JP5902158B2 - セリウム、ニオブおよび場合によりジルコニウム、の酸化物に基づく組成物および触媒反応におけるこの使用 - Google Patents

セリウム、ニオブおよび場合によりジルコニウム、の酸化物に基づく組成物および触媒反応におけるこの使用 Download PDF

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Description

本発明は、セリウム、ニオブおよび場合によりジルコニウム、の酸化物に基づく組成物、および触媒反応における、特に排ガスの処理用の使用に関する。
「多機能型」触媒は、現在、内燃機関から排ガスの処理用に使用されている(自動車再燃焼触媒反応)。用語「多機能型」は、排ガス中に存在する特に一酸化炭素および炭化水素の酸化ばかりでなく、これらのガス中に存在する特に窒素酸化物の還元を実施することができる触媒(「三元」触媒)を意味すると理解される。今日、酸化ジルコニウムおよび酸化セリウムは、このタイプの触媒用の、特に重要で有益な2種の構成成分である。
効果的であるために、これらの触媒は、特に良好な還元性を示さなければならない。用語「還元性」は、本明細書において、還元雰囲気で還元され、酸化雰囲気で再酸化される触媒の能力を意味すると理解される。この還元性は、例えば、ある一定の温度範囲内での水素の消費量によって測定することができる。これは、本発明の組成物のタイプの組成物の場合、還元または酸化される特性を有するセリウムに起因する。
さらに、これらの生成物は、例えば、硫酸化に対するより良好な耐性を可能にするために充分な酸性度を示さなければならない。
最後に、効果的であるために、これらの触媒は、高温においても充分な、比表面積を示さなければならない。
本発明の目的は、良好な酸性度とともに充分な還元性を示し、および触媒反応に使用するために好適な比表面積を有する組成物を提供することである。
この目的のため、本発明による組成物は、酸化セリウムに基づき、および酸化ニオブを、以下の重量比率:
− 酸化ニオブ:2から20%;
で含み、
残りを酸化セリウムとして
含むことを特徴とする。
本発明の他の特徴、詳細および利点は、以下に続く説明および本発明を説明するための種々の具体的な、しかし、限定ではない実施例を読むことで、さらに充分に明らかになる。
本説明で、用語「希土類金属」は、イットリウムおよび原子番号が57と71(両端を含む。)との間の周期表の元素からなる群から選択される元素を意味すると理解される。
用語「比表面積」は、定期刊行物「The Journal of the American Chemical Society,60,309(1938)」に記載されたBrunauer−Emmett−Teller方法に基づいて制定された標準ASTM D3663−78に従って、窒素吸着によって測定されるB.E.T.比表面積を意味すると理解される。
一定の温度および一定の時間が示された比表面積の値は、他に記載がない限り、空気中、固定相で、示されたこの温度、時間で行われた焼成に対応する。
本明細書に記載される焼成は、他に記載がない限り、空気中での焼成である。ある温度が示された焼成時間は、この温度での固定相の持続時間に相当する。
含有量または比率は、他に記載がない限り、重量基準であり、酸化物(特に、CeO、Ln(Lnは3価の希土類金属を示す。)、Pr11(プラセオジミウムの特定の場合)、Nb(ニオブの場合))基準である。
また、この明細書を通して、他に記載がない限り、値の範囲が記載されている場合、この両端の値は包含されることを明記する。
本発明の組成物は、先ず第一に、構成成分の性質および比率を特徴とする。従って、第一実施形態によれば、組成物は、セリウムおよびニオブに基づき、これらの元素は、組成物中に一般的に酸化物の形で存在する。さらに、これらの元素は、先に示した特定の比率で存在する。
組成物の酸化セリウムは、酸化物形態で、セリウム以外の少なくとも1種の希土類金属によって安定化(用語「安定化される」は、本明細書では、比表面積の安定化を意味すると理解される。)され得る。この希土類金属としては、とりわけ、イットリウム、ネオジミウム、ランタンまたはプラセオジミウムが可能である。安定化希土類金属酸化物の含有量は、一般的に、多くとも20%であり、好ましくは、希土類金属がランタンの場合、とりわけ、多くとも15%、および好ましくは多くとも10重量%である。安定化希土類金属酸化物の含有量は、決定的ではないが、一般的に、少なくとも1%、とりわけ少なくとも2%である。この含有量は、酸化セリウム/安定化希土類金属酸化物の混合物の重量に対する、希土類金属の酸化物として表される。
また、酸化セリウムは、シリカ、アルミナおよびチタン酸化物から選択される酸化物により安定化されることが可能であり、この安定化も、比表面積のことである。この安定化酸化物の含有量は、多くとも10%、およびとりわけ多くとも5%が可能である。最小含有量は、少なくとも1%が可能である。この含有量は、酸化セリウム/安定化酸化物の混合物の重量に対する、安定化酸化物として表される。
本発明の他の実施形態によれば、本発明の組成物は、セリウム、ニオブおよびジルコニウムの3種の構成元素を、やはり酸化物の形で含む。
これらの元素のそれぞれの比率は、以下の通りである。
−酸化セリウム:少なくとも50%;
−酸化ニオブ:2から20%;
−酸化ジルコニウム:48%まで。
本発明のこの第二実施形態の場合、酸化ジルコニウムの最小比率は、好ましくは少なくとも10%、とりわけ少なくとも15%である。酸化ジルコニウムの最大含有量は、とりわけ多くとも40%、さらにとりわけ多くとも30%が可能である。
本発明の第三実施形態によれば、本発明の組成物は、さらに、タングステン、モリブデン、鉄、銅、けい素、アルミニウム、マンガン、チタン、バナジウムおよびセリウム以外の希土類金属からなら群から選択される元素Mの少なくとも1種の酸化物を、以下の重量比率で含む。
−酸化セリウム:少なくとも50%;
−酸化ニオブ:2から20%;
−元素Mの酸化物:20%まで;
−残り:酸化ジルコニウム。
この元素Mは、特に、セリウムおよびジルコニウム酸化物の混合物の表面の安定剤として作用することができ、または組成物の還元性を向上することもできる。この明細書を通して、簡素化の理由で1種の元素Mしか記載されていない場合、本発明は、組成物が数種の元素Mを含む場合に適用することは明らかに理解されると、理解されるべきである。
希土類金属およびタングステンの場合における元素Mの酸化物の最大比率は、とりわけ多くとも15%、さらにとりわけ多くとも10重量%の元素M(希土類金属および/またはタングステン)の酸化物が可能である。最小含有量は、少なくとも1%、とりわけ少なくとも2%であり、先に記載された含有量は、酸化セリウム/酸化ジルコニウム/元素Mの酸化物の混合物に対して表される。
Mが希土類金属でもタングステンでもない場合、元素Mの酸化物の含有量は、とりわけ多くとも10%、さらにとりわけ多くとも5%が可能である。最小含有量は、少なくとも1%が可能である。この含有量は、酸化セリウム/酸化ジルコニウム/元素Mの酸化物の混合物に対する、元素Mの酸化物として表される。
希土類金属の場合、元素Mとしては、とりわけ、イットリウム、ランタン、プラセオジミウムおよびネオジミウムが可能である。
先に記載した種々の実施形態に関して、酸化ニオブの比率は、とりわけ3%と15%との間、さらにとりわけ4%と10%との間が可能である。
第二または第三実施形態による、および有利な他の形態による組成物の場合、セリウムの含有量は、少なくとも65%、とりわけ少なくとも70%、およびさらにとりわけ少なくとも75%が可能であり、およびニオブの含有量は、2%と12%との間、およびとりわけ2%と10%との間が可能である。この別の形態による組成物は、高い酸性度および高い還元性を示す。
さらに、これらの種々の実施形態に関し、ニオブの比率は、とりわけ、10%未満、例えば、2%または4%が可能な最小値と、厳密に10%未満の、例えば、多くとも9%、とりわけ多くとも8%、さらにとりわけ多くとも7%の最大値との間が可能である。このニオブの含有量は、全組成物の重量に対する、酸化ニオブの重量として表される。ここで挙げた、特に厳密に10%未満のニオブに比率に関する値は、先に記載した第二または第三実施形態による有利な他の形態にも適用される。
最後に、本発明の組成物は、触媒反応の分野で使用することができるように、充分に安定な、即ち、高温で充分高い比表面積を示す。
従って、一般的に、第一実施形態による組成物は、800℃で4時間焼成した後の比表面積は、少なくとも15m/g、とりわけ少なくとも20m/g、およびさらにとりわけ少なくとも30m/gである。第二および第三実施形態による組成物に関し、同じ条件下でのこの比表面積は、一般的に、少なくとも20m/g、およびとりわけ少なくとも30m/gである。該3つの実施形態に関し、本発明の組成物は、同じ焼成条件下で、約55m/gまでの範囲の表面積を示すことができる。
少なくとも10%の量のニオブを含む場合の本発明による、および有利な実施形態による組成物は、800℃で4時間の焼成後、少なくとも35m/g、とりわけ少なくとも40m/gの比表面積を示すことができる。
さらに、3つの実施形態に関し、本発明の組成物は、900℃で4時間の焼成後、少なくとも10m/g、とりわけ少なくとも15m/gの比表面積を示すことができる。同じ焼成条件下で、約30m/gまでの範囲の比表面積を有することができる。
本発明の組成物は、3つの実施形態に関し、1000℃で4時間の焼成後、少なくとも2m/g、とりわけ少なくとも3m/g、さらにとりわけ少なくとも4m/gの比表面積を示すことができる。同じ焼成条件下で、約10m/gまでの範囲の比表面積を有することができる。
本発明の組成物は、少なくとも5×10−2、とりわけ少なくとも6×10−2、さらにとりわけ少なくとも6.4×10−2の高い酸性度を示し、該酸性度は、後に記載する、TPD分析法により測定することができる。この酸性度は、特に少なくとも7×10−2が可能であり、この酸性度は、生成物の1m当たりのアンモニアのmlで表される。ここで考慮に入れられる面積は、800℃で4時間の焼成後の、mで表される、比表面積の値である。少なくとも9.5×10−2の酸性度を得ることができる。
また、本発明の組成物は、顕著な還元特性を示す。これらの特性は、後に記載する、昇温還元法(TPR)により測定することができる。本発明の組成物は、少なくとも15、とりわけ少なくとも20、さらにとりわけ少なくとも30の還元性を示す。この還元性は、生成物1g当たりの水素のmlで表される。先に記載した還元性の値は、800℃で4時間の焼成に供された組成物に関してのものである。
組成物は、酸化セリウム中に、ニオブ、安定化元素、第一実施形態の場合、ジルコニウムおよびの元素Mの酸化物の固溶体の形で提供され得る。次いで、この場合、X線回析において、酸化セリウムの立方相に相当する、単相の存在が観察される。この固溶体特徴は、一般的に、800℃で4時間の焼成、または900℃で4時間の焼成に供された組成物に当てはまる。
また、本発明は、組成物が、前記元素、セリウム、ニオブおよび、適切な場合は、ジルコニウムおよび元素Mの酸化物から本質的に構成される場合に関する。用語「本質的に構成される」は、考慮下の組成物が、前記元素の酸化物のみを含み、他の機能性元素、即ち、組成物の還元性および/または酸性度および/または安定性に積極的な影響を与え得る他の機能性元素の酸化物を含まないことを意味すると理解される。一方、該組成物は、特に、調製過程、例えば、使用される出発物質または出発反応物から生じ得る不純物のような元素は含み得る。
本発明の組成物は、公知の含浸法によって調製することができる。つまり、前もって調製した、酸化セリウムまたはセリウムおよびジルコニウム酸化物の混合物を、ニオブ化合物、例えば、シュウ酸塩またはシュウ酸ニオブアンモニウムを含む溶液で含浸させる。さらに元素Mの酸化物を含む組成物の調製の場合、含浸には、ニオブ化合物に加えて、この元素Mの化合物を含む溶液が使用される。また、元素Mが、含浸させる出発酸化セリウム中に存在することもできる。
とりわけ乾式含浸が使用される。乾式含浸は、含浸させるべき固体の細孔容積と同じ容積の含浸元素の水溶液を、含浸すべき生成物へ添加することで構成される。
酸化セリウムまたはセリウムおよびジルコニウム酸化物の混合物は、触媒反応の使用に適した比表面積特性を示さなければならない。従って、この表面積は、安定でなければならず、即ち、高温でもこのような使用のために充分な値を示さなければならない。
このような酸化物は周知である。酸化セリウムに関し、特に、特許出願EP0153227、EP0388567およびEP0300852に記載されたものが使用される。希土類金属、けい素、アルミニウムおよび鉄のような元素によって安定化された酸化セリウムに関し、EP2160357、EP547924、EP588691およびEP207857に記載された生成物が使用される。本発明に適した生成物としてセリウムおよびジルコニウムと場合により元素M、特にMは希土類金属である酸化物の混合物に関し、特許出願である、EP605274、EP1991354、EP1660406、EP1603657、EP0906244およびEP0735984に記載されるものが使用される。従って、必要であれば、本発明の実施のために、前記特許出願の記載を組み合わせて参照してもよい。
また、本発明の組成物は、以下に記載する第二の方法によって調製することもできる。
この方法は、以下の段階を含む。
−(a1)水酸化ニオブの懸濁液を、セリウムの塩、ならびに適切な場合は、ジルコニウムおよび元素Mの塩を含む溶液と混合する;
−(b1)このようにして形成した混合物を塩基性化合物と一緒にして、析出物を得る;
−(c1)該析出物を反応溶媒から分離し、焼成する。
この方法の第一段階は、水酸化ニオブの懸濁液を使用する。水酸化ニオブの析出物を得るために、塩化物のようなニオブの塩をアンモニア水溶液のような塩基と反応させることによってこの懸濁液を得ることができる。また、水酸化ニオブの析出物を得るために、ニオブ酸カリウムまたはニオブ酸ナトリウムのようなニオブの塩と、硝酸のような酸との反応によってこの懸濁液を得ることができる。
この反応は、水とエタノールのようなアルコールとの混合物中で行うことができる。このようにして得た水酸化物を、任意の公知の方法で洗浄し、続いて硝酸のような素練り促進剤の存在下、水に再懸濁する。
該方法の第二段階(b1)は、水酸化ニオブの懸濁液とセリウム塩の溶液との混合で構成される。酸化ジルコニウム、または代わりにジルコニウムおよびこの元素Mの酸化物をさらに含む組成物の場合、この溶液は、さらに、ジルコニウムの塩、また元素Mの塩を含むことができる。これらの塩は、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物または硝酸セリウムアンモニウムから選択され得る。
従って、ジルコニウム塩の例として、硫酸ジルコニウム、硝酸ジルコニル、または塩化ジルコニルが挙げられる。硝酸ジルコニルが、最も一般的に使用される。
III型のセリウム塩を使用する場合、酸化剤、例えば、過酸化水素水溶液を、塩の溶液に導入するのが好ましい。
溶液の種々の塩は、所望の最終組成物を得るために必要な化学量論的比率で存在する。
水酸化ニオブの懸濁液および他の元素の塩の溶液から形成された混合物を、塩基性化合物と接触させる。
塩基または塩基性化合物として、水酸化物タイプの生成物が使用される。アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物が挙げられる。また、二級、三級、または四級アミン類を使用してもよい。しかし、アミン類およびアンモニア水溶液は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のカチオンによる汚染の危険性を減らす範囲で、好ましい場合がある。尿素を使用してもよい。塩基性化合物は、とりわけ、溶液の形で使用することができる。
前記混合物と塩基性化合物との間の反応は、反応器内で連続的に行われるのが好ましい。従って、この反応は、混合物および塩基性化合物を連続して導入し、反応生成物も連続して取り出すことにより行われる。
得られた析出物は、任意の従来からの固体/液体分離手段、例えば、沈殿、脱水または遠心分離によって、反応溶媒から分離される。この析出物は、洗浄され、酸化物を形成するのに充分な温度、例えば少なくとも500℃で焼成され得る。
また、本発明の組成物は、以下の段階を含む第三の方法によって調製することもできる。
−(a2)第一段階で、混合物を液体溶媒中で調製する。該混合物は、酸化ジルコニウム、または酸化ジルコニウムおよび元素Mの酸化物を含む組成物を調製するための、セリウム化合物、および適切な場合は、ジルコニウムおよび元素Mの化合物を含む;
−(b2)前記混合物と塩基性化合物とを混合し、析出物を含む懸濁液を得る;
−(c2)この懸濁液をニオブ塩の溶液と混合する;
−(d2)該固体を液体溶媒から分離する;
−(e2)該固体を焼成する。
セリウム化合物は、セリウム(III)またはセリウム(IV)の化合物が可能である。化合物は、塩類のような可溶性化合物が好ましい。セリウム、ジルコニウムおよび元素Mの塩に関して先に記載したことがここでも適用される。塩基性化合物の性質に関しても同じである。第一段階の出発混合物の種々の化合物は、所望の最終組成物を得るために必要な化学量論的比率で存在する。
第一段階の液体溶媒は、一般的に、水である。
第一段階の出発混合物は、最初の固体状の化合物からでも、ここで、該化合物は続いて容器の後端の例えば水へ導入され、または直接これらの化合物の溶液からでも、区別されることなく、次いで得られた溶液を任意の順番で混合することにより得ることができる。
第二段階(b2)における反応物質は、任意の順番で導入することができる。導入すべき塩基性化合物を混合物に導入することができ、またはこの反対も可能であり、また、導入すべき反応物質を反応器に同時に導入することも可能である。
添加は、一括でも、段階的でも、連続的でも行うことができ、攪拌しながら行うのが好ましい。この操作は、周辺温度(18から25℃)と反応溶媒の還流温度の間の温度で行うことができ、還流温度は、例えば、120℃に達することが可能である。周辺温度で行うことが好ましい。
第一方法の場合のように、特にセリウム(III)化合物を使用する場合、過酸化水素水溶液のような酸化剤を、出発混合物または塩基性化合物の導入の際のどちらかで加えることが可能であることは注意を要する場合がある。
塩基性化合物の添加の第二段階(b2)の最後で、反応溶媒は、場合により、析出を完了するために、もう少しだけ攪拌を続けることができる。
また、該方法のこの段階で、熟成を行うことも可能である。これは、塩基性化合物と混合した後得られる反応溶媒について直接行うこともでき、または水中への析出物の再懸濁後に得られる懸濁液について行うこともできる。熟成は、溶媒を加熱することにより行う。溶媒が加熱される温度は、少なくとも40℃、とりわけ少なくとも60℃、さらにとりわけ少なくとも100℃である。このように、溶媒は、一定の温度で、ある時間、通常、少なくとも30分、とりわけ少なくとも1時間維持される。熟成は、大気圧、または場合によりより高い圧力および100℃を超える、特に100℃と150℃との間の温度で行うことができる。
該方法の次の段階(c2)は、前の段階で得られた懸濁液と、ニオブ塩の溶液とを混合することで構成される。ニオブ塩として、塩化ニオブ、ニオブ酸カリウムまたはナトリウム、とりわけここでは、シュウ酸ニオブおよびシュウ酸ニオブアンモニウムが挙げられる。
この混合は、周辺温度で行うのが好ましい。
該方法の以下の段階(d2)および(e2)は、先の段階で得られた懸濁液から固体を分離し、場合によりこの固体を洗浄し、次いで焼成することで構成される。これらの段階は、第二方法に関し先に記載したやり方と同じやり方で行う。
元素Mの酸化物を含む組成物の調製の場合、第三方法は、段階(a2)でこの元素Mの化合物が存在しない代わりの形態を示すことができる。次いで、元素Mの化合物を、段階(c2)において、ニオブ溶液と混合する前もしくは後、または同時に導入する。
また、第三方法は、段階(c2)でアニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、ポリエチレングリコール類、カルボン酸およびこれらの塩類、ならびに脂肪族アルコール類のカルボキシメチル化エトキシレートの界面活性剤から選択される添加物をこの段階で得られる溶媒に加える、別の代わりの形態に従って、行うこともできる。続いて、段階(d2)を行う。段階(c2)および(d2)を行い、次いで前記添加剤を分離の結果得られた固体に加えることも可能である。
添加剤の性質は、WO2004/085039に、より詳しい説明が記載されている。非イオン性界面活性剤として、とりわけ、Igepal(登録商標)、Dowanol(登録商標)、Rhodamox(登録商標)、およびAlkamide(登録商標)の商標の下に販売されている生成物が挙げられる。つまり、特に、カルボン酸に関して、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸およびパルミチン酸、ならびにこれらのアンモニア性塩類が挙げられる。
最後に、セリウム、ニオブおよびジルコニウムの酸化物、ならびに場合により元素Mの酸化物に基づく本発明の組成物は、以下に記載する第四の方法によって調製することもできる。
この方法は、以下の段階を含む。
−(a3)混合物を液体溶媒中で調製する。該混合物は、ジルコニウムの化合物、ならびにセリウムおよび適切な場合元素Mの化合物を含む;
−(b3)該混合物を、100℃を超える温度で加熱する;
−(c3)加熱の結果得られた反応溶媒を、塩基性のpHにする;
−(c’3)場合により、反応溶媒の熟成を行う;
−(d3)この溶媒をニオブ塩の溶液と混合する;
−(e3)固体を液体溶媒から分離する;
−(f3)該固体を焼成する。
該方法の第一段階は、ジルコニウムの化合物、ならびにセリウムおよび適切な場合は元素Mの化合物の混合物を液体溶媒中で調製することで構成される。混合物の種々の化合物は、所望の最終組成物を得るために必要な化学量論的比率で存在する。
液体溶媒は一般的に水である。
化合物は溶解性化合物が好ましい。これらは、特に、ジルコニウム、セリウムおよび先に記載した元素Mの塩類が可能である。
混合物は、最初の固体状の化合物からでも、ここで、該化合物は続いて容器の後端の例えば水へ導入され、または直接これらの化合物の溶液からでも、区別されることなく、次いで得られた溶液を任意の順番で混合することにより得ることができる。
このようにして最初の混合物を得、続いて、この第四方法の第二段階(b3)に従って、加熱する。
熱加水分解としても知られるこの加熱処理を行う温度は、100℃を超える。従って、該温度は、100℃と反応溶媒の臨界温度との間、特に100℃と350℃との間、好ましくは100℃と200℃との間が可能である。
加熱操作は、液体溶媒を、密閉チャンバ(オートクレーブタイプの密閉反応器)に導入することによって行うことができ、必要な圧力は、反応溶媒の加熱だけからのみ生じる(自生圧力)。先に示した温度条件下および水性溶媒中で、実例として、密閉反応器内の圧力は、1バール(10Pa)を超える値と165バール(1.65×10Pa)との間、好ましくは5バール(5×10Pa)と165バール(1.65×10Pa)との間で変化することができると特定することができる。当然のことながら、加熱により得られる圧力に加えられる外部圧力を作用させることも可能である。
また、約100℃の温度で、開放反応器で加熱を行うことも可能である。
加熱は、大気中でも不活性ガス雰囲気下でも行うことができ、不活性ガスは窒素が好ましい。
処理時間は重要ではなく、従って、広い範囲、例えば、1時間と48時間との間、好ましくは2時間と24時間との間で変化することができる。同様に、ある速度で起こる温度上昇も重要ではなく、従って、溶媒を加熱することによって、例えば、30分と4時間との間に、設定された反応温度に到達することが可能である。これらの値は、全て目安として示されている。
この第二段階で、このように得られた反応溶媒を、塩基性のpHにする。この操作は、例えば、アンモニア水溶液のような塩基を溶媒に加えることによって行われる。
用語「塩基性のpH」は、7を超える、好ましくは8を超えるpHの値を意味すると理解される。
この代わりの形態は好ましくはないが、元素Mを、特に先に記載した形態で、特に塩基の添加の間に、加熱の際得られた反応混合物に導入することも可能である。
加熱の段階で、固体析出物は回収され、該析出物は、先に記載したように、この溶媒から分離することができる。
このように回収された生成物は、続いて、洗浄操作に供することができ、次いで、水、または場合により、例えばアンモニア水溶液のような塩基性溶液で処理する。洗浄操作は、析出物を水に再懸濁し、このようにして得た懸濁液を100℃までの範囲の温度で維持することによって行うことができる。残留水分を取除くために、洗浄生成物を、例えばオーブンで、または噴霧することによって乾燥することもでき、これは、80℃と300℃との間、好ましくは100℃と200℃との間の温度で行う。
本発明の特定の代わりの形態によれば、該方法は、熟成(段階c’3)を含む。
熟成は、第三方法で先に記載した条件と同じ条件下で行う。また、熟成は、析出物を水に再懸濁した後得られる懸濁液で行うこともできる。この懸濁液のpHを、7を超える、好ましくは8を超える値に調整することが可能である。
数種の熟成操作が可能である。つまり、熟成段階および場合により洗浄操作後に得た析出物を水に再溶解し、次いで、このようにして得た溶媒の別の熟成を行うことができる。この他の熟成操作は、第一熟成操作で記載した条件と同じ条件下で行う。当然のことながら、この手順を数回繰り返すことができる。
この第四方法の以下の段階、(d3)から(f3)、即ち、ニオブ塩の溶液との混合、固体/液体分離および焼成は、第二および第三方法の対応する段階と同じ方法で行われる。従って、これらの段階に関して先に記載したことは、ここに適用される。
先に記載した本発明の組成物、即ち、セリウムの酸化物と、ニオブ、場合によりジルコニウムおよび元素の酸化物とに基づく組成物は、粉末の形で提供されるが、場合により、種々のサイズの顆粒、球形、円筒、ハニカムの形で提供できるように形成され得る。
これらの組成物は、触媒形成の分野で普通に使用されている任意の材料、即ち、特に熱的に不活性な材料から選択される材料とともに使用することができる。この材料は、アルミナ、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、シリカ、スピネル、ゼオライト、シリケート、結晶性リン酸シリコアルミニウム、または結晶性リン酸アルミニウムから選択することができる。
先に記載したような本発明の組成物は、触媒特性を有し、および先に記載した材料のタイプの材料を持つこれらの組成物に基づく被覆剤(ウォッシュコート)を含む触媒系で使用することもでき、ここで、該被覆剤は、モノリス型の、Fercralloyのような金属製の、コーディエライトのようなセラミック製の、シリコンカーバイド製の、アルミナチタネート製の、またはムライト製の基板上に析出する。
この被覆剤は、組成物を材料と、懸濁液が形成するように混合することにより得られ、これは、続いて基板上で析出する。
触媒反応および、特に、前記触媒系で使用される場合、本発明の組成物は、貴金属と組み合わせて使用することができ、これらは、場合により、これらの金属にサポートとして作用し得る。これらの金属の性質および後者の組成物への導入のための技術は、当業者に周知である。例えば、金属は、白金、ロジウム、パラジウム、銀、金またはイリジウムが可能である。これらは、特に、含浸によって組成物に導入され得る。
該触媒系、とりわけ本発明の組成物は、非常に多くの用途を有し得る。
これらの触媒系、とりわけ本発明の組成物は非常に多くの用途を有し得る。即ち、これらは、種々の反応、例えば、脱水、水硫化、水素化脱窒素、脱硫、水素化脱硫、脱ハロゲン化水素、改質、水蒸気改質、クラッキング、水素化分解、水素化、脱水素化、異性化、不均化、オキシ塩素化、炭化水素または他の有機化合物の脱水素環化、酸化および/または還元反応、クラウス反応、内燃機関からの排気ガスの処理、脱金属、メタン化反応、希薄な燃焼条件下で動作するディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンのような内燃機関によって放出されるばい煙の転化または触媒酸化の触媒反応に特によく適し、つまり、使用することができる。本発明の系および組成物は、水性ガス反応、水蒸気改質反応、異性化反応または触媒クラッキング反応を採用する方法で触媒として使用することができる。最後に、本発明の触媒系および組成物は、NO捕集剤として使用することができる。
本発明の触媒系および組成物は、とりわけ、以下の用途に使用することができる。
第一の用途は、ガスの処理方法であって、このガス中に存在するCOおよび炭化水素の酸化のための触媒として、本発明の系または組成物を使用する方法に関する。
第二用途によれば、本発明の系および組成物は、ガスの処理において、NOおよびCOを吸着するために使用することもできる。
これら2つの用途で処理されるガスは、内燃機関(動いているまたは静止している。)に起因するガスが可能である。
別の用途によれば、本発明の組成物は、ガソリンエンジンの排ガスの処理での三元触媒反応用の触媒の形成において使用することができ、本発明の触媒系は、この触媒反応を行うために使用することができる。
別の用途は、NOを分解する目的のためのガスの処理方法における本発明の系および組成物の使用に関する。
幾つかの工業プラントでは、放出されるガス中にNOが大量に存在することが知られている。NOの排出を避けるため、これらのガスは、大気に排出される前に、NOを酸素および窒素に分解するように処理される。本発明の系および組成物は、この分解反応用の触媒として、とりわけ、硝酸またはアジピン酸の調製方法において、使用することができる。
以下実施例を示す。
[実施例1]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブをそれぞれ以下の63.0/27.0/10.0の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
先ず第一に、水酸化ニオブの懸濁液を以下の方法で調製する。
1200gの無水エタノールを攪拌器および還流冷却器を備える5リットルの反応器に導入する。295gの塩化ニオブ(V)粉末を攪拌しながら20分かけて加える。続いて、625gの無水エタノールを加える。溶媒を12時間放置する。
50gの脱イオン水を反応器に導入し、溶媒を70℃で1時間還流する。放冷する。この溶液をAと言う。
870gのアンモニア水溶液(29.8%のNH)を、攪拌器を備える6リットルの反応器に導入する。溶液Aおよび2250mlの脱イオン水を全て、15分かけ攪拌しながら同時に導入する。懸濁液を回収し、遠心分離により数回洗浄する。該遠心分離物をBと言う。
1mol/lの硝酸溶液2.4リットルを、攪拌器を備える6リットル反応器に導入する。遠心分離物Bを、攪拌しながら反応器に導入する。攪拌を12時間維持する。pHは0.7である。Nbの濃度は4.08%である。この懸濁液をCと言う。
続いて、1040gの濃縮アンモニア水溶液(29.8%のNH)を6690gの脱イオン水に導入することによって、アンモニア水溶液Dを調製する。
4250gの脱イオン水と、1640gの硝酸セリウム(III)溶液(30.32%のCeO)/1065gのジルコニウムオキシニトレート溶液(20.04%のZrO)/195gの過酸化水素水溶液(50.30%のH)と、1935gの懸濁液C(4.08%のNb)とを混合することによって、溶液Eを調製する。この溶液Eを攪拌する。
溶液Dおよび溶液Eを、同時に、3.2リットル/時間の流速で、攪拌した、排水口を備える4リットル反応器へ加える。その後、析出物を樽に回収する。pHは安定であり、約9である。
懸濁液をろ過し、固体生成物を洗浄し、800℃で4時間焼成する。
[実施例2]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の55.1/40.0/4.9の重量比で含む本発明による粗製物の調製に関する。
アンモニア水溶液Dの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−濃縮アンモニア水溶液:978g
−脱イオン水:6760g
また、溶液Eの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−脱イオン水:5000g
−硝酸セリウム(III)溶液:1440g
−ジルコニウムオキシニトレート溶液;1580g
−過酸化水素水溶液:172g
−懸濁液C:950g
後の手順は実施例1の通りである。
[実施例3]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の54.0/39.1/6.9の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
アンモニア水溶液Dの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−濃縮アンモニア水溶液:1024g
−脱イオン水:6710g
また、溶液Eの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−脱イオン水:4580g
−硝酸セリウム(III)溶液:1440g
−ジルコニウムオキシニトレート溶液:1580g
−過酸化水素水溶液:172g
−懸濁液C:1370g
後の手順は実施例1の通りである。
[実施例4]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の77.9/19.5/2.6の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
また、アンモニア水溶液Dの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−濃縮アンモニア水溶液:966g
−脱イオン水:6670g
また、溶液Eの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−脱イオン水:5620g
−硝酸セリウム(III)溶液:2035g
−ジルコニウムオキシニトレート溶液:770g
−過酸化水素水溶液:242g
−懸濁液C:505g
後の手順は実施例1の通りである。
[実施例5]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の76.6/19.2/4.2の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
また、アンモニア水溶液Dの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−濃縮アンモニア水溶液:1002g
−脱イオン水:6730g
また、溶液Eの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−脱イオン水:5290g
−硝酸セリウム(III)溶液:2035g
−ジルコニウムオキシニトレート溶液:770g
−過酸化水素水溶液:242g
−懸濁液C:830g
後の手順は実施例1の通りである。
[実施例6]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、以下の74.2/18.6/7.2の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
また、アンモニア水溶液Dの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−濃縮アンモニア水溶液:1068g
−脱イオン水:6650g
また、溶液Eの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−脱イオン水:4660g
−硝酸セリウム(III)溶液:2035g
−ジルコニウムオキシニトレート溶液:770g
−過酸化水素水溶液:242g
−懸濁液C:1470g
後の手順は実施例1の通りである。
[実施例7]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の72.1/18.0/9.9の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
アンモニウムシュウ酸ニオブ(V)溶液を、高温条件下、192gのアンモニウムシュウ酸ニオブ(V)を300gの脱イオン水に溶解することによって調製する。
この溶液を50℃で維持する。この溶液中のNbの濃度は、14.2%である。
続いて、この溶液を、セリウムおよびジルコニウム酸化物の混合物(CeO/ZrO80/20の重量組成、800℃で4時間焼成後の比表面積:59m/g)で形成された粉末に、細孔容積が飽和するまで導入する。
続いて、含浸粉末を800℃で焼成する(4時間の固定相)。
[実施例8]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の68.7/17.2/14.1の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
また、アンモニア水溶液Dの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−濃縮アンモニア水溶液:1148g
−脱イオン水:6570g
また、溶液Eの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−脱イオン水:3400g
−硝酸セリウム(III)溶液:1880g
−ジルコニウムオキシニトレート溶液:710g
−過酸化水素水溶液:224g
−懸濁液C:2870g
後の手順は実施例1の通りである。
[実施例9]
この実施例は、酸化セリウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の96.8/3.2の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
また、アンモニア水溶液Dの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−濃縮アンモニア水溶液:990g
−脱イオン水:6750g
また、溶液Eの調製は、ジルコニウムオキシニトレートを使用しないこと以外は実施例1と同じ化合物を用い、以下の比率で行う。
−脱イオン水:5710g
−硝酸セリウム(III)溶液:2540g
−過酸化水素水溶液:298g
−懸濁液C:625g
後の手順は実施例1の通りである。
[実施例10]
この実施例は、酸化セリウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の91.4/8.6の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
また、アンモニア水溶液Dの調製は、実施例1と同じ化合物を用い、ただし以下の比率で行う。
−濃縮アンモニア水溶液:1110g
−脱イオン水:6610g
また、溶液Eの調製は、ジルコニウムオキシニトレートを使用しないこと以外は実施例1と同じ化合物を用い、以下の比率で行う。
−脱イオン水:4570g
−硝酸セリウム(III)溶液:2540g
−過酸化水素水溶液:298g
−懸濁液C:1775g
後の手順は実施例1の通りである。
[実施例11]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の63.0/27.0/10.0の重量比で含む本発明による組成物の調製に関する。
264gの脱イオン水、238gの硝酸セリウム(IV)溶液(252g/lのCeO)および97gのジルコニウムオキシニトレート溶液(261g/lのZrO)を混合することによって、ジルコニウムおよび硝酸セリウム(IV)の溶液を調製する。この溶液中の酸化物の濃度は、120g/lである。
373gの脱イオン水および111gのアンモニア水溶液(32%のNH)を、攪拌した、1.5lの反応器に導入する。
硝酸塩の溶液を1時間かけて導入する。最終pHは、約9.5である。
このようにして調製された懸濁液を、95℃で2時間熟成させる。続いて、溶媒を放冷する。
シュウ酸ニオブ(V)溶液を、高温条件下で、44.8gのシュウ酸ニオブ(V)を130gの脱イオン水に溶解することにより調製する。
この溶液を50℃で維持する。この溶液中のNbの濃度は、3.82%である。
シュウ酸ニオブ(V)溶液を20分かけて冷却した懸濁液に導入する。
懸濁液をろ過し、洗浄する。
続いてケーキを炉に導入し、800℃で焼成する(4時間の固定相)。
[実施例12]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、以下の63.3/26.7/10.0の重量比で含む組成物の調製に関する。
451gの脱イオン水、206gの硝酸セリウム(IV)溶液(252g/lのCeO)および75gのジルコニウムオキシニトレート溶液(288g/lのZrO)を混合することによって、ジルコニウムおよび硝酸セリウム(IV)の溶液を調製する。この溶液の酸化物の濃度は、80g/lである。
硝酸塩のこの溶液を、オートクレーブに導入する。
温度を100℃に上げる。溶媒を100℃で1時間攪拌する。
放冷する。
懸濁液を、攪拌した、1.5lの反応器に移す。
6mol/lのアンモニア水溶液を、攪拌しながら、pHが約9.5となるまで導入する。
懸濁液を95℃で2時間熟成する。
続いて溶媒を放冷する。
高温条件下、39gのシュウ酸ニオブ(V)を113gの脱イオン水に溶解することによって、シュウ酸ニオブ(V)溶液を調製する。
この溶液を50℃で維持する。この溶液のNbの濃度は、3.84%である。
シュウ酸ニオブ(V)溶液を、20分かけて、冷却した懸濁液に導入する。
続いてpHを、アンモニア水溶液(32%のNH)の添加によりpH9に戻す。
懸濁液をろ過し、洗浄する。続いて、ケーキを炉に導入し、800℃で焼成する(4時間の固定相)。
[実施例13]
この実施例は、酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを、それぞれ、以下の64.0/27.0/9.0の重量比で含む組成物の調製に関する。
実施例12と同じ手順を採用する。
ただし、シュウ酸ニオブ(V)溶液は、高温条件下、35.1gのシュウ酸ニオブ(V)を113gの脱イオン水に溶解することによって調製する。この溶液のNbの濃度は、3.45%である。
以下の表において、前記実施例の組成物のそれぞれに関し:
−800℃および900℃で4時間焼成後のBET比表面積;
−酸性度特性;
−還元特性;
を記載する。
酸性度
酸性度特性は、以下に記載するTPD法によって測定する。
TPDにおいて酸部位を特徴付けるために使用するプローブ分子は、アンモニアである。
−サンプルの調製
サンプルを20℃/分の温度上昇に従って、ヘリウム気流(30ml/分)下で500℃にし、水蒸気を除去し、そのため気孔がつぶれないようにするために、この温度で30分維持する。最後にサンプルを、ヘリウム気流下、10℃/分の速さで、100℃に冷却する。
−吸着:
続いて、サンプルを、大気圧で、アンモニア(100℃でヘリウム中5容量%のNH)の気流(30ml/分)に30分(飽和するまで)当てる。サンプルを、ヘリウムの気流に最小でも1時間当てる。
−脱離
700℃になるまで10℃/分の温度上昇の実施によって、TPDを行う。
温度上昇の間、脱離された物質、即ち、アンモニアの濃度を記録する。脱離段階の間のアンモニアの濃度を、熱伝導度検出器(TCD)を使用し、セルの出口で測定したガス気流の熱伝度における偏差の較正によって導く。
表1で、アンモニアの量は、ml(標準温度および圧力条件)/組成物のm(800℃での表面積)で表される。
アンモニアの量が多いほど、生成物の表面酸性度が高い。
還元性
還元特性は、Micromeritics Autochem2装置で温度プログラム還元(TPR)を行うことによって測定する。この装置は、組成物の水素消費量を温度の関数として測定することを可能にする。
より詳しくは、水素を、アルゴン中10容量%で、30ml/分の流速で使用する。
実験プロトコルは、200mgのサンプルを準備された容器に秤量することで構成される。
続いて、サンプルを底部に石英ウールを含有する石英セルに導入する。最後に、サンプルを石英ウールで覆い、測定装置の炉に置く。
温度プログラムは以下の通りである。
−Ar中10容量%のH下20℃/分の上昇勾配で、温度を周辺温度から900℃まで上昇。
このプログラムの間、サンプルの上の石英セルに置かれた熱電対を使用して、サンプルの温度を測定する。
還元段階の間の水素消費量を、熱伝導度検出器(TCD)を使用し、セルの出口で測定したガス気流の熱伝度における偏差の較正によって導く。
水素消費量を、30℃と900℃との間で測定する。
表1に、生成物1g当たりのHのml(標準温度および圧力条件)を示す。
この水素消費量が多いほど、生成物の還元特性はより良好である(レドックス特性)。
Figure 0005902158
表中の還元性の値は、800℃で4時間の焼成を受けた組成物に関するものであることに留意すべきである。
表1から、本発明による組成物は、良好な還元特性および良好な酸性度特性を同時に示すことが分かる

Claims (15)

  1. 酸化ニオブ2から20重量%を含み、残りを酸化セリウムとして含む酸化セリウムに基づく組成物であって、
    800℃で4時間焼成した後のTPD分析により測定された、少なくとも6×10−2の酸性度であって、この酸性度は800℃で4時間焼成した後に測定される組成物の表面積1m当たりのアンモニアのmlで表される酸性度、
    800℃で4時間焼成した後、少なくとも15m/gの比表面積、および
    1000℃で4時間焼成した後、少なくとも2m/gの比表面積を示す、
    ことを特徴とする、組成物。
  2. 以下の重量比率:
    −酸化セリウム:少なくとも50%;
    −酸化ニオブ:2から20%;
    −酸化ジルコニウム:48%まで
    で3つの構成要素である酸化セリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニオブを含む組成物であって、
    800℃で4時間焼成した後のTPD分析により測定された、少なくとも6×10−2の酸性度であって、この酸性度は800℃で4時間焼成した後に測定される組成物の表面積1m当たりのアンモニアのmlで表される酸性度、
    1000℃で4時間焼成した後、少なくとも2m/gの比表面積を示す、
    ことを特徴とする、組成物。
  3. 800℃で4時間焼成した後、少なくとも7×10−2の酸性度を示し、この酸性度は、800℃で4時間焼成した後に測定される組成物の表面積1m当たりのアンモニアのmlで表されることを特徴とする、請求項1または2に記載の組成物。
  4. 酸化ニオブを、3%と15%との間の重量比率で含むことを特徴とする、請求項1から3の一項に記載の組成物。
  5. 酸化セリウムを少なくとも65%の重量比率で、ならびに酸化ニオブを2%と12%との間の重量比率で含むことを特徴とする、請求項2に記載の組成物。
  6. 酸化セリウムを、少なくとも70%の重量比率で含むことを特徴とする、請求項5に記載の組成物。
  7. 酸化セリウムを、少なくとも75%の重量比率で含むことを特徴とする、請求項6に記載の組成物。
  8. 酸化ニオブを2%以上10%未満の重量比率で含むことを特徴とする、請求項1から7の一項に記載の組成物。
  9. 800℃で4時間焼成した後、少なくとも20m/gの比表面積を示すことを特徴とする、請求項2または請求項3から8の一項に記載の組成物。
  10. 1000℃で4時間焼成した後、少なくとも3m/gの比表面積を示すことを特徴とする、請求項1から9の一項に記載の組成物。
  11. 請求項1から10の一項に記載の組成物を含むことを特徴とする触媒系。
  12. ガスを処理する方法であって、このガス中に存在するCOおよび炭化水素の酸化触媒として、請求項11に記載の触媒系または請求項1から10の一項に記載の組成物を使用することを特徴とする方法。
  13. ガスを処理する方法であって、NOの分解、NOおよびCOの吸着のために、請求項11に記載の触媒系、または請求項1から10の一項に記載の組成物を使用することを特徴とする方法。
  14. 以下の反応:水性ガス反応、水蒸気改質反応、異性化反応または触媒クラッキング反応の1つを使用する方法であって、請求項11に記載の触媒系または請求項1から10の一項に記載の組成物を使用することを特徴とする方法。
  15. ガソリンエンジン排ガスを処理する三元触媒反応方法であって、この方法を実施するために、請求項11に記載の触媒系、または請求項1から10の一項に記載の組成物から処方された触媒を使用することを特徴とする方法。
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