JP5844704B2 - 排気浄化フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化フィルタに関する。詳しくは、内燃機関から排出される排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する排気浄化フィルタに関する。

自動車等に搭載される内燃機関、特に圧縮着火式内燃機関においては、排出される排気中に多量の粒子状物質が含まれることが知られている。この粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ、以下「ＰＭ」という。）は、人体に有害であり、エミッション規制対象物質である。そのため、通常、ＰＭを捕捉する排気浄化フィルタとしてのＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が内燃機関の排気通路に設けられている。

上記ＤＰＦでは、捕捉されたＰＭが次第に堆積する。すると、ＤＰＦの上流側と下流側との間で差圧が生じ、出力の低下や燃費の悪化を招く。そのため、上記ＤＰＦには、ＰＭがある程度堆積した段階で、堆積したＰＭを燃焼除去するための触媒が担持されるのが一般的である。

上記触媒としては、ＰＭに対して特に優れた浄化活性を示すＡｇ系触媒が知られている。このＡｇ系触媒は、活性酸素の放出によりＰＭを燃焼するＡｇを含有し、ＰＭとの接触性がＰＭの浄化率に大きく影響する特性を有する。そのため、このＡｇ系触媒とＰＭの接触性を向上させる技術が種々提案されている。

例えば、Ａｇ系触媒中にＴｉＯ_２等の針状物質を含有させることで、触媒層内に所定の大きさの空隙を形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。この技術によれば、触媒層中の空隙内にＰＭを侵入させることができるため、フィルタの表面にＰＭが層状に堆積するのを抑制できる。ひいては、Ａｇ系触媒とＰＭの良好な接触状態を確保（即ち、大きな接触面積を確保）でき、従来に比して効率良くＰＭを浄化できるとされている。

また例えば、クエン酸等を用いた微細発泡法によりＡｇ系触媒をＤＰＦに担持させることで、Ａｇ系触媒の被覆率を向上させる技術が提案されている（特許文献２参照）。この技術によれば、ＤＰＦの表面をＡｇ系触媒で十分に被覆できるため、Ａｇ系触媒とＰＭの良好な接触状態を確保でき、従来に比して効率良くＰＭを浄化できるとされている。

また例えば、ＤＰＦのセル壁を構成する各セラミック粒子自体の表面を、個別に触媒層で被覆する技術が提案されている（特許文献３参照）。この技術では、触媒とＰＭの接触性の向上を目的とした技術ではないものの、結果として、触媒とＰＭの接触性が改善される。

特開２０１１−３６７４２号公報 特開２０１０−２６４３５９号公報 特許第４２７５４０６号公報

しかしながら特許文献１の技術では、ＰＭとの良好な接触性が重要なＡｇ系触媒において針状構造を形成するのは理想的であるものの、実際には、針状物質を含有させることで形成した触媒層中の空隙内に、ＰＭを侵入させて燃焼させるのは容易ではなかった。具体的には、触媒層上にＰＭの所謂ケーキ層が形成され、これにより、触媒層中の空隙内に侵入できるＰＭが少量となる結果、触媒とＰＭの良好な接触性が確保できないおそれがあった。

また特許文献２の技術では、触媒によってＤＰＦの表面の被覆率を向上させることが重要となるものの、被覆率を向上させるためには、触媒の担持量（ウォッシュコートＷＣ量）を増やす必要があった。そのため、多量の触媒によりＤＰＦの細孔が触媒層中に埋没する結果、触媒とＰＭの良好な接触性が確保できないおそれがあった。

また特許文献３の技術では、ＤＰＦのセル壁を構成する各セラミック粒子自体の表面を、個別に触媒層で被覆するため、触媒の担持量（ウォッシュコート量）が過大となる。その一方では、ＰＭは、ＤＰＦの排気流入側の表面と、当該表面近傍の細孔内にしか侵入できないことが本出願人の調査により判明していることから、セル壁内部の触媒はＰＭの燃焼に寄与し得ず、触媒の有効活用の観点で好ましいとは言えなかった。また、この技術では、製造工程が煩雑化するという問題もあった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ａｇ系触媒を備える排気浄化フィルタにおいて、少ない触媒担持量で触媒とＰＭの接触性を向上でき、ＰＭを効率良く浄化できる排気浄化フィルタを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明に係る排気浄化フィルタ（例えば、後述の排気浄化フィルタ１，２）は、内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気中の粒子状物質（例えば、後述のＰＭ５）を捕捉して浄化する排気浄化フィルタであって、平均細孔径が２０〜３５μｍの細孔（例えば後述の細孔１３，２３）を有することで表面が凹凸状のフィルタ本体（例えば、後述のＤＰＦ１１，２１）と、当該フィルタ本体の表面に担持され且つ捕捉した粒子状物質を浄化するＡｇ系触媒からなる触媒被膜（例えば、後述の触媒被膜１２，２２）と、を備え、前記Ａｇ系触媒の担持量が、前記フィルタ本体の単位容量あたり１０〜４５ｇ／Ｌであることにより、前記触媒被膜が、前記フィルタ本体の表面の凹凸に沿って凹凸状に担持されており、前記触媒被膜の表面を３０００倍に拡大観察して、前記平均細孔径の細孔を含む表面観察画像（例えば、後述の図１１）を取得し、これを３次元処理して得られた３次元画像情報に基づいて算出された前記触媒被膜の表面の表面積が、２３００〜２９５０μｍ^２であることを特徴とする。

本発明では、平均細孔径が２０〜３５μｍの細孔を有することで表面が凹凸状のフィルタ本体上に、従来よりも少ない担持量（ウォッシュコートＷＣ量）１０〜４５ｇ／Ｌで、Ａｇ系触媒を担持させる。これにより、本発明に係る排気浄化フィルタは、Ａｇ系触媒からなる触媒被膜がフィルタ本体の表面の凹凸に沿って凹凸状に担持され、フィルタ本体の細孔による凹凸が維持される。また、触媒被膜の表面を３０００倍に拡大観察して、平均細孔径の細孔を含む表面観察画像を取得し、これを３次元処理して得られた３次元画像情報に基づいて算出された触媒被膜の表面の表面積（以下、「モルフォロジー指数」という。）が、従来よりも大きい２３００〜２９５０μｍ^２となっている。
本発明によれば、ＰＭとの接触性がＰＭの浄化率に大きく影響する特性を有するＡｇ系触媒を備える排気浄化フィルタにおいて、従来よりも少ない触媒担持量で、従来よりも大きなモルフォロジー指数が得られる。従って、触媒とＰＭの接触性を向上（接触面積を大きく）でき、ＰＭを効率良く燃焼して浄化できる。ひいては、排気浄化フィルタの再生速度を向上でき、再生時間を短縮できるため、再生による燃費及びＥＭの悪化や、触媒の熱劣化を抑制できる。

この場合、前記Ａｇ系触媒が、凸形状を有する凸状材を含有し、前記凸状材の担持量が、前記フィルタ本体の単位容量あたり５〜４５ｇ／Ｌであることが好ましい。

この発明では、Ａｇ系触媒中に凸状材を含有させ、当該凸状材の担持量を５〜４５ｇ／Ｌとする。これにより、フィルタ本体表面の凹凸に沿って凹凸状に形成された触媒被膜の表面上に、さらに微細な凹凸形状を形成できる。そのため、より大きなモルフォロジー指数が得られ、触媒とＰＭの接触性をより向上でき、上記発明の効果を高めることができる。

この場合、前記凸状材が、針状構造、フラワー状構造、板状構造又は皿状構造を有することが好ましい。

この発明では、Ａｇ系触媒中に、針状構造、フラワー状構造、板状構造又は皿状構造を有する凸状材を含有させる。これにより、上記発明の効果が確実に発揮される。

この場合、前記凸状材が、酸素放出能を備える酸素放出材を含むことが好ましい。

この発明では、Ａｇ系触媒中に含有させる凸状材として、酸素放出能を備える酸素放出材を含むものとする。これにより、活性酸素の放出によるＰＭ燃焼を促進でき、より効率良くＰＭを浄化できる。

この場合、前記フィルタ本体のセル形状が、４〜８角形のうちのいずれかであり、前記フィルタ本体のセル数が、１平方インチあたり２００〜４００セルであることが好ましい。

この発明では、フィルタ本体のセル形状を４〜８角形のうちのいずれかとし、フィルタ本体のセル数を１平方インチあたり２００〜４００セルとする。即ち、セル形状を多角形状とし、セル数を多くする。これにより、より大きなモルフォロジー指数が得られ、触媒とＰＭの接触面積を大きくできるため、上記の各発明の効果を高めることができる。

本発明によれば、Ａｇ系触媒を備える排気浄化フィルタにおいて、少ない触媒担持量で触媒とＰＭの接触性を向上でき、ＰＭを効率良く浄化できる排気浄化フィルタを提供できる。

ＰＭが堆積したＤＰＦ表面の断面観察画像である。 Ａｇ系触媒のＰＭ燃焼メカニズムを説明するための図である。 ＤＰＦ表面の細孔による凹凸に沿って凹凸状に形成された本実施形態の触媒被膜を示す断面図である。 ＤＰＦ表面の細孔による凹凸に沿って凹凸状に形成され、且つその表面に微細な凹凸が形成された本実施形態の触媒被膜を示す断面図である。 フラワー状構造を有する凸状材の拡大観察画像である 板状構造及び皿状構造を有する凸状材の拡大観察画像である。 モルフォロジー指数と２分間再生速度との関係を示す図である。 比較例１の排気浄化フィルタにおける触媒表面の表面観察画像（２５０倍画像）である。 比較例２の排気浄化フィルタにおける触媒表面の表面観察画像（２００倍画像）である。 実施例１の排気浄化フィルタにおける触媒表面の表面観察画像（２００倍画像）である。 実施例１の排気浄化フィルタにおける触媒表面の表面観察画像（３０００倍画像）である。 ＤＰＦの平均細孔径と２分間再生速度との関係を示す図である。 触媒の担持量と２分間再生速度との関係を示す図である。 針状ＣｅＯ_２を含有するＡｇ系触媒からなる触媒被膜の担持量を１００ｇ／Ｌとした排気浄化フィルタについて、表面近傍を断面観察して得られた断面観察画像である。 針状ＣｅＯ_２を含有するＡｇ含有触媒からなる触媒被膜の担持量を３０ｇ／Ｌとした排気浄化フィルタについて、表面近傍を断面観察して得られた断面観察画像である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳しく説明する。

本発明の第一実施形態に係る排気浄化フィルタは、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関の排気通路に設けられ、内燃機関の排気中のＰＭを捕捉して浄化する。本実施形態に係る排気浄化フィルタは、フィルタ本体としてのＤＰＦと、ＤＰＦの表面に担持されたＡｇ系触媒からなる触媒被膜と、を備える。

本実施形態のＤＰＦは、三次元網目構造を有し、炭化珪素やコージェライト等の多孔質材料から形成される。また、ＰＭ捕集能を有する発泡金属や発泡セラミックス又は金属やセラミックス繊維を重ね合わせた不織布、ウォールフロータイプのフィルタ等、如何なる形態でも使用可能である。これらのうち、ウォールフロータイプのハニカム構造のフィルタが、捕集効率及び触媒とＰＭの接触性の観点から好ましく用いられる。

本実施形態のＤＰＦは、触媒とＰＭの接触面積を大きくできる観点から、セル形状が４〜８角形のうちのいずれかであることが好ましい。また、同様の観点から、セル数が１平方インチあたり２００〜４００セルであることが好ましい。セル数が２００セル未満であると、触媒とＰＭの接触面積を十分確保できず、４００セルを超えると、セルにＰＭが目詰まりして圧損の上昇に繋がる。

また本実施形態のＤＰＦは、平均細孔径（気孔径）が２０〜３５μｍの細孔を有する。また、これらの細孔を有することで、その表面が凹凸状に形成されている。これにより、後述するような大きなモルフォロジー指数が得られる。またこれにより、ＰＮ規制をクリヤでき、十分な機械的強度を有するＤＰＦが得られる。

ここで、図１は、ＰＭが堆積したＤＰＦ表面の断面観察画像である。図１に示すように、ＰＭは、ＤＰＦの排気流入側の表面と、当該表面近傍の極浅い細孔内にしか侵入できない。具体的には、図１に示すように、ＰＭのＤＰＦ表面への侵入深さは平均３５μｍである。従って、触媒とＰＭの接触性を向上させるためには、ＤＰＦ表面近傍における触媒とＰＭの接触性が重要であると言える。そこで本実施形態では、後述するようにＤＰＦ表面近傍の３次元画像を解析して表面積の指標であるモルフォロジー指数を算出し、これを従来よりも大きな値に設定することにより、ＰＭ燃焼性能を向上させるものである。

本実施形態の触媒被膜は、触媒金属としてＡｇを主体的に含有するＡｇ系触媒からなる。Ａｇ系触媒は、現状、ＰＭの燃焼に最も有効な触媒であり、Ｐｔ等の他の貴金属系触媒よりも低温でＰＭを燃焼できる。例えば、ＰＭとの接触性が良好であれば、２００℃以下からＰＭを着火させることができ、４００℃でＰＭの燃焼を完了させることができる。

ここで、Ａｇ系触媒のＰＭ燃焼メカニズムを、図２を参照しながら説明する。
図２は、Ａｇ系触媒のＰＭ燃焼メカニズムを説明するための図であり、詳しくは、Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２の表面状態を模式的に示した図である。
ここで、Ａｇ系触媒では、表面近傍のＡｇは、酸化雰囲気下ではＡｇ_２Ｏとして存在し、還元雰囲気下ではＡｇメタルとして存在することが分かっている。そして、Ａｇ_２Ｏは、酸素脱離エネルギーが最も小さく、ＰＭの燃焼に対して最も有効な化合物であるとされている。

図２に示すように、酸素放出能を有する触媒担体としてのＣｅＺｒＯ_２から、表面付近のＡｇメタル（図２においてＡｇ^０と表示されている粒子を意味する）に酸素が供給されると、Ａｇメタルは活性種であるＡｇ_２Ｏ（図２においてＡｇ^＋と表示されている粒子とＯ^＊と表示されている粒子を意味する）に変換される。そして、このＡｇ_２Ｏは、ＰＭと反応することによりＡｇメタルに戻るものの、直ちにＣｅＺｒＯ_２からの酸素がＡｇメタルに供給される結果、常に表面付近のＡｇは、Ａｇ_２Ｏの状態で存在する。
従って、このＡｇ系触媒は、表面付近に存在する活性種Ａｇ_２Ｏの作用によって、低温下で効率良くＰＭを燃焼除去できる。

本実施形態のＡｇ系触媒は、触媒金属としてのＡｇを担持する触媒担体として、酸素放出能を有する酸化物や複合酸化物が好ましく使用される。具体的には、ＣｅＯ_２やＣｅＺｒＯ_２が好ましく使用される。これにより、酸素放出能を有する酸化物や複合酸化物から放出される酸素によって、上記Ａｇ_２Ｏの安定性が確保される。

酸素放出能を有する複合酸化物としては、ペロブスカイト型、スピネル型、ルチル型、デラフォサイト型、マグネトプランバイト型、イルメナイト型、及びフルオライト型からなる群より選択される少なくとも１種を用いることができる。これらの中でも、酸素放出能の観点から、フルオライト型の複合酸化物が好ましく用いられる。
また、複合酸化物は、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素、第１２族元素、及び第１３族元素からなる群より選択される少なくとも２種以上を構成元素として含むことにより、構成元素の価数を変化させて酸素の吸収及び放出を行うものが好ましい。
また、複合酸化物が酸素放出能を有するために、多原子価を持つ元素が少なくとも１種含まれていることが好ましい。具体的には、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ等の遷移金属元素が少なくとも１種含まれていることが好ましい。酸素放出は、複合酸化物を構成する元素の価数の変化に応じて、電荷のバランスを保つために複合酸化物の格子中の酸素が脱離する現象である。このため、Ａｇとの組合せによる酸素放出能の観点から、上記遷移金属元素のうち、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｐｒ、Ｌａ、及びＹが特に好ましい。

また、本実施形態のＡｇ系触媒は、Ｒｕ、Ｐｄ、及びＰｔからなる群より選択される少なくとも１種の貴金属を、Ａｇとともに上記触媒担体に共担持するものであってもよい。

本実施形態では、Ａｇ系触媒の担持量が、ＤＰＦの単位容量あたり１０〜４５ｇ／Ｌである。これにより、Ａｇ系触媒からなる触媒被膜が、ＤＰＦの表面全体を被覆するように形成されると同時に、ＤＰＦ表面の凹凸に沿って凹凸状に形成される。図３は、ＤＰＦ表面の細孔による凹凸に沿って凹凸状に形成された本実施形態の触媒被膜を示す断面図である。図３から、本実施形態の排気浄化フィルタ１では、ＤＰＦ１１表面の細孔１３による凹凸が、触媒被膜１２中に埋没することなく維持されていることが分かる。

また、本実施形態のＡｇ系触媒は、凸形状を有する凸状材を含有することが好ましい。凸状材は、上述の酸化物や複合酸化物等の触媒担体であってよい。凸状材をＡｇ系触媒中に含有させることで、フィルタ本体表面の凹凸に沿って凹凸状に形成された触媒被膜の表面上に、さらに微細な凹凸形状が形成される。図４は、ＤＰＦ表面の細孔による凹凸に沿って凹凸状に形成され、且つその表面に微細な凹凸が形成された本実施形態の触媒被膜を示す断面図である。図４から、本実施形態の排気浄化フィルタ２では、ＤＰＦ２１表面の細孔２３による凹凸に沿って凹凸状に形成された触媒被膜２２の表面上に、微細な凹凸が形成されていることが分かる。

凸状材としては、針状構造、フラワー状構造、板状構造又は皿状構造を有することが好ましい。ここで、図５は、フラワー状構造を有する凸状材の拡大観察画像である。また、図６は、板状構造及び皿状構造を有する凸状材の拡大観察画像である。これらの構造を有する凸状材をＡｇ系触媒中に含有させることで、上記の微細な凹凸形状が確実に形成される。

また、凸状材は、酸素放出能を備える酸素放出材を含むことが好ましい。酸素放出材としては、Ｃｅを含むものが好ましく、例えばＣｅＯ_２やＣｅＺｒＯ_２が挙げられる。また、酸素放出材を被膜担持したものを用いることもできる。これら酸素放出能を有する凸状材をＡｇ系触媒中に含有させることで、Ａｇ系触媒の活性酸素の放出によるＰＭ燃焼が促進される。

凸状材の担持量は、ＤＰＦの単位容量あたり５〜４５ｇ／Ｌであることが好ましい。凸状材の担持量がこの範囲内であることにより、上記の微細な凹凸形状がより確実に形成される。

上述したように、本実施形態の触媒被膜は、ＤＰＦの表面全体を被覆するように形成されていると同時に、ＤＰＦ表面の凹凸に沿って凹凸状に形成されている。そして、触媒被膜の表面を３０００倍に拡大観察して、平均細孔径の細孔を含む表面観察画像を取得し、これを３次元処理して得られた３次元画像情報に基づいて算出された触媒被膜の表面の表面積が、２３００〜２９５０μｍ^２である。このようにして算出された表面積を、「モルフォロジー指数」と定義する。このモルフォロジー指数は、触媒形状を高倍率で表面観察することで、触媒形状の微細な凹凸構造を考慮して算出された表面積であり、触媒とＰＭの接触性を判断する新たな指標である。
なお、本実施形態では、触媒は被膜担持されているため、触媒とＰＭの接触面積はＤＰＦの表面形状に大きく依存する。

上記のモルフォロジー指数の算出方法の詳細は、次の通りである。
例えば日立製作所製の走査型電子顕微鏡装置「Ｍｉｎｉｓｃｏｐｅ（登録商標） ＴＭ３０００」を用いて、排気浄化フィルタの触媒被膜の表面を３０００倍に拡大して３次元観察を実施する。具体的には、予め分かっているＤＰＦの平均細孔径の細孔を探し出し、当該細孔を含む表面観察画像（例えば、後述の図１１）を撮影した後、３Ｄ化処理を行ってその３次元画像を取得する。このとき、観察面が極力平らとなるような画像を抽出すると同時に、装置ソフト付帯のフラット補正を行い、より高精度の３次元画像を得ることが好ましい。次いで、細孔はＤＰＦ全体に均一に分布しているものとして、取得した３次元画像情報に基づいて装置ソフト付帯の表面積算出を行い、触媒形状表面の表面積を算出する。
なお、上記装置は、４分割されて配置された反射電子検出器を備え、これらの検出器により取得した各信号を用いて４方向の表面形状を計算するため、試料傾斜、視野位置合わせを行うことなく３次元情報を取得できるようになっている。

上述したように、本実施形態の触媒被膜のモルフォロジー指数は、２３００〜２９５０μｍ^２の範囲内である。モルフォロジー指数が２３００μｍ^２未満であると、ＰＭが侵入可能な細孔を形成できなくなり、２９５０μｍ^２を超えると、ＤＰＦの機械的強度不足や触媒被膜の剥離が発生する。

なお、モルフォロジー指数の下限値は、後述する実施例及び比較例のモルフォロジー指数と再生速度との関係を示す図７において、曲線の傾きが２３００μｍ^２で変化していることから求められる。
また、モルフォロジー指数の上限値は、後述する実施例及び比較例の結果に基づいて、最も表面積が大きくなる態様である、ＤＰＦの細孔径が最大の３５μｍで且つフラワー構造の凸状材を含有させたときの表面積を算出することで求められる。
具体的には、ＤＰＦの細孔径が２３μｍである実施例１の触媒被膜の表面積（モルフォロジー指数）が２５３４μｍ^２であり、実施例１に対してＣｅＺｒＯ_２を針状ＣｅＯ_２に変更した実施例３の触媒被膜の表面積が２５８２μｍ^２であることから、ＤＰＦの細孔径が２３μｍである場合において、針状ＣｅＯ_２に変えて最も表面積を増大できるフラワー構造の凸状材を含有させたときの触媒被膜の表面積は、その形状から接触面積が８倍になると推測されるため、２５３４＋（２５８２−２５３４）×８＝２９２２μｍ^２と算出される。
次いで、ＤＰＦの細孔径が２３μｍのときの触媒被膜の表面積２５３４μｍ^２とＤＰＦの細孔径が３０μｍのときの触媒被膜の表面積２５５２μｍ^２とに基づいた線形式から、ＤＰＦの細孔径が最大の３５μｍのときの表面積が２．６８２６×３５＋２４７１．９＝２５６６μｍ^２と算出され、この算出結果と上記算出結果に基づいて、ＤＰＦの細孔径が最大の３５μｍで且つフラワー構造の凸状材を含有させたときの表面積は、２５６６×２９２２／２５３４≒２９５０μｍ^２と求められる。

本実施形態では、触媒担体にＡｇを担持させる方法として、ディッピング法の他、クエン酸等を用いた微細発泡法が好ましく採用される。
ディッピング法では、例えば、Ａｇ系触媒の構成材料を所定量含むスラリーを湿式粉砕等により作製し、作製したスラリー中にＤＰＦを浸漬させた後、ＤＰＦを引き上げて所定の温度条件で焼成を行うことにより、ＤＰＦにＡｇ系触媒を担持させることができる。
また、微細発泡法では、上記のようにして作製したスラリー中に、クエン酸等の有機酸を添加することにより、焼成時に触媒粒子を発泡させ、分散させる。これにより、触媒粒子がＤＰＦ全体に分散担持され、ＤＰＦ表面にＡｇ系触媒を均一に担持させることができる。

上記の構成を備える本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、平均細孔径が２０〜３５μｍの細孔を有することで表面が凹凸状のＤＰＦ上に、従来よりも少ない担持量（ウォッシュコートＷＣ量）１０〜４５ｇ／Ｌで、Ａｇ系触媒を担持させた。これにより、本実施形態に係る排気浄化フィルタは、Ａｇ系触媒からなる触媒被膜がＤＰＦの表面の凹凸に沿って凹凸状に担持され、ＤＰＦの細孔による凹凸が維持される。また、モルフォロジー指数が、従来よりも大きい２３００〜２９５０μｍ^２となっている。
本実施形態によれば、ＰＭとの接触性がＰＭの浄化率に大きく影響する特性を有するＡｇ系触媒を備える排気浄化フィルタにおいて、従来よりも少ない触媒担持量で、従来よりも大きなモルフォロジー指数が得られる。従って、触媒とＰＭの接触性を向上（接触面積を大きく）でき、ＰＭを効率良く燃焼して浄化できる。ひいては、排気浄化フィルタの再生速度を向上でき、再生時間を短縮できるため、再生による燃費及びＥＭの悪化や、触媒の熱劣化を抑制できる。

また本実施形態では、Ａｇ系触媒中に凸状材を含有させ、当該凸状材の担持量を５〜４５ｇ／Ｌとした。これにより、ＤＰＦ表面の凹凸に沿って凹凸状に形成された触媒被膜の表面上に、さらに微細な凹凸形状を形成できる。そのため、より大きなモルフォロジー指数が得られ、触媒とＰＭの接触性をより向上でき、上記の効果を高めることができる。

また本実施形態では、Ａｇ系触媒中に、針状構造、フラワー状構造、板状構造又は皿状構造を有する凸状材を含有させた。これにより、上記の効果が確実に発揮される。

また本実施形態では、Ａｇ系触媒中に含有させる凸状材として、酸素放出能を備える酸素放出材を含むものとした。これにより、活性酸素の放出によるＰＭ燃焼を促進でき、より効率良くＰＭを浄化できる。

また本実施形態では、ＤＰＦのセル形状を４〜８角形のうちのいずれかとし、ＤＰＦのセル数を１平方インチあたり２００〜４００セルとした。即ち、セル形状を多角形状とし、セル数を多くした。これにより、より大きなモルフォロジー指数が得られ、触媒とＰＭの接触面積を大きくできるため、上記の各効果を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

次に本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２、触媒被膜担持量＝２５ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径２３μｍ］
市販の特級試薬である、硝酸銀、硝酸パラジウム、ＣｅＺｒＯ_２（阿南化成製、Ｃｅ／Ｚｒ＝２／８）及び水を、所定の組成となるように秤量して混合した。次いで、これをエバポレータにて減圧乾固し、２００℃×２時間乾燥させた後、７００℃×２時間の大気焼成を行うことにより、触媒粉末Ａを得た。

上記のようにして得た触媒粉末Ａ、市販のＳｉＯ_２ゾル及び水を、所定の組成となるように秤量して混合した。そこに、φ２ｍｍのＺｒボールを、容器に対して５０％の量混入し、ボールミルにて３日間、湿式粉砕を行うことにより、スラリーＡを得た。

上記のようにして得たスラリーＡに、触媒量に対して４倍量のクエン酸を添加し、十分混合することでクエン酸を溶解させた。次いで、これをＳｉＣ製ＤＰＦ（平均細孔径２３μｍ、セル数１平方インチあたり３００セル、セル形状４角形）にディッピング担持させた後、７００℃×２時間の焼成を行った。これにより、実施例１の排気浄化フィルタを得た。なお、触媒の担持量は、２５ｇ／Ｌとなるように調製した。

＜実施例２＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２、触媒被膜担持量＝２５ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径３０μｍ］
平均細孔径が３０μｍのＳｉＣ製ＤＰＦ（セル数及びセル形状は実施例１と同一）を使用した以外は、実施例１と同様の操作を行った。これにより、実施例２の排気浄化フィルタを得た。なお、触媒の担持量は、２５ｇ／Ｌとなるように調製した。

＜実施例３＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／針状ＣｅＯ_２、触媒被膜担持量＝２５ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径２３μｍ］
先ず、市販の特級試薬である、硝酸セリウム、シュウ酸及び水を、所定の組成となるよう秤量して混合した。次いで、混合溶液を室温で２４時間静置した後、その上澄み液を取り除いて、１００℃×２４時間乾燥させた。乾燥させて得られた前駆体を、３００℃×６時間焼成し、次いで４００℃まで３０分間かけて昇温した後、４００℃×３時間焼成した。これにより、針状ＣｅＯ_２粉末を得た。

上記のようにして得た針状ＣｅＯ_２粉末と、市販の特級試薬である、硝酸銀、硝酸パラジウム及び水を、所定の組成となるように秤量して混合した。次いで、これをエバポレータにて減圧乾固し、２００℃×２時間乾燥させた後、７００℃×２時間の大気焼成を行うことにより、触媒粉末Ｂを得た。

上記のようにして得た触媒粉末Ｂ、市販のＳｉＯ_２ゾル及び水を、所定の組成となるように秤量して混合した。そこに、φ１０ｍｍのＺｒボールを１００ｇ混入し、ボールミルにて１時間、湿式粉砕を行うことにより、スラリーＢを得た。

上記のようにして得たスラリーＢに、触媒量に対して４倍量のクエン酸を添加し、十分混合することでクエン酸を溶解させた。次いで、これを、実施例１で使用したものと同じＳｉＣ製ＤＰＦにディッピング担持させた後、７００℃×２時間の焼成を行った。これにより、実施例３の排気浄化フィルタを得た。なお、触媒の担持量は、２５ｇ／Ｌとなるように調製した。

＜比較例１＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２、触媒担持量＝２５ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径２３μｍ］
市販の特級試薬である、硝酸銀、硝酸パラジウム、ＣｅＺｒＯ_２（阿南化成製、Ｃｅ／Ｚｒ＝２／８）及び水を、所定の組成となるように秤量して混合した。次いで、これをエバポレータにて減圧乾固し、２００℃×２時間乾燥させた後、７００℃×２時間の大気焼成を行うことにより、触媒粉末Ｃを得た。

上記のようにして得た触媒粉末Ｃ、市販のＳｉＯ_２ゾル及び水を、所定の組成となるように秤量して混合した。そこに、φ１０ｍｍのＺｒボールを１００g混入し、ボールミルにて１２時間、湿式粉砕を行うことにより、スラリーＣを得た。

上記のようにして得たスラリーＣを、実施例１で使用したものと同じＳｉＣ製ＤＰＦにディッピング担持させた後、７００℃×２時間の焼成を行った。これにより、比較例１の排気浄化フィルタを得た。なお、触媒の担持量は、２５ｇ／Ｌとなるように調製した。

＜比較例２＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２、触媒担持量＝８０ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径２３μｍ］
触媒の担持量が８０ｇ／Ｌとなるように調製した以外は、実施例１と同様の操作を行った。これにより、比較例２の排気浄化フィルタを得た。

＜比較例３＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２、触媒担持量＝２５ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径１６μｍ］
平均細孔径が１６μｍのＳｉＣ製ＤＰＦ（セル数及びセル形状は実施例１と同一）を使用した以外は、実施例１と同様の操作を行った。これにより、比較例３の排気浄化フィルタを得た。

＜比較例４＞
［１．４質量％Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３、触媒被膜担持、フィルタ平均細孔径２３μｍ］
市販の特級試薬である、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液、Ａｌ_２Ｏ_３及び水を、所定の組成となるように秤量して混合した。以後、比較例１と同様の操作を行った。これにより、比較例４の排気浄化フィルタを得た。

＜比較例５＞
［１．４質量％Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３、触媒被膜担持、フィルタ平均細孔径２３μｍ］
市販の特級試薬である、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液、Ａｌ_２Ｏ_３及び水を、所定の組成となるように秤量して混合した。以後、実施例１と同様の操作を行った。これにより、比較例５の排気浄化フィルタを得た。

＜比較例６＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２、触媒被膜担持量＝２５ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径３６μｍ］
平均細孔径が３６μｍのＳｉＣ製ＤＰＦ（セル数及びセル形状は実施例１と同一）を使用した以外は、実施例１と同様の操作を行った。これにより、比較例６の排気浄化フィルタを得た。なお、触媒の担持量は、２５ｇ／Ｌとなるように調製した。

＜比較例７＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２、触媒担持量＝９ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径２３μｍ］
触媒の担持量が９ｇ／Ｌとなるように調製した以外は、実施例１と同様の操作を行った。これにより、比較例７の排気浄化フィルタを得た。

＜比較例８＞
［１．７質量％Ｐｄ５０質量％Ａｇ／ＣｅＺｒＯ_２、触媒担持量＝４７ｇ／Ｌ、フィルタ平均細孔径２３μｍ］
触媒の担持量が４７ｇ／Ｌとなるように調製した以外は、実施例１と同様の操作を行った。これにより、比較例８の排気浄化フィルタを得た。

＜評価＞
各実施例及び比較例で得た排気浄化フィルタについて、以下の算出方法に従ってモルフォロジー指数を算出した。また、各排気浄化フィルタについて、以下の評価方法に従って再生速度の評価を実施した。

［モルフォロジー指数］
日立製作所製の走査型電子顕微鏡装置「Ｍｉｎｉｓｃｏｐｅ（登録商標） ＴＭ３０００」を用いて、各排気浄化フィルタの触媒被膜の表面を３０００倍に拡大して３次元観察を実施した。具体的には、予め分かっているＤＰＦの平均細孔径の細孔を探し出し、当該細孔を含む表面観察画像を撮影した後、３Ｄ化処理を行ってその３次元画像を取得した。このとき、観察面が極力平らとなるような画像を抽出すると同時に、装置ソフト付帯のフラット補正を行い、より高精度の３次元画像を得た。次いで、細孔はＤＰＦ全体に均一に分布しているものとして、取得した３次元画像情報に基づいて装置ソフト付帯の表面積算出を行い、触媒被膜表面の表面積を算出した。

［再生速度］
各排気浄化フィルタのＴＰサイズ（１５ｃｃ）を準備し、これらに、実機から採取したＰＭを吸引捕集させた。その後、フィルタ入口温度を５００℃、フィルタ内部温度を５３０℃に設定した後、１１％のＯ_２、１５０ｐｐｍのＮＯ及びＮ_２バランスガスからなるモデルガスを、空間速度ＳＶ＝１０００００ｈ^−１で各排気浄化フィルタに導入し、再生を行った。再生開始から２分間のＰＭ除去量である再生速度ｍｇ／分を測定した。

図７は、各実施例及び比較例の評価結果に基づいた、モルフォロジー指数と２分間再生速度との関係を示す図である。図７では、横軸がモルフォロジー指数（μｍ^２）を表し、縦軸が２分間再生速度（ｍｇ／秒）を表している。
図７に示すように、実施例１〜３の排気浄化フィルタは、比較例１〜５の排気浄化フィルタに比べて、再生速度が格段に大きいことが分かった。その理由について、以下に詳細に説明する。

先ず、比較例１の排気浄化フィルタは、従来公知のディッピング法によりＡｇ系触媒をＤＰＦに担持させたものであり、また、実施例１等に比べて湿式粉砕時間が短く、ミリングによるボール径も大きいため触媒粒子径が大きい。ここで、図８は、比較例１の排気浄化フィルタにおける触媒表面の表面観察画像である。図８から明らかであるように、比較例１の排気浄化フィルタでは、触媒の担持が不均一であり、触媒によるＤＰＦの被覆率が低い。そのため、モルフォロジー指数が小さく、触媒とＰＭの接触面積が小さいため、小さな再生速度しか得られない。

比較例２の排気浄化フィルタは、クエン酸による発泡法（微細発泡法）によりＡｇ系触媒をＤＰＦに分散担持させたものであり、また、実施例１等と同様に湿式粉砕時間が長く、ミリングによるボール径も小さいため触媒粒子径が小さい。ただし、触媒の担持量が８０ｇ／Ｌで多過ぎるものである。ここで、図９は、比較例２の排気浄化フィルタにおける触媒表面の表面観察画像である。図９から明らかであるように、比較例２の排気浄化フィルタでは、触媒の担持量が多過ぎるため、ＤＰＦ表面の細孔の過半数が触媒被膜中に埋没している。そのため、触媒とＰＭの接触面積は比較例１より大きいものの、ＤＰＦ表面の細孔による凹凸を有効に利用できていないため、モルフォロジー指数が実施例より小さく、実施例に比べると再生速度は小さい。

比較例３の排気浄化フィルタは、実施例１の排気浄化フィルタに対して、ＤＰＦの平均細孔径をより小さな１６μｍとしたものである。この排気浄化フィルタのモルフォロジー指数は、上述の方法に従って算出すると２３９７μｍ^２であったが、細孔径が１６μｍの細孔にＰＭは侵入できないことを考慮して、細孔を含まない表面観察画像を取得し、これを３次元処理化することで触媒被膜の表面積を算出した。ＤＰＦの平均細孔径が１６μｍと小さく、ＰＭが細孔内に十分に侵入できないことからも分かるように、算出されたモルフォロジー指数は小さく、触媒とＰＭの接触面積が小さいため、小さな再生速度しか得られない。

比較例４の排気浄化フィルタは、従来のディッピング法によりＰｔ系触媒をＤＰＦに担持させたものであり、比較例５の排気浄化フィルタは、クエン酸による発泡法（微細発泡法）によりＰｔ系触媒をＤＰＦに担持させたものである。ＤＰＦの平均細孔径と触媒の担持量は実施例１と同一である。ここで、これらＰｔ系触媒は、排気中のＮＯからＮＯ_２を生成させ、生成したＮＯ_２によりＰＭの燃焼を促進するものである。即ち、Ａｇが活性酸素を放出することでＰＭを燃焼するＡｇ系触媒とはＰＭ燃焼メカニズムが相違し、Ｐｔ系触媒では触媒とＰＭの接触性はそれほど重要ではない。そのため、微細発泡法により調製された比較例５の排気浄化フィルタのモルフォロジー指数が比較例４のそれと比べて飛躍的に大きく、実施例と同レベルであっても、ＮＯ_２生成能の向上により再生速度は若干大きくなるのみであり、大きな変化は見られない。

これに対して実施例１の排気浄化フィルタは、比較例５の排気浄化フィルタに対して、Ｐｔ系触媒をＡｇ系触媒に変更したものであると同時に、比較例２の排気浄化フィルタに対して、触媒の担持量を少なくしたものである。ここで、図１０及び図１１は、実施例１の排気浄化フィルタにおける触媒表面の表面観察画像である（図１０が２００倍画像、図１１が３０００倍画像）。図１０及び図１１から明らかであるように、ＤＰＦ表面の細孔による凹凸に対して、薄く満遍なく触媒が被膜担持されている。即ち、ＤＰＦ表面の細孔による凹凸に沿って、触媒被膜が凹凸状に形成されており、ＤＰＦ表面の細孔による凹凸形状が維持されている。そのため、実施例１のモルフォロジー指数は比較例と比べて大きなものとなっている。これにより、実施例１の排気浄化フィルタでは、ＰＭが細孔内に侵入でき、触媒とＰＭの接触面積が大きいため、大きな再生速度が得られる。

また実施例２の排気浄化フィルタは、実施例１の排気浄化フィルタに対して、ＤＰＦの平均細孔径をより大きな３０μｍとしたものである。そのため、実施例２のモルフォロジー指数は、実施例１よりも大きなものとなっている。これにより、ＤＰＦの細孔内へＰＭがより侵入し易くなり、触媒とＰＭの接触面積がより大きくなるため、より大きな再生速度が得られる。

また実施例３の排気浄化フィルタは、実施例１の排気浄化フィルタに対して、ＣｅＺｒＯ_２を針状ＣｅＯ_２に変更したものである。即ち、実施例３の排気浄化フィルタでは、触媒中に凸状材としての針状ＣｅＯ_２を含有させたため、ＤＰＦ表面の凹凸に沿って凹凸状に形成された触媒被膜の表面に、さらに微細な凹凸形状が形成されている。そのため、実施例３のモルフォロジー指数は、実施例２よりもさらに大きなものとなっている。これにより、触媒とＰＭの接触面積がさらに大きくなり、さらに大きな再生速度が得られる。

以上説明したように、本実施例及び比較例の評価結果から、ＤＰＦの細孔による凹凸に沿って触媒被膜を凹凸状に形成（即ち、細孔による凹凸を維持）し、この細孔内にＰＭを侵入させて触媒とＰＭの接触性を向上させることで、ＰＭを効率良く浄化できることが確認された。また、触媒中に凸状材を含有させて触媒被膜の表面にさらに微細な凹凸形状を形成することで、さらにＰＭを効率良く浄化できることが確認された。

次に、図１２は、各実施例及び比較例の評価結果に基づいた、ＤＰＦの平均細孔径と２分間再生速度との関係を示す図である。図１２では、横軸がＤＰＦの平均細孔径（μｍ）を表し、縦軸が２分間再生速度（ｍｇ／秒）を表している。
図１２に示すように、ＤＰＦの平均細孔径が大きくなるに従い、再生速度が大きくなることが分かった。また、ＤＰＦの平均細孔径が２０μｍ以上となると、再生速度が２０ｍｇ／分を超えるようになり好ましいことが分かった。これは、ＤＰＦの平均細孔径が２０μｍ以上となると、ＰＭが細孔内に十分に侵入できるようになるためである。
また、ＤＰＦの平均細孔径が３０μｍで再生速度は最大となる一方で、平均細孔径が３５μｍを超えて３６μｍになるとＤＰＦの強度が低下し、評価実施後にＤＰＦが粉砕してしまうことが分かった。
以上の結果から、ＤＰＦ平均細孔径の好ましい範囲は、２０〜３５μｍであることが確認された。

次に、図１３は、各実施例及び比較例の評価結果に基づいた、触媒の担持量と２分間再生速度との関係を示す図である。図１３では、横軸が触媒被膜の担持量（ｇ／Ｌ）を表し、縦軸が２分間再生速度（ｍｇ／秒）を表している。
図１３に示すように、触媒の担持量が少なくなるに従い、再生速度が大きくなり、担持量は４５ｇ／Ｌ以下が好ましいことが分かった。これは、触媒の担持量が多過ぎると、ＤＰＦ表面の細孔が触媒被膜中に埋没してしまうためである。
また、触媒の担持量が２５ｇ／Ｌで再生速度は最大となり、担持量は１０ｇ／Ｌ以上が好ましいことが分かった。これは、触媒の担持量が少な過ぎると、触媒被膜による被覆率が低下するためである。
以上の結果から、触媒担持量の好ましい範囲は、１０〜４５ｇ／Ｌであることが確認された。

ここで、図１４は、針状ＣｅＯ_２を含有するＡｇ系触媒からなる触媒被膜の担持量を１００ｇ／Ｌとした排気浄化フィルタについて、表面近傍を断面観察して得られた断面観察画像である。また、図１５は、針状ＣｅＯ_２を含有するＡｇ含有触媒からなる触媒被膜の担持量を３０ｇ／Ｌとした排気浄化フィルタについて、表面近傍を断面観察して得られた断面観察画像である。
図１４に示すように、触媒被膜の担持量が多過ぎると、ＤＰＦ表面の細孔が触媒被膜中に埋没する結果、ＰＭは触媒被膜の最表面部分としか接触できない。これに対して、図１５に示すように、触媒被膜の担持量が適量であると、ＤＰＦ表面の細孔による凹凸形状を維持しつつ、その表面上に触媒被膜が凹凸状に形成される結果、触媒被膜とＰＭの接触性が向上することが確認された。

１，２…排気浄化フィルタ
１１，２１…ＤＰＦ（フィルタ本体）
１２，２２…触媒被膜
１３，２３…細孔
５…ＰＭ（粒子状物質）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する排気浄化フィルタであって、
   平均細孔径が２０〜３５μｍの細孔を有することで表面が凹凸状のフィルタ本体と、当該フィルタ本体の表面に担持され且つ捕捉した粒子状物質を浄化するＡｇ系触媒からなる触媒被膜と、を備え、
   前記Ａｇ系触媒の担持量が、前記フィルタ本体の単位容量あたり１０〜４５ｇ／Ｌであることにより、前記触媒被膜が、前記フィルタ本体の表面の凹凸に沿って凹凸状に担持されており、
   前記触媒被膜の表面を３０００倍に拡大観察して、前記平均細孔径の細孔を含む表面観察画像を取得し、これを３次元処理して得られた３次元画像情報に基づいて算出された前記触媒被膜の表面の表面積が、２３００〜２９５０μｍ^２であり、
   前記Ａｇ系触媒が、凸形状を有する凸状材を含有し、
   前記凸状材が、針状構造、フラワー状構造、板状構造又は皿状構造を有することを特徴とする排気浄化フィルタ。
2. 前記凸状材の担持量が、前記フィルタ本体の単位容量あたり５〜４５ｇ／Ｌであることを特徴とする請求項１記載の排気浄化フィルタ。
3. 前記凸状材が、酸素放出能を備える酸素放出材を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の排気浄化フィルタ。
4. 前記フィルタ本体のセル形状が、４〜８角形のうちのいずれかであり、
   前記フィルタ本体のセル数が、１平方インチあたり２００〜４００セルであることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の排気浄化フィルタ。