JP4977467B2 - セリウム−ジルコニウム系複合酸化物、その製造方法、それを用いた酸素吸蔵放出材料、排気ガス浄化触媒、及び排気ガス浄化方法 - Google Patents

セリウム−ジルコニウム系複合酸化物、その製造方法、それを用いた酸素吸蔵放出材料、排気ガス浄化触媒、及び排気ガス浄化方法 Download PDF

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Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物、その製造方法、それを用いた酸素吸蔵放出材料、排気ガス浄化触媒、及び排気ガス浄化方法に関し、内燃機関、ボイラーなど燃焼機関から排出される排気ガスの浄化等に有用であり、低い温度域で大きな酸素放出が可能なセリウム−ジルコニウム系複合酸化物（以下、単に「複合酸化物」という事がある。）、その製造方法、それを用いた酸素吸蔵放出材料、排気ガス浄化触媒、及び排気ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関や、ボイラーなど燃焼機関から排出される排気ガス中には、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害物質が含まれており、これら三成分を同時に浄化できる排気ガス浄化技術が盛んに研究され、これに用いられる触媒は、排気ガス用三元触媒といわれ、すでに一部で実用化されている。
特に、排気ガス用三元触媒のうち自動車用触媒に対しては、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、高効率で浄化できることが求められている。
【０００３】
排気ガス中に存在する酸素は、触媒を用いた有害成分の浄化システムにおいてＣＯ、ＨＣの酸化や、ＮＯｘの還元反応促進のために利用されるという重要な働きをするが、自動車では道路の混み具合などによって走行状況が変化することから、エンジンの燃焼状態を一定に保つ事が難しく、排気ガス中の酸素濃度も刻々変化する。そのため、酸素濃度が低下した際には、酸素を利用した有害成分の浄化が出来なくなってしまう。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。
【０００４】
ＣｅＯ２粉末は、酸素の吸蔵および放出能が大きいために、この触媒のＯＳＣ材として用いられており、排気ガス処理効率を増大させることが明らかにされている。そして、これまでにＣｅＯ２−ＺｒＯ２系など、ＣｅＯ２系粉末における酸素の吸蔵容量、放出特性の向上とそれを助触媒とした排気ガス浄化触媒について多くの研究が行われてきた。
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（特許文献１参照）。この複合酸化物は、その複合酸化物中のセリウム原子数に対するジルコニウム原子数の比（Ｚｒ／Ｃｅ）が５／９５〜７０／３０の範囲であると、排気ガス用酸化触媒用途として優れた高温耐性を示すものとして記載されている。
しかしながら、排気ガスによる環境問題が深刻なものとなり、近年厳しさを増す政府の規制値を満足できる触媒へのニーズは高まるばかりで、排気ガス浄化能力の向上に対する市場の要求に対して、従来のＯＳＣ材に関する知見だけでは充分な対応をとる事が難しくなってきている。
【０００５】
また、自動車に搭載される排気ガス浄化触媒の場合、比較的温度の低い床下に設置されるものと、エンジンから排出された直後、高温の排気ガスに触れる位置に設置される直下型と言われるものとがある。しかし、エンジンから排出された直後は高温であった排気ガスも、床下に至るまでには温度がかなり低くなってしまう。排気ガス浄化触媒は、一般にある程度以上の温度において高い活性が得られる事が多いことから、このような状態は排気ガスの浄化にとっては好ましい条件では無い。しかし、床下型として用いられる触媒では、このように温度の低い状態でも浄化能力を発揮する必要がある。
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。このようなことから、高温でも優れた性能を有するＯＳＣ材の開発が推進され、１０００℃で繰り返し酸化・還元処理を行った後においても、酸素の吸収・放出温度が４００℃以下であり、かつ酸素放出量が酸素分子として５００μｍｏｌ／ｇ以上であるセリウム−ジルコニウム複合酸化物が提案されている（特許文献２参照）。
また、自動車触媒として使用できる高い酸素吸蔵放出能力を有し、高温耐性にも優れている多相立方晶癖を有するセリウム−ジルコニウム複合酸化物が提案されている（特許文献３参照）。この複合酸化物は、１０００℃で４時間の老化後に、１ｇ当り３００μモルの酸素を越える酸素吸蔵放出能力を有するとされている。
しかしながら、近年の排気ガス規制の強化に伴い、市場は、ＯＳＣ材に対して低い温度域で酸素放出が可能であり、より高い酸素吸蔵放出能と、触媒のロングライフ性能を要求しており、排ガス浄化触媒にはより優れた高温耐性が望まれている。
【０００６】
ところで、自動車の排ガス浄化触媒としては、浄化機能に応じて様々な触媒が用いられている。その中の一つに、ＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯｘの還元とを同時に行って排ガスを浄化する触媒があり、三元触媒（Ｔｈｒｅｅ Ｗａｙ Cａｔａｌｙｓｔ：以下、ＴＷＣという。）として知られている。このＴＷＣの構成は、例えばコーディエライトなどからなる構造型担体にアルミナからなる多孔質担体を母材とし、その母材に白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属元素を担持させたものが一般的である。
このようなＴＷＣに対しても、セリウムとジルコニウムの複合酸化物をＯＳＣ材として配合する事が知られている（特許文献１）。しかしながら、未だ十分な性能を有する三元触媒は実用化されていない。
【特許文献１】
特公平６−７５６７５号公報
【特許文献２】
特開２００１−８９１４３号公報
【特許文献３】
特表２００４−５２９８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、内燃機関、ボイラーなど燃焼機関から排出される排気ガスの浄化等に有用であり、低い温度域で大きな酸素放出が可能なセリウム−ジルコニウム系複合酸化物、その製造方法、それを用いた酸素吸蔵放出材料、排気ガス浄化触媒、及び排気ガス浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、特定の条件下で、セリウム原料とジルコニウム原料を混合し、高温に加熱して熔融し、冷却後、粉砕し、必要により酸化焼成することにより、意外にも酸素放出開始温度が向上し、かつ、酸素吸蔵放出量が大きく、更に、低い温度域で大きな酸素放出が可能なセリア−ジルコニア系複合酸化物が得られることを確認し、かかるセリア−ジルコニア系複合酸化物をＯＳＣ材として用いることで、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを含む排気ガスを効率的に浄化できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の第１の発明によれば、セリウム原料とジルコニウム原料との混合物を、融点以上の温度下で熔融させて得られる熔融物を粉砕したセリウム及びジルコニウムを含む複合酸化物であって、セリウム及びジルコニウムを含む複合酸化物は、高温大気中焼成後に構造の変化をＸ線回析装置（ＸＲＤ）により測定した場合、１０５０℃及び１１５０℃でのメインピーク（Ｚｒ ０．５ Ｃｅ ０．５ Ｏ ２ に相当）の波形が重なっており、（１）酸素放出開始温度が３８０℃以下、（２）酸素放出量が４８５μｍｏｌ／ｇ以上で、更に、（３）４００℃での酸素放出量が１５μｍｏｌ／ｇ以上であることを特徴とするセリウム−ジルコニウム系複合酸化物が提供される。
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、セリウム原料とジルコニウム原料との混合組成が、複合酸化物中のセリウム原子に対するジルコニウム原子のモル比（ジルコニウム／セリウム）で５／９５〜７０／３０の範囲であることを特徴とするセリウム−ジルコニウム系複合酸化物が提供される。
また、本発明の第３の発明によれば、第１の発明において、平均粒径が、０．３〜２．０μｍであることを特徴とするセリウム−ジルコニウム系複合酸化物が提供される。
【００１０】
一方、本発明の第４の発明によれば、第１〜３のいずれかの発明において、酸化セリウムを含むセリウム原料と、酸化ジルコニウムを含むジルコニウム原料とを所定の割合で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させた後に、得られた熔融物を冷却してインゴットを形成し、次いで、該インゴットを粉砕して粉体とし、所望に応じて、加熱下で粉体結晶内の歪みを除去した後、さらに微細に粉砕することを特徴とするセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法が提供される。
また、本発明の第５の発明によれば、第４の発明において、原料混合物の加熱手段が、アーク式電気炉であることを特徴とするセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法が提供される。
また、本発明の第６の発明によれば、第４の発明において、原料混合物の加熱保持時間が、０．５〜３時間であることを特徴とするセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法が提供される。
さらに、本発明の第７の発明によれば、第４の発明において、粉体の粒径が、３ｍｍ以下であることを特徴とするセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法が提供される。
【００１１】
一方、本発明の第８の発明によれば、第１〜３のいずれかの発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物を含んでなる酸素吸蔵放出材料が提供される。
また、本発明の第９の発明によれば、第８の発明において、酸素吸蔵放出材料を含んでなる排気ガス浄化触媒が提供される。
また、本発明の第１０の発明によれば、第９の発明において、酸素吸蔵放出材料の粒径が、１ｍｍ以下であることを特徴とする排気ガス浄化触媒が提供される。
また、本発明の第１１の発明によれば、第９の発明において、さらに、白金、ロジウム、またはパラジウムから選ばれる貴金属元素の一種以上を含むことを特徴とする排気ガス浄化触媒が提供される。
また、本発明の第１２の発明によれば、第１１の発明において、貴金属元素が多孔質無機酸化物に担持されていることを特徴とする排気ガス浄化触媒が提供される。
さらに、本発明の第１３の発明によれば、第９の発明において、酸素吸蔵放出材料が、一体構造型担体の表面に被覆されるか、またはペレット状に成形されてなる排気ガス浄化触媒が提供される。
【００１２】
一方、本発明の第１４の発明によれば、第９〜１３のいずれかの発明の排気ガス浄化触媒を排気ガスの排出経路中に配置した後、その中に排気ガスを流通させることによって、排気ガス中に含まれる一酸化炭素、炭化水素、または窒素酸化物のいずれか一種以上の有害物質を浄化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１５の発明によれば、第１４の発明において、前記排気ガスの流出経路が、内燃機関のもの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。
さらに、本発明の第１６の発明によれば、第１４の発明において、前記内燃機関が、空気／燃料比のリーンな条件で運転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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、酸素放出開始温度が向上し、かつ、酸素吸蔵放出量が大きく、更に、低い温度域で大きな酸素放出が可能なセリア−ジルコニア系複合酸化物を得ることができる。
また、本発明のセリア−ジルコニア系複合酸化物は、セリウム、ジルコニウムを最適比率で混合し、その製造工程において熔融状態を経るという、過去のＯＳＣ材に無い特殊な製造工程を採用するために、こうして得られた複合酸化物を排気ガス浄化触媒に用いた時に、有害成分の浄化に優れた効果を発揮する。
さらに、本発明の複合酸化物をＴＷＣ用途に用いた際には、排気ガス中の有害成分の浄化に効果を発揮することは当然であるが、特に自動車が空気／燃料比のリッチな状態で運転された場合のように、排出される酸素濃度の低い状態でもＮＯｘの浄化能力に特異な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明のセリウムージルコニウム複合酸化物を製造する工程（手順）を示すフローシートである。
【図２】図２は、実施例１〜３と比較例１で合成したセリウムージルコニウム複合酸化物の酸素放出能を示すグラフである。
【図３】図３は、実施例１〜３と比較例１で合成したセリウムージルコニウム複合酸化物の４００℃での酸素放出能を示すグラフである。
【図４】図４は、一体構造型触媒を用いた排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化率と空気／燃料比（λ）との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、一体構造型触媒を用い、空気／燃料比（Ａ／Ｆ）を周期的に変化させた場合のＮＯｘの浄化率との関係を示すグラフである。
【図６（Ａ）】図６（Ａ）は、本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物と、従来品のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の加熱耐久試験前後における構造の違いを表したＸ線回析装置（ＸＲＤ）データである。
【図６（Ｂ）】図６（Ｂ）は、本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物と、従来品のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の加熱耐久試験前後における構造の違いを表したＸ線回析装置（ＸＲＤ）データである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物、その製造方法、それを用いた酸素吸蔵放出材料、排気ガス浄化触媒、及び排気ガス浄化方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
１．セリウム及びジルコニウムを含む複合酸化物
本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物は、セリウム原料とジルコニウム原料との混合物を、融点以上の温度下で熔融させて得られる熔融物を粉砕したセリウム及びジルコニウムを含む複合酸化物であって、セリウム及びジルコニウムを含む複合酸化物は、高温大気中焼成後に構造の変化をＸ線回析装置（ＸＲＤ）により測定した場合、１０５０℃及び１１５０℃でのメインピーク（Ｚｒ ０．５ Ｃｅ ０．５ Ｏ ２ に相当）の波形が重なっており、（１）酸素放出開始温度が３８０℃以下、（２）酸素放出量が４８５μｍｏｌ／ｇ以上で、更に、（３）４００℃での酸素放出量が１５μｍｏｌ／ｇ以上であることを特徴とする。
すなわち、（１）酸素放出開始温度が３８０℃以下（好ましくは３７５℃以下）であるため、低い温度で作動し、かつ、（２）酸素放出量が４８５μｍｏｌ／ｇ以上（好ましくは５００μｍｏｌ／ｇ以上）であるため、高い酸素放出吸収能を有し、更に、（３）４００℃での酸素放出量が１５μｍｏｌ／ｇ以上（好ましくは５０μｍｏｌ／ｇ以上）であるため、低い温度で高い酸素放出吸収能を有する。
本発明において、セリウムとジルコニウムの含有率としては、特に限定されるものではないが、セリウム原料とジルコニウム原料との混合組成が、複合酸化物中のセリウム原子に対するジルコニウム原子のモル比（ジルコニウム／セリウム）で５／９５〜７０／３０の範囲とするのが望ましい。
【００１７】
本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物は、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６（Ａ）に示すような結果となる。本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物では、１０５０℃及び１１５０℃での高温大気中焼成後のメインピーク（Ｚｒ０．５Ｃｅ０．５Ｏ２に相当）の波形が同じように重なっていることから、十分な熱的安定性を有すると同時に、本ピークが極めてシャープであることから、大きな結晶構造を有することが明らかである。
これに対して、前記特許文献１などに記載された従来品を用いて、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６（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（Ｚｒ０．４５Ｃｅ０．６５Ｏ２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。
【００１８】
２．セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法
本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法は、酸化セリウムを含む材料（セリウム原料ともいう）と、酸化ジルコニウムを含む材料（ジルコニウム原料ともいう）とを所定の割合で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させた後に、得られた熔融物を冷却してインゴットを形成し、次いで、所望に応じて、該インゴットを粉砕して粉体とし、引き続いて、加熱下で粉体結晶内の歪みを除去した後、さらに微細に粉砕することを特徴とする。
【００１９】
以下、図１を用いて本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物を製造する方法の一例を記載するが、本発明は、これにより何ら制限されるものではない。
【００２０】
本発明において用いるセリウム原料は、特に限定されないが、酸化セリウムで有る事が好ましい。この酸化セリウムは硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から得られる酸化物でも良い。また、本発明において用いるジルコニウム原料についても特に限定されないが、バデライト、脱珪ジルコニア、酸化ジルコニウム等、酸化ジルコニウムを含むジルコニウム元素材料である事が好ましい。ここで酸化ジルコニウムとしては、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から得られた酸化物でも良い。また、セリウム原料とジルコニウム原料は、これらの原料の混合物、または複合酸化物であってもよい。なお、セリウム原料とジルコニウム原料の純度は、特に限定されるものではないが、図１で例示しているように、純度９９．９％以上のものが好ましい。
上記のように、セリウム原料、ジルコニウム原料としては酸化物で有る事が好ましいが、これら原料には、少量のセリウムまたはジルコニウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、塩化物、臭化物が配合されても良い。このような酸化物以外の原料化合物を配合することで、後述する製造工程において熔融が促進される事がある。
【００２１】
なお、本発明において使用する元素材料は、以下に示す複合酸化物の製造工程において、元素材料を加熱したときに、その少なくとも一つが熔融するものであれば良い。酸化セリウムの融点は２２００℃、酸化ジルコニウムの融点は２７２０℃として知られている。このように元素材料の酸化物は融点が高いわけであるが、元素材料として酸化セリウム、酸化ジルコニウムを用いる場合、融点降下の影響があるので、酸化物の融点よりも低い加熱温度であっても熔融状態を得ることができる場合がある。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。
【００２２】
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、プラセオジウム、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。
【００２３】
上記セリウム原料とジルコニウム原料は、所定の割合で混合し熔融装置に装入する。組成は、複合酸化物中のセリウム原子に対するジルコニウム原子のモル比（ジルコニウム／セリウム）で５／９５〜７０／３０の範囲であることが好ましい。この範囲を外れると所望の酸素吸蔵放出性能と耐熱性を得ることができない。
その後、原料混合物を装置内で熔融するが、熔融方法については、原料混合物の少なくとも一種が熔融する方法であれば特に限定されず、アーク式、高周波熱プラズマ式等が例示される。中でも一般的な電融法、すなわちアーク式電気炉を用いた熔融方法を好ましく利用することができる。
【００２４】
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。原料が熔融状態となってから、０．５〜３時間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。また、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。
【００２５】
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。
【００２６】
熔融後のインゴットは、粉砕される。インゴットの粉砕については、特に限定されないが、ジョークラッシャーまたはロールクラッシャー等の粉砕機で粉砕することができる。後工程での取り扱いを考慮して、インゴットが３ｍｍ以下、さらには１ｍｍ以下の粉体になるまで粉砕し、分級するのが好ましい。
【００２７】
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。
【００２８】
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、好ましくは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。
【００２９】
このように本発明の複合酸化物は、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、複合酸化物を固溶体として得るものである。これに対して、前記特許文献１などに記載された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しており、その製法上の違いは明らかである。
【００３０】
本発明により製造されたセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の酸素放出開始温度と放出量は、水素を利用した昇温還元法（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：Ｔ．Ｐ．Ｒ．）（ＢＥＬ ＪＡＰＡＮ ＩＮＣ．， ＭＵＬＴＩＴＡＳＫ Ｔ．Ｐ．Ｒ．）を用いることにより求められる。また、４００℃での酸素放出量も同じ昇温還元法を用いることにより求めることができる。
【００３１】
本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物と、従来品であるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物に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）により測定した場合の結果を図６（Ａ）（Ｂ）に示す。
この結果、前記のとおり、本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物（Ａ）では、１０５０℃及び１１５０℃での高温大気中焼成後のメインピーク（Ｚｒ０．５Ｃｅ０．５Ｏ２に相当）の波形が同等であり、熱的安定性が確認されると同時に、本ピークが極めてシャープであり、大きな結晶構造を有することが明らかである。一方、従来品（Ｂ）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（Ｚｒ０．４５Ｃｅ０．６５Ｏ２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、両者の熱的安定性が明らかに異なる事がわかる。
【００３２】
３．酸素吸蔵放出材料、排気ガス浄化触媒
本発明は、前記セリウム−ジルコニウム複合酸化物を含む酸素吸蔵放出材料、また、酸素吸蔵放出材料を含み、排気ガス中の有害成分であるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化に対して優れた効果を発揮する排気ガス浄化触媒である。
【００３３】
本発明の酸素吸蔵放出材、または排気ガス浄化触媒の場合、複合酸化物の組成は、複合酸化物中のセリウム原子に対するジルコニウム原子のモル比（ジルコニウム／セリウム）が５／９５〜７０／３０の範囲であることが好ましい。この原子比が５／９５より小さく、セリウム量が多すぎると、高温排気ガスと接触した場合などの過熱時に粒成長が生じやすくなり、原子比が７０／３０より大きく、セリウム量が少なすぎると酸化ストレージ能が不足して浄化性能が低下する。
【００３４】
本発明においては、触媒の種類（用途）によっては貴金属などの触媒活性種を配合しないですむ場合もあるが、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物を触媒活性金属と組み合わせて排気ガス浄化触媒とする事が望ましい。ここで触媒活性金属は、単独で用いてもよいが、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に担持して用いる事が好ましい。以下、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物を触媒活性金属、多孔質無機酸化物などと組み合わせたものを触媒組成物ということがある。
【００３５】
本発明に適用可能な金属触媒成分は、排気ガスの浄化に対して活性を有するものであれば、特に限定されず、遷移金属、希土類金属、貴金属などから選択される。
その例としては、鉄、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、銅などの遷移金属、またセリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジムなどの希土類金属、また金、銀、白金、パラジウム、ロジウム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。特に好ましい金属触媒成分は、白金、ロジウム、又はパラジウムから選ばれる１種以上の貴金属である。
なお、本発明の複合酸化物をＴＷＣ用途に用いる場合、配合される貴金属成分としては、ロジウムを必須成分として、白金、パラジウムのうち少なくとも一つと組み合わせる事が好ましい。これにより、ＮＯｘの浄化性能を向上させることができる。
【００３６】
本発明の排気ガス浄化触媒を製造するに際して、金属触媒成分は、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩等の金属触媒成分原料として用意される。金属触媒成分原料は、一般に水や有機溶媒に溶解して溶液とする。次に、触媒成分を担持するための母材（担体）、および本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物と混合し、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事ができる。
【００３７】
このような触媒活性金属が担持される母材としては、比表面積の大きな多孔質の無機材料が好ましく、γ−アルミナ、θ−アルミナなどの活性アルミナ、ジルコニア、酸化チタン、シリカ、各種ゼオライトなどを用いることができる。このような多孔質無機母材には、ランタン、セリウム、バリウム、プラセオジム、ストロンチウム等の希土類や、アルカリ土類金属を添加し、耐熱性を向上させてもよい。
【００３８】
このような多孔質無機母材に触媒活性金属を担持させる方法は、先に挙げたような多孔質無機母材と金属塩溶液を混合して焼成する方法の他、本発明の複合酸化物や他の成分と水系媒体を媒質として混合し、後述する一体型構造担体表面に前記混合物を被覆した後で焼成する方法、金属塩を除く他の材料からなる混合物を一体構造型担体に被覆し焼成した後、金属塩溶液を含浸させる方法等がある。なお、触媒成分を溶液中に混合する際には、分散剤、ｐＨ調整剤などを配合しても良い。
【００３９】
金属触媒成分の使用量については、活性金属の種類や、無機母材や、担体の種類、触媒の用途などによっても異なるが、触媒活性金属が貴金属でありこれを一体構造型担体に被覆する場合、その担持量は一体構造型担体の容積当り、０．０１〜２０ｇ／Ｌ、特に０．１〜１５ｇ／Ｌである事が好ましい。金属触媒成分の量が２０ｇ／Ｌを超えると、触媒の生産コストが上昇してしまい、０．０１ｇ／Ｌ未満では、排気ガスの浄化性能が低下する事がある。
なお、本発明の触媒をＴＷＣとして用いる場合、貴金属成分としてロジウムを用いる事が好ましい。その場合、貴金属の担持量はトータル貴金属量に対して５〜５０ｗｔ％、望ましくは１０〜３０ｗｔ％をロジウムとして、残余をＰｄ、Ｐｔの少なくとも一種とする事が好ましい。
本発明の排気ガス浄化触媒には、本発明の方法によって製造されたセリウム−ジルコニウム複合酸化物の他、異なる製法により製造されたセリウム−ジルコニウム複合酸化物を合わせて用いても良い。
【００４０】
本発明の排気ガス浄化触媒は、排気ガスが流通可能な環境で使用される構造型触媒として形成する事が望ましい。このような構造型触媒としては、以下に述べる一体構造型担体表面に触媒組成物を被覆したものの他、触媒組成物をペレット状の構造体表面に被覆したもの、触媒組成物をペレット状に成型した構造型触媒等がある。
【００４１】
構造型触媒の担体として一体構造型担体を用いる場合、その形状は特に限定されるものではなく、公知の一体構造型担体の中から選択可能である。このような一体構造型担体としては、フロースルー型担体や、ＤＰＦに用いられるウォールフロー型担体がある。
また、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の他、篩い機能を有したものもある。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。
また、一体構造型担体の形状については、この他にも、細い繊維状物を編んだシート状構造体、比較的太い繊維状物からなるフェルト様状の不燃性構造体も使用できる。なお、これら繊維成分からなる一体構造型担体は、金属触媒成分の担持量が大きく、また排気ガスとの接触面積が大きいので、他の構造型担体よりも処理能力を高めることが可能である。
本発明においては、製造の容易さ、構造体としての強度、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、先に挙げた、フロースルー型担体や、ウォールフロー型担体を用いる事が好ましい。
【００４２】
一体構造型担体の外部形状は任意であり、断面真円または楕円の円柱型、四角柱型、六角柱型など一体構造型担体を適用する排気系の構造に応じて適宜選択できる。一体構造型担体の開口部の孔数についても、処理すべき排気ガスの種類、ガス流量、圧力損失あるいは除去効率などを考慮して適正な孔数が決められるが、自動車用排気ガス浄化用途としては１平方インチ当たり１０〜１５００個程度である事が望ましい。
このようなフロースルー型担体、ウォールフロ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。本発明においては、セル密度１０〜１５００ｃｅｌ／ｉｎｃｈ２、より好ましくは３００〜９００ｃｅｌ／ｉｎｃｈ２の担体を用いる事ができる。セル密度が１０ｃｅｌ／ｉｎｃｈ２以上であれば、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い。また、セル密度が１５００ｃｅｌ／ｉｎｃｈ２以下であれば、排気ガスと触媒の接触面積を充分に確保する事ができ、構造上の強度にも優れた排気ガスの浄化性能が得られる。
なお、本発明ではこのようなフロースルー型担体、ウォールフロー型担体などの一体構造型担体上に触媒組成物が被覆されたものを、以下、一体構造型触媒と言うことがある。
【００４３】
本発明の排気ガス浄化用一体構造型触媒は、前記の方法で金属触媒成分またはその前駆体と、前記多孔質無機母材またはその前駆体とを水系媒体と共に混合してスラリー状混合物にしてから、一体構造型担体へスラリー状混合物を塗工して、乾燥、焼成する事により製造することができる。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
本発明の構造型触媒を自動車から排出される排気ガスの浄化に用いる場合、後述するように一体構造型触媒とすることが望ましい。
【００４６】
このように本発明の排気ガス浄化触媒は、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などに記載された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おり、その違いは明らかである。
そして、このような組成上の違いが、本発明では１０００℃以上の高温でも複合酸化物が焼結しないのでＮＯｘなどの浄化活性を低下させることがないのに対して、従来のＯＳＣ材では簡単に焼結してしまい、浄化活性を大幅に低下させてしまうことになる。
【００４７】
４．排気ガス浄化方法
本発明は、排気ガス浄化触媒を排気ガスの排出経路中に配置した後、その中に排気ガスを流通させることによって、排気ガス中に含まれる一酸化炭素、炭化水素、または窒素酸化物のいずれか一種以上の有害物質を浄化することを特徴とする排気ガス浄化方法であり、特に排気ガス中の酸素濃度が低下した際のＮＯｘ浄化性能に優れた三元活性を示す排気ガス浄化触媒を用いた排気ガス浄化において効果を発揮する方法である。また、本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物を含む排気ガス浄化触媒を用いて、特に空気／燃費比がリッチなときにＮＯｘ濃度を低減する浄化方法を提供するものである。
【００４８】
本発明では、主にガソリン機関から排出される排気ガス成分の浄化を目的とするが、浄化される排気ガス成分としては、ガソリン、ディーゼル、ＬＰＧ等を燃料とする内燃機関から排出されるものの他、ボイラー、ガスタービン等から排出される排気ガス等であってもよい。
自動車から排出される排気ガスを浄化する場合、構造型触媒をその排気ガスの排出経路に配置する。このとき用いられる構造型触媒としては一体構造型触媒が望ましい。
一体構造型触媒を配置する位置については、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、あるいは直下型よりも更に下流のいずれかである。エンジンのエキゾースト部位近傍に配置される場合は直下型といわれ、また、排気ガス温度が比較的低温になる、直下型よりも更に下流の位置に配置される場合は床下型と言われる。本発明の排気ガス浄化触媒は、高温耐久性に優れることから直下型に利用することができ、また、比較的低温でもＯＳＣ性能が発揮されることから、床下型に用いても良い。
本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物を含む排気ガス浄化触媒は、排気ガスの成分や状態によって、他の機能を持つ触媒を混合し、また、本発明の触媒に対して、同様な機能を有する触媒あるいは全く異なる触媒を組み合わせる（２個使い）等、適宜設計変更して用いる事ができる。
【００４９】
ガソリン機関から排出される排気ガス成分に含まれる有害物質としては、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘが主要な規制対象とされている。本発明で、前記複合酸化物を用いた排気ガス浄化触媒を用いると、これら有害成分の著しい浄化能力を発揮する。特にＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの全てを、本発明の一つの触媒（ＴＷＣ）で低減することができ、その特筆すべき作用としては、空気／燃料比がリッチな状況におけるＮＯｘの浄化性能が挙げられる。
【００５０】
本発明の触媒をＴＷＣとして用いる場合、貴金属成分としてロジウムを含む事が好ましい。このような環境においてＮＯｘの排出量が低減される理由は定かで無いが、その一つの可能性として、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）
【００５１】
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、本発明の複合酸化物は、そのような活性低下を招く可能性がほとんどない。それは、ロジウム表面の被毒の原因となるＣＯ等の還元成分を本発明の複合酸化物が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の浄化作用が促進されるものと考えられる。
【実施例】
【００５２】
以下に実施例及び比較例を示し、本発明の特徴を一層明確にする。なお、本発明は、これら実施例の態様に限定されるものではない。
【００５３】
なお、本発明により製造されたセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の酸素放出開始温度と放出量は、昇温還元法（ＢＥＬ ＪＡＰＡＮ ＩＮＣ．， ＭＵＬＴＩＴＡＳＫ Ｔ．Ｐ．Ｒ．）を用いて求めた。具体的には、粉末０．３ｇを７００℃に加熱、高純度酸素ガス中で６０分間保持して十分に酸化させた。つぎに、５％水素−アルゴンガス気流（１００ｓｃｃｍ）中、１００℃から１０℃／分の昇温速度で９００℃まで加熱し、この間に消費する水素量を四重極質量分析計で連続的に測定し、温度上昇に伴う水素の消費曲線を得た。得られた水素の消費曲線とその面積から、酸素放出温度および酸素放出量を求めた。
また、４００℃での酸素放出量も昇温還元法（ＢＥＬ ＪＡＰＡＮ ＩＮＣ．， ＭＵＬＴＩＴＡＳＫ Ｔ．Ｐ．Ｒ．）を用いることにより求めた。具体的には、粉末０．３ｇを７００℃に加熱、高純度酸素ガス中で６０分間保持して十分に酸化させた。つぎに、５％水素−アルゴンガス気流（１００ｓｃｃｍ）中、１００℃から１０℃／分の昇温速度で４００℃まで加熱し、その後、４００℃で１時間保持した。この間に消費する水素量を四重極質量分析計で連続的に測定し、４００℃での水素の消費曲線を得た。得られた水素の消費曲線とその面積から、酸素放出量を求めることができる。
なお、上記気流の流量単位であるｓｃｃｍは、Ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎの略称であり、２５℃、１気圧における１分あたりの気体の流量をあらわす。
【００５４】
［実施例１］
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１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。
セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の酸素放出温度および酸素放出量を評価した。結果を図２、図３、表１および表２に示す。
【００５５】
［実施例２］
実施例１で示した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時間焼成した後、遊星ミルで３０分間粉砕し、平均粒径が０．９μｍ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。
実施例１と同様にして、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の酸素放出温度および酸素放出量を評価した。結果を図２、図３、表１および表２に示す。
【００５６】
［実施例３］
実施例１で示した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時間焼成した後、遊星ミルで６０分間粉砕し、平均粒径が０．５μｍ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。
実施例１と同様にして、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の酸素放出温度および酸素放出量を評価した。結果を図２、図３、表１および表２に示す。
また、このセリウム−ジルコニウム系複合酸化物に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）により測定した。その結果を図６（Ａ）に示す。この結果から、本発明のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物では、１０５０度及び１１５０度での高温大気中焼成後のメインピーク（Ｚｒ０．５Ｃｅ０．５Ｏ２に相当）の波形が同等でありじように重なっていることから、熱的安定性が確認されると同時に、本ピークが極めてシャープであり、大きな結晶構造を有することが明らかである。
【００５７】
［比較例１］
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１００ｇを調製するための必要量を各々の硝酸溶液から分取した。次に、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、これを２．０μｍ以下の粒子径に粉砕した。実施例１と同様にして、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の酸素放出温度および酸素放出量を評価した。結果を図２、図３、表１および表２に示す。
また、このセリウム−ジルコニウム系複合酸化物に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）により測定した。その結果を図６（Ｂ）に示す。
この結果から、従来品に相当するこのセリウム−ジルコニウム系複合酸化物では、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（Ｚｒ０．４５Ｃｅ０．６５Ｏ２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、両者の熱的安定性が明らかに異なる事がわかる。
【００５８】
【表１】
Figure 0004977467
【００５９】
【表２】
Figure 0004977467
【００６０】
図２、図３、表１および表２から、実施例１〜３で得られたセリウム−ジルコニウム系複合酸化物は、酸素放出開始温度が共沈法で作製された比較例１が４４７℃であるのに対して、３６２〜３８０℃と低く、かつ、酸素放出量が、比較例１が１６０μｍｏｌ−Ｏ２／ｇであるのに対して４８５〜６００μｍｏｌ−Ｏ２／ｇと大きく、更には、４００℃における酸素放出量が、比較例１が６μｍｏｌ−Ｏ２／ｇであるのに対して、１５〜６４μｍｏｌ−Ｏ２／ｇと低い温度域で大きな酸素放出があり、本発明のセリウムージルコニウム複合酸化物が高い酸素吸収・放出能を有していることが認められる。
【００６１】
【実施例４】
前記実施例１と同様にして、図１に示されるように原料粉末を混合し、アーク式電気炉にいれて加熱熔融し、本発明の複合酸化物の熔融物を製造した。加熱熔融後、冷却し、岩石状のインゴットを得た。得られた岩石状のインゴットを割ったところ、断面が金属光沢を有するものであった事で熔融状態になったことを確認した。
その後、インゴットを粉砕、分級、磁力選鉱、酸化焼成した後、微粉砕して、平均粒径が１．０μｍのセリア−ジルコニア粉末（本発明の複合酸化物）を得た。
この本発明の複合酸化物粉末６００ｇ、γ−アルミナ粉末を４００ｇ、ジルコニア粉末３５０ｇと、金属換算で１０ｇの塩化白金酸溶液、金属換算で５ｇの硝酸ロジウムとを、水系媒体１．５Ｌと共に、ボールミルで５時間混合して混合スラリーを調整した。この混合スラリーをコーディエライト製フロースルー型構造担体にウォッシュコート法をもってコーティングした。これを乾燥し、５００℃で１時間焼成し、一体構造型触媒を得た。
【００６２】
［比較例２］
実施例４に示した複合酸化物に代えて、比較例１で得られた複合酸化物６００ｇを用いた以外は実施例４と同様にして一体構造型触媒を得た。
【００６３】
＜評価＞
実施例４の一体構造型触媒を、下記の［評価条件］に記載の評価エンジンの排気経路に設置し、下記条件でエージングを行った。
［エージング条件］
・触媒表面温度９００±５℃
・エージングモード：３５００ｒｐｍ
・エージング時間：３０時間
以上の条件でエージングを行った後、下記条件でその排気ガス浄化能力を評価した。
また、比較例２の一体構造型触媒についても、実施例４と同様にエージング処理をおこなって同様に評価した。以下、その評価条件、評価結果を示す。
【００６４】
［触媒性能評価１］（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化）
実施例４、および比較例２で得られた各一体構造型触媒について、以下の条件で空気／燃料比を変化させ排気ガス中のＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯの濃度を測定し、触媒性能を評価した。結果を図４に示す。
なお、図中λは、空気過剰率（現実の空気／燃料比と化学量論的空気／燃料比との比率）を表すもので、基準空気／燃料比とも呼ばれている。化学量論的に構成された空気／燃料混合物は、λ＝１の空気過剰率を有している。
化学量論的過剰量で構成された空気／燃料混合物は、希薄な燃焼状態であるとされ、空気過剰量λ＞１であらわされるが、他方で、化学量論的不足量で構成された濃厚な空気／燃料混合物は、空気過剰率λ＜１であらわされる。
また、図中、浄化率は一体構造型触媒に導入される排気ガス中の有害成分に対する、浄化後の排気ガスに含まれる有害成分の割合である。
［一体構造型触媒］
・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
［評価条件］
・評価エンジン：ＮＡ２．４Ｌ ガソリンエンジン
・測定モード：３０００ｒｐｍ
・排気ガス温度：６００±２℃
・排気ガスの測定機器：ＨＯＲＩＢＡ社製 ＭＥＸＡ７０００
図４を見てわかるように、本発明の実施例４は比較例２に比べて排気ガス中のＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯの濃度が低減されており、特に、空気／燃料比がリッチなときに優れた排気ガス浄化性能を発揮している事がわかる。
【００６５】
［触媒性能評価２］
実施例４、および比較例２で得られた各一体構造型触媒について、以下の条件で空気／燃料比を周期的に変化させ、それに伴う排気ガス中のＮＯｘの濃度を測定し、触媒性能を評価した。結果を図５に示す。図の上部に示した曲線（破線）は、空気／燃料比の周期的変化を表しており、図の下部の実線は、空気／燃料比の周期的変化に対する排気ガス中のＮＯｘ濃度（浄化率）の変化を表している。また、３つの円は、実施例４、および比較例２の格差が大きい部分を強調したものである。
［一体構造型触媒］
・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
「評価条件」
・評価エンジン：ＮＡ２．４Ｌ ガソリンエンジン
・空気／燃料比（Ａ／Ｆ）の振幅：１３．３〜１５．５
・排気ガス温度：４５０±２℃
・排気ガスの測定機器：ＨＯＲＩＢＡ社製 ＭＥＸＡ７０００
図５を見てわかるように、本発明の実施例４は比較例２に比べて排気ガス中のＮＯｘの濃度が低減されており、特に、空気／燃料比がリッチなときに優れたＮＯｘ浄化性能を発揮している。
ちなみに、ガソリンエンジンの場合、化学量論的空気／燃料比は１４．７であると言われているが、加速時や負荷時には１４．７以下のリッチな状態で稼動される。本発明の実施例４は、このような時のＮＯｘ浄化性能に優れている事を表している。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明のセリア−ジルコニア系複合酸化物は、各種排気ガス浄化触媒、ＴＷＣ用途に用いた際には、排気ガス中の有害成分の浄化に効果を発揮する。また、本発明の複合酸化物は、その酸素吸蔵能力、酸素放出能力を生かしえる環境であれば、内燃機関用の排気ガス酸化触媒、排気ガスに含まれる煤を燃焼浄化するための触媒化煤フィルター、ＮＯｘ吸蔵浄化触媒、ＮＯｘの選択還元触媒等、広く排気ガス浄化触媒用途に適用できる。さらには、その酸素吸蔵能力、酸素放出能力を生かしえる研磨材、電気電子材料等にも用いる事が可能である。

Claims (16)

  1. セリウム原料とジルコニウム原料との混合物を、融点以上の温度下で熔融させて得られる熔融物を粉砕したセリウム及びジルコニウムを含む複合酸化物であって、
    セリウム及びジルコニウムを含む複合酸化物は、高温大気中焼成後に構造の変化をＸ線回析装置（ＸＲＤ）により測定した場合、１０５０℃及び１１５０℃でのメインピーク（Ｚｒ ０．５ Ｃｅ ０．５ Ｏ ２ に相当）の波形が重なっており、（１）酸素放出開始温度が３８０℃以下、（２）酸素放出量が４８５μｍｏｌ／ｇ以上で、更に、（３）４００℃での酸素放出量が１５μｍｏｌ／ｇ以上であることを特徴とするセリウム−ジルコニウム系複合酸化物。
  2. セリウム原料とジルコニウム原料との混合組成が、複合酸化物中のセリウム原子に対するジルコニウム原子のモル比（ジルコニウム／セリウム）で５／９５〜７０／３０の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物。
  3. 平均粒径が、０．３〜２．０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物。
  4. 酸化セリウムを含むセリウム原料と、酸化ジルコニウムを含むジルコニウム原料とを所定の割合で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させた後に、得られた熔融物を冷却してインゴットを形成し、次いで、該インゴットを粉砕して粉体とし、所望に応じて、加熱下で粉体結晶内の歪みを除去した後、さらに微細に粉砕することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法。
  5. 原料混合物の加熱手段が、アーク式電気炉であることを特徴とする、請求項４に記載のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法。
  6. 原料混合物の加熱保持時間が、０．５〜３時間であることを特徴とする、請求項４に記載のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法。
  7. 粉体の粒径が、３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の製造方法。
  8. 請求項１〜３のいずれかに記載のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物を含んでなる酸素吸蔵放出材料。
  9. 請求項８に記載の酸素吸蔵放出材料を含んでなる排気ガス浄化触媒。
  10. 酸素吸蔵放出材料の粒径が、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の排気ガス浄化触媒。
  11. さらに、白金、ロジウム、またはパラジウムから選ばれる貴金属元素の一種以上を含むことを特徴とする請求項９に記載の排気ガス浄化触媒。
  12. 貴金属元素が、多孔質無機酸化物に担持されていることを特徴とする請求項１１に記載の排気ガス浄化触媒。
  13. 酸素吸蔵放出材料が、一体構造型担体の表面に被覆されるか、またはペレット状に成形されていることを特徴とする請求項９に記載の排気ガス浄化触媒。
  14. 請求項９〜１３のいずれかに記載の排気ガス浄化触媒を排気ガスの排出経路中に配置した後、その中に排気ガスを流通させることによって、排気ガス中に含まれる一酸化炭素、炭化水素、または窒素酸化物のいずれか一種以上の有害物質を浄化することを特徴とする排気ガス浄化方法。
  15. 前記排気ガスの流出経路が、内燃機関のものであることを特徴とする請求項１４に記載の排気ガス浄化方法。
  16. 前記内燃機関が、空気／燃料比のリーンとリッチな条件を反復して運転されることを特徴とする請求項１４に記載の排気ガス浄化方法。
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