JP5581745B2 - 排気ガス浄化用触媒 - Google Patents
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Description
本発明は、排気ガス浄化用触媒に関する。
排気ガス浄化用触媒は、排気ガス成分を浄化するＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の触媒金属と、この触媒金属が触媒機能を発揮し易い雰囲気を形成するための酸素吸蔵放出成分、排ガス成分を選択的に吸着ないし吸蔵する成分、触媒被毒成分を捕捉する成分など、各種の助触媒成分とを組み合わせて構成されることが多い。
例えば三元触媒にあっては、主としてＨＣ（炭化水素）及びＣＯの酸化浄化を担うＰｔやＰｄ、主としてＮＯｘ（窒素酸化物）の還元浄化を担うＲｈとが組み合わされ、これに、酸素吸蔵放出成分が組み合わされている。また、リーンＮＯｘ触媒にあっては、ＮＯｘを還元浄化する触媒金属と、ＮＯｘをトラップする助触媒成分とが組み合わされている。そのような助触媒成分としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のＮＯｘ吸蔵材や、ＣｅＯ２に代表されるＣｅ含有酸化物等のＮＯｘ吸着材が知られている。
ＮＯｘ吸蔵材は、排気ガス雰囲気がリーン（ストイキよりも酸素過剰）であるときにＮＯｘをアルカリ土類金属等の硝酸塩としてトラップする。そのＮＯｘトラップ量が多くなったときに、エンジンへの燃料噴射量の増量等によって排気ガス雰囲気がリッチ（酸素不足）にされ、そのことによってＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘが触媒金属によって還元浄化される。Ｐｔが排気ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化させてＮＯｘ吸蔵材に吸蔵させ易くすることも知られている。一方、ＮＯｘ吸着材は、ＮＯｘを硝酸塩に変化させることなく吸着するが、温度依存性があり、高温になるとＮＯｘを脱離する。
ところで、Ｚｒ系酸化物を排気ガス浄化用触媒に利用することは従来より行なわれている。例えば、特許文献１には、三元触媒に関し、アルミナにＰｄを担持させたＰｄ／アルミナと、アルカリ土類金属を含有するＺｒ系複合酸化物とを組み合わせることが記載されている。アルカリ土類金属を含有するＺｒ系複合酸化物は強塩基性を示し、このＺｒ系複合酸化物の存在によって、排気ガス中のＨＣがカルボアニオンになってアルミナの酸点に結合し易くなり、ＰｄがＨＣの浄化に効率良く働くというものである。
特許文献２には、リーンＮＯｘ触媒に関し、アルミナにＰｔ及びＮＯｘ吸蔵材を担持させた第１触媒粉末と、アルカリ土類金属で安定化させたジルコニアにＲｈを担持させた第２触媒粉末とを組み合わせることが記載されている。ジルコニアがアルカリ土類金属によって塩基性となるため排気ガス中の水蒸気を吸着し易くなるから、Ｒｈの水蒸気改質反応性が向上するとともに、耐熱性が高くなるというものである。
特許文献３には、三元触媒に関し、アルカリ土類金属を含有するＺｒ系複合酸化物にＲｈを担持させ、高温耐久後の低温活性や浄化性能を向上させることが記載されている。
特許文献４には、三元触媒に関し、二種類のペロブスカイト型構造の複合酸化物にＰｄを担持させること、そのうちの一種をＳｒＺｒＯ３にすることが記載されている。
自動車の低エミッション化には、触媒の排気ガス浄化開始温度の低温化に加えて、加速・減速時の浄化性能を向上させることが必要になる。これに対して、Ｐｄ触媒に関する従来の認識は、ＨＣやＣＯの浄化には効果があるが、ＮＯｘ浄化性能に関しては、ＰｔやＲｈに比べて劣るとされている程度である。Ｐｄ触媒の浄化性能がサポート材のバルク特性に影響を受けることは知られ、また、上述の特許文献１〜４に示される如く、Ｚｒ系複合酸化物を排気ガス浄化用触媒に利用すること自体は知られているが、Ｐｄ触媒のＮＯｘ浄化性能についてＺｒ系複合酸化物との関係で検討した報告、特に、自動車の加速・減速時のような排気ガス雰囲気が短時間に変化する過渡時においてサポート材がＰｄ触媒に与える影響について詳細に検討した報告は見あたらない。
すなわち、本発明の課題は、Ｚｒ系複合酸化物を利用してＰｄ触媒のＮＯｘ浄化性能を向上させることにある。
本発明者は、Ｚｒ系複合酸化物上のＰｄの排気ガス浄化性能について種々の実験を行った結果、Ｚｒ系複合酸化物の塩基性が強い場合には排気ガス雰囲気が変化しない定常条件及びその雰囲気が変化する過渡条件のいずれにおいても良好なＮＯｘ浄化性能を発揮することを見出し本発明を完成した。
本発明の好ましい態様は、担体上に、第１触媒層と、該第１触媒層より上記担体側に配置された第２触媒層と、該第２触媒層より上記担体側に配置された第３触媒層とを備えており、上記第１触媒層は、サポート材に触媒金属としてＰｄを担持してなる触媒成分を含有し、上記サポート材は、ＺｒＯ２を主成分とし且つアルカリ土類金属Ｍを含有し、主として上記ＺｒＯ２に由来する立方晶構造を有するＺｒ系複合酸化物よりなり、上記第２触媒層及び第３触媒層各々は、触媒金属としてＰｔ及びＲｈを担持したアルミナと、ＮＯｘ吸蔵材とを含有することを特徴とする。
この排気ガス浄化用触媒は、第２触媒層及び第３触媒層がＮＯｘ吸蔵材を含有することにより、リーンＮＯｘトラップ触媒として機能する。そして、第１触媒層のＺｒ系複合酸化物の場合、アルカリ土類金属Ｍを含有するために強い塩基性を示し、そのことにより、アルカリ土類金属Ｍを含有しない場合に比べて格段に優れたＮＯｘ吸着能を有する。
しかも、このようなアルカリ土類金属Ｍを含有するＺｒ系複合酸化物に担持されているＰｄは、排気ガス雰囲気がリーンであるときだけでなく、リッチになったときでも酸化された状態（ＰｄＯ）を保ち易い。そして、この酸化状態のＰｄは、排気ガス中のＨＣやＣＯの酸化浄化に働くが、この酸化浄化において、ＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘ及び上記Ｚｒ系複合酸化物に吸着されているＮＯｘが酸化剤となるから、結果的にＮＯｘの還元浄化が促進されることになる。また、酸化状態のＰｄは排気ガス中のＮＯをＮＯ２に転化することに働き、ＮＯｘ吸蔵材へのＮＯｘの吸蔵、上記Ｚｒ系複合酸化物へのＮＯｘの吸着を促進するため、リーンＮＯｘ浄化性が高くなる。
ここに、Ｒｈは排気ガスがリーンで高温であるときに酸素被毒を生じ易く、その被毒解消のために排気ガス雰囲気を適宜リッチにすること、所謂リッチパージが必要であることが知られている。これに対して、上記排気ガス浄化用触媒では、Ｒｈを含有する第２及び第３の触媒層が第１触媒層によって覆われているから、Ｒｈの酸素被毒防止に有利になる。また、仮にＲｈの酸素被毒を多少生じても、ＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘが第１触媒層のＰｄ担持Ｚｒ系複合酸化物によって吸着されて浄化されるため、触媒全体としてＮＯｘ浄化性能が大きく低下することが避けられる。その結果、上記リッチパージの頻度を少なくすることができ、そのことは燃費向上に繋がる。
上記Ｚｒ系複合酸化物における上記アルカリ土類金属Ｍの含有割合（ジルコニアとアルカリ土類金属酸化物との総量に対するアルカリ土類金属酸化物の割合）は、１質量％以上１０質量％以下が好ましく、さらに好ましいのは、３質量％以上６質量％以下とすることである。
以上のように本発明によれば、第１触媒層のＰｄを担持するサポート材が、ＺｒＯ２を主成分とし且つアルカリ土類金属Ｍを含有し、主として上記ＺｒＯ２に由来する立方晶構造を有するＺｒ系複合酸化物よりなり、さらに、該第１触媒層より担体側に配置された第２触媒層及び第３触媒層各々は、触媒金属としてＰｔ及びＲｈを担持したアルミナと、ＮＯｘ吸蔵材とを含有するから、第１触媒層の塩基性が強いＺｒ系複合酸化物がＮＯｘ吸着材として機能するとともに、Ｐｄが酸化状態を保ち易くなることにより、ＨＣやＣＯの酸化浄化が進み、その際にＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘ及びＺｒ系複合酸化物に吸着されているＮＯｘが酸化剤となるから、結果的にＮＯｘの還元浄化が促進されることになり、上記Ｚｒ系複合酸化物のＮＯｘ吸着能と相俟って、排気ガス雰囲気が変化する過渡時のＮＯｘ浄化性能の向上が図れる。また、酸化状態のＰｄは排気ガス中のＮＯをＮＯ ２ に転化することに働き、ＮＯｘ吸蔵材へのＮＯｘの吸蔵、上記Ｚｒ系複合酸化物へのＮＯｘの吸着を促進するため、リーンＮＯｘ浄化性が高くなる。
そうして、Ｒｈを含有する第２及び第３の触媒層が第１触媒層によって覆われているから、Ｒｈの酸素被毒防止に有利になる。また、仮にＲｈの酸素被毒を多少生じても、ＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘが第１触媒層のＰｄ担持Ｚｒ系複合酸化物によって吸着されて浄化されるため、触媒全体としてＮＯｘ浄化性能が大きく低下することが避けられる。その結果、上記リッチパージの頻度を少なくすることができ、燃費向上に有利になる。
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
図１は本発明に係る自動車の排気ガスの浄化に適した排気ガス浄化用触媒の基本構成を示す。同図において、１はハニカム担体のセル壁であり、該セル壁１に触媒層２が形成されている。触媒層２は、サポート材に触媒金属としてＰｄを担持してなる触媒成分を含有する。サポート材は、ＺｒＯ２を主成分とし且つアルカリ土類金属Ｍを含有し、主として上記ＺｒＯ２に由来する立方晶構造を有するＺｒ系複合酸化物（ＺｒＭＯ）よりなる。
図２は本発明を自動車のリーンＮＯｘ触媒に適用する場合の触媒構造の一例を示す。セル壁１の上に、積層した触媒層、すなわち、第１触媒層２と、該第１触媒層２よりセル壁１側に配置された第２触媒層３と、該第２触媒層３よりセル壁１側に配置された第３触媒層４とが設けられている。排気ガスに直接晒される第１触媒層２は、図１の触媒層と同じ構成になっている。第２触媒層３及び第３触媒層４の各々は、触媒金属としてＰｔ及びＲｈを担持したアルミナと、ＮＯｘ吸蔵材とを含有し、第３触媒層４は、さらに、Ｃｅ含有酸化物を含有する。
＜触媒材の比表面積，ＮＯｘ吸着能＞
４種類のサポート材、すなわち、Ｃａ含有Ｚｒ系複合酸化物（Ｃａ−ＺｒＯ２）、Ｓｒ含有Ｚｒ系複合酸化物（Ｓｒ−ＺｒＯ２）、硫酸化ジルコニア（ＳＯ４−ＺｒＯ２）及びタングステン酸ジルコニア（ＷＯ３−ＺｒＯ２）を準備した。Ｃａ−ＺｒＯ２及びＳｒ−ＺｒＯ２は、それぞれＣａ又はＳｒの硝酸塩とＺｒの硝酸塩とを含む水溶液中にアンモニア水を添加して共沈を生じさせ、水洗、濾過及び乾燥の後、空気中で５００℃の温度に２時間保持する焼成を行なって調製した。ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＷＯ３−ＺｒＯ２は、それぞれ硫酸又はタングステン酸のアンモニウム塩水溶液をＺｒ（ＯＨ）２に含浸した後、乾燥させ、空気中で５００℃の温度に２時間保持する焼成を行なって調製した。そして、上記４種のサポート材各々にＰｄを担持させて表１に示す４種類の触媒材を調製した。各サポート材において、ＺｒＯ２に対するＣａ等の添加物の酸化物としての添加量は表１に示すとおりであり、いずれの触媒もＰｄ担持量は５．５質量％である。
４種類のサポート材、すなわち、Ｃａ含有Ｚｒ系複合酸化物（Ｃａ−ＺｒＯ２）、Ｓｒ含有Ｚｒ系複合酸化物（Ｓｒ−ＺｒＯ２）、硫酸化ジルコニア（ＳＯ４−ＺｒＯ２）及びタングステン酸ジルコニア（ＷＯ３−ＺｒＯ２）を準備した。Ｃａ−ＺｒＯ２及びＳｒ−ＺｒＯ２は、それぞれＣａ又はＳｒの硝酸塩とＺｒの硝酸塩とを含む水溶液中にアンモニア水を添加して共沈を生じさせ、水洗、濾過及び乾燥の後、空気中で５００℃の温度に２時間保持する焼成を行なって調製した。ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＷＯ３−ＺｒＯ２は、それぞれ硫酸又はタングステン酸のアンモニウム塩水溶液をＺｒ（ＯＨ）２に含浸した後、乾燥させ、空気中で５００℃の温度に２時間保持する焼成を行なって調製した。そして、上記４種のサポート材各々にＰｄを担持させて表１に示す４種類の触媒材を調製した。各サポート材において、ＺｒＯ２に対するＣａ等の添加物の酸化物としての添加量は表１に示すとおりであり、いずれの触媒もＰｄ担持量は５．５質量％である。
次いで、各触媒材のフレッシュ時及びエージング後のＢＥＴ比表面積を測定した。エージング条件は、２％Ｏ２及び１０％Ｈ２Ｏの雰囲気（残Ｎ２）において、８００℃の温度に２４時間保持するというものである。結果を表１に示す。
上記４種類の触媒材のうちＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２について、上記エージング後のＮＯｘ吸着能を昇温脱離法（ＴＰＤ）によって調べた。すなわち、触媒材１００ｍｇに還元性ガス（Ｈ２；３．０％，残Ｈｅ，流量；１００ｍＬ／分）を供給しながら、そのガス温度を３０℃／分の速度で室温（２５℃）から上昇させ、６００℃の温度に１０分間保持した後、ガス温度を４００℃に戻した。次に触媒材にＮＯ含有ガス（ＮＯ；４０００ｐｐｍ，残Ｈｅ，流量；１００ｍＬ／分）を４００℃の温度で２０分間供給し、その後に、Ｈｅガス（流量；１００ｍＬ／分）を供給しながら、ガス温度を２０℃／分の速度で５５０℃まで上昇させ、触媒材から脱離するＮＯ濃度を測定した。
結果を図３に示す。Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２では比較的多量のＮＯの脱離がみられる（すなわち、ＮＯの吸着があった）が、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２ではＮＯの脱離がみられない（すなわち、ＮＯが実質的に吸着していない）。Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２の場合、サポート材がＳｒを含有することによって塩基性になっているため、４００℃でも良好なＮＯｘ吸着能を示していると認められる。これに対して、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２の場合は、サポート材が酸性になっているために、４００℃でのＮＯｘ吸着が実質的に生じていないと考えられる。Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２のサポート材、或いはアルカリ土類金属を含有する他のＺｒ系複合酸化物にあっても、表面が塩基性になるため、良好なＮＯｘ吸着能を有することは当業者に容易に理解されるところである。
また、上記Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２、並びに、触媒金属としてＰｔ及びＲｈ各々を採用したＰｔ／Ｓｒ−ＺｒＯ２及びＲｈ／Ｓｒ−ＺｒＯ２について、上記還元性ガスを酸化性ガス（Ｏ２；５．０％，残Ｈｅ，流量；１００ｍＬ／分）に代えた以外は先と同じ条件で触媒材から脱離するＮＯ濃度を別途測定した。Ｐｔ担持量及びＲｈ担持量は、Ｐｄ担持量と同じく５．５質量％である。結果を図４に示す。同図によれば、Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２の方がＰｔ／Ｓｒ−ＺｒＯ２及びＲｈ／Ｓｒ−ＺｒＯ２よりもＮＯｘ吸着能が優れていることがわかる。これは、ＮＯ含有ガス中のＮＯはＮＯ２に転化されるとサポート材に吸着され易くなるところ、Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２のＰｄは、Ｐｔ／Ｓｒ−ＺｒＯ２のＰｔや、Ｒｈ／Ｓｒ−ＺｒＯ２のＲｈよりも、ＮＯをＮＯ２に転化する能力が高いためであると推察される。すなわち、Ｐｄは酸化状態になると、ＰｔやＲｈよりも、上記転化能が高くなると推察される。
＜サポート材上のＰｄ電子状態＞
触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２（いずれも上記エージング後のもの）、並びにＰｄＯ及びＰｄ箔について、ＸＡＦＳ（Ｘ線吸収微細構造分析装置）によるＸＡＮＥＳ(X-ray Absorption Near Edge Structure)に基いてＰｄ電子状態を調べた。ＸＡＮＥＳスペクトルを図５に示す。同図によれば、ＰｄＯ及びＰｄ箔との比較から、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２ではＰｄがメタル状態にあり、Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２では少なくとも一部のＰｄがＰｄＯになっていること、特にＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２ではＰｄが強く酸化された状態にあることがわかる。このことが、図３，４に示すＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２が優れたＮＯｘ吸着能を示す一つの要因になっていると考えられる。
触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２（いずれも上記エージング後のもの）、並びにＰｄＯ及びＰｄ箔について、ＸＡＦＳ（Ｘ線吸収微細構造分析装置）によるＸＡＮＥＳ(X-ray Absorption Near Edge Structure)に基いてＰｄ電子状態を調べた。ＸＡＮＥＳスペクトルを図５に示す。同図によれば、ＰｄＯ及びＰｄ箔との比較から、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２ではＰｄがメタル状態にあり、Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２では少なくとも一部のＰｄがＰｄＯになっていること、特にＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２ではＰｄが強く酸化された状態にあることがわかる。このことが、図３，４に示すＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２が優れたＮＯｘ吸着能を示す一つの要因になっていると考えられる。
＜触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２，Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２の結晶構造＞
触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２の結晶構造をＸＲＤ（Ｘ線回折法）にて調べた。結果を図６に示す。同図によれば、Ｃａ−ＺｒＯ２及びＳｒ−ＺｒＯ２は、立方晶になっていること、その回折強度のピークが現れる入射角は、ペロブスカイト型複合酸化物ＳｒＺｒＯ３及びＣａＺｒＯ３とは異なり、立方晶ジルコニアに対応していることから、その立方晶は主としてＺｒＯ２に由来することがわかる。
触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２の結晶構造をＸＲＤ（Ｘ線回折法）にて調べた。結果を図６に示す。同図によれば、Ｃａ−ＺｒＯ２及びＳｒ−ＺｒＯ２は、立方晶になっていること、その回折強度のピークが現れる入射角は、ペロブスカイト型複合酸化物ＳｒＺｒＯ３及びＣａＺｒＯ３とは異なり、立方晶ジルコニアに対応していることから、その立方晶は主としてＺｒＯ２に由来することがわかる。
＜定常条件でのＮＯｘ浄化性能＞
触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２各々をコージェライト製ハニカム担体にコーティングすることによって４種類の触媒サンプルを調製した。各触媒サンプルに上記エージングを行なった後、常圧固定床流通装置にて各々の定常条件でのＮＯｘ浄化性能を調べた。すなわち、模擬排気ガスは、Ａ／Ｆ＝１４．７（ＨＣ：１６００ｐｐｍＣ，Ｏ２：０．３容量％，ＣＯ：０．４容量％，ＣＯ２：１４．５容量％，ＮＯ：１０００ｐｐｍ，残Ｎ２）の一定とし、触媒入口ガス温度は４００℃の一定とし、空間速度は６００００ｈ−１とした。その結果は表２に示すとおりであり、Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２は、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２各々に比べて格段に優れたＮＯｘ浄化性能を示している。
触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２各々をコージェライト製ハニカム担体にコーティングすることによって４種類の触媒サンプルを調製した。各触媒サンプルに上記エージングを行なった後、常圧固定床流通装置にて各々の定常条件でのＮＯｘ浄化性能を調べた。すなわち、模擬排気ガスは、Ａ／Ｆ＝１４．７（ＨＣ：１６００ｐｐｍＣ，Ｏ２：０．３容量％，ＣＯ：０．４容量％，ＣＯ２：１４．５容量％，ＮＯ：１０００ｐｐｍ，残Ｎ２）の一定とし、触媒入口ガス温度は４００℃の一定とし、空間速度は６００００ｈ−１とした。その結果は表２に示すとおりであり、Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２は、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２各々に比べて格段に優れたＮＯｘ浄化性能を示している。
＜過渡条件でのＮＯｘ浄化性能＞
触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２各々による上記４種類の触媒サンプルについて、上記エージングを行なった後、常圧固定床流通装置にて過渡条件でのＮＯｘ浄化性能を調べた。すなわち、図７に示すように、模擬排気ガスのＡ／Ｆをリーン（１０秒）→リッチ（１０秒）→ストイキ（２０秒）を１サイクルとして変化させた。ストイキは上記定常条件の模擬排気ガス組成とし、リーンにするときはＯ２を１．５容量％に増量し、リッチにするときはＣＯを１．１５容量％に増量した。触媒サンプル出口ガスのＮＯ濃度の変化を図８に示す。
触媒材Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２各々による上記４種類の触媒サンプルについて、上記エージングを行なった後、常圧固定床流通装置にて過渡条件でのＮＯｘ浄化性能を調べた。すなわち、図７に示すように、模擬排気ガスのＡ／Ｆをリーン（１０秒）→リッチ（１０秒）→ストイキ（２０秒）を１サイクルとして変化させた。ストイキは上記定常条件の模擬排気ガス組成とし、リーンにするときはＯ２を１．５容量％に増量し、リッチにするときはＣＯを１．１５容量％に増量した。触媒サンプル出口ガスのＮＯ濃度の変化を図８に示す。
いずれの触媒サンプルも、リーンからリッチに変わるとＮＯの浄化が急激に進んでいるが、Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２は、Ｐｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２及びＰｄ／ＷＯ３−ＺｒＯ２よりもＮＯ濃度が大きく低下している。そして、ストイキの後半ではＰｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２の場合はＮＯ濃度が略零（ＮＯ浄化率が１００％近く）になっている。これから、Ｐｄ／Ｃａ−ＺｒＯ２及びＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２は過渡条件において優れたＮＯｘ浄化性能を示すことがわかる。
図９はＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２におけるリッチ期のＮＯｘ浄化メカニズム（推察）を示す。このケースでは、塩基性サポート材であるＳｒ−ＺｒＯ２にＮＯが吸着し、このＳｒ−ＺｒＯ２に担持されているＰｄは、ＰｄＯになっている（酸化触媒としての活性が高くなっている）。従って、当該ＰｄＯの働きにより、排気ガス中のＨＣやＣＯが、Ｓｒ−ＺｒＯ２に吸着されているＮＯを酸化剤として効率良く酸化浄化され、その結果、ＮＯの還元浄化も促進されると考えられる。
図１０はＰｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２におけるリッチ期のＮＯｘ浄化メカニズム（推察）を示す。このケースでは、サポート材（ＳＯ４−ＺｒＯ２）が酸性であるから、ＮＯの吸着はなく、また、Ｐｄはメタル状態になっている。従って、排気ガス中のＨＣやＣＯはＰｄに引きつけられ、このＨＣやＣＯと排気ガス中のＮＯとの反応によって、それらＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化が進むと考えられる。しかし、サポート材にＮＯが吸着されないこと、そして、Ｐｄが触媒活性の低いメタル状態にあることにより、図９に示す効率の良いＮＯｘ浄化メカニズムは働かない。
＜リーンＮＯトラップ触媒としての浄化性能＞
[供試触媒]
−実施例触媒−
図２に示す三層構造の実施例触媒を調製した。第１触媒層２はＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２を含有し、その担持量（担体１Ｌ当たりの担持量）は、Ｓｒ−ＺｒＯ２が２０ｇ／Ｌ、Ｐｄが０．１ｇ／Ｌである。第２触媒層３は活性アルミナにＲｈを担持させたＲｈ／アルミナを含有し、その担持量は、活性アルミナが５０ｇ／Ｌ、Ｒｈが０．４ｇ／Ｌである。第３触媒層４は、活性アルミナ及びＣｅ含有酸化物としてのＣｅＰｒ複合酸化物を含有し、各々の担持量は１３５ｇ／Ｌである。ＣｅＰｒ複合酸化物の組成は、ＣｅＯ２：Ｐｒ６Ｏ１１＝９０：１０（質量比）である。さらに、第２触媒層３及び第３触媒層４に対して、Ｒｈ及びＰｔが触媒金属として含浸され、Ｂａ及びＳｒがＮＯｘ吸蔵材として含浸されている。 従って、第２触媒層３及び第３触媒層４各々は、上記含浸によるＰｔ、Ｒｈ及びＮＯｘ吸蔵材を担持した活性アルミナを含有し、第３触媒層４は、さらに上記含浸によるＰｔ、Ｒｈ及びＮＯｘ吸蔵材を担持したＣｅ含有酸化物（ＣｅＰｒ複合酸化物）を含有する。上記各成分の含浸量は、第２触媒層３及び第３触媒層４を合わせたトータル量で、Ｒｈが０．１ｇ／Ｌ、Ｐｔが０．４ｇ／Ｌ、Ｂａが３０ｇ／Ｌ、Ｓｒが１０ｇ／Ｌである。
[供試触媒]
−実施例触媒−
図２に示す三層構造の実施例触媒を調製した。第１触媒層２はＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２を含有し、その担持量（担体１Ｌ当たりの担持量）は、Ｓｒ−ＺｒＯ２が２０ｇ／Ｌ、Ｐｄが０．１ｇ／Ｌである。第２触媒層３は活性アルミナにＲｈを担持させたＲｈ／アルミナを含有し、その担持量は、活性アルミナが５０ｇ／Ｌ、Ｒｈが０．４ｇ／Ｌである。第３触媒層４は、活性アルミナ及びＣｅ含有酸化物としてのＣｅＰｒ複合酸化物を含有し、各々の担持量は１３５ｇ／Ｌである。ＣｅＰｒ複合酸化物の組成は、ＣｅＯ２：Ｐｒ６Ｏ１１＝９０：１０（質量比）である。さらに、第２触媒層３及び第３触媒層４に対して、Ｒｈ及びＰｔが触媒金属として含浸され、Ｂａ及びＳｒがＮＯｘ吸蔵材として含浸されている。 従って、第２触媒層３及び第３触媒層４各々は、上記含浸によるＰｔ、Ｒｈ及びＮＯｘ吸蔵材を担持した活性アルミナを含有し、第３触媒層４は、さらに上記含浸によるＰｔ、Ｒｈ及びＮＯｘ吸蔵材を担持したＣｅ含有酸化物（ＣｅＰｒ複合酸化物）を含有する。上記各成分の含浸量は、第２触媒層３及び第３触媒層４を合わせたトータル量で、Ｒｈが０．１ｇ／Ｌ、Ｐｔが０．４ｇ／Ｌ、Ｂａが３０ｇ／Ｌ、Ｓｒが１０ｇ／Ｌである。
この実施例触媒の製法は次のとおりである。すなわち、活性アルミナ及びＣｅＰｒ複合酸化物を混合してハニカム担体にコーティングし、その上にＲｈ／アルミナをコーティングする。そして、この両コーティング層にＲｈ、Ｐｔ、Ｂａ及びＳｒの各溶液を含浸させ、乾燥・焼成する。これにより、上記第２触媒層３及び第３触媒層４ができ上がる。次いで、第２触媒層３の上にＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２をコーティングして第１触媒層２とする。この方法によれば、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｂａ及びＳｒが第１触媒層２のＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２に担持されることを避けることができる。
−比較例触媒１−
第１触媒層２を備えない他は実施例触媒と同じ構成とした。すなわち、実施例触媒の第２触媒層３及び第３触媒層４だけを有する触媒である。但し、トータルの触媒金属量を実施例触媒と合わせるために、比較例触媒１では、Ｐｔの含浸担持量は０．５ｇ／Ｌとした。他の構成は実施例触媒と同じある。
第１触媒層２を備えない他は実施例触媒と同じ構成とした。すなわち、実施例触媒の第２触媒層３及び第３触媒層４だけを有する触媒である。但し、トータルの触媒金属量を実施例触媒と合わせるために、比較例触媒１では、Ｐｔの含浸担持量は０．５ｇ／Ｌとした。他の構成は実施例触媒と同じある。
−比較例触媒２−
第１触媒層２の触媒材として、実施例触媒のＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２に代えてＰｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２（ＳＯ４−ＺｒＯ２担持量；２０ｇ／Ｌ，Ｐｄ担持量；０．１ｇ／Ｌ）を採用する他は実施例触媒と同じ構成の三層構造とした。
第１触媒層２の触媒材として、実施例触媒のＰｄ／Ｓｒ−ＺｒＯ２に代えてＰｄ／ＳＯ４−ＺｒＯ２（ＳＯ４−ＺｒＯ２担持量；２０ｇ／Ｌ，Ｐｄ担持量；０．１ｇ／Ｌ）を採用する他は実施例触媒と同じ構成の三層構造とした。
[浄化性能の評価]
実施例及び比較例の各触媒について、大気雰囲気において８００℃の温度に２４時間保持するエージングを行なった後、常圧固定床流通装置にてＮＯｘ浄化性能を調べた。表３に示すリーンの模擬排気ガス（Ａ／Ｆ＝２２）とリッチの模擬排気ガス（Ａ／Ｆ＝１４．５）１分間ずつ交互に切り換えて触媒に流すというサイクルを数回繰り返した後、ガス組成をリッチからリーンに切り換えた時点から１分間のリーンＮＯｘ浄化率、並びにリーンからリッチに切り換えた時点から１分間のリッチＮＯｘ浄化率を測定し、さらに、このリーンＮＯｘ浄化率及びリッチＮＯｘ浄化率の平均値を求めた。模擬排気ガスの温度は３５０℃、４００℃、４５０℃及び５００℃の４通りとした。結果を図１１乃至図１３に示す。
実施例及び比較例の各触媒について、大気雰囲気において８００℃の温度に２４時間保持するエージングを行なった後、常圧固定床流通装置にてＮＯｘ浄化性能を調べた。表３に示すリーンの模擬排気ガス（Ａ／Ｆ＝２２）とリッチの模擬排気ガス（Ａ／Ｆ＝１４．５）１分間ずつ交互に切り換えて触媒に流すというサイクルを数回繰り返した後、ガス組成をリッチからリーンに切り換えた時点から１分間のリーンＮＯｘ浄化率、並びにリーンからリッチに切り換えた時点から１分間のリッチＮＯｘ浄化率を測定し、さらに、このリーンＮＯｘ浄化率及びリッチＮＯｘ浄化率の平均値を求めた。模擬排気ガスの温度は３５０℃、４００℃、４５０℃及び５００℃の４通りとした。結果を図１１乃至図１３に示す。
実施例触媒及び比較例触媒１，２のいずれも、ＮＯｘ吸蔵材（Ｂａ，Ｓｒ）はリーン時に排気ガス中のＮＯを吸蔵し、ＲｈやＰｔは、排気ガス中のＮＯをＮＯ２に転化してＮＯｘ吸蔵材への吸蔵を促進する一方、リッチ時にＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘを還元浄化することに働く。また、ＣｅＰｒ複合酸化物は、その酸素吸蔵放出能によって、ＰｔによるＮＯのＮＯ２への転化を促進する。
そこで、図１１乃至図１３に示す結果を検討するに、リーン及びリッチのいずれにおいても、実施例触媒の方が比較例触媒１，２よりもＮＯｘ浄化率が高く、特に４５０℃において高くなっている。
実施例触媒のリーンＮＯｘ浄化率が高くなっている一つの要因は、第１触媒層２のＳｒ−ＺｒＯ２によるＮＯの吸着にあると考えられる。また、Ｓｒ−ＺｒＯ２に担持されているＰｄが酸化状態になっており、この酸化Ｐｄが排気ガス中のＮＯをＮＯ２に転化し、ＮＯｘ吸蔵材へのＮＯの吸蔵、Ｓｒ−ＺｒＯ２へのＮＯの吸着を促進することも、実施例触媒のリーンＮＯｘ浄化率が高くなっている要因であると考えられる。
実施例触媒のリッチＮＯ浄化率が高くなっているのは、排気ガスがリッチになっても、Ｓｒ−ＺｒＯ２上のＰｄが酸化状態を保ち、ＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘや、Ｓｒ−ＺｒＯ２に吸着されているＮＯｘを酸化剤として、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化することに働き、その結果として、ＮＯｘの浄化が進むためと考えられる。
１ 担体のセル壁
２ 触媒層（第１触媒層）
３ 第２触媒層
４ 第３触媒層
２ 触媒層（第１触媒層）
３ 第２触媒層
４ 第３触媒層
Claims (2)
- 担体上に、第１触媒層と、該第１触媒層より上記担体側に配置された第２触媒層と、該第２触媒層より上記担体側に配置された第３触媒層とを備えており、上記第１触媒層は、サポート材に触媒金属としてＰｄを担持してなる触媒成分を含有し、上記サポート材は、ＺｒＯ２を主成分とし且つアルカリ土類金属Ｍを含有し、主として上記ＺｒＯ２に由来する立方晶構造を有するＺｒ系複合酸化物よりなり、上記第２触媒層及び第３触媒層各々は、触媒金属としてＰｔ及びＲｈを担持したアルミナと、ＮＯｘ吸蔵材とを含有することを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
- 請求項１において、
上記Ｐｄの少なくとも一部は上記Ｚｒ系複合酸化物上で酸化物になっていることを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
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