JP4787704B2 - 自動車用排気ガス浄化装置に用いられる触媒系、それを用いた排気ガス浄化装置、及び排気ガス浄化方法 - Google Patents
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Description
特に、このような触媒技術によって自動車からの排気ガスを浄化する場合は、これら有害ガス(CO、HC、NOx)濃度の数ppmから数%にわたる急激な変化に柔軟に対応でき、高効率で排気ガスが浄化できる性能が求められている。
そこで、排気ガス浄化触媒の組成中に酸素吸蔵放出材(Oxygen Storage Component:以下、OSC材ということがある。)を配合し、低酸素濃度時には排気ガス中に酸素を供給し、有害成分の浄化能力を高める事が行われている。
このような排気ガス浄化触媒としては、排気ガス中のHC、COの酸化作用、またNOxの還元作用を調整するために、排気ガス浄化触媒用の酸素吸蔵放出材として、特定原子比率のセリウム−ジルコニウム複合酸化物が有効であるとされている。
これに対して、直下型では排気ガスの温度は1000℃を超える場合があり、排気ガス浄化触媒成分の焼結を招くことがある。そのため、排気ガス浄化触媒には、このような高温で苛酷な条件においても、触媒成分の焼結を抑制し、安定して排気ガスを浄化できる性能が要求される。
このようなTWCでは、CO、HCなどの還元成分を排気ガス中の酸素と反応させて酸化除去することや、NOxを還元して浄化することが行われるが、先に述べたとおり、自動車から排出される排気ガス中の酸素濃度は刻々と変化することから、このような環境でも浄化能力を発揮する触媒が求められている。そこで、このような排気ガス中の酸素濃度の変化を緩衝することを主目的として、排気ガス浄化触媒の組成中にセリウム酸化物や、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(特許文献1)を、酸素吸蔵放出材として配合し、低酸素濃度時には排気ガス中に酸素を供給するなどして、有害成分の浄化能力を高める事が行われている。
ガソリン機関においても、排気ガス流路中にTWC自体を2つ以上配置することが、しばしば行われている。例えば、温度の高い排気ガスに晒される前段には、耐熱性の高い触媒を配置し、後段には通常のTWCを配置することで、部分酸化されたHCを完全酸化すること(特許文献3)、前段にTWCを配置し、後段にはHC吸着剤とTWCが複合された複合触媒を配置することで、排気ガス中のHC浄化率を大幅に向上させる事が検討されている(特許文献4)。
また、限られたスペース、形状の排気ガス流路に対して触媒を配置する場合、排気ガス浄化の為の充分な活性面積を得るために、同種のTWCを2箇所以上に分けて配置することもある。特許文献4は、2つ以上の触媒を用いて構成したTWC装置により排気ガスを浄化するケースである。
第1の触媒は、排気ガス流路中に配置したとき、上流側に位置する無機構造担体の部分に担持させ、セリウム塩及びジルコニウム塩を熔融物が生成しない温度条件で焼成して得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A’)を含有するものであり、
一方、第2の触媒は、排気ガス流路中に配置したとき、下流側に位置する無機構造担体の部分に担持させ、かつ、原料混合物をその融点以上の温度で加熱熔融した後、冷却して形成されるインゴットを粉砕して得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)を含有するとともに、ハニカム構造体(D)上に少なくとも2層として被覆され、セリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)が下層に含まれていることを特徴とする、自動車用排気ガス浄化装置に用いられる触媒系が提供される。
さらに、本発明の第3の発明によれば、第1の発明において、第1の触媒と第2の触媒とは、窒素酸化物(NOx)を炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)や水素(H)によって還元する機能を有することを特徴とする触媒系が提供される。
また、本発明の第5の発明によれば、第1の発明において、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)の粒径が、3mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の触媒系が提供される。
また、本発明の第6の発明によれば、第1の発明において、セリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)のセリウムとジルコニウムが、酸化物換算のモル比基準で、CeO2/(ZrO2+CeO2)=1/9〜9/1の割合で含有されることを特徴とする触媒系が提供される。
また、本発明の第8の発明によれば、第7の発明において、活性金属種(B)が、ジルコニア、セリウム−ジルコニウム複合酸化物、セリア、γ−Al2O3、又はランタン添加γ−Al2O3から選ばれる一種以上の耐熱性無機酸化物(C)に担持されていることを特徴とする触媒系が提供される。
また、本発明の第9の発明によれば、第8の発明の活性金属種(B)が白金を含有し、一方、耐熱性無機酸化物(C)がランタン添加γ−Al2O3からなることを特徴とする触媒系が提供される。
また、本発明の第11の発明によれば、第1又は10の発明において、ハニカム構造体(D)が、セル密度10〜1500cel/inch2のフロースルー型担体であることを特徴とする触媒系が提供される。
また、本発明の第12の発明によれば、第1〜11のいずれかの発明において、第2の触媒の各成分は、ハニカム構造体(D)の単位体積あたり、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)が5.0〜200g/L、活性金属種(B)が0.01〜20g/L、耐熱性無機酸化物(C)が1〜300g/Lであることを特徴とする触媒系が提供される。
また、本発明の第14の発明によれば、第13の発明において、活性金属種(B)が、ジルコニア、γ−Al2O3、又はランタン添加γ−Al2O3から選ばれる一種以上の耐熱性無機酸化物(C)に担持されていることを特徴とする触媒系が提供される。
また、本発明の第15の発明によれば、第13又は14の発明において、第1の触媒の各成分は、ハニカム構造体(D)の単位体積あたり、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A’)が5.0〜200g/L、活性金属種(B)が0.01〜20g/L、耐熱性無機酸化物(C)が1〜300g/Lであることを特徴とする触媒系が提供される。
また、本発明の第17の発明によれば、第16の発明に係る自動車用排気ガス浄化装置を用いて、内燃機関の排気ガスを排気ガス流路の上流側と下流側の少なくとも2箇所に配置された触媒に順次接触させることによって、排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)を分解することを特徴とする排気ガス浄化方法が提供される。
また、本発明の第18の発明によれば、第17の発明において、窒素酸化物(NOx)が、炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)によって還元されることを特徴とする排気ガス浄化方法が提供される。
さらに、本発明の第19の発明によれば、第17の発明において、内燃機関が、ガソリンエンジンであることを特徴とする排気ガス浄化方法が提供される。
本発明の自動車用排気ガス浄化装置に用いられる触媒系は、第1の触媒は、排気ガス流路中に配置したとき、上流側に位置する無機構造担体の部分に担持させ、セリウム塩及びジルコニウム塩を熔融物が生成しない温度条件で焼成して得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A’)を含有するものであり、一方、第2の触媒は、排気ガス流路中に配置したとき、下流側に位置する無機構造担体の部分に担持させ、かつ、原料混合物をその融点以上の温度で加熱熔融した後、冷却して形成されるインゴットを粉砕して得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)を含有するとともに、ハニカム構造体(D)上に少なくとも2層として被覆され、セリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)が下層に含まれていることを特徴とする。
なお、本発明において無機構造担体とは、ハニカムやペレット形状に成型されたシリカ、アルミナ、炭化珪素、コーディエライト等のことであり、特にハニカム状に成型されたものを一体構造型担体といい、この一体構造型担体に触媒成分を被覆したものを一体構造型触媒ということがある。
一体構造型触媒を配置する位置は、排気ガス温度が比較的高温になるエンジンのエキゾースト部位近傍(直下型)、あるいはそれよりも更に下流(床下型)のいずれかである。本発明の排気ガス浄化触媒は、直下型、床下型のどちらに用いても良いが、本発明の触媒装置は床下型のように、比較的触媒温度の低いところでもその効果を発揮できる。直下型、床下型いずれであっても、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)を含有する触媒は、排気ガスの最上流部に配置される事はなく、排気ガスの流れに対して2つ目以降に配置されることになるため、第2の触媒又は下流側の触媒と称する。これに対して、排気ガスの最上流部に配置される触媒は、第1の触媒又は上流側の触媒と称する。
以下、本発明の好ましい態様であるCO、HC、NOxを同時に浄化処理するTWCについて中心に説明する。TWCでは、図1に示すように、下流側の触媒3は、上流側の触媒2と隣接して配置されていることが望ましい。また、TWCでは、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)が、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、また、水蒸気改質反応によって発生した水素(H)によって還元される。
しかし、本発明の自動車用排気ガス浄化装置では、上流側に配置された触媒によって、急激な排気ガス成分の濃度変化が緩衝され、すなわちNOxや酸素が増加しても、還元成分であるHC、COの濃度がさほど減少せず、それを一因として排気ガスの浄化、特にNOxの浄化が促進されるのではないかと考えられる。
本発明では、排気ガス流の下流側に配置される第2の触媒は、原料混合物をその融点以上の温度で加熱熔融した後、冷却して形成されるインゴットを粉砕して得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)を含有し、無機構造担体に担持される。
以下、本発明において触媒成分となるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物について、図2により、その製造方法の一例を記載するが、本発明に使用されるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物は、これにより何ら制限されるものではない。
また、融点を下げるためには、微量のフラックスなど第三成分を配合する場合もある。これら元素材料を混合したときの、原料混合物の融点は、セリア/ジルコニアのモル比により異なり、具体的には、CeO2/ZrO2(モル比)=1/9の場合は約2600℃、モル比が5/5の場合は約2200℃、モル比が9/1の場合は約2000℃である。
第三成分としてセリウム元素材料、ジルコニウム元素材料以外の材料を併せて用いる場合は、本発明により得られるOSC材の特性を損なわない範囲であれば、アルカリ、アルカリ土類、金属成分などを加える事ができる。より具体的には、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アンチモン、ハフニウム、タンタル、レニウム、ビスマス、プラセオジム、ネオジウム、サマリウム、ガドリニウム、ホルミウム、ツリウム、イッテルビウム、ゲルマニウム、セレン、カドミウム、インジウム、スカンジウム、チタン、ニオブ、クロム、鉄、銀、ロジウム、白金などがあげられる。また、このような第三成分は、セリウム元素材料、ジルコニウム元素材料中の不純物に由来して含まれていても良い。ただし、このような第三成分が有害性の規制対象である場合は、その量を低減するか、除去する事が望ましい事は言うまでも無い。
アーク式電気炉を用いた熔融方法であれば、セリウム原料とジルコニウム原料の混合割合により変化するが、混合されたセリウム原料とジルコニウム原料に、必要に応じ、初期の通電を促すために導電材としてのコークスを所定量添加する。その後、例えば、二次電圧70〜100Vで平均負荷電力を80〜100kWとし、2400℃以上の温度で加熱する。セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)の原料混合物が、0.5〜3時間加熱熔融されることが望ましい。原料が熔融状態となってから、0.5時間以上保持することにより、均一に熔融させることが出来る。加熱温度は、2000℃以上であればよいが、原料の融点以上、特に2600〜2800℃が好ましい。熔融状態での保持時間は、1〜2時間とすることが好ましい。なお、熔融時の雰囲気については、特に限定されず、大気中の他、窒素、アルゴン、あるいはヘリウムなどの不活性ガス中とする。また、圧力は特に限定されず、常圧、加圧、減圧のいずれでもよいが、通常、大気圧下で行うことが出来る。
熔融終了後、電気炉に炭素蓋をして、20〜30時間徐冷しインゴットを得る。熔融物の冷却方法は、特に限定されないが、通常、熔融装置から取り出して、大気中で100℃以下、好ましくは50℃以下となるように放冷する。これにより、セリウム原料とジルコニウム原料が均一になったセリウム−ジルコニウム系複合酸化物のインゴットを得ることが出来る。
なお、得られた粉末は、磁力選鉱して不純物などを分離した後、所望に応じて、電気炉などにいれ、熔融工程での亜酸化物や過冷却による結晶内の歪みを酸化焼成によって除去することができる。酸化焼成の条件は、インゴットまたは粉末が酸化される条件であれば特に限定されないが、通常、100℃〜1000℃、好ましくは600℃〜800℃で焼成することができる。また、焼成時間については、特に限定されないが、1〜5時間、好ましくは1〜3時間とすることができる。
上記方法で得られた粉末を用途に合わせて、さらに微粉砕することができる。微粉砕については、特に限定されないが、遊星ミル、ボールミルまたはジェットミル等の粉砕機で5〜30分間、微粉砕することができる。この微粉砕により、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の平均粒径を0.3〜2.0μm、特に0.5〜1.5μmとすることが好ましい。詳細な理由は不明であるが、微粉砕されることで複合酸化物の表面積が大きくなり、低い温度域で大きな酸素放出が可能となるものと考えられる。なお、平均粒径の測定はレーザー回折散乱装置などで分析できる。
これにより、酸化物換算のモル比:CeO2/(ZrO2+CeO2)基準として、1/9〜9/1の割合でセリウムとジルコニウムを含有するセリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)が得られる。
これに対して、前記特許文献1などに記載された原料混合物の融点以上の高温で加熱溶融しない従来品を用いて、加熱耐久試験を行い、その前後における構造の変化をX線回析装置(XRD)により測定すると、図3(B)に示すような結果となる。従来品では1050℃及び1150℃での高温大気中焼成後に観測されるメインピーク(Zr0.5Ce0.5O2に相当)が徐々にシャープとなっており、高温耐久時の物理的状況変化が著しい。また、熱的安定性が本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物よりも明らかに低いことがわかる。
本発明において、触媒活性金属(以下、活性金属種あるいは金属触媒成分ともいう)は、単独で用いることもできるが、熱や雰囲気に対して安定で、活性も高い事が望ましいことから、母材となる多孔質無機酸化物(C)に担持されている事が好ましい。以下、複合酸化物(A)と触媒活性金属(B)、多孔質無機酸化物(C)など触媒を構成する材料と組み合わせたものを触媒組成物ということがある。
遷移金属としては、鉄、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、銅など、また希土類金属としては、ランタン、プラセオジム、ネオジムのほか、金、銀等の貴金属を挙げることができ、これらの中から一種以上を適宜選択できる。
すなわち、TWCとしての作用を発揮するために、本発明の触媒には貴金属成分としてロジウムを含む事が好ましいが、その作用としては水蒸気改質反応の促進が考えられる。
NOx浄化における水蒸気改質反応の働きを式にあらわすと以下のとおりである。
HC+H2O −−−−−−−−−−−→ COx+H2 ………(1)
H2+NOx −−−−−−−−−→ N2+H2O ………(2)
活性金属であるロジウムは、ジルコニウムと共に用いる事で水蒸気改質反応を促進するので(WO2000/027508公報、14頁参照)、この働きをNOxの還元に利用できる事が知られている。本発明でも、これに類するメカニズムが少なくとも一部生起しているものと思われる。
これまでロジウムは、排気ガス中に置かれることでCO等により被毒されてしまい活性を失ってしまう事があるとされていた。しかし、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)が、ロジウム表面の被毒の原因となるCO等の還元成分を効率的に酸化除去する事により、ロジウムの活性低下を防ぎ、その結果、NOxの浄化作用に少なくとも一部に貢献しているものと考えられる。
本発明では、活性金属種(B)が、耐熱性無機酸化物(以下、無機母材、あるいは単に母材ともいう)に担持されていることが望ましい。
本発明では、第2の触媒が、無機構造担体である一体構造型担体(例えばハニカム構造体)上に担持されている。
このような一体構造型担体の材質としては金属、セラミックスがある。金属の場合はステンレス製のものが一般的であるが、その形状はハニカム状をしたものが一般的である。セラミックスの材質は、コージェライト、ムライト、アルミナ、マグネシア、スピネル、炭化ケイ素などがあるが、ハニカムを作製するための成形性が良く、耐熱性や機械的強度にも優れる点からコージェライト製であることが好ましい。
TWC用途では、製造の容易さ、構造体としての強度、構造触媒の設置に伴う圧力損失の抑制(排気ガス抜けの良さの維持)、触媒組成物の被覆量などを高め安定性を向上しうる点から、コージェライト製フロースルー型担体が好ましい。
フロースルー型担体のようなハニカム形状の担体では、その構造的特徴がセル密度であらわされる。本発明では、ハニカム構造体(D)が、セル密度10〜1500cel/inch2であり、特に300〜900cel/inch2のフロースルー型担体である事が好ましい。セル密度が10cel/inch2以上であれば、浄化に必要な排気ガスと触媒の接触面積を確保する事ができ、構造上の強度にも優れた排気ガスの浄化性能が得られ、セル密度が1500cell/inch2以下であれば内燃機関の排気ガスの圧力を大きく損失することなく、内燃機関の性能を損なう事がなく、排気ガスと触媒の接触面積も充分に確保する事ができる。特に、ガソリンエンジン用のTWCでは、300〜900cel/inch2のフロースルー型担が、圧力損失の抑制の点から好ましい。
一体構造型触媒をこのように構成することが好ましい理由としては以下のように考えられる。すなわち、Pt、PdとRhが同一組成中に存在すると、Pd、PtとRhが反応して貴金属同士のシンタリングを生じ、Pt、Pdの触媒活性が弱くなってしまうことがあるとともに、触媒の排気ガス浄化能自体も低下していくことが知られている。また、Pdには排気ガス中の鉛や硫黄による被毒の問題があり、Pdが構造触媒表層に存在すると触媒活性が減退することが知られている。この問題に対しては貴金属量を多くすることによっても対策可能であるが、触媒コストが高くなる問題があることから、Pt、PdとRhとを同一組成に存在させることは好ましくない場合がある(特開平11−169712の段落0011、特開2005−021793の段落0005参照)。
また、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)は、その製法に由来して熔融温度に至らずに焼成されたセリウム−ジルコニウム系複合酸化物よりも緻密な構造を有していることから、酸素の放出速度が比較的遅いという傾向がある。このようなセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)に対しPt、Pdが共存することで、Pt、Pdの触媒活性によりセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)に吸蔵された酸素の利用が促進され、OSC能力の活性化が図られる。
また、Rhは上層に配置されることにより、特に一体構造型触媒の表層に配置することでNOxの浄化活性が早期に活性化される。このような理由から、排気ガスに近い上層にはRhを配置し、その下層にPt、Pdとセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)とを配置した一体構造型触媒であることが好ましい。
第2の触媒の各成分は、担体のハニカム構造体単位体積あたり、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)が5.0〜200g/L、活性金属種(B)が0.01〜20g/L、耐熱性無機酸化物(C)が1〜300g/Lである事が好ましい。
本発明において第2の触媒を製造するのに必要な金属触媒成分は、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩等の化合物として用意する。これらは、一般に水や有機溶媒に溶解して用いる。次に、触媒成分(B)を担持するための一種以上の母材(C)、およびセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)と混合し、例えば50〜200℃で乾燥して溶媒を除去した後、300〜1200℃で焼成することで触媒組成物にする。また、前記セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)以外に、公知のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物や、酸化セリウムを配合してもよい。
また、本発明の排気ガス浄化装置に使用される触媒には、使用される環境、また使用する目的に応じて、他の機能を持つ触媒成分、助触媒成分、バインダーを混合して使用することができる。
無機母材(C)成分の使用量は、後述する一体構造型担体の単位体積あたり、好ましくは1〜300g/L、より好ましくは30〜150g/Lである。300g/Lを超えると他の添加成分必要量が加わるので、ハニカム構造体に触媒成分を被覆する際に目詰まりを起こし、充分な機能が得られない場合があり、1.0g/Lを下回ると活性が得られるだけの量の触媒活性種を十分に分散させることができず、耐久性が得られない恐れがある。
すなわち、まず、多孔質無機母材、金属触媒成分原料、水系媒体を所定の比率で混合してスラリー状混合物を得る。本発明においては、無機母材100重量部に対して、金属触媒成分を0.01〜25重量部混合することが好ましい。水系媒体は、スラリー中で多孔質無機母材と金属触媒成分が均一に分散できる量を用いる。また、必要に応じて他の触媒組成物と重ねて被覆しても良い。
スラリー調整に際しては、必要に応じてpH調整のために酸、アルカリを、粘性の調整やスラリー分散性向上のために界面活性剤、分散用樹脂等を配合する事ができる。スラリーの混合方法としては、ボールミルなどによる粉砕混合が適用可能であるが、他の粉砕、もしくは混合方法を適用しても良い。
次に、一体構造型担体へスラリー状混合物を塗工する。塗工方法は、特に限定されないがウオッシュコート法が好ましい。塗工した後、乾燥、焼成を行う事により触媒組成物が担持された一体構造型触媒を得ることができる。なお、乾燥温度は、100〜300℃が好ましく、100〜200℃がより好ましい。また、焼成温度は、300〜1200℃が好ましく、400〜800℃、特に400〜600℃が好ましい。加熱手段については、電気炉やガス炉等の公知の加熱手段によって行う事ができる。
本発明において、上流側に位置する第1の触媒は、セリウム塩及びジルコニウム塩を熔融物が生成しない温度条件で焼成して得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A’)を含有するものであり、酸素の吸蔵放出機能とNOxの浄化機能を有するものであることが好ましい。
また、第1の触媒である上流側触媒の各成分は、担体のハニカム構造体(D)の単位体積あたり、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A’)が5.0〜200g/L、活性金属種(B)が0.01〜20g/L、耐熱性無機酸化物(C)が1〜300g/Lである事が好ましい。
本発明の排気ガス浄化方法は、上記の自動車用排気ガス浄化装置を用いて、内燃機関の排気ガスを排気ガス流路の上流側と下流側の少なくとも2箇所に配置された触媒に順次接触させることによって、排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)を分解することを特徴とする。
少なくとも2つの触媒が排気ガス流路の上流側と下流側に配置されているが、触媒同士が隣り合って配置されることが好ましく、少なくとも下流側の触媒には、OSCとしてセリウムを含むセリウム原料と、ジルコニウムを含むジルコニウム原料とを混合して得られる原料混合物を、融点以上の温度下で熔融して得られたセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)が使用される。
また特に、自動車用排気ガス浄化装置のTWCとして使用するとNOxの浄化に優れた効果を発揮し、特に空気/燃料比の変動に伴い、リーン状態が生じて発生した排気ガス中のNOx浄化性能に優れている。すなわち、内燃機関がガソリンエンジンであり、理論空気/燃料比状態で稼動されるか、または、空気/燃料比をリッチ状態からリーン状態に変動させて稼動されることが好ましい。このように、本発明の排気ガス浄化装置をTWC装置として用いる場合、窒素酸化物(NOx)が、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、または水蒸気改質反応によって発生した水素(H)によって還元される。各触媒は、前述した方法により作られた一体構造型触媒であることが好ましい。
また、本発明の排気ガス浄化方法は、エンジン稼動中にたびたびフューエルカットをされるような、たびたびリーン状態で稼動されるような、空気/燃料比の変動をもって稼動される環境で使用されるときに特徴的な効果を発揮する。
本発明の排気ガス浄化装置の望ましい実施形態は、上流側触媒、下流側触媒ともTWCであり、上流側のTWCには、融点以下の温度下で生産されたセリウム−ジルコニウム系複合酸化物が使用されるものであるが、このセリウム−ジルコニウム系複合酸化物はOSCとして知られている。この場合、以下のような要因により上流側TWCの排気ガス浄化性能は、下流側TWCの排気ガス浄化性能よりも、HC、COの還元性能に勝る場合がある。
セリウム系酸化物粒子、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物粒子において、OSCとして酸素の吸蔵放出が有効に行われる部位は、粒子表面からある程度の深さまでと考えられている。このことは、比表面積値の大きなOSCの方が酸素の吸蔵放出能力において有効に作用する成分が多いことを意味しており、上流側TWCに比表面積値の大きなOSCを使うことは、下流側TWCに比べて活性の高い触媒になりやすいといえる。換言すれば、本発明の排気ガス浄化装置では、上流側に浄化能力に優れた触媒を配置し、下流側にはそれより劣る傾向の触媒を配置することが望ましい実施形態であるともいえる。
このように本発明に使用される下流側触媒は、セリウム成分とジルコニウム成分、望ましくは酸化セリウムと酸化ジルコニウムとを混合し、熔融状態になるまで加熱することにより得られた複合酸化物を粉砕して製造された粉体を触媒成分として用いている。これに対して、前記特許文献1に記載された従来の触媒(OSC材)は、いずれもセリウム塩、およびジルコニウム塩を混合し、1000℃以下、高くても1300℃以下の温度で焼成して製造された複合酸化物を用いている。このように、比表面積値からすると一見性能の高い触媒と、性能の高いとはいえない触媒との組合せによって、特徴的なNOx浄化性能を発揮し、より優れた排気ガス浄化装置を提供できることは驚くべきことである。
このように排気ガス中のHC濃度の変動が伴う環境は、前記の条件に限られるものではなく、HCを還元剤としてディーゼルエンジン排気ガス中のNOx浄化に用いられるHC−SCR(Selective Catalytic Reduction:選択的触媒還元法)等も考えられる。HC−SCRは、還元剤としてHCを使用し希薄燃焼される排気ガス中のNOxを浄化するものであり、その際使用されるHCは、燃焼室へ供給される燃料混合空気の空気/燃料比を一時的に小さくして排気ガス中のHC濃度を高くすることや、排気ガス中に直接燃料を噴霧して供給するものである。
このような稼働環境としては前述のTWCの他、前述したHC−SCR等も考えられ、広く自動車排気ガス中のNOxの浄化に使用可能である。本発明はガソリン機関から排出される排気ガス成分の浄化に使用される事が好ましいが、浄化される排気ガス成分としては、ディーゼル、LPG等、化石燃料を燃料とする自動車用内燃機関から排出されるものや、ボイラー、ガスタービン等から排出される排気ガスを浄化対象としてもよい。
Zrの原料として高純度酸化ジルコニウム(純度99.9%)を、Ceの原料として高純度酸化セリウム(純度99.9%)を用い、図2に示す製造工程の手順に従って本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物粉末を製造した。
まず、粉末10kgを調製するために高純度酸化ジルコニウム(4.2kg)と高純度酸化セリウム(5.8kg)を分取・混合し、アーク式電気炉を用い、二次電圧85V、平均負荷電力99.5kW、通電時間1時間50分、総電力量182kWhを印加して、2200℃以上で熔融を行った。
なお、初期の通電を促すためにコークス500gを使用した。熔融終了後、電気炉に炭素蓋をして、大気中で24時間徐冷しインゴットを得た。得られたインゴットをジョークラッシャーおよびロールクラッシャーで3mm以下まで粉砕した後、篩で1mm以下の粉末を捕集し、本セリウム−ジルコニウム系複合酸化物を得た。
次に、熔融工程での亜酸化物や過冷却による結晶内の歪みを除去するために電気炉を用いて大気中、800℃で3時間焼成し、遊星ミルで10分間粉砕し、平均粒径が1.3μmを持った粉末を得た。なお、平均粒径の測定は、レーザー回折散乱装置(COULTER Co., LTD, LS230)で分析した。以下、これを「Ce−Zr(A)」という事がある。
市販の硝酸セリウム(純度99.0%)およびオキシ硝酸ジルコニウム(純度99.0%)をイオン交換水で溶解し、CeO2換算20wt%およびZrO2換算25wt%の水溶液を調製した。
次に、58wt%CeO2−42wt%ZrO2複合酸化物を調製するための必要な各硝酸溶液を混合し、5%アンモニア水を添加し、最終的にpH=10.2とし、水酸化セリウムと水酸化ジルコニウムを共沈させた。
そして吸引ろ過を行った後、純水で水洗した。これを1000℃で3時間焼成し、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物を得た。ついで、本セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造と同様の工程を経て、粒子径2.0μm以下の非熔融型のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物をえた。以下これを「Ce−Zr(A’)」という事がある。
市販のランタン添加γ−アルミナ(比表面積:220m2 /g、 Al2 O3 /La2 O3 (重量比)=98.4/1.6)に、亜硝酸ジアンミン白金(II)の20重量%水溶液、また、硝酸ロジウムの8重量%水溶液を含浸処理し、次いで水分を乾燥・除去して、粉体の白金担持触媒成分を得た。以下これをLa−γアルミナという事がある。パラジウムは、ジニトロジアンミンパラジウムの28重量%水溶液を含浸処理した。なお、その他の成分であるジルコニアは、99.9%の市販品、セリアは、純度が99.9%の市販品を用いた。
上記の触媒材料が、下記一体構造担体の単位体積あたり所定の被覆量になるように成分量を調整し、適量の水系媒体と共に、ボールミルで5時間混合して触媒スラリーを調整した。調整したスラリーは、ウォッシュコート法により一体構造型担体に被覆した。被覆は一層目のコート層の上から二層目のコート層を被覆して2層コート構造とした。これを乾燥し、500℃で1時間焼成して一体構造型触媒を得た。各層に含まれる単位体積あたりの触媒成分の被覆量を表2に示す。なお、表中の数値は「g/L」を表す。
<一体構造担体>
・一体構造型触媒の種類:フロースルー型担体
・一体構造型触媒の容量:645cc(高さ:95mm×直径:93mm)
・一体構造型触媒の材質:コージェライト
・一体構造型触媒のセル密度:600cel/inch2
・一体構造型触媒のセル壁の厚み:4mil
(実施例2)
上記の触媒材料が、下記一体構造担体の単位体積あたり所定の被覆量になるように成分量を調整し、適量の水系媒体と共に、ボールミルで5時間混合して触媒スラリーを調整した。調整したスラリーは、ウォッシュコート法により一体構造型担体に被覆した。被覆を単層コートとした以外は、実施例1と同様にして一体構造型触媒を得た。単位体積あたりの触媒成分の被覆量を表2に示す。この実施例2は参考例である。
「測定条件」
・評価エンジン:NA2.4L ガソリンエンジン
・測定モード:FTP(Federal Test Procedure)モード、排気ガスの浄化能力を評価する際に用いられる米国環境保護庁が定めた走行テストモードである。
・排気ガスの測定機器:HORIBA社製 MEXA7000
・触媒の配置:床下
なお、図6の表中縦軸は、一回あたりのトータルバッグ(3Bag)中における各成分の重量をあらわし、「THC」はトータルハイドロカーボンであり、「CO(1/10)」は、便宜上、トータルバッグ中のCO値を10分の1とした値である。
また、フューエルカットの時期とNOx浄化性能との相関関係を図5に示した。図5中、フューエルカットしたポイントを矢印で示した。「F/C」は「Fuel Cut」の略である。
下流側触媒(表2)として、低温焼成型のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A’)を含む触媒を用いた以外は、実施例1と同様にして触媒を調製した。上流側触媒(表1)は実施例1と同じく従来のTWCである。
この一体構造型触媒を配置した排気ガス浄化用触媒装置について、TWCとしての浄化性能を測定した。その結果を、図4〜6に実施例1の結果とともに示した。
図4は、NOx浄化性能、図6は、NOx、HC、COの浄化性能を示しており、いずれもFTPモードにおけるトータルバッグの結果である。
なお、図6の表中縦軸は、一回あたりのトータルバッグ(3Bag)中における各成分の重量をあらわし、「THC」はトータルハイドロカーボンであり、「CO(1/10)」は、便宜上、トータルバッグ中のCO値を10分の1とした値である。
また、フューエルカットの時期とNOx浄化性能との相関関係を図5に示した。図5中、フューエルカットしたポイントを矢印で示した。「F/C」は「Fuel Cut」の略である。
実施例1では、下流側触媒として高温溶融型のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)を含む触媒を用いたためNOxの浄化性能が優れており(図4)、しかも、HC、CO、NOxの排ガス各成分とも比較例1で用いた触媒以上の浄化性能を発揮していることがわかる(図6)。また、本発明の排気ガス浄化装置である実施例1は、比較例1に比べてフューエルカット後でも排気ガス中におけるNOxの濃度の低減に優れた作用効果を有することが分かる(図5)。実施例2(参考例)の場合、NOxは比較例1に比べると大幅に減少したが、その効果は実施例1ほど顕著ではなかった。
Claims (19)
- 無機構造担体に担持された第1の触媒と、これとは別の第2の触媒とを含む2以上の排気ガス浄化触媒を用いてなる触媒系であって、
第1の触媒は、排気ガス流路中に配置したとき、上流側に位置する無機構造担体の部分に担持させ、セリウム塩及びジルコニウム塩を熔融物が生成しない温度条件で焼成して得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A’)を含有するものであり、
一方、第2の触媒は、排気ガス流路中に配置したとき、下流側に位置する無機構造担体の部分に担持させ、かつ、原料混合物をその融点以上の温度で加熱熔融した後、冷却して形成されるインゴットを粉砕して得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)を含有するとともに、ハニカム構造体(D)上に少なくとも2層として被覆され、セリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)が下層に含まれていることを特徴とする、自動車用排気ガス浄化装置に用いられる触媒系。 - 第1の触媒と第2の触媒とは、隣接して配置されていることを特徴とする請求項1に記載の触媒系。
- 第1の触媒と第2の触媒とは、窒素酸化物(NOx)を炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)や水素(H)によって還元する機能を有することを特徴とする請求項1に記載の触媒系。
- セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)の原料混合物が、0.5〜3時間加熱熔融されることを特徴とする請求項1に記載の触媒系。
- セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)の粒径が、0.3〜2.0μmであることを特徴とする請求項1に記載の触媒系。
- セリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)のセリウムとジルコニウムが、酸化物換算のモル比基準で、CeO2/(ZrO2+CeO2)=1/9〜9/1の割合で含有されることを特徴とする請求項1に記載の触媒系。
- 第2の触媒が、さらに、白金、パラジウム、又はロジウムから選ばれる一種以上の活性金属種(B)を含有することを特徴とする請求項1に記載の触媒系。
- 活性金属種(B)が、ジルコニア、γ−Al2O3、又はランタン添加γ−Al2O3から選ばれる一種以上の耐熱性無機酸化物(C)に担持されていることを特徴とする請求項7に記載の触媒系。
- 活性金属種(B)が白金を含有し、一方、耐熱性無機酸化物(C)がランタン添加γ−Al2O3からなることを特徴とする請求項8に記載の触媒系。
- 前記無機構造担体が、ハニカム構造体(D)であることを特徴とする請求項1に記載の触媒系。
- ハニカム構造体(D)が、セル密度10〜1500cel/inch2のフロースルー型担体であることを特徴とする請求項1又は10に記載の触媒系。
- 第2の触媒の各成分は、ハニカム構造体(D)の単位体積あたり、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A)が5.0〜200g/L、活性金属種(B)が0.01〜20g/L、耐熱性無機酸化物(C)が1〜300g/Lであることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の触媒系。
- 第1の触媒が、さらに、白金、パラジウム、又はロジウムから選ばれる一種以上の活性金属種(B)を含有することを特徴とする請求項1に記載の触媒系。
- 活性金属種(B)が、ジルコニア、セリウム−ジルコニウム複合酸化物、セリア、γ−Al2O3、又はランタン添加γ−Al2O3から選ばれる一種以上の耐熱性無機酸化物(C)に担持されていることを特徴とする請求項13に記載の触媒系。
- 第1の触媒の各成分は、ハニカム構造体(D)の単位体積あたり、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物(A’)が5.0〜200g/L、活性金属種(B)が0.01〜20g/L、耐熱性無機酸化物(C)が1〜300g/Lであることを特徴とする請求項13又は14に記載の触媒系。
- 請求項1〜15のいずれかに記載の触媒系を用いてなる自動車用排気ガス浄化装置。
- 請求項16に記載の自動車用排気ガス浄化装置を用いて、内燃機関の排気ガスを排気ガス流路の上流側と下流側の少なくとも2箇所に配置された触媒に順次接触させることによって、排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)を分解することを特徴とする排気ガス浄化方法。
- 窒素酸化物(NOx)が、炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)によって還元されることを特徴とする請求項17に記載の排気ガス浄化方法。
- 内燃機関が、ガソリンエンジンであることを特徴とする請求項17に記載の排気ガス浄化方法。
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