JP3855426B2 - 排気ガス浄化用触媒の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス浄化用触媒の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンが燃料濃度の希薄なリーン空燃比で運転された場合の排気ガスは酸素濃度が高くなり、従来の三元触媒では排気ガス中のNOx(窒素酸化物)を分解浄化することが困難になる。
【0003】
そのような場合のNOxの浄化に有効な排気ガス浄化用触媒として、特開平7−155601号公報には、担体上に、NOx吸蔵材(Ba等のアルカリ土類金属)とPtとアルミナとを含有する内側担持層と、Fe、Co、Ni、Cu及びMnのうちから選ばれた少なくとも1種の金属の酸化物を含有する外側担持層とを形成してなるものが記載されている。これは、外側の金属酸化物によって排気ガス中のSOxを酸化してSO3 に変え、SOx塩を生成するようにすることによって、内側担持層がSOxによって被毒することを防止しようとするものである。この触媒の製造方法は、担体にアルミナ層を形成して、これにPtの含浸→乾燥→焼成と、Baの含浸→乾燥→焼成とを順に行ない(内側担持層の形成)、次にその上にアルミナ粉末と酸化鉄の粉末との混合物層(外側担持層)を形成するというものである。
【0004】
また、特開平9−38493号公報には、Co及びLaの少なくとも一方とアルミナとの複合酸化物からなる担体に、触媒貴金属とNOx吸蔵材とを順次担持させてなる排気ガス浄化用触媒が記載されている。これは、高温ではアルミナとNOx吸蔵材とが反応してアルミナの比表面積の低下や細孔の閉塞を生じ、また、貴金属のシンタリングを生ずるが、アルミナをCoやLaとの複合酸化物の形にすると、この熱劣化を抑制することができた、というものである。この触媒の製造方法は、担体にアルミナ層を形成して、これにCoの含浸→乾燥→焼成を行なうことによりCo−アルミナ複合酸化物の層を形成し、これにPtの含浸→乾燥とRhの含浸→乾燥とを順に行なって焼成し、さらにBaの含浸→乾燥→焼成を行なうというものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来は上述の如くSOx被毒対策やアルミナの熱安定性の向上など触媒の安定性の観点から用いられていたMn、Co等の金属の酸化物を、触媒作用に積極的に活用することにあり、そのことによって、排気ガス浄化用触媒の耐熱性の向上だけでなく、その活性の向上を図らんとするものである。特にエンジンが空燃比A/F=18以上で運転され、排気ガス中の酸素濃度が4〜5%以上、例えば20%を越えるようになる場合でも、該排気ガス中のNOxを効率良く分解浄化することができるようにするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者の研究によれば、Ba等のNOx吸蔵材は排気ガス中のNOxを硝酸塩の形で吸蔵するところ、MnやCoなどある種の金属の酸化物は、排気ガス中のNOをNO2 に酸化させる作用を有し、これが当該吸蔵に有効に働くと考えられる。そこで、本発明では、このような酸化物を触媒に用いるとともに、貴金属粒子とNOx吸蔵材粒子とを互いに近接させて高分散担持させるようにしたものである。
【0007】
すなわち、この出願の発明は、排気ガス中のNOxの吸蔵作用を有するNOx吸蔵材と、該NOxの分解触媒作用を有する貴金属とを備えた排気ガス浄化用触媒の製造方法に関するものであって、
Mn酸化物に、上記NOx吸蔵材の溶液と上記貴金属の溶液との混合液を添加することによって該貴金属とNOx吸蔵材とを担持させることを特徴とする。
【0008】
つまり、Mn酸化物に、NOx吸蔵材溶液と貴金属溶液とを同時に含浸担持させることによって貴金属粒子とNOx吸蔵材粒子とを互いに近接させて高分散担持させるものである。
【0009】
従って、排気ガス中のNOはMn酸化物によってNO2 に変わることによって、NOx吸蔵材に吸蔵され易くなる(例えばBaをNOx吸蔵材として用いる場合、NO2 との反応によって硝酸Baになり易い)。また、このような触媒では、貴金属粒子は排気ガス中のNOxを吸着して分解するだけでなく、酸素過剰雰囲気でNOx吸蔵材に吸蔵され酸素濃度が低くなったときに放出されるNOxを分解することになるから、当該貴金属粒子とNOx吸蔵粒子とは互いに近接して高分散に配置されていることがNOxの分解浄化に有効になるものである。
【0010】
ここで、注意しなければならないのは、単にMn酸化物と貴金属・NOx吸蔵材とを組み合わせても、つまり、Mn酸化物に貴金属を担持させた後にNOx吸蔵材を担持させても、触媒が高温に晒された後のNOx浄化率はそれ程には高くならず、上記同時含浸によってはじめて予想に越える高いNOx浄化率が得られるという点である。
【0011】
上記NOx吸蔵材としては、Na等のアルカリ金属、Ba、Sr等のアルカリ土類金属及びLa等の希土類金属のうちから選択される少なくとも1種の金属であることが好適であり、特にBaがNOxの吸蔵性に優れている。貴金属としては、Ptが好適であり、これにRhやIr、Pdなど他の貴金属を併用することができる。
【0012】
上記Mn酸化物はアルミナやCeO2 と共に用いることが好適である。その場合は、当該酸化物とアルミナとCeO2 との混合物に対して上記NOx吸蔵材の溶液と貴金属の溶液との混合液を添加すればよい。アルミナは比表面積が高く貴金属及びNOx吸蔵材の高分散担持に有効である。その意味で、γ−アルミナが特に良い。CeO2 は酸素吸蔵能(O2 ストレージ効果)を有するから、エンジンが理論空燃比(λ=1)近傍で運転されるときに、当該触媒を三元触媒として機能させて、NOxだけでなくHC(炭化水素)及びCO(一酸化炭素)をも同時に効率良く浄化するうえで有効になる。
【0013】
また、担体上に、Mn等の酸化物とアルミナとCeO2 との混合物にNOx吸蔵材と貴金属とが担持されてなる触媒の層と、ゼオライトにNOx吸蔵材と貴金属とが担持されてなる触媒の層とを前者が内側になり後者が外側になるように層状に形成した場合は高いNOx浄化性能が得られる。このような排気ガス浄化用触媒を製造するときは次の方法をとればよい。
【0014】
それは、担体上にMn、Co、Ti及びFeのうちから選択される少なくとも1種の金属の酸化物とアルミナとCeO2 との混合物からなる内側層を形成し、
上記内側層の上にゼオライトからなる外側層を形成した後、
アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属のうちから選択される少なくとも1種の金属よりなり排気ガス中のNOxの吸蔵作用を有するNOx吸蔵材の溶液と、該NOxの分解触媒作用を有する貴金属の溶液との混合液を添加して上記内側層と外側層とに含浸させることによって、該NOx吸蔵材及び貴金属をこの内外両層に担持させることを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法である。
【0015】
この方法によれば、NOx吸蔵材を内側層に予定量担持させることが容易になる。すなわち、仮に内側層にNOx吸蔵材及び貴金属を担持させた後に、これをゼオライトのスラリーに浸漬して外側層を形成するようにすれば、内側層に担持されているBa等のNOx吸蔵材の一部がゼオライトスラリーに溶出し、該NOx吸蔵材の担持量の調節が難しくなるが、当該方法によればこの問題が解消される。
【0016】
この触媒においては、外側層のゼオライトに担持されている貴金属が排気ガス中のNOx及びHCを活性化しNO浄化性能を高めることになる。すなわち、排気ガス中のNOはNO2 になってNOx吸蔵材に吸蔵され易くなり、HCは部分酸化やクラッキングによってエネルギー的に反応し易い状態になり、この活性化されたHCによるNOxの還元分解反応が進行し易くなる。
【0017】
【発明の効果】
以上に説明したように、この出願の発明によれば、NOをNO2 に変える作用を有するMn酸化物、あるいはこれとアルミナとCeO2 との混合物よりなる母材に対して、NOx吸蔵材と貴金属とを同時に含浸担持させるようにしたから、得られる触媒は、当該触媒が高温に晒された後であっても、上記Mn酸化物が有するNOをNO2 に変える作用がNOxの分解浄化に有効に働くものと考えられ、酸素濃度が高い雰囲気においてNOxを効率良く浄化することができるようになる。
【0018】
また、担体上にMn、Co、Ti及びFeのうちから選択される少なくとも1種の金属の酸化物とアルミナとCeO2 との混合物からなる内側層を形成し、その上にゼオライトからなる外側層を形成した後、NOx吸蔵材の溶液と貴金属の溶液との混合液を添加して上記内側層と外側層とに含浸させることによって、該NOx吸蔵材及び貴金属をこの内外両層に担持させる排気ガス浄化用触媒の製造方法によれば、NOx吸蔵材を内側層に予定量担持させることが容易になり、NO浄化性能の高い触媒が得られる。
【0019】
【発明の実施の形態】
<触媒の構成>
図1は本発明に係る排気ガス浄化用触媒Cの構造を示し、この触媒Cは、車両用のリーン燃焼エンジンの排気ガスを排出するための排気通路(いずれも図示せず)に配設され、この触媒Cにより、理論空燃比燃焼運転時における排気ガス中のHC、CO、NOx等の大気汚染物質を浄化するとともに、さらにリーン燃焼運転時のNOxを有効に浄化する。すなわち、この触媒CはリーンNOx浄化作用を有するものであり、そのリーン雰囲気での酸素濃度は例えば4〜5%から20%であり、空燃比はA/F=18以上である。
【0020】
上記触媒Cは、例えば耐熱性に優れた担体材料であるコージェライトからなるハニカム状の担体1を備え、その担体1上には、担体1表面に近い側にある内側触媒層2(下側触媒層)と、その上の担体1表面から離れた側にある外側触媒層3(上側触媒層)との2層の触媒層が形成されている。
【0021】
上記内側触媒層2には、触媒金属となる貴金属とNOx吸蔵材とが、Mn、Co、Ti及びFeのうちから選択される少なくとも1種の金属の酸化物、アルミナ及びCeO2 に担持されて設けられている。外側触媒層3には、触媒金属となる貴金属とNOx吸蔵材とが、ゼオライトに担持されて設けられている。
【0022】
上記貴金属としては、主としてPtが用いられ、これとRhやIr、Pdとを併用することができる。上記NOx吸蔵材としては、主としてBaが用いられるが、他のアルカリ土類金属、あるいはアルカリ金属又は希土類金属を用いてもよく、あるいはそれらのうちから選択される2種以上の金属を併用することができる。上記CeO2 成分としてはセリアを用いることできるが、耐熱性を高める観点からセリウムとジルコニウムとの複合酸化物を用いることもできる。尚、上記触媒層2,3の各々における不純物は1%以下とする。
【0023】
<触媒の製法>
Mn、Co、Ti及びFeのうちから選択される少なくとも1種の金属の酸化物とアルミナとCeO2 とバインダと水とを混合してスラリーを形成し、このスラリーを担体1にウォッシュコートし、乾燥焼成することによって、内側触媒層2を形成するための内側コート層を形成する。
【0024】
次に貴金属担持ゼオライトとバインダと水とを混合してスラリーを形成し、このスラリーを、上記内側コート層を有する担体1にウォッシュコートし、乾燥焼成することによって、この内側コート層の上に、外側触媒層3を形成するための外側コート層を形成する。
【0025】
このようにして得られた担体1の内外の両コート層にNOx吸蔵材の溶液と貴金属の溶液との混合液を含浸させ、乾燥焼成することによって触媒Cを得る。
【0026】
<触媒の評価>
以下の実施例及び比較例の各触媒を調製し、触媒性能を比較評価した。
【0027】
−実施例1−
内側コート層の形成
γーアルミナ、CeO2 −ZrO2 複合酸化物、酸化マンガン(MnO2 )及びアルミナバインダを25:25:2:5の重量比率で混合し、これにイオン交換水を添加することによってスラリーを調製した。このスラリーにハニカム構造の担体(420g/L;このg/Lは担体1L当りの重量を意味する。以下、同じ。)を浸漬して引き上げ、余分なスラリーを吹き飛ばす、という方法によって、乾燥後のコート量が342g/Lとなるように当該スラリーをウォッシュコートした。次いでこれに乾燥及び焼成を施すことによって内側コート層を形成した。乾燥は100〜200℃の温度で1時間行ない、焼成は500〜600℃の温度で2時間行なった。この乾燥条件及び焼成条件は以下の説明における「乾燥」及び「焼成」も同じである。
【0028】
外側コート層の形成
一方、ジニトロジアミン白金溶液と硝酸ロジウム溶液とをPt:Rh比がPt:Rh=75:1となるように混合し、これをMFI型ゼオライト(SiO2 /Al2 O3 =80)と合わせてスプレードライ法による噴霧乾固を行なうことによって、該ゼオライトにPtとRhとを両者合わせて2.3wt%となるように担持させた。次いでこれに焼成を施すことによって外側コート層用のパウダーを得た。このパウダーをアルミナバインダと5:1の重量比率で混合し、これにイオン交換水を添加することによってスラリーを調製し、このスラリーを上記内側コート層が形成されている担体に、乾燥後のコート量が24g/Lとなるようにウォッシュコートし、これに乾燥及び焼成を施すことによって外側コート層を形成した。
【0029】
Pt、Rh及びBaの同時含浸担持
次にジニトロジアミン白金溶液と硝酸ロジウム溶液と酢酸バリウムとをPt:Rh:Ba=20:1:300の重量比率で混合し、この混合液を上記担体の内外の両コート層にトータルで32.1g/Lとなるように含浸させ、これに乾燥及び焼成を施すことによって当該実施例1の触媒を得た。
【0030】
従って、この触媒の内側触媒層は、母材としてγ−アルミナ150g/L、CeO2 −ZrO2 複合酸化物150g/L及び酸化マンガン12g/Lを有し、バインダは30g/Lであり、貴金属はPtが2g/L、Rhが0.1g/Lである。また、この触媒の外側触媒層は、母材がMFI20g/L、バインダが4g/L、貴金属はPtが0.5g/L、Rhが0.006g/Lである。また、NOx吸蔵材としてBaが内外の触媒層に合わせて30g/L含まれている。
【0031】
この触媒の特徴は、表1に示すように内側触媒層にMn酸化物を有し且つBaが内外の触媒層にPt、Rhと共に同時に含浸担持されている点である。
【0032】
【表1】
【0033】
−実施例2−
酸化マンガンに代えて酸化コバルト(Co2 O3 )を用いる他は実施例1と同様にして実施例2の触媒を得た(表1参照)。
【0034】
−比較例1−
内側コート層の形成
γーアルミナ、CeO2 −ZrO2 複合酸化物、及びアルミナバインダを5:5:1の重量比率で混合し、これにイオン交換水を添加してスラリーを調製し、これをハニカム構造の担体(420g/L)に乾燥後のコート量が330g/Lとなるようにウォッシュコートし、乾燥・焼成を施すことによって内側コート層を形成した。
【0035】
Pt、Rhの内側コート層への含浸担持
ジニトロジアミン白金溶液と硝酸ロジウム溶液とをPt:Rh=20:1の重量比率で混合し、上記内側コート層に2.1g/Lとなるように含浸させ、乾燥・焼成を施した。
【0036】
外側コート層の形成
次に実施例と同じ材料及び方法で乾燥後のコート量が24g/Lの外側コート層を形成した。
【0037】
Baの含浸担持
酢酸バリウムをBa量が30g/Lとなるように上記内外のコート層に含浸させ、乾燥及び焼成を施した。
【0038】
以上によって得られた比較例1の触媒が実施例触媒と相違する主な点は、酸化マンガンや酸化コバルトを備えていないこと、及びBaがPt及びRhと同時含浸ではなく後含浸されていることであり(表1参照)、他は実施例1と同様である。
【0039】
−比較例2−
内側コート層の形成
比較例1と同じ材料及び方法によって乾燥後のコート量が330g/Lの内側コート層を形成した。
【0040】
外側コート層の形成
上記内側コート層の上に実施例と同じ材料及び方法によって乾燥後のコート量が24g/Lの外側コート層を形成した。
【0041】
Pt、Rh及びBaの同時含浸担持
Pt、Rh及びBaを実施例1同じ材料及び方法によって内外の両コート層にトータルで32.1g/Lとなるように同時に含浸担持させた。
【0042】
以上によって得られた比較例2の触媒が実施例触媒と相違する主な点は、酸化マンガンや酸化コバルトを備えていないことであり(表1参照)、他は実施例1と同様である。
【0043】
−比較例3−
内側コート層の形成
実施例と同じ材料及び方法によって乾燥後のコート量が342g/Lの内側コート層を形成した。
【0044】
Pt及びRhの内側コート層への含浸担持
比較例1と同じ材料及び方法によって上記内側コート層にPtとRhとをPt:Rh=20:1の重量比率でトータルが2.1g/Lとなるように含浸担持させた。
【0045】
外側コート層の形成
実施例と同じ材料及び方法で乾燥後のコート量が24g/Lの外側コート層を形成した。
【0046】
Baの含浸担持
酢酸バリウムをBa量が30g/Lとなるように上記内外のコート層に含浸させ、乾燥及び焼成を施した。
【0047】
以上によって得られた比較例3の触媒が実施例触媒と相違する主な点は、BaがPt及びRhと同時含浸ではなく後含浸されていることであり(表1参照)、他は実施例1と同様である。
【0048】
−評価方法−
供試触媒に大気中で900℃で24時間の熱エージング処理を施した後に、これを固定床流通式反応評価装置に取り付ける。はじめは空燃比リーンの模擬排気ガスを触媒にNOx浄化率が安定するまで流す。次にガス組成を切り換えて空燃比リッチの模擬排気ガスを流し、しかる後にガス組成を再び空燃比リーンに切り換え、この切り換え時点から130秒間のNOx浄化率を測定し、リーンNOx浄化性能を評価する。触媒温度及び模擬排気ガス温度は350℃、そのガス組成は表2に示す通りであり、また空間速度SVは25000h-1である。
【0049】
【表2】
【0050】
結果は図2に示されている。比較例1と比較例2とはBaを後含浸したかPt等と同時含浸したかで相違し、この両触媒の浄化率差(15.5%)はBaの同時含浸による効果と認められる。また、比較例1と比較例3とはMn酸化物の有無で相違し、この両触媒の浄化率差(18.9%)はMn酸化物の添加による効果と認められる。これらに対して、Mn酸化物を有し且つBaを同時含浸させた実施例1の浄化率は、比較例2,3よりも高く、比較例1と比べると、その差は33.9%もある。
【0051】
Ba同時含浸による浄化率の上昇度とMn酸化物添加による浄化率の上昇度とを合わせると34.4%になるが、実施例1ではBa同時含浸とMn酸化物添加との組み合わせによって、NOx浄化率が各々単独での上昇度を合わせたものに匹敵する程度に上昇している、ということになる。
【0052】
触媒一般は例えば触媒金属の担持量が高くなってくると浄化率の上昇が飽和し、その浄化率が高くなるほどその浄化率をさらに高めることが難しくなるのが通常である。この点を考慮すれば、上述の如く、Ba同時含浸とMn酸化物添加との組み合わせによって、両者を合わせたような高い浄化率が得られるということは、そこに相乗的な作用があるということができる。
【0053】
実施例2の触媒においても、実施例1に匹敵する高いNOx浄化率が得られており、Co酸化物の添加とBa同時含浸との組み合わせでもMn酸化物の場合と同様のことがいえる。
【0054】
表3は内側触媒層に添加した金属酸化物の種類が触媒のNOx浄化率に及ぼす影響を比較したものである。これらの触媒の構成は金属酸化物の種類が異なるのみで、他はすべて同じである。同表によれば、TiO2 の場合も比較的高いNOx浄化率が得られており、また、Fe2 O3 でも比較例2よりはNOx浄化率が高くなっている。
【0055】
【表3】
【0056】
以上から、Ba等のNOx吸蔵材を触媒貴金属と同時含浸によって母材に担持させると調製法と、特定の金属酸化物を触媒成分として採用することとを組み合わせると、触媒が高温に晒された後におけるNOx浄化率の向上に有利である、ということができ、このことは上記実施例のような2層コート触媒に限らず、単層コート触媒や、ペレットタイプの触媒でも同様にいえることである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態の触媒構造を示す断面図。
【図2】 実施例触媒と比較例触媒とのNOx浄化率を示すグラフ図。
【符号の説明】
1 担体
2 内側触媒層
3 外側触媒層
C 排気ガス浄化用触媒
Claims (4)
- 排気ガス中のNOxの吸蔵作用を有するNOx吸蔵材と、該NOxの分解触媒作用を有する貴金属とを備えた排気ガス浄化用触媒の製造方法であって、
Mn酸化物に、上記NOx吸蔵材の溶液と上記貴金属の溶液との混合液を添加することによって該貴金属とNOx吸蔵材とを担持させることを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。 - 請求項1に記載されている排気ガス浄化用触媒の製造方法において、
上記NOx吸蔵材が、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属のうちから選択される少なくとも1種の金属であることを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。 - 請求項1に記載されている排気ガス浄化用触媒の製造方法において、
上記酸化物とアルミナとCeO2 との混合物に対して上記混合液を添加することを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。 - 担体上にMn、Co、Ti及びFeのうちから選択される少なくとも1種の金属の酸化物とアルミナとCeO2 との混合物からなる内側層を形成し、
上記内側層の上にゼオライトからなる外側層を形成した後、
アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属のうちから選択される少なくとも1種の金属よりなり排気ガス中のNOxの吸蔵作用を有するNOx吸蔵材の溶液と、該NOxの分解触媒作用を有する貴金属の溶液との混合液を上記内側層と外側層とに含浸させることによって、該NOx吸蔵材及び貴金属をこの内外両層に担持させることを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。
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