JP3965672B2 - Exhaust gas purification catalyst - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素過剰のリーン雰囲気でNOx を吸蔵し、還元成分過剰のリッチ雰囲気で吸蔵されたNOx を放出して還元できるNOx 吸蔵還元型の排ガス浄化用触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、二酸化炭素による地球温暖化現象が問題となり、二酸化炭素の排出量を低減することが課題となっている。自動車においても排ガス中の二酸化炭素量の低減が課題となり、燃料を酸素過剰雰囲気で希薄燃焼させるリーンバーンエンジンが開発されている。このリーンバーンエンジンによれば燃料の使用量が低減されるため、二酸化炭素の排出量を抑制することができる。
【0003】
このリーンバーンエンジンにおいて、常時は酸素過剰の燃料リーン条件で燃焼させ、間欠的に燃料ストイキ〜リッチ条件とすることにより排ガスを還元雰囲気としてNOx を還元浄化するシステムが開発され、実用化されている。そしてこのシステムに最適な触媒として、リーン雰囲気でNOx を吸蔵し、吸蔵されたNOx をストイキ又はリッチ雰囲気で放出するNOx 吸蔵材を用いたNOx 吸蔵還元型の排ガス浄化用触媒が開発されている。
【0004】
例えば特開平5-317652号公報には、Baなどのアルカリ土類金属とPtをγ-Al2O3などの多孔質酸化物担体に担持した排ガス浄化用触媒が提案されている。また特開平 6-31139号公報には、Kなどのアルカリ金属とPtをγ-Al2O3などの多孔質酸化物担体に担持した排ガス浄化用触媒が提案されている。さらに特開平5-168860号公報には、Laなどの希土類元素とPtをγ-Al2O3などの多孔質酸化物担体に担持した排ガス浄化用触媒が提案されている。アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類元素はNOx を吸蔵放出する特性を有しているので、NOx 吸蔵材と称されている。
【0005】
このNOx 吸蔵還元型触媒を用いれば、空燃比をリーン側からパルス状にストイキ又はリッチ側となるように制御することにより、排ガスもリーン雰囲気からパルス状にストイキ又はリッチ雰囲気となる。したがって、リーン側ではNOx がNOx 吸蔵材に吸蔵され、それがストイキ又はリッチ側で放出されてHCやCOなどの還元性成分と反応して浄化されるため、リーンバーンエンジンからの排ガスであってもNOx を効率良く浄化することができる。また排ガス中のHC及びCOは、貴金属により酸化されるとともにNOx の還元にも消費されるので、HC及びCOも効率よく浄化される。
【0006】
NOx 吸蔵還元型触媒では、酸素過剰のリーン雰囲気において排ガス中のNOが貴金属の触媒作用で酸化されてNO2 となり、それが水蒸気によって亜硝酸イオンあるいは硝酸イオンとなってNOx 吸蔵材と反応して吸蔵される。したがって貴金属とNOx 吸蔵材とは互いに近接して担持されていることが望ましく、これによってNOx 吸蔵能が最大に発現され高いNOx 浄化率が発現される。
【0007】
一方、NOx 吸蔵材としてのアルカリ金属は、高温域におけるNOx 吸蔵能に長けているため、近年の高温の排ガス中で用いられるNOx 吸蔵還元型触媒には必須成分となっている。したがってNOx 吸蔵還元型触媒には、貴金属とアルカリ金属とが必須であり、しかも互いに近接して担持されていることが望ましい。
【0008】
ところがアルカリ金属は一般に融点が低く、高温時に担体上を移動して貴金属表面を覆い、これによって貴金属の活性が低下してNOx 吸蔵能が低下するという不具合があった。例えばカリウムは、K2O の状態では融点が 402℃であり、NOx を吸蔵したK(NO3)の状態では融点が 337℃となる。そのため 400℃程度の排ガス温度で液状化し、担体上を流動して貴金属を覆ってしまう。
【0009】
そこで貴金属とアルカリ金属をそれぞれ別の担体粒子に分離して担持したり、担体層で分離したりすることが行われているが、近接して担持する場合に比べてNOx 吸蔵能が低下しNOx 浄化率も低下するという問題がある。また、高温時に飛散するアルカリ金属や、多孔質酸化物担体あるいはコージェライトなどの基材に固溶するアルカリ金属もあり、このようになるとNOx 吸蔵能が低下して、貴金属の活性低下と同様にNOx 浄化率が低下してしまう。
【0010】
したがって最も望ましいのは、高温時におけるアルカリ金属の移動を防止することであるが、アルカリ金属自身の特性という事情から、有効な対策は見出されていないのが現状である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、アルカリ金属の移動を抑制し、NOx 浄化能の耐久性を高めた触媒とすることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の排ガス浄化用触媒の特徴は、酸化物担体に少なくともアルカリ金属を含むNOx 吸蔵材と貴金属とを担持してなるNOx 吸蔵還元型の排ガス浄化用触媒であって、NOx 吸蔵材は、アルカリ金属からなる核体と核体の周囲を覆うシェル層とからなるコア・シェル構造をもち、シェル層はアルカリ土類金属,希土類元素,Mn,Fe,Co,及びNiから選ばれる元素を含むことにある。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の排ガス浄化用触媒では、アルカリ金属からなる核体と核体の周囲を覆うシェル層とからなる、コア・シェル構造のNOx 吸蔵材を担持している。シェル層の融点はアルカリ金属より高いので、高温時にアルカリ金属よりなる核体が液状となっても固体状態のシェル層によって流動が規制され、貴金属を覆ったり担体あるいは基材に固溶したりするような不具合が抑制される。したがって高温耐久後も高いNOx 吸蔵能と高いNOx 浄化率が発現され、耐久性に優れている。
【0014】
コア・シェル構造の核体であるアルカリ金属は、K,Na,Cs,Li,Rb,Frのいずれも用い得るが、K,Na,Cs,Liが好ましくKが特に好ましい。
【0015】
またコア・シェル構造のシェル層は、アルカリ土類金属,希土類元素,Mn,Fe,Co,及びNiから選ばれる元素を含むものであり、これらの元素の酸化物,炭酸塩などであって、 400℃以上の高温時にも固体状態であるものが用いられる。中でもBa,Ca,Mgなどのアルカリ土類元素を含むことが特に望ましい。これによって低温域におけるNOx 吸蔵能が向上し、NOx 浄化活性が一層向上する。
【0016】
コア・シェル構造のNOx 吸蔵材の粒径は、 0.1μm以下であることが好ましく、0.05μm以下であることがさらに望ましい。粒径がこれより大きくなると表面積の低下によりNOx 吸蔵材の担持量当たりのNOx 吸蔵能が低下する。そのため多量に担持せざるを得ず、そうなると貴金属の担持量に影響が及ぶ場合がある。また核体とシェル層の比率は特に制限されないが、重量比で核体/シェル層=1/4〜1/2の範囲が好ましい。
【0017】
このようなコア・シェル構造のNOx 吸蔵材を製造するには種々の方法が考えられるが、例えば逆ミセルを用いる方法がある。この方法は、先ずベンゼンなどの非水溶媒に、分子中にアルカリ土類金属などを含む界面活性剤を添加して逆ミセルを形成する。そこへアルカリ金属塩の水溶液を添加すると、逆ミセルの中心の親水性部分にアルカリ金属塩の水溶液の液滴が保持されて可溶化する。これを焼成すれば、アルカリ金属を核体としアルカリ土類金属などを含むシェル層をもつコア・シェル構造のNOx 吸蔵材粒子を製造することができる。
【0018】
上記製造方法においては、逆ミセルの中心部でアルカリ金属塩を非水溶性として析出させ、それを焼成することが好ましい。これによりアルカリ金属からなる核体をさらに微細とすることができ、コア・シェル構造のNOx 吸蔵材を微細化できるので、表面積の増大によりNOx 吸蔵能及びNOx 浄化能がさらに向上する。このようにアルカリ金属塩を析出させるには、例えば酒石酸水溶液を混合して逆ミセルの中心部でアルカリ金属の酒石酸水素塩を形成する方法がある。
【0019】
本発明の排ガス浄化用触媒に用いられる酸化物担体としては、 Al2O3,TiO2,ZrO2,CeO2,SiO2,MgO などの一種又は複数種、あるいはこれらから選ばれた複数種からなる複合酸化物などを用いることができる。そして酸化物担体粉末をペレット状に形成し、それにコア・シェル構造のNOx 吸蔵材と貴金属を担持してペレット触媒としてもよいし、コージェライトあるいは金属箔などから形成されたハニカム基材に酸化物担体粉末からなるコート層を形成し、それにコア・シェル構造のNOx 吸蔵材と貴金属を担持してハニカム触媒とすることもできる。
【0020】
酸化物担体にコア・シェル構造のNOx 吸蔵材を担持するには、酸化物担体粉末とコア・シェル構造のNOx 吸蔵材粒子からなる粉末を混合してコート層を形成することによって行うことができる。なお、コア・シェル構造のNOx 吸蔵材は、炭酸塩化処理などによってシェル層を非水溶性としておくことが望ましい。これによりコート層形成時の水性スラリー中にコア・シェル構造のNOx 吸蔵材が溶出するのを防止することができる。
【0021】
またコア・シェル構造のNOx 吸蔵材の担持とともに、従来のNOx 吸蔵還元型触媒のようにアルカリ金属塩の水溶液をコート層に吸水させてアルカリ金属を担持することも好ましい。これにより微細なアルカリ金属を担持できるので、初期のNOx 浄化活性を向上させることができる。ただそのアルカリ金属が高温時に移動して貴金属を覆ったりするのを低減するために、微細なアルカリ金属の担持量は極く少量とすべきである。
【0022】
コア・シェル構造のNOx 吸蔵材の担持量は、アルカリ金属として触媒1リットルあたり0.01〜2モルとなるようにすることが好ましい。NOx 吸蔵材の担持量がこれより少ないとNOx 吸蔵能及びNOx 浄化率が実用的でなく、これより多くなると貴金属の担持量が相対的に減少するため活性が低下する。
【0023】
また本発明の排ガス浄化用触媒にいう貴金属としては、Pt,Rh,Pd,Ir,Ruなどから選ばれる一種又は複数種を用いることができる。この貴金属の担持量は触媒1リットルあたり 0.5〜20重量%とするのが好ましい。これより少ないと実用的な活性が発現されず、これより多く担持しても活性が飽和するとともに高価となる。貴金属の担持方法は従来と同様に行うことができ、吸着担持法あるいは含浸担持法でコート層に担持すればよい。
【0024】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
【0025】
(実施例1)
図1に本発明の一実施例の触媒の拡大説明図を示す。この触媒は、 Al2O3,TiO2及びZrO2よりなる担体1と、担体1に担持されたコア・シェル構造のNOx 吸蔵材2と、担体1に担持されたPt3とから構成されている。コア・シェル構造のNOx 吸蔵材2は、K( K2O)よりなる核体20と、核体20の表面に形成されCa(Ca(CO3)2)よりなるシェル層21とから構成されている。以下、図2を参照しながらこの触媒の製造方法を説明して、構成の詳細な説明に代える。
【0026】
ベンゼン 341gに 1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸カルシウム( [(C2OH37O4)SO4 -]2・Ca2+)の1モルを加え、撹拌し完全に溶解してベンゼン溶液Aを調製した。これにより 1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸カルシウムは、親水基を内側に疎水基を外側に向けて会合し逆ミセルを形成する。
【0027】
一方、純水に炭酸カリウムを加え撹拌して完全に溶解し、濃度45〜52重量%の炭酸カリウム水溶液Bを調製した。そしてベンゼンと水の重量比がベンゼン/水= 3.5となるように、ベンゼン溶液A全量を撹拌しながら炭酸カリウム水溶液Bを加えて溶液Cを調製した。逆ミセルの中心部は親水性が強いため、炭酸カリウム水溶液Bの液滴が逆ミセルの中心部に存在した状態で可溶化される。
【0028】
他方、ベンゼン 325gに 1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸カルシウム0.95モルを加え、撹拌し完全に溶解してベンゼン溶液Dを調製した。これにより逆ミセルが形成される。一方、純水に酒石酸を加え撹拌して完全に溶解し、濃度50〜58重量%の酒石酸水溶液Eを調製した。そしてベンゼンと水の重量比がベンゼン/水= 3.5となるように、ベンゼン溶液D全量を撹拌しながら酒石酸水溶液Eを加えて溶液Fを調製した。逆ミセルの中心部は親水性が強いため、酒石酸水溶液Eの液滴が逆ミセルの中心部に存在した状態で可溶化される。
【0029】
次に溶液Cを撹拌しながら溶液Fの全量を加え、1時間撹拌を続行した。これにより逆ミセルの中心で炭酸カリウム水溶液Bと酒石酸水溶液Eが混合され、逆ミセルの中心部に水への溶解度が小さい酒石酸水素カリウムが析出する。
【0030】
その後ロータリエバポレータを用いて溶媒を除去し、O2を1%含むN2ガス雰囲気下にて 550℃で2時間焼成して、コア・シェル構造の粒子の集合体である粉末を調製した。このコア・シェル構造の粒子は、 K2Oからなる核体と、 CaOからなるシェル層とから構成されている。得られた粉末を所定濃度の炭酸水素アンモニウム水溶液に浸漬して処理し、シェル層を水に不溶の炭酸塩(Ca(CO3)2)としてコア・シェル構造のNOx 吸蔵材粉末を調製した。
【0031】
Al2O3粉末 100重量部と、TiO2粉末 100重量部と、ZrO2粉末50重量部と、上記NOx 吸蔵材粉末66重量部を混合し、適量のアルミナゾルと純水を加えてスラリーを調製した。そしてコージェライト製のハニカム基材(直径 100mm、長さ 163mm、セル密度 400/in2 )を用意し、このスラリーをウォッシュコートした後、 250℃で60分間乾燥し 450℃で2時間焼成してコート層を形成した。コート層はハニカム基材1リットルあたりに 250g形成され、ハニカム基材1リットルあたりにKが 0.1モル、Caが 0.5モル担持されている。
【0032】
上記コート層が形成されたハニカム基材に所定濃度のジニトロジアミン白金水溶液の所定量を含浸し、蒸発乾固後、 450℃で2時間焼成してPtを担持した。Ptの担持量は、ハニカム基材1リットルあたり2gである。
【0033】
(実施例2)
1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸カルシウムに代えて 1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸マグネシウム( [(C2OH37O4)SO4 -]2・Mg2+)を同量用いたこと以外は実施例1と同様にしてコア・シェル構造のNOx 吸蔵材粉末を調製し、同様にコート層を形成しPtを担持して実施例2の触媒とした。
【0034】
(実施例3)
ベンゼン 341gに 1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸カルシウムの1モルを加え、撹拌し完全に溶解してベンゼン溶液Aを調製した。これにより 1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸カルシウムは、親水基を内側に疎水基を外側に向けて会合し逆ミセルを形成する。
【0035】
一方、純水に炭酸ナトリウム10水和物を加え撹拌して完全に溶解し、濃度70〜80重量%の炭酸ナトリウム水溶液Gを調製した。そしてベンゼンと水の重量比がベンゼン/水= 3.5となるように、ベンゼン溶液Aの全量を撹拌しながら炭酸ナトリウム水溶液Gを加えて溶液Hを調製した。逆ミセルの中心部は親水性が強いため、炭酸ナトリウム水溶液Gの液滴が逆ミセルの中心部に存在した状態で可溶化される。
【0036】
次に溶液Hに CO2ガスをバブリングしながら1時間撹拌し、逆ミセルを水に難溶の炭酸塩(Ca(CO3)2)とした。その後ロータリエバポレータを用いて溶媒を除去し、O2を1%含むN2ガス雰囲気下にて 550℃で2時間焼成して、コア・シェル構造の粒子の集合体であるNOx 吸蔵材粉末を調製した。このNOx 吸蔵材粉末は、Na2Oからなる核体と、Ca(CO3)2からなるシェル層とから構成されている。
【0037】
このNOx 吸蔵材粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコート層を形成し、Ptを担持して実施例3の触媒とした。
【0038】
(実施例4)
1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸カルシウムに代えて 1,2ビス( 2エチルヘキシル)スルホコハク酸マグネシウムを同量用いたこと以外は実施例3と同様にしてコア・シェル構造のNOx 吸蔵材粉末を調製し、同様にコート層を形成しPtを担持して実施例4の触媒とした。
【0039】
(比較例1)
Al2O3粉末 100重量部と、TiO2粉末 100重量部と、ZrO2粉末50重量部を混合し、適量のアルミナゾルと純水を加えてスラリーを調製した。そして実施例1と同様のハニカム基材を用意し、このスラリーをウォッシュコートした後、 250℃で60分間乾燥し 450℃で2時間焼成してコート層を形成した。コート層はハニカム基材1リットルあたりに 250g形成された。
【0040】
次に上記コート層が形成されたハニカム基材に所定濃度のジニトロジアミン白金水溶液の所定量を含浸し、蒸発乾固後、 450℃で2時間焼成してPtを担持した。Ptの担持量は、ハニカム基材1リットルあたり2gである。
【0041】
そしてPtが担持されたコート層をもつハニカム基材に、所定量の硝酸カリウムと硝酸カルシウムが溶解した混合水溶液の所定量を含浸し、蒸発乾固後、 450℃で2時間焼成してKとCaを担持した。Kの担持量は、ハニカム基材1リットルあたり 0.1モルであり、Caの担持量は、ハニカム基材1リットルあたり 0.5モルである。
【0042】
(比較例2)
比較例1と同様に形成されたPtが担持されたコート層をもつハニカム基材を用い、硝酸カルシウム水溶液に代えて硝酸マグネシウム水溶液を用いたこと以外は比較例1と同様にしてKとMgを同量担持した。
【0043】
(比較例3)
比較例1と同様に形成されたPtが担持されたコート層をもつハニカム基材を用い、硝酸カリウム水溶液に代えて硝酸ナトリウム水溶液を用いたこと以外は比較例1と同様にしてNaとCaを同量担持した。
【0044】
(比較例3)
比較例1と同様に形成されたPtが担持されたコート層をもつハニカム基材を用い、硝酸カリウム水溶液に代えて硝酸ナトリウム水溶液を用いたこと、硝酸カルシウム水溶液に代えて硝酸マグネシウム水溶液を用いたこと以外は比較例1と同様にしてNaとMgを同量担持した。
【0045】
<試験・評価>
各実施例及び各比較例の触媒の構成を表1に示す。
【0046】
【表1】

Figure 0003965672
【0047】
各実施例及び各比較例の触媒を排気量1800ccのリーンバーンエンジンの排気系にそれぞれ搭載し、9Lapモードで50時間運転する耐久試験を行った。耐久試験の際の触媒床温度の最大値は 800℃である。
【0048】
そして耐久試験後に、 A/F=22相当のリーンガス1分間と A/F=12相当のリッチガス1秒間の繰り返し雰囲気下におけるNOx 浄化率を種々の触媒床温度でそれぞれ測定し、結果を図3に示す。
【0049】
図3より各実施例の触媒は対応する各比較例の触媒に比べて、 250〜 480℃の各触媒床温度で高いNOx 浄化率を示していることがわかる。これはコア・シェル構造のNOx 吸蔵材を担持した効果であることが明らかであり、主に耐久試験時にKの移動によってPtが覆われるのが抑制された効果であると考えられる。
【0050】
【発明の効果】
本発明の排ガス浄化用触媒によれば、アルカリ金属の移動が抑制され、NOx 浄化能の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の触媒の構成を示す説明図である。
【図2】本発明の一実施例におけるコア・シェル構造のNOx 吸蔵材の製造方法を示す説明図である。
【図3】実施例及び比較例の触媒の触媒床温とNOx 浄化率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1:担体 2:NOx 吸蔵材 3:Pt
20:核体 21:シェル層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention, oxygen excess occluding NO x in lean atmosphere, to a NO x storage-and-reduction type catalyst for purifying an exhaust gas which can be reduced by releasing NO x occluded in the rich atmosphere of over-reduction component.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the global warming phenomenon caused by carbon dioxide has become a problem, and it has been a challenge to reduce the amount of carbon dioxide emissions. Reducing the amount of carbon dioxide in exhaust gas is also an issue in automobiles, and lean burn engines that develop lean burn of fuel in an oxygen-rich atmosphere have been developed. According to this lean burn engine, since the amount of fuel used is reduced, the amount of carbon dioxide emissions can be suppressed.
[0003]
In this lean burn engine, a system for reducing and purifying NO x using exhaust gas as a reducing atmosphere has been developed and put into practical use by constantly burning in an oxygen-excess fuel lean condition and intermittently changing to a fuel stoichiometric to rich condition. Yes. And as the best catalysts for this system, occludes NO x in a lean atmosphere, is occluded NO x stoichiometric or NO x storage-and-reduction type exhaust gas purifying catalyst using the NO x storage material that releases a rich atmosphere Development Has been.
[0004]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-317652 proposes an exhaust gas purifying catalyst in which an alkaline earth metal such as Ba and Pt are supported on a porous oxide carrier such as γ-Al 2 O 3 . JP-A-6-31139 proposes an exhaust gas purifying catalyst in which an alkali metal such as K and Pt are supported on a porous oxide carrier such as γ-Al 2 O 3 . Further, JP-A-5-18860 proposes an exhaust gas purification catalyst in which a rare earth element such as La and Pt are supported on a porous oxide carrier such as γ-Al 2 O 3 . Since alkali metals, alkaline earth metals and rare earth elements has a characteristic of absorbing and desorbing NO x, are referred to as the NO x storage material.
[0005]
If this NO x storage reduction type catalyst is used, the exhaust gas is changed from a lean atmosphere to a stoichiometric or rich atmosphere from a lean atmosphere by controlling the air-fuel ratio to become a stoichiometric or rich side from the lean side. Therefore, on the lean side, NO x is occluded in the NO x occlusion material, and it is released on the stoichiometric or rich side and reacts with reducing components such as HC and CO to be purified, so the exhaust gas from the lean burn engine Even if it exists, NO x can be purified efficiently. Further, HC and CO in the exhaust gas are oxidized by the noble metal and consumed for the reduction of NO x , so that HC and CO are also efficiently purified.
[0006]
The NO x storage-and-reduction type catalyst, oxygen excess NO in the exhaust gas in a lean atmosphere is oxidized by the catalytic action of the noble metal becomes NO 2, that it the NO x storage material becomes nitrite ion or nitrate ion by steam reaction And then occluded. Therefore, it is desirable that the noble metal and the NO x storage material are supported in close proximity to each other, whereby the NO x storage capacity is maximized and a high NO x purification rate is exhibited.
[0007]
On the other hand, an alkali metal as a NO x storage material has an excellent NO x storage capability in a high temperature range, and is therefore an essential component for NO x storage reduction catalysts used in recent high temperature exhaust gas. Therefore, the NO x storage-reduction catalyst requires a noble metal and an alkali metal, and it is desirable that they are supported close to each other.
[0008]
However the alkali metal is generally low melting point, to cover the noble metal surface is moved on the carrier at a high temperature, thereby to decrease the activity of noble metal the NO x storage capacity there is a problem of a decrease. For example, potassium has a melting point of 402 ° C. in the state of K 2 O and has a melting point of 337 ° C. in the state of K (NO 3 ) that occludes NO x . For this reason, it liquefies at an exhaust gas temperature of about 400 ° C. and flows on the carrier to cover the noble metal.
[0009]
Therefore or supported noble metal and the alkali metal is separated into separate carrier particles, have been carried out or to separate with carrier layers, NO x storage ability is decreased as compared with the case of loading in proximity There is a problem that the NO x purification rate also decreases. Further, an alkali metal or scattered at a high temperature, the alkali metal which forms a solid solution to a substrate such as a porous oxide carrier or cordierite also has, this occurs when the NO x storage ability is decreased, similarly to the reduction activity of the noble metal In addition, the NO x purification rate decreases.
[0010]
Therefore, it is most desirable to prevent the migration of alkali metals at high temperatures, but no effective countermeasures have been found under the circumstances of the characteristics of the alkali metals themselves.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a catalyst that suppresses the migration of alkali metal and has improved durability of NO x purification ability.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Features of the exhaust gas purifying catalyst of the present invention for solving the aforementioned problems is a NO x storage-and-reduction type exhaust gas purifying catalyst obtained by carrying the the NO x storage material and the noble metal comprising at least alkali metal oxide support The NO x storage material has a core-shell structure consisting of a core made of alkali metal and a shell layer covering the periphery of the core, and the shell layer is made of alkaline earth metal, rare earth element, Mn, Fe, Co, and Including elements selected from Ni.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The exhaust gas purifying catalyst of the present invention, and a shell layer covering the periphery of the core body and karyoplast consisting of alkali metal, carrying the the NO x storage material of the core-shell structure. Since the melting point of the shell layer is higher than that of the alkali metal, even if the core made of the alkali metal becomes liquid at high temperatures, the flow is restricted by the solid shell layer, and the noble metal is covered or dissolved in the carrier or base material. Such problems are suppressed. Therefore, a high NO x storage capacity and a high NO x purification rate are exhibited even after high temperature durability, and the durability is excellent.
[0014]
Any of K, Na, Cs, Li, Rb and Fr can be used as the alkali metal as the core of the core-shell structure, but K, Na, Cs and Li are preferable, and K is particularly preferable.
[0015]
The shell layer of the core-shell structure contains an element selected from alkaline earth metals, rare earth elements, Mn, Fe, Co, and Ni, and oxides or carbonates of these elements, Those that are in a solid state even at a high temperature of 400 ° C. or higher are used. Among these, it is particularly desirable to contain alkaline earth elements such as Ba, Ca, and Mg. As a result, the NO x storage capacity in the low temperature region is improved, and the NO x purification activity is further improved.
[0016]
The particle size of the NO x storage material having a core / shell structure is preferably 0.1 μm or less, and more preferably 0.05 μm or less. When the particle size is larger than this, the NO x storage capacity per supported amount of the NO x storage material decreases due to the decrease in the surface area. Therefore, it is necessary to carry a large amount, which may affect the amount of noble metal carried. The ratio between the nucleus and the shell layer is not particularly limited, but the nucleus / shell layer is preferably in the range of 1/4 to 1/2 by weight ratio.
[0017]
Various methods are conceivable for producing such a core / shell structure NO x storage material. For example, there is a method using reverse micelles. In this method, first, a reverse micelle is formed by adding a surfactant containing an alkaline earth metal or the like in a molecule to a non-aqueous solvent such as benzene. When an alkali metal salt aqueous solution is added thereto, droplets of the alkali metal salt aqueous solution are held in the hydrophilic portion at the center of the reverse micelle and solubilized. If firing the alkali metal can be produced the NO x storage material particles of the core-shell structure having a shell layer including nuclei and alkali earth metals.
[0018]
In the said manufacturing method, it is preferable to deposit an alkali metal salt as water-insoluble in the center part of a reverse micelle, and to bake it. As a result, the core made of alkali metal can be further refined, and the NO x storage material having a core / shell structure can be made finer. Therefore, the NO x storage capacity and the NO x purification capacity are further improved by increasing the surface area. In order to precipitate the alkali metal salt in this way, for example, there is a method in which an aqueous tartaric acid solution is mixed to form an alkali metal hydrogen tartrate at the center of the reverse micelle.
[0019]
As the oxide carrier used in the exhaust gas purifying catalyst of the present invention, Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2 , SiO 2 , MgO and the like, or a plurality selected from them are used. A composite oxide or the like can be used. The oxide support powder was formed into pellets, it to the the NO x storage material and the noble metal of the core-shell structure may be carried to a pellet catalyst, oxidizing the honeycomb substrate formed of cordierite or a metal foil object support powder coat layer was formed consisting of, it may be carrying the the NO x storage material and the noble metal of the core-shell structure is a honeycomb catalyst.
[0020]
In order to carry the core / shell structure NO x storage material on the oxide support, the oxide support powder and the powder comprising the core / shell structure NO x storage material particles are mixed to form a coating layer. Can do. Incidentally, NO x storage material of the core-shell structure, it is desirable that a non-water soluble shell layer such as by carbonation process. Thereby the NO x storage material of the core-shell structure in aqueous slurry at coating layer formed is prevented from eluting.
[0021]
In addition to supporting the core / shell structure NO x storage material, it is also preferable to support the alkali metal by causing the aqueous coating solution of the alkali metal salt to absorb water in the coating layer as in the case of a conventional NO x storage reduction catalyst. As a result, a fine alkali metal can be supported, so that the initial NO x purification activity can be improved. However, in order to reduce the movement of the alkali metal at a high temperature to cover the noble metal, the amount of fine alkali metal supported should be very small.
[0022]
Loading amount of the NO x storage material of the core-shell structure is preferably set to be 0.01 to 2 mol per 1 liter catalyst as an alkali metal. If the loading amount of the NO x storage material is less than this, the NO x storage capacity and the NO x purification rate are not practical, and if it exceeds this amount, the loading amount of the noble metal is relatively reduced, and the activity is lowered.
[0023]
In addition, as the noble metal referred to in the exhaust gas purifying catalyst of the present invention, one or more kinds selected from Pt, Rh, Pd, Ir, Ru and the like can be used. The amount of the precious metal supported is preferably 0.5 to 20% by weight per liter of the catalyst. If less than this, practical activity is not expressed, and even if it is supported more than this, the activity is saturated and expensive. The precious metal can be supported in the same manner as in the prior art, and it may be supported on the coat layer by an adsorption support method or an impregnation support method.
[0024]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.
[0025]
Example 1
FIG. 1 is an enlarged explanatory view of a catalyst according to an embodiment of the present invention. This catalyst is composed of a support 1 made of Al 2 O 3 , TiO 2, and ZrO 2 , a core / shell structure NO x storage material 2 supported on the support 1, and Pt 3 supported on the support 1. Yes. The core-shell structure NO x storage material 2 is composed of a core 20 made of K (K 2 O) and a shell layer 21 formed on the surface of the core 20 and made of Ca (Ca (CO 3 ) 2 ). Has been. Hereinafter, this catalyst production method will be described with reference to FIG.
[0026]
Add 1 mol of calcium 1,2bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate ([(C 2 OH 37 O 4 ) SO 4 ] 2 · Ca 2+ ) to 341 g of benzene, stir and dissolve completely to dissolve benzene solution A Was prepared. As a result, calcium 1,2bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate associates with the hydrophilic group on the inside and the hydrophobic group on the outside to form reverse micelles.
[0027]
On the other hand, potassium carbonate was added to pure water and stirred to be completely dissolved to prepare a potassium carbonate aqueous solution B having a concentration of 45 to 52% by weight. Then, a solution C was prepared by adding potassium carbonate aqueous solution B while stirring the total amount of benzene solution A so that the weight ratio of benzene and water was benzene / water = 3.5. Since the central part of the reverse micelle is highly hydrophilic, the droplets of the potassium carbonate aqueous solution B are solubilized in a state where they exist in the central part of the reverse micelle.
[0028]
On the other hand, 0.95 mol of calcium 1,2 bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate was added to 325 g of benzene, and the mixture was stirred and completely dissolved to prepare benzene solution D. Thereby, reverse micelles are formed. On the other hand, tartaric acid was added to pure water and stirred to dissolve completely to prepare an aqueous tartaric acid solution E having a concentration of 50 to 58% by weight. And the tartaric acid aqueous solution E was added, stirring the benzene solution D whole quantity so that the weight ratio of benzene and water might become benzene / water = 3.5, and the solution F was prepared. Since the central part of the reverse micelle is highly hydrophilic, the droplet of the tartaric acid aqueous solution E is solubilized in the state where it exists in the central part of the reverse micelle.
[0029]
Next, the whole amount of the solution F was added while stirring the solution C, and stirring was continued for 1 hour. Thereby, the potassium carbonate aqueous solution B and the tartaric acid aqueous solution E are mixed at the center of the reverse micelle, and potassium hydrogen tartrate having a low solubility in water is deposited at the center of the reverse micelle.
[0030]
Thereafter, the solvent was removed using a rotary evaporator, followed by firing at 550 ° C. for 2 hours in an N 2 gas atmosphere containing 1% of O 2 to prepare a powder as an aggregate of particles having a core / shell structure. The core-shell structure particles are composed of a nucleus composed of K 2 O and a shell layer composed of CaO. The resulting powder was treated by immersion in ammonium bicarbonate aqueous solution having a predetermined concentration, and the shell layer of the NO x storage material powder of core-shell structure was prepared as carbonate which is insoluble in water (Ca (CO 3) 2) .
[0031]
Mix 100 parts by weight of Al 2 O 3 powder, 100 parts by weight of TiO 2 powder, 50 parts by weight of ZrO 2 powder, and 66 parts by weight of the NO x storage material powder, add an appropriate amount of alumina sol and pure water, and add slurry. Prepared. Prepare a cordierite honeycomb substrate (diameter 100mm, length 163mm, cell density 400 / in 2 ), wash coat this slurry, dry at 250 ° C for 60 minutes, and fire at 450 ° C for 2 hours. A coat layer was formed. The coating layer is formed in an amount of 250 g per liter of the honeycomb substrate, and 0.1 mol of K and 0.5 mol of Ca are carried per liter of the honeycomb substrate.
[0032]
The honeycomb substrate on which the coating layer was formed was impregnated with a predetermined amount of a dinitrodiamine platinum aqueous solution having a predetermined concentration, evaporated and dried, and then fired at 450 ° C. for 2 hours to carry Pt. The amount of Pt supported is 2 g per liter of honeycomb substrate.
[0033]
(Example 2)
Instead of calcium 1,2bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate, the same amount of magnesium 1,2bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate ([(C 2 OH 37 O 4 ) SO 4 ] 2 · Mg 2+ ) was used. in the same manner as in example 1 to prepare the NO x storage material powder of core-shell structure except that, as a catalyst of example 2 was carried in the same manner to form a coating layer Pt.
[0034]
(Example 3)
One mole of calcium 1,2bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate was added to 341 g of benzene, and the mixture was stirred and completely dissolved to prepare benzene solution A. As a result, calcium 1,2bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate associates with the hydrophilic group on the inside and the hydrophobic group on the outside to form reverse micelles.
[0035]
On the other hand, sodium carbonate decahydrate was added to pure water and stirred to dissolve completely, thereby preparing a sodium carbonate aqueous solution G having a concentration of 70 to 80% by weight. And the sodium carbonate aqueous solution G was added, stirring the whole quantity of the benzene solution A so that the weight ratio of benzene and water might become benzene / water = 3.5, and the solution H was prepared. Since the central part of the reverse micelle is highly hydrophilic, the droplet of the sodium carbonate aqueous solution G is solubilized in the state where it exists in the central part of the reverse micelle.
[0036]
Next, the solution H was stirred for 1 hour while bubbling CO 2 gas, and the reverse micelle was converted to carbonate (Ca (CO 3 ) 2 ) which is hardly soluble in water. Thereafter, the solvent is removed using a rotary evaporator, and the NO x storage material powder, which is an aggregate of core-shell structure particles, is fired at 550 ° C. for 2 hours in an N 2 gas atmosphere containing 1% O 2. Prepared. This NO x storage material powder is composed of a nucleus composed of Na 2 O and a shell layer composed of Ca (CO 3 ) 2 .
[0037]
A coating layer was formed in the same manner as in Example 1 except that this NO x storage material powder was used, and Pt was supported to obtain a catalyst of Example 3.
[0038]
Example 4
NO x occlusion material powder having a core / shell structure in the same manner as in Example 3 except that the same amount of magnesium 1,2bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate was used instead of calcium 1,2-bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate In the same manner, a coating layer was formed and Pt was supported to obtain a catalyst of Example 4.
[0039]
(Comparative Example 1)
100 parts by weight of Al 2 O 3 powder, 100 parts by weight of TiO 2 powder, and 50 parts by weight of ZrO 2 powder were mixed, and an appropriate amount of alumina sol and pure water were added to prepare a slurry. A honeycomb substrate similar to that in Example 1 was prepared, and this slurry was wash coated, dried at 250 ° C. for 60 minutes, and fired at 450 ° C. for 2 hours to form a coat layer. The coating layer was formed in an amount of 250 g per liter of honeycomb substrate.
[0040]
Next, the honeycomb substrate on which the coating layer was formed was impregnated with a predetermined amount of a dinitrodiamine platinum aqueous solution having a predetermined concentration, evaporated and dried, and then fired at 450 ° C. for 2 hours to carry Pt. The amount of Pt supported is 2 g per liter of honeycomb substrate.
[0041]
A honeycomb substrate having a coating layer carrying Pt is impregnated with a predetermined amount of a mixed aqueous solution in which a predetermined amount of potassium nitrate and calcium nitrate is dissolved, evaporated to dryness, and fired at 450 ° C. for 2 hours to be K and Ca. Was supported. The supported amount of K is 0.1 mol per liter of honeycomb substrate, and the supported amount of Ca is 0.5 mol per liter of honeycomb substrate.
[0042]
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Comparative Example 1, except that a honeycomb base material having a coating layer on which Pt was supported formed in the same manner as in Comparative Example 1 was used and a magnesium nitrate aqueous solution was used instead of the calcium nitrate aqueous solution, K and Mg were changed. The same amount was supported.
[0043]
(Comparative Example 3)
The same Na and Ca were used as in Comparative Example 1 except that a honeycomb substrate having a coating layer carrying Pt formed as in Comparative Example 1 was used and a sodium nitrate aqueous solution was used instead of the potassium nitrate aqueous solution. The amount was supported.
[0044]
(Comparative Example 3)
Using a honeycomb substrate having a coating layer carrying Pt formed in the same manner as in Comparative Example 1, using a sodium nitrate aqueous solution instead of a potassium nitrate aqueous solution, and using a magnesium nitrate aqueous solution instead of a calcium nitrate aqueous solution Except for the above, the same amount of Na and Mg was supported in the same manner as in Comparative Example 1.
[0045]
<Test and evaluation>
Table 1 shows the configuration of the catalyst of each Example and each Comparative Example.
[0046]
[Table 1]
Figure 0003965672
[0047]
Endurance tests were carried out in which the catalysts of the examples and comparative examples were respectively mounted on the exhaust system of a lean burn engine with a displacement of 1800 cc and operated in 9 Lap mode for 50 hours. The maximum value of the catalyst bed temperature during the durability test is 800 ° C.
[0048]
After the endurance test, the NO x purification rate was measured at various catalyst bed temperatures in a repetitive atmosphere of lean gas equivalent to A / F = 22 for 1 minute and rich gas equivalent to A / F = 12 for 1 second. Shown in
[0049]
It can be seen from FIG. 3 that the catalyst of each example shows a higher NO x purification rate at each catalyst bed temperature of 250 to 480 ° C. than the catalyst of each corresponding comparative example. This is found to be effective carrying the NO x storage material of the core-shell structure is mainly considered to be effective, which is inhibited from Pt is covered by the movement of K during the durability test.
[0050]
【The invention's effect】
According to the exhaust gas purifying catalyst of the present invention, the movement of the alkali metal is suppressed, and the durability of the NO x purification ability is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a configuration of a catalyst according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a method of manufacturing a NO x storage material having a core / shell structure in one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the catalyst bed temperature and the NO x purification rate of the catalysts of Examples and Comparative Examples.
[Explanation of symbols]
1: Carrier 2: NO x storage material 3: Pt
20: Nucleus 21: Shell layer

Claims (1)

酸化物担体に少なくともアルカリ金属を含むNOx 吸蔵材と貴金属とを担持してなるNOx 吸蔵還元型の排ガス浄化用触媒であって、
該NOx 吸蔵材は、アルカリ金属からなる核体と該核体の周囲を覆うシェル層とからなるコア・シェル構造をもち、該シェル層はアルカリ土類金属,希土類元素,Mn,Fe,Co,及びNiから選ばれる元素を含むことを特徴とする排ガス浄化用触媒。
A NO x storage-and-reduction type exhaust gas purifying catalyst obtained by carrying the the NO x storage material and the noble metal comprising at least alkali metal oxide support,
The NO x storage material has a core-shell structure comprising a core made of alkali metal and a shell layer covering the periphery of the core, and the shell layer is made of alkaline earth metal, rare earth element, Mn, Fe, Co And an exhaust gas purifying catalyst comprising an element selected from Ni.
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