガスは、数百容量ppmのNOx 、5〜6容量%の水、数千容量ppmのCO、数千容量ppmの水素、数千容量ppmの炭化水素及び5〜10容量%の酸素を含む。
【0051】
本発明による触媒を用いるNOx 接触還元のために好適な温度は、個々のガス組成にもよるが、リッチ行程において、長期間にわたってNOx に対して有効な触媒反応活性を有するように、通常、150〜550℃の範囲であり、好ましくは、200〜500℃の範囲である。上記反応温度域においては、排ガスは、好ましくは、5000〜100000hr-1の範囲の空間速度で処理される。
【0052】
本発明の方法によれば、上述したように、NOx を含む排ガスを周期的なリッチ/リーン工程において、上述した触媒に接触させることによって、酸素、硫黄酸化物又は水分の存在下においても、排ガス中のNOx を安定に且つ効率よく接触還元することができる。
【0053】
【実施例】
以下に内部触媒成分と表面触媒成分である粉体触媒の製造例と共に、これらを用いるハニカム触媒構造体の製造例とそれらハニカム触媒構造体の窒素酸化物還元性能を実施例として挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。以下において、すべての「部」及び「%」は、特に明示しない限り、重量基準である。
【0054】
(1)内部触媒成分の調製
【0055】
製造例1
イオン交換水100mLにPt(NH3)4 (NO3)2 水溶液(白金として9.0%)8.40gを加えて、水溶液とし、これにγ−アルミナ(住友化学工業(株)製KC−501)60gを投入し、攪拌しながら、100℃で乾燥させた後、空気中、500℃にて3時間焼成して、γ−アルミナ上に白金1%を担持させてなる触媒粉体を得た。
【0056】
製造例2
イオン交換水100mLにPt(NH3)4 (NO3)2 水溶液(白金として9.0%)8.40gと硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして9.0%)4.20gを加えて、水溶液とし、これにγ−アルミナ(住友化学工業(株)製KC−501)60gを投入し、攪拌しながら、100℃で乾燥させた後、空気中、500℃にて3時間焼成して、γ−アルミナ上に白金1%とロジウム0.5%とを担持させてなる触媒粉体を得た。
【0057】
製造例3
イオン交換水100mLに硝酸パラジウム水溶液(パラジウムとして9.0%)4.20gとPt(NH3)4 (NO3)2 水溶液(白金として9.0%)8.40gを加えて、水溶液とし、これにγ−アルミナ(住友化学工業(株)製KC−501)60gを投入し、攪拌しながら、100℃で乾燥させた後、空気中、500℃にて3時間焼成して、γ−アルミナ上に白金1%とパラジウム0.5%とを担持させてなる触媒粉体を得た。
【0058】
(2)表面触媒成分の調製
【0059】
製造例4
イオン交換水100mLに硝酸セリウム(Ce(NO3)3・6H2O)151.37gとオキシ硝酸ジルコニウム(ZrO(NO3)2)32.09gと硝酸ガドリニウム(Gd(NO3)3・6H2O)21.41gを加えて、水溶液とし、これに0.1規定のアンモニア水を加えて、セリウムイオンを中和加水分解し、1時間熟成した。得られたスラリーを濾過し、120℃で24時間乾燥した後、空気中、500℃で3時間焼成して、セリア/ジルコニア/酸化ガドリニウム複合酸化物粉体(酸化物基準重量比70/20/10、比表面積182m2/g)を得た。
【0060】
イオン交換水100mLに硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして9.0%)4.20gを加えて、水溶液とし、これに上記セリア/ジルコニア/酸化ガドリニウム粉体30gを投入し、攪拌しながら、100℃で乾燥させた後、空気中、500℃にて3時間焼成して、セリア/ジルコニア/酸化ガドリニウム粉体上にロジウム1%を担持させてなる触媒粉体を得た。
【0061】
製造例5
イオン交換水100mLに硝酸セリウム(Ce(NO3)3・6H2O)103.77gと硝酸テルビウム(Tb(NO3)3・6H2O)40.96gとを溶解させて、水溶液を調製した。この水溶液に0.1規定のアンモニア水を加え、上記セリウム塩とテルビウム塩を中和加水分解した後、1時間熟成した。得られたスラリーから生成物を濾過にて分離し、これを120℃で24時間乾燥した後、空気中、500℃で3時間焼成して、セリア/酸化テルビウム複合酸化物粉体(酸化物基準重量比70/30、比表面積139m2/g)を得た。
【0062】
イオン交換水100mLに硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして9.0%)2.10gを加えて、水溶液とし、これに上記セリア/酸化テルビウム複合酸化物粉体30gを投入し、攪拌しながら、100℃で乾燥させた後、空気中、500℃にて3時間焼成して、セリア/酸化テルビウム複合酸化物上にロジウム0.5%を担持させてなる触媒粉体を得た。
【0063】
製造例6
イオン交換水1700mLに硝酸セリウム(Ce(NO3)3・6H2O)34.59gとオキシ硝酸ジルコニウム(ZrO(NO3)2)84.45gと硝酸ランタン(La(NO3)3・6H2O)7.97gとを溶解させて、水溶液を調製した。この水溶液に0.1規定のアンモニア水を加え、上記セリウム塩とジルコウム塩とランタン塩を中和加水分解した後、1時間熟成した。得られたスラリーから生成物を濾過にて分離し、これを120℃で24時間乾燥した後、空気中、500℃で3時間焼成して、セリア/ジルコニア/酸化ランタン複合酸化物粉体(酸化物基準重量比22/73/5、比表面積80m2/g)を得た。
【0064】
イオン交換水100mLに硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして9.0%)2.10gを加えて、水溶液とし、これに上記セリア/ジルコニア/酸化ランタン複合酸化物粉体30gを投入し、攪拌しながら、100℃で乾燥させた後、空気中、500℃にて3時間焼成して、セリア/ジルコニア/酸化ランタン複合酸化物上にロジウム0.5%を担持させてなる触媒粉体を得た。
【0065】
製造例7
イオン交換水1700mLに硝酸セリウム(Ce(NO3)3・6H2O)121.06gとオキシ硝酸ジルコニウム(ZrO(NO3)2)28.12gと硝酸サマリウム(Sm(NO3)3・6H2O)3.40gとを溶解させて、水溶液を調製した。この水溶液に0.1規定のアンモニア水を加え、上記セリウム塩とジルコウム塩とサマリウム塩を中和加水分解した後、1時間熟成した。得られたスラリーから生成物を濾過にて分離し、これを120℃で24時間乾燥した後、空気中、500℃で3時間焼成して、セリア/ジルコニア/酸化サマリウム複合酸化物粉体(酸化物基準重量比72/24/4、比表面積187m2/g)を得た。
【0066】
イオン交換水100mLに硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして9.0%)2.10gを加えて、水溶液とし、これに上記セリア/ジルコニア/酸化サマリウム複合酸化物粉体30gを投入し、攪拌しながら、100℃で乾燥させた後、空気中、500℃にて3時間焼成して、セリア/ジルコニア/酸化サマリウム複合酸化物上にロジウム0.5%を担持させてなる触媒粉体を得た。
【0067】
(3)ハニカム触媒の調製
【0068】
触媒層厚みは、触媒層の見かけ密度を1.5g/cm3 、ハニカムの機械的接触面積を2500m2 /gとして、計算によって求めた。
【0069】
実施例1
製造例1で得たγ−アルミナ上に白金1%を担持させてなる粉体触媒30gにシリカゾル(日産化学工業(株)製スノーテックスN、シリカとして20重量%)3gと適量の水とを混合した。ジルコニアボール50gを粉砕媒体として用い、この混合物を遊星ミルで5分間粉砕して、ウォッシュコート用スラリーを得た。1平方インチ当りのセル数400のコージーライト製ハニカム基体に上記ウォッシュコート用スラリーを塗布して、上記粉体触媒からなる厚み30μmの内部触媒層を有するハニカム構造体を得た。
【0070】
次に、製造例4で得たセリア/ジルコニア/酸化ガドリニウム複合酸化物上にロジウム1%を担持させてなる粉体30gにシリカゾル(日産化学工業(株)製スノーテックスN、シリカとして20重量%)3gと適量の水とを混合し、上記と同様にして、スラリーを調製した。このスラリーを上記内部触媒層上にコーティングして、セリア/ジルコニア/酸化ガドリニウム複合酸化物上にロジウム1%を担持させた触媒からなる厚み60μmの表面触媒層を有するハニカム触媒構造体を得た。
【0071】
実施例2
実施例1と同様にして、製造例1で得たγ−アルミナ上に白金1%を担持させた触媒からなる厚み30μmの内部触媒層と、製造例5で得たセリア/酸化テルビウム複合酸化物(酸化物基準重量比70/30)上にロジウム0.5%を担持させてなる触媒からなる厚み60μmの表面触媒層を有するハニカム触媒構造体を得た。
【0072】
実施例3
実施例1と同様にして、製造例2で得たγ−アルミナ上に白金1%とロジウム0.5%とを担持させた触媒からなる厚み30μmの内部触媒層と、製造例6で得たセリア/ジルコニア/酸化ランタン複合酸化物(酸化物基準重量比22/73/5)にロジウム0.5%を担持させた触媒からなる厚み60μmの表面触媒層とを有するハニカム触媒構造体を調製した。
【0073】
実施例4
実施例1と同様にして、製造例3で得たγ−アルミナ上に白金1%とパラジウム0.5%とを担持させた触媒からなる厚み30μmの内部触媒層と、製造例7で得たセリア/ジルコニア/酸化サマリウム複合酸化物(酸化物基準重量比72/24/4)上にロジウム0.5%を担持させ触媒からなる厚み60μmの表面触媒層を有するハニカム触媒構造体を得た。
【0074】
比較例1
製造例5で得たセリア粉体15gとγ−アルミナ(住友化学工業(株)製KC−501)15gとを乾式混合し、この混合物上に白金1%を担持させた触媒粉体30gを用いて、実施例1と同様にして、ウォッシュコート用スラリーを調製した。このスラリーを実施例1と同じコージーライト製ハニカム基体に実施例1と同様にコーティングして、厚み60μmの触媒層を有するハニカム触媒構造体を得た。
【0075】
比較例2
苛性バリウム水溶液と炭酸ソーダ水溶液から炭酸バリウムを調製し、この炭酸バリウム(BaCO3) とγ−アルミナ(住友化学工業(株)製KC−501)との混合物(重量比8/2)上に白金1%を担持させて、触媒粉体を調製した。γ−アルミナ(住友化学工業(株)製KC−501)を炭酸カリウム水溶液に投入、混合し、乾燥させた後、空気中、1100℃で3時間焼成して、K2O・12Al23 (比表面積18m2/g)を調製した。別に、γ−アルミナ(住友化学工業(株)製KC−501)と上記K2O・12Al23 と混合して、γ−アルミナ/K2O・12Al23 重量比9/1の混合物を調製し、これに白金1%を担持させて、触媒粉体を得た。
【0076】
上記BaCO3/γ−アルミナ上に白金1%を担持させた触媒粉体48gと、上記γ−アルミナ/K2O・12Al23 上に白金1%を担持させた触媒粉体12gとを乾式混合して、実施例1と同様にして、ウォッシュコート用スラリーを調製した。このスラリーを実施例1と同じコージーライト製ハニカム基体に実施例1と同様にコーティングして、厚み80μmの触媒層を有するハニカム触媒構造体を得た。
【0077】
(4)性能試験
【0078】
上記実施例と比較例による触媒構造体をそれぞれ用いて、窒素酸化物を含むガスを以下の条件下に還元した。窒素酸化物から窒素への変換率(除去率)はケミカル・ルミネッセンス法にて求めた。
【0079】
試験方法
リッチ条件下のNOx の還元実験に用いた混合ガスの組成は次のとおりである。
NO : 500ppm
SO2 : 20ppm
2 : 0.4%
CO : 2%
36(プロピレン): 2000ppm
2 : 2%
2O : 6.0%
【0080】
リーン条件下のガスは、リッチ条件下の混合ガスに酸素を注入して調製したものであって、その組成は次のとおりである。
NO : 500ppm
SO2 : 20ppm
2 : 9.0%
CO : 0.2%
36(プロピレン): 500ppm
2 : 0%
2O : 6.0%
【0081】
リッチ/リーン幅を3〜30(秒/秒)から12/120(秒/秒)の範囲として、触媒反応を行って、それぞれの触媒の性能を調べた。
【0082】
(i)空間速度:
70000hr-1(リーン条件下)
70000hr-1(リッチ条件下)
【0083】
(ii)反応温度:
200、250、300、350、400、450及び500℃
結果を表1に示す。表1から明らかなように、本発明による触媒は、窒素酸化物の除去率が高い。これに対して、比較例による触媒は、概して、窒素酸化物の除去率が低い。
【0084】
【表1】

Figure 0003745988
【0085】
更に、実施例1、比較例1及び2による触媒構造体をそれぞれ用いて、上記ガス条件、リッチ/リーン幅(秒/秒)を55/5、反応温度350℃として、50時間の耐久試験を行った。結果を表2に示す。表2から明らかなように、本発明による触媒は、硫黄酸化物に対しても、従来のNOx 貯蔵−還元システムに比べて、非常に高い耐性を有する。
【0086】
【表2】
Figure 0003745988
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for catalytic reduction of nitrogen oxide (mainly composed of NO and NO 2 , hereinafter referred to as NOx), that is, a catalytic reduction. More specifically, the present invention catalytically reduces NOx in exhaust gas by supplying and burning fuel in a periodic rich / lean fuel supply process (excursion) and bringing the generated exhaust gas into contact with a catalyst. Regarding the method. This method is suitable, for example, for reducing and removing harmful nitrogen oxides contained in exhaust gas from automobiles.
[0002]
In addition, the present invention particularly supplies fuel in a periodic rich / lean fuel supply process in the presence of sulfur oxide (mainly composed of SO 2 and SO 3 , hereinafter referred to as SOx). The present invention relates to a catalyst for catalytically reducing NOx in exhaust gas produced by combustion.
[0003]
Here, the present invention
(A) a first catalyst component (provided that cerium oxide and (b) a mixture or complex oxide of at least one element selected from zirconium, gadolinium, terbium, samarium and lanthanum) Excluding mixtures of oxides and zirconium oxides or composite oxides);
(C) a surface catalyst layer having, as a surface catalyst component, a second catalyst component comprising at least one selected from rhodium, palladium, rhodium oxide and palladium oxide;
(B) (a) It comprises at least one catalyst component selected from platinum, rhodium, palladium, platinum oxide, rhodium oxide and palladium oxide, and (b) an internal catalyst layer having a carrier as an internal catalyst component. The present invention relates to a method for catalytic reduction of nitrogen oxides in exhaust gas using a catalyst and the catalyst.
[0004]
In the present invention, the term “excursion” means that the air / fuel ratio moves from its average value to both along the time axis, or such operation. The term “rich” means that the air / fuel ratio of the fuel in question is less than the stoichiometric air / fuel ratio, and the term “lean” means the air / fuel ratio of the fuel in question. It means that the fuel ratio is greater than the stoichiometric air / fuel ratio. In normal automobile gasoline, the stoichiometric air / fuel ratio is about 14.5. Also, in the present invention, “catalyst” means a catalyst or a structure including the catalyst that operates to remove NOx during fuel rich / lean combustion.
[0005]
Therefore, in the present invention, “supplying fuel in a periodic rich / lean fuel supply process” means that fuel combustion is mainly performed in lean conditions (in the exhaust gas after combustion) in the combustion chamber of a diesel engine or a gasoline engine. The oxygen concentration is normally about 5% to 10%.), And while adjusting the air / fuel ratio so as to periodically vibrate the atmosphere alternately between the rich condition and the lean condition, This refers to supplying, injecting or injecting fuel. Accordingly, the rich / lean stroke is synonymous with the rich / lean condition.
[0006]
Conventionally, NOx contained in exhaust gas is removed by, for example, a method of oxidizing this and then absorbing it into an alkali or a method of reducing to nitrogen using ammonia, hydrogen, carbon monoxide or hydrocarbon as a reducing agent. Has been. However, each of these conventional methods has drawbacks.
[0007]
That is, according to the former method, in order to prevent environmental problems, a means for treating the generated alkaline waste water is necessary. According to the latter method, for example, when ammonia is used as a reducing agent, ammonia reacts with SOx in the exhaust gas to form salts, and as a result, the catalytic activity is reduced at low temperatures. In particular, when NOx from a movement source such as an automobile is processed, its safety becomes a problem.
[0008]
On the other hand, if hydrogen, carbon monoxide or hydrocarbons are used as the reducing agent, these reducing agents will react preferentially with the oxygen because the exhaust gas contains oxygen at a higher concentration than NOx, thus If NOx is to be substantially reduced, a large amount of reducing agent is required, resulting in a significant reduction in fuel consumption.
[0009]
Therefore, it has been proposed to catalytically decompose NOx without using a reducing agent. However, in order to directly decompose NOx, a conventionally known catalyst has not been put into practical use because of its low decomposition activity. On the other hand, various zeolites have been proposed as NOx catalytic reduction catalysts using hydrocarbons or oxygen-containing organic compounds as reducing agents. In particular, copper ion exchange ZSM-5 and H-type (hydrogen type or acid type) zeolite ZSM-5 (SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio = 30 to 40) are considered to be optimal. However, even H-type zeolite does not have sufficient reduction activity, and especially when the moisture is contained in the exhaust gas, the performance of the zeolite catalyst can be quickly reduced due to the dealumination of the zeolite structure. Are known.
[0010]
Under such circumstances, development of a more highly active catalyst for NOx catalytic reduction has been demanded. For example, EP-A1-526099 and EP-A1-679427 (corresponding to JP-A2-53117647) Recently, a catalyst in which silver or silver oxide is supported on an inorganic oxide support material has been proposed. Although this catalyst has high oxidation activity, it has been known that the rate of selective conversion of NOx to nitrogen is slow because of its low selective reduction activity for NOx. Moreover, this catalyst has a problem that its activity is quickly reduced in the presence of SOx. These catalysts have the catalytic action of selectively reducing NOx to some extent using hydrocarbons under fully lean conditions, but with a lower NOx removal rate and operating temperature window (3 Such a lean NOx catalyst is difficult to put into practical use because the temperature range is narrow. Thus, there is an urgent need for more heat resistant and highly active catalysts for NOx catalytic reduction.
[0011]
In order to overcome the above-mentioned problems, the NOx storage-reduction system has recently become the most popular, as described in “Society of Automotive Engineers” (SAE) (August 9, 1995). It has been proposed as a promising method. According to this proposal (Toyota Motor Corporation), fuel is periodically supplied to the combustion chamber in a short time in an amount exceeding the stoichiometric amount. An automobile equipped with a lean combustion engine can be driven with a very small fuel / air ratio, so that the fuel consumption rate can be lower than that of an automobile equipped with a conventional engine. Such a lean-burn engine NOx storage-reduction system reduces NOx by two periodic steps at intervals of 1-2 minutes.
[0012]
That is, in the first step, NO is oxidized to NO 2 on a platinum or rhodium catalyst under (normal) lean conditions, and this NO 2 is adsorbed by an alkali compound such as K 2 CO 3 or BaCO 3. The Then, a rich condition for the second step is formed and this rich condition is maintained for a few seconds. Under this rich condition, the adsorbed (stored) NO 2 is efficiently reduced to nitrogen using a hydrocarbon, carbon monoxide or hydrogen on a platinum or rhodium catalyst. This NOx storage-reduction system works well over a long period of time in the absence of SOx. However, if there SOx is, even in the lean and rich any conditions, by irreversible adsorption of SOx in the NO 2 adsorption sites on the alkali compound, the catalyst system deteriorates sharply.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention burns fuel under periodic rich / lean conditions in the presence of oxygen, sulfur oxides or water, and over a wide range of reaction temperatures, and NOx in the exhaust gas produced by this combustion. An object of the present invention is to provide a method for catalytically reducing a product with high durability.
[0014]
According to the method of the present invention, the noble metal catalyst component of platinum, rhodium or palladium in the inner catalyst layer oxidized in the lean process is reduced in a rich process, that is, under reducing conditions, and NOx is reduced on these noble metal catalysts. Reduced by contact.
[0015]
Further, in the rich process, what is important is that the first catalyst of the surface catalyst layer having OSC (oxygen storage capacity) is prepared with the aid of the high reducing power of the noble metal catalyst component of the inner catalyst layer in preparation for the next lean process. The catalyst component is rapidly reduced so that it can efficiently perform the oxygen storage function, that is, the oxygen in the exhaust gas is occluded during lean, and as a result, the reaction atmosphere of the noble metal catalyst component in the surface catalyst layer during lean Is reproduced so as to be kept in a rich or stoichiometric condition.
[0016]
Then, under the subsequent lean stroke, ie, oxidizing conditions, NOx is selectively reduced on the noble metal catalyst component of the surface catalyst layer. That is, as a result of preventing the first catalyst component of the surface catalyst layer reduced with the aid of the high reducing power of the noble metal catalyst component of the inner catalyst layer from being oxidized, such as rhodium, which is the second catalyst component, lean. The reduction reaction of NOx from the exhaust gas on the second catalyst component of the surface catalyst layer is continued with high efficiency.
[0017]
Further, the present invention does not deteriorate in the presence of oxygen, sulfur oxides, or water, particularly in the presence of sulfur oxides, which is a serious problem of NOx storage catalysts, and is periodic over a wide temperature range. An object of the present invention is to provide a highly durable catalyst for reducing NOx in a lean stroke of a rich / lean combustion. The reason why the catalyst according to the present invention exhibits high durability in the presence of sulfur oxide is that the coexisting SOx is adsorbed on the surface catalyst layer as SO 2 when lean, and is desorbed into the gas phase when rich, and the NOx storage catalyst This is because it is not irreversibly occluded in the catalyst.
[0018]
It is another object of the present invention to provide a catalyst structure for NOx catalytic reduction in which a catalyst is supported on an inert supporting substrate.
[0019]
Thus, according to the present invention, in the method of supplying and burning fuel under periodic rich / lean conditions, bringing the generated exhaust gas into contact with the catalyst, and catalytically reducing the nitrogen oxides in the exhaust gas, A first catalyst component in which the catalyst comprises a mixture or composite oxide of (A) (a) cerium oxide and (b) an oxide of at least one element selected from zirconium, gadolinium, terbium, samarium and lanthanum (provided that , Excluding mixtures or composite oxides of cerium oxide and zirconium oxide),
(D) a surface catalyst layer having, as a surface catalyst component, a second catalyst component comprising at least one selected from rhodium, palladium, rhodium oxide and palladium oxide;
(B) (a) It comprises at least one catalyst component selected from platinum, rhodium, palladium, platinum oxide, rhodium oxide and palladium oxide, and (b) an internal catalyst layer having a carrier as an internal catalyst component. It is an object of the present invention to provide a method for catalytic reduction of nitrogen oxides in exhaust gas and the above catalyst.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in the method for supplying and burning fuel under periodic rich / lean conditions, bringing the produced exhaust gas into contact with the catalyst, and catalytically reducing the nitrogen oxides in the exhaust gas, the catalyst comprises: (A) a first catalyst component (provided that cerium oxide and (b) a mixture or complex oxide of at least one element selected from zirconium, gadolinium, terbium, samarium and lanthanum) Excluding mixtures of oxides and zirconium oxides or composite oxides);
(C) a surface catalyst layer having, as a surface catalyst component, a second catalyst component comprising at least one selected from rhodium, palladium, rhodium oxide and palladium oxide;
(B) (a) It comprises at least one catalyst component selected from platinum, rhodium, palladium, platinum oxide, rhodium oxide and palladium oxide, and (b) an internal catalyst layer having a carrier as an internal catalyst component. A method for catalytically reducing nitrogen oxides in exhaust gas is provided.
[0021]
Further, according to the present invention, there is provided a catalyst for supplying and burning fuel under periodic rich / lean conditions, bringing the generated exhaust gas into contact with the catalyst, and catalytically reducing nitrogen oxides in the exhaust gas. There,
(A) a first catalyst component (provided that cerium oxide and (b) a mixture or complex oxide of at least one element selected from zirconium, gadolinium, terbium, samarium and lanthanum) Excluding mixtures of oxides and zirconium oxides or composite oxides);
(C) a surface catalyst layer having, as a surface catalyst component, a second catalyst component comprising at least one selected from rhodium, palladium, rhodium oxide and palladium oxide;
(B) (a) It comprises at least one catalyst component selected from platinum, rhodium, palladium, platinum oxide, rhodium oxide and palladium oxide, and (b) an internal catalyst layer having a carrier as an internal catalyst component. A catalyst for catalytic reduction of nitrogen oxides in exhaust gas is provided.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The catalyst for catalytically reducing nitrogen oxides according to the present invention has a surface catalyst layer and an internal catalyst layer, and the surface catalyst layer is exposed so as to be in direct contact with exhaust gas. According to the present invention, such a catalyst is preferably used as a catalyst structure in which an internal catalyst layer and a surface catalyst layer are laminated in this order on an inert base material.
[0023]
In the present invention, the catalytic reduction of nitrogen oxides means that most of NOx is directly decomposed into nitrogen and oxygen by a catalytic reaction. A part of NOx is converted into nitrogen and water, carbon monoxide, carbon dioxide and the like by reaction with a reducing agent.
[0024]
The surface catalyst layer of the catalyst according to the present invention comprises:
(A) a first catalyst component (provided that cerium oxide and (b) a mixture or complex oxide of at least one element selected from zirconium, gadolinium, terbium, samarium and lanthanum) Excluding mixtures of oxides and zirconium oxides or composite oxides);
(C) It has as a surface catalyst component the 2nd catalyst component which consists of at least 1 sort (s) chosen from rhodium, palladium, rhodium oxide, and palladium oxide.
[0025]
On the other hand, the internal catalyst layer is
(B) (a) It has at least one catalyst component selected from platinum, rhodium, palladium, platinum oxide, rhodium oxide and palladium oxide, and (b) a carrier as an internal catalyst component.
[0026]
The catalyst according to the present invention can have any catalyst structure as long as it has such a surface catalyst layer and an internal catalyst layer and operates according to the method described above. The catalyst of the present invention can also include additives to improve its efficiency.
[0027]
According to the invention, the surface catalyst layer comprises at least 50% by weight, particularly preferably at least 80% by weight, of the surface catalyst component. In the surface catalyst layer, when the ratio of the surface catalyst component is less than 50% by weight, the oxygen storage capacity of the surface catalyst layer obtained is reduced to the reducing atmosphere of the internal catalyst layer during the normal lean time (1 to 2 minutes). When it is lean, the NOx reducing ability on rhodium or palladium is lowered, and the SOx durability is lowered.
[0028]
According to the present invention, the first catalyst component of the surface catalyst layer contains the noble metal catalyst component such as platinum constituting the internal catalyst layer together with the second catalyst component of the surface catalyst layer under a short time rich condition . With the help of high reducing power , it is rapidly reduced and loses some of the oxygen in the oxide (eg ceria) while storing oxygen in the gas phase under lean conditions. That is, it functions as a substance having an oxygen storage capacity (hereinafter referred to as an OSC functional substance). Thus, under lean conditions, the first catalyst component of the surface catalyst layer, that is, the OSC functional substance, suppresses oxidation of rhodium or palladium, which is the second catalyst component of the surface catalyst layer, on rhodium or palladium. This makes it possible for the NOx reduction reaction to proceed with high efficiency.
[0029]
According to the present invention, as described above, in the surface catalyst layer, as the first catalyst component that functions as an OSC functional substance,
(A) a first catalyst component (provided that cerium oxide and (b) a mixture or complex oxide (solid solution) of an oxide of at least one element selected from zirconium, gadolinium, terbium, samarium and lanthanum Excluding mixtures of oxides and zirconium oxides or composite oxides).
[0030]
Here, the mixture is preferably a uniform mixture. However, according to the present invention, a complex oxide of the above element is preferably used rather than a mixture of the above oxides, and a binary or ternary complex oxide is particularly preferably used.
[0031]
For example, in the case of a binary composite oxide, the oxide-based weight ratio of each element in the solid solution is preferably 80/20 to 60 if it is a ceria / terbium oxide composite oxide or a ceria / samarium oxide composite oxide. The range is / 40. In the case of a ternary composite oxide, the oxide-based weight ratio in the solid solution is ceria / gadolinium oxide / zirconia composite oxide, ceria / zirconia / gadolinium composite oxide, ceria / zirconia / lanthanum oxide composite oxide, In the case of ceria / zirconia / samarium oxide composite oxide, ceria / zirconia / terbium oxide composite oxide, etc., the range is preferably 45/30/30 to 75/20/5. However, in the present invention, the oxide basis weight ratio of the respective elements in these composite oxides, ceria, zirconia, terbium oxide, gadolinium oxide, CeO 2 samarium oxide and lanthanum oxide, respectively, ZrO 2, Tb 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Sm 2 O 3 and La 2 O 3 .
[0032]
According to the present invention, the surface catalyst layer, together with the first catalyst component, further
(C) having at least one second catalyst component selected from rhodium, palladium, rhodium oxide and palladium oxide, and according to the present invention, such second catalyst component is preferably It is supported on the first catalyst component which is the OSC functional material described above. According to this invention, such a 2nd catalyst component is contained in 0.05 to 3 weight% of the catalyst component of a surface catalyst layer.
[0033]
Such a second catalyst component increases the rate of reduction of the OSC functional substance when rich, and is itself reduced, functions as an active species of NOx decomposition reaction when lean, and plays a role of rapidly reducing and decomposing NOx. I'm in charge.
[0034]
The thickness of the surface catalyst layer has a great influence on the NOx reduction ability and SOx poisoning resistance in the rich / lean process of the catalyst according to the present invention. The optimum thickness of the surface catalyst layer depends on the reaction conditions such as temperature, oxygen concentration, space velocity (SV), etc., but a preferable surface catalyst layer capable of obtaining high NOx reduction ability in the rich / lean process. The thickness of is in the range of 20 μm to 80 μm. However, usually about 40 μm is preferable. Even if the thickness of the surface catalyst layer is set to 80 μm or more, the performance is not improved correspondingly, and rather the low performance is lowered. Further, when the thickness of the surface catalyst layer is made smaller than 20 μm, NOx is oxidized on the internal catalyst layer during lean, and the NOx reducing ability is lowered.
[0035]
Here, according to the present invention, the thickness of the catalyst layer is determined by calculation from the coating amount of the slurry containing the catalyst component on the base material with the apparent density of the catalyst layer being 1.5 g / cm 3 for convenience. Can do.
[0036]
In the present invention, the surface catalyst component forming the surface catalyst layer can be obtained, for example, by the following method. That is, first, a water-soluble salt of an element constituting the first catalyst component such as cerium, terbium, samarium, lanthanum, gadolinium, for example, an aqueous solution of nitrate is neutralized or hydrolyzed by heating to form a hydroxide. After forming, the obtained product is calcined at a temperature of 300 to 900 ° C. in an oxidizing or reducing atmosphere to obtain a first catalyst component. However, the first catalyst component can also be obtained by firing a hydroxide or oxide such as cerium, terbium, samarium, lanthanum, gadolinium and the like that is commercially available as described above. Next, a water-soluble salt of an element constituting the second catalyst component, for example, by an appropriate means such as an impregnation method or an ion exchange method conventionally known on the first catalyst component thus obtained, After carrying an aqueous solution of nitrate, the surface catalyst component composed of the first and second catalyst components can be obtained as a powder by firing at a temperature of 500 to 900 ° C. in an oxidizing or reducing atmosphere. .
[0037]
According to the method of the present invention, the reduction of nitrogen oxides is performed in the following manner under a rich stroke, that is, under reducing conditions. The noble metal catalyst component of the inner catalyst layer oxidized in the lean process is reduced, and NOx is reduced and decomposed on these catalysts. Furthermore, since oxygen is rapidly reduced by the reducing agent on the noble metal catalyst component, the first catalyst component in the surface catalyst layer, that is, the oxygen of the OSC functional material spills over to the internal catalyst layer, and as a result, The OSC functional material is efficiently partially reduced with the second catalyst component in the surface catalyst layer, and thus regenerated for the next lean stroke.
[0038]
Next, under the lean process following such a rich process, that is, under oxidizing conditions, nitrogen oxides are reduced as follows. That is, in the lean process, oxygen diffused into the surface catalyst layer is occluded by the first catalyst component of the surface catalyst layer, that is, the OSC functional substance, and thus the reaction of the second catalyst component in the surface catalyst layer. The atmosphere is maintained at rich or stoichiometric conditions. As a result, even under lean conditions, NOx is rapidly reduced and decomposed on the second catalyst component of the surface catalyst layer.
[0039]
Further, according to the present invention, SOx is trapped in the surface catalyst layer, and is desorbed and discharged when rich, and is difficult to be adsorbed by the promoter in the internal catalyst layer. It is very small compared to a storage-reduction system. Thus, the catalyst according to the present invention hardly deteriorates even when used in the presence of SOx. Further, the NOx adsorbed at the time of lean is easily regenerated at the time of rich.
[0040]
According to the invention, the inner catalyst layer comprises at least 50% by weight, particularly preferably at least 80% by weight, of the inner catalyst component. In the internal catalyst layer, when the ratio of the internal catalyst component is less than 50% by weight, the NOx catalytic reduction ability when the internal catalyst layer is rich is reduced, and the reduction of the noble metal catalyst component and the OSC functional substance in the surface catalyst layer is facilitated. The effect is reduced.
[0041]
The internal catalyst layer has an internal catalyst component composed of at least one catalyst component selected from platinum, rhodium, palladium, platinum oxide, rhodium oxide, and palladium oxide and a carrier, and the catalyst component is an internal catalyst. In the layer, it is contained in the range of 0.05 to 5% by weight in terms of metal. When the ratio of the catalyst component in the internal catalyst layer exceeds 5% by weight in terms of metal, the selectivity of the reaction between NOx and the reducing agent at the time of richness decreases, and on the other hand, when it is less than 0.05% by weight When the catalytic reaction atmosphere changes from lean to rich, the conversion rate of the lean to rich reaction atmosphere decreases, and as a result, the NOx reduction resolution by the catalyst of the present invention decreases.
[0042]
According to the present invention, such a catalyst component is preferably supported on a conventionally known carrier such as alumina, silica, silica-alumina, zeolite, titania and the like.
[0043]
The internal catalyst component is one method, for example, adding a carrier such as alumina to an aqueous solution of a water-soluble salt such as platinum as a catalyst component to form a slurry, mixing, stirring, drying, and oxidizing or reducing atmosphere If it is fired at a temperature of 500 to 900 ° C., it can be obtained as a powder having a catalyst component on the carrier.
[0044]
In particular, as a preferable method, an aqueous solution of an ion-exchangeable aqueous salt such as platinum as a catalyst component (for example, tetraammineplatinum (II) nitrate (Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 ) or dinitrodiammine platinum (II)). (Pt (NO 2 ) 2 (NH 3 ) 2 ) The catalyst component is supported on a carrier such as alumina by an ion exchange method, dried, and calcined at a temperature of 500 to 900 ° C. in an oxidizing or reducing atmosphere. What has a component can be obtained as a powder.
[0045]
The internal catalyst layer has a high NOx reducing ability of the internal catalyst component. Therefore, the influence of the thickness on the NOx reducing ability in the rich / lean process is not as great as the thickness of the surface catalyst layer, but usually, A range of 10 μm to 50 μm is appropriate. Even if the thickness of the internal catalyst layer is larger than 50 μm, the performance is not improved correspondingly, and when the thickness of the internal catalyst layer is smaller than 10 μm, the NOx reducing ability is lowered.
[0046]
According to the present invention, the catalyst components for the surface catalyst layer and the internal catalyst layer can be obtained in various forms such as powder and granular materials as described above. Therefore, the internal catalyst layer is formed into various shapes such as a honeycomb, an annular material, a spherical material, and the like by using any of the internal catalyst components by a well-known method. By using a surface catalyst component and forming a surface catalyst layer on the surface of the internal catalyst layer, catalyst structures of various shapes can be obtained. In preparing such a catalyst structure, appropriate additives such as molding aids, reinforcing materials, inorganic fibers, organic binders, and the like can be used as necessary.
[0047]
In particular, the catalyst according to the present invention has an internal catalyst layer and a surface catalyst layer on the surface of an inert substrate for support of any shape, for example, by a wash coat method (for example, applied). It is advantageous to have a catalyst structure having The inert base material may be made of, for example, a clay mineral such as cordierite or a metal such as stainless steel, preferably a heat-resistant metal such as Fe-Cr-Al. The shape may be a honeycomb, an annular shape, a spherical structure, or the like.
[0048]
All of the catalysts according to the present invention are excellent not only in resistance to heat but also in resistance to sulfur oxides, so that the reduction of NOx in the exhaust gas of automobiles of diesel engines and lean gasoline engines, that is, denitration. It is suitable for using as a catalyst for this.
[0049]
In the present invention, the catalyst is preferably used in a catalytic reaction under a condition where the combustion atmosphere of the fuel vibrates between the rich condition and the lean condition as described above. Here, the period of the catalytic reaction (that is, the time from the rich atmosphere (or lean atmosphere) to the next rich atmosphere (or lean atmosphere)) is preferably 5 to 150 seconds, particularly preferably 30 to 90 seconds. is there. The rich / lean width, that is, the rich time (seconds) / lean time (seconds) is usually in the range of 0.5 / 5 to 10/150, preferably in the range of 2/30 to 5/90. It is.
[0050]
The rich condition is usually formed by periodically injecting fuel into the combustion chamber of the engine at an air / fuel ratio of 10 to 14 by weight when using gasoline as the fuel. Typical exhaust gases under rich conditions include hundreds of ppm by volume of NOx, 5-6% by volume of water, 2-3% by volume of CO, 2-3% by volume of hydrogen, thousands of ppm by volume of hydrocarbons and 0 Contains ~ 0.5% oxygen by volume. On the other hand, when using gasoline as fuel, the lean condition is usually formed by periodically injecting fuel into the combustion chamber of the engine at an air / fuel ratio of 20 to 40 by weight. Typical exhaust gases under lean conditions include hundreds of ppm by volume of NOx, 5-6% by volume of water, thousands of ppm by volume of CO, thousands of ppm by volume of hydrogen, thousands of ppm by volume of hydrocarbons, and 5-10 by volume. Contains oxygen by volume.
[0051]
The temperature suitable for NOx catalytic reduction using the catalyst according to the invention depends on the individual gas composition, but is usually 150 so as to have an effective catalytic reaction activity for NOx over a long period in the rich stroke. It is the range of -550 degreeC, Preferably, it is the range of 200-500 degreeC. In the reaction temperature range, the exhaust gas is preferably treated at a space velocity in the range of 5000 to 100,000 hr −1 .
[0052]
According to the method of the present invention, as described above, the exhaust gas containing NOx is brought into contact with the above-described catalyst in the periodic rich / lean process, so that the exhaust gas is present even in the presence of oxygen, sulfur oxide, or moisture. The NOx contained therein can be stably and efficiently catalytically reduced.
[0053]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described by way of examples of the production of the powder catalyst which is the internal catalyst component and the surface catalyst component, the production example of the honeycomb catalyst structure using them, and the nitrogen oxide reduction performance of the honeycomb catalyst structure as examples. Although described in detail, the present invention is not limited to these examples. In the following, all “parts” and “%” are by weight unless otherwise specified.
[0054]
(1) Preparation of internal catalyst component
Production Example 1
8.40 g of an aqueous solution of Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 (9.0% as platinum) is added to 100 mL of ion-exchanged water to obtain an aqueous solution, and γ-alumina (Sumitomo Chemical Co., Ltd. KC-) 501) 60 g was charged, dried at 100 ° C. with stirring, and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a catalyst powder having 1% platinum supported on γ-alumina. It was.
[0056]
Production Example 2
To 100 mL of ion exchange water, 8.40 g of an aqueous solution of Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 (9.0% as platinum) and 4.20 g of an aqueous rhodium nitrate solution (9.0% as rhodium) were added to obtain an aqueous solution. 60 g of γ-alumina (KC-501 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) was added thereto, dried at 100 ° C. with stirring, and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain γ-alumina. A catalyst powder having 1% platinum and 0.5% rhodium supported thereon was obtained.
[0057]
Production Example 3
To 100 mL of ion-exchanged water, 4.20 g of a palladium nitrate aqueous solution (9.0% as palladium) and 8.40 g of Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 aqueous solution (9.0% as platinum) were added to obtain an aqueous solution. 60 g of γ-alumina (KC-501 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) was added thereto, dried at 100 ° C. with stirring, and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain γ-alumina. A catalyst powder having 1% platinum and 0.5% palladium supported thereon was obtained.
[0058]
(2) Preparation of surface catalyst component
Production Example 4
In 100 mL of ion exchange water, 151.37 g of cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O), 32.09 g of zirconium oxynitrate (ZrO (NO 3 ) 2 ), and gadolinium nitrate (Gd (NO 3 ) 3 .6H 2 ) O) 21.41 g was added to make an aqueous solution, and 0.1 N ammonia water was added thereto to neutralize and hydrolyze the cerium ions, followed by aging for 1 hour. The obtained slurry was filtered, dried at 120 ° C. for 24 hours, and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a ceria / zirconia / gadolinium oxide composite oxide powder (weight ratio of oxide based on 70/20 / 10 and a specific surface area of 182 m 2 / g).
[0060]
To 100 mL of ion-exchanged water, 4.20 g of an aqueous rhodium nitrate solution (9.0% as rhodium) is added to obtain an aqueous solution, and 30 g of the above-mentioned ceria / zirconia / gadolinium oxide powder is added to the solution and dried at 100 ° C. with stirring. Then, it was calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a catalyst powder in which 1% rhodium was supported on a ceria / zirconia / gadolinium oxide powder.
[0061]
Production Example 5
An aqueous solution was prepared by dissolving 103.77 g of cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O) and 40.96 g of terbium nitrate (Tb (NO 3 ) 3 .6H 2 O) in 100 mL of ion-exchanged water. . 0.1N ammonia water was added to this aqueous solution to neutralize and hydrolyze the cerium salt and terbium salt, followed by aging for 1 hour. The product was separated from the obtained slurry by filtration, dried at 120 ° C. for 24 hours, and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a ceria / terbium oxide composite oxide powder (oxide basis). A weight ratio of 70/30 and a specific surface area of 139 m 2 / g) were obtained.
[0062]
2.100 g of rhodium nitrate aqueous solution (9.0% as rhodium) was added to 100 mL of ion-exchanged water to obtain an aqueous solution, and 30 g of the above-mentioned ceria / terbium oxide composite oxide powder was added to the solution at 100 ° C. with stirring. After drying, it was calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a catalyst powder in which 0.5% rhodium was supported on the ceria / terbium oxide composite oxide.
[0063]
Production Example 6
In 1700 mL of ion-exchanged water, 34.59 g of cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O), 84.45 g of zirconium oxynitrate (ZrO (NO 3 ) 2 ), and lanthanum nitrate (La (NO 3 ) 3 .6H 2 ) O) 7.97 g was dissolved to prepare an aqueous solution. 0.1N ammonia water was added to this aqueous solution to neutralize and hydrolyze the cerium salt, zirconium salt and lanthanum salt, followed by aging for 1 hour. The product was separated from the resulting slurry by filtration, dried at 120 ° C. for 24 hours, and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a ceria / zirconia / lanthanum oxide composite oxide powder (oxidized). (Weight basis 22/73/5, specific surface area 80 m 2 / g).
[0064]
To 100 mL of ion-exchanged water, 2.10 g of an aqueous rhodium nitrate solution (9.0% as rhodium) was added to obtain an aqueous solution. To this, 30 g of the above-mentioned ceria / zirconia / lanthanum oxide composite oxide powder was added and stirred. After drying at 5 ° C., it was calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a catalyst powder in which 0.5% rhodium was supported on the ceria / zirconia / lanthanum oxide composite oxide.
[0065]
Production Example 7
In 1700 mL of ion-exchanged water, 121.06 g of cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O), 28.12 g of zirconium oxynitrate (ZrO (NO 3 ) 2 ) and samarium nitrate (Sm (NO 3 ) 3 · 6H 2 O) 3.40 g was dissolved to prepare an aqueous solution. 0.1N ammonia water was added to this aqueous solution to neutralize and hydrolyze the cerium salt, zirconium salt and samarium salt, followed by aging for 1 hour. The product was separated from the resulting slurry by filtration, dried at 120 ° C. for 24 hours, and then calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a ceria / zirconia / samarium oxide composite oxide powder (oxidized). Weight basis weight ratio 72/24/4, specific surface area 187 m 2 / g).
[0066]
To 100 mL of ion exchange water, 2.10 g of an aqueous rhodium nitrate solution (9.0% as rhodium) was added to obtain an aqueous solution, and 30 g of the above-mentioned ceria / zirconia / samarium oxide composite oxide powder was added to the solution while stirring. After drying at 5 ° C., it was calcined in air at 500 ° C. for 3 hours to obtain a catalyst powder in which 0.5% rhodium was supported on the ceria / zirconia / samarium oxide composite oxide.
[0067]
(3) Preparation of honeycomb catalyst
The catalyst layer thickness was determined by calculation with the apparent density of the catalyst layer being 1.5 g / cm 3 and the mechanical contact area of the honeycomb being 2500 m 2 / g.
[0069]
Example 1
30 g of a powder catalyst obtained by supporting 1% platinum on the γ-alumina obtained in Production Example 1 was mixed with 3 g of silica sol (Nissan Chemical Industry Co., Ltd. Snowtex N, 20 wt% as silica) and an appropriate amount of water. Mixed. Using 50 g of zirconia balls as a grinding medium, this mixture was ground in a planetary mill for 5 minutes to obtain a washcoat slurry. The washcoat slurry was applied to a cordierite honeycomb substrate having 400 cells per square inch to obtain a honeycomb structure having an internal catalyst layer made of the powder catalyst and having a thickness of 30 μm.
[0070]
Next, 30 g of powder obtained by supporting 1% rhodium on the ceria / zirconia / gadolinium oxide composite oxide obtained in Production Example 4 was added to silica sol (Snowtex N, Nissan Chemical Industries, Ltd., 20% by weight as silica). ) 3 g and an appropriate amount of water were mixed, and a slurry was prepared in the same manner as described above. The slurry was coated on the internal catalyst layer to obtain a honeycomb catalyst structure having a surface catalyst layer having a thickness of 60 μm made of a catalyst having 1% rhodium supported on a ceria / zirconia / gadolinium oxide composite oxide.
[0071]
Example 2
In the same manner as in Example 1, an internal catalyst layer having a thickness of 30 μm composed of a catalyst having 1% platinum supported on γ-alumina obtained in Production Example 1, and a ceria / terbium oxide composite oxide obtained in Production Example 5 A honeycomb catalyst structure having a surface catalyst layer with a thickness of 60 μm made of a catalyst in which 0.5% of rhodium was supported on (oxide basis weight ratio 70/30) was obtained.
[0072]
Example 3
In the same manner as in Example 1, an internal catalyst layer having a thickness of 30 μm composed of a catalyst in which 1% platinum and 0.5% rhodium were supported on the γ-alumina obtained in Production Example 2, and obtained in Production Example 6 were obtained. A honeycomb catalyst structure having a surface catalyst layer having a thickness of 60 μm made of a catalyst in which 0.5% rhodium was supported on a ceria / zirconia / lanthanum oxide composite oxide (oxide basis weight ratio 22/73/5) was prepared. .
[0073]
Example 4
In the same manner as in Example 1, an internal catalyst layer having a thickness of 30 μm composed of a catalyst in which 1% platinum and 0.5% palladium were supported on the γ-alumina obtained in Production Example 3, and obtained in Production Example 7 were obtained. A honeycomb catalyst structure having a surface catalyst layer having a thickness of 60 μm made of a catalyst having 0.5% rhodium supported on a ceria / zirconia / samarium oxide composite oxide (oxide basis weight ratio 72/24/4) was obtained.
[0074]
Comparative Example 1
15 g of the ceria powder obtained in Production Example 5 and 15 g of γ-alumina (KC-501, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) were dry-mixed, and 30 g of catalyst powder supporting 1% platinum on this mixture was used. In the same manner as in Example 1, a washcoat slurry was prepared. The slurry was coated on the same cordierite honeycomb substrate as in Example 1 in the same manner as in Example 1 to obtain a honeycomb catalyst structure having a catalyst layer with a thickness of 60 μm.
[0075]
Comparative Example 2
Barium carbonate was prepared from an aqueous caustic barium solution and an aqueous sodium carbonate solution, and platinum was mixed on the mixture (weight ratio 8/2) of this barium carbonate (BaCO 3 ) and γ-alumina (KC-501 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.). A catalyst powder was prepared by loading 1%. γ-Alumina (KC-501 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) was added to a potassium carbonate aqueous solution, mixed and dried, and then calcined in air at 1100 ° C. for 3 hours to obtain K 2 O.12Al 2 O 3. (Specific surface area 18 m 2 / g) was prepared. Separately, γ-alumina (KC-501 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) and the above K 2 O.12Al 2 O 3 were mixed, and the weight ratio of γ-alumina / K 2 O.12Al 2 O 3 was 9/1. A mixture was prepared, and 1% platinum was supported thereon to obtain catalyst powder.
[0076]
48 g of catalyst powder supporting 1% platinum on the BaCO 3 / γ-alumina and 12 g of catalyst powder supporting 1% platinum on the γ-alumina / K 2 O.12Al 2 O 3 A dry coating slurry was prepared in the same manner as in Example 1 by dry mixing. This slurry was coated on the same cordierite honeycomb substrate as in Example 1 in the same manner as in Example 1 to obtain a honeycomb catalyst structure having a catalyst layer with a thickness of 80 μm.
[0077]
(4) Performance test
Using the catalyst structures according to the above examples and comparative examples, the gas containing nitrogen oxides was reduced under the following conditions. The conversion rate (removal rate) from nitrogen oxides to nitrogen was determined by the chemical luminescence method.
[0079]
Test method The composition of the mixed gas used in the NOx reduction experiment under rich conditions is as follows.
NO: 500ppm
SO 2 : 20 ppm
O 2 : 0.4%
CO: 2%
C 3 H 6 (propylene): 2000 ppm
H 2 : 2%
H 2 O: 6.0%
[0080]
The gas under lean conditions is prepared by injecting oxygen into a mixed gas under rich conditions, and the composition thereof is as follows.
NO: 500ppm
SO 2 : 20ppm
O 2 : 9.0%
CO: 0.2%
C 3 H 6 (propylene): 500 ppm
H 2 : 0%
H 2 O: 6.0%
[0081]
Catalytic reaction was conducted with the rich / lean width in the range of 3 to 30 (second / second) to 12/120 (second / second), and the performance of each catalyst was examined.
[0082]
(I) Space velocity:
70000 hr -1 (under lean conditions)
70000 hr −1 (under rich conditions)
[0083]
(Ii) Reaction temperature:
200, 250, 300, 350, 400, 450 and 500 ° C
The results are shown in Table 1. As is apparent from Table 1, the catalyst according to the present invention has a high nitrogen oxide removal rate. On the other hand, the catalyst according to the comparative example generally has a low nitrogen oxide removal rate.
[0084]
[Table 1]
Figure 0003745988
[0085]
Furthermore, using the catalyst structures according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, the above gas conditions, rich / lean width (seconds / second) was 55/5, reaction temperature was 350 ° C., and a 50 hour durability test was performed. went. The results are shown in Table 2. As is apparent from Table 2, the catalyst according to the present invention has a very high resistance to sulfur oxides as compared to the conventional NOx storage-reduction system.
[0086]
[Table 2]
Figure 0003745988

Claims (6)

リッチ時間(秒)/リーン時間(秒)を0.5/5〜10/150の範囲として、周期的なリッチ/リーン条件下に燃料を供給して燃焼させ、生成する排ガスを触媒に接触させて、その排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法において、上記触媒が
(A)(a)セリウム酸化物と
(b)ジルコニウム、ガドリニウム、テルビウム、サマリウム及びランタンから選 ばれる少なくとも1つの元素の酸化物と
の混合物又は複合酸化物からなる第1の触媒成分(但し、セリウム酸化物とジルコ ニウム酸化物との混合物又は複合酸化物を除く。)と、
(c)ロジウム、パラジウム、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる 少なくとも1種
からなる第2の触媒成分と
を表面触媒成分として有する表面触媒層と、
(B)(a)白金、ロジウム、パラジウム、白金酸化物、ロジウム酸化物及びパラジウム 酸化物から選ばれる少なくとも1種の触媒成分と
(b)担体と
を内部触媒成分として有する内部触媒層と
からなることを特徴とする排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法。
The rich time (seconds) / lean time (seconds) is set within a range of 0.5 / 5 to 10/150 , fuel is supplied and burned under periodic rich / lean conditions, and the generated exhaust gas is brought into contact with the catalyst. In the method for catalytically reducing nitrogen oxides in the exhaust gas, the catalyst is oxidized with at least one element selected from (A) (a) cerium oxide and (b) zirconium, gadolinium, terbium, samarium and lanthanum. A first catalyst component (excluding a mixture or composite oxide of cerium oxide and zirconium oxide) comprising a mixture or composite oxide of
(C) a surface catalyst layer having, as a surface catalyst component, at least one second catalyst component selected from rhodium, palladium, rhodium oxide and palladium oxide;
(B) (a) consisting of at least one catalyst component selected from platinum, rhodium, palladium, platinum oxide, rhodium oxide and palladium oxide, and (b) an internal catalyst layer having a carrier as an internal catalyst component. A method for catalytically reducing nitrogen oxides in exhaust gas.
リッチ時間(秒)/リーン時間(秒)を2/30〜5/90の範囲とする請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the rich time (seconds) / lean time (seconds) is in the range of 2/30 to 5/90. 触媒において、表面触媒層の第2の触媒成分が第1の触媒成分に担持されている請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein in the catalyst, the second catalyst component of the surface catalyst layer is supported on the first catalyst component. リッチ時間(秒)/リーン時間(秒)を0.5/5〜10/150の範囲として、周期的なリッチ/リーン条件下に燃料を供給して燃焼させ、生成する排ガスを触媒構造体に接触させて、その排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法において、上記触媒構造体が不活性な基材上に
(A)(a)セリウム酸化物と
(b)ジルコニウム、ガドリニウム、テルビウム、サマリウム及びランタンから選 ばれる少なくとも1つの元素の酸化物と
の混合物又は複合酸化物からなる第1の触媒成分(但し、セリウム酸化物とジルコ ニウム酸化物との混合物又は複合酸化物を除く。)と、
(c)ロジウム、パラジウム、ロジウム酸化物及びパラジウム酸化物から選ばれる少な くとも1種
からなる第2の触媒成分と
を表面触媒成分として有する表面触媒層と、
(B)(a)白金、ロジウム、パラジウム、白金酸化物、ロジウム酸化物及びパラジウム 酸化物から選ばれる少なくとも1種の触媒成分と
(b)担体と
を内部触媒成分として有する内部触媒層と
を有するものである排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法。
By setting the rich time (seconds) / lean time (seconds) to a range of 0.5 / 5 to 10/150, fuel is supplied and burned under periodic rich / lean conditions, and the generated exhaust gas is converted into the catalyst structure. In the method of contacting and reducing nitrogen oxides in the exhaust gas, (A) (a) cerium oxide and (b) zirconium, gadolinium, terbium, samarium on a substrate on which the catalyst structure is inert And a first catalyst component comprising a mixture or complex oxide with an oxide of at least one element selected from lanthanum (except for a mixture or complex oxide of cerium oxide and zirconium oxide);
(C) a surface catalyst layer having, as a surface catalyst component, at least one second catalyst component selected from rhodium, palladium, rhodium oxide and palladium oxide;
(B) (a) having at least one catalyst component selected from platinum, rhodium, palladium, platinum oxide, rhodium oxide and palladium oxide; and (b) an internal catalyst layer having a carrier as an internal catalyst component. A method for catalytic reduction of nitrogen oxides in exhaust gas.
リッチ時間(秒)/リーン時間(秒)を2/30〜5/90の範囲とする請求項4に記載の方法。The method according to claim 4, wherein the rich time (seconds) / lean time (seconds) is in the range of 2/30 to 5/90. 触媒構造体において、表面触媒層の第2の触媒成分が第1の触媒成分に担持されている請求項4に記載の方法。The method according to claim 4, wherein in the catalyst structure, the second catalyst component of the surface catalyst layer is supported on the first catalyst component.
JP2001247501A 2001-07-30 2001-08-16 Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor Expired - Fee Related JP3745988B2 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001247501A JP3745988B2 (en) 2001-08-16 2001-08-16 Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor
PCT/JP2002/007703 WO2003011438A1 (en) 2001-07-30 2002-07-29 Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst for use therein
US10/485,072 US7175822B2 (en) 2001-07-30 2002-07-29 Method for catalytic reduction of nitrogen oxides
EP02755681A EP1424121A4 (en) 2001-07-30 2002-07-29 Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst for use therein

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001247501A JP3745988B2 (en) 2001-08-16 2001-08-16 Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003053151A JP2003053151A (en) 2003-02-25
JP3745988B2 true JP3745988B2 (en) 2006-02-15

Family

ID=19076826

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001247501A Expired - Fee Related JP3745988B2 (en) 2001-07-30 2001-08-16 Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3745988B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101282783B (en) * 2005-10-05 2012-07-25 株式会社卡特勒 Exhaust gas purification catalyst
JP5114317B2 (en) * 2008-06-30 2013-01-09 トヨタ自動車株式会社 Exhaust gas purification catalyst
JP2010227804A (en) * 2009-03-26 2010-10-14 Toyota Motor Corp Exhaust gas purifying catalyst

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003053151A (en) 2003-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4757027B2 (en) Catalyst for catalytic reduction of nitrogen oxides
US7666375B2 (en) Method for catalytic reduction of nitrogen oxides
US20090084090A1 (en) Catalyst and Catalyst Structure for Reduction of Nitrogen Oxides, and Method for Catalytic Reduction of Nitrogen Oxides
JP4740217B2 (en) Method for catalytic reduction of nitrogen oxides
JP2004508189A (en) Catalysts and methods for catalytic reduction of nitrogen oxides
JP4236543B2 (en) Catalysts and methods for the catalytic cracking of nitrogen oxides
US20040209770A1 (en) Catalyst and method for the catalytic reduction of nitrogen oxides
JP2006314989A (en) Catalyst for catalytically reducing nitrogen oxide and catalyst structure
JP4901129B2 (en) Nitrogen oxide catalytic reduction catalyst
US7175822B2 (en) Method for catalytic reduction of nitrogen oxides
JP3732124B2 (en) Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor
JP3745988B2 (en) Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor
JP4194805B2 (en) Method for catalytic removal of nitrogen oxides and catalyst therefor
JP4290391B2 (en) Method and apparatus for catalytic removal of nitrogen oxides
JP3721112B2 (en) Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor
JP2003320222A (en) Method for catalytically removing nitrogen oxide and apparatus therefor
JP2003305342A (en) Method for catalytically removing nitrogen oxides and device used for the same
JP2004209386A (en) Method and catalyst therefor for reducing nitrogen oxide catalytically
JP2004068717A (en) Method for removing nitrogen oxide in contacting manner and its device
JP2008178880A (en) Method for catalytically removing nitrogen oxide and catalyst therefor
JP2007136329A (en) Method for catalytic reduction of nitrogen oxide in exhaust gas
JP2004313915A (en) Method for subjecting nitrogen oxide to catalytic reduction and catalyst therefor
JP2003071249A (en) Method for catalytic reduction of nitrogen oxides and catalyst therefor
JPH11128687A (en) Purifyication of waste gas

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20010817

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20010925

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050208

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20050425

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20050428

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050804

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051004

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051007

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20051101

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20051118

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131202

Year of fee payment: 8

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees