JP4789794B2 - セリウム・ジルコニウム複合酸化物及びその製造方法 - Google Patents

セリウム・ジルコニウム複合酸化物及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、セリウム・ジルコニウム複合酸化物及びその製造方法に関する。
従来より触媒担体として用いられているジルコニア単体の400℃における比表面積は、せいぜい100m/g程度である。また、それ以上の比表面積のものは、一般に一定の構造をもたない非晶質である。このため、ジルコニア単体を触媒担体として用いても、400℃以上の高温では比表面積が小さくなる結果、高温下で安定した性能を得ることができなくなる。従って、触媒担体として用いるためには、さらなる耐熱性の改善が必要である。
これに対し、酸化ジルコニウムと酸化セリウムからなるジルコニア−セリア組成物は、一般に1000℃という高温においても比較的大きな比表面積を確保でき、触媒としてはジルコニア等に比べて耐熱性において優れている。
特許文献1には、「セリウム鉱酸塩水溶液と炭酸根を有する水溶液とを反応させ、セリウムイオンが存在する状態で生成した沈殿を熟成する」ことにより、「アスペクト比が1.0〜10.0の範囲に有り、平均粒径が0.5〜50μmである板状の形態を有する炭酸セリウム」が得られること及び「得られた炭酸セリウムを少なくとも300℃以上の温度で焼成して得られる、アスペクト比が1.0〜10.0かつ平均粒径が0.5〜50μmである板状の形態を有する酸化セリウム」が開示されている。
しかしながら、比表面積の耐熱性については、何らの記載もない。
また、特許文献2には、「セリウム塩と強塩基をカルボン酸陰イオンの存在下に反応させることにより、またはカルボン酸セリウムと強塩基の反応により真正水酸化セリウムを調製し、得られた沈澱を分離し、洗浄し、かつ熱処理する」ことにより、「気孔体積が0.3cm/よりも大きく、平均孔径が50Åよりも大きく、そして350〜450℃で焼成後の比表面積が100m/g以上である針状結晶の酸化第二セリウム」が開示されている。
しかしながら、600℃×6時間焼成した場合の比表面積が最大117m/gであることが記載されているものの、高温(1000℃)での耐熱安定性については、何ら記載されていない。
一方、特許文献3には、「混合セリウムないしジルコニウム酸化物の製造方法において、三価セリウムないしジルコニウム化合物を含有する液体混合物を調製;該混合物を(i)炭酸塩もしくは重炭酸塩及び(ii)塩基と反応間に反応性媒体のpHが中性また、は塩基性のままであるような条件下に接触させ;炭酸セリウム化合物を含む沈殿物を収集し;該沈殿物を焼成する」ことにより、「少なくとも0.6cm/gの全気孔容量を有し、しかも全気孔容量の少なくとも50%が10〜100nmの直径を有する気孔からなる、混合セリウムないしジルコニウム酸化物」、そして、前記酸化物が、「800℃で6時間の焼成後、少なくとも20m/gの比表面積を有する」ことが開示されている。
しかしながら、900℃×6時間焼成した場合の比表面積が最大35m/gであることから、高温(1000℃)での耐熱安定性に劣るものと考えられる。
特許第2980504号公報 特公平7−64559号公報 特許第3016865号公報
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従来法では得られない新規な形状である「棒状粒子」を含有し、高温(1000℃)での比表面積の耐熱性を向上させたセリウム・ジルコニウム複合酸化物を提供することにある。
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、炭酸セリウムに酸を添加して溶解させた溶液にジルコニウム塩を混合した後、アルカリを添加し、得られたセリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物を熱処理することにより、意外にも、球状粒子と棒状粒子からなるセリウム・ジルコニウム複合酸化物が得られること、そして、該セリウム・ジルコニウム複合酸化物が優れた高温(1000℃)での比表面積の耐熱性を示す、ことを見出した。
すなわち、本発明は、下記のセリウム・ジルコニウム複合酸化物及びその製造方法に係る。
1. 5〜20nmの球状粒子と粒子径5〜20nmで粒子長30〜150nmの棒状粒子からなることを特徴とするセリウム・ジルコニウム複合酸化物。
2. 細孔容積が0.3cm/g以上で、1000℃、5時間熱処理後の比表面積が35m/g以上である、前記項1に記載のセリウム・ジルコニウム複合酸化物。
3. 希土類元素(ただし、セリウムを除く。)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の酸化物を含有する、前記項1又は2に記載のセリウム・ジルコニウム複合酸化物。
4. 5〜20nmの球状粒子と粒子径5〜20nmで粒子長30〜150nmの棒状粒子からなるセリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法であって、
炭酸セリウムに酸を添加して溶解させた溶液とジルコニウム塩を混合し、セリウム・ジルコニウム含有溶液とする工程、該セリウム・ジルコニウム含有溶液にアルカリを添加してセリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物とする工程及び該セリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物を400〜1100℃で1〜5時間熱処理することにより、セリウム・ジルコニウム複合酸化物とする工程、を含むことを特徴とするセリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法。
5. 炭酸セリウムを溶解させた溶液のpHが1以下である、前記項4に記載のセリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法。
6. セリウム・ジルコニウム含有溶液に希土類元素(ただし、セリウムを除く。)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の化合物を添加する、前記項4又は5に記載のセリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法。
本発明によれば、従来法では得られない新規な形状である棒状粒子を含有し、細孔容積が大きく、特に比表面積の耐熱性を大幅に向上させたセリウム・ジルコニウム複合酸化物を提供することができ、内燃機関の排ガス処理用触媒材料等として、斯界において好適に用いることができる。
以下、本発明のセリウム・ジルコニウム複合酸化物及びその製造方法について詳細に説明する。
なお、本発明において、「%」とは、特に断りがない場合、「重量%=質量%」を示す。
1.セリウム・ジルコニウム複合酸化物
図1(200,000倍)及び図2(500,000倍)に実施例1で得られた本発明のセリウム・ジルコニウム複合酸化物のTEM像を示す。
これから判るように、本発明のセリウム・ジルコニウム複合酸化物は、5〜20nmの球状粒子と粒子径5〜20nmで粒子長30〜150nmの棒状粒子から構成されていることが判る。
特に、粒子径5〜20nmで粒子長30〜150nmの新規な形状である棒状粒子が存在することが、従来法にない特徴であり、この結果、高温においても粒子が焼結することが抑制され、比表面積の耐熱性が向上するものと考えられる。
このような棒状粒子が生成する理由については、現在の所では明確になっていないが、
比較例で示す硝酸セリウム等のセリウム塩を用いると図3(200,000倍)及び図4(500,000倍)に示すように球状粒子の凝集体として得られるのに対して、炭酸セリウムをセリウム源として用い、これに酸を添加して溶解させた溶液を用いたときのみ、棒状粒子が生成することから、溶液中に残存する炭酸根が何らかの影響を及ぼしているものと推察される。
次に、本発明のセリウム・ジルコニウム複合酸化物は、細孔容積が0.3cm/g以上、好ましくは0.35cm/g以上、特に好ましくは0.40cm/g以上で、1000℃、5時間熱処理後の比表面積が35m/g以上、好ましくは40m/g以上、特に好ましくは45m/g以上であることを特徴とし、全気孔容量(細孔容積)が大きく、かつ、比表面積の熱安定性が大幅に向上したものあることがわかる。
細孔容積が0.3cm/g未満では、初期の比表面積が小さくなり、貴金属に坦持させた際、貴金属をより高分散に分散できない。また、1000℃で5時間熱処理後の比表面積が35m/g未満では、担体の熱収縮と共に担持された貴金属が焼結し、貴金属粒子の成長を促進させるため、好ましくない。
本発明のセリウム・ジルコニウム複合酸化物において、セリウム:ジルコニウムのモル比は、5:95〜95:5、好ましくは20:80〜80:20、特に好ましくは30:70〜70:30である。セリウム:ジルコニウムのモル比が、5:95未満及び95:5を超えると、1000℃で5時間後の比表面積が35m/g未満となるため、好ましくない。
なお、本発明のセリウム・ジルコニウム複合酸化物は、必要に応じて、希土類元素(セリウムを除く)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の酸化物を含有することが出来る。
これらの酸化物を含有させることにより、比表面積の熱安定性の向上が期待できる。
含有量としては、最終製品であるセリウム・ジルコニウム複合酸化物中に1%〜49%、好ましくは1%〜30%、特に好ましくは5%〜20%である。
1%未満では、比表面積の熱安定性には寄与せず、49%を超えるとセリウム・ジルコニウム複合酸化物の比表面積を低下させるため、好ましくない。
2.セリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法
(第一工程)
先ず、本発明においては、炭酸セリウムに酸を添加して溶解させる。
本発明の最大の特徴は、炭酸セリウムをセリウム源として用いるところにある。
炭酸セリウムとしては、炭酸セリウム(III)・8水和物、炭酸セリウム(IV)等が例示されるが、これらの混合物であっても良い。
酸としては、硝酸、硫酸、塩酸等の無機酸のほか、炭酸セリウムを溶解するものであれば、有機酸でも特に問題ない。
なお、炭酸セリウムを溶解させた溶液のpHは1以下とすることが好ましい。pHが1を超えると、ジルコニウム溶液と混合した際、ジルコニウムの水酸化物が沈殿する可能性があるため、好ましくない。
また、炭酸セリウムを溶解させた溶液中のセリウム濃度は、溶媒1000g中にCeOとして40〜280gとすることが好ましい。40g未満では、混合溶液の濃度が希薄となるため工業的には不向きであり、280gを超えると硝酸セリウムの結晶が析出する可能性があるため、好ましくない。
次に、炭酸セリウムを酸で溶解した溶液とジルコニウム塩を混合する。
ジルコニウム塩としては、ジルコニウムイオンを供給できるものであれば特に限定されない。例えば、オキシ硝酸ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム等のジルコニウム無機酸塩を用いることができる。
本発明では、工業的規模での生産性等の見地より、オキシ塩化ジルコニウムを用いることが好ましい。
ジルコニウム塩混合後の、ジルコニウム濃度は、溶媒1000g中にZrOとして
40g以上とすることが好ましい。40g未満では、混合溶液の濃度が希薄となるため工業的には不向きであり好ましくない。
また、セリウム:ジルコニウムのモル比は、5:95〜95:5、好ましくは20:80〜80:20、特に好ましくは30:70〜70:30である。セリウム:ジルコニウムのモル比が、5:95未満及び95:5を超えると、1000℃で5時間処理後の比表面積が35m/g未満となるため、好ましくない。
このようにして、第一工程で、セリウム・ジルコニウム含有溶液を作製する。
なお、この過程で、水(好ましくは、純水)が必要に応じて用いられることは言うまでもない。
(第二工程)
次に、第一工程で作製したセリウム・ジルコニウム含有溶液にアルカリを添加して、セリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物とする。
アルカリとしては、特に制限されず、例えば水酸化アンモニウム、重炭酸アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を使用することができる。アルカリの添加量は、上記溶液から沈殿物を生成させることができれば特に限定されず、通常は上記溶液のpHが9以上、好ましくは10以上となるようにすれば良い。
なお、中和反応終了後、セリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物含有溶液を35〜60℃で1時間以上保持することが、得られた沈殿を熟成し、ろ別しやすくするというの観点から好ましい。
なお、最終製品であるセリウム・ジルコニウム複合酸化物に、希土類元素(セリウムを除く)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の酸化物を含有させるためには、中和する前のセリウム・ジルコニウム含有溶液に希土類元素(セリウムを除く)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の化合物、好ましくは水溶性の金属塩を添加しておくことが、最も簡便な方法である。
希土類元素としては、Sc、Y、La、Pr、Nd等のランタノイド元素等が、遷移金属としては、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W等が例示される。
これらの金属塩は、水溶性のものであれば特に限定されず、硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩等の無機塩が例示される。添加量としては、最終製品であるセリウム・ジルコニウム複合酸化物中に1%〜49%、好ましくは1%〜30%、特に好ましくは5%〜20%となるように所定量添加すればよい。
このようにして添加された金属塩は、最終的には、セリウム・ジルコニウム複合酸化物に分散され、焼成することにより、セリウム・ジルコニウム複合酸化物との固溶体または複合酸化物となる。
そして、生成したセリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物からなる沈殿物を固液分離法により回収する。固液分離法は、例えば濾過、遠心分離、デカンテーション等の公知の方法に従えば良い。回収後、必要に応じてセリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物を水洗し、付着している不純物を除去することが好ましい。
なお、得られたセリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物は、さらに必要に応じて乾燥させても良い。乾燥方法は、公知の方法に従えば良く、例えば自然乾燥、加熱乾燥等のいずれであっても良い。また、必要であれば、乾燥処理後に粉砕処理、分級処理等を実施しても良い。
(第三工程)
最後に、第二工程で作製されたセリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物を熱処理することにより、セリウム・ジルコニウム複合酸化物とする。
熱処理温度は、400〜1100℃で1〜5時間行。この処理により、セリウム・ジルコニウム含有複合酸化物となる。
熱処理雰囲気は、特に限定されないが、通常は大気中あるいは酸化性雰囲気中とすれば良い。
ところで、上記では、中和する前のセリウム・ジルコニウム含有溶液に希土類元素(セリウムを除く)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の化合物、好ましくは水溶性の金属塩を添加しておくことを説明したが、本発明においては、これに限定されるものではなく、例えばセリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物を熱処理する前に、希土類元素(セリウムを除く)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の化合物、好ましくは水酸化物及び/又は酸化物を添加・混合しておいても良い。
なお、これらの水酸化物及び/又は酸化物は、セリウム・ジルコニウム含有複合酸化物の特性を大きく変化させないように、1100℃以上で焼成しておく等の様な前処理を行っておくことが好ましい。
以下に実施例を示し、本発明の特徴を一層明確にする。なお、本発明は、これらの実施例の態様に限定されるものではない。
実施例中における各物性は以下の方法により測定した。また、各実施例及び比較例において得られた材料中には、不可避不純物として酸化ハフニウムを1〜2重量%含有している。
(1)比表面積
比表面積計(「フローソーブ−II」マイクロメリティクス製)を用い、BET法により測定した。
(2)細孔容積及び平均細孔径
測定装置「Autosorb-1, Quantachrome(MODEL NO.AS1KR)」を用い、BJH法により測定した。
なお、BJH法とは、B a r r e t t,J o y n e r,H a l e n d aによって提唱された、メソ孔の分布を求める方法である( E.P.B a r r e t t、L .G .J o y n e r a n d P.P. H a l e n d a、J , A m.C h e m.S o c.,7 3、3 73、( 1 9 5 1) )。
〔実施例1〕
炭酸セリウム・8水和物結晶105.1gを67.5%硝酸98gで溶解し、酸化物濃度:20重量%となる硝酸セリウム液を調整した。この時のpHは0.4であった。
次に、オキシ塩化ジルコニウム・8水和物をZrO換算30g、硝酸ランタン・6水和物をLa換算5g、硝酸イットリウム結晶をY換算5gとなるように分取し、それぞれ純水で溶解し、各金属塩溶液を得た。その後、その金属塩溶液を混合し、混合溶液を調製した。
そして、調製した混合液を25%アンモニア水600g中に添加し、中和した。この時のpHは10であった。
次に、このスラリーをブフナ−漏斗でろ過し、イオン交換水2000gで水洗した。
得られた水酸化物を600℃、5時間で焼成し、酸化物を得た。この酸化物について、比表面積、細孔容積、平均細孔径及び1000℃で5時間、空気中で焼成した後の比表面積を測定した。この結果を、分析値とともに表1に示す。
また、図1(200,000倍)及び図2(500,000倍)に実施例1で得られた酸化物のTEM像を示す。
〔実施例2〕
炭酸セリウム・8水和物結晶77.3gを67.5%硝酸72gで溶解し、酸化物濃度:20重量%となる硝酸セリウム液を調整した。この時のpHは0.5であった。
次に、塩基性硫酸ジルコニウムスラリーをZrO換算42g、硝酸ランタン・6水和物をLa換算9.5g、硝酸プラセオジム結晶をPr11換算4.5gとなるように分取し、それぞれ純水で分散又は溶解し、金属塩溶液を得た。その後、それぞれの金属塩溶液を混合し、混合溶液を調製した。
そして、調製した混合液を25%水酸化ナトリウム溶液600g中に添加し、中和した。この時のpHは13以上であった。
次に、このスラリーをブフナ−漏斗でろ過し、イオン交換水5000gで水洗した。得られた水酸化物を600℃、5時間で焼成し、酸化物を得た。この酸化物について、実施例と同様に測定を行った。この結果を、分析値と共に表1に示す。
〔比較例1〕
硝酸セリウム6水和物、オキシ塩化ジルコニウム8水和物、硝酸ランタン結晶および硝酸イットリウムをそれぞれCeO換算で60g、ZrO換算で30g、La換算で5g、Y換算で5gとなるように分取し、それぞれ純水で溶解することにより、硝酸塩溶液を得た。得られた硝酸塩溶液を混合し、酸化物換算20%濃度となるまで純水を加え、混合溶液を得た。この時のpHは0.8であった。
次に、その混合液を25%アンモニア水600g中に添加し、中和した。この時のpHは10であった。
そして、このスラリーをブフナ−漏斗でろ過し、イオン交換水2000gで水洗した。得られた水酸化物を600℃、5時間で焼成し、酸化物を得た。この酸化物について、実施例と同様に測定を行った。この結果を、分析値と共に表1に示す。
また、図3(200,000倍)及び図4(500,000倍)に比較例で得られた酸化物のTEM像を示す。
Figure 0004789794
表1、特に組成がほぼ同じ実施例1と比較例の結果を比較すれば、実施例1において、
1000℃で5時間焼成後の比表面積(Aged SA)及び細孔容積が大幅に向上していることがわかる。
実施例1で得られたセリウム・ジルコニウム複合酸化物のTEM像(200,000倍)である。 実施例1で得られたセリウム・ジルコニウム複合酸化物のTEM像(500,000倍)である。 比較例で得られたセリウム・ジルコニウム複合酸化物のTEM像(200,000倍)である。 比較例で得られたセリウム・ジルコニウム複合酸化物のTEM像(500,000倍)である。

Claims (6)

  1. 5〜20nmの球状粒子と粒子径5〜20nmで粒子長30〜150nmの棒状粒子からなることを特徴とするセリウム・ジルコニウム複合酸化物。
  2. 細孔容積が0.3cm/g以上で、1000℃、5時間熱処理後の比表面積が35m/g以上である、請求項1に記載のセリウム・ジルコニウム複合酸化物。
  3. 希土類元素(ただし、セリウムを除く。)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の酸化物を含有する、請求項1又は2に記載のセリウム・ジルコニウム複合酸化物。
  4. 5〜20nmの球状粒子と粒子径5〜20nmで粒子長30〜150nmの棒状粒子からなるセリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法であって、
    炭酸セリウムに酸を添加して溶解させた溶液とジルコニウム塩を混合し、セリウム・ジルコニウム含有溶液とする工程、該セリウム・ジルコニウム含有溶液にアルカリを添加してセリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物とする工程及び該セリウム・ジルコニウム含有複合水酸化物を400〜1100℃で1〜5時間熱処理することにより、セリウム・ジルコニウム複合酸化物とする工程、を含むことを特徴とするセリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法。
  5. 炭酸セリウムを溶解させた溶液のpHが1以下である、請求項4に記載のセリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法。
  6. セリウム・ジルコニウム含有溶液に希土類元素(ただし、セリウムを除く。)、遷移金属元素、アルミニウム及びケイ素からなる群から選択される1種以上の化合物を添加する、請求項4又は5に記載のセリウム・ジルコニウム複合酸化物の製造方法。
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