JP4547935B2 - 排ガス浄化用触媒、排ガス浄化触媒、及び触媒の製造方法 - Google Patents

排ガス浄化用触媒、排ガス浄化触媒、及び触媒の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、排ガス浄化用触媒、排ガス浄化触媒、及び触媒の製造方法に関し、特に内燃機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化用触媒に関する。
自動車の排ガス規制は世界的に拡大していることから、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)などの貴金属粒子を多孔質体であるAl(アルミナ)などの担体に担持させた三元触媒が、排ガス中のHC(炭化水素)、CO(一酸化炭素)、NO(窒素酸化物)を浄化する目的で使用されている。
例えば、Ce(セリウム)、Zr(ジルコニウム)、Fe(鉄)及びNi(ニッケル)から選ばれる少なくとも一種と、さらに必要によりNd(ネオジム)、La(ランタン)及びPr(プラセオジム)から選ばれる少なくとも一種及びさらにPt、Pd、及びRhから選ばれる少なくとも一種を含浸法により活性アルミナに担持した触媒を、ハニカム基材に担持した三元触媒が提案されている(特許文献1参照。)。
貴金属の触媒活性は、貴金属を用いた反応が貴金属表面で反応が進む接触反応であるため、貴金属の持つ表面積にほぼ比例する。このため、少ない貴金属量から最大限の触媒活性を得るためには、粒子径が小さく高比表面積の貴金属粒子を作製し、その粒子径を維持しつつ多孔質体などの担体上に均一に分散させることが好ましい。
特開昭59−230639公報(第2頁)
しかしながら、粒子径10[nm]未満の小さい貴金属粒子は、触媒活性は高いが表面反応性が高く大きな表面エネルギーを持っているため非常に不安定である。また、図5に示すように、貴金属微粒子は、粒子径が5[nm]以下になると急激に融点が下がる(参考文献 J.Phys.Chem.B ,107,pp2719-2724(2003))。このため、貴金属粒子は互いに接近して凝集(シンタリング)しやすくなる。特に、Ptは加熱すると凝集が著しく、担体上に均一に分散させても加熱により凝集して粒子径が大きくなる。このため、図6に示すように加熱によるPtの凝集により、Ptの三元触媒としての機能、つまりHC、CO、NOを浄化するための指標である転化率が低下する。自動車用の触媒は、通常800〜900[℃]、場合によっては1000[℃]を越える高温にさらされるため、粒子径の小さい貴金属粒子の凝集を防止して作製時の粒子径を維持し、かつ触媒活性を維持するのは困難である。
貴金属粒子の凝集を防止するためには、貴金属粒子の表面エネルギーを下げることが考えられる。しかし、表面エネルギーを抑えるためには貴金属粒子の粒子径を50[nm]、100[nm]といった大きな粒子にする必要があり、この粒子径の場合には触媒活性自体を失う問題がある。
しかしながら、例えば、従来の貴金属と遷移金属をアルミナに含浸により担持させた触媒では、図7(a)に示すように、活性アルミナ101及び貴金属粒子102と遷移金属粒子103それぞれの接触が少なく、貴金属粒子102に対してアンカーとして効果を発揮するような構造ではない。このため、触媒作製時には貴金属粒子102の粒子径が小さい場合であっても、図7(b)に示すように、加熱すると活性アルミナ111上で貴金属粒子112が凝集して粒子径が大きくなるため、触媒活性が低下し、充分な耐久性が得られていない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第1の発明である排ガス浄化用触媒は、貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で析出剤を用いて還元により同時に析出させる同時析出工程と、逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程と、を有することを特徴とする触媒の製造方法により製造されたことを要旨とする。
また、第2の発明である触媒の製造方法は、貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で析出剤を用いて還元により同時に析出させる同時析出工程と、逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程と、を有することを要旨とする。
さらに、第3の発明である排ガス浄化触媒は、第1の発明である排ガス浄化用触媒を含む触媒層を有することを要旨とする。
第1の発明によれば、この触媒では、貴金属が多孔質体中に埋没していることによってアンカー効果が得られるため、貴金属の凝集を抑えることができ、耐久性に優れた触媒を得ることが可能となる。したがって、触媒作製時の触媒活性能が維持される。また、貴金属の触媒活性を遷移金属が補う効果が得られ、貴金属の使用量を減らすことができる。
第2の発明によれば、貴金属と多孔質体とを同時に逆ミセル内で析出させることにより、貴金属の粒子径を制御することが可能となり、かつ、貴金属を多孔質体上に均一に分散させることが可能となる。
第3の発明によれば、貴金属の凝集が抑えられ、耐久性のある排ガス浄化触媒が得られる。
以下、本発明に係る排ガス浄化用触媒、排ガス浄化触媒、及び触媒の製造方法の詳細を実施の形態に基づいて説明する。
排ガス浄化用触媒)
本発明に係る排ガス浄化用触媒の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る排ガス浄化用触媒は、多孔質体C中に一部が埋没された状態で多孔質体に担持され、粒子径が1〜10[nm]である貴金属と、貴金属と多孔質体の両方に接触する遷移金属とを有することを特徴とする。
図1(a)に示すように、貴金属2が、多孔質体1中に一部が埋没された状態で多孔質体1に担持されている場合には、多孔質体1が貴金属2のアンカーとして作用するため貴金属2の凝集を抑えることができる。特に、貴金属粒子が10[nm]以下の微粒子である場合には、前述したように凝集しやすいがアンカー効果のため凝集を抑制する効果が顕著に発揮され、加熱後であっても触媒作製時の状態を維持することができる。このため、耐久性に優れた触媒を得ることが可能となる。
また、前述したように、図5では変曲点が5[nm]付近にあるため、貴金属の粒子径が5[nm]より小さくなると著しく融点が下がり、貴金属が溶けて凝集しやすくなる。一方、図6に示すように、貴金属の粒子径は小さいほど転化率が高く触媒としての機能が高いが、粒子径が大きい場合には貴金属の触媒活性が低下する。このため、貴金属の凝集と触媒活性のバランスを検討すると、多孔質体に担持した状態での貴金属の粒子径は、好適には3[nm]〜8[nm]であることが好ましい。
さらに、この触媒では、貴金属と多孔質体の両方に接触する遷移金属を有することにより、触媒活性を補うことが可能となる。
その理由は、例えば、排ガス中の酸素/還元剤量の比が等しい、いわゆるストイキの条件の場合には、最初に排ガス中の水素が貴金属表面上に解離吸着した後、遷移金属表面に移動して遷移金属表面上でNOを還元するスピルオーバと呼ばれる現象が起こることによると考えられる。つまり、図1(a)に示すように、遷移金属3が貴金属2と多孔質体1の両方に接触していることにより、水素を吸着する吸着サイトとして貴金属2が作用し、遷移金属3が触媒として機能することが考えられる。このように、水素が遷移金属にまで到達しやすい状態を形成することにより、排ガス浄化活性が得やすい状態、すなわち、還元状態が得やすくなり、触媒活性が向上する。したがって、貴金属の触媒活性を遷移金属が補う効果が得られるため、貴金属の使用量を減らすことができる。
また、遷移金属は、貴金属と多孔質体の両方に接触していることにより、貴金属のアンカーとして作用し、貴金属が凝集することを抑制する効果が得られる他、多孔質体の相転移を抑制する効果もある。
このように、本実施の形態に係る触媒は、図1(a)に示すように、多孔質体1中に一部が埋没された状態で多孔質体1に担持され、平均粒子径が1〜10[nm]である貴金属2と、貴金属2と多孔質体1の両方に接触する遷移金属3とを含むことにより、図1(b)に示すように、耐久後であっても多孔質体11上の貴金属12の凝集を抑えられるため触媒作製時の分散状態が維持される。そして、貴金属の粒子径が維持されるため、触媒活性を維持でき、耐久性に優れた触媒を得ることが可能となる。
なお、遷移金属は、一部又は全部が多孔質体と複合化合物を形成していても良い。図2(a)に示すように、多孔質体21表面上に担持された遷移金属の一部又は全部が多孔質体21との複合化合物23を形成し、この複合化合物23上に貴金属22が担持されている場合には、遷移金属の複合化合物23が多孔質体21上で安定化する。多孔質体、特にアルミナは、例えば650[℃]以上の高温にさらされると相転移を起こすため、多孔質体自体の形状が崩れる。この場合には、貴金属が多孔質体中に埋没された状態であっても多孔質体の相転移によりアンカー効果が弱まり、貴金属間の距離が接近して凝集する可能性が高い。しかし、遷移金属の一部又は全部が多孔質体21と複合化合物23を形成している場合には、複合化合物23により多孔質体21の相転移が抑制されるため、貴金属22の分散性を維持することができる。また、貴金属22が複合化合物23中に埋没された状態である場合には、複合化合物23がより強力にアンカーとして作用するため、多孔質体21表面から貴金属22が取れにくくなる。このため、図2(b)に示すように、耐久後であっても触媒作製時の貴金属の分散状態が維持されているため、触媒活性が維持され、耐久性に優れた触媒を得ることが可能となる。よって、触媒を作製する際に、貴金属を触媒活性自体を失ってしまうような大きな粒子としなくても、凝集を防ぎ、耐久性を高めることができる。なお、複合化合物は、単純酸化物、複合酸化物及び合金の状態であっても良い。
さらに、貴金属の分散度が50[%]以上であることが好ましい。基金属の分布状態を見る尺度として分散度がある。分散度とは、担体上に分散した金属原子のうち、表面に露出した原子の割合をいう。分散度は金属粒子の大きさや形状で決まる量であり、通常、触媒として有効に機能するのは表面に存在する原子であるため、一般に高い分散度が要求される。分散度の測定方法の一つとして、貴金属表面にCOを吸着させてその吸着量を測定する方法がある。図1(a)や図2(a)に示すように貴金属が多孔質体に埋没した状態である場合には、図7(a)に示すような含浸法により作製した触媒と比較すると貴金属の露出している割合が少ない。このため、この測定方法で得た貴金属の分散度は、含浸法により作製した触媒と比較すると低くなるが、50[%]以上であることが好ましく、それ以下の場合には、触媒としての性能が低下する。
また、貴金属は、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)の群から選ばれる貴金属であることが好ましく、2種以上の貴金属、例えば、PtとRhとを混合して多孔質体Cに担持させても良い。また、遷移金属は、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)の群から選ばれる遷移金属であることが好ましく、2種以上の遷移金属を混合して使用しても良い。さらに、多孔質体は、Al(アルミナ)、CeO(酸化セリウム)、ZrO(酸化ジルコニウム)、SiO(酸化シリコン)、TiO(酸化チタン)、シリカアルミナの群から選ばれる多孔質体であることが好ましく、2種以上の多孔質体を混合して使用しても良い。
中でも、貴金属がPtであり、遷移金属がCoであり、多孔質体がAlであることがより好ましい。この場合には、CoはAlと親和性が高いためコバルトアルミネートを形成しやすい。そして、コバルトアルミネート表面にPtが定着されるため、Ptの凝集を防ぐことができる。
さらに、この触媒は、Ce(セリウム)、Nd(ネオジム)、Pr(プラセオジウム)、La(ランタン)、Zr(ジルコニウム)、Ba(バリウム)、Mg(マグネシウム)の群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含むことが好ましい。触媒活性を高めるためには担体である多孔質体上に貴金属を均一に分散させる必要があるため、多孔質体には耐熱性が要求される。多孔質体の耐熱性を向上させるために、熱的に安定な多孔質体(例えばα−Al)を使用することが考えられれるが、α−Alは比表面積が小さく、その上に担持した貴金属粒子間の距離が短くなり、凝集が起こる。そこで、Ce、Nd、Pr、La、Zr、Ba、Mgの群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を上記触媒に添加すればこの問題を解決し、多孔質体の相転移が抑制されて耐熱性が向上するため、貴金属の凝集を抑制することができる。
このように、本発明に係る触媒にでは、貴金属が多孔質体中に埋没していることによってアンカー効果が得られるため、貴金属の凝集を抑えることができ、耐久性に優れた触媒を得ることが可能となる。したがって、触媒作製時の触媒活性能が維持される。また、貴金属の触媒活性を遷移金属が補う効果が得られ、貴金属の使用量を減らすことができる。
(触媒の製造方法)
次に、本発明に係る触媒の製造方法の実施の形態について説明する。この触媒の製造方法は、貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で同時に析出させる同時析出工程と、逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程と、を有することを要旨とする。
本発明に係る触媒の製造方法では、逆ミセル法を用いて触媒を製造する。逆ミセル法とは、有機溶媒中に界面活性剤と触媒活性成分である貴金属元素等を有する水溶液とを混合することにより、有機溶媒中に界面活性剤が集合して内部に貴金属元素等を有する水溶液を含有した逆ミセルを形成し、逆ミセル内部で貴金属を沈殿あるいは還元により析出させることにより貴金属を微粒子化する方法である。逆ミセルは所定の大きさに制御することが可能であるため、逆ミセル法を用いることにより、触媒を微粒子化することが可能となる。これに対し、従来触媒の製造に用いられていた含浸法は、担体の細孔中に貴金属などの触媒溶液を浸み込ませて細孔壁に固定させ、乾燥、焼成して貴金属などを担持する方法である。この含浸法により触媒を製造した場合には、貴金属の粒子径が1[nm]以下と非常に小さくなり、耐熱性が低くなる。一方、逆ミセル法を用いて製造することにより、貴金属の粒子径を1〜10[nm]、好適には3[nm]〜8[nm]の大きさに制御することが可能となり、さらには、全体として触媒の大きさを制御することが可能となる。
また、本発明に係る触媒の製造方法では、貴金属と多孔質体を逆ミセル内で同時に析出させることにより、貴金属を多孔質体中で均一に分散させた触媒を得ることが可能となる。なお、逆ミセル内部で貴金属は多孔質体に包接された状態で析出する。このため、逆ミセルを崩壊後得られた沈殿を焼成して触媒を得た場合に、貴金属の一部が多孔質体中に埋没された状態で多孔質体に担持された状態が得やすくなる。このため、多孔質体が貴金属のアンカーとして作用するため貴金属の凝集を抑えることができる。また、加熱後であっても触媒作製時の状態を維持することができるため、耐久性に優れた触媒を得ることが可能となる。
さらに、同じ逆ミセル内で遷移金属を析出させることにより、逆ミセルを崩壊させて沈殿を形成させた際に、貴金属と多孔質体の複合微粒子の外表面に遷移金属を配置することが可能となるため、遷移金属を貴金属と多孔質体の両方に接触させることが可能となる。そして、遷移金属が貴金属と多孔質体の両方に接触している場合には、遷移金属が貴金属のアンカーとして作用して貴金属が凝集することを抑制する他、多孔質体の相転移を抑制する効果がある。
なお、貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で同時に析出させる同時析出工程を、逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程よりも先に行うことが好ましい。この場合には、貴金属の粒子径を小さくすることが可能となり、さらには、遷移金属が貴金属と多孔質体の両方に接触しやすくなる。
図3は、触媒の製造方法の概略的な工程を説明する図である。まず、有機溶媒中に界面活性剤を溶解させた混合溶液を調整する(工程30)。ここでは、有機溶媒としては、シクロヘキサン、シクロヘプタン、オクタノール、イソオクタン、n−ヘキサン、n−デカン、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが使用可能である。また、これらの2種以上の混合溶液を用いても良い。界面活性剤としては、ポリエチレングリコール−p−ノニルフェニルエーテル、ペンタエチレングリコールドデシルエーテルなどが使用可能である。
この混合溶液に貴金属A水溶液及び多孔質体Cの前駆体の水溶液を投入して2[時間]攪拌すると、十数[nm]程度の球状液滴の周囲に界面活性剤が配列し、内部の水相には貴金属Aの塩及び多孔質体Cの塩を含む水溶液を含有する微細な逆ミセルが形成する(工程31)。ここで、貴金属Aの塩としては、硝酸塩、塩化物、酢酸塩、アミン化合物などが使用可能である。また、多孔質体Cの塩としては、酢酸塩、硝酸塩、金属アルコキシドなどが使用可能である。また、これらの2種以上の混合溶液を用いても良い。
次に、逆ミセルを含む有機溶媒の混合溶液に、貴金属A及び多孔質体Cの析出剤Xを投入して2[時間]攪拌し、逆ミセル内部の貴金属Aの塩及び多孔質体Cの塩を逆ミセル内部で同時に析出させる。ここでは、貴金属Aの塩は還元によりメタル化して貴金属Aとして、また、多孔質体Cの塩は水酸化物として逆ミセル内部で同時に析出する(工程32:同時析出)。ここでは、逆ミセル内部で貴金属Aは多孔質体Cに包接された状態で析出する。なお、析出剤Xとして、例えば、アンモニア、テトラメチルアンモニウム、アルカリ金属水酸塩(水酸化ナトリウムなど)、ヒドラジン、ホウ素化水素ナトリウムなどが使用可能である。
その後、逆ミセルを含む有機溶媒の混合溶液中に遷移金属B水溶液を混合して2[時間]攪拌して、貴金属A及び多孔質体Cの水酸化物を含有している逆ミセル内に遷移金属Bの塩及び水を含有させる(工程33)。遷移金属Bの塩としては、硝酸塩、塩化物、酢酸塩、アミン化合物などを使用することが可能である。
次に、逆ミセルを含む有機溶媒の混合溶液中に析出剤Y水溶液を混合し、逆ミセル内部の遷移金属Bの塩を還元して単独で析出させる。還元により、逆ミセル内部の遷移金属Bの塩がメタル化して遷移金属Bとして単独で析出する(工程34:単独析出)。ここで、析出剤Yとして、ヒドラジン、ホウ素化水素ナトリウム、アンモニアなどを使用することができる。また、これらの2種以上の混合溶液を用いても良い。
そして、この逆ミセルを含む有機溶媒の混合溶液中にアルコールを添加して2[時間]攪拌し、逆ミセルを崩壊させる(工程35)。逆ミセルの崩壊により、貴金属Aと多孔質体Cの水酸化物が複合した微粒子と、遷移金属Bの微粒子を含む沈殿物が得られる。なお、アルコールとして、例えば、メタノール、エタノールなどを使用することが可能である。
次に、得られた沈殿物をメンブランフィルタでろ過後、アルコール及び水を用いて洗浄し、沈殿物に含まれる不純物(例えば界面活性剤など)を除去する(工程36)。さらに、120[℃]にて一昼夜乾燥する(工程37)。乾燥した後、400[℃]で1[時間]、空気気流中で焼成し(工程38)、工程30〜工程38を10回繰り返すことにより、目的の触媒を得ることができる。
また、逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程を、貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で同時に析出させる同時析出工程よりも先に行っても良い。この場合には、遷移金属を先に析出させることで遷移金属と多孔質体の複合化を促進することができる。
図4は、逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程を、貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で同時に析出させる同時析出工程よりも先に行って触媒を製造する方法の概略的な工程を説明する図である。ここで図3と異なる点は、有機溶媒中に界面活性剤を溶解させた混合溶液を調整(工程40)した後に、この混合溶液に、先に遷移金属水溶液を投入して、逆ミセル内で遷移金属を析出させた点である。つまり、逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程を、貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で同時に析出させる同時析出工程よりも先に行った点である。
より具体的には、調整した混合溶液に、遷移金属B水溶液を投入して2[時間]攪拌し、十数[nm]程度の球状液滴の周囲に界面活性剤が配列し、内部の水相には遷移金属Bの塩を含む水溶液を含有する微細な逆ミセルを形成する(工程41)。次に、逆ミセルを含む有機溶媒の混合溶液に、遷移金属Bの析出剤Yを投入して2[時間]攪拌し、逆ミセル内部の遷移金属Bの塩を逆ミセル内部で析出させる。ここでは、還元により、遷移金属Bの塩はメタル化して遷移金属Bとして逆ミセル内部で単独で析出する(工程42:単独析出)。
その後、逆ミセルを含む有機溶媒の混合溶液中に貴金属A水溶液と多孔質体C水溶液を混合して2[時間]攪拌し、遷移金属Bを含有する逆ミセル内に貴金属A及び多孔質体Cの塩及び水を含有させる(工程43)。次に、逆ミセルを含む有機溶媒の混合溶液中に析出剤X水溶液を混合し、逆ミセル内部の貴金属Aの塩及び多孔質体Cの塩を析出させる。ここでは、貴金属Aの塩は還元によりメタル化して貴金属Aとして、また、多孔質体Cの塩は水酸化物として逆ミセル内部で同時に析出する(工程44:同時析出)。なお、逆ミセル内部で貴金属Aは多孔質体Cに包接された状態で析出する。
次に、この逆ミセルを含む有機溶媒の混合溶液中にアルコールを添加して2[時間]攪拌し、逆ミセルを崩壊させる(工程45)。逆ミセルの崩壊により、貴金属Aと多孔質体Cの水酸化物が複合した微粒子と、遷移金属Bの微粒子を含む沈殿物が得られる。
そして、得られた沈殿物をメンブランフィルタでろ過後、アルコール及び水を用いて洗浄し、沈殿物に含まれる不純物(例えば界面活性剤など)を除去する(工程46)。さらに、120[℃]にて一昼夜乾燥する(工程47)。乾燥した後、400[℃]で1[時間]、空気気流中で焼成し(工程48)、工程40〜工程48を10回繰り返すことにより、目的の触媒を得ることができる。
なお、両製造方法において、遷移金属Bは触媒活性はその元素又は使用条件によって異なるため、遷移金属Bが多孔質体Cと複合化合物を形成する割合は一定ではない。望ましい触媒活性を得るために、析出剤X及びYの種類や反応温度、反応時間、攪拌強度及び攪拌方法などを適宜変更しても良い。
また、必要により、Ce、Nd、Pr、La、Zr、Ba、Mgの群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を添加しても良い。これらの元素を触媒に添加した場合には、多孔質体の相転移が抑制されて耐熱性が向上し、貴金属の凝集を抑制することができる。なお、触媒中にこの元素を添加する方法は、触媒を調製した後に上記元素を含浸により添加する方法の他、逆ミセルを調製する際に、上記元素を貴金属や遷移金属などと同様に析出させる方法を用いても良い。
このように、本発明における触媒の製造方法によれば、貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で同時に析出させる同時析出工程と、逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程と、を有することにより、多孔質体中に一部が埋没された状態で多孔質体に担持され、粒子径が1〜10[nm]である貴金属と、貴金属と多孔質体の両方に接触する遷移金属と、を有する触媒を得ることが可能となる。
(排ガス浄化触媒)
次に、本発明に係る排ガス浄化触媒の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る排ガス浄化触媒は、上記した触媒を含む触媒層を有することを特徴とする。なお、貴金属量が、排ガス浄化触媒容量1[L]当たり0.7[g]以下であることが好ましい。従来のように、排ガス浄化用触媒1[L]あたり貴金属単独で0.7[g]以下である場合には充分な触媒活性が得られないが、上述したように、貴金属が多孔質体中に埋没しており、遷移金属が貴金属と多孔質体の両方に接触している場合には、アンカー効果と遷移金属が貴金属の触媒活性を補う効果のため、貴金属の使用量を減らした場合であっても充分な触媒活性を得ることができる。
以下、実施例1〜実施例3、比較例1、比較例2により本発明に係る排ガス浄化用触媒をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれら実施例に限定されるものではない。これらの実施例は、本発明に係る排ガス浄化用触媒の有効性を調べたものであり、異なる材料にて調整した排ガス浄化用触媒の例を示したものである。
<試料の調製>
(実施例1)
実施例1では、貴金属A及び多孔質体Cを逆ミセル内で先に同時析出させた後に、遷移金属Bをこの逆ミセル内で単独析出させた(図3の方法)。
1.Pt(0.3wt%)-Co(5wt%)-Al粉末調整
有機溶媒としてシクロヘキサン5[L]、界面活性剤としてポリエチレングリコール−p−ノニルフェニルエーテル330[g]を用い、混合して混合溶液を調製した(界面活性剤/有機溶媒比[mol/L]=0.15)(工程30)。次に、調製した混合溶液に、貴金属Aの材料としてPt濃度が8.46[%]のジニトロジアミンPt水溶液0.178[g]、多孔質体Cの材料として硝酸Al36.79[g]、及び水37.92[mL]を加え(水/界面活性剤比=4)、これを2[時間]攪拌し、逆ミセル内にPtイオン及びAlイオンを含む有機溶媒の混合溶液を調製した(工程31)。
攪拌後、混合溶液に析出剤XとしてNaBH11.1[g]を投入し、さらに2[時間]攪拌して、逆ミセル内にPtメタル及び硝酸Alを含む溶液を得た(NaBH/(Pt+硝酸Al)の重量比=3)(工程32:同時析出)。攪拌後、水2[mL]中に遷移金属Bの材料として硝酸Coを1.3[g]溶解させて調製した溶液を投入し、さらに2[時間]攪拌し、逆ミセル内にCoイオン含む有機溶媒の混合溶液を調製した(工程33)。攪拌後、析出剤Yとしてヒドラジン30.4[g]を投入し、さらに2[時間]攪拌して逆ミセル内のCoイオンを還元してメタル化した(工程34:単独析出)。
次に、混合溶液にメタノール500[mL] を投入後2[時間]攪拌して逆ミセルを崩壊させた後(工程35)、溶液をメンブランフィルタで濾過した。その後、濾過して得られた沈殿物をエタノール及び水で洗浄した後(工程36)、沈殿物を120[℃]で一昼夜乾燥し(工程37)、400[℃]で1[時間]焼成して粉末を得た(工程38)。ここまでの行程を20バッヂ繰り返し、Alに対してPt:0.3[wt%]、Co:5[wt%]を各々担持した触媒粉末73[g]を得た(収率73[%])。
次に、酢酸Ce、酢酸La、酢酸Zrを、上記調製により得られた粉末に対し酸化物換算でそれぞれ8.5[wt%]、5.5[wt%]、6[wt%]となるように含浸し、120[℃]で一昼夜乾燥後、400[℃]で1[時間]焼成し、Rh:0.3[%]、ZrO:5[wt%]を含む粉末Aを得た。
一方、酢酸Zrを、比表面積200[m/g]のアルミナ100[g]に対し酸化物換算で5[wt%]となるように含浸し、120[℃]で一昼夜乾燥後、900[℃]で4[時間]焼成し、粉末を得た。その後、得られた粉末に対し硝酸Rhを酸化物換算で0.3[wt%]となるように含浸し、120[℃]で一昼夜乾燥後、400[℃]で1[時間]乾燥し、得られた粉末を粉末Bとした。
2.モノリス担体へのコーティング
粉末Aを52.5[g]、粉末Bを18.8[g]、アルミナゾル3.7[g]、水69[g]、硝酸6[g]を磁性ボールミルに投入して混合粉砕し、触媒スラリを得た。次に、得られた触媒スラリをコーデェライト質モノリス担体(0.119[L]、400[セル])に付着させ、空気流にてセル内の余剰のスラリを取り除いて120[℃]で乾燥した後、400[℃]で1[時間]焼成し、コート層150.0[g/L]の触媒を得た。このときコート層1[L]あたりに含まれる金属量は、それぞれPt:0.315[g/L]、Rh:0.113[g/L]であり、合計すると0.428[g/L]となった。
(実施例2)
実施例2では、遷移金属Bを逆ミセル内で先に単独析出させた後に、貴金属A及び多孔質体Cをこの逆ミセル内で同時析出させた(図4の方法)。
1.Pt(0.3wt%)-Co(5wt%)-Al粉末調整
有機溶媒としてシクロヘキサン5[L]、界面活性剤としてポリエチレングリコール−p−ノニルフェニルエーテル330[g]を用い、混合して混合溶液を調製した(界面活性剤/有機溶媒比[mol/L]=0.15)(工程40)。次に、調製した混合溶液に、水2[mL]中に遷移金属Bの材料として硝酸Coを1.3[g]溶解させて調製した溶液を投入し、混合溶液を2[時間]攪拌して逆ミセル内にCoイオン含む有機溶媒の混合溶液を調製した(工程41)。その後、析出剤Yとしてヒドラジン30.4[g]を投入し、さらに2[時間]攪拌して逆ミセル内のCoイオンを還元してメタル化した(工程42:単独析出)。
次に、混合溶液に貴金属Aの材料として8.46[%]のジニトロジアミンPt水溶液0.178[g]、多孔質体Cの材料として硝酸Al36.79[g]、及び水37.92[mL]を加え(水/界面活性剤比=4)、これを2[時間]攪拌し、逆ミセル内にPtイオン及びAlイオンを含む有機溶媒の混合溶液を調製した(工程43)。
攪拌後、混合溶液に析出剤XとしてNaBH11.1[g]を投入し、さらに2[時間]攪拌して逆ミセル内にPtメタル及び硝酸Alを含む溶液を得た(NaBH/(Pt+硝酸Al)の重量比=3)(工程44:同時析出)。
次に、混合溶液にメタノール500[mL] を投入後2[時間]攪拌して逆ミセルを崩壊させた後(工程45)、溶液をメンブランフィルタで濾過した。その後、濾過して得られた沈殿物をエタノール及び水で洗浄した後(工程46)、沈殿物を120[℃]で一昼夜乾燥し(工程47)、400[℃]で1[時間]焼成して粉末を得た(工程48)。ここまでの行程を20バッヂ繰り返し、Alに対してPt:0.3[wt%]、Co:5[wt%]を各々担持した触媒粉末69[g]を得た(収率69[%])。この後の工程は実施例1と同様に処理し、目的の触媒粉末を得た。
(実施例3)
実施例3では、実施例1と同様に、貴金属A及び多孔質体Cを逆ミセル内で先に同時に析出させた後、遷移金属Bをこの逆ミセル内で単独で析出させた(図3の方法)。なお、実施例1と異なる点は、担持させるPt量が多い(実施例1の2倍)点である。
1.Pt(0.6wt%)-Co(5wt%)-Al粉末調整
有機溶媒としてシクロヘキサン5[L]、界面活性剤としてポリエチレングリコール−p−ノニルフェニルエーテル330[g]を混合した(界面活性剤/溶媒比=0.15[mol/L])(工程30)。次に、調製した混合溶液に、貴金属Aの材料としてPt濃度が8.46[%]のジニトロジアミンPt水溶液0.357[g]、多孔質体Cの材料として硝酸Al36.79[g]、及び水37.74[mL]を加え(水/界面活性剤比=4)、これを2[時間]攪拌し、逆ミセル内にPtイオン及びAlイオンを含む有機溶媒の混合溶液を調製した(工程31)。
攪拌後、混合溶液に析出剤XとしてNaBH11.1[g]を投入し、さらに2[時間]攪拌して、逆ミセル内にPtメタル及び硝酸Alを含む溶液を得た(NaBH/(Pt+硝酸Al)の重量比=3)(工程32:同時析出)。攪拌後、水2[mL]中に遷移金属Bの材料として硝酸Coを1.3[g]投入し、さらに2[時間]攪拌し、逆ミセル内にCoイオン含む有機溶媒の混合溶液を調製した(工程33)。攪拌後、析出剤Yとしてヒドラジン30.4[g]を投入し、さらに2[時間]攪拌して逆ミセル内のCoイオンを還元してメタル化した(工程34:単独析出)。
次に、混合溶液にメタノール500[mL] を投入後2[時間]攪拌して逆ミセルを崩壊させた後(工程35)、溶液をメンブランフィルタで濾過した。その後、濾過して得られた沈殿物をエタノール及び水で洗浄した後(工程36)、沈殿物を120[℃]で一昼夜乾燥し(工程37)、400[℃]で1[時間]焼成して粉末を得た(工程38)。ここまでの行程を20バッヂ繰り返し、Alに対してPt:0.6[wt%]、Co:5[wt%]を各々担持した触媒粉末76[g]を得た(収率76[%])。この後の工程は実施例1と同様に処理し、目的の触媒を得た。
得られた触媒を実施例1と同様にモノリス担体へのコーティングし、コート層150.0[g/L]の触媒を得た。このときコート層1[L]あたりに含まれる金属量は、それぞれPt:0.63g[g/L]、Rh:0.113g[g/L]であり、合計すると0.743[g/L]となった。
(比較例1)
比較例1では、含浸法を用いて触媒を作製した。
1.Pt(0.3wt%)-Co(5wt%)-Al粉末調整
まず、比表面積200[m/g]のアルミナ100[g]にジニトロジアミンPtを0.6[wt%]となるように担持し、120[℃]で一昼夜乾燥後、400[℃]で1[時間]焼成して粉末を得た。得られた粉末に対し、酢酸Ce、酢酸La、酢酸Zrを酸化物換算でそれぞれ8.5[wt%]、5.5[wt%]、6[wt%]となるように含浸した。その後、120[℃]で一昼夜乾燥して400[℃]で1[時間]焼成し、得られた粉末を粉末Aとした。 また、比表面積200[m/g]、平均細孔径20[nm]のアルミナ100[g]に硝酸Coを3[wt%]となるように担持し、120[℃]で一昼夜乾燥後、400[℃]で1[時間]焼成して粉末を得た。得られた粉末に対し、酢酸Ce、酢酸La、酢酸Zrを酸化物換算でそれぞれ8.5[wt%]、5.5[wt%]、6[wt%]となるように含浸した。その後、120[℃]で一昼夜乾燥して400[℃]で1[時間]焼成し、得られた粉末を粉末Bとした。
さらに、酢酸Zrを、比表面積200[m/g]のアルミナ100[g]にアルミナに対し酸化物換算で5[wt%]となるように含浸し、120[℃]で一昼夜乾燥後、900[℃]で4[時間] 焼成して粉末を得た。得られた粉末に対し、硝酸Rhをアルミナに対し0.3[wt%]となるように含浸し、120[℃]で一昼夜乾燥、400[℃]で1[時間]乾燥し、得られた粉末を粉末Cとした。
2.モノリス担体へのコーティング
粉末Aを26.3[g]、粉末Bを26.2[g]、粉末Cを18.8[g]、アルミナゾル3.7[g]、水69[g]、硝酸6[g]を磁性ボールミルに投入して混合粉砕し、触媒スラリを得た。得られた触媒スラリをコーデェライト質モノリス担体(0.119[L]、400[セル])に付着させ、空気流にてセル内の余剰のスラリを取り除いて120[℃]で乾燥した後、400[℃]で1[時間]焼成し、コート層150.0[g/L]の触媒を得た。このときコート層1[L]あたりに含まれる金属量は、それぞれPt:0.315[g/L]、Rh:0.113[g/L]であり、合計すると0.428[g/L]となった。
(比較例2)
比較例2では、含浸法を用いて触媒を作製した。なお、比較例1と異なる点は、担持させるPt量が多い(比較例1の2倍)点である。
1.Pt(0.6wt%)-Co(5wt%)-Al粉末調整
まず、比表面積200[m/g]のアルミナ100[g]にジニトロジアミンPtを1.2[wt%]となるように担持し、120[℃]で一昼夜乾燥後、400[℃]で1[時間]焼成して粉末を得た。得られた粉末に対し、酢酸Ce、酢酸La、酢酸Zrを酸化物換算でそれぞれ8.5[wt%]、5.5[wt%]、6[wt%]となるように含浸した。その後、120[℃]で一昼夜乾燥して400[℃]で1[時間]焼成し、得られた粉末を粉末Aとした。
また、比表面積200[m/g]、平均細孔径20[nm]のアルミナ100[g]に硝酸Coを3[wt%]となるように担持し、120[℃]で一昼夜乾燥後、400[℃]で1[時間]焼成して粉末を得た。得られた粉末に対し、酢酸Ce、酢酸La、酢酸Zrを酸化物換算でそれぞれ8.5[wt%]、5.5[wt%]、6[wt%]となるように含浸した。その後、120[℃]で一昼夜乾燥して400[℃]で1[時間]焼成し、得られた粉末を粉末Bとした。
さらに、酢酸Zrを、比表面積200[m/g]のアルミナ100[g]にアルミナに対し酸化物換算で5[wt%]となるように含浸し、120[℃]で一昼夜乾燥後、900[℃]で4[時間] 焼成して粉末を得た。得られた粉末に対し、硝酸Rhを0.3[wt%]となるように含浸し、120[℃]で一昼夜乾燥、400[℃]で1[時間]乾燥した。これを粉末Cとした。
2.モノリス担体へのコーティング
粉末Aを26.3[g]、粉末Bを26.2[g]、粉末Cを18.8[g]、アルミナゾル3.7[g]、水69[g]、硝酸6[g]を磁性ボールミルに投入して混合粉砕し、触媒スラリを得た。得られた触媒スラリをコーデェライト質モノリス担体(0.119[L]、400[セル])に付着させ、空気流にてセル内の余剰のスラリを取り除いて120[℃]で乾燥した後、400[℃]で1[時間]焼成し、コート層150.0[g/L]の触媒を得た。このときコート層1[L]あたりに含まれる金属量は、それぞれPt:0.63[g/L]、Rh:0.113[g/L]であり、合計すると0.743[g/L]となった。
ここで、上記試料調製によって得られた試料は、以下の方法によって評価された。
<耐久試験>
触媒粉末の耐久試験は、得られた触媒粉末を酸素雰囲気下、700[℃]で1[時間]焼成することにより行った。
<転化率の評価法>
表1に示すモデルガスにより、室温から400[℃]まで10[℃/分]で昇温したときの50[%]転化率温度を求めた。また400[℃]での転化率を求めた。なお、50[%]転化率温度の測定条件は、酸素量と還元剤量とが等しいストイキの組成とし、反応ガス流量40[L/分]とした。
<貴金属分散度の測定法>
貴金属分散度の測定には、日本ベル株式会社製 金属分散度測定装置BEL−METAL−3を用い、以下の手順に従った測定した。試料は、He100[%]ガス気流中にて、10[℃/min]で400[℃]まで昇温し、次に、400[℃]、O 100[%]ガス気流中にて、15分間酸化処理を行った。そして、He100[%]ガスにて5分間パージし、400[℃]、H 40[%]/Heバランスガス気流中にて15分間還元処理を行った。次に、He100[%]ガス気流中にて50[℃]まで降温した。そして、CO10[%]/Heバランスガスをパルス的に流入させて、以下に示す式に従い、CO吸着量から貴金属分散度を求めた。
<貴金属の粒子径測定>
上記試料調製によって得られた排ガス浄化触媒の触媒層を掻き落し、TEM−EDX測定にて評価を実施した。測定には日立製作所製 HF−2000を用い、加速電圧を200[kV]、切削条件は常温にて行った。測定方法は、触媒粉末をエポキシ樹脂にて包処理し、エポキシ樹脂が硬化した後、ウルトラミクロトームにより超薄切片を作成した。その切片を用いて、透過型電子顕微鏡(TEM)により各種結晶粒の分散状態を調べた。得られた映像の中で、コントラスト(影)の部分に焦点を充て、金属種を限定し、その金属の粒子径を測定した。
<転化率の測定>
試料の元素定性、定量、状態分析を、X線光電子分光法(XPS)を用いて行った。装置はPHI製複合型表面分析装置ESCA5600を用い、X線源はAl−Kα線(1486.6[eV]、300[W])、光電子取り出し角度は45[°](測定深さ4[nm])、測定エリア2[mm]×0.8[mm]、の条件にて、試料をインジウム箔上に固定して測定を行った。また、測定の際、XPS装置に付属している前処理チャンバー内に、排気ガス組成の一つである水素(水素0.2[%]/窒素)を400[℃]×10[分]さらしたのち、XPS測定を実施した。
上記した実施例1〜実施例3、比較例1、比較例2における、耐久後の50[%]転化率温度[℃]、耐久後の400[℃]での転化率[%]、貴金属(Pt+Rh)使用量[g/L]、Pt粒子径[nm]、触媒作製時(400[℃]焼成後)の分散度(X1)を下表2に示す。
表2より、実施例1で得られた粉末の分散度は58[%]、実施例2で得られた粉末の分散度は56[%]、実施例3で得られた粉末の分散度は53[%]であった。また、比較例1で得られた粉末の分散度は74[%]、比較例2で得られた粉末の分散度は72[%]であった。
また、TEM−EDX測定にて得られた結果より、実施例1で得られた粉末のPt粒子径は4.7[nm]、実施例2で得られた粉末のPt粒子径は4.9[nm]、実施例3で得られた粉末のPt粒子径は5.2[nm]であった。また、比較例1及び比較例2で得られた粉末のPt粒子径は1[nm]以下(測定限界値以下)であった。
実施例1と実施例2とでは、同時析出工程と単独析出工程の順序が異なっているが、耐久後50[%]転化率温度[℃]、耐久後の400[℃]での転化率[%]、Pt粒子径[nm]及び触媒作製時(400[℃]焼成後)の分散度(X1)はほぼ同程度の値が得られ、同時析出工程と単独析出工程のどちらを先に行っても同様の効果が得られることがわかった。
また、実施例1及び実施例2で得られた値は、比較例1の値と比較すると、触媒作製時(400[℃]焼成後)の分散度(X1)は低かった。しかし、貴金属(Pt+Rh)使用量[g/L]が同じ値であるのに対し、実施例1及び実施例2で得られた試料の耐久後50[%]転化率温度[℃]は比較例1で得られた試料と比較すると顕著に低かった。比較例1で得られた試料は、Ptの粒子径が小さく、耐久後には凝集により50[%]転化率温度[℃]が上がると考えられた。また、実施例3と比較例2の値を比較すると、貴金属(Pt+Rh)使用量0.743[g/L]のときには、逆ミセル法により触媒を製造した場合であっても耐久後の50[%]転化率温度[℃]は含浸法で製造した場合とほとんど変わらず、逆ミセル法により触媒を製造したことによる大きな効果はみられなかった。以上の結果より、貴金属量が0.7[g/L]以下の少ない領域で逆ミセル法により触媒を製造した場合には、耐久性に優れた触媒が得られることがわかった。
(a)本発明に係る触媒の作製時の状態を示す説明図である。(b)本発明に係る触媒の耐久後の状態を示す説明図である。 (a)本発明の別の例に係る触媒の作製時の状態を示す説明図である。(b)本発明の別の例に係る触媒の耐久後の状態を示す説明図である。 本発明に係る触媒の製造方法を説明する工程図である。 本発明に係る触媒の別の製造方法を説明する工程図である。 貴金属の粒子径と融点との関係を示す図である。 白金の粒子径と転化率との関係を示す説明図である。 (a)従来の触媒の作製時の状態を示す説明図である。(b)従来の触媒の耐久後の状態を示す説明図である。
符号の説明
1 多孔質体
2 貴金属
3 遷移金属

Claims (6)

  1. 貴金属と多孔質体とを逆ミセル内で析出剤を用いて還元により同時に析出させる同時析出工程と、
    前記逆ミセル内で遷移金属を析出させる単独析出工程と、を有することを特徴とする触媒の製造方法。
  2. 前記同時析出工程を、前記単独析出工程よりも先に行うことを特徴とする請求項1に記載の触媒の製造方法。
  3. 前記単独析出工程を、前記同時析出工程よりも先に行うことを特徴とする請求項1に記載の触媒の製造方法。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の触媒の製造方法により製造されたことを特徴とする排ガス浄化用触媒。
  5. 請求項4に記載された排ガス浄化用触媒を含む触媒層を有することを特徴とする排ガス浄化触媒。
  6. 前記貴金属量が、前記排ガス浄化触媒容量1[L]当たり0.7[g]以下であることを特徴とする請求項5に記載の排ガス浄化触媒。
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