JP3884719B2 - Method for producing ceramic catalyst body - Google Patents

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Description

【0001】
【技術分野】
本発明は,自動車エンジン等の内燃機関の排気ガスを浄化する浄化用触媒体として使用することができ,特にリーンバーンエンジンやディーゼルエンジンからの排気ガス浄化用触媒体として最適なセラミック触媒体及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
従来より,自動車の排気ガス浄化用触媒に,CO及びHCの酸化とNOxの還元を同時に行って排気ガスを浄化する,いわゆる三元触媒が用いられている。
近年,地球環境保護のために,さらなる排気ガスのクリーン化とCO2排出量の低減が要求されており,燃費向上による排気ガス量の低減が可能な希薄燃焼(リーンバーン)方式エンジンが広く採用されるようになっている。
【0003】
従来の三元触媒は,リーン側(酸素過剰雰囲気)でNOxの浄化性能が低下することから,本来の機能を発揮することができず,これを補うために,NOx吸蔵還元型の排気ガス浄化用触媒が開発されている。
NOx吸蔵還元型の排気ガス浄化用触媒は,従来の三元触媒に用いられるPt,Rh等の貴金属触媒からなる主触媒に加えて,リーン雰囲気ではNOxを吸蔵し,ストイキ(理論空燃比)及びリッチ雰囲気(還元雰囲気)で吸蔵されたNOxを放出するNOx吸蔵材を助触媒として添加してなる。
【0004】
NOx吸蔵材としては,塩基性の強い,Na,K,Cs等のアルカリ金属や,Mg,Sr,Ba等のアルカリ土類金属の化合物が使用されている。
NOx吸蔵還元型の排気ガス浄化用触媒に関しては,例えば,特開平6−31139号公報に記載があり,低熱膨張で耐熱性に優れるコーディエライト等からなるセラミック担体に,γ−アルミナ等の高比表面積材料をコートし,アルカリ金属酸化物とPtとを担持させた触媒によって,リーン状態でのNOx排出量の低減が可能であることが開示されている。
ここで吸着されたNOxは,ストイキないしリッチ雰囲気でNOx吸蔵材から放出され,Ptにより浄化される。一方,排気ガス温度が高温化する傾向にあることから,排気ガス浄化用触媒の高温耐久性の向上が重要となっている。
【0005】
ところが,コーディエライト担体にアルカリ金属化合物をNOx吸蔵材として担持した排気ガス浄化用触媒は,排気ガス温度が高くなると,NOx吸蔵能の低下とコーディエライト担体の劣化を引き起こす問題があった。
これは,アルカリ金属化合物が多孔性のγ−アルミナ等よりなるコート層内を容易に通過して,コーディエライト中のSiと反応することが原因と考えられている。
【0006】
この対策として,例えば,特開平10−165817号公報では,Siを含まない低熱膨張材料からなるセラミック担体またはメタル担体を使用することが提案されている。
しかしながら,特開平10−165817号公報に例示される,α−アルミナ,ジルコニア,チタニア,リン酸チタン,チタン酸アルミニウム,ステンレス鋼,Fe−Al−Cr合金のうち,実用上十分に低い熱膨張性を示すのは,非常に密度の大きい(重い)チタン酸アルミニウムのみである。
【0007】
チタン酸アルミニウムは,車両軽量化の面で不利で,価格が高い。またメタル担体も高価である。他のセラミック材料は,熱膨張が大きく,耐熱衝撃性を考慮すると実用的ではない。
このように,コーディエライトに代わる低熱膨張率で安価な材料は,得られていないのが実情である。
【0008】
さらに,特開平10−137590号公報では,ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレートを捕集する排気ガス浄化フィルタを,コーディエライト等のセラミックフィルタにシリカ,ジルコニア,チタニア等よりなるコーティング層を設けた上に,アルカリ金属,アルカリ土類金属の硫酸塩を含む触媒成分を担持して構成しており,コーティング層によって,触媒成分のフィルタ内部への拡散が抑制されることが記載されている。
【0009】
【特許文献1】
特開平6−31139号公報
【特許文献2】
特開平10−165817号公報
【特許文献3】
特開平10−137590号公報
【0010】
【解決しようとする課題】
しかしながら,本発明者等が検討した結果,従来技術に記載されたコーティング層の材料は,排気ガス浄化用触媒の使用温度である約800℃の条件において,アルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物と反応し,さらに余剰のアルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物が内部を移動・拡散してフィルタ表面に到達可能であることが判明した。
【0011】
従って,排気ガスの最高温度が1000℃付近まで上昇する現状では,これら材料からなるコーティング層により,アルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物の拡散を抑えることは困難である。そして,上記触媒成分と反応してフィルタ基材となるコーディエライト等の組成が変化し,熱膨張係数が増加する問題は現状では充分に解決されたとは言い難い。
【0012】
本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので,低熱膨張率で高温耐久性に優れ,触媒成分がセラミック担体に拡散し難く,触媒性能の低下やセラミック担体の劣化が生じ難く,優れた触媒性能を長期にわたり維持可能なセラミック触媒体の製造方法を提供しようとするものである。
【0013】
【課題の解決手段】
第1の発明は,セラミック担体と,該セラミック担体の表面を覆い,触媒成分の拡散を抑制する触媒安定層と,該触媒安定層の表面を覆い,触媒成分を含有する触媒層とからなると共に,
上記触媒安定層の表面電位と上記触媒層の表面電位は略同一であり,かつ上記触媒安定層は使用最高温度より高温の融点を有するセラミック触媒体の製造方法において,
上記触媒安定層を構成する触媒安定層材料を準備し,
該触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合した懸濁液を作製し,
上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与すると共に上記触媒安定層材料を熱処理して上記触媒安定層を形成するに当たり,
上記懸濁液を作製する際は,上記触媒安定層材料と上記溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液の流路に衝突部を設けて,上記混合液を高圧下で衝突部に衝突させることで触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合する高圧分散混合処理を行うことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法にある(請求項1)。
【0014】
また,第2の発明は,セラミック担体と,該セラミック担体の表面を覆い,触媒成分を含有する触媒層とからなると共に,
上記触媒層は,上記触媒成分を吸引して該触媒成分の拡散を抑制可能な触媒トラップ材を含有し,かつ該触媒トラップ材は使用最高温度より高温の融点を有する,
または上記触媒層は,水蒸気改質反応により水素を上記触媒成分に供給可能な触媒活性材を含有し,かつ該触媒活性材は使用最高温度より高温の融点を有するセラミック触媒体の製造方法において,
上記触媒層を構成する触媒層材料を準備し,
該触媒層材料を溶媒に均一分散混合した懸濁液を作製し,
上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与すると共に上記触媒層材料を熱処理して上記触媒層を形成するに当たり,
上記懸濁液を作製する際は,上記触媒層材料と上記溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液の流路に衝突部を設けて,上記混合液を高圧下で衝突部に衝突させることで触媒層材料を溶媒に均一分散混合する高圧分散混合処理を行うことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法にある(請求項2)。
【0015】
また,第3の発明は,セラミック担体と,該セラミック担体の表面を覆い,触媒成分の拡散を抑制する触媒安定層と,該触媒安定層の表面を覆い,触媒成分を含有する触媒層とからなると共に,
上記触媒安定層の表面電位と上記触媒層の表面電位は略同一であり,かつ上記触媒安定層は使用最高温度より高温の融点を有するセラミック触媒体の製造方法において,
上記触媒安定層を構成する触媒安定層材料を準備し,
該触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合した懸濁液を作製し,
上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与すると共に上記触媒安定層材料を熱処理して上記触媒安定層を形成するに当たり,
上記懸濁液を作製する際は,上記触媒安定層材料と上記溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液を密閉した空間で高速に攪拌して剪断力を加える高速密閉攪拌処理を行うことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法にある(請求項5)。
【0017】
第1,第3の発明は,セラミック担体と触媒安定層と触媒層とからなるセラミック触媒体を製造する方法である。第2の発明は,セラミック担体と触媒層とからなり,触媒層が触媒トラップ材または触媒活性材を含有するセラミック触媒体を製造する方法である。
更に,第1,第2の発明は,触媒安定層材料や触媒層材料を溶媒に均一分散混合する際に高圧分散混合処理を利用する製造方法であり,第3の発明は,均一分散混合する際に高速密閉攪拌処理を用いる製造方法である。
【0018】
本発明の作用効果について説明する。
本発明において,触媒安定層(第1,第3の発明)または触媒トラップ材または触媒活性材を含む触媒層(第2の発明)は,溶媒に触媒安定層材料や触媒層材料を均一分散混合して形成した懸濁液をセラミック担体に均一に付与し,その後熱処理することで形成する。
そして,上記懸濁液の形成に高圧分散混合処理(第1,第2の発明)または高速密閉撹拝手段(第3の発明)を利用する。
【0019】
上記高圧分散混合処理や上記高速密閉攪拌処理による分散は,触媒安定層材料や触媒層材料の溶媒中での凝集,二次粒子形成を防止して,これらを一次粒子径または一次粒子径近くの粒子径を備えた状態に分散させることができる。
更に,上記高圧分散混合処理や上記高速密閉攪拌処理により作製した懸濁液は,長期間にわたって分散状態が安定し,液中での各材料の再凝集が生じ難い。
【0020】
このように,再凝集し難い懸濁液をセラミック担体に均一分散混合状態で付与することから形成した触媒安定層や触媒層は,どの部分においても均一な表面電位や均一な混合組成を備えており,よって触媒成分のセラミック担体への拡散を防止することができる。
また,触媒成分がセラミック担体に拡散し難いため,触媒成分の拡散に伴う触媒性能の低下も,セラミック担体の劣化も生じ難く,よって,長期にわたって触媒性能が変化し難いセラミック触媒体を得ることができる。
すなわち,触媒成分がセラミック担体へ拡散し難いため,触媒層において各触媒成分は均一に分散した状態を維持して存在し続けることができる。このように触媒成分が触媒層に安定して存在するため,安定した触媒性能を維持したセラミック触媒体を得ることができる。
さらに,セラミック担体として従来触媒成分の拡散発生を前提として使用できなかった低熱膨張材料からなるものを使用することが可能となって,低熱膨張率のセラミック触媒体を得ることができる。
また,セラミック触媒体を高温に加熱しても,触媒成分の拡散は促進され難いため,セラミック触媒体を構成する各材料の耐熱限界まで使用できるセラミック触媒体を得ることができる。
【0021】
また,上記高圧分散混合処理や上記高速密閉攪拌処理は,触媒安定層材料や触媒層の分散を効率的かつ連続的に行うことができる。そして,安定した分散状態を備えた懸濁液を作り出すことができる。
よって,本発明にかかる上記処理によれば,均一な懸濁液を安定的に製造し,よって安定的にセラミック触媒体を製造することができる。
【0027】
以上,本発明によれば,低熱膨張率で高温耐久性に優れ,触媒成分がセラミック担体に拡散し難く,触媒性能の低下やセラミック担体の劣化が生じ難く,優れた触媒性能を長期にわたり維持可能なセラミック触媒体の製造方法を提供することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下,第1〜第3の発明にかかる,セラミック担体,触媒層,触媒成分,触媒安定層,表面電位,使用最高温度,触媒トラップ材,触媒活性材,触媒安定層を構成する触媒安定層材料,触媒層を構成する触媒層材料,溶媒,懸濁液,高圧分散混合処理,高速密閉攪拌処理等について順次説明する。
【0029】
『セラミック担体』
第1〜第3の発明において,セラミック触媒体の基材となるのがセラミック担体である。このセラミック担体としてハニカム構造体よりなるものを用いることが好ましい。
ここにハニカム構造体とは,触媒性能を作用させたいガスの流路となる多数の孔部を備え,蜂の巣状の構造を備えた円筒形の構造である(後述する実施例1参照)。
上記セラミック担体において,触媒安定層や触媒層を形成する表面とは,ガス流路となる壁面だけでなく,壁面の内部に形成された細孔の内表面をも含むことが望ましい。
【0030】
本発明のセラミック担体として使用可能なハニカム構造体の作製例について説明する。
ハニカム構造体がコーディエライトからなる場合,コーディエライト化原料として,一般に,タルク,カオリン,アルミナ等の酸化物を使用することができる。
これらコーディエライト化原料を理論組成となるように調合し,更にバインダ,潤滑剤,保湿剤等の成形助剤及び水を添加して混練し,押出成形することにより所望の形状を備えたハニカム成形体を得る。
このハニカム成形体を大気中で加熱,脱脂した後,焼成してハニカム構造体を得る。このハニカム構造体を本発明にかかるセラミック担体として使用することができる。
なお,その他の材料からなるハニカム担体も同様に原料を調整して,作製することができる。
【0031】
『触媒層,触媒成分』
第1,第3の発明において,触媒層はγ−アルミナ等の高比表面積材料よりなるコート層に触媒成分を担持させて形成することが好ましい。
また,第2の発明にかかる触媒層は,触媒トラップ材または触媒活性材と触媒成分とを上記コート層に担持させて形成することが好ましい。
【0032】
また,内燃機関(自動車エンジンなど)の排気ガス浄化用触媒,例えば,リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンのNOx吸蔵還元型触媒に,第1〜第3の発明にかかるセラミック触媒体を適用する際は,主触媒であるPt,Rh,Pd等の貴金属触媒に,NOx吸蔵材等の助触媒を加えた触媒成分を使用することが好ましい。
【0033】
『触媒安定層』
上記触媒安定層は使用最高温度より高温の融点を有し,触媒安定層材料から形成する。触媒安定層の具体組成については前述した請求項8〜請求項11等に記載した。なお,触媒安定層材料以外に,セラミック担体,触媒層を構成する材料または該材料の原料等を加えて触媒安定層を作製することもある。
【0034】
『表面電位』
第1,第3の発明で作製したセラミック触媒体は,触媒安定層と触媒層との表面電位を略同一(すなわち略等電位)としたため,触媒層に含まれる触媒成分が電気的引力または斥力の作用を受けることなく移動しないで触媒層に安定して存在することから,セラミック触媒体の使用最高温度において触媒成分のセラミック担体内部への拡散を防止することができる。
【0035】
ここに表面電位について説明する。
各種材料の表面電位は,一般的にはゼータ電位をもって定義する。従って,本明細書においても,触媒安定層及び触媒層を構成する材料のゼータ電位を計測し,得られた計測値をそれぞれ『触媒安定層の表面電位』,『触媒層の表面電位』とする。
触媒安定層を構成する材料は触媒安定層材料であり,触媒層を構成する材料は触媒層材料である。従って,触媒安定層材料や触媒層材料の種類,組成比を調整することによって,触媒安定層と触媒層との表面電位の値が同等となるように制御することができる。
そして,触媒層材料の状態は触媒性能に影響するため,触媒安定層の種類や組成を調整することが,より触媒性能に優れたセラミック触媒体を得るためには望ましい。
【0036】
ゼータ電位の計測例について説明する。
触媒安定層材料や触媒層材料を水等の溶媒に分散した分散液を作製し,該分散液を作製する。これらの分散液を評価サンプルとして,ゼータ電位計で測定する。
ゼータ電位計の測定メカニズムにはいくつか種類がある。
例えば,電位泳動法は,外部から電場を与えて,各分散液内の分散粒子の表面電位に対応する泳動速度を計測し,泳動速度と電場から電気移動度を算出し,smoiuhowskiの式等を用いて電気移動度からゼータ電位を得る方法である。
また,ゼータ電位を計測する評価サンプル調整の際に溶媒として水を用いたが,この場合,水の水素イオン濃度(pH値,以下pHと記す)を通例pH3〜11の範囲として,任意のpHにおいてゼータ電位を計測する。
なお,pHは硝酸溶液及びアンモニア溶液で調整して,所望のpHとなるようにする。このようにしてpHに応じたゼータ電位を得ることができる。
【0037】
また,上記触媒安定層材料や触媒層材料からゼータ電位を求める方法の他,セラミック担体に形成した触媒安定層や触媒層の表面に対して流動電位法を利用してゼータ電位を計測することもできる。
ここに流動電位法は,測定するサンプルの表面に媒体を流し,発生する電位差と圧力差との関係によりゼータ電位を求める方法である。
【0038】
また,上記触媒安定層は,その表面電位を調整するために,触媒安定層を複数の触媒安定層材料を用いて多層構成として作製することができる。
すなわち,多層の触媒安定層を作製するために,各層ごとに懸濁液を用意し,各懸濁液へのセラミック担体の浸漬,乾燥,焼成の一連の工程を繰り返して多層の触媒安定層を得ることができる。
【0039】
『使用最高温度』
触媒安定層を構成する触媒安定層材料は,セラミック触媒体の使用最高温度より高い融点を有する材料とする。内燃機関の排気ガス浄化用触媒の場合,使用時の触媒温度は,通常800〜900℃程度で,最高温度1000℃付近まで上昇する。よって1000℃以上の融点を有する材料を用いる。
融点が使用最高温度未満である場合,使用最高温度で触媒安定層が溶融するため,触媒成分の拡散を抑制する効果が低下するおそれがある。
【0040】
『触媒層材料』
触媒層をγ−アルミナ等の高比表面積材料よりなるコート層に触媒成分,触媒トラップ材,触媒活性材等を担持させて形成する場合は,γ−アルミナ及び触媒成分(例えば貴金属触媒等の主触媒やNOx吸蔵材等の助触媒)が触媒層材料となる。その他,γ−アルミナの熱劣化防止のために,TiO2,ZrO2を使用することができる。
【0041】
『触媒トラップ材』
触媒層に触媒トラップ材が分散することで,次のような効果を得ることができる。
すなわち,触媒トラップ材は触媒層に担持された触媒成分を表面電位で吸引して触媒トラップ材周辺に捕捉し,触媒成分のセラミック担体内部への拡散を防止する。よって,触媒成分を触媒層中に均一に分散保持することができる。
そして,触媒成分がセラミック担体へ拡散して反応し難いため,セラミック担体の熱膨張増といった問題が生じ難く,安価で高温耐久性に優れ,安定した触媒性能を長期にわたり維持するセラミック触媒体が得られる。
また,触媒トラップ材はセラミック触媒体よりも高融点の材料で構成することが好ましい。
【0042】
また,触媒トラップ材の使用量は特に限定する必要はないが,触媒層のコート層を構成するγ−アルミナ等の高比表面積材料に対して重量で3〜30%の範囲で添加することが好ましい。
触媒トラップ材の添加量を3%以上とすることで際立った効果を得ることができ,30%を越えると添加量に応じた効果の向上がなくなり,効果が飽和する。
なお,触媒トラップ材の具体例については後述する。
【0043】
『触媒活性材』
触媒層に触媒活性材が分散することで,次のような効果を得ることができる。すなわち,触媒活性材は触媒層に担持された触媒成分を表面電位で吸引して触媒活性材周辺に捕捉し,触媒成分のセラミック担体内部への拡散を防止する。よって,触媒成分を触媒層中に均一に分散保持することができる。
そして,触媒成分がセラミック担体へ拡散して反応し難いため,セラミック担体の熱膨張増といった問題が生じ難く,安価で高温耐久性に優れ,安定した触媒性能を長期にわたり維持するセラミック触媒体が得られる。
このような効果に加えて,触媒活性剤が水蒸気改質反応により水素を触媒層に供給することで,触媒成分の表面活性が増加して触媒反応を促進させることができる。
また,触媒活性材はセラミック触媒体よりも高融点の材料で構成することが好ましい。
【0044】
また,触媒活性材は,水蒸気改質反応により生成する水素を触媒成分,特にPt,Rh等の貴金属触媒に供給する作用を有する。これにより,触媒成分の表面において活性面が増加する。活性面の増大は触媒反応を促進するため,触媒性能を高めることができる。
従って,触媒活性剤を含む触媒層を備えたセラミック触媒体は,長期にわたる高浄化性能,高活性を維持する必要のあるガソリンエンジンの三元触媒やPM(パティキュレートマター:粒子状物質)の燃焼を同時に行うディーゼルエンジンのNOx触媒,DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)等に好適に用いることができる。
【0045】
また,触媒活性材の使用量は特に限定する必要はないが,触媒層のコート層を構成するγ−アルミナ等の高比表面積材料に対して重量で3〜50%の範囲で添加することが好ましい。
触媒活性材の添加量を3%以上とすることで際立った効果を得ることができ,50%を越えると添加量に応じた効果の向上がなくなり,飽和する。
【0046】
『懸濁液』及び『溶媒』
上記懸濁液は,第1,第3の発明では,触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合して作製し,第2の発明では,触媒層材料を溶媒に均一分散混合して作製した。触媒安定層材料や触媒層材料を分散させる溶媒としては,水,アルコール,エチレングリコール,分散剤,それらの混合溶媒などを用いることができる。
【0047】
『高圧分散混合処理』,『高速密閉攪拌処理』
本発明者らは触媒安定層材料が溶媒に均一分散混合した懸濁液を得るために,または触媒層材料が溶媒に均一分散混合した懸濁液を得るために高圧分散混合処理を使用した。
上記高圧分散混合処理は,触媒安定層材料または触媒層材料と溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液を高圧下で互いに衝突させることで触媒安定層材料または触媒層材料を溶媒に均一分散混合することである。
【0048】
また,触媒安定層材料が溶媒に均一分散混合した懸濁液を得るために,または触媒層材料溶媒が溶媒に均一分散混合した懸濁液を得るために高速密閉撹拝処理を利用した。
上記高速密閉撹拝処理は,触媒安定層材料または触媒層材料と溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液を密閉した空間で高速に攪拌して剪断力を加えることで触媒安定層材料または触媒層材料を溶媒に均一分散混合することである。
【0049】
触媒安定層材料または触媒層材料を溶媒に均一分散混合して得た再凝集し難い懸濁液をセラミック担体に均一分散混合状態で付与することから形成した触媒安定層や触媒層は,どの部分においても均一な表面電位や均一な混合組成を備えており,よって触媒成分のセラミック担体への拡散を防止することができる。
【0050】
次に,第1,第2の発明において,上記高圧分散混合処理を,可動オリフィスを上下作動するよう設けてなる混合分散部にて行うに当たり,
上記混合分散部の内部に露出する可動オリフィスの先端に,上記混合分散部に圧送した混合液を高圧下で衝突させることが好ましい(請求項3)(図3,図4参照)。
【0051】
上記方法によれば,混合液が可動オリフィスに衝突した場所の近傍において圧力変化や衝撃波を形成することができる。この圧力変化や衝撃波が混合液に対し高度の微細化,分散,乳化,混合等の作用を与え,触媒安定層材料(第1の発明の場合)や触媒層材料(第2の発明の場合)を溶媒に対し効率的かつ確実に均一分散混合させて,長期間安定した分散状態にある懸濁液を作製することができる。
【0052】
また,上記可動オリフィスにより導入した混合液が流路の体積を可変に制御できるので,材料の粒径や濃度に応じて流路の体積を調整することができる。
これにより,分散混合を最適制御できかつ安定的に行うことができる。
【0053】
また,上記高圧分散処理に高圧ホモジナイザーを用いることができる。高圧ホモジナイザーだは,混合液を高圧で圧送し,高速流を形成し,該高速流による衝撃波を形成して触媒安定層材料(第1の発明の場合)や触媒層材料(第2の発明の場合)の凝集部を破壊,一次粒子の状態まで分散させることで,均一な懸濁液を得ることができる。更に,高圧で混合液を圧送することで,機械的なせん断力を混合液に加えて,触媒安定層材料(第1の発明の場合)や触媒層材料(第2の発明の場合)を溶媒に均一に分散させることができる。
【0054】
次に,第1,第2の発明において,上記高圧分散混合処理は50〜400MPaの圧力において行うことが好ましい(請求項4)。
【0055】
これにより懸濁液中の触媒安定層材料(第1の発明の場合)や触媒層材料(第2の発明の場合)を効率的かつ確実に溶媒に対し均一分散混合して,長期間安定した分散状態にある懸濁液を得ることができる。
50MPa未満では圧力が低く,溶媒への分散が不十分となったり,比較的短い時間で懸濁液に沈殿が発生するおそれがある。また,400MPaを越える圧力を混合液に付与することは困難で,コスト高となるおそれがある。よって,このような高圧は現実的な選択ではない。
【0056】
第3の発明において,上記高速密閉攪拌処理は,密閉耐圧容器と該密閉耐圧容器の内部に設けた回転軸に回転可能に取り付け,上記密閉耐圧容器の内径よりも僅かに小径の回転羽根とを有する攪拌槽において,
上記混合液を高速に攪拌して剪断力を加えることが好ましい(請求項)。
【0057】
上記触媒安定層材料または上記触媒層材料を上記溶媒に混合した混合液を作製して,該混合液を上記攪拌槽に圧送する。攪拌槽内に圧送された混合液は,密閉耐圧容器内の回転羽根が回転して形成する遠心力により密閉耐圧容器の内壁面に押し付けられる。これにより発生したずり応力による機械的なせん断力を混合液に与えることができる。
【0058】
また,上記構成において,密閉耐圧容器と回転羽根との間の隙間は大変小さいため,回転羽根の先端(内壁面に近い側の端部)付近に存在する混合液は回転羽根ですべて撹拝されて高度の微細化,分散,混合,乳化等の作用が与えられる。また,回転羽根の回転面の内外にある混合液は,混合液自体の慣性による回転運動中の速度差,渦流の発生等による混合作用を受ける。
【0059】
これによれば,触媒安定層材料(第1の発明の場合)や触媒層材料(第2の発明の場合)を溶媒に対し効率的かつ確実に均一分散混合させて,長期間安定した分散状態にある懸濁液を得ることができる。
【0060】
次に,触媒安定層の形成,触媒層の形成について説明する。
第1,第3の発明では,触媒安定層を形成し,その上に触媒層を形成する。
触媒安定層をセラミック担体に形成する一例を説明する。
高圧分散混合処理及び高速密閉撹拝手段により触媒安定層を構成する触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合して懸濁液を調製する。その後,上記懸濁液にセラミック担体を浸漬し,通常の方法で乾燥・焼成する。
【0061】
上記触媒安定層をセラミック担体の表面に均一に形成するため,触媒安定層の形成に先立って,セラミック担体の表面に中間層を形成することが好ましい。
一般に,セラミック担体表面は,焼成時に形成された多数の細孔からなる凹凸が存在するため,表面に触媒安定層を孔や亀裂等を生じることなく均一に形成することは容易ではない。
【0062】
そこで,予め中間層を形成し,セラミック担体表面の凹凸を緩和し,中間層上に触媒安定層を形成することで,孔や亀裂等のない均一な触媒安定層を得ることができる。このような触媒安定層の表面に触媒層を設けることで,触媒層中の触媒成分のセラミック担体への拡散を防止することができる。
【0063】
上記中間層を構成するセラミック材料は,特に限定されないが,使用最高温度より融点が高いセラミック材料,好ましくは1000℃以上の融点を有するセラミック材料であることが好ましい。
また,セラミック担体及び触媒安定層の熱膨張係数に近い熱膨張係数を備えたセラミック材料を選択すると,熱膨張差による応力を緩和する効果を得る。
中間層の形成方法も,触媒安定層を形成する方法と同様であり,中間層を構成するセラミックス材料を含む懸濁液に,セラミック担体を浸漬し,乾燥・焼成することで中間層を得ることができる。
【0064】
なお,触媒安定層及び中間層を形成するセラミック粒子は,一次粒子の平均粒径が,セラミック担体の平均細孔径(通常5μm程度)以下,好ましくは平均細孔径の10分の1以下とすることが好ましい。これにより,セラミック担体の細孔表面の凹凸形状に沿って触媒安定層及び中間層を均一かつ容易に形成することができる。
なお,ここでいうところの細孔とは,セラミック担体の表面及び表面から内部へ連通する空間に形成される孔部をさし,不定形の孔空間である。
【0065】
また,触媒安定層及び中間層はセラミック担体の細孔を埋めることなく,細孔の表面を薄く覆うように形成することが好ましく,またこの時の厚みは例えば,1〜3μm程度とすることが好ましい。
仮に細孔が触媒安定層及び中間層で埋められると,熱膨張差により亀裂等が生じやすくなる。また,その上に触媒層を形成する際のアンカー効果が期待できず,触媒層の接着力が低下するおそれがある。
【0066】
また,触媒層を触媒安定層の表面に形成する方法としては,例えば触媒成分をγ−アルミナ等の高比表面積材料を含むスラリー中に分散させ,セラミック担体にコート層を形成すると同時に触媒成分を同時に担持形成することができる。
また,触媒安定層を設けたセラミック担体の表面をγ−アルミナ等の高比表面積材料よりなるコート層で覆い,その後,触媒成分を含む溶液に浸漬,乾燥してコート層に触媒成分を担持させることもできる。
【0067】
また,第2の発明では,セラミック担体の表面に触媒成分と共に触媒トラップ材または触媒活性材を含む触媒層を形成するが,この触媒層形成には上記触媒安定層形成と同様の手順を利用することができる。
すなわち,γ−アルミナを含むスラリー中に触媒成分や触媒トラップ材または触媒活性材を均一分散混合させ,本発明にかかる懸濁液を得て,該懸濁液にセラミック担体を浸漬,乾燥して触媒層を担持形成することができる。
【0068】
また,第1〜第3の発明において,上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与する際は,上記懸濁液に超音波を与えることが好ましい(請求項)。
これにより,懸濁液中での触媒安定層材料(第1,第3の発明)や触媒層材料(第2の発明)の凝集,二次粒子形成を防止して,一次粒子または一次粒子径程度の粒子径を備えた分散状態を維持することができる。
【0069】
第1,第3の発明において,上記触媒安定層は,元素周期律表第1B族,第2B族,第3A族,第3B族,第4A族,第5A族,第6A族,第7A族及び第8族の元素から選択される少なくとも1種以上の元素を含む材料からなることが好ましい(請求項)。
これら元素を含む材料を含ませることで,触媒安定層の表面電位を触媒層の表面電位と同等電位に容易に制御することができる。
【0070】
また,上記触媒安定層は,La,Y,Sc,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Yb,Lu,Al,Ga,Zn,Cu,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Mn,Tc,Re,Fe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir及びPtから選択される少なくとも1種以上の元素を含む材料からなることが好ましい(請求項)。
【0071】
そして,これら元素から任意に選択した1種以上の元素を含む化合物,例えば,酸化物及び複合酸化物等を,触媒安定層に用いることができる。
具体的には,上記触媒安定層は,Y23,Sc23,TiO,Cr23,MnO,Mn23,Mn25,Fe 2 3,Fe34,Co34,NiO,ZnO,CuO,Ga23,ZrO2,Zr23,Nb25,SnO2,CeO2,Pr23,PrO4,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,H 23,Er23,Tm23,Yb23,Lu23,HfO2,Ta25 及びAl23から選択される1種以上の材料からなることが好ましい(請求項10)。
【0072】
中でも,上記触媒安定層は,Y23及びCeO2の少なくとも一方を含むことがもっとも好ましい(請求項11)。この物質は,触媒安定層と触媒層の表面電位を同等に保ち,触媒成分の拡散・拡散を抑制する効果が非常に高い。
【0073】
また,酸化物(複合酸化物)以外にも,炭化物,窒化物等の非酸化物(複合非酸化物でも使用できる)を用いることも可能であり,これらの複合材料も触媒安定層の構成材料として使用することができる。
このように触媒成分を含有する触媒層の表面電位に応じて,上述した化合物から適当な物質を選択したり,複数の化合物を選択して適当な組成比で組み合わせて,触媒安定層と触媒層の表面電位を同等となるように制御する。
【0074】
また,第2発明において,上記触媒トラップ材は,平均一次粒子径が500nm以下である粉末よりなることが好ましい(請求項12)。
平均一次粒子径が500nm以下の微粒子を触媒トラップ材は単位重量当たりの表面積が大きいため,少量の添加で本発明にかかる効果を得ることができ,材料費の節約を図ることができる。
なお,平均一次粒子径が10nm未満であるものは,粒子同士の凝集や二次粒子形成が生じ,均一分散混合が困難となるおそれがあるため,触媒トラップ材の下限径は10nmとすることが好ましい。
【0075】
また,第2の発明において,上記触媒トラップ材は,Y23,Sc23,NiO,ZnO,CuO,CeO2,Pr23,PrO4,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,Ho23,Er23,Tm23,Yb23,Lu23及びAl23から選択される1種以上の材料からなることが好ましい(請求項13)。
上記材料からなる触媒トラップ材は,触媒層に均一に分散しているだけで,触媒層のほかの成分(触媒成分等)と反応し難い。従って,副生成物等の形成もなく,安定した触媒特性を備えた触媒層を得ることができる。
【0076】
また,第2の発明において,上記触媒活性材は,ランタノイド元素から選択される少なくとも1種以上の元素を含む材料からなることが好ましい(請求項14)。
この材料は高い選択性で水蒸気改質反応が起こり,効率よく水素を触媒層に供給できる。
更に,上記元素を含む材料の具体例としては,Y23,CeO2,Pr23,PrO4,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,Ho23,Er23,Tm23,Yb23及びLu23から選択される1種以上の材料を挙げることができる(請求項15)。
これらの材料はいずれも熱的に安定した酸化物材料である。従って,高温で長期使用した際にセラミック触媒体の熱劣化が生じ難い。
【0077】
また,特に好ましい化合物は,特に水蒸気改質反応に高活性で,効率よく水素を上記触媒層に供給できる,少なくともCeの酸化物または複合酸化物から選択される1種以上の材料である(請求項16)。
Ceの酸化物または複合酸化物は,酸素の吸着・脱離性能に優れた特性を有し,水蒸気改質反応が円滑に進行するためと考えられる。
【0078】
更に,上記触媒活性材は,CeO2と,Y23,TiO2,ZrO2及びAl23から選択される1種以上の酸化物を混合してなる混合酸化物からなることが好ましい(請求項17)。
また,CeO2は,特に水蒸気改質反応に高活性で,Y23,TiO2,ZrO2及びAl23の1種以上を選択して混合した混合酸化物とすることで,より選択的に水蒸気改質反応を起こし,効率よく水素を触媒層に供給できる。
【0079】
なお,触媒活性材として例示した上記材料の中には触媒トラップ材として機能する材料もある。このように触媒活性剤と機能トラップ材と双方を含む触媒層を得ることもできる。
この場合,触媒成分に水素を供給して活性を高める効果に加えて,触媒成分を吸引,捕捉して拡散を抑制してセラミック担体を守ることができる。
【0080】
また,第1〜第3の発明において,上記触媒成分は,アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素から選択される少なくとも1種以上の元素からなる化合物を含むこと(請求項18)が好ましい。
これら金属元素の化合物は高いNOx吸蔵効果を有する。そのため,触媒成分がこれらの化合物を含むことで,排気ガス浄化用触媒として本発明にかかるセラミック触媒体を用いることができる。
【0081】
また,上記化合物の中でも,特にLi,Na,K,Ba,Rb,Be,Mg,Ca及びSrから選択される少なくとも1種以上の元素からなる化合物を含むことが好ましい(請求項19)。
具体的には,上記元素にかかる酸化物や酢酸塩,硝酸塩,硫酸塩等の塩,これらの酸化物や塩からなる複合化合物等を使用することができる。
更に好ましくは,NOx吸蔵能に優れるBa,K,Liを含む化合物,例えば,酢酸バリウム,酢酸カリウム,硝酸リチウム等を好適に用いることができる。
なお,ここで挙げた触媒成分は一例であり,他の目的に使用するセラミック触媒体を作製する際には異なる触媒成分からなる触媒層を採用する。
【0082】
また,上記セラミック担体は熱膨張係数が1.5×104/℃以下であることが好ましい(請求項20)。
このようなセラミック担体は,耐熱衝撃性が高く,高温の排気ガスが流入する排気ガス浄化用触媒に使用した際に熱衝撃破壊が生じ難い。
熱膨張係数が1.5×104/℃より大きい場合は,耐衝撃性が悪化して高温耐久性が劣化するおそれがある。
また,上記熱膨張係数の下限は,一般にセラミック触媒体は金属ハウジング内に固定して使用することから,著しく収縮して固定が困難とならないように0以上とする,すなわち熱で収縮しないようにすることが好ましい。
【0083】
また,上記セラミック担体はコーディエライトを含有することが好ましい(請求項21)。
セラミック担体として熱膨張係数の低いコーディエライト材料を用いることで,耐熱衝撃性に優れたセラミック触媒体を得ることができる。熱衝撃性に優れた触媒体は高温の排気ガスが流入する排気ガス浄化用触媒に使用した際に熱衝撃破壊が生じ難い。
また,コーディエライトは高温耐久性に優れる材料である。従って,触媒層の触媒成分の性能を長期に渡り維持することができる。更に,コーディエライトは安価であり,製造コストを引き下げることもできる。
【0084】
なお,コーディエライトとは,2MgO・2Al23・5SiO2の化学式で表される複合酸化物であり,低熱膨張材料で耐熱性に優れかつ安価である。
また,セラミック担体として,例えば,SiC,Si34等のSiを含むセラミック材料からなるものを用いることもできる。
【0087】
【実施例】
以下に,図面を用いて本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
本発明にかかるセラミック触媒体について,図1,図2を用いて説明する。
本例にかかるセラミック触媒体1は,セラミック担体と,該セラミック担体の表面を覆い,触媒成分の拡散を抑制する触媒安定層12と,該触媒安定層12の表面を覆い,触媒成分を含有する触媒層13とからなると共に,上記触媒安定層12の表面電位と上記触媒層13の表面電位は略同一であり,かつ上記触媒安定層12は使用最高温度より高温の融点を有する。
【0088】
このセラミック触媒体1を製造する際は,まず上記触媒安定層12を構成する触媒安定層材料を準備して,該触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合した懸濁液を作製する。次いで,上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与すると共に上記触媒安定層材料を熱処理して上記触媒安定層12を形成する。
そして,上記懸濁液を作製する際は,上記触媒安定層材料と上記溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液を高圧下で互いに衝突させることで触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合する高圧分散混合処理を行う。
【0089】
以下,詳細に説明する。
図1,図2に示すごとく,本例にかかるセラミック触媒体1は,コーディエライトからなるセラミック担体を基材とし,その表面にシリカからなる中間層(図示略)を形成し,該中間層の表面に触媒安定層12を形成し,該触媒安定層12の表面に触媒層13を形成してなる。
そして,本例のセラミック触媒体は自動車エンジンの排気管に設置して,エンジンから排出される排気ガス浄化に使用する。
【0090】
セラミック担体はハニカム構造体で,図1,図2に示すごとく,触媒を作用させる排気ガスの流路となる多数の孔部10を有し,触媒安定層12を形成する表面は,ガス流路に面する孔部10の壁面100である。また,図2に示した矢線Zは,触媒を作用させる排気ガスの流路となる方向である。
図1(a)は孔部10を拡大した状態の説明図である。このように壁面100を覆うように触媒安定層12が,さらに触媒安定層12を覆うように後述する触媒成分を含む触媒層13が形成されている。なお,図1(b)は,壁面100を更に拡大して図示した。
【0091】
上記触媒安定層12はCeO2とY23とからなり,上記触媒層13はγ−アルミナからなるコート層に主触媒及び助触媒からなる触媒成分を担持してなる。上記触媒層13におけるγ−アルミナからなるコート層の表面は凹凸面であり,該凹凸面に触媒成分が物理吸着している。
主触媒は貴金属触媒で,助触媒はNOx吸蔵材である。具体的には,主触媒はPtとRhからなり,助触媒はカリウム化合物(K2O)からなる。上記主触媒は従来から知られた三元触媒であり,助触媒はリーン雰囲気でNOxを吸蔵し,ストイキ(理論空燃比)及びリッチ雰囲気(還元雰囲気)で吸蔵されたNOxを放出するNOx吸蔵材である。
また,触媒層13の表面電位と触媒安定層12の表面電位は略等しく,本例のセラミック触媒体の実使用域のpH7〜10において,双方共にpH7では2mV,pH8で−2mV,pH9で−7mV,pH10で−7mVである。
ここに表面電位の測定方法について説明すると,表面電位を測定したい触媒層や触媒安定層の評価サンプルを準備して,pH5〜11の範囲に希塩酸溶液及び水酸化カリウム溶液で調整して,表面電位の代用値であるゼータ電位を測定する。
【0092】
ゼータ電位の測定は,ゼータ電位測定装置(日本シーベルヘグナー EKA)を用いて流動電位法にて計測した(測定温度:23〜25℃,pH調整溶液:0.01N−HCl及び0.01N−KOH)。
測定の手順は以下に示す。
1)評価サンプル(板状,21mm×60mm×2mm)をゼータ電位測定装置の評価部のキャピラリー管内に配置する。
2)圧縮空気で一定圧力で電解溶液(0.01N−HCl及び0.01N−KOH)をキャピラリー管に押し出す。
3)発生する流動起電力を計測する。
以下,キャピラリー管に発生する流動起電力を,差圧を変えながら測定する。
また,評価する電解液のpH値は0.01N−HCl及び0.01N−KOH溶液を調整して,酸性側及びアルカリ側のpHで流動起電力を計測する。なお,pH値は測定終了時の値を用いた。
【0093】
次に,本例にかかるセラミック触媒体の製造方法について説明する。
まずハニカム構造体のセラミック担体を作製する。
コーディエライト化原料として,タルク,カオリン,アルミナ及び水酸化アルミニウムを作製し,これら原料粉末をコーディエライト理論組成点付近となるように調合した。
調合原料に,バインダ,潤滑剤,保湿剤及び水分を適量添加し,混練した。混練物を壁厚100μm,セル密度400cpsi(1平方インチ当たりの孔部の個数),直径50mmのハニカム成形体として押出成形した。
このハニカム成形体を大気雰囲気で800℃まで加熱して脱脂した後,1390℃で2時間かけて焼成した。これによりセラミック担体を得た。
【0094】
次に,セラミック担体に中間層を設ける。
この中間層は触媒安定層の均一なコーティングを可能とするために,セラミック担体をシリカゾル(日産化学(株)製,コロイダルシリカ)液に浸漬してコーティングし,乾燥,焼成により形成した。
【0095】
次に,触媒安定層を形成する。
触媒安定層材料として,いずれも平均粒子径が100〜300nmの超微粒子(シーアイ化成(株)製,ナノテック超微粒子)を用いた。この超微粒子はCeO2とY23とからなり,いずれも融点が1000℃以上である。
そして,上記超微粒子を純水(本例は純水を溶媒として用いた)に分散均一混合させて,懸濁液を調整した。
【0096】
本例にかかる懸濁液は,高圧分散混合処理を利用して作製した。
すなわち,本例は高圧分散混合処理において高圧ホモジナイザーを用いるが,高圧ホモジナイザー内に純水に触媒安定層材料を混合した混合液を高圧で圧送し,高速流を形成し,該高速流による衝撃波を形成して溶媒中における触媒安定層材料の凝集部を破壊,一次粒子の状態まで触媒安定層材料を分散させることで,均一な懸濁液を作製する。
更に,高圧ホモジナイザーへの圧送は高圧で行われるため,圧送時に機械的な剪断力を混合液に加えることができる。この剪断力も混合液中の触媒安定層材料の分散に有効である。
なお,この時の高圧ホモジナイザー内部の圧力は200MPaであった。
【0097】
以上の要領で作製した懸濁液中に,中間層を設けたセラミック担体全体を浸漬し,次いで懸濁液からこれを引き上げて乾燥させる。これにより,懸濁液をセラミック担体の表面に均一に付与した。
乾燥後,大気中,1000℃で焼成することで,懸濁液中の触媒安定層材料を焼結させて,表面に触媒安定層を持つセラミック担体を得た。
【0098】
次いで,触媒安定層を備えたセラミック担体に触媒層を形成する。
まず,γ−アルミナと触媒成分である主触媒(Pt,Rh),助触媒(K2O)を溶媒の水に懸濁させてスラリー化した。このスラリーを上記触媒安定層を備えたセラミック担体をコートし,乾燥後,大気中,1000℃で焼成し,表面に触媒層を形成した。
これにより本例にかかるセラミック触媒体を得た。
【0099】
本例にかかる作用効果について説明する。
本例にかかるセラミック触媒体は,触媒安定層形成に使用する懸濁液を得る際に高圧分散混合処理を利用した。また,上記処理を行うにあたり,高圧ホモジナイザーを使用した。
【0100】
上記高圧分散混合処理による分散は,触媒安定層材料の溶媒中での凝集,二次粒子形成を防止して,これらを一次粒子径または一次粒子径近くの粒子径を備えた状態に分散させることができる。
更に,上記高圧分散混合処理により作製した懸濁液は,長期間にわたって分散状態が安定し,液中での各材料の再凝集が生じ難い。
【0101】
このような特性を備えた懸濁液から得た触媒安定層は触媒成分のセラミック担体への拡散を防止することができる。
そして,触媒成分がセラミック担体に拡散し難いため,触媒成分の拡散に伴う触媒性能の低下も,セラミック担体の劣化も生じ難く,よって,長期にわたって触媒性能が変化し難いセラミック触媒体を得ることができる。
【0102】
さらに,セラミック担体として従来触媒成分の拡散発生を前提として使用できなかった低熱膨張のコーディエライトからなるものを使用することが可能となって,低熱膨張率のセラミック触媒体を得ることができる。
また,セラミック触媒体を高温に加熱しても,触媒成分の拡散は促進され難いため,セラミック触媒体を構成する各材料の耐熱限界まで使用できるセラミック触媒体を得ることができる。
【0103】
よって,本例の製造方法によれば,低熱膨張率で高温耐久性に優れ,触媒成分がセラミック担体に拡散し難く,触媒性能の低下やセラミック担体の劣化が生じ難く,優れた触媒性能を長期にわたり維持可能なセラミック触媒体を得ることができる。
【0104】
また,懸濁液を作成する際の高圧分散混合処理を,図3,図4に示すごとき,可動オリフィス24を上下作動するよう設けてなる混合分散部22にて行うことができる。
図4に示すごとく,ここで使用する高圧分散混合処理装置2は,混合分散部22の内部に露出する可動オリフィス24の先端240に,上記混合分散部22に圧送した混合液を高圧下で衝突させる。
図3に示すごとく,配管e1,e2,e3で結合された混合分散部22と貯蔵槽23との間で懸濁液(混合液)を循環させて上記の操作を行う。
配管e1から入った懸濁液(混合液)は先端240に衝突して分岐して二つの出口221,222から流出して配管e3で合流し,貯蔵槽23に戻る。貯蔵槽23から配管e2及びe1を通じて再び懸濁液は上記混合分散部22に循環する。
そして,高圧ポンプ21は可動オリフィス24の駆動用に設けてあり,該高圧ポンプ21及び可動オリフィスは矢線d1,d2にかかる圧縮空気で駆動させる。
【0105】
(実施例2)
本例は実施例1と異なる方法で触媒安定層を形成する懸濁液を作製する。
本例では懸濁液の作製に,触媒安定層材料と溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液を密閉した空間で高速に攪拌して剪断力を加える高速密閉攪拌処理を利用して,触媒安定層材料のCeO2とY23とを溶媒である純水に均一分散混合する。
すなわち,図5,図6に示すごとく,密閉耐圧容器314と該密閉耐圧容器314の内部に設けた回転軸312に回転可能に取り付け,上記密閉耐圧容器314の内径よりも僅かに小径の回転羽根313とを有する攪拌槽31において,混合液を高速に攪拌して剪断力を加えることにより行った。
【0106】
以下,詳細に説明する。
本例において,触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合した懸濁液を得る高速密閉攪拌処理は,高速ミクサー装置(T.K.フィルミクス80−50型,特殊機化工業製)を用いて行った。これにより触媒安定層材料の一次粒子径,または一次粒子径近くの粒子径まで分散した均一性の高い懸濁液を得た。
なお,本例では,実施例1と同様に,超微粒子CeO2とY23(シーアイ化成製)を純水に均一混合させて調整した混合液を用いる。
【0107】
図5,図6に示すごとく,高速ミクサー装置3は,密閉耐圧容器314と該密閉耐圧容器314の内部に設けた回転軸312に回転可能に取り付け,上記密閉耐圧容器314の内径よりも僅かに小径の回転羽根313とを有する攪拌槽31貯蔵槽32,ポンプ装置33と,これらを結ぶ配管a1〜a4からなる。
また,図6に示すごとく,上記の高速ミクサー装置3では,密閉耐圧容器314の外面に冷却部34を構成して冷却水b1,b2を流すことで密閉耐圧容器31内が高温となることを抑制している。
特に,高速ミクサー装置3は液媒での混合・分散・乳化を目的とし,本例では水を液媒として使用するため,水の沸点である100℃以下で運転し,好ましくは60℃程度以下で運転する。
【0108】
図6に示すごとく,上記密閉耐圧容器314は流路入口315と流路出口316とを有する。
また,上記攪拌槽31内に高速モータ311に接続した回転軸312を設置して,該回転軸312は上記密閉耐圧容器314と同心状に配置する。
この回転軸312に密閉耐圧容器314より僅かに小径の回転羽根313を取り付けてなる。
なお,図5,図6においては分かりやすく記載するために回転羽根313と密閉耐圧容器314との間を広く記載したが,実際は2mm程度と非常に狭い。
【0109】
上記高速ミクサー装置3において,混合液は流路a1〜a4で接続された,密閉耐圧容器314と貯蔵槽32,ポンプ33との間を循環する。
密閉耐圧容器314内において,上記混合液は回転羽根313のエネルギーを受けて回転し,遠心力で密閉耐圧容器314の内面に圧着されて圧力が上昇し,中空の薄膜状になって回転する。
【0110】
この混合液の回転は,回転羽根313に接触する部分のみならず,回転羽根313で回転された混合液の動きにつられて回転羽根313から離れた部分で生じ,また密閉耐圧容器内314に空気が存在するときは,該空気の回転を介して混合液に回転が伝達される。
回転羽根313の回転速度は混合液の回転速度より大きく,密閉耐圧容器314と回転羽根313の隙間は小さいから,回転羽根313の端部付近に存在する混合液は回転羽根313ですべて攪拌されて高度の微細化による分散・混合・乳化等の作用が生じる。
【0111】
そして,この回転羽根313の回転面の内外にある混合液は,該混合液自体の慣性による回転運動中の速度差,渦流の発生等によっても分散,混合,乳化等の作用を受ける。
以上により,混合液は密閉耐圧容器314と貯蔵槽32,ポンプ33との間を循環する間に分散,混合の作用を受けて,均一分散混合した懸濁液となる。
製造方法のその他詳細については実施例1と同様である。
【0112】
本例は懸濁液の作製を高速密閉攪拌処理を利用して行うため,触媒安定層材料の溶媒中での凝集,二次粒子形成を防止して,これらを一次粒子径または一次粒子径近くの粒子径を備えた状態に分散させることができる。
更に,上記高圧分散混合処理により作製した懸濁液は,長期間にわたって分散状態が安定し,液中での各材料の再凝集が生じ難い。
【0113】
このような特性を備えた懸濁液から得た触媒安定層は触媒成分のセラミック担体への拡散を防止することができる。
そして,触媒成分がセラミック担体に拡散し難いため,触媒成分の拡散に伴う触媒性能の低下も,セラミック担体の劣化も生じ難く,よって,長期にわたって触媒性能が変化し難いセラミック触媒体を得ることができる。
さらに,セラミック担体として従来触媒成分の拡散発生を前提として使用できなかった低熱膨張のコーディエライトからなるものを使用することが可能となって,低熱膨張率のセラミック触媒体を得ることができる。
また,セラミック触媒体を高温に加熱しても,触媒成分の拡散は促進され難いため,セラミック触媒体を構成する各材料の耐熱限界まで使用できるセラミック触媒体を得ることができる。
【0114】
よって,本例の製造方法によれば,低熱膨張率で高温耐久性に優れ,触媒成分がセラミック担体に拡散し難く,触媒性能の低下やセラミック担体の劣化が生じ難く,優れた触媒性能を長期にわたり維持可能なセラミック触媒体を得ることができる。
その他詳細は実施例1と同様である。
【0115】
(実施例3)
本例のセラミック触媒体は,セラミック担体と,該セラミック担体の表面を覆い,触媒成分を含有する触媒層とからなる。
セラミック担体はハニカム構造体で,図7(a)に示すごとく,触媒を作用させる排気ガスの流路となる多数の孔部10を有し,触媒層13は,ガス流路に面する壁面100に形成する。図7(b)は孔部10を拡大した状態の説明図である。このように壁面100を覆うように触媒成分と触媒トラップ材131を含む触媒層13が形成されている。なお,図1(b)は,孔部10付近を更に拡大して図示した。
【0116】
上記触媒層はγ−アルミナからなるコート層に主触媒及び助触媒からなる触媒成分と上記触媒成分の拡散を防止する触媒トラップ材を担持してなる。
主触媒は貴金属触媒で,助触媒はNOx吸蔵材である。具体的には,主触媒はPtとRhからなり,助触媒はカリウム化合物(K2O)からなる。
触媒トラップ材は平均粒子径が100〜300nmの超微粒子(シーアイ化成(株)製,ナノテック超微粒子)のCeO2で,コート層を構成するγ−Al23に対して重量で10%(外%)添加してなる。
【0117】
次に,本例にかかるセラミック触媒体の製造方法について説明する。
実施例1と同様の方法でセラミック担体を作製し,実施例1に示した高圧分散混合処理を利用して,触媒トラップ材とγ−Al23とを純水に加えた懸濁液を作製した。また,この懸濁液を作製するに,実施例2に示した高速密閉攪拌処理を利用することもできる。
得られた懸濁液にセラミック担体を浸漬し,乾燥した後焼成して,触媒層を備えたセラミック触媒体を得た。製造方法のその他詳細は実施例1と同様である。
【0118】
本例にかかるセラミック触媒体において触媒層は触媒トラップ材を含有する。高圧分散混合処理による分散は,触媒層材料となるγ−アルミナや触媒トラップ材の溶媒中での凝集,二次粒子形成を防止して,これらを一次粒子径または一次粒子径近くの粒子径を備えた状態に分散させることができる。
更に,上記高圧分散混合処理により作製した懸濁液は,長期間にわたって分散状態が安定し,液中での各材料の再凝集が生じ難い。
【0119】
このような特性を備えた懸濁液から得た触媒層は触媒層の全体に均一に触媒トラップ材が含有されてなり,従って触媒成分のセラミック担体への拡散を防止することができる。
すなわち,この触媒トラップ材は,触媒層に担持された触媒成分を表面電位で吸引して触媒トラップ材周辺に捕捉して,セラミック触媒体の使用温度において触媒成分のセラミック担体内部への拡散を防止できる。よって,触媒成分を触媒層中に均一に分散保持することができる。
【0120】
そして,触媒成分がセラミック担体に拡散し難いため,触媒成分の拡散に伴う触媒性能の低下も,セラミック担体の劣化も生じ難く,よって,長期にわたって触媒性能が変化し難いセラミック触媒体を得ることができる。
さらに,セラミック担体として従来触媒成分の拡散発生を前提として使用できなかった低熱膨張のコーディエライトからなるものを使用することが可能となって,低熱膨張率のセラミック触媒体を得ることができる。
また,セラミック触媒体を高温に加熱しても,触媒成分の拡散は促進され難いため,セラミック触媒体を構成する各材料の耐熱限界まで使用できるセラミック触媒体を得ることができる。
【0121】
よって,本例の製造方法によれば,低熱膨張率で高温耐久性に優れ,触媒成分がセラミック担体に拡散し難く,触媒性能の低下やセラミック担体の劣化が生じ難く,優れた触媒性能を長期にわたり維持可能なセラミック触媒体を得ることができる。
その他詳細は実施例1と同様である。
【0122】
なお,本例は触媒層にトラップ材を含有させたが,これの代わりに触媒活性材を含有させた触媒層を設けることもできる。
この場合,触媒活性材は平均粒子径が100〜300nmの超微粒子(シーアイ化成(株)製,ナノテック超微粒子)のCeO2とAl23とを1対1で混ぜたもので,触媒層を構成するγ−Al23に対して重量で10%(外%)を添加した。
【0123】
触媒活性材が水蒸気改質反応により水素を触媒層に供給することで,触媒成分のセラミック担体内部への拡散を防止することができる。
従ってセラミック触媒体の使用温度において触媒成分のセラミック担体内部への拡散を防止できる。よって,触媒成分を触媒層中に均一に分散保持できる。
そして,触媒成分がセラミック担体へ拡散して反応し難いため,セラミック担体の熱膨張増といった問題が生じ難く,安価で高温耐久性に優れ,安定した触媒性能を長期にわたり維持するセラミック触媒体が得られる。
その他詳細は実施例1と同様である。
【0124】
(実施例4)
本発明にかかるセラミック触媒体の性能を比較試料と共に説明する。
試料1〜8,比較試料C1,C2にかかるセラミック触媒体は,実施例1にかかるセラミック担体の表面にシリカよりなる中間層を,該中間層の表面にCeO2とイットリア(Y23)からなる触媒安定化層を,更にその表面にγ−アルミナのコート層と触媒成分とからなる触媒層を設けてなる。
【0125】
触媒成分は主触媒(貴金属触媒)のPt,Rh,Pdからなり,助触媒(NOx吸蔵材)はカリウム化合物(K2O)からなる。これらの触媒成分がコート層表面に物理吸着することで触媒層が形成される。また,触媒層の表面電位と触媒安定層の表面電位が略等しく,本例のセラミック触媒体の実使用域のpH7〜10において,双方共にpH7では2mV,pH8で−2mV,pH9で−7mV,pH10で−7mVである(詳細は実施例1参照)。
【0126】
試料1〜5にかかるセラミック触媒体は,実施例1に記載した高圧分散混合処理にて触媒安定層用の懸濁液を作製した。高圧分散混合処理に用いた装置は高圧ホモジナイザー(Emulsi Flex (R) C−5,AVESTIN社製)で,圧力を少しずつ変えてある。
試料6〜8にかかるセラミック触媒体は,実施例2に記載した高速ミクサー装置(T.K.フィルミクス80−50型,特殊機化工業製)を利用して触媒安定層用の懸濁液を作製した。回転羽根(実施例2参照)は30,40,50M/秒(単位はrpm)と少しずつ変えてある。
【0127】
また,比較試料1は従来の分散方法であるプロペラ攪拌混合を(後述する比較例1),比較試料2は従来の分散方法である媒体撹拝ミル(後述する比較例2)を利用して懸濁液を作製した。
【0128】
そして各試料1〜8,比較試料1,2を作製する際の懸濁液作製条件と得られた懸濁液の状態との関係について,表1に記載した。
表1において懸濁液の濃度は,重量%濃度で全懸濁液重量に対する分散している粒子の重量比である。そして,各懸濁液の作製条件と懸濁液の濃度において,懸濁液中に分散した粒子(触媒安定層材料となるCeO2とイットリア(Y23))の粒径は,マイクロトラック(UPA150,日機装製)粒度分析計でレーザードップラー法で濃度ごとに測定した。
【0129】
以上の測定結果より,従来の分散方法と比較して,本発明にかかる高圧分散混合処理や高速密閉攪拌処理を利用した分散は,非常に細かな粒径の分散状態が得られることがわかった。
なお,CeO2とイットリア(Y23)の一次粒子の粒径は理論的には,CeO2は50nm(0.05μm),Y23は150nm(0.15μm)程度であると考えられるため,高圧分散混合処理や高速密閉攪拌処理による懸濁液中の粒子は平均一次粒子かそれに近い状態にあることが分かった。
【0130】
【表1】

Figure 0003884719
【0131】
次に,試料1〜8,比較試料1,2のセラミック触媒体に対し実機エンジンからの排気ガスによる耐久試験を実施した。また,各試料の作成に用いた懸濁液の濃度は10%とした。
耐久試験は,セラミック触媒体に実機エンジンを用いて900℃で10時間,排気ガスを導入して行った。そして,NOx吸蔵量,セラミック触媒体の流路方向(図2に記載)の熱膨張係数をそれぞれ測定し,表2に記載した。
表2におけるNOx吸蔵量は,触媒安定層のないセラミック触媒体(耐久後)のNOx吸蔵量を1として,これに対する比で記載した。
また,熱膨張係数は押棒式熱膨張計法で,25℃から800℃の間の平均の熱膨張係数で評価した。
【0132】
表2から明らかなように,従来のプロペラ混合や媒体攪拌ミルで得た懸濁液より触媒安定層を形成した比較試料1では,熱膨張係数が1.75×10-6/℃,比較試料2では,1.56×10-6/℃と高かった。
比較試料1や2にかかるセラミック触媒体について,耐久試験後のセラミック担体をEPMA(=電子線マイクロアナライザー)で分析した結果,コーディエライト構造中にNOx吸蔵材に含まれるカリウムが移動,拡散していることが確認され,セラミック担体の組成が変化(副生成物を形成)して熱膨張係数が増加したことが確認された。
【0133】
これに対し,表2に示されるように,試料1〜8のセラミック触媒体は,いずれも流路方向の熱膨張係数が1.5×10-6/℃以下と実用上十分に低い。また,NOx吸蔵量(耐久後)は,比較試料1及び2に比べ多くなっており,長期にわたり触媒性能が維持できることがわかった。
また,試料1〜8のセラミック触媒体の触媒成分,特にカリウム化合物の分散状態をEPMAで分析した結果,いずれの試料もカリウム化合物が触媒層中にほぼ均一に分散していることが確認された。これは試料1〜8のセラミック触媒体では,触媒安定層によりカリウムの移動,拡散が防止され,セラミック担体を構成するコーディエライトとカリウム化合物の反応が生じていないことを示している。
【0134】
【表2】
Figure 0003884719
【0135】
(実施例5)
本例は,実施例1と同様のセラミック担体の表面にシリカよりなる中間層を,該中間層の表面にγ−アルミナのコート層と触媒成分,触媒トラップ材からなる触媒層を設けてなるセラミック触媒体について性能を評価した。
【0136】
上記触媒層はγ−アルミナからなるコート層に主触媒及び助触媒からなる触媒成分と上記触媒成分の拡散を防止する触媒トラップ材を担持して構成する。
主触媒は貴金属触媒で,助触媒はNOx吸蔵材である。具体的には,主触媒はPtとRhからなり,助触媒はカリウム化合物(K2O)からなる。
触媒トラップ材は平均粒子径が100〜300nmの超微粒子(シーアイ化成(株)製,ナノテック超微粒子)のCeO2で,触媒層を構成するγ−Al23に対して重量で10%(外%)を添加した。
【0137】
試料9〜13は,実施例1に記載した高圧分散混合処理を利用して懸濁液を作製した。各試料において高圧分散混合処理に用いた装置は高圧ホモジナイザーで,圧力を少しずつ変えてある。
試料14〜16は,実施例2に記載した高速密閉攪拌処理を利用して懸濁液を作製した。各試料において回転羽根(実施例2参照)の周速を少しずつ変えてある。
また,比較試料3は,従来の分散方法であるスクリュー混合を,比較試料4は媒体撹拝ミルを利用して懸濁液を作製した。
なお,各懸濁液作製の詳細は実施例4と同様である。
【0138】
次に,試料9〜16,比較試料3,4のセラミック触媒体に対し実機エンジンから排出される排気ガスを利用した耐久試験を実施例4と同様に行った。
その結果,表3から明らかなように,従来のプロペラ混合や媒体攪拌ミルで得た懸濁液より触媒層を形成した比較試料3では,熱膨張係数が1.82×10-6/℃,比較試料4では,1.65×10-6/℃と高かった。
【0139】
また,実施例4の比較試料1,2と同様に,コーディエライト構造中にNOx吸蔵材であるカリウムが移動,拡散していることが確認され,セラミック担体の組成が変化(副生成物を形成)し,熱膨張係数が増加したことが確認された。
【0140】
これに対し,試料9〜16のセラミック触媒体は,いずれも流路方向の熱膨張係数が1.5×10-6/℃以下と実用上十分に低い。また,NOx吸蔵量(耐久後)は,比較試料1及び2に比べ多くなっており,長期にわたり触媒性能が維持できることがわかった。
また,実施例4の試料1〜8と同様に,いずれの試料もカリウム化合物が触媒層中にほぼ均一に分散し,カリウムの移動,拡散が防止され,セラミック担体を構成するコーディエライトとカリウム化合物の反応が生じていなかった。
【0141】
【表3】
Figure 0003884719
【0142】
(実施例6)
本例は,実施例1と同様のセラミック担体の表面にシリカよりなる中間層を,該中間層の表面にγ−アルミナのコート層と触媒成分,触媒活性材からなる触媒層を設けてなるセラミック触媒体について性能を評価した。
上記触媒層はγ−アルミナからなるコート層に主触媒及び助触媒からなる触媒成分と上記触媒成分の拡散を防止する触媒活性材を担持して構成する。
【0143】
主触媒は貴金属触媒で,助触媒はNOx吸蔵材である。具体的には,主触媒はPtとRhからなり,助触媒はカリウム化合物(K2O)からなる。
触媒活性材は平均粒子径が100〜300nmの超微粒子(シーアイ化成(株)製,ナノテック超微粒子)のCeO2とAl23とを1対1で混ぜたもので,触媒層を構成するγ−Al23に対して重量で10%(外%)を添加した。
【0144】
試料17〜21は,実施例1に記載した高圧分散混合処理で懸濁液を作製した。各試料において高圧分散混合処理に用いた装置は高圧ホモジナイザーで,混合の圧力を少しずつ変えてある。
試料22〜24は,実施例2に記載した高速密閉攪拌処理で懸濁液を作製した。各試料において回転羽根(実施例2参照)の周速を少しずつ変えてある。
また,比較試料5は,従来の分散方法であるスクリュー混合を,比較試料6は媒体撹拝ミルを利用して懸濁液を作製した。
詳細は実施例4と同様である。
【0145】
次に,試料17〜24,比較試料5,6のセラミック触媒体に対し実機エンジンからの排気ガスによる耐久試験を実施例4と同様に行った。
その結果,表4から明らかなように,従来のプロペラ混合や媒体攪拌ミルで得た懸濁液より触媒層を形成した比較試料5では,熱膨張係数が1.89×10-6/℃,比較試料6では,1.62×10-6/℃と高かった。
また,実施例4の比較試料1,2と同様に,コーディエライト構造中にNOx吸蔵材であるカリウムが移動,拡散していることが確認され,セラミック担体の組成が変化(副生成物を形成)して熱膨張係数が増加したことが確認された。
【0146】
これに対し,試料17〜24のセラミック触媒体は,いずれも流路方向の熱膨張係数が1.5×10-6/℃以下と実用上十分に低い。また,NOx吸蔵量(耐久後)は,比較試料1及び2に比べ多くなっており,長期にわたり触媒性能が維持できることがわかった。
また,いずれの試料もカリウム化合物が触媒層中にほぼ均一に分散し,カリウムの移動,拡散が防止され,セラミック担体を構成するコーディエライトとカリウム化合物の反応が生じていなかった。
【0147】
なお,実施例4〜6では,触媒成分の中でも特にカリウムの移動・拡散について調べたが,他のアルカリ金属,アルカリ土類金属系の化合物からなる触媒成分が触媒層に含まれていた場合も同様の結果を得た。
また,セラミック担体として,コーディエライト以外のSiC,Si34,ムライトからなる材料で構成したハニカム構造体を用いた場合も同様の結果を得た。
【0148】
そして,表2〜表4に記載したように,プロペラ混合や媒体攪拌ミルを利用して触媒安定層や触媒層用の懸濁液を作製してセラミック触媒体を得た場合,該セラミック触媒体は,水蒸気存在下で600℃程度からNOx吸蔵材等の触媒成分の拡散が始まってしまう。
このため自動車排気ガスにさらされるような最高温度が1000℃程度まで上昇する使用環境では,触媒成分の拡散による触媒性能の低下,触媒成分とセラミック担体との反応が原因の担体劣化が発生する。
【0149】
これに対し,試料1〜24にかかるセラミック触媒体は,懸濁液を高圧分散混合処理や高速密閉攪拌処理を利用して作製した懸濁液を利用する。
そのため,触媒安定層材料または触媒層材料を溶媒に均一分散混合して得た再凝集し難い懸濁液をセラミック担体に均一分散混合状態で付与することから形成した触媒安定層や触媒層は,どの部分においても均一な表面電位や均一な混合組成を備えており,高温,水分存在下(一般に排気ガスの水分率10〜20重量%である)で,触媒成分がセラミック担体へ拡散してセラミック担体劣化などの問題を生じ難い。
このように,各実施例に記載した試料1〜24にかかるセラミック触媒体は,リーンバーンシステムやディーゼルエンジンの自動車排気ガス浄化用触媒として好適に用いることができる。
【0150】
さらに,各実施例に記載した試料1〜24にかかるセラミック触媒体は,ガソリンエンジンの三元触媒に好適に用いることができる。
ガソリンエンジンの三元触媒は長期にわたり浄化性能を高活性で維持することが要求されるが,本例にかかるセラミック触媒体を利用することで,触媒層中の触媒活性材からPt,Rh等の貴金属触媒に水素を供給することで(試料17〜試料24),活性面を増加させ,安定した触媒反応を長期に渡り維持できる。
【0151】
また,ディーゼルエンジンから排出されるすす等のPM(パティキュレートマター:粒子状物質)を捕集し,貴金属触媒により燃焼・除去するセラミックフィルタでは,触媒成分が排気ガス中のイオウ等の触媒被毒物質の影響を受けて劣化する。
ここに試料17〜24を適用し,Pt,Rh等の貴金属触媒に水素を供給することで,触媒被毒物質の除去を促進することができる。よって,活性面に触媒被毒物質が残留・堆積することがないので,触媒反応を安定して維持できる。
【0152】
【表4】
Figure 0003884719
【0153】
(比較例1)
比較のために,従来の分散方法であるプロペラ攪拌混合を利用して懸濁液を作成し,この懸濁液から触媒安定層,更触媒層を形成して実施例1と同様のNOx吸蔵還元型のセラミック触媒体を作成した。
本例では,懸濁液を調整するためにプロペラ攪拌混合装置(アスワン(株)SM−102)を用いる。このプロペラ攪拌混合装置による混合条件は回転数500rpmで行う。なお,ここで使用する混合液は実施例1と同様に超微粒子CeO2とY23(シーアイ化成製)を純粋に均一混合させて調整した混合液を用いる。
【0154】
本例のプロペラ攪拌混合操作では,超微粒子CeO2とY23(シーアイ化成製)を純水に均一混合させて調整した懸濁液をビーカ(1リットル)に入れ,攪拌混合装置のシャフトの先端に攪拌羽根としてプロペラ羽根を取り付けたシャフトの先端を前記ビーカに入れて,プロペラ羽根を回転させて混合する。この際,ビーカの懸濁液が飛散しないように回転数を制御するが,最高回転数500rpmが限界であった。
【0155】
(比較例2)
比較のために,従来の分散方法である媒体攪拌ミルを利用して懸濁液を作成し,この懸濁液から触媒安定層,更触媒層を形成して実施例1と同様のNOx吸蔵還元型のセラミック触媒体を作成した。
本例では,媒体攪拌ミルはバールミル装置(アシザワ(株)RV1V,有効容量1.0リットル,実容量0.5リットル)を用いる。バールミル装置による混合条件は,粉砕媒体としてジルコニア製ボール直径0.5mmを3.0kg使用し,攪拌槽体積の80%をジルコニア製ボールで充填する。
なお,ここで使用する混合液は実施例1と同様に超微粒子CeO2とY23(シーアイ化成製)を純粋に均一混合させて調整した混合液を用いる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1における,セラミック触媒体の要部説明図。
【図2】実施例1における,セラミック触媒体の全体説明図。
【図3】実施例1における,高圧分散混合処理装置の全体を示す説明図。
【図4】図3にかかる混合分散部の構成を示す説明図。
【図5】実施例2における,高速ミクサー装置の全体を示す説明図。
【図6】図5にかかる密閉耐圧容器の構成を示す説明図。
【図7】実施例3における,セラミック触媒体の要部説明図。
【符号の説明】
1...セラミック触媒体,
10...孔部,
11...セラミック担体,
12...触媒安定層,
13...触媒層,
2...高圧分散混合処理装置,
21...高圧ポンプ,
22...混合分散部,
23...貯蔵槽,
24...可動オリフィス,
240...先端,
d1,d2...圧縮空気,
e1〜e3...配管,
3...高速ミクサー装置,
31...攪拌槽,
312...回転軸,
313...回転羽根,
314...密閉耐圧容器,
32...貯蔵槽,
a1〜a4...配管,[0001]
【Technical field】
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a purification catalyst body for purifying exhaust gas from an internal combustion engine such as an automobile engine, and is particularly suitable as a catalyst body for purifying exhaust gas from a lean burn engine or a diesel engine and its ceramic catalyst body. It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a so-called three-way catalyst that purifies exhaust gas by simultaneously oxidizing CO and HC and reducing NOx has been used as an exhaust gas purifying catalyst for automobiles.
In recent years, in order to protect the global environment, cleaner exhaust gas and CO2Reduction of emissions is required, and lean burn engines that can reduce the amount of exhaust gas by improving fuel efficiency have been widely adopted.
[0003]
The conventional three-way catalyst does not perform its original function because the NOx purification performance decreases on the lean side (oxygen-excess atmosphere). To compensate for this, NOx occlusion reduction exhaust gas purification Catalysts have been developed.
The NOx occlusion reduction type exhaust gas purification catalyst stores NOx in a lean atmosphere in addition to a main catalyst composed of a noble metal catalyst such as Pt and Rh used in a conventional three-way catalyst. A NOx occlusion material that releases NOx occluded in a rich atmosphere (reducing atmosphere) is added as a promoter.
[0004]
As the NOx occlusion material, a strongly basic alkali metal such as Na, K, or Cs or an alkaline earth metal compound such as Mg, Sr, or Ba is used.
A NOx occlusion reduction type exhaust gas purification catalyst is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-31139, and a ceramic support made of cordierite or the like having low thermal expansion and excellent heat resistance is used for high-grade catalysts such as γ-alumina. It is disclosed that a NOx emission amount in a lean state can be reduced by a catalyst coated with a specific surface area material and supporting an alkali metal oxide and Pt.
The adsorbed NOx is released from the NOx occlusion material in a stoichiometric or rich atmosphere and purified by Pt. On the other hand, since the exhaust gas temperature tends to increase, it is important to improve the high temperature durability of the exhaust gas purification catalyst.
[0005]
However, an exhaust gas purifying catalyst in which an alkali metal compound is supported on a cordierite carrier as a NOx occlusion material has a problem that when the exhaust gas temperature becomes high, the NOx occlusion ability is lowered and the cordierite carrier is deteriorated.
This is considered to be caused by the fact that the alkali metal compound easily passes through the coating layer made of porous γ-alumina or the like and reacts with Si in cordierite.
[0006]
As a countermeasure, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-165817 proposes to use a ceramic carrier or a metal carrier made of a low thermal expansion material not containing Si.
However, among α-alumina, zirconia, titania, titanium phosphate, aluminum titanate, stainless steel, and Fe-Al-Cr alloys exemplified in JP-A-10-165817, the thermal expansion properties are sufficiently low in practical use. Only very dense (heavy) aluminum titanate is shown.
[0007]
Aluminum titanate is disadvantageous in terms of vehicle weight reduction and expensive. Metal carriers are also expensive. Other ceramic materials have large thermal expansion and are not practical considering thermal shock resistance.
Thus, the fact is that no low-cost material with low thermal expansion coefficient to replace cordierite has been obtained.
[0008]
Further, in JP-A-10-137590, an exhaust gas purification filter that collects particulates discharged from a diesel engine is provided, and a coating layer made of silica, zirconia, titania or the like is provided on a ceramic filter such as cordierite. It is described that a catalyst component containing an alkali metal or alkaline earth metal sulfate is supported thereon, and that the diffusion of the catalyst component into the filter is suppressed by the coating layer.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-6-31139
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-165817
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-137590
[0010]
[Problems to be solved]
However, as a result of investigations by the present inventors, the material of the coating layer described in the prior art is an alkali metal compound or an alkaline earth metal compound at a temperature of about 800 ° C., which is the operating temperature of the exhaust gas purification catalyst. After reaction, it was found that surplus alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds can move and diffuse inside to reach the filter surface.
[0011]
Therefore, in the present situation where the maximum temperature of exhaust gas rises to around 1000 ° C., it is difficult to suppress the diffusion of alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds with a coating layer made of these materials. And the problem that the composition of cordierite or the like serving as the filter base material reacts with the catalyst component to change and the thermal expansion coefficient increases cannot be said to be sufficiently solved at present.
[0012]
  The present invention has been made in view of such conventional problems, and has a low coefficient of thermal expansion and excellent high-temperature durability, the catalyst component is difficult to diffuse into the ceramic carrier, and the catalyst performance and deterioration of the ceramic carrier are unlikely to occur. Excellent catalyst performance can be maintained for a long timeMethod for producing ceramic catalyst bodyIs to provide.
[0013]
[Means for solving problems]
The first invention comprises a ceramic carrier, a catalyst stabilizing layer that covers the surface of the ceramic carrier and suppresses the diffusion of the catalyst component, and a catalyst layer that covers the surface of the catalyst stabilizing layer and contains the catalyst component. ,
In the method for producing a ceramic catalyst body, the surface potential of the catalyst stable layer and the surface potential of the catalyst layer are substantially the same, and the catalyst stable layer has a melting point higher than the highest use temperature.
Prepare the catalyst stable layer material that constitutes the catalyst stable layer,
A suspension in which the catalyst stable layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent is prepared,
In applying the suspension uniformly to the surface of the ceramic support and heat-treating the catalyst stable layer material to form the catalyst stable layer,
When preparing the suspension, a mixed liquid containing the catalyst stable layer material and the solvent is prepared, and a collision part is provided in the flow path of the mixed liquid, and the mixed liquid is applied to the collision part under high pressure. A method for producing a ceramic catalyst body is characterized by performing a high-pressure dispersion mixing process for uniformly dispersing and mixing a catalyst stable layer material in a solvent by collision.
[0014]
The second invention comprises a ceramic carrier and a catalyst layer covering the surface of the ceramic carrier and containing a catalyst component,
The catalyst layer contains a catalyst trap material capable of sucking the catalyst component and suppressing diffusion of the catalyst component, and the catalyst trap material has a melting point higher than the maximum use temperature.
Alternatively, the catalyst layer contains a catalyst active material capable of supplying hydrogen to the catalyst component by a steam reforming reaction, and the catalyst active material has a melting point higher than the maximum use temperature in the method for producing a ceramic catalyst body,
Preparing a catalyst layer material constituting the catalyst layer,
Preparing a suspension in which the catalyst layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent;
In applying the suspension uniformly to the surface of the ceramic carrier and heat-treating the catalyst layer material to form the catalyst layer,
When preparing the suspension, a mixed liquid containing the catalyst layer material and the solvent is prepared, and a collision part is provided in the flow path of the mixed liquid, and the mixed liquid collides with the collision part under high pressure. In the method for producing a ceramic catalyst body, a high-pressure dispersion mixing process is performed in which the catalyst layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent.
[0015]
The third invention comprises a ceramic carrier, a catalyst stable layer that covers the surface of the ceramic carrier and suppresses diffusion of the catalyst component, and a catalyst layer that covers the surface of the catalyst stable layer and contains the catalyst component. As
In the method for producing a ceramic catalyst body, the surface potential of the catalyst stable layer and the surface potential of the catalyst layer are substantially the same, and the catalyst stable layer has a melting point higher than the highest use temperature.
Prepare the catalyst stable layer material that constitutes the catalyst stable layer,
A suspension in which the catalyst stable layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent is prepared,
In applying the suspension uniformly to the surface of the ceramic support and heat-treating the catalyst stable layer material to form the catalyst stable layer,
When preparing the suspension, a mixed solution containing the catalyst stable layer material and the solvent is prepared, and a high-speed sealed stirring process is performed in which the mixed solution is stirred at high speed in a sealed space to apply a shearing force. The present invention resides in a method for producing a ceramic catalyst body (claim 5).
[0017]
  The first and third inventions are methods for producing a ceramic catalyst body comprising a ceramic carrier, a catalyst stabilizing layer, and a catalyst layer.SecondThe invention is a method for producing a ceramic catalyst body comprising a ceramic carrier and a catalyst layer, wherein the catalyst layer contains a catalyst trap material or a catalyst active material.
  Furthermore, the first and second inventions are manufacturing methods that utilize high-pressure dispersion mixing processing when uniformly dispersing and mixing the catalyst stable layer material and the catalyst layer material in a solvent.ThirdThe invention is a manufacturing method that uses high-speed hermetic stirring when uniformly dispersing and mixing.
[0018]
  The function and effect of the present invention will be described.
  In the present invention, a catalyst stable layer (first and third inventions) or a catalyst layer containing a catalyst trap material or a catalyst active material (Second(Invention) is formed by uniformly applying a suspension formed by uniformly dispersing and mixing a catalyst stable layer material or a catalyst layer material in a solvent to a ceramic carrier and then heat-treating it.
  Then, high-pressure dispersion mixing treatment (first and second inventions) or high-speed closed stirring means (ThirdInvention).
[0019]
Dispersion by the high-pressure dispersion mixing process or the high-speed hermetic stirring process prevents the catalyst stable layer material or the catalyst layer material from agglomerating and forming secondary particles in the solvent, and these are not dispersed in the primary particle size or near the primary particle size. It can be dispersed in a state having a particle size.
Furthermore, the suspension prepared by the high-pressure dispersion mixing process or the high-speed hermetic stirring process has a stable dispersion state for a long period of time, and re-aggregation of each material in the liquid hardly occurs.
[0020]
In this way, the catalyst stable layer and catalyst layer formed by applying a suspension that is difficult to reagglomerate to the ceramic support in a uniformly dispersed mixed state has a uniform surface potential and a uniform mixed composition in any part. Therefore, diffusion of the catalyst component to the ceramic carrier can be prevented.
Further, since the catalyst component is difficult to diffuse into the ceramic carrier, the catalyst performance is not deteriorated due to the diffusion of the catalyst component, and the ceramic carrier is hardly deteriorated. Therefore, it is possible to obtain a ceramic catalyst body in which the catalyst performance is hardly changed over a long period of time. it can.
That is, since the catalyst component is difficult to diffuse into the ceramic carrier, each catalyst component can be kept in a uniformly dispersed state in the catalyst layer. As described above, since the catalyst component is stably present in the catalyst layer, a ceramic catalyst body maintaining stable catalyst performance can be obtained.
Furthermore, it is possible to use a ceramic carrier made of a low thermal expansion material that could not be used on the premise of diffusion of the catalyst component in the past, and a ceramic catalyst body having a low thermal expansion coefficient can be obtained.
Moreover, even if the ceramic catalyst body is heated to a high temperature, the diffusion of the catalyst component is difficult to promote, so that a ceramic catalyst body that can be used up to the heat resistance limit of each material constituting the ceramic catalyst body can be obtained.
[0021]
Further, the high-pressure dispersion mixing process and the high-speed hermetic stirring process can efficiently and continuously disperse the catalyst stable layer material and the catalyst layer. And a suspension with a stable dispersion state can be created.
Therefore, according to the said process concerning this invention, a uniform suspension can be manufactured stably and a ceramic catalyst body can be manufactured stably.
[0027]
  As described above, according to the present invention, the low thermal expansion coefficient and the high temperature durability are excellent, the catalyst component is difficult to diffuse into the ceramic carrier, the catalyst performance is hardly lowered and the ceramic carrier is hardly deteriorated, and the excellent catalyst performance can be maintained for a long time. NaMethod for producing ceramic catalyst bodyCan be provided.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, first to firstThirdCeramic carrier, catalyst layer, catalyst component, catalyst stable layer, surface potential, maximum operating temperature, catalyst trap material, catalyst active material, catalyst stable layer material constituting catalyst stable layer, catalyst constituting catalyst layer The layer material, solvent, suspension, high-pressure dispersion mixing process, high-speed hermetic stirring process, etc. will be explained in order.
[0029]
  "Ceramic carrier"
  In the first to third inventions, the ceramic carrier is the base material of the ceramic catalyst body. It is preferable to use a ceramic carrier made of a honeycomb structure.
  Here, the honeycomb structure is a cylindrical structure having a large number of holes serving as gas flow paths for which catalytic performance is desired to act and having a honeycomb structure (see Example 1 described later).
  In the ceramic carrier, it is desirable that the surface on which the catalyst stable layer and the catalyst layer are formed includes not only the wall surface serving as the gas flow path but also the inner surface of the pores formed inside the wall surface.
[0030]
An example of manufacturing a honeycomb structure that can be used as the ceramic carrier of the present invention will be described.
When the honeycomb structure is made of cordierite, oxides such as talc, kaolin, and alumina can be generally used as a cordierite forming raw material.
A honeycomb having a desired shape is prepared by blending these cordierite-forming raw materials so as to have a theoretical composition, adding a molding aid such as a binder, a lubricant, a moisturizing agent and the like, kneading and extrusion molding. A molded body is obtained.
The honeycomb formed body is heated and degreased in the atmosphere and then fired to obtain a honeycomb structure. This honeycomb structure can be used as a ceramic carrier according to the present invention.
It should be noted that honeycomb carriers made of other materials can be produced by adjusting the raw materials in the same manner.
[0031]
  "Catalyst layer, catalyst component"
  1st and 3rdIn the invention, the catalyst layer is preferably formed by supporting a catalyst component on a coating layer made of a high specific surface area material such as γ-alumina.
  Also,SecondThe catalyst layer according to the present invention is preferably formed by supporting a catalyst trap material or a catalyst active material and a catalyst component on the coating layer.
[0032]
  In addition, it is possible to use exhaust gas purification catalysts for internal combustion engines (such as automobile engines), such as NOx occlusion reduction type catalysts for lean burn engines and diesel engines.ThirdWhen applying the ceramic catalyst body according to the invention, it is preferable to use a catalyst component obtained by adding a promoter such as a NOx occlusion material to a noble metal catalyst such as Pt, Rh, Pd or the like as the main catalyst.
[0033]
  "Catalyst stable layer"
  The catalyst stable layer has a melting point higher than the maximum use temperature and is formed from a catalyst stable layer material. The specific composition of the catalyst stable layer has been described above.Claims 8 to 11Etc. In addition to the catalyst stable layer material, the catalyst support layer may be prepared by adding a ceramic carrier, a material constituting the catalyst layer, a raw material of the material, or the like.
[0034]
  "Surface potential"
  First,ThirdIn the ceramic catalyst body produced by the invention, the surface potentials of the catalyst stable layer and the catalyst layer are substantially the same (that is, substantially equipotential), so that the catalyst component contained in the catalyst layer is not affected by the electric attractive force or repulsive force. Since it does not move and exists stably in the catalyst layer, it is possible to prevent the catalyst component from diffusing into the ceramic carrier at the maximum use temperature of the ceramic catalyst body.
[0035]
Here, the surface potential will be described.
The surface potential of various materials is generally defined by zeta potential. Therefore, also in this specification, the zeta potential of the material constituting the catalyst stable layer and the catalyst layer is measured, and the obtained measurement values are referred to as “surface potential of the catalyst stable layer” and “surface potential of the catalyst layer”, respectively. .
The material constituting the catalyst stable layer is the catalyst stable layer material, and the material constituting the catalyst layer is the catalyst layer material. Therefore, by adjusting the catalyst stable layer material, the type and composition ratio of the catalyst layer material, the surface potential values of the catalyst stable layer and the catalyst layer can be controlled to be equal.
Since the state of the catalyst layer material affects the catalyst performance, it is desirable to adjust the type and composition of the catalyst stable layer in order to obtain a ceramic catalyst body with better catalyst performance.
[0036]
A measurement example of the zeta potential will be described.
A dispersion in which the catalyst stable layer material and the catalyst layer material are dispersed in a solvent such as water is prepared, and the dispersion is prepared. These dispersions are used as evaluation samples and measured with a zeta electrometer.
There are several types of zeta electrometer measurement mechanisms.
For example, in the electrophoretic method, an electric field is applied from outside, the electrophoretic velocity corresponding to the surface potential of the dispersed particles in each dispersion is measured, the electric mobility is calculated from the electrophoretic velocity and the electric field, and the smoiuhowski equation is calculated. This method is used to obtain the zeta potential from the electric mobility.
In addition, water was used as a solvent in preparing the evaluation sample for measuring the zeta potential. In this case, the hydrogen ion concentration of water (pH value, hereinafter referred to as pH) is usually set in the range of pH 3 to 11 and any pH. The zeta potential is measured at.
The pH is adjusted with a nitric acid solution and an ammonia solution so as to obtain a desired pH. In this way, a zeta potential corresponding to the pH can be obtained.
[0037]
In addition to the above method for obtaining the zeta potential from the catalyst stable layer material and the catalyst layer material, the zeta potential can also be measured using the streaming potential method on the surface of the catalyst stable layer and the catalyst layer formed on the ceramic carrier. it can.
Here, the streaming potential method is a method in which a medium is caused to flow on the surface of a sample to be measured, and the zeta potential is obtained from the relationship between the generated potential difference and the pressure difference.
[0038]
Moreover, in order to adjust the surface potential of the catalyst stable layer, the catalyst stable layer can be produced as a multilayer structure using a plurality of catalyst stable layer materials.
In other words, in order to produce a multilayer catalyst stable layer, a suspension is prepared for each layer, and a series of steps of immersing, drying and firing the ceramic carrier in each suspension is repeated to form a multilayer catalyst stable layer. Obtainable.
[0039]
"Maximum operating temperature"
The catalyst stable layer material constituting the catalyst stable layer is a material having a melting point higher than the maximum use temperature of the ceramic catalyst body. In the case of an exhaust gas purifying catalyst for an internal combustion engine, the catalyst temperature during use is usually about 800 to 900 ° C. and rises to around the maximum temperature of 1000 ° C. Therefore, a material having a melting point of 1000 ° C. or higher is used.
When the melting point is lower than the maximum operating temperature, the catalyst stable layer melts at the maximum operating temperature, which may reduce the effect of suppressing the diffusion of catalyst components.
[0040]
"Catalyst layer material"
When the catalyst layer is formed by supporting a catalyst component, a catalyst trap material, a catalyst active material, etc. on a coat layer made of a high specific surface area material such as γ-alumina, the main component of γ-alumina and catalyst components (for example, precious metal catalysts) A catalyst or a promoter such as a NOx occlusion material is the catalyst layer material. In addition, to prevent thermal degradation of γ-alumina, TiO2, ZrO2Can be used.
[0041]
"Catalyst trap material"
By dispersing the catalyst trap material in the catalyst layer, the following effects can be obtained.
That is, the catalyst trap material sucks the catalyst component supported on the catalyst layer with the surface potential and captures it around the catalyst trap material, thereby preventing the catalyst component from diffusing into the ceramic carrier. Therefore, the catalyst component can be uniformly dispersed and held in the catalyst layer.
In addition, since the catalyst component is difficult to diffuse and react with the ceramic carrier, problems such as increased thermal expansion of the ceramic carrier are unlikely to occur, and a ceramic catalyst body that is inexpensive, excellent in high-temperature durability, and maintains stable catalyst performance over a long period of time can be obtained. It is done.
The catalyst trap material is preferably made of a material having a melting point higher than that of the ceramic catalyst body.
[0042]
The amount of the catalyst trap material is not particularly limited, but it may be added in a range of 3 to 30% by weight with respect to a high specific surface area material such as γ-alumina constituting the coating layer of the catalyst layer. preferable.
A remarkable effect can be obtained by setting the addition amount of the catalyst trap material to 3% or more. When the addition amount exceeds 30%, the effect according to the addition amount is not improved and the effect is saturated.
A specific example of the catalyst trap material will be described later.
[0043]
"Catalytic active material"
By dispersing the catalyst active material in the catalyst layer, the following effects can be obtained. That is, the catalyst active material attracts the catalyst component supported on the catalyst layer with the surface potential and captures it around the catalyst active material, thereby preventing the catalyst component from diffusing into the ceramic carrier. Therefore, the catalyst component can be uniformly dispersed and held in the catalyst layer.
In addition, since the catalyst component is difficult to diffuse and react with the ceramic carrier, problems such as increased thermal expansion of the ceramic carrier are unlikely to occur, and a ceramic catalyst body that is inexpensive, excellent in high-temperature durability, and maintains stable catalyst performance over a long period of time can be obtained. It is done.
In addition to such effects, the catalyst activator supplies hydrogen to the catalyst layer by a steam reforming reaction, whereby the surface activity of the catalyst component is increased and the catalyst reaction can be promoted.
The catalytically active material is preferably composed of a material having a higher melting point than the ceramic catalyst body.
[0044]
The catalytically active material has an action of supplying hydrogen generated by the steam reforming reaction to a catalyst component, particularly a noble metal catalyst such as Pt or Rh. This increases the active surface on the surface of the catalyst component. Since the increase in the active surface promotes the catalytic reaction, the catalyst performance can be enhanced.
Therefore, ceramic catalyst bodies equipped with a catalyst layer containing a catalyst activator can burn gasoline engine three-way catalysts and PM (particulate matter) that need to maintain long-term high purification performance and high activity. Can be suitably used for NOx catalyst, DPF (diesel particulate filter), etc.
[0045]
The amount of the catalytically active material used is not particularly limited, but may be added in a range of 3 to 50% by weight with respect to a high specific surface area material such as γ-alumina constituting the coating layer of the catalyst layer. preferable.
A remarkable effect can be obtained by setting the addition amount of the catalytically active material to 3% or more. If the addition amount exceeds 50%, the effect corresponding to the addition amount is not improved, and saturation occurs.
[0046]
  "Suspension" and "Solvent"
  In the first and third inventions, the suspension is prepared by uniformly dispersing and mixing the catalyst stable layer material in a solvent,SecondIn the invention, the catalyst layer material is prepared by uniformly dispersing and mixing in a solvent. As a solvent for dispersing the catalyst stable layer material or the catalyst layer material, water, alcohol, ethylene glycol, a dispersant, a mixed solvent thereof or the like can be used.
[0047]
"High-pressure dispersion mixing process", "High-speed sealed mixing process"
The present inventors used a high-pressure dispersion mixing process to obtain a suspension in which the catalyst stable layer material is uniformly dispersed and mixed in the solvent, or to obtain a suspension in which the catalyst layer material is uniformly dispersed and mixed in the solvent.
In the high pressure dispersion mixing process, a catalyst stable layer material or a mixed solution containing the catalyst layer material and a solvent is prepared, and the mixed solution collides with each other under a high pressure to make the catalyst stable layer material or the catalyst layer material uniform in the solvent. To disperse and mix.
[0048]
Moreover, a high-speed closed stirring process was used to obtain a suspension in which the catalyst stable layer material was uniformly dispersed and mixed in the solvent, or to obtain a suspension in which the catalyst layer material solvent was uniformly dispersed and mixed in the solvent.
The high-speed sealed stirring treatment is performed by preparing a catalyst stable layer material or a mixed solution containing the catalyst layer material and a solvent, and stirring the mixed solution at high speed in a sealed space to apply a shearing force. Alternatively, the catalyst layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent.
[0049]
Which part of the catalyst stable layer or catalyst layer formed by applying the catalyst reconstituting layer material or the suspension that is difficult to reaggregate obtained by uniformly dispersing and mixing the catalyst layer material to the solvent to the ceramic support in a uniformly dispersed mixed state Is also provided with a uniform surface potential and a uniform mixed composition, so that diffusion of the catalyst component to the ceramic carrier can be prevented.
[0050]
Next, in the first and second inventions, when the high-pressure dispersion mixing process is performed in the mixing and dispersing section provided to move the movable orifice up and down,
It is preferable that the liquid mixture pumped to the mixing / dispersing part collides with the tip of the movable orifice exposed inside the mixing / dispersing part under high pressure (Claim 3) (see FIGS. 3 and 4).
[0051]
According to the above method, a pressure change or a shock wave can be formed in the vicinity of the place where the mixed liquid collides with the movable orifice. These pressure changes and shock waves give the mixture a high degree of refinement, dispersion, emulsification, mixing, etc., so that the catalyst stable layer material (in the case of the first invention) and the catalyst layer material (in the case of the second invention) Can be efficiently and reliably uniformly dispersed and mixed with the solvent to produce a suspension in a stable dispersion state for a long period of time.
[0052]
Further, since the liquid mixture introduced by the movable orifice can variably control the volume of the flow path, the volume of the flow path can be adjusted according to the particle size and concentration of the material.
Thereby, the dispersion mixing can be optimally controlled and stably performed.
[0053]
In addition, a high-pressure homogenizer can be used for the high-pressure dispersion treatment. The high-pressure homogenizer pumps the liquid mixture at a high pressure to form a high-speed flow, and forms a shock wave by the high-speed flow to form a catalyst stable layer material (in the case of the first invention) and a catalyst layer material (in the second invention). In this case, a uniform suspension can be obtained by breaking the agglomerated part in the case) and dispersing it to the state of primary particles. Furthermore, by feeding the mixture at high pressure, mechanical shearing force is applied to the mixture, and the catalyst stable layer material (in the case of the first invention) and the catalyst layer material (in the case of the second invention) are solvent. Can be uniformly dispersed.
[0054]
Next, in the first and second inventions, the high-pressure dispersion mixing treatment is preferably performed at a pressure of 50 to 400 MPa.
[0055]
As a result, the catalyst stable layer material (in the case of the first invention) and the catalyst layer material (in the case of the second invention) in the suspension are efficiently and reliably uniformly dispersed and mixed with the solvent, and stable for a long time. A suspension in a dispersed state can be obtained.
If the pressure is less than 50 MPa, the pressure is low, and dispersion into the solvent may be insufficient, or precipitation may occur in the suspension in a relatively short time. Moreover, it is difficult to apply a pressure exceeding 400 MPa to the mixed solution, which may increase the cost. Therefore, such high pressure is not a realistic choice.
[0056]
  ThirdIn the present invention, the high-speed hermetic stirring treatment includes a hermetic pressure vessel and a rotating vessel that is rotatably attached to a rotary shaft provided inside the hermetic pressure-resistant vessel, and has a rotating blade slightly smaller in diameter than the inner diameter of the hermetic pressure-resistant vessel. In
  It is preferable to apply a shearing force by stirring the mixed solution at a high speed.6).
[0057]
The catalyst stable layer material or a mixed solution in which the catalyst layer material is mixed with the solvent is prepared, and the mixed solution is pumped to the stirring tank. The liquid mixture pumped into the stirring tank is pressed against the inner wall surface of the sealed pressure vessel by the centrifugal force formed by the rotation of the rotating blades in the sealed pressure vessel. A mechanical shearing force due to the shear stress generated thereby can be applied to the mixed liquid.
[0058]
In the above configuration, since the gap between the sealed pressure vessel and the rotating blade is very small, all the liquid mixture existing near the tip of the rotating blade (the end near the inner wall surface) is stirred by the rotating blade. Highly refined, dispersed, mixed, and emulsified. In addition, the liquid mixture inside and outside the rotating surface of the rotary blade is subjected to a mixing action due to a speed difference during the rotational movement due to the inertia of the liquid mixture itself, generation of vortex flow, and the like.
[0059]
According to this, the catalyst stable layer material (in the case of the first invention) and the catalyst layer material (in the case of the second invention) are efficiently and surely uniformly dispersed and mixed with the solvent, and the dispersion state is stable for a long time. A suspension can be obtained.
[0060]
Next, formation of the catalyst stable layer and formation of the catalyst layer will be described.
In the first and third inventions, the catalyst stable layer is formed, and the catalyst layer is formed thereon.
An example of forming the catalyst stable layer on the ceramic support will be described.
A suspension is prepared by uniformly dispersing and mixing the catalyst stable layer material constituting the catalyst stable layer in a solvent by a high-pressure dispersion mixing process and high-speed closed stirring means. Thereafter, the ceramic carrier is immersed in the suspension, and dried and fired by a usual method.
[0061]
In order to form the catalyst stable layer uniformly on the surface of the ceramic carrier, it is preferable to form an intermediate layer on the surface of the ceramic carrier prior to the formation of the catalyst stable layer.
In general, since the surface of the ceramic support has irregularities made up of a large number of pores formed at the time of firing, it is not easy to uniformly form a catalyst stable layer on the surface without causing pores or cracks.
[0062]
Therefore, by forming an intermediate layer in advance, reducing the irregularities on the surface of the ceramic carrier, and forming a catalyst stable layer on the intermediate layer, a uniform catalyst stable layer free from pores and cracks can be obtained. By providing a catalyst layer on the surface of such a catalyst stable layer, diffusion of the catalyst component in the catalyst layer to the ceramic carrier can be prevented.
[0063]
The ceramic material constituting the intermediate layer is not particularly limited, but is preferably a ceramic material having a melting point higher than the maximum use temperature, preferably a ceramic material having a melting point of 1000 ° C. or higher.
Further, when a ceramic material having a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic support and the catalyst stable layer is selected, an effect of relieving stress due to the thermal expansion difference is obtained.
The method of forming the intermediate layer is the same as the method of forming the catalyst stable layer, and the intermediate layer is obtained by immersing the ceramic carrier in a suspension containing the ceramic material constituting the intermediate layer, and drying and firing. Can do.
[0064]
The ceramic particles forming the catalyst stable layer and the intermediate layer should have an average primary particle size of not more than the average pore size (usually about 5 μm) of the ceramic support, preferably not more than 1/10 of the average pore size. Is preferred. Thereby, a catalyst stable layer and an intermediate | middle layer can be uniformly and easily formed along the uneven | corrugated shape of the pore surface of a ceramic support | carrier.
The term “pore” as used herein refers to a hole formed in the surface of the ceramic carrier and a space communicating from the surface to the inside, and is an irregular pore space.
[0065]
Further, the catalyst stabilizing layer and the intermediate layer are preferably formed so as to cover the surface of the pores thinly without filling the pores of the ceramic support, and the thickness at this time is preferably about 1 to 3 μm, for example. preferable.
If the pores are filled with the catalyst stable layer and the intermediate layer, cracks and the like are likely to occur due to the difference in thermal expansion. In addition, the anchor effect when the catalyst layer is formed thereon cannot be expected, and the adhesive strength of the catalyst layer may be reduced.
[0066]
In addition, as a method for forming the catalyst layer on the surface of the catalyst stable layer, for example, the catalyst component is dispersed in a slurry containing a high specific surface area material such as γ-alumina to form the coat layer on the ceramic carrier and simultaneously the catalyst component is formed. It can be formed simultaneously.
In addition, the surface of the ceramic carrier provided with the catalyst stabilizing layer is covered with a coating layer made of a high specific surface area material such as γ-alumina, and then immersed in a solution containing the catalyst component and dried to carry the catalyst component on the coating layer. You can also.
[0067]
  Also,SecondIn the invention, a catalyst layer containing a catalyst trap material or a catalyst active material together with a catalyst component is formed on the surface of the ceramic carrier. For the formation of this catalyst layer, the same procedure as the formation of the catalyst stable layer can be used.
  That is, a catalyst component, a catalyst trap material or a catalyst active material is uniformly dispersed and mixed in a slurry containing γ-alumina to obtain a suspension according to the present invention, and a ceramic carrier is immersed in the suspension and dried. The catalyst layer can be supported and formed.
[0068]
  Also, first to firstThirdIn the present invention, when the suspension is uniformly applied to the surface of the ceramic carrier, it is preferable to apply ultrasonic waves to the suspension (claim).7).
  As a result, the catalyst stable layer material in the suspension (first and third inventions) and the catalyst layer material (SecondInventive) can be prevented from agglomeration and secondary particle formation, and a dispersed state having a primary particle size or a particle size of about the primary particle size can be maintained.
[0069]
  In the first and third inventions, the catalyst stabilizing layer is formed of the Group 1B, Group 2B, Group 3A, Group 3B, Group 4A, Group 5A, Group 6A, Group 7A of the Periodic Table of Elements. And at least one element selected from Group 8 elements.8).
  By including a material containing these elements, the surface potential of the catalyst stable layer can be easily controlled to be equal to the surface potential of the catalyst layer.
[0070]
  In addition, the catalyst stable layer includes La, Y, Sc, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb, Lu, Al, Ga, Zn, Cu, Ti, Zr, Hf, It is made of a material containing at least one element selected from V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. Preferred (claims)9).
[0071]
  A compound containing one or more elements arbitrarily selected from these elements, such as oxides and composite oxides, can be used for the catalyst stable layer.
  Specifically, the catalyst stable layer is Y2OThree, Sc2OThree, TiO, Cr2OThree, MnO, Mn2OThree, Mn2OFive, Fe 2 OThree, FeThreeOFour, CoThreeOFour, NiO, ZnO, CuO, Ga2OThree, ZrO2, Zr2OThree, Nb2OFive, SnO2, CeO2, Pr2OThree, PrOFour, Nd2OThree, Sm2OThree, Eu2OThree, Gd2OThree, Tb2OThree, Dy2OThree, Ho 2OThree, Er2OThree, Tm2OThree, Yb2OThree, Lu2OThree, HfO2, Ta2OFive ,And Al2OThreeIt is preferable to consist of one or more materials selected from10).
[0072]
  Above all, the catalyst stable layer is Y2OThreeAnd CeO2It is most preferable to include at least one of the following (claims)11). This material has an extremely high effect of keeping the surface potential of the catalyst stable layer and the catalyst layer equal and suppressing the diffusion and diffusion of catalyst components.
[0073]
In addition to oxides (composite oxides), non-oxides such as carbides and nitrides (can also be used as complex non-oxides) can also be used. Can be used as
Thus, according to the surface potential of the catalyst layer containing the catalyst component, an appropriate substance is selected from the above-mentioned compounds, or a plurality of compounds are selected and combined at an appropriate composition ratio, so that the catalyst stable layer and the catalyst layer Are controlled so as to have the same surface potential.
[0074]
  SecondofIn the present invention, the catalyst trap material is preferably made of a powder having an average primary particle size of 500 nm or less (claims).12).
  Since the catalyst trap material has a large surface area per unit weight of fine particles having an average primary particle diameter of 500 nm or less, the effect of the present invention can be obtained with a small amount of addition, and the material cost can be saved.
  When the average primary particle diameter is less than 10 nm, the particles may aggregate and form secondary particles, which may make it difficult to uniformly disperse and mix. Therefore, the lower limit diameter of the catalyst trap material may be 10 nm. preferable.
[0075]
  Also,SecondIn the present invention, the catalyst trap material is Y2OThree, Sc2OThree, NiO, ZnO, CuO, CeO2, Pr2OThree, PrOFour, Nd2OThree, Sm2OThree, Eu2OThree, Gd2OThree, Tb2OThree, Dy2OThree, Ho2OThree, Er2OThree, Tm2OThree, Yb2OThree, Lu2OThreeAnd Al2OThreeIt is preferable to consist of one or more materials selected from13).
  The catalyst trap material made of the above material is only uniformly dispersed in the catalyst layer and hardly reacts with other components (catalyst components, etc.) of the catalyst layer. Therefore, a catalyst layer having stable catalyst characteristics can be obtained without formation of by-products or the like.
[0076]
  Also,SecondIn the present invention, the catalytically active material is preferably made of a material containing at least one element selected from lanthanoid elements.14).
  This material undergoes a steam reforming reaction with high selectivity, and can efficiently supply hydrogen to the catalyst layer.
  Furthermore, as a specific example of the material containing the above elements, Y2OThree, CeO2, Pr2OThree, PrOFour, Nd2OThree, Sm2OThree, Eu2OThree, Gd2OThree, Tb2OThree, Dy2OThree, Ho2OThree, Er2OThree, Tm2OThree, Yb2OThreeAnd Lu2OThreeOne or more materials selected from15).
  All of these materials are thermally stable oxide materials. Therefore, when the ceramic catalyst body is used for a long time at a high temperature, the ceramic catalyst body is hardly deteriorated.
[0077]
  Particularly preferred compounds are one or more materials selected from at least Ce oxides or complex oxides, which are particularly active in steam reforming reactions and can efficiently supply hydrogen to the catalyst layer. Term16).
  It is considered that Ce oxide or composite oxide has excellent characteristics of oxygen adsorption / desorption, and the steam reforming reaction proceeds smoothly.
[0078]
  Further, the catalytically active material is CeO.2And Y2OThree, TiO2, ZrO2And Al2OThreeIt is preferable to comprise a mixed oxide obtained by mixing at least one oxide selected from17).
  CeO2Is particularly active in steam reforming reactions.2OThree, TiO2, ZrO2And Al2OThreeBy selecting one or more of these as mixed oxides, a steam reforming reaction can be caused more selectively and hydrogen can be efficiently supplied to the catalyst layer.
[0079]
Among the materials exemplified as the catalyst active material, there is a material that functions as a catalyst trap material. In this way, a catalyst layer containing both the catalyst activator and the functional trap material can be obtained.
In this case, in addition to the effect of increasing the activity by supplying hydrogen to the catalyst component, the ceramic carrier can be protected by sucking and capturing the catalyst component to suppress diffusion.
[0080]
  Also, first to firstThirdIn the present invention, the catalyst component contains a compound comprising at least one element selected from alkali metal elements and alkaline earth metal elements (claim)18) Is preferred.
  These metal element compounds have a high NOx storage effect. Therefore, when the catalyst component contains these compounds, the ceramic catalyst body according to the present invention can be used as an exhaust gas purifying catalyst.
[0081]
  Further, among the above compounds, it is particularly preferable to include a compound composed of at least one element selected from Li, Na, K, Ba, Rb, Be, Mg, Ca and Sr.19).
  Specifically, oxides, acetates, nitrates, sulfates and the like related to the above elements, composite compounds composed of these oxides and salts, and the like can be used.
  More preferably, a compound containing Ba, K, Li having excellent NOx occlusion ability, for example, barium acetate, potassium acetate, lithium nitrate, etc. can be suitably used.
  Note that the catalyst components listed here are merely examples, and catalyst layers made of different catalyst components are employed when producing a ceramic catalyst body used for other purposes.
[0082]
  The ceramic carrier has a thermal expansion coefficient of 1.5 × 10Four/ C or less is preferable (claims)20).
  Such a ceramic carrier has high thermal shock resistance, and it is difficult to cause thermal shock destruction when used for an exhaust gas purifying catalyst into which high-temperature exhaust gas flows.
  Thermal expansion coefficient is 1.5 × 10FourIf the temperature is higher than / ° C, impact resistance may deteriorate and high temperature durability may deteriorate.
  In addition, the lower limit of the thermal expansion coefficient is generally set to 0 or more so that the ceramic catalyst body is fixed in a metal housing and used so as not to be remarkably contracted and difficult to be fixed. It is preferable to do.
[0083]
  The ceramic support preferably contains cordierite.21).
  By using a cordierite material having a low thermal expansion coefficient as the ceramic carrier, a ceramic catalyst body excellent in thermal shock resistance can be obtained. A catalyst body excellent in thermal shock resistance is unlikely to undergo thermal shock destruction when used as an exhaust gas purification catalyst into which high-temperature exhaust gas flows.
  Cordierite is a material with excellent high-temperature durability. Therefore, the performance of the catalyst component in the catalyst layer can be maintained for a long time. Furthermore, cordierite is inexpensive and can reduce manufacturing costs.
[0084]
Cordierite is 2MgO · 2Al2OThree・ 5SiO2It is a complex oxide represented by the chemical formula: It is a low thermal expansion material that has excellent heat resistance and is inexpensive.
In addition, as a ceramic carrier, for example, SiC, SiThreeNFourIt is also possible to use a material made of a ceramic material containing Si.
[0087]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Example 1
The ceramic catalyst body according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The ceramic catalyst body 1 according to this example includes a ceramic carrier, a surface of the ceramic carrier, a catalyst stabilizing layer 12 that suppresses diffusion of the catalyst component, a surface of the catalyst stabilizing layer 12, and a catalyst component. In addition to the catalyst layer 13, the surface potential of the catalyst stable layer 12 and the surface potential of the catalyst layer 13 are substantially the same, and the catalyst stable layer 12 has a melting point higher than the maximum use temperature.
[0088]
When the ceramic catalyst body 1 is manufactured, first, a catalyst stable layer material constituting the catalyst stable layer 12 is prepared, and a suspension is prepared by uniformly dispersing and mixing the catalyst stable layer material in a solvent. Next, the catalyst stable layer 12 is formed by uniformly applying the suspension to the surface of the ceramic carrier and heat-treating the catalyst stable layer material.
When preparing the suspension, a mixed liquid containing the catalyst stable layer material and the solvent is prepared, and the mixed liquid collides with each other under high pressure to uniformly disperse the catalyst stable layer material in the solvent. A high-pressure dispersion mixing process is performed.
[0089]
This will be described in detail below.
As shown in FIGS. 1 and 2, the ceramic catalyst body 1 according to the present example has a ceramic carrier made of cordierite as a base material, and an intermediate layer (not shown) made of silica is formed on the surface thereof. The catalyst stable layer 12 is formed on the surface of the catalyst, and the catalyst layer 13 is formed on the surface of the catalyst stable layer 12.
The ceramic catalyst body of this example is installed in the exhaust pipe of an automobile engine and used for purifying exhaust gas discharged from the engine.
[0090]
The ceramic carrier is a honeycomb structure, and as shown in FIGS. 1 and 2, the ceramic carrier has a large number of holes 10 serving as exhaust gas passages for allowing the catalyst to act, and the surface on which the catalyst stabilizing layer 12 is formed is a gas passage. It is the wall surface 100 of the hole 10 facing the surface. Moreover, the arrow line Z shown in FIG. 2 is a direction used as the flow path of the exhaust gas which makes a catalyst act.
FIG. 1A is an explanatory diagram showing a state in which the hole 10 is enlarged. In this way, the catalyst stable layer 12 is formed so as to cover the wall surface 100, and the catalyst layer 13 including a catalyst component described later is formed so as to cover the catalyst stable layer 12. In FIG. 1B, the wall surface 100 is further enlarged.
[0091]
The catalyst stable layer 12 is CeO.2And Y2OThreeThe catalyst layer 13 comprises a coating layer made of γ-alumina and a catalyst component made up of a main catalyst and a cocatalyst. The surface of the coating layer made of γ-alumina in the catalyst layer 13 is an uneven surface, and the catalyst component is physically adsorbed on the uneven surface.
The main catalyst is a noble metal catalyst, and the promoter is a NOx storage material. Specifically, the main catalyst is composed of Pt and Rh, and the promoter is a potassium compound (K2O). The main catalyst is a conventionally known three-way catalyst, and the cocatalyst occludes NOx in a lean atmosphere, and releases NOx occluded in a stoichiometric (theoretical air-fuel ratio) and rich atmosphere (reducing atmosphere). It is.
Further, the surface potential of the catalyst layer 13 and the surface potential of the catalyst stable layer 12 are substantially equal, and in the actual use range of the ceramic catalyst body of this example, pH 7 to 10, both are 2 mV at pH 7, -2 mV at pH 8, and -9 at pH 9. It is -7 mV at 7 mV and pH 10.
Here, the surface potential measurement method will be explained. Prepare an evaluation sample of a catalyst layer or a catalyst stable layer for which the surface potential is to be measured, adjust the pH within a range of 5 to 11 with dilute hydrochloric acid solution and potassium hydroxide solution, and then measure the surface potential. The zeta potential, which is a substitute value for, is measured.
[0092]
The zeta potential was measured by a streaming potential method using a zeta potential measuring device (Nihon Sebel Hegner EKA) (measurement temperature: 23 to 25 ° C., pH adjusting solution: 0.01 N HCl and 0.01 N KOH). ).
The measurement procedure is shown below.
1) An evaluation sample (plate shape, 21 mm × 60 mm × 2 mm) is placed in the capillary tube of the evaluation unit of the zeta potential measurement device.
2) Extrude the electrolytic solution (0.01N-HCl and 0.01N-KOH) into the capillary tube at a constant pressure with compressed air.
3) Measure the generated electromotive force.
Hereinafter, the flow electromotive force generated in the capillary tube is measured while changing the differential pressure.
Moreover, the pH value of the electrolyte solution to be evaluated is adjusted to 0.01N-HCl and 0.01N-KOH solution, and the flow electromotive force is measured at the pH on the acid side and the alkali side. The pH value was the value at the end of measurement.
[0093]
Next, a method for producing the ceramic catalyst body according to this example will be described.
First, a ceramic support having a honeycomb structure is manufactured.
Talc, kaolin, alumina, and aluminum hydroxide were prepared as raw materials for cordierite, and these raw material powders were blended so as to be near the cordierite theoretical composition point.
Appropriate amounts of binder, lubricant, humectant and moisture were added to the blended material and kneaded. The kneaded product was extruded as a honeycomb formed body having a wall thickness of 100 μm, a cell density of 400 cpsi (number of holes per square inch), and a diameter of 50 mm.
The honeycomb formed body was degreased by heating to 800 ° C. in an air atmosphere, and then fired at 1390 ° C. for 2 hours. Thereby, a ceramic carrier was obtained.
[0094]
Next, an intermediate layer is provided on the ceramic carrier.
In order to allow uniform coating of the catalyst stable layer, this intermediate layer was formed by immersing a ceramic support in a silica sol (Nissan Chemical Co., Ltd., colloidal silica) solution, drying and firing.
[0095]
Next, a catalyst stable layer is formed.
As the catalyst stable layer material, ultrafine particles having an average particle diameter of 100 to 300 nm (Nanotech Ultrafine Particles manufactured by C-I Kasei Co., Ltd.) were used. These ultrafine particles are CeO2And Y2OThreeAll have a melting point of 1000 ° C. or higher.
The ultrafine particles were dispersed and uniformly mixed in pure water (in this example, pure water was used as a solvent) to prepare a suspension.
[0096]
The suspension according to this example was prepared using a high-pressure dispersion mixing process.
That is, in this example, a high-pressure homogenizer is used in the high-pressure dispersive mixing process, but a high-speed flow is formed by pumping a liquid mixture obtained by mixing the catalyst stable layer material with pure water into the high-pressure homogenizer, and a shock wave due to the high-speed flow is generated. A uniform suspension is produced by forming and destroying the agglomerated portion of the catalyst stable layer material in the solvent and dispersing the catalyst stable layer material to a primary particle state.
Furthermore, since the pumping to the high-pressure homogenizer is performed at a high pressure, a mechanical shearing force can be applied to the mixture during the pumping. This shearing force is also effective for dispersing the catalyst stable layer material in the mixed solution.
At this time, the pressure inside the high-pressure homogenizer was 200 MPa.
[0097]
The entire ceramic carrier provided with the intermediate layer is immersed in the suspension prepared as described above, and then pulled up from the suspension and dried. As a result, the suspension was uniformly applied to the surface of the ceramic carrier.
After drying, it was fired at 1000 ° C. in the atmosphere to sinter the catalyst stable layer material in the suspension to obtain a ceramic carrier having a catalyst stable layer on the surface.
[0098]
Next, a catalyst layer is formed on the ceramic support provided with the catalyst stable layer.
First, the main catalyst (Pt, Rh), the promoter (K2O) was slurried in a solvent water. The slurry was coated with a ceramic carrier provided with the above catalyst stable layer, dried, and then fired at 1000 ° C. in the atmosphere to form a catalyst layer on the surface.
This obtained the ceramic catalyst body concerning this example.
[0099]
The effect concerning this example is demonstrated.
The ceramic catalyst body according to this example utilized high-pressure dispersion mixing processing when obtaining a suspension used for forming a catalyst stable layer. In addition, a high-pressure homogenizer was used for the above treatment.
[0100]
Dispersion by the high-pressure dispersion mixing treatment prevents aggregation of the catalyst stable layer material in the solvent and formation of secondary particles, and disperses them in a state having a primary particle size or a particle size close to the primary particle size. Can do.
Furthermore, the suspension prepared by the high-pressure dispersion mixing process has a stable dispersion state over a long period of time, and re-aggregation of each material in the liquid hardly occurs.
[0101]
The catalyst stabilization layer obtained from the suspension having such characteristics can prevent the catalyst component from diffusing into the ceramic support.
Further, since the catalyst component is difficult to diffuse into the ceramic carrier, the catalyst performance is not deteriorated due to the diffusion of the catalyst component, and the ceramic carrier is hardly deteriorated. Therefore, it is possible to obtain a ceramic catalyst body in which the catalyst performance hardly changes for a long time. it can.
[0102]
Further, it is possible to use a ceramic support made of cordierite having a low thermal expansion that could not be used on the premise of the diffusion of the catalyst component in the past, and a ceramic catalyst body having a low thermal expansion coefficient can be obtained.
Moreover, even if the ceramic catalyst body is heated to a high temperature, the diffusion of the catalyst component is difficult to promote, so that a ceramic catalyst body that can be used up to the heat resistance limit of each material constituting the ceramic catalyst body can be obtained.
[0103]
Therefore, according to the manufacturing method of this example, the low thermal expansion coefficient and excellent high temperature durability, the catalyst component hardly diffuses into the ceramic carrier, the catalyst performance is hardly deteriorated and the ceramic carrier is hardly deteriorated, and the excellent catalyst performance is maintained for a long time. A ceramic catalyst body that can be maintained over a wide range can be obtained.
[0104]
Further, the high-pressure dispersion mixing process for preparing the suspension can be performed in the mixing / dispersing section 22 provided so as to move the movable orifice 24 up and down as shown in FIGS.
As shown in FIG. 4, the high-pressure dispersion mixing apparatus 2 used here collides the liquid mixture pumped to the mixing / dispersing part 22 under high pressure on the tip 240 of the movable orifice 24 exposed inside the mixing / dispersing part 22. Let
As shown in FIG. 3, the above operation is performed by circulating a suspension (mixed solution) between the mixing and dispersing unit 22 and the storage tank 23 connected by the pipes e1, e2, and e3.
The suspension (mixed liquid) entered from the pipe e1 collides with the tip 240, branches, flows out from the two outlets 221, 222, joins at the pipe e3, and returns to the storage tank 23. The suspension again circulates from the storage tank 23 to the mixing and dispersing unit 22 through the pipes e2 and e1.
The high pressure pump 21 is provided for driving the movable orifice 24, and the high pressure pump 21 and the movable orifice are driven by the compressed air applied to the arrows d1 and d2.
[0105]
(Example 2)
In this example, a suspension for forming a catalyst stable layer is prepared by a method different from that in Example 1.
In this example, a suspension containing a catalyst stable layer material and a solvent is prepared, and the mixture is stirred at high speed in a sealed space to apply shearing force to apply a high-speed sealed stirring process. , CeO of catalyst stable layer material2And Y2OThreeAre uniformly dispersed and mixed in pure water as a solvent.
That is, as shown in FIGS. 5 and 6, the sealed pressure vessel 314 and the rotary shaft 312 provided inside the sealed pressure vessel 314 are rotatably attached to the rotary blade having a diameter slightly smaller than the inner diameter of the sealed pressure vessel 314. In the stirring tank 31 having 313, the mixture was stirred at high speed and a shearing force was applied.
[0106]
This will be described in detail below.
In this example, the high-speed closed stirring process for obtaining a suspension in which the catalyst stable layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent is performed using a high-speed mixer device (TK Filmics 80-50, manufactured by Tokushu Kika Kogyo Co., Ltd.). went. As a result, a highly uniform suspension dispersed to the primary particle size of the catalyst stable layer material or a particle size close to the primary particle size was obtained.
In this example, as in Example 1, ultrafine particle CeO was used.2And Y2OThree(Cai Kasei Co., Ltd.) is used as a mixed solution prepared by uniformly mixing with pure water.
[0107]
As shown in FIGS. 5 and 6, the high-speed mixer device 3 is rotatably attached to a hermetic pressure vessel 314 and a rotary shaft 312 provided inside the hermetic pressure vessel 314, and is slightly larger than the inner diameter of the hermetic pressure vessel 314. It comprises a stirring tank 31 storage tank 32 having a small-diameter rotating blade 313, a pump device 33, and pipes a1 to a4 connecting these.
Further, as shown in FIG. 6, in the high-speed mixer device 3 described above, the inside of the sealed pressure vessel 31 is heated by forming the cooling section 34 on the outer surface of the sealed pressure vessel 314 and flowing the cooling water b1 and b2. Suppressed.
In particular, the high-speed mixer device 3 is intended for mixing, dispersion, and emulsification in a liquid medium. In this example, water is used as the liquid medium, so that it is operated at a boiling point of 100 ° C. or less, preferably about 60 ° C. or less. Drive on.
[0108]
As shown in FIG. 6, the hermetic pressure vessel 314 has a flow path inlet 315 and a flow path outlet 316.
Further, a rotating shaft 312 connected to a high-speed motor 311 is installed in the stirring tank 31, and the rotating shaft 312 is disposed concentrically with the hermetic pressure vessel 314.
A rotating blade 313 having a slightly smaller diameter than the sealed pressure vessel 314 is attached to the rotating shaft 312.
In FIGS. 5 and 6, the space between the rotary blade 313 and the sealed pressure vessel 314 is widely described for easy understanding, but in actuality, it is very narrow as about 2 mm.
[0109]
In the high-speed mixer device 3, the mixed solution circulates between the sealed pressure vessel 314, the storage tank 32, and the pump 33 connected by the flow paths a <b> 1 to a <b> 4.
In the hermetic pressure vessel 314, the mixed liquid rotates upon receiving the energy of the rotary blade 313, is pressed against the inner surface of the hermetic pressure vessel 314 by centrifugal force, increases in pressure, and rotates in the form of a hollow thin film.
[0110]
This rotation of the liquid mixture occurs not only in the portion that contacts the rotary blade 313 but also in the portion that is separated from the rotary blade 313 due to the movement of the liquid mixture rotated by the rotary blade 313, Is present, the rotation is transmitted to the liquid mixture through the rotation of the air.
Since the rotation speed of the rotary blade 313 is larger than the rotation speed of the mixed liquid and the gap between the sealed pressure-resistant vessel 314 and the rotary blade 313 is small, the mixed liquid existing near the end of the rotary blade 313 is all stirred by the rotary blade 313. Actions such as dispersion, mixing, and emulsification occur due to high degree of miniaturization.
[0111]
The liquid mixture inside and outside the rotation surface of the rotary blade 313 is also subjected to actions such as dispersion, mixing, and emulsification due to a speed difference during the rotational movement due to the inertia of the liquid mixture itself, generation of a vortex, and the like.
As described above, the mixed liquid becomes a uniformly dispersed mixed suspension by being dispersed and mixed while circulating between the sealed pressure vessel 314, the storage tank 32, and the pump 33.
Other details of the manufacturing method are the same as those in the first embodiment.
[0112]
In this example, the suspension is prepared using high-speed sealed stirring, so the catalyst stable layer material is prevented from agglomerating in the solvent and secondary particle formation, and these are primary particle size or near primary particle size. Can be dispersed in a state having a particle size of.
Furthermore, the suspension prepared by the high-pressure dispersion mixing process has a stable dispersion state over a long period of time, and re-aggregation of each material in the liquid hardly occurs.
[0113]
The catalyst stabilization layer obtained from the suspension having such characteristics can prevent the catalyst component from diffusing into the ceramic support.
Further, since the catalyst component is difficult to diffuse into the ceramic carrier, the catalyst performance is not deteriorated due to the diffusion of the catalyst component, and the ceramic carrier is hardly deteriorated. it can.
Further, it is possible to use a ceramic support made of cordierite having a low thermal expansion that could not be used on the premise of the diffusion of the catalyst component in the past, and a ceramic catalyst body having a low thermal expansion coefficient can be obtained.
Moreover, even if the ceramic catalyst body is heated to a high temperature, the diffusion of the catalyst component is difficult to promote, so that a ceramic catalyst body that can be used up to the heat resistance limit of each material constituting the ceramic catalyst body can be obtained.
[0114]
Therefore, according to the manufacturing method of this example, the low thermal expansion coefficient and excellent high temperature durability, the catalyst component hardly diffuses into the ceramic carrier, the catalyst performance is hardly deteriorated and the ceramic carrier is hardly deteriorated, and the excellent catalyst performance is maintained for a long time. A ceramic catalyst body that can be maintained over a wide range can be obtained.
Other details are the same as those in the first embodiment.
[0115]
(Example 3)
The ceramic catalyst body of this example includes a ceramic carrier and a catalyst layer that covers the surface of the ceramic carrier and contains a catalyst component.
As shown in FIG. 7A, the ceramic carrier has a honeycomb structure, and has a large number of holes 10 serving as exhaust gas flow paths for causing the catalyst to act, and the catalyst layer 13 has a wall surface 100 facing the gas flow path. To form. FIG. 7B is an explanatory diagram showing a state in which the hole 10 is enlarged. Thus, the catalyst layer 13 including the catalyst component and the catalyst trap material 131 is formed so as to cover the wall surface 100. In FIG. 1B, the vicinity of the hole 10 is further enlarged.
[0116]
The catalyst layer is formed by supporting a catalyst component composed of a main catalyst and a cocatalyst and a catalyst trap material for preventing diffusion of the catalyst component on a coat layer composed of γ-alumina.
The main catalyst is a noble metal catalyst, and the promoter is a NOx storage material. Specifically, the main catalyst is composed of Pt and Rh, and the promoter is a potassium compound (K2O).
The catalyst trap material is an ultrafine particle (Nanotech ultrafine particle, manufactured by CI Chemical Co., Ltd.) having an average particle diameter of 100 to 300 nm.2Γ-Al constituting the coating layer2OThree10% by weight (outside%) is added.
[0117]
Next, a method for producing the ceramic catalyst body according to this example will be described.
A ceramic carrier was prepared in the same manner as in Example 1, and the catalyst trap material and γ-Al were obtained using the high-pressure dispersion mixing process shown in Example 1.2OThreeWas added to pure water to prepare a suspension. Moreover, the high-speed airtight stirring process shown in Example 2 can also be utilized for producing this suspension.
A ceramic carrier was immersed in the obtained suspension, dried, and then fired to obtain a ceramic catalyst body having a catalyst layer. Other details of the manufacturing method are the same as those in the first embodiment.
[0118]
In the ceramic catalyst body according to this example, the catalyst layer contains a catalyst trap material. Dispersion by high-pressure dispersion mixing treatment prevents aggregation of γ-alumina as a catalyst layer material or catalyst trap material in the solvent and formation of secondary particles, and reduces the primary particle size or the particle size close to the primary particle size. It can be dispersed in the prepared state.
Furthermore, the suspension prepared by the high-pressure dispersion mixing process has a stable dispersion state over a long period of time, and re-aggregation of each material in the liquid hardly occurs.
[0119]
In the catalyst layer obtained from the suspension having such characteristics, the catalyst trap material is uniformly contained in the entire catalyst layer, so that the diffusion of the catalyst component to the ceramic support can be prevented.
In other words, this catalyst trap material sucks the catalyst component supported on the catalyst layer with the surface potential and traps it around the catalyst trap material to prevent diffusion of the catalyst component inside the ceramic carrier at the temperature of use of the ceramic catalyst body. it can. Therefore, the catalyst component can be uniformly dispersed and held in the catalyst layer.
[0120]
Further, since the catalyst component is difficult to diffuse into the ceramic carrier, the catalyst performance is not deteriorated due to the diffusion of the catalyst component, and the ceramic carrier is hardly deteriorated. Therefore, it is possible to obtain a ceramic catalyst body in which the catalyst performance hardly changes for a long time. it can.
Further, it is possible to use a ceramic support made of cordierite having a low thermal expansion that could not be used on the premise of the diffusion of the catalyst component in the past, and a ceramic catalyst body having a low thermal expansion coefficient can be obtained.
Moreover, even if the ceramic catalyst body is heated to a high temperature, the diffusion of the catalyst component is difficult to promote, so that a ceramic catalyst body that can be used up to the heat resistance limit of each material constituting the ceramic catalyst body can be obtained.
[0121]
Therefore, according to the manufacturing method of this example, the low thermal expansion coefficient and excellent high temperature durability, the catalyst component hardly diffuses into the ceramic carrier, the catalyst performance is hardly deteriorated and the ceramic carrier is hardly deteriorated, and the excellent catalyst performance is maintained for a long time. A ceramic catalyst body that can be maintained over a wide range can be obtained.
Other details are the same as those in the first embodiment.
[0122]
In this example, the trap material is contained in the catalyst layer, but a catalyst layer containing the catalyst active material may be provided instead.
In this case, the catalytically active material is CeO of ultrafine particles having an average particle size of 100 to 300 nm (manufactured by CI Kasei Co., Ltd., nanotech ultrafine particles).2And Al2OThreeΓ-Al that composes the catalyst layer2OThree10% by weight (outside%) was added.
[0123]
By supplying hydrogen to the catalyst layer by the steam reforming reaction, the catalyst active material can prevent diffusion of the catalyst component into the ceramic carrier.
Therefore, the diffusion of the catalyst component into the ceramic carrier can be prevented at the use temperature of the ceramic catalyst body. Therefore, the catalyst component can be uniformly dispersed and held in the catalyst layer.
In addition, since the catalyst component is difficult to diffuse and react with the ceramic carrier, problems such as increased thermal expansion of the ceramic carrier are unlikely to occur, and a ceramic catalyst body that is inexpensive, excellent in high-temperature durability, and maintains stable catalyst performance over a long period of time can be obtained. It is done.
Other details are the same as those in the first embodiment.
[0124]
Example 4
The performance of the ceramic catalyst body according to the present invention will be described together with a comparative sample.
The ceramic catalyst bodies according to Samples 1 to 8 and Comparative Samples C1 and C2 have an intermediate layer made of silica on the surface of the ceramic carrier according to Example 1, and CeO on the surface of the intermediate layer.2And yttria (Y2OThreeAnd a catalyst layer composed of a coating layer of γ-alumina and a catalyst component on the surface thereof.
[0125]
The catalyst component consists of Pt, Rh, Pd of the main catalyst (noble metal catalyst), and the promoter (NOx storage material) is a potassium compound (K2O). These catalyst components are physically adsorbed on the surface of the coat layer to form a catalyst layer. Further, the surface potential of the catalyst layer and the surface potential of the catalyst stable layer are substantially equal. In the actual use range of the ceramic catalyst body of this example, pH 7 to 10, both are 2 mV at pH 7, -2 mV at pH 8, -7 mV at pH 9, It is -7 mV at pH 10 (see Example 1 for details).
[0126]
The ceramic catalyst bodies according to Samples 1 to 5 were prepared as suspensions for the catalyst stable layer by the high-pressure dispersion mixing process described in Example 1. The equipment used for the high-pressure dispersion mixing treatment was a high-pressure homogenizer (Emulsi Flex® C-5, manufactured by AVESTIN), and the pressure was changed little by little.
The ceramic catalyst bodies according to Samples 6 to 8 are suspensions for the catalyst stable layer using the high-speed mixer device described in Example 2 (TK Filmics 80-50, manufactured by Tokushu Kika Kogyo Co., Ltd.). Was made. The rotating blades (see Example 2) are gradually changed to 30, 40, 50 M / sec (unit: rpm).
[0127]
In addition, Comparative Sample 1 is suspended using propeller stirring and mixing, which is a conventional dispersion method (Comparative Example 1 described later), and Comparative Sample 2 is suspended using a medium stirring mill (Comparative Example 2 described later), which is a conventional dispersion method. A turbid liquid was prepared.
[0128]
Table 1 shows the relationship between the suspension preparation conditions and the state of the obtained suspension when preparing Samples 1 to 8 and Comparative Samples 1 and 2.
In Table 1, the concentration of the suspension is the weight ratio of the dispersed particles to the total suspension weight in weight percent concentration. Then, under the preparation conditions and suspension concentration of each suspension, particles dispersed in the suspension (CeO serving as a catalyst stable layer material)2And yttria (Y2OThree)) Was measured for each concentration by a laser Doppler method using a Microtrac (UPA150, Nikkiso) particle size analyzer.
[0129]
From the above measurement results, it was found that the dispersion using the high-pressure dispersion mixing process and the high-speed hermetic stirring process according to the present invention can obtain a dispersion state with a very fine particle size compared to the conventional dispersion method. .
CeO2And yttria (Y2OThree) The primary particle size is theoretically CeO2Is 50 nm (0.05 μm), Y2OThreeIs considered to be about 150 nm (0.15 μm), so that it was found that the particles in the suspension by the high-pressure dispersion mixing treatment or the high-speed hermetic stirring treatment are in the state of average primary particles or a state close thereto.
[0130]
[Table 1]
Figure 0003884719
[0131]
Next, durability tests were conducted on the ceramic catalyst bodies of Samples 1 to 8 and Comparative Samples 1 and 2 using exhaust gas from an actual engine. The concentration of the suspension used for preparing each sample was 10%.
The durability test was conducted by introducing exhaust gas at 900 ° C. for 10 hours using an actual engine in a ceramic catalyst body. Then, the NOx occlusion amount and the thermal expansion coefficient in the flow direction of the ceramic catalyst body (described in FIG. 2) were measured and listed in Table 2.
The NOx occlusion amount in Table 2 is described as a ratio with respect to the NOx occlusion amount of the ceramic catalyst body without the catalyst stable layer (after durability) as 1.
The thermal expansion coefficient was evaluated by an average thermal expansion coefficient between 25 ° C. and 800 ° C. by a push rod type thermal dilatometer.
[0132]
As is apparent from Table 2, the comparative sample 1 in which the catalyst stable layer was formed from the suspension obtained by the conventional propeller mixing or medium stirring mill had a thermal expansion coefficient of 1.75 × 10.-6/ ° C, 1.56 × 10 for comparative sample 2-6/ C was high.
As a result of analyzing the ceramic support after the endurance test with EPMA (= electron beam microanalyzer), the potassium contained in the NOx occlusion material moves and diffuses in the cordierite structure. It was confirmed that the thermal expansion coefficient was increased by changing the composition of the ceramic support (forming by-products).
[0133]
On the other hand, as shown in Table 2, all of the ceramic catalyst bodies of Samples 1 to 8 have a thermal expansion coefficient of 1.5 × 10 5 in the flow path direction.-6/ C or below and practically low enough. Further, the NOx occlusion amount (after endurance) was larger than those of Comparative Samples 1 and 2, and it was found that the catalyst performance could be maintained over a long period.
Moreover, as a result of analyzing the dispersion state of the catalyst components of the ceramic catalyst bodies of Samples 1 to 8, particularly the potassium compound, it was confirmed that the potassium compound was almost uniformly dispersed in the catalyst layer in each sample. . This indicates that in the ceramic catalyst bodies of Samples 1 to 8, potassium migration and diffusion are prevented by the catalyst stabilizing layer, and the reaction between cordierite constituting the ceramic carrier and the potassium compound does not occur.
[0134]
[Table 2]
Figure 0003884719
[0135]
(Example 5)
In this example, the same ceramic carrier as in Example 1 is provided with an intermediate layer made of silica, and the intermediate layer is provided with a ceramic layer comprising a coating layer of γ-alumina, a catalyst component, and a catalyst trap material. The performance of the catalyst body was evaluated.
[0136]
The catalyst layer is formed by supporting a catalyst component comprising a main catalyst and a cocatalyst and a catalyst trap material for preventing diffusion of the catalyst component on a coat layer comprising γ-alumina.
The main catalyst is a noble metal catalyst, and the promoter is a NOx storage material. Specifically, the main catalyst is composed of Pt and Rh, and the promoter is a potassium compound (K2O).
The catalyst trap material is an ultrafine particle (Nanotech ultrafine particle, manufactured by CI Chemical Co., Ltd.) having an average particle diameter of 100 to 300 nm.2Γ-Al constituting the catalyst layer2OThree10% by weight (outside%) was added.
[0137]
Samples 9 to 13 were prepared as suspensions using the high-pressure dispersion mixing process described in Example 1. The equipment used for high-pressure dispersion mixing in each sample was a high-pressure homogenizer, and the pressure was changed little by little.
Samples 14 to 16 were prepared as suspensions using the high-speed hermetic stirring process described in Example 2. In each sample, the peripheral speed of the rotary blade (see Example 2) is changed little by little.
Moreover, the comparative sample 3 produced the suspension which used the screw mixing which is the conventional dispersion method, and the comparative sample 4 produced the suspension using the medium stirring mill.
The details of the preparation of each suspension are the same as in Example 4.
[0138]
Next, the durability test using the exhaust gas discharged from the actual engine was performed on the ceramic catalyst bodies of Samples 9 to 16 and Comparative Samples 3 and 4 in the same manner as in Example 4.
As a result, as is apparent from Table 3, in Comparative Sample 3 in which the catalyst layer was formed from the suspension obtained by the conventional propeller mixing or the medium stirring mill, the thermal expansion coefficient was 1.82 × 10-6/ ° C, for Comparative Sample 4, 1.65 × 10-6/ C was high.
[0139]
In addition, as in Comparative Samples 1 and 2 of Example 4, it was confirmed that potassium, which is a NOx occlusion material, moved and diffused in the cordierite structure, and the composition of the ceramic carrier changed (by-products were changed). It was confirmed that the thermal expansion coefficient increased.
[0140]
On the other hand, the ceramic catalyst bodies of Samples 9 to 16 all have a thermal expansion coefficient of 1.5 × 10 5 in the flow path direction.-6/ C or below and practically low enough. Further, the NOx occlusion amount (after endurance) was larger than those of Comparative Samples 1 and 2, and it was found that the catalyst performance could be maintained over a long period.
Further, in the same manner as Samples 1 to 8 in Example 4, in all the samples, the potassium compound is dispersed almost uniformly in the catalyst layer, and the migration and diffusion of potassium is prevented, and cordierite and potassium constituting the ceramic support. There was no reaction of the compound.
[0141]
[Table 3]
Figure 0003884719
[0142]
(Example 6)
In this example, the same ceramic support as in Example 1 is provided with an intermediate layer made of silica, and the intermediate layer is provided with a ceramic layer comprising a coating layer of γ-alumina, a catalyst component, and a catalyst active material. The performance of the catalyst body was evaluated.
The catalyst layer is formed by supporting a catalyst component composed of a main catalyst and a cocatalyst on a coat layer composed of γ-alumina and a catalyst active material for preventing diffusion of the catalyst component.
[0143]
The main catalyst is a noble metal catalyst, and the promoter is a NOx storage material. Specifically, the main catalyst is composed of Pt and Rh, and the promoter is a potassium compound (K2O).
The catalytically active material is CeO of ultrafine particles (manufactured by CI Chemical Co., Ltd., nanotech ultrafine particles) having an average particle size of 100 to 300 nm.2And Al2OThreeΓ-Al that composes the catalyst layer2OThree10% by weight (outside%) was added.
[0144]
Samples 17 to 21 were suspensions prepared by the high-pressure dispersion mixing process described in Example 1. The equipment used for high-pressure dispersion mixing in each sample was a high-pressure homogenizer, and the mixing pressure was changed little by little.
Samples 22 to 24 were prepared as suspensions by the high-speed closed stirring process described in Example 2. In each sample, the peripheral speed of the rotary blade (see Example 2) is changed little by little.
Moreover, the comparative sample 5 produced the suspension which used the screw mixing which is a conventional dispersion method, and the comparative sample 6 produced the suspension using the medium stirring mill.
Details are the same as in the fourth embodiment.
[0145]
Next, the endurance test using the exhaust gas from the actual engine was performed on the ceramic catalyst bodies of Samples 17 to 24 and Comparative Samples 5 and 6 in the same manner as in Example 4.
As a result, as is clear from Table 4, in Comparative Sample 5 in which the catalyst layer was formed from the suspension obtained by the conventional propeller mixing or the medium stirring mill, the thermal expansion coefficient was 1.89 × 10-6/ ° C., 1.62 × 10 6 for the comparative sample 6-6It was as high as / ° C.
In addition, as in Comparative Samples 1 and 2 of Example 4, it was confirmed that potassium, which is a NOx occlusion material, moved and diffused in the cordierite structure, and the composition of the ceramic carrier changed (by-products were changed). It was confirmed that the thermal expansion coefficient increased.
[0146]
On the other hand, the ceramic catalyst bodies of Samples 17 to 24 all have a thermal expansion coefficient of 1.5 × 10 5 in the flow path direction.-6/ C or below and practically low enough. Further, the NOx occlusion amount (after endurance) was larger than those of Comparative Samples 1 and 2, and it was found that the catalyst performance could be maintained over a long period.
In each sample, the potassium compound was almost uniformly dispersed in the catalyst layer, the potassium migration and diffusion were prevented, and the reaction between cordierite constituting the ceramic support and the potassium compound did not occur.
[0147]
In Examples 4-6, the movement / diffusion of potassium was examined among the catalyst components. However, the catalyst layer may contain a catalyst component composed of another alkali metal or alkaline earth metal compound. Similar results were obtained.
In addition, as a ceramic carrier, SiC, Si other than cordieriteThreeNFourSimilar results were obtained when a honeycomb structure made of mullite material was used.
[0148]
Then, as described in Tables 2 to 4, when a ceramic catalyst body is obtained by preparing a catalyst stable layer or a suspension for the catalyst layer using a propeller mixing or medium stirring mill, the ceramic catalyst body In the presence of water vapor, diffusion of catalyst components such as NOx occlusion material starts from about 600 ° C.
For this reason, in a use environment in which the maximum temperature that is exposed to automobile exhaust gas rises to about 1000 ° C., the catalyst performance deteriorates due to the diffusion of the catalyst component, and the carrier deteriorates due to the reaction between the catalyst component and the ceramic carrier.
[0149]
On the other hand, the ceramic catalyst bodies according to Samples 1 to 24 use a suspension prepared by using a high-pressure dispersion mixing process or a high-speed hermetic stirring process.
Therefore, the catalyst stable layer or catalyst layer formed by applying the catalyst reconstituting layer material or the suspension that is difficult to reaggregate obtained by uniformly dispersing and mixing the catalyst layer material in the solvent to the ceramic carrier in a uniformly dispersed mixed state, Every part has a uniform surface potential and a uniform mixed composition, and the catalyst component diffuses into the ceramic carrier in the presence of high temperature and moisture (generally the moisture content of the exhaust gas is 10 to 20% by weight). Difficult to cause problems such as carrier deterioration.
Thus, the ceramic catalyst body concerning the samples 1-24 described in each Example can be used suitably as a catalyst for automobile exhaust gas purification of a lean burn system or a diesel engine.
[0150]
Furthermore, the ceramic catalyst bodies according to Samples 1 to 24 described in each example can be suitably used for a three-way catalyst of a gasoline engine.
The three-way catalyst of a gasoline engine is required to maintain the purification performance with high activity over a long period of time. By using the ceramic catalyst body according to this example, Pt, Rh, etc. can be obtained from the catalyst active material in the catalyst layer. By supplying hydrogen to the noble metal catalyst (sample 17 to sample 24), the active surface can be increased and a stable catalytic reaction can be maintained over a long period of time.
[0151]
Also, in ceramic filters that collect PM (particulate matter) such as soot discharged from diesel engines, and burn and remove with precious metal catalysts, the catalyst component is catalyst poisoning such as sulfur in exhaust gas Deteriorated under the influence of substances.
By applying samples 17 to 24 here and supplying hydrogen to a noble metal catalyst such as Pt or Rh, removal of the catalyst poisoning substance can be promoted. Therefore, the catalytic poisoning substance does not remain or accumulate on the active surface, and the catalytic reaction can be stably maintained.
[0152]
[Table 4]
Figure 0003884719
[0153]
(Comparative Example 1)
For comparison, a suspension is prepared using propeller stirring and mixing, which is a conventional dispersion method, and a catalyst stable layer and a further catalyst layer are formed from this suspension, and the NOx occlusion reduction is the same as in Example 1. A type ceramic catalyst body was prepared.
In this example, a propeller stirring and mixing device (Aswan Co., Ltd. SM-102) is used to adjust the suspension. The mixing condition by this propeller stirring and mixing apparatus is performed at a rotation speed of 500 rpm. The mixed solution used here was the same as in Example 1 with ultrafine particles CeO.2And Y2OThree(Cai Kasei Co., Ltd.) is used a mixed solution prepared by purely uniform mixing.
[0154]
In the propeller stirring and mixing operation of this example, ultrafine particles CeO are used.2And Y2OThreeA suspension prepared by uniformly mixing (Cai Kasei Co., Ltd.) with pure water is put into a beaker (1 liter), and the tip of the shaft with a propeller blade attached to the tip of the shaft of the stirring and mixing device is attached to the beaker. Then, mix by rotating the propeller blades. At this time, the rotation speed was controlled so that the suspension of the beaker was not scattered, but the maximum rotation speed was 500 rpm.
[0155]
(Comparative Example 2)
For comparison, a suspension is prepared using a medium stirring mill, which is a conventional dispersion method, and a catalyst stable layer and a further catalyst layer are formed from the suspension, and the NOx occlusion reduction similar to that in Example 1 is performed. A type ceramic catalyst body was prepared.
In this example, a bar stirring device (Ashizawa RV1V, effective capacity 1.0 liter, actual capacity 0.5 liter) is used as the medium stirring mill. The mixing conditions using a bar mill apparatus are as follows: 3.0 kg of a zirconia ball diameter of 0.5 mm is used as a grinding medium, and 80% of the stirring tank volume is filled with zirconia balls.
The mixed solution used here was the same as in Example 1 with ultrafine particles CeO.2And Y2OThree(Cai Kasei Co., Ltd.) is used a mixed solution prepared by purely uniform mixing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view of a main part of a ceramic catalyst body in Example 1. FIG.
2 is an overall explanatory view of a ceramic catalyst body in Example 1. FIG.
3 is an explanatory view showing the entire high-pressure dispersion mixing apparatus in Embodiment 1. FIG.
4 is an explanatory diagram showing a configuration of a mixing and dispersing unit according to FIG. 3;
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the entire high-speed mixer device according to the second embodiment.
6 is an explanatory view showing a configuration of a sealed pressure vessel according to FIG. 5;
7 is an explanatory view of the main part of a ceramic catalyst body in Example 3. FIG.
[Explanation of symbols]
1. . . Ceramic catalyst body,
10. . . Hole,
11. . . Ceramic carrier,
12 . . Catalyst stable layer,
13. . . Catalyst layer,
2. . . High pressure dispersive mixing equipment,
21. . . High pressure pump,
22. . . Mixing and dispersing section,
23. . . Storage tank,
24. . . Movable orifice,
240. . . tip,
d1, d2. . . Compressed air,
e1-e3. . . Piping,
3. . . High speed mixer equipment,
31. . . Stirring tank,
312. . . Axis of rotation,
313. . . Rotating blades,
314. . . Sealed pressure vessel,
32. . . Storage tank,
a1-a4. . . Piping,

Claims (21)

セラミック担体と,該セラミック担体の表面を覆い,触媒成分の拡散を抑制する触媒安定層と,該触媒安定層の表面を覆い,触媒成分を含有する触媒層とからなると共に,
上記触媒安定層の表面電位と上記触媒層の表面電位は略同一であり,かつ上記触媒安定層は使用最高温度より高温の融点を有するセラミック触媒体の製造方法において,
上記触媒安定層を構成する触媒安定層材料を準備し,
該触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合した懸濁液を作製し,
上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与すると共に上記触媒安定層材料を熱処理して上記触媒安定層を形成するに当たり,
上記懸濁液を作製する際は,上記触媒安定層材料と上記溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液の流路に衝突部を設けて,上記混合液を高圧下で衝突部に衝突させることで触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合する高圧分散混合処理を行うことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。
A ceramic carrier, a catalyst stabilizing layer that covers the surface of the ceramic carrier and suppresses diffusion of the catalyst component, and a catalyst layer that covers the surface of the catalyst stabilizing layer and contains the catalyst component;
In the method for producing a ceramic catalyst body, the surface potential of the catalyst stable layer and the surface potential of the catalyst layer are substantially the same, and the catalyst stable layer has a melting point higher than the highest use temperature.
Prepare the catalyst stable layer material that constitutes the catalyst stable layer,
A suspension in which the catalyst stable layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent is prepared,
In uniformly applying the suspension to the surface of the ceramic carrier and heat-treating the catalyst stable layer material to form the catalyst stable layer,
When preparing the suspension, a mixed liquid containing the catalyst stable layer material and the solvent is prepared, and a collision part is provided in the flow path of the mixed liquid, and the mixed liquid is applied to the collision part under high pressure. A method for producing a ceramic catalyst body, comprising performing a high-pressure dispersion mixing process for uniformly dispersing and mixing a catalyst stable layer material in a solvent by collision.
セラミック担体と,該セラミック担体の表面を覆い,触媒成分を含有する触媒層とからなると共に,
上記触媒層は,上記触媒成分を吸引して該触媒成分の拡散を抑制可能な触媒トラップ材を含有し,かつ該触媒トラップ材は使用最高温度より高温の融点を有する,
または上記触媒層は,水蒸気改質反応により水素を上記触媒成分に供給可能な触媒活性材を含有し,かつ該触媒活性材は使用最高温度より高温の融点を有するセラミック触媒体の製造方法において,
上記触媒層を構成する触媒層材料を準備し,
該触媒層材料を溶媒に均一分散混合した懸濁液を作製し,
上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与すると共に上記触媒層材料を熱処理して上記触媒層を形成するに当たり,
上記懸濁液を作製する際は,上記触媒層材料と上記溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液の流路に衝突部を設けて,上記混合液を高圧下で衝突部に衝突させることで触媒層材料を溶媒に均一分散混合する高圧分散混合処理を行うことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。
Comprising a ceramic carrier and a catalyst layer covering the surface of the ceramic carrier and containing a catalyst component;
The catalyst layer contains a catalyst trap material capable of suppressing the diffusion of the catalyst component by sucking the catalyst component, and the catalyst trap material has a melting point higher than the maximum use temperature;
Alternatively, the catalyst layer contains a catalyst active material capable of supplying hydrogen to the catalyst component by a steam reforming reaction, and the catalyst active material has a melting point higher than the maximum use temperature in the method for producing a ceramic catalyst body,
Preparing a catalyst layer material constituting the catalyst layer,
Preparing a suspension in which the catalyst layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent;
In applying the suspension uniformly to the surface of the ceramic carrier and heat-treating the catalyst layer material to form the catalyst layer,
When preparing the suspension, a mixed solution containing the catalyst layer material and the solvent is prepared, a collision portion is provided in the flow path of the mixed solution, and the mixed solution collides with the collision portion under high pressure. And a high pressure dispersion mixing process for uniformly dispersing and mixing the catalyst layer material in the solvent.
請求項1または2において,上記高圧分散混合処理を,可動オリフィスを上下作動するよう設けてなる混合分散部にて行うに当たり,
上記混合分散部の内部に露出する可動オリフィスの先端に,上記混合分散部に圧送した混合液を高圧下で衝突させることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。
In claim 1 or 2, when the high-pressure dispersion mixing process is performed in a mixing and dispersing section provided to move the movable orifice up and down,
A method for producing a ceramic catalyst body, characterized in that the liquid mixture pumped to the mixing and dispersing section collides with the tip of a movable orifice exposed inside the mixing and dispersing section under high pressure.
請求項1〜3のいずれか1項において,上記高圧分散混合処理は50〜400MPaの圧力において行うことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。  The method for producing a ceramic catalyst body according to any one of claims 1 to 3, wherein the high-pressure dispersion mixing treatment is performed at a pressure of 50 to 400 MPa. セラミック担体と,該セラミック担体の表面を覆い,触媒成分の拡散を抑制する触媒安定層と,該触媒安定層の表面を覆い,触媒成分を含有する触媒層とからなると共に,
上記触媒安定層の表面電位と上記触媒層の表面電位は略同一であり,かつ上記触媒安定層は使用最高温度より高温の融点を有するセラミック触媒体の製造方法において,
上記触媒安定層を構成する触媒安定層材料を準備し,
該触媒安定層材料を溶媒に均一分散混合した懸濁液を作製し,
上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与すると共に上記触媒安定層材料を熱処理して上記触媒安定層を形成するに当たり,
上記懸濁液を作製する際は,上記触媒安定層材料と上記溶媒とを含む混合液を作製し,該混合液を密閉した空間で高速に攪拌して剪断力を加える高速密閉攪拌処理を行うことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。
A ceramic carrier, a catalyst stabilizing layer that covers the surface of the ceramic carrier and suppresses diffusion of the catalyst component, and a catalyst layer that covers the surface of the catalyst stabilizing layer and contains the catalyst component;
In the method for producing a ceramic catalyst body, the surface potential of the catalyst stable layer and the surface potential of the catalyst layer are substantially the same, and the catalyst stable layer has a melting point higher than the highest use temperature.
Prepare the catalyst stable layer material that constitutes the catalyst stable layer,
A suspension in which the catalyst stable layer material is uniformly dispersed and mixed in a solvent is prepared,
In uniformly applying the suspension to the surface of the ceramic carrier and heat-treating the catalyst stable layer material to form the catalyst stable layer,
When preparing the suspension, a mixed solution containing the catalyst stable layer material and the solvent is prepared, and a high-speed sealed stirring process is performed in which the mixed solution is stirred at high speed in a sealed space to apply a shearing force. A method for producing a ceramic catalyst body.
請求項5において,上記高速密閉攪拌処理は,密閉耐圧容器と該密閉耐圧容器の内部に設けた回転軸に回転可能に取り付け,上記密閉耐圧容器の内径よりも僅かに小径の回転羽根とを有する攪拌槽において,
上記混合液を高速に攪拌して剪断力を加えることにより行うことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。
6. The high-speed hermetic stirring process according to claim 5, comprising: a hermetic pressure vessel and a rotary blade that is rotatably attached to a rotary shaft provided inside the hermetic pressure vessel, and has a rotating blade slightly smaller in diameter than the inner diameter of the hermetic pressure vessel. In the stirring tank,
A method for producing a ceramic catalyst body, which is carried out by stirring the mixed solution at a high speed and applying a shearing force.
請求項1〜6のいずれか1項において,上記懸濁液を上記セラミック担体の表面に均一に付与する際は,上記懸濁液に超音波を与えることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。  The method for producing a ceramic catalyst body according to any one of claims 1 to 6, wherein when the suspension is uniformly applied to the surface of the ceramic carrier, ultrasonic waves are applied to the suspension. . 請求項1,3〜7のいずれか1項において,上記触媒安定層は,元素周期律表第1B族,第2B族,第3A族,第3B族,第4A族,第5A族,第6A族,第7A族及び第8族の元素から選択される少なくとも1種以上の元素を含む材料からなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。The catalyst stable layer according to any one of claims 1 to 3-7 , wherein the catalyst stabilizing layer is composed of Group 1B, Group 2B, Group 3A, Group 3B, Group 4A, Group 5A, Group 6A of the Periodic Table of Elements. A method for producing a ceramic catalyst body, comprising a material containing at least one element selected from elements of Group IV, Group 7A, and Group 8. 請求項1,3〜8のいずれか1項において,上記触媒安定層は,La,Y,Sc,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Yb,Lu,Al,Ga,Zn,Cu,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Mn,Tc,Re,Fe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir及びPtから選択される少なくとも1種以上の元素を含む材料からなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。The catalyst stable layer according to any one of claims 1 to 3 , wherein the catalyst stable layer includes La, Y, Sc, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb, Lu, Al, At least selected from Ga, Zn, Cu, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Tc, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt A method for producing a ceramic catalyst body comprising a material containing one or more elements. 請求項1,3〜9のいずれか1項において,上記触媒安定層は,Y23,Sc23,TiO,Cr23,MnO,Mn23,Mn25,Fe23,Fe34,Co34,NiO,ZnO,CuO,Ga23,ZrO2,Zr23,Nb25,SnO2,CeO2,Pr23,PrO4,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,Ho23,Er23,Tm23,Yb23,Lu23,HfO2,Ta25,及びAl23から選択される1種以上の材料からなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。Claim 1, in any one of 3-9, the catalyst stability layer, Y 2 O 3, Sc 2 O 3, TiO, Cr 2 O 3, MnO, Mn 2 O 3, Mn 2 O 5, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Co 3 O 4 , NiO, ZnO, CuO, Ga 2 O 3 , ZrO 2 , Zr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , SnO 2 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , PrO 4 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3. A method for producing a ceramic catalyst body, comprising at least one material selected from 3 , Lu 2 O 3 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , and Al 2 O 3 . 請求項1,3〜10のいずれか1項において,上記触媒安定層は,Y23及びCeO2の少なくとも一方を含むことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。The method for producing a ceramic catalyst body according to any one of claims 1 and 3 to 10 , wherein the catalyst stable layer includes at least one of Y 2 O 3 and CeO 2 . 請求項2〜4のいずれか1項において,上記触媒トラップ材は,平均一次粒子径が500nm以下である粉末よりなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。The method for producing a ceramic catalyst body according to any one of claims 2 to 4, wherein the catalyst trap material is made of powder having an average primary particle diameter of 500 nm or less. 請求項2〜4,12のいずれか1項において,上記触媒トラップ材は,Y23,Sc23,NiO,ZnO,CuO,CeO2,Pr23,PrO4,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,Ho23,Er23,Tm23,Yb23,Lu23及びAl23から選択される1種以上の材料からなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。13. The catalyst trap material according to claim 2, wherein the catalyst trap material is Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , NiO, ZnO, CuO, CeO 2 , Pr 2 O 3 , PrO 4 , Nd 2 O. 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Lu 2 O A method for producing a ceramic catalyst body, comprising at least one material selected from 3 and Al 2 O 3 . 請求項2〜4のいずれか1項において,上記触媒活性材は,ランタノイド元素から選択される少なくとも1種以上の元素を含む材料からなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。The method for producing a ceramic catalyst body according to any one of claims 2 to 4, wherein the catalytically active material is made of a material containing at least one element selected from lanthanoid elements. 請求項2〜4,14のいずれか1項において,上記触媒活性材は,Y23,CeO2,Pr23,PrO4,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,Ho23,Er23,Tm23,Yb23及びLu23から選択される1種以上の材料からなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。15. The catalyst active material according to claim 2, wherein the catalyst active material is Y 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , PrO 4 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3. From one or more materials selected from Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Lu 2 O 3 A method for producing a ceramic catalyst body. 請求項2〜4,14,15のいずれか1項において,上記触媒活性材は,少なくともCeの酸化物または複合酸化物から選択される1種以上の材料からなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。16. The ceramic catalyst body according to any one of claims 2 to 4, 14, and 15, wherein the catalytically active material is made of at least one material selected from at least a Ce oxide or a composite oxide. Manufacturing method. 請求項2〜4,14〜16のいずれか1項において,上記触媒活性材は,CeO2と,Y23,TiO2,ZrO2及びAl23から選択される1種以上の酸化物を混合してなる混合酸化物からなることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。In the claims 2-4, any one of 14 to 16, the catalyst activity material, and CeO 2, Y 2 O 3, 1 or more oxide selected from TiO 2, ZrO 2 and Al 2 O 3 A method for producing a ceramic catalyst body comprising a mixed oxide obtained by mixing a product. 請求項1〜17のいずれか1項において,上記触媒成分は,アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素から選択される少なくとも1種以上の元素からなる化合物を含むことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。  18. The ceramic catalyst body according to claim 1, wherein the catalyst component includes a compound composed of at least one element selected from an alkali metal element and an alkaline earth metal element. Production method. 請求項1〜18のいずれか1項において,上記触媒成分は,Li,Na,K,Ba,Rb,Be,Mg,Ca及びSrから選択される少なくとも1種以上の元素からなる化合物を含むことを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。  19. The catalyst component according to claim 1, wherein the catalyst component includes a compound composed of at least one element selected from Li, Na, K, Ba, Rb, Be, Mg, Ca, and Sr. A method for producing a ceramic catalyst body. 請求項1〜19のいずれか1項において,上記セラミック担体は熱膨張係数が1.5×104/℃以下であることを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。The method for producing a ceramic catalyst body according to any one of claims 1 to 19, wherein the ceramic carrier has a thermal expansion coefficient of 1.5 x 10 4 / ° C or less. 請求項1〜20のいずれか1項において,上記セラミック担体はコーディエライトを含有することを特徴とするセラミック触媒体の製造方法。  21. The method for producing a ceramic catalyst body according to any one of claims 1 to 20, wherein the ceramic carrier contains cordierite.
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