JP5732297B2 - アンモニア酸化触媒、および排気ガス浄化装置並びに排気ガス浄化方法 - Google Patents
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Description
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O ・・・(1)
6NO2 + 8NH3 + O2 → 7N2 + 12H2O ・・・(2)
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O ・・・(3)
NH2−CO−NH2 → NH3 + HNCO (尿素熱分解)
HNCO + H2O → NH3 + CO2 (イソシアン酸加水分解)
NH2−CO−NH2 + H2O → 2NH3 + CO2 (尿素加水分解)
2NH3 + 3/2O2 → N2 + 3H2O ・・・(4)
2NH3 + 5/2O2 → 2NO + 3H2O ・・・(5)
2NH3 + 7/2O2 → 2NO2 + 3H2O ・・・(6)
2NH3 + 2O2 → N2O + 3H2O ・・・(7)
また、例えば、自動車触媒における白金族元素の代替金属としてAuを用いた排ガス触媒について多くの研究がなされている。例えば、高いCO酸化活性を有するAu触媒からなる排気ガス浄化触媒として、セリア含有量が40〜80wt%のセリア−ジルコニア固溶体からなる担体にAuを担持した触媒などが提案されている(特許文献8)
一体構造型担体の表面に、チタニア及びシリカを主成分とする複合酸化物(A)の無機母材に貴金属元素を担持した触媒を含む触媒層(下層)と、酸化タングステン、セリア、及びジルコニアからなる複合酸化物(C)を含む触媒層(上層)を有する、少なくとも二層の触媒層を被覆してなり、複合酸化物(C)の組成が、酸化タングステン:1〜50重量%、セリア:1〜60重量%、及びジルコニア:30〜90重量%であることを特徴とするアンモニア酸化触媒が提供される。
また、本発明の第3の発明によれば、第1又は2の発明において、複合酸化物(A)が、さらに、ジルコニア、又はアルミナから選ばれる一種以上を含み、その含有量が、0〜30重量%であることを特徴とするアンモニア酸化触媒が提供される。
また、本発明の第4の発明によれば、第1の発明において、より好ましくは、複合酸化物(C)の組成が、酸化タングステン:3〜30重量%、セリア:5〜40重量%、及びジルコニア:50〜90重量%であることを特徴とするアンモニア酸化触媒が提供される。
また、本発明の第5の発明によれば、第1〜3のいずれかの発明において、複合酸化物(A)に担持される貴金属元素が白金を含み、その含有量が、一体構造型担体の単位体積あたり0.01〜1.0g/Lであることを特徴とするアンモニア酸化触媒が提供される。
また、本発明の第7の発明によれば、第1又は4の発明において、触媒層(上層)の複合酸化物(C)の被覆量が、一体構造型担体の単位体積あたり30〜150g/Lであることを特徴とするアンモニア酸化触媒が提供される。
さらに、本発明の第9の発明によれば、第8の発明において、選択還元型触媒(SCR)が、少なくとも鉄元素を含むゼオライト(D)と、酸化タングステン、セリア、及びジルコニアからなる複合酸化物(C)を含む触媒層を一体構造型担体の表面に被覆してなることを特徴とする排気ガス浄化装置が提供される。
本発明のアンモニア酸化触媒(以下、本触媒ともいう)は、希薄燃焼機関から排出される排気ガスに、窒素酸化物の還元剤として尿素またはアンモニアを添加し選択還元型触媒(SCR)により窒素酸化物を選択的に還元する際に、余剰のアンモニアを酸化除去するためのアンモニア酸化触媒において、一体構造型担体の表面に、チタニア及びシリカを主成分とする複合酸化物(A)に貴金属元素を担持した触媒を含む触媒層(下層)と、酸化タングステン、セリア、及びジルコニアからなる複合酸化物(C)を含む触媒層(上層)を有する、少なくとも二層の触媒層を被覆してなり、複合酸化物(C)の組成が、酸化タングステン:1〜50重量%、セリア:1〜60重量%、及びジルコニア:30〜90重量%であることを特徴とする。
本発明のアンモニア酸化触媒において、下層触媒層はチタニア及びシリカを主成分とする複合酸化物(A)に貴金属元素を担持した触媒を含んでおり、アンモニア酸化機能を有する。
本発明において、貴金属成分とは、白金、パラジウム、ロジウムなどから選ばれる一種以上の元素である。このうち白金は酸化活性が高く、優れたNH3酸化性能を発揮するので、主要な貴金属成分として、下層触媒層に含有することが望ましい。ここで、主要な貴金属成分とは、本発明の触媒に使用される貴金属の総量に対して50wt%以上含有させる成分をいい、貴金属の全てが白金であっても良い。
そのため、本発明では、チタニア及びシリカを主成分とする複合酸化物(A)に少なくとも白金が担持されることが好ましい。これにより貴金属を高分散に担持することができ、また耐熱性が高いので貴金属成分が焼結し難くなり、使用時における貴金属の高分散を長期間維持しうる。
複合酸化物(A)は、比表面積値が高く、耐熱性にも優れたチタニア及びシリカを主成分として含む無機母材であり、白金などの貴金属成分を高分散に担持することができる。
複合酸化物(A)の組成は、チタニア:60〜99重量%及びシリカ:1〜40重量%であることが好ましい。複合酸化物(A)は、さらに、ジルコニア、アルミナの少なくとも一種以上を含み、複合酸化物(A)に占めるジルコニア、アルミナの少なくとも一つの割合が0〜30重量%であることがより好ましい。
すなわち、本発明では複合酸化物(A)としてチタニアとシリカを必須とし、30重量%以下のジルコニア、アルミナの少なくとも一つを含む複合酸化物、例えばチタニア−シリカ、チタニア−シリカ−ジルコニア、チタニア−シリカ−アルミナ、チタニア−シリカ−ジルコニア−アルミナ、などの無機酸化物が使用できる。
このような無機酸化物(無機母材)は、貴金属成分の分散性の点からいえば、比表面積(BET法による、以下同様)が30m2/g以上であることが好ましく、更に100m2/g以上であるものがより好ましい。比表面積値が30m2/g以上であれば貴金属を高分散状態で安定に担持させることができる。
また、本発明の一体型触媒担体に被覆される下層には、上記無機母材である複合酸化物(A)とは別に、NOxの浄化機能を有する材料を有してもよい。NOxの浄化機能を有する材料としては後述する複合酸化物(C)、ゼオライト(D)の他、チタニア、ジルコニア、酸化タングステン等の遷移金属酸化物、セリア、ランタン、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、ネオジム等の希土類酸化物、酸化ガリウム、酸化スズ等の碑金属酸化物、またはこれらの複合酸化物等があげられる。
本発明において、上層触媒層は、酸化タングステン、セリア、及びジルコニアからなる複合酸化物(C)を必須成分とし貴金属成分を含まずに構成され、スリップNH3と存在するNOx、すなわちスリップNH3の酸化により生成したNOxあるいはSCR触媒で十分浄化し切れなかったNOxと反応し、NOx浄化を促進する機能を有する。
本触媒において、複合酸化物(C)は、酸化タングステン:1〜50重量%、セリア:1〜60重量%、及びジルコニア:30〜90重量%であり、より好ましくは、酸化タングステン:3〜30重量%、セリア:5〜40重量%、及びシルコニア:50〜90重量%の組成となるようにする。ここで、酸化タングステンとは、タングステンの酸化物のほか、タングステン元素単体で存在するものも含むものとする。
セリアは、NOx吸着機能材料として知られており、本材料系においてもNOx吸着を促進することでNH3とNOxのSCR反応を促進できる機能を有する。
ジルコニアは、その他成分を熱的に安定な状態で高分散させる為の分散保持材料としての効果を期待できる。
一方、タングステンの酸化物は、酸性が強く、アルカリ成分である尿素やアンモニアの吸着力が大きいので、タングステンの酸化物を使用することで脱硝性能が高くなるという作用効果を期待できる。
この複合酸化物(C)は、上記の組成、構造になれば、製法によって特に限定されない。例えば、珪素、タングステン、セリウム、ジルコニウムを含む硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩、塩化物等の形態を有する出発原料を一度に水溶液中に可溶させた後、混合し、pH調整等により沈殿物として沈降させるか蒸発乾固させるかして得られた固形物を焼成してもよいし、単一もしくは複数の金属塩に上記処理を行うことにより酸化物を形成させた後、残りの金属塩を一度にまたは逐次に担持してもよい。
一度にすべての元素を加えて製造するか、最初に核となる粉末を単数もしくは数種類の元素から製造した後、残りの元素を一度にまたは逐次に担持させる)により、各々の元素を最適な組成で含有する複合酸化物(C)を調製することができる。
また、本発明の一体型触媒担体に被覆される上層には、上記複合酸化物(C)とは別に、NOxの浄化機能を有する材料を含有させてもよい。NOxの浄化機能を有する材料としては後述するゼオライト(D)の他、チタニア、ジルコニア、酸化タングステン等の遷移金属酸化物、セリア、ランタン、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、ネオジム等の希土類酸化物、酸化ガリウム、酸化スズ等の碑金属酸化物、またはこれらの複合酸化物等があげられる。
本発明における一体構造型担体は、その種類によって特に制限されない。ハニカム構造型担体をはじめ、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の不燃性構造体が使用できる。中でもハニカム構造型担体が好ましく、このようなハニカム構造型担体の表面に触媒成分を被覆したものを、以下、ハニカム構造型触媒ということがある。
また、このようなハニカム構造体はその全体形状も任意であり、円柱型、四角柱型、六角柱型など、適用する排気系の構造に応じて適宜選択できる。さらに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、通常、ディーゼル自動車の排気ガス浄化用では、1平方インチ当たり10〜1500個程度、特に100〜900個であることが好ましい。1平方インチ当たりのセル密度が10個以上であれば、排気ガスと触媒の接触面積を確保でき、充分な排気ガスの浄化機能が得られ、1平方インチ当たりのセル密度が1500個以下であれば、著しい排気ガスの圧力損失が生じないので内燃機関の性能を損なう事がない。
また、下層については、本発明の触媒成分を、セラミックス等の浸透性の構造担体に被覆して使用する場合、下層の成分が構造担体に浸透し、下層の全て、またはその一部が構造担体と一体化していてもよい。また、構造担体を下層の成分で構成し、その上に上層の成分を被覆しても良い。なお、下層と構造担体の間に、触媒層の密着性の向上などを目的としてボトム層を設ける場合もあるが、この場合、ボトム層と下層の関係は、前記構造担体と下層の関係に同じである。
また、このようなハニカム構造型担体は、セルの壁の厚みを2〜12mil(ミリインチ)とすることが好ましく、4〜8milがより好ましい。また、ハニカム構造型担体の材質としては、ステンレス等の金属、コーディエライト等のセラミックスがある。
なお、本発明では、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の不燃性構造体も使用できるが、これらハニカム構造担体とは異なる一体構造型担体は、背圧が高まる恐れはあるものの、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が高くなる場合がある。
なお、被覆量の上限は、生産コストが上昇したり、ハニカムの孔が目詰まりを起したり、排気ガスの背圧が著しく上昇しない程度であれば特に限定されないが、前記フロースルー型ハニカム担体において、凡そ230g/L以下が望ましく、170g/L程度に留める事がより望ましい。使用する担体のセル密度にもよるが、現実的なセル密度のハニカム構造体を使用する場合には、230g/Lを超える量の触媒を担時すると背圧が上昇し、燃焼機関の性能を阻害する場合がある。
本発明の触媒を調製するには、まず、下層触媒材料、上層触媒材料、一体構造型担体を用意する。触媒材料は必要に応じてバインダーや界面活性剤などの添加剤を水系媒体と混合してスラリー状混合物にしてから、一体構造型担体へ塗工した後、乾燥、焼成する事により製造される。すなわち、触媒材料と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、水系媒体は、スラリー中で各触媒成分が均一に分散できる量を用いれば良い。
まず、貴金属成分の原料として硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩等の化合物、具体的には塩化白金(IV)酸、亜硝酸ジアンミン白金(II)、水酸化白金酸アミン溶液、塩化白金酸、硝酸白金、ジニトロジアンミンパラジウム、硝酸パラジウム、塩化パラジウム、塩化ロジウム(III)、硝酸ロジウム(III)として用意する。これらから選択して水、有機溶媒に溶解して貴金属成分原料の溶液を用意する。なお、水または水に水溶性有機溶媒を加えた溶媒については以下「水系媒体」という。
上記のようにして一体構造型担体へ下層触媒材料を塗工した後に乾燥、焼成し、次に、この層の上に上層触媒材料を塗工し、乾燥、焼成して本発明のアンモニア酸化触媒を調製する。上層触媒材料は、実質的に酸化タングステン、セリア、及びジルコニアからなる複合酸化物(C)を含み、これとは別に、上層触媒原料としてゼオライトを必要により配合することができる。
このほか、ウオッシュコート法により下層触媒材料、上層触媒材料を2回続けて塗工した後に、一度で乾燥、焼成したり、あるいは、ウオッシュコート法により下層触媒材料を塗工した後に乾燥し、その上に二層目以降の材料を被覆した後乾燥し、一度に焼成してもよい。
上層が薄すぎて5μm未満であると、先のガス拡散性が低下することがあり、トータルの層が厚すぎて430μmを超えると、通常使われるハニカム型一体構造型担体に本発明の触媒組成物を被覆した場合に、圧損上昇によるエンジンへの負荷が懸念される。特に好ましい厚さは、上層:40〜250μm、下層:1〜180μmである。
本発明では、排気ガス流路に、一酸化窒素、炭化水素の酸化機能を有する酸化触媒(DOC)と、パティキュレートマターを捕集し燃焼除去するフィルター(DPF)と、尿素水溶液もしくはアンモニア水溶液を供給する噴霧手段と、選択還元型触媒(SCR)と、前記のアンモニア酸化触媒(AMOX)をこの順序で配置することで排気ガス浄化触媒装置が構成される。
酸化触媒としては、公知の白金、またはパラジウムのうち少なくとも一種が担持された活性アルミナを主成分とする触媒を用いることができる。なおその酸化触媒としては、活性アルミナがLaを含むものを使用することもできる。さらにセリウムでイオン交換したβ型ゼオライトを含有する触媒を用いても良い。
また、この貴金属成分には金属換算で30〜100w%の白金を含む事が好ましく、50〜100w%の白金を含む事がより好ましい。ディーゼル自動車の燃料に使用される軽油には硫黄成分を50ppm以上含むものも少なくなく、このような硫黄成分を含む燃料を使用して排出される排気ガスにより、触媒成分中の貴金属が被毒してしまうことがあるが、パラジウムは硫黄被毒し易い傾向が知られており、これに対し白金は硫黄被毒し難い傾向が知られている。そのため、本発明に使用されるDOCには貴金属成分として白金を主成分として使用する事が好ましい。
これらDOC、DPFの後段には、SCR触媒が配置される。本発明が適用される燃焼機関は、ディーゼルエンジンの場合、排気量1L程度の小型自動車から、排気量50Lを超えるような重機用(ヘビーデューティー)ディーゼルエンジンまであり、また、それらディーゼルエンジンから排出される排気ガス中のNOxは、その稼動状態、また燃焼制御の方法等により大きく異なる。そして、これらディーゼルエンジンから排出される排気ガス中のNOxを浄化するために使用されるSCR触媒も、1L程度から50Lを超えるディーゼルエンジン排気量の多様性にあわせて選定できる。
また、排気ガス中のNOxを浄化する手段として、SCRとは別にNOx吸蔵触媒を使用する場合があり、LNT(Lean NOx Trap)といわれる。LNTに吸蔵されたNOxは、排気ガス中の還元成分であるHCやCOを還元剤としてNOxを浄化するが、SCRはこのようなLNTと組み合わせても良い。
Mm/x[AlmSi(64−m)O128]・pH2O
(式中、Mはカチオン種であり、xは前記Mの価数であり、mは0を越え64未満の数であり、pは0以上の数である)
このβ型ゼオライトは、比較的大きな径を有する一方向に整列した直線的細孔とこれに交わる曲線的細孔とからなる比較的複雑な3次元細孔構造を有し、イオン交換時のカチオンの拡散、およびNH3等のガス分子の拡散が容易である。また、このような構造はモルデナイト、ホージャサイト等が一方向に整列した直線的な空孔のみを有するのに対して、特異な構造であり、このような複雑な空孔構造であるがゆえに、βゼオライトは、熱による構造破壊が生じ難く安定性が高く、自動車用触媒にとって有効な材料である。
本触媒のゼオライト(D)には、鉄元素を含むゼオライトが主成分として含有されることが好ましい。通常、ゼオライトには固体酸点として、カチオンがカウンターイオンとして存在する。カチオンとしては、アンモニウムイオンやプロトンが一般的であるが、本触媒に使用されるβ型ゼオライトにはカチオン種として鉄元素が添加され、以下、本発明では「Fe−β」ということがある。
鉄元素でイオン交換されたβ型ゼオライトによって本発明の作用が向上する理由は定かではないが、ゼオライト表面においてNOをNO2に酸化してNH3との反応活性を高め、ゼオライトの骨格構造が安定化され、耐熱性の向上に寄与していると考えられる。
ゼオライトに対するFeの添加量は、Fe2O3換算で0.1〜5wt%が好ましく、0.5〜4.5wt%がより好ましい。鉄元素の量がFe2O3換算で5wt%を超えると、活性な固体酸点の数が確保できなくなり活性が下がる。鉄元素の量がFe2O3換算で0.1wt%未満では、充分なNOx浄化性能が得られず排気ガスの浄化性能が低下するので好ましくない。なお、イオン交換種として添加される鉄元素は、その全てがイオン交換されても良いが、その一部が酸化鉄の状態で存在していても良い。
本触媒を他のタイプのゼオライトと併用する場合には、全ゼオライト中、前記各種β型ゼオライト若しくはMFI型ゼオライトのトータルの比率が50〜100%であることが好ましい。
また、ゼオライトは、前記鉄元素の他に、他の遷移金属、希土類金属、また貴金属などを含んでいてもよい。具体的には、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、銅などの遷移金属、セリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジウムなどの希土類金属、などを挙げることができる。
また、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム等の貴金属やニオブ、タングステン、タンタル、セリア、セリウムジルコニウム複合酸化物、酸化ランタン、アルミナ、シリカ、ジルコニア、バナジアや、スズ、ガリウムなどアルカリ元素、アルカリ土類元素など一般に触媒材料として使用可能な材料を、本発明の目的を阻害しない範囲で適宜添加することができる。
また、還元剤が尿素である場合は、SCR触媒には、前記の脱硝成分であるゼオライト(D)、あるいは複合酸化物(C)に加え、尿素成分の加水分解成分として複合酸化物(E)を含有することが望ましい。複合酸化物(E)は、実質的にチタニア、シリカ、及びジルコニアからなる複合酸化物であることが好ましい。また、その組成が、チタニア:70〜95重量%、シリカ:1〜10重量%、及びジルコニア:5〜20重量%であることがより好ましい。
そして、ゼオライト(D)の被覆量が、触媒層の全体に対して、10〜80重量%であること、複合酸化物(C)の被覆量が、触媒層の全体に対して、10〜80重量%であること、複合酸化物(E)の被覆量が、触媒層の全体に対して、1〜30重量%であることが好ましい。
そして、下層がゼオライト(D)50〜90重量%、複合酸化物(C)10〜40重量%、及び複合酸化物(E)1〜30重量%を含むこと、一方、上層がゼオライト(D)10〜40重量%、複合酸化物(C)50〜90重量%、及び複合酸化物(E)1〜30重量%を含むことがより好ましい。このように、下層でゼオライト(D)の比率を高め、上層では複合酸化物(C)の比率を高めることで、排気ガス中のNOxの浄化性能を向上させることができる。
特に、下層の被覆量が全体の20〜50重量%であり、上層の被覆量が全体の50〜80重量%であることが好ましい。このように下層の被覆量に対して、上層の被覆量を多くすることで、十分に高い脱硝性能をあげることができる。下層の被覆量が全体の30〜45重量%であり、上層の被覆量が全体の55〜70重量%であることがより好ましい。
本発明では、SCR触媒の後段に、NH3浄化機能を有する本触媒が配置される。本触媒は、NH3浄化性能に優れることから、排気ガス流れに対し、SCR触媒からスリップしてくるNH3を効率的に酸化することができる。
また、自動車用ディーゼルエンジンから排出される排気ガスの温度は広範囲にわたり、これを概ね150〜250℃を低温域として、また概ね300〜600℃を高温域として分けた場合、本発明のNH3酸化触媒は、低温域のNOx浄化活性に優れ、しかも耐熱性も優れることから、高温域の脱硝性能に優れたSCR触媒を選択して前段に配置すれば、低温域から高温域まで、広い温度範囲で高い脱硝性能を発揮することができる。
NH3酸化触媒AMOX(1)の製造;
=下層(NH3酸化機能を有する触媒層;)=
貴金属成分原料としての塩化白金水溶液を、母材としてのチタニア粉末A(87wt%TiO2/10wt%ZrO2/3wt%SiO2)に含浸担持させてPt担持チタニア粉末(Pt換算0.332wt%)を得た。次に、得られたPt担持チタニア粉末(1003g)と水をボールミルに投入し、所定の粒径となるまでミリングして、NH3酸化触媒層用スラリーAを得た。
続いて、このスラリーAに一体型構造担体、すなわちハニカムフロースルー型コージェライト担体(300セル5ミル、φ25.4mm×24mm長さ)を浸漬させ、単位体積あたりの触媒担持量が30g/Lとなるようにウォッシュコート法で塗布した。その後、150℃で1時間乾燥させ、大気雰囲気下、500℃で2時間焼成して下層塗布済み触媒Bを得た。
=上層(SCR機能層)=
W/Ce/Zr材料(10wt%WO3/23wt%CeO2/67wt%ZrO2)と、バインダーを水とともにボールミルに投入し、所定の粒径となるまでミリングして、SCR機能層用スラリーCを得た。
続いて、このスラリーCに前記の下層塗布済み触媒Bを浸漬させ、単位体積あたりの触媒担持量が110g/Lとなるようにウォッシュコート法で塗布した。その後、150℃で1時間乾燥させ、大気雰囲気下、500℃で2時間焼成して、表1に示すAMOX(1)を得た。
その後、得られたNH3酸化触媒を用いて、以下の触媒性能評価を実施した。この触媒性能の評価結果を図1〜3に示す。
以下に記載の測定条件のもと、触媒入口出口のNH3、NO、NO2、N2Oのガス濃度を計測し、NH3転化率、NOx排出濃度、N2O排出濃度の3つの指標でAMOX(1)の触媒性能を評価した。その結果を図1〜3に示した。
なお、ガス計測は所定温度に到達し所定濃度ガス流通開始後20分経過した後に、各種ガス成分の濃度が安定した状態で測定した。
なおNH3転化率、NOx排出濃度は次の算出式に基づき計算した。
(NH3転化率)[%] ={(入口NH3濃度)−(出口NH3濃度)}/(入口NH3濃度)
×100
(NOx排出濃度)[ppm] =(出口NO濃度)+(出口NO2濃度)
・評価装置;モデルガス試験装置(菱明技研製)
・定量分析装置;FTIR(サーモエレクトロン製NEXUS−670、2mガスセル)
・触媒サイズ;φ25.4mm×24mm、300セル/5ミル、12.2mL/unit
・空間速度;100,000/h
・全ガス流量;20.3L/min
・モデルガス組成(表2参照)
NH3酸化触媒AMOX(2)の製造;
=下層(NH3酸化機能を有する触媒層;)=
実施例1に記載した要領で、貴金属成分原料としての塩化白金水溶液を、母材としてのチタニア粉末D(90wt%TiO2/10wt%SiO2)に含浸担持させてPt担持チタニア粉末(Pt換算0.332wt%)を得た。得られたPt担持チタニア粉末と水をボールミルに投入し、所定の粒径となるまでミリングして、NH3酸化触媒層用スラリーFを得た。
続いて、このスラリーFに一体型構造担体、すなわちハニカムフロースルー型コージェライト担体(300セル5ミル、φ25.4mm×24mm長さ)を浸漬させ、単位体積あたりの触媒担持量が30g/Lとなるようにウォッシュコート法で塗布した。その後、150℃で1時間乾燥させ、大気雰囲気下、500℃で2時間焼成して下層塗布済み触媒Gを得た。
=上層(SCR機能層)=
W/Ce/Zr材料(10wt%WO3/23wt%CeO2/67wt%ZrO2)と、バインダーを水とともにボールミルに投入し、所定の粒径となるまでミリングして、SCR機能層用スラリーHを得た。
続いて、このスラリーHに前記の下層塗布済み触媒Gを浸漬させ、単位体積あたりの触媒担持量が110g/Lとなるようにウォッシュコート法で塗布した。その後、150℃で1時間乾燥させ、大気雰囲気下、500℃で2時間焼成して、表1に示すAMOX(2)を得た。
その後、得られたNH3酸化触媒を用いて、実施例1の要領で触媒性能評価を実施した。この触媒性能の評価結果を図1〜3に示す。
NH3酸化触媒AMOX(3)の製造;
貴金属担持用の母材としたチタニア粉末D(90wt%TiO2/10wt%SiO2)の代わりに、チタニア粉末E(80wt%TiO2/15wt%SiO2/5wt%Al2O3)を用いた以外は実施例2に記載の方法と同様にして、表1に示すAMOX(3)を得た。
その後、得られたNH3酸化触媒を用いて、実施例1の要領で触媒性能評価を実施した。この触媒性能の評価結果を図1〜3に示す。
NH3酸化触媒AMOX(4)の製造;
実施例3で上層の触媒担持量を110g/Lとしたところを55g/Lに変更した以外は同様にして、表1に示すAMOX(4)を得た。
その後、得られたNH3酸化触媒を用いて、実施例1の要領で触媒性能評価を実施した。この触媒性能の評価結果を図1〜3に示す。
上記のアンモニア酸化触媒AMOX(1)に代えて、下記の方法で調製したアンモニア酸化触媒AMOX(5)を用い、同様にモデルガス試験装置に設置し、触媒性能を評価した。この触媒性能の評価結果を図1〜3に示す。
NH3酸化触媒AMOX(5)の製造;
=下層(NH3酸化機能を有する触媒層)=
貴金属成分原料としての塩化白金水溶液を、母材としてのチタニア粉末D(90wt%TiO2/10wt%SiO2, BET値:100m2/g)に含浸担持させPt担持チタニア粉末(Pt換算2.1wt%)を得た。
得られたPt担持チタニア粉末と、鉄元素でイオン交換したβ型ゼオライト(Feイオン交換量;1.76wt%(Fe2O3換算)、SAR=28)と、鉄元素でイオン交換したMFI型ゼオライト(Feイオン交換量;1.35wt%(Fe2O3換算)、SAR=23)230gと、バインダーを水と一緒にボールミルに投入し、所定の粒径となるまでミリングして、NH3酸化触媒層用スラリーLを得た。
続いて、このスラリーLを一体型構造担体、すなわちハニカムフロースルー型コージェライト担体(300セル/5ミル、φ25.4mm×24mm長さ)に浸漬させ、単位体積あたりの触媒担持量が85g/Lとなるようにウォッシュコート法で塗布した。その後、150℃で1時間乾燥させ、大気雰囲気下、500℃で2時間焼成して下層塗布済み触媒Hを得た。このようにして得た下層塗布済み触媒Hには単位体積あたりPtが1.0g/L担持されることとなる。
=上層(SCR層)=
鉄元素でイオン交換したβ型ゼオライト(Feイオン交換量;1.76wt%(Fe2O3換算)、SAR=28)355gと、鉄元素でイオン交換したMFI型ゼオライト(Feイオン交換量;1.35wt%(Fe2O3換算)、SAR=23)535gと、酸化セリウム(BET値:150m2/g)20gと、バインダー90gと水を一緒にボールミルに投入し所定の粒径となるまでミリングして、SCR機能層塗布用スラリーIを得た。
続いて、このスラリーIに下層塗布済み触媒Hを浸漬させ、ウォッシュコート法で塗布した。その後、150℃で1時間乾燥させ、大気雰囲気下、500℃で2時間焼成して表1に示す比較用のAMOX(5)を得た。
比較例1において、アンモニア酸化触媒AMOX(5)の下層のPt担持チタニア粉末の貴金属濃度を変更し、最終的な触媒の単位体積あたりのPt担持量を0.7g/Lとする以外は、アンモニア酸化触媒AMOX(5)と同様にしてアンモニア酸化触媒AMOX(6)を得た。同様にモデルガス試験装置に設置し、触媒性能を評価した。この触媒性能の評価結果を図1〜3に示す。
比較例1において、アンモニア酸化触媒AMOX(5)の下層のPt担持チタニア粉末の貴金属濃度を変更し、最終的な触媒の単位体積あたりのPt担持量を0.5g/Lとする以外は、アンモニア酸化触媒AMOX(5)と同様にしてアンモニア酸化触媒AMOX(7)を得た。同様にモデルガス試験装置に設置し、触媒性能を評価した。この触媒性能の評価結果を図1〜3に示す。
比較例1において、アンモニア酸化触媒AMOX(5)の下層のPt担持チタニア粉末の貴金属濃度を変更し、最終的な触媒の単位体積あたりのPt担持量を0.1g/Lとする以外は、アンモニア酸化触媒AMOX(5)と同様にしてアンモニア酸化触媒AMOX(8)を得た。
図1に示すとおり、実施例1〜4では、アンモニア酸化触媒AMOX(1)〜(4)が本発明の触媒成分として特定の複合酸化物を含んでいるために、Pt量が少ないにもかかわらず図1に示すとおり、230℃でのNH3転化率が優れている。また、図2に示すとおり、N2O排出濃度が低く、N2O生成抑制能に優れることがわかる。さらに、図3に示したように、Pt量が少ないにもかかわらずNOx排出濃度も遜色がないことがわかる。
これに対して、比較例1〜4では、アンモニア酸化触媒AMOX(5)〜(8)が本発明とは異なり特定の複合酸化物を含んでいないために、Pt量が多いにもかかわらず図1に示すとおり、230℃でのNH3転化率が低く、図2に示すとおり、N2O排出濃度が高く、N2O生成抑制能に劣り、さらに、図3に示したように、Pt量が多いのでNOx排出濃度が比較的低くなっていることがわかる。
Claims (10)
- 希薄燃焼機関から排出される排気ガスに、窒素酸化物の還元剤として尿素またはアンモニアを添加し選択還元型触媒(SCR)により窒素酸化物を選択的に還元する際に、余剰のアンモニアを酸化除去するためのアンモニア酸化触媒において、
一体構造型担体の表面に、チタニア及びシリカを主成分とする複合酸化物(A)の無機母材に貴金属元素を担持した触媒を含む触媒層(下層)と、酸化タングステン、セリア、及びジルコニアからなる複合酸化物(C)を含む触媒層(上層)を有する、少なくとも二層の触媒層を被覆してなり、複合酸化物(C)の組成が、酸化タングステン:1〜50重量%、セリア:1〜60重量%、及びジルコニア:30〜90重量%であることを特徴とするアンモニア酸化触媒。 - 複合酸化物(A)の組成が、チタニア:60〜99重量%及びシリカ:1〜40重量%であることを特徴とする請求項1記載のアンモニア酸化触媒。
- 複合酸化物(A)が、さらに、ジルコニア、又はアルミナから選ばれる一種以上を含み、その含有量が、0〜30重量%であることを特徴とする請求項1又は2に記載のアンモニア酸化触媒。
- 複合酸化物(C)の組成が、酸化タングステン:3〜30重量%、セリア:5〜40重量%、及びジルコニア:50〜90重量%であることを特徴とする請求項1記載のアンモニア酸化触媒。
- 複合酸化物(A)に担持される貴金属元素が、白金を含み、その含有量が、一体構造型担体の単位体積あたり0.01〜1.0g/Lであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアンモニア酸化触媒。
- 触媒層(下層)の複合酸化物(A)の被覆量が、一体構造型担体の単位体積あたり10〜120g/Lであることを特徴とする請求項1〜3、又は5のいずれかに記載のアンモニア酸化触媒。
- 触媒層(上層)の複合酸化物(C)の被覆量が、一体構造型担体の単位体積あたり30〜150g/Lであることを特徴とする請求項1又は4に記載のアンモニア酸化触媒。
- 排気ガス流路に、一酸化窒素、炭化水素の酸化機能を有する酸化触媒(DOC)と、パティキュレートマターを捕集し燃焼除去するフィルター(DPF)と、尿素水溶液もしくはアンモニア水溶液を供給する噴霧手段と、選択還元型触媒(SCR)と、請求項1〜7のいずれかに記載のアンモニア酸化触媒(AMOX)をこの順序で配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
- 選択還元型触媒(SCR)が、少なくとも鉄元素を含むゼオライト(D)と、酸化タングステン、セリア、及びジルコニアからなる複合酸化物(C)を含む触媒層を一体構造型担体の表面に被覆してなることを特徴とする請求項8記載の排気ガス浄化装置。
- 請求項8に記載の排気ガス浄化装置を用いて、希薄燃焼機関から排出される排気ガスを酸化触媒(DOC)とフィルター(DPF)に通過させ、排気ガス中の炭化水素成分、一酸化炭素を浄化するとともに、一酸化窒素の多くを二酸化窒素に転化した後、尿素水溶液またはアンモニア水溶液を噴霧供給して、選択還元型触媒(SCR)を通過させて排気ガス中の窒素酸化物を還元し、余剰のアンモニアをアンモニア酸化触媒(AMOX)で酸化除去することを特徴とする排気ガス浄化方法。
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