JP6015336B2 - Exhaust gas purification catalyst and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化用触媒及びその製造方法に関する。詳細には、本発明は、高耐熱性を有し、さらに排気ガス中の有害物質を高効率で浄化することができる排気ガス浄化用触媒及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification catalyst for purifying exhaust gas discharged from an internal combustion engine and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to an exhaust gas purifying catalyst having high heat resistance and capable of purifying harmful substances in exhaust gas with high efficiency, and a method for producing the same.
自動車等に搭載される排気ガス浄化用触媒として、排気ガス中に含まれる有害ガス(炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx))を酸化又は還元する三元触媒が知られている。そして、近年の環境意識の高まりから、自動車等から排出される排気ガス規制がより一層強化されており、それに伴い三元触媒の改良が進められている。 A three-way catalyst that oxidizes or reduces harmful gases (hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO), nitrogen oxide (NOx)) contained in exhaust gas as a catalyst for exhaust gas purification mounted on automobiles, etc. It has been known. Due to the recent increase in environmental awareness, regulations on exhaust gas emitted from automobiles and the like have been further strengthened, and the three-way catalyst has been improved accordingly.
従来の三元触媒としては、貴金属粒子を担持し移動を抑制する第1の化合物と、貴金属粒子を担持した第1の化合物を内包すると共に第1の化合物同士の接触に伴う第1の化合物の凝集を抑制する第2の化合物とからなる触媒が開示されている。この触媒では、貴金属粒子を担持した第1の化合物の周囲を第2の化合物で覆っていることから、長期間の使用後においても貴金属粒子が第1の化合物上から移動し凝集することが抑制されるため、高い浄化性能を維持することができる。 As a conventional three-way catalyst, the first compound that supports the noble metal particles and suppresses the movement and the first compound that supports the noble metal particles are included, and the first compound is brought into contact with the first compounds. A catalyst comprising a second compound that suppresses aggregation is disclosed. In this catalyst, since the periphery of the first compound carrying the noble metal particles is covered with the second compound, the noble metal particles are prevented from moving and aggregating from the first compound even after long-term use. Therefore, high purification performance can be maintained.
しかし、近年、排気規制が強化されたことから、早期活性化のために、三元触媒を排気マニホールドの直下で使用することが増加している。この場合、使用環境温度が高温化し、900℃を超える場合もある。また、マニホールド触媒は、床下触媒に比べ排気ガス処理量が10〜90倍程度も多く、高い排気ガス処理性能が要求されるため、貴金属の担持量を多くする必要がある。その結果、たとえ特許文献1の排気ガス浄化用触媒を使用したとしても、貴金属粒子の凝集を抑制することが難しくなる場合が生じてきた。つまり、第1の化合物上に担持されていた貴金属粒子が、周囲を覆う第2の化合物上に移動した後に凝集するため、触媒性能が低下するという問題があった。 However, in recent years, exhaust regulations have been strengthened, so that the use of a three-way catalyst directly under the exhaust manifold is increasing for early activation. In this case, the use environment temperature is increased and may exceed 900 ° C. Further, the manifold catalyst has an exhaust gas processing amount of about 10 to 90 times that of the underfloor catalyst, and high exhaust gas processing performance is required. Therefore, it is necessary to increase the amount of noble metal supported. As a result, even if the exhaust gas purifying catalyst of Patent Document 1 is used, it may be difficult to suppress aggregation of noble metal particles. That is, since the noble metal particles supported on the first compound are aggregated after moving on the second compound covering the periphery, there is a problem that the catalyst performance is lowered.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、使用環境温度が高温化した場合であっても貴金属粒子の凝集を抑制し、排気ガス浄化性能を維持することが可能な排気ガス浄化用触媒を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification catalyst capable of suppressing the aggregation of noble metal particles and maintaining the exhaust gas purification performance even when the use environment temperature is increased. .
本発明の排気ガス浄化用触媒は、貴金属粒子を担持するアンカー粒子を含む複数の触媒ユニットと、複数の触媒ユニットを内包する包接材と、を有する。そして、密度汎関数法で計算される900℃におけるアンカー粒子と貴金属粒子との間の比較結合エネルギーEc1と、包接材と貴金属粒子との間の比較結合エネルギーEc2とが、Ec1<Ec2の関係を満たし、貴金属粒子はアンカー粒子と包接材の両方に担持されていることを要旨とする。 The exhaust gas purifying catalyst of the present invention has a plurality of catalyst units including anchor particles supporting noble metal particles, and an enclosure material containing the plurality of catalyst units. Then, the comparative binding energy Ec1 between the anchor particle and the noble metal particle at 900 ° C. calculated by the density functional method and the comparative binding energy Ec2 between the inclusion material and the noble metal particle are in a relationship of Ec1 <Ec2. meets, noble metal particles is summarized in that carried on both the anchor particles and the enclosure material.
本発明の排気ガス浄化用触媒の製造方法は、アンカー粒子前駆体と、包接材前駆体と、アンカー粒子前駆体と共に凝集体を形成するバインダーと、貴金属粒子前駆体とを溶媒中に混合し、乾燥及び焼成することを要旨とする。 The method for producing an exhaust gas purifying catalyst of the present invention comprises mixing an anchor particle precursor, an inclusion material precursor, a binder that forms an aggregate together with the anchor particle precursor, and a noble metal particle precursor in a solvent. The gist is to dry and bake.
本発明の排気ガス浄化用触媒では、900℃において、アンカー粒子と貴金属粒子との間の比較結合エネルギーEc1が包接材と貴金属粒子との間の比較結合エネルギーEc2より小さい。そのため、900℃以上の高温状態になった場合には、活性点である貴金属粒子は包接材からアンカー粒子上に移動し、アンカー材上に留まることから、貴金属の拡散と凝集を抑制することができる。 In the exhaust gas purifying catalyst of the present invention, at 900 ° C., the comparative binding energy Ec1 between the anchor particles and the noble metal particles is smaller than the comparative binding energy Ec2 between the inclusion material and the noble metal particles. Therefore, when a high temperature state of 900 ° C. or higher is reached, noble metal particles that are active sites move from the inclusion material onto the anchor particles and remain on the anchor material, thereby suppressing diffusion and aggregation of the noble metal. Can do.
以下、図面を用いて本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio.
[排気ガス浄化用触媒]
図1では、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒及び排気ガス浄化用触媒構造体を示す。なお、本明細書において、排気ガス浄化用触媒を単に「触媒」といい、排気ガス浄化用触媒構造体を単に「触媒構造体」という場合がある。
[Exhaust gas purification catalyst]
FIG. 1 shows an exhaust gas purification catalyst and an exhaust gas purification catalyst structure according to this embodiment. In this specification, the exhaust gas purifying catalyst may be simply referred to as “catalyst”, and the exhaust gas purifying catalyst structure may be simply referred to as “catalyst structure”.
触媒構造体1は、図1(a)に示すように、複数のセル2aを有するハニカム担体(耐火性無機担体)2を備えている。排気ガスは、排気ガス流通方向Fに沿って各セル2a内を流通し、そこで触媒層と接触することにより浄化される。 As shown in FIG. 1A, the catalyst structure 1 includes a honeycomb carrier (a refractory inorganic carrier) 2 having a plurality of cells 2a. The exhaust gas flows through each cell 2a along the exhaust gas flow direction F, and is purified by contacting with the catalyst layer there.
触媒構造体1では、担体2の内表面に触媒層が形成されている。具体的には、図1(b)に示すように、担体2の内表面上に触媒層3が形成されている。そして、触媒層3は、図1(c)に示すように、複数の触媒粒子(排気ガス浄化用触媒)5により形成されている。 In the catalyst structure 1, a catalyst layer is formed on the inner surface of the carrier 2. Specifically, a catalyst layer 3 is formed on the inner surface of the carrier 2 as shown in FIG. The catalyst layer 3 is formed by a plurality of catalyst particles (exhaust gas purifying catalyst) 5 as shown in FIG.
触媒層3を構成する触媒粒子5は、貴金属粒子6と、アンカー粒子7とを含有している。アンカー粒子7は、貴金属粒子6のアンカー材として貴金属粒子6を表面に担持している。さらに触媒粒子5は、貴金属粒子6とアンカー粒子7との複合粒子8を包接し、隣接する複合粒子8の間を互いに隔てる包接材9を含有する。 The catalyst particles 5 constituting the catalyst layer 3 contain noble metal particles 6 and anchor particles 7. The anchor particle 7 carries the noble metal particle 6 on the surface as an anchor material for the noble metal particle 6. Further, the catalyst particles 5 contain an inclusion material 9 that encloses the composite particles 8 of the noble metal particles 6 and the anchor particles 7 and separates the adjacent composite particles 8 from each other.
触媒粒子5では、貴金属粒子6がアンカー粒子7上に接触して担持することにより、アンカー粒子7が化学的結合によるアンカー材として作用し、貴金属粒子6の移動を抑制する。また、貴金属粒子6が担持されたアンカー粒子7を包接材9で覆い、内包する形態とすることにより、貴金属粒子6が包接材9により隔てられた区画を越えて移動することを物理的に抑制する。さらに、包接材9により隔てられた区画内にアンカー粒子7を含むことにより、包接材9により隔てられた区画を越えてアンカー粒子7同士が接触し凝集することを抑制する。これによって、アンカー粒子7が凝集することを防止するだけでなく、アンカー粒子7に担持された貴金属粒子6同士が凝集することも防止できる。その結果、触媒粒子5は、製造コストや環境負荷を大きくすることなく、貴金属粒子6の凝集による触媒活性の低下を抑制することができる。また、アンカー粒子7による貴金属粒子6の活性向上効果を維持することができる。 In the catalyst particles 5, the noble metal particles 6 are in contact with and supported on the anchor particles 7, so that the anchor particles 7 act as an anchor material due to chemical bonding and suppress the movement of the noble metal particles 6. Further, the anchor particles 7 carrying the noble metal particles 6 are covered with the inclusion material 9 so as to be encapsulated, so that the movement of the noble metal particles 6 beyond the section separated by the inclusion material 9 is physically performed. To suppress. Further, by including the anchor particles 7 in the section separated by the enclosure material 9, the anchor particles 7 are prevented from contacting and aggregating beyond the section separated by the enclosure material 9. This not only prevents the anchor particles 7 from aggregating, but also prevents the noble metal particles 6 supported on the anchor particles 7 from aggregating. As a result, the catalyst particles 5 can suppress a decrease in catalyst activity due to the aggregation of the noble metal particles 6 without increasing the manufacturing cost and the environmental load. Moreover, the activity improvement effect of the noble metal particle 6 by the anchor particle 7 can be maintained.
ここで、図1(c)に示す触媒粒子5において、包接材9により隔てられた領域内では、アンカー粒子7の一次粒子が凝集した二次粒子と貴金属粒子6とを含有した触媒ユニット10が包接されている。しかし、アンカー粒子7は、包接材9により隔てられた領域内において一次粒子として存在してもよい。つまり、触媒ユニット10は、アンカー粒子7の一次粒子と貴金属粒子6とを含有したものであってもよい。 Here, in the catalyst particles 5 shown in FIG. 1C, in the region separated by the inclusion material 9, the catalyst unit 10 containing the secondary particles in which the primary particles of the anchor particles 7 are aggregated and the noble metal particles 6. Is included. However, the anchor particles 7 may exist as primary particles in a region separated by the inclusion material 9. That is, the catalyst unit 10 may contain the primary particles of the anchor particles 7 and the noble metal particles 6.
このように、貴金属粒子6及びアンカー粒子7の両方が包接材9で内包されることにより、貴金属粒子6の凝集を抑制することが可能となる。ただ、後述する製造方法により本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒を調製した場合、貴金属粒子はアンカー粒子7の表面だけでなく、包接材9の表面にも担持されてしまう。つまり、本実施形態の排気ガス浄化用触媒では、アンカー粒子7の表面に貴金属粒子6を担持しつつ、さらに包接材9の表面にも貴金属粒子6Aを担持している。 As described above, since both the noble metal particles 6 and the anchor particles 7 are encapsulated by the inclusion material 9, aggregation of the noble metal particles 6 can be suppressed. However, when the exhaust gas purifying catalyst according to the present embodiment is prepared by the manufacturing method described later, the noble metal particles are supported not only on the surface of the anchor particles 7 but also on the surface of the enclosure material 9. That is, in the exhaust gas purifying catalyst of this embodiment, the noble metal particles 6 are supported on the surface of the enclosure material 9 while the noble metal particles 6 are supported on the surface of the anchor particles 7.
ここで、貴金属粒子6Aが包接材9上に存在する場合、貴金属粒子6Aは隣接する貴金属粒子と接触し、凝集する恐れがある。つまり、アンカー粒子7上に担持されている貴金属粒子6は、アンカー粒子7との間の化学的相互作用や包接材9による内包構造により、貴金属粒子同士の接触及び凝集が抑制されている。しかし、包接材9上に担持されている貴金属粒子6Aは、アンカー粒子7との間に化学的相互作用が生じているわけではなく、ましてや包接材9により内包されているわけではない。そのため、包接材9上の貴金属粒子6Aは、900℃以上の高温条件下で互いに凝集する可能性がある。 Here, when the noble metal particles 6A are present on the inclusion material 9, the noble metal particles 6A may come into contact with adjacent noble metal particles and aggregate. That is, the noble metal particles 6 supported on the anchor particles 7 are prevented from contacting and aggregating between the noble metal particles due to the chemical interaction with the anchor particles 7 and the inclusion structure of the inclusion material 9. However, the noble metal particles 6 </ b> A supported on the enclosure material 9 do not cause a chemical interaction with the anchor particles 7, and are not included in the enclosure material 9. Therefore, there is a possibility that the noble metal particles 6A on the enclosure material 9 aggregate with each other under a high temperature condition of 900 ° C. or higher.
そのため、本実施形態の排気ガス浄化用触媒では、900℃において、アンカー粒子7と貴金属粒子6,6Aとの間の比較結合エネルギーEc1と、包接材9と貴金属粒子6,6Aとの間の比較結合エネルギーEc2とが、Ec1<Ec2の関係を満たす必要がある。なお、この比較結合エネルギーEc1,Ec2は、密度汎関数法を用いたシミュレーションにより計算されるものである。 Therefore, in the exhaust gas purifying catalyst of the present embodiment, at 900 ° C., the comparative binding energy Ec1 between the anchor particle 7 and the noble metal particles 6 and 6A, and the inclusion material 9 and the noble metal particles 6 and 6A The comparative binding energy Ec2 needs to satisfy the relationship Ec1 <Ec2. The comparative binding energies Ec1 and Ec2 are calculated by simulation using the density functional method.
より詳細に説明すると、密度汎関数法は、多電子間の相関効果を取り入れたハミルトニアンを導入して、結晶の電子状態を予測する方法であり、その原理は次のとおりである。ある系の基底状態の電子密度ρが決まると、それを基底状態にもつ外部ポテンシャルは1通りに定まる。また、当該系の電子数Nも電子密度を全空間に渡って積分することで求めることができる。その外部ポテンシャルと電子数から導かれるハミルトニアンHのシュレーディンガー方程式を解けば、その外部ポテンシャルのもとで許される電子系の波動関数Ψが分かるので、あらゆる物理量を当該波動関数Ψから求めることができる。つまり、原理的には基底状態の電子密度から励起状態に関わる量も含めて、系のあらゆる物理量を計算できることになる。 More specifically, the density functional method is a method for predicting the electronic state of a crystal by introducing a Hamiltonian that incorporates a correlation effect between many electrons, and its principle is as follows. When the electron density ρ of a ground state of a system is determined, the external potential having it in the ground state is determined in one way. Further, the number of electrons N of the system can also be obtained by integrating the electron density over the entire space. Solving the Hamiltonian H Schrödinger equation derived from the external potential and the number of electrons, the wave function Ψ of the electron system allowed under the external potential can be found, so that any physical quantity can be obtained from the wave function Ψ. . In other words, in principle, any physical quantity of the system can be calculated from the ground state electron density, including the quantity related to the excited state.
そして、当該密度汎関数法を用いたシミュレーションにより計算される比較結合エネルギーは貴金属粒子とアンカー粒子及び包接材との間の安定性を示す数値であり、比較結合エネルギーが低いほど原子間の安定性が高いことを示す。そのため、900℃において、比較結合エネルギーEc1,Ec2がEc1<Ec2の関係を満たすということは、この温度では包接材9と貴金属粒子6Aとの間の安定性よりも、アンカー粒子7と貴金属粒子6との間の安定性のほうが高いことを示す。したがって、上記排気ガス浄化用触媒が900℃以上の場合、包接材9上に担持された貴金属粒子6Aは、より安定性が高いアンカー粒子7上に移動する。つまり、図2に示すように、製造時にはアンカー粒子7及び包接材9の両方に貴金属粒子が担持されていたとしても、高温状態になった場合には、貴金属粒子6Aは包接材9からアンカー粒子7と包接材9との界面を通じてアンカー粒子7上に移動する。そのため、高温領域では、活性点である貴金属粒子がアンカー材上にとどまり、結果的に包接材9上での貴金属の凝集を抑制することができる。このような密度汎関数法を用いたシミュレーションのための解析ソフトウェアは市販されており、解析ソフトの計算条件の一例としては、以下のものが挙げられる。 The comparative binding energy calculated by the simulation using the density functional method is a numerical value indicating the stability between the noble metal particle, the anchor particle and the inclusion material. It shows that the nature is high. Therefore, at 900 ° C., the fact that the comparative binding energies Ec1 and Ec2 satisfy the relationship of Ec1 <Ec2 means that at this temperature, the anchor particles 7 and the noble metal particles are more stable than the stability between the inclusion material 9 and the noble metal particles 6A. It shows that the stability between 6 is higher. Therefore, when the exhaust gas purifying catalyst is 900 ° C. or higher, the noble metal particles 6A supported on the enclosure material 9 move onto the anchor particles 7 having higher stability. That is, as shown in FIG. 2, even when noble metal particles are supported on both the anchor particles 7 and the enclosure material 9 at the time of manufacture, the noble metal particles 6A are separated from the enclosure material 9 in a high temperature state. It moves onto the anchor particle 7 through the interface between the anchor particle 7 and the inclusion material 9. Therefore, in the high temperature region, the noble metal particles that are active sites remain on the anchor material, and as a result, aggregation of the noble metal on the enclosure material 9 can be suppressed. Analysis software for simulation using such a density functional method is commercially available, and examples of calculation conditions of the analysis software include the following.
プリ/ポスト:Materials studio 3.2 (Accelrys社製)、ソルバ:DMol3 (Accelrys社製)、温度:900℃、近似:GGA近似 Pre / post: Materials studio 3.2 (manufactured by Accelrys), solver: DMol3 (manufactured by Accelrys), temperature: 900 ° C, approximation: GGA approximation
また、アンカー粒子と貴金属粒子との間の比較結合エネルギーEc1と、包接材と貴金属粒子との間の比較結合エネルギーEc2との差(Ec2−Ec1)は、10.0cal/mol以上であることが好ましい。Ec2−Ec1が10.0cal/mol以上であることにより、900℃以上の場合、包接材9上に担持された貴金属粒子6Aは、アンカー粒子7上に移動しやすくなるため、貴金属粒子の凝集をより抑制しやすくなる。なお、Ec2−Ec1は、15.0cal/mol以上であることがより好ましい。 Moreover, the difference (Ec2-Ec1) between the comparative binding energy Ec1 between the anchor particle and the noble metal particle and the comparative binding energy Ec2 between the inclusion material and the noble metal particle is 10.0 cal / mol or more. Is preferred. When Ec2-Ec1 is 10.0 cal / mol or higher, the noble metal particles 6A supported on the inclusion material 9 easily move onto the anchor particles 7 when the temperature is 900 ° C. or higher. It becomes easier to suppress. In addition, it is more preferable that Ec2-Ec1 is 15.0 cal / mol or more.
貴金属粒子6は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、金(Au)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)及びルテニウム(Ru)の中からなる群から選ばれる少なくとも一つを含有することができる。そして、これらの貴金属の中でも、白金、パラジウム及びロジウムが最も費用対効果が高く、排気ガス浄化用触媒に用いる貴金属として適当である。 The noble metal particles 6 are at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), gold (Au), silver (Ag), iridium (Ir), and ruthenium (Ru). Can be contained. Of these noble metals, platinum, palladium and rhodium are the most cost-effective and are suitable as noble metals for use in exhaust gas purification catalysts.
ここで、上述のように、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒をマニホールド触媒として使用する場合、床下触媒よりも貴金属の担持量を多くする必要がある。そのため、白金やロジウムに対し比較的価格の安いパラジウムを用いることが好ましい。したがって、貴金属粒子6はパラジウムを主成分とすることが好ましく、具体的には、貴金属粒子6はパラジウムを50mol%以上含有することが好ましい。これにより、排気ガス浄化用触媒のコストを削減することが可能となる。 Here, as described above, when the exhaust gas purifying catalyst according to the present embodiment is used as a manifold catalyst, it is necessary to increase the amount of noble metal supported as compared with the underfloor catalyst. Therefore, it is preferable to use palladium, which is relatively inexpensive relative to platinum or rhodium. Accordingly, the noble metal particles 6 are preferably composed mainly of palladium, and specifically, the noble metal particles 6 preferably contain 50 mol% or more of palladium. As a result, the cost of the exhaust gas purification catalyst can be reduced.
また、アンカー粒子7としては、貴金属粒子6に対して化学的結合によるアンカー材として作用し、さらに上記比較結合エネルギーの関係を満たすものを使用することが好ましい。具体的には、アンカー粒子7は、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化セリウム(CeO2)及び酸化チタン(TiO2)などの無機酸化物を含有することが好ましい。このような耐熱性の高い無機酸化物を含有することにより、上記比較結合エネルギーの関係を満たしつつも、高温条件下でのアンカー粒子7の凝集を抑制することが可能となる。なお、耐熱性を向上させる観点から、アンカー粒子7は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一種を主成分として含有することが好ましい。なお、本明細書において、主成分とは粒子中の含有量が50mol%以上の成分のことをいう。 In addition, as the anchor particles 7, it is preferable to use those that act as an anchor material by chemical bonding with respect to the noble metal particles 6 and further satisfy the relation of the comparative binding energy. Specifically, the anchor particle 7 preferably contains an inorganic oxide such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), cerium oxide (CeO 2 ), and titanium oxide (TiO 2 ). . By containing such an inorganic oxide having high heat resistance, it becomes possible to suppress aggregation of the anchor particles 7 under high temperature conditions while satisfying the relation of the comparative binding energy. From the viewpoint of improving heat resistance, the anchor particles 7 preferably contain at least one selected from the group consisting of aluminum oxide, zirconium oxide, cerium oxide, and titanium oxide as a main component. In the present specification, the main component means a component having a content of 50 mol% or more in the particles.
さらに、アンカー粒子7は、貴金属粒子6との間の比較結合エネルギーEc1を調整するために、ランタン(La)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ネオジム(Nd)及びイットリウム(Y)からなる群から選ばれる少なくとも一種の遷移金属酸化物をさらに含有してもよい。これらの遷移金属酸化物の少なくとも一つを含有することで、比較結合エネルギーEc1を制御しつつ、さらに遷移金属が有する活性酸素により触媒性能、特にCO及びNOx浄化性能を向上させることができる。なお、アンカー粒子7において、上記遷移金属酸化物の含有量は1〜10mol%の範囲内であることが好ましい。遷移金属酸化物の含有量がこの範囲内であることにより、上記無機酸化物の結晶構造を維持できるため、耐熱性に優れたアンカー粒子を得ることができる。 Furthermore, in order to adjust the comparative binding energy Ec1 between the anchor particles 7 and the noble metal particles 6, lanthanum (La), iron (Fe), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), neodymium It may further contain at least one transition metal oxide selected from the group consisting of (Nd) and yttrium (Y). By containing at least one of these transition metal oxides, catalytic performance, in particular, CO and NOx purification performance can be improved by the active oxygen contained in the transition metal while controlling the comparative binding energy Ec1. In addition, in the anchor particle 7, it is preferable that content of the said transition metal oxide exists in the range of 1-10 mol%. When the content of the transition metal oxide is within this range, the crystal structure of the inorganic oxide can be maintained, so that anchor particles having excellent heat resistance can be obtained.
なお、アンカー粒子7は、特に酸化アルミニウム(Al2O3)を主成分とすることが好ましい。また、アンカー粒子7は酸化アルミニウムのみから形成されていてもよく、さらに酸化アルミニウムに、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化セリウム(CeO2)及び酸化ランタン(La2O3)を添加したものを使用することが好ましい。アンカー粒子7が酸化アルミニウムを主成分とすることにより、後述するように、比較結合エネルギーEc1,Ec2がEc1<Ec2の関係を満たしやすくなり、高温浄化性能を向上させることが可能となる。 The anchor particles 7 are preferably composed mainly of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Further, the anchor particles 7 may be formed only from aluminum oxide, and further used are those obtained by adding zirconium oxide (ZrO 2 ), cerium oxide (CeO 2 ) and lanthanum oxide (La 2 O 3 ) to aluminum oxide. It is preferable to do. When the anchor particles 7 contain aluminum oxide as a main component, as will be described later, the comparative binding energies Ec1 and Ec2 can easily satisfy the relationship of Ec1 <Ec2, and the high-temperature purification performance can be improved.
包接材9は、酸化ジルコニウム(ZrO2)及び酸化セリウム(CeO2)の少なくともいずれか一方を含むことが好ましい。包接材9としては、アンカー粒子を包接でき、かつ、ガス透過性を確保できる材料が好ましい。酸化ジルコニウム及び酸化セリウムは細孔容積が大きく、さらに高いガス拡散性を確保することができる。なお、包接材は、酸化ジルコニウム及び酸化セリウムの複合酸化物であってもよい。また、包接材9は、特に酸化ジルコニウムを主成分とすることが好ましい。包接材9が酸化ジルコニウムを主成分とすることにより、比較結合エネルギーEc1,Ec2がEc1<Ec2の関係を満たしやすくなる。 The enclosure material 9 preferably contains at least one of zirconium oxide (ZrO 2 ) and cerium oxide (CeO 2 ). The inclusion material 9 is preferably a material that can include anchor particles and ensure gas permeability. Zirconium oxide and cerium oxide have a large pore volume, and can secure higher gas diffusibility. The inclusion material may be a complex oxide of zirconium oxide and cerium oxide. In addition, it is preferable that the inclusion material 9 is mainly composed of zirconium oxide. When the clathrate 9 is mainly composed of zirconium oxide, the comparative binding energies Ec1 and Ec2 can easily satisfy the relationship of Ec1 <Ec2.
ここで、触媒粒子5における、アンカー粒子7の質量比が30〜70質量%であり、包接材9の質量比が70〜30質量%であることが好ましい。アンカー粒子7の質量比が30質量%以上であることにより、アンカー粒子上に担持される貴金属の密度が低下する。つまり、1つのアンカー粒子に担持される貴金属量が減少するため、永年使用後にアンカー粒子上で貴金属粒子が凝集したとしても、貴金属粒子が大幅に肥大化しない。その結果、貴金属粒子の表面積の低下を抑制することができる。また、アンカー粒子の質量比が70質量%以下であることにより、包接材量が低下することを抑制できる。そのため、永年使用後であってもアンカー粒子同士の凝集及びこれに伴う貴金属粒子同士の凝集を抑制することができる。 Here, it is preferable that the mass ratio of the anchor particles 7 in the catalyst particles 5 is 30 to 70 mass%, and the mass ratio of the inclusion material 9 is 70 to 30 mass%. When the mass ratio of the anchor particles 7 is 30% by mass or more, the density of the noble metal supported on the anchor particles is reduced. That is, since the amount of noble metal supported on one anchor particle is reduced, noble metal particles are not greatly enlarged even if the noble metal particles are aggregated on the anchor particles after many years of use. As a result, a decrease in the surface area of the noble metal particles can be suppressed. Moreover, it can suppress that the amount of enclosure materials falls because the mass ratio of an anchor particle is 70 mass% or less. Therefore, even after long-term use, aggregation of anchor particles and accompanying aggregation of noble metal particles can be suppressed.
ここで、触媒粒子5で使用される包接材9は、触媒ユニット10の周囲を完全に包囲するわけではない。つまり、包接材9は、触媒ユニット10の物理的移動を抑制する程度に覆いつつも、排気ガスや活性酸素が透過できる程度の細孔を有している。具体的には、図1(c)に示すように、包接材9は触媒ユニット10を適度に包接し、触媒ユニット同士の凝集を抑制している。さらに、包接材9は複数の細孔9aを有しているため、排気ガスや活性酸素が通過することができる。この細孔9aの細孔径は30nm以下が好ましく、10nm〜30nmがより好ましい。なお、この細孔径は、ガス吸着法により求めることができる。 Here, the enclosure material 9 used in the catalyst particles 5 does not completely surround the periphery of the catalyst unit 10. In other words, the enclosure material 9 has pores that allow the exhaust gas and active oxygen to pass through while covering the catalyst unit 10 so as to suppress physical movement. Specifically, as shown in FIG. 1C, the enclosure material 9 appropriately encloses the catalyst unit 10 and suppresses aggregation of the catalyst units. Furthermore, since the enclosure material 9 has a plurality of pores 9a, exhaust gas and active oxygen can pass therethrough. The pore diameter of the pores 9a is preferably 30 nm or less, and more preferably 10 nm to 30 nm. This pore diameter can be determined by a gas adsorption method.
なお、包接材9により隔てられた区画内に含まれる触媒ユニット10の平均粒子径は300nm以下であることが好ましい。そのため、触媒ユニット10に含まれるアンカー粒子7の平均二次粒子径も300nm以下であることが好ましい。この場合には、貴金属を微粒子状態に維持することができる。より好ましい触媒ユニット10の平均粒子径及びアンカー粒子の平均二次粒子径は200nm以下である。これにより、アンカー粒子の二次粒子上に担持される貴金属量がさらに減るため、貴金属の凝集を抑制することができる。なお、触媒ユニット10の平均粒子径及びアンカー粒子7の平均二次粒子径の下限は特に限定されないが、例えば5nmとすることができる。ただ、後述するように、触媒ユニット10の平均粒子径は、包接材9に形成されている細孔9aの平均細孔径より大きいことが好ましい。そのため、触媒ユニット10の平均粒子径及びアンカー粒子7の平均二次粒子径は、30nmを超えることがより好ましい。 In addition, it is preferable that the average particle diameter of the catalyst unit 10 contained in the division separated by the enclosure material 9 is 300 nm or less. Therefore, it is preferable that the average secondary particle diameter of the anchor particles 7 included in the catalyst unit 10 is also 300 nm or less. In this case, the noble metal can be maintained in a fine particle state. The average particle diameter of the catalyst unit 10 and the average secondary particle diameter of the anchor particles are more preferably 200 nm or less. As a result, the amount of noble metal supported on the secondary particles of the anchor particles is further reduced, so that aggregation of noble metals can be suppressed. In addition, although the minimum of the average particle diameter of the catalyst unit 10 and the average secondary particle diameter of the anchor particle 7 is not specifically limited, For example, it can be 5 nm. However, as will be described later, the average particle diameter of the catalyst unit 10 is preferably larger than the average pore diameter of the pores 9 a formed in the enclosure material 9. Therefore, it is more preferable that the average particle diameter of the catalyst unit 10 and the average secondary particle diameter of the anchor particles 7 exceed 30 nm.
なお、包接材9の平均二次粒子径は、触媒ユニット10の周囲を覆いつつも細孔9aを形成することができれば特に限定されない。 The average secondary particle diameter of the enclosure material 9 is not particularly limited as long as the pores 9a can be formed while covering the periphery of the catalyst unit 10.
アンカー粒子及び包接材の平均二次粒子径は、触媒粒子の製造過程における、この粒子を含有するスラリーをレーザー回折式粒度分布測定装置にかけることにより求めることができる。なお、この場合の平均二次粒子径とはメジアン径(D50)をいう。また、得られた触媒粉末の透過型電子顕微鏡(TEM)の写真より、上記平均二次粒子径や後述する貴金属粒子の粒子径を測定することもできる。さらに、触媒ユニット10の平均粒子径もTEM写真より測定することができる。 The average secondary particle diameter of the anchor particles and the clathrate can be determined by applying a slurry containing these particles to a laser diffraction particle size distribution measuring device in the production process of the catalyst particles. In addition, the average secondary particle diameter in this case means a median diameter (D50). Moreover, the average secondary particle diameter and the particle diameter of noble metal particles described later can also be measured from a photograph of a transmission electron microscope (TEM) of the obtained catalyst powder. Furthermore, the average particle diameter of the catalyst unit 10 can also be measured from a TEM photograph.
また、貴金属粒子6の平均粒子径は2nm以上10nm以下の範囲内にあることが望ましい。貴金属粒子6の平均粒子径が2nm以上である場合には、貴金属粒子6自身の移動による凝集を低減することができる。また、貴金属粒子6の平均粒子径が10nm以下である場合には、排気ガスとの反応性の低下を抑えることができる。 The average particle diameter of the noble metal particles 6 is desirably in the range of 2 nm to 10 nm. When the average particle diameter of the noble metal particles 6 is 2 nm or more, aggregation due to movement of the noble metal particles 6 themselves can be reduced. Moreover, when the average particle diameter of the noble metal particles 6 is 10 nm or less, a decrease in reactivity with the exhaust gas can be suppressed.
ここで、貴金属粒子6とアンカー粒子7とを含有した触媒ユニット10に関し、触媒ユニット10の平均粒子径Daと、触媒ユニット10を内包する包接材9に形成されている細孔9aの平均細孔径Dbとが、Db<Daの関係を満たすことが好ましい。つまり、図1(c)に示すように、Db<Daは、触媒ユニット10の平均粒子径Daが、包接材9の細孔9aの平均径Dbよりも大きいことを意味している。Db<Daであることにより、貴金属粒子6とアンカー粒子7との複合粒子8が、包接材9に形成されている細孔9aを通して移動することが抑制される。したがって、他の区画に包接される複合粒子8との凝集を低減することができる。 Here, regarding the catalyst unit 10 containing the noble metal particles 6 and the anchor particles 7, the average particle diameter Da of the catalyst unit 10 and the average fineness of the pores 9 a formed in the enclosure material 9 that encloses the catalyst unit 10. It is preferable that the hole diameter Db satisfies the relationship Db <Da. That is, as shown in FIG. 1 (c), Db <Da means that the average particle diameter Da of the catalyst unit 10 is larger than the average diameter Db of the pores 9 a of the enclosure material 9. When Db <Da, the movement of the composite particles 8 of the noble metal particles 6 and the anchor particles 7 through the pores 9a formed in the inclusion material 9 is suppressed. Therefore, aggregation with the composite particles 8 included in other compartments can be reduced.
なお、上記不等式Db<Daの効果は、本発明者らの実験により確認されている。図3は、排気耐久試験前の触媒ユニット10の平均粒子径Daと包接材の平均細孔径Dbの比(Da/Db)を横軸に、排気耐久試験後のアンカー粒子7としてのセリアの結晶成長比及び貴金属粒子6としての白金の表面積を縦軸にして、これらの関係を示すグラフである。図3から、Da/Dbが1を超える場合にはセリアの結晶成長比が顕著に低下し、セリアの焼結が少ないことが分かる。また、耐久試験後でも白金の表面積が高い状態で維持され、白金の凝集が抑制されていることが分かる。 The effect of the inequality Db <Da has been confirmed by the experiments of the present inventors. FIG. 3 shows the ratio of the average particle diameter Da of the catalyst unit 10 before the exhaust durability test to the average pore diameter Db of the inclusion material (Da / Db) on the horizontal axis, and ceria as anchor particles 7 after the exhaust durability test. It is a graph which shows these relations, making the crystal growth ratio and the surface area of platinum as the noble metal particle 6 the vertical axis. FIG. 3 shows that when Da / Db exceeds 1, the ceria crystal growth ratio is remarkably lowered, and the ceria is less sintered. Further, it can be seen that even after the durability test, the platinum surface area is maintained in a high state, and aggregation of platinum is suppressed.
[排気ガス浄化用触媒構造体]
本実施形態の排気ガス浄化用触媒構造体1は、排気ガス浄化用触媒5を含有した触媒層3と、触媒層3を担持する耐火性無機担体2とを備える。上述のように、本実施形態の排気ガス浄化用触媒5は、900℃以上でも貴金属粒子の微細状態を維持することができる。そして、このような触媒5を耐火性無機担体2に塗布して触媒層3を形成することにより、触媒層3の圧力損失が低減され、熱安定性、耐熱衝撃性及び機械的強度を高くすることができる。
[Exhaust gas purification catalyst structure]
The exhaust gas purifying catalyst structure 1 of this embodiment includes a catalyst layer 3 containing an exhaust gas purifying catalyst 5 and a refractory inorganic carrier 2 that supports the catalyst layer 3. As described above, the exhaust gas purifying catalyst 5 of the present embodiment can maintain the fine state of the noble metal particles even at 900 ° C. or higher. And by applying such a catalyst 5 to the refractory inorganic carrier 2 to form the catalyst layer 3, the pressure loss of the catalyst layer 3 is reduced, and the thermal stability, thermal shock resistance and mechanical strength are increased. be able to.
耐火性無機担体2としては、コーディエライト製ハニカム担体を用いることができる。コーディエライト製ハニカム担体は、耐熱性、耐衝撃性及び製造コストに優れ、自動車用排気ガス浄化用触媒の担体として一般的に用いられる。流路(セル2a)の断面形状は四角形や六角形などがあるが、本実施形態ではいずれの形状でも使用することができる。また、耐火性無機担体2としては、ステンレス製のメタル担体も用いることができる。メタル担体は、壁厚を薄く加工できることから、圧力損失の低減が要求される高出力車を中心に採用される。メタル担体は、波状に加工されたステンレス箔を同心円状に巻き取る加工するため、流路形状は主として3箇所に隅部をもつ不定形な形状となる。本実施形態ではこの形状の担体にも使用することができる。 As the refractory inorganic carrier 2, a cordierite honeycomb carrier can be used. Cordierite honeycomb carriers are excellent in heat resistance, impact resistance and manufacturing cost, and are generally used as carriers for automobile exhaust gas purification catalysts. Although the cross-sectional shape of the flow path (cell 2a) includes a quadrangle and a hexagon, any shape can be used in this embodiment. As the refractory inorganic carrier 2, a stainless steel metal carrier can also be used. Since the metal carrier can be processed with a thin wall thickness, the metal carrier is mainly used for high-power vehicles that require a reduction in pressure loss. Since the metal carrier is processed so as to wind the corrugated stainless steel foil into a concentric shape, the channel shape is an irregular shape having corners mainly at three locations. In this embodiment, it can be used for a carrier having this shape.
[排気ガス浄化用触媒の製造方法]
次に、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒の製造方法について説明する。
[Method for producing exhaust gas purifying catalyst]
Next, a method for manufacturing the exhaust gas purifying catalyst according to the present embodiment will be described.
図4に示すように、本実施形態の製造方法では、最初にアンカー粒子の原料を粉砕し、所望の粒子径としたアンカー粒子前駆体を調製する。アンカー粒子の粒子径としては、上述のように、例えば300nmとすることができる。なお、アンカー粒子の原料として、酸化物コロイド等の微細な原料を用いることにより、破砕工程を省略することができる。 As shown in FIG. 4, in the manufacturing method of this embodiment, the anchor particle precursor is first pulverized to prepare an anchor particle precursor having a desired particle diameter. As described above, the particle diameter of the anchor particles can be set to 300 nm, for example. The crushing step can be omitted by using a fine raw material such as an oxide colloid as the raw material for the anchor particles.
次に、包接材の原料を粉砕し、所望の粒子径とした包接材前駆体を調製する。なお、包接材の原料として、酸化物コロイド等の微細な原料を用いることにより、破砕工程を省略することができる。 Next, the clathrate material is pulverized to prepare a clathrate precursor having a desired particle size. In addition, a crushing process can be skipped by using fine raw materials, such as an oxide colloid, as a raw material of an enclosure material.
そして、前記アンカー粒子前駆体と、包接材前駆体と、アンカー粒子前駆体と共に凝集体を形成するバインダーと、貴金属粒子前駆体とを溶媒中に混合し、混合物を調製する。アンカー粒子前駆体と共に凝集体を形成するバインダーとしては、溶媒中でアンカー粒子前駆体と優先的に凝集する化合物を使用することが可能である。例えば、アンカー粒子前駆体がアルミナを主成分とする場合には、バインダーとしてはベーマイトを使用することができる。貴金属粒子前駆体としては、白金の場合、塩化白金酸及び白金のアンモニア錯体等が挙げられる。パラジウムの場合、塩化パラジウム、硝酸パラジウム、酢酸パラジウム、及びパラジウムのアンモニア錯体等が挙げられる。また、ロジウムの場合、塩化ロジウム、酢酸ロジウム、硝酸ロジウム及びロジウムのアンモニア錯体等が挙げられる。なお、溶媒としては、例えばイオン交換水を使用することができる。 Then, the anchor particle precursor, the inclusion material precursor, the binder that forms an aggregate together with the anchor particle precursor, and the noble metal particle precursor are mixed in a solvent to prepare a mixture. As the binder that forms an aggregate with the anchor particle precursor, a compound that preferentially aggregates with the anchor particle precursor in a solvent can be used. For example, when the anchor particle precursor is mainly composed of alumina, boehmite can be used as the binder. In the case of platinum, examples of the noble metal particle precursor include chloroplatinic acid and an ammonia complex of platinum. In the case of palladium, examples include palladium chloride, palladium nitrate, palladium acetate, and an ammonia complex of palladium. In the case of rhodium, rhodium chloride, rhodium acetate, rhodium nitrate, and an ammonia complex of rhodium are exemplified. As the solvent, for example, ion exchange water can be used.
次に、前記混合物をさらに攪拌し、分散させる。この際、アンカー粒子前駆体とバインダーが凝集して凝集体を形成し、さらに当該凝集体の周囲に包接材前駆体が付着する。その後、分散後の混合物を、乾燥及び焼成することにより、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒を得ることができる。なお、上記乾燥は、噴霧乾燥により乾燥することが好ましい。 Next, the mixture is further stirred and dispersed. At this time, the anchor particle precursor and the binder aggregate to form an aggregate, and the inclusion material precursor adheres around the aggregate. Then, the exhaust gas purifying catalyst according to the present embodiment can be obtained by drying and firing the mixture after dispersion. The drying is preferably performed by spray drying.
なお、本実施形態の排気ガス浄化用触媒は、製造時において、アンカー粒子の周囲を包接材で覆っている割合が少ない場合がある。しかし、高温状態になるにつれ、貴金属粒子は安定性が高いアンカー粒子上に移動し、さらに包接材は熱凝集してアンカー粒子の周囲に存在する構造となる。したがって、最終的には、図2に示す包接構造が形成され、包接材により貴金属粒子及びアンカー材の凝集が抑制される。 In addition, the exhaust gas purifying catalyst of the present embodiment may have a small ratio of covering the periphery of the anchor particles with the inclusion material at the time of manufacture. However, as the temperature rises, the noble metal particles move onto the anchor particles having high stability, and the inclusion material is thermally aggregated to be present around the anchor particles. Therefore, finally, the inclusion structure shown in FIG. 2 is formed, and aggregation of the noble metal particles and the anchor material is suppressed by the inclusion material.
[排気ガス浄化用触媒構造体の製造方法]
次に、本実施形態の排気ガス浄化用触媒構造体の製造方法について説明する。本製造方法は、まず上述のように調製した排気ガス浄化用触媒を粉砕する。この粉砕は湿式でも乾式でもよいが、通常は排気ガス浄化用触媒をイオン交換水等の溶媒に混合し攪拌した後、ボールミル等を用いて粉砕する。これにより、排気ガス浄化用触媒が溶媒中で分散した触媒スラリーを得る。この際、必要に応じて触媒スラリーにバインダーを添加する。なお、触媒スラリーにおける排気ガス浄化用触媒の平均粒子径(D50)は1μm〜20μmとすることができるが、6μm以下であることが好ましい。
[Method of producing exhaust gas purification catalyst structure]
Next, the manufacturing method of the exhaust gas purifying catalyst structure of this embodiment will be described. In this manufacturing method, the exhaust gas purifying catalyst prepared as described above is first pulverized. This pulverization may be either wet or dry. Usually, the exhaust gas purifying catalyst is mixed with a solvent such as ion exchange water and stirred, and then pulverized using a ball mill or the like. Thereby, a catalyst slurry in which the exhaust gas purifying catalyst is dispersed in the solvent is obtained. At this time, a binder is added to the catalyst slurry as necessary. The average particle size (D50) of the exhaust gas purifying catalyst in the catalyst slurry can be 1 μm to 20 μm, but preferably 6 μm or less.
その後、上記触媒スラリーを耐火性無機担体(ハニカム担体)の内面に塗布し、乾燥及び焼成することにより、排気ガス浄化用触媒構造体を得ることができる。 Thereafter, the catalyst slurry is applied to the inner surface of a refractory inorganic carrier (honeycomb carrier), dried and fired, whereby an exhaust gas purification catalyst structure can be obtained.
[排気ガス浄化システム]
本実施形態の排気ガス浄化システム30は、図5に示すように、内燃機関31の排気ガス流路32に、排気ガス浄化用触媒構造体33A,33Bを配置した構成とすることができる。そして、排気ガス浄化用触媒構造体33A,33Bの少なくともいずれか一方に排気ガス浄化用触媒を有した触媒構造体を使用することが好ましい。
[Exhaust gas purification system]
As shown in FIG. 5, the exhaust gas purification system 30 of the present embodiment can be configured such that exhaust gas purification catalyst structures 33 </ b> A and 33 </ b> B are disposed in the exhaust gas flow path 32 of the internal combustion engine 31. It is preferable to use a catalyst structure having an exhaust gas purification catalyst in at least one of the exhaust gas purification catalyst structures 33A and 33B.
本実施形態の排気ガス浄化システム30をこのような構成とすることにより、排気ガス浄化用触媒構造体33A,33Bを早期に活性化させ、低温域においても排気ガスを浄化することができる。特に、本実施形態の排気ガス浄化用触媒構造体は、極めて高温状態でも貴金属粒子の凝集を抑制することができるため、排気マニホールド34の直下に近接して配置することも可能である。そして、排気マニホールド34の直下に設けることにより触媒構造体を早期に活性化することができるため、排気ガスを低温から効率的に浄化することが可能となる。なお、本実施形態の排気ガス浄化システムは、図5に示す構成に限られない。例えば、排気ガス浄化用触媒構造体33A,33Bの前後にさらに三元触媒やNOx吸着触媒を設けてもよい。また、本実施形態の排気ガス浄化システム30は、ガソリンエンジン、リーンバーンエンジン、直噴エンジン及びディーゼルエンジンなどを様々な内燃機関に用いることができる。 By configuring the exhaust gas purification system 30 of this embodiment in such a configuration, the exhaust gas purification catalyst structures 33A and 33B can be activated at an early stage, and the exhaust gas can be purified even in a low temperature range. In particular, the exhaust gas purifying catalyst structure of the present embodiment can suppress aggregation of noble metal particles even in an extremely high temperature state, and can therefore be disposed close to the exhaust manifold 34. Since the catalyst structure can be activated at an early stage by being provided directly under the exhaust manifold 34, the exhaust gas can be efficiently purified from a low temperature. In addition, the exhaust gas purification system of this embodiment is not restricted to the structure shown in FIG. For example, a three-way catalyst or a NOx adsorption catalyst may be further provided before and after the exhaust gas purification catalyst structures 33A and 33B. Moreover, the exhaust gas purification system 30 of this embodiment can use a gasoline engine, a lean burn engine, a direct injection engine, a diesel engine, etc. for various internal combustion engines.
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.
[実施例1]
まず、アンカー材前駆体としてアルミナ(Al2O3)とジルコニア(ZrO2)の複合酸化物を準備し、湿式粉砕機にてアンカー材前駆体のみを粉砕し、平均粒子径(D50)を150nmにした。次に、包接材前駆体としてジルコニアとセリアの複合酸化物を準備し、湿式粉砕機にて包接材前駆体のみを粉砕し、平均粒子径(D50)を700nmにした。なお、アルミナとジルコニアの複合酸化物はアルミナとジルコニアのモル比が97:3であり、ジルコニアとセリアの複合酸化物はジルコニアとセリアのモル比が80:20である。また、平均粒子径の測定には、株式会社堀場製作所製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920を用いた。
[Example 1]
First, a composite oxide of alumina (Al 2 O 3 ) and zirconia (ZrO 2 ) is prepared as an anchor material precursor, and only the anchor material precursor is pulverized by a wet pulverizer, and the average particle diameter (D50) is 150 nm. I made it. Next, a composite oxide of zirconia and ceria was prepared as an inclusion material precursor, and only the inclusion material precursor was pulverized by a wet pulverizer, so that the average particle diameter (D50) was 700 nm. Note that the alumina and zirconia composite oxide has a molar ratio of alumina and zirconia of 97: 3, and the zirconia and ceria composite oxide has a molar ratio of zirconia and ceria of 80:20. For measurement of the average particle size, a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus LA-920 manufactured by Horiba, Ltd. was used.
次に、粉砕したアンカー材前駆体と包接材前駆体とバインダーとしてのベーマイトを35:55:10の質量比となるように混合し、さらに硝酸パラジウム溶液を混合し、攪拌することにより触媒スラリーを調製した。なお、硝酸パラジウム溶液の添加量は、得られる排気ガス浄化用触媒中のパラジウム金属量が1.12質量%になるように調整した。 Next, the pulverized anchor material precursor, the inclusion material precursor, and boehmite as a binder are mixed so as to have a mass ratio of 35:55:10, a palladium nitrate solution is further mixed, and the catalyst slurry is stirred. Was prepared. The amount of palladium nitrate solution added was adjusted so that the amount of palladium metal in the resulting exhaust gas purifying catalyst was 1.12% by mass.
さらに、得られた触媒スラリーを乾燥した後、400℃にて1時間焼成することにより、Pd触媒粉末を調製した。なお、乾燥は噴霧乾燥装置を用い、入口温度を350℃とした。また、焼成はマッフル炉を用いた。 Further, the obtained catalyst slurry was dried and then calcined at 400 ° C. for 1 hour to prepare a Pd catalyst powder. In addition, drying used the spray drying apparatus and made inlet temperature 350 degreeC. Moreover, the muffle furnace was used for baking.
そして、上記Pd触媒粉末、アルミナゾル、水及び硝酸を磁性ボールミルに投入し、混合し粉砕することにより、Pd触媒スラリーを調製した。その後、Pd触媒スラリーをコーディエライト質モノリス担体に付着させて、空気流にてセル内の余剰のスラリーを取り除いた。さらに、スラリー付き担体を130℃で乾燥した後、400℃で1時間焼成することにより、Pd触媒層を設けた実施例1の触媒構造体を調製した。 Then, the Pd catalyst powder, alumina sol, water and nitric acid were put into a magnetic ball mill, mixed and pulverized to prepare a Pd catalyst slurry. Thereafter, the Pd catalyst slurry was adhered to a cordierite monolith support, and excess slurry in the cell was removed by an air flow. Furthermore, after drying the support | carrier with a slurry at 130 degreeC, the catalyst structure of Example 1 which provided the Pd catalyst layer was prepared by baking at 400 degreeC for 1 hour.
[実施例2]
アンカー材前駆体として、モル比が97:3のアルミナとセリア(CeO2)の複合酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例2の触媒構造体を調製した。
[Example 2]
A catalyst structure of Example 2 was prepared in the same manner as Example 1 except that a composite oxide of alumina and ceria (CeO 2 ) having a molar ratio of 97: 3 was used as the anchor material precursor.
[実施例3]
アンカー材前駆体として、モル比が97:3のアルミナと酸化ランタン(La2O3)の複合酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例3の触媒構造体を調製した。
[Example 3]
A catalyst structure of Example 3 was prepared in the same manner as Example 1 except that a complex oxide of alumina and lanthanum oxide (La 2 O 3 ) having a molar ratio of 97: 3 was used as the anchor material precursor. .
[実施例4]
アンカー材前駆体として、アルミナを用いた以外は実施例1と同様にして、実施例4の触媒構造体を調製した。
[Example 4]
A catalyst structure of Example 4 was prepared in the same manner as Example 1 except that alumina was used as the anchor material precursor.
[比較例1]
まず、アンカー材前駆体として、モル比が80:20であるジルコニア(ZrO2)とセリア(CeO2)の複合酸化物を準備した。次に、当該複合酸化物をイオン交換水中に分散させた後、硝酸パラジウム溶液を混合し、攪拌することにより、複合酸化物上にパラジウムを担持した。なお、硝酸パラジウム溶液の添加量は、得られる排気ガス浄化用触媒中のパラジウム金属量が3.201質量%になるように調整した。そして、パラジウムを担持した複合酸化物のスラリーを乾燥した後、400℃にて1時間焼成することにより、Pd担持複合酸化物を調製した。なお、焼成はマッフル炉を用いた。
[Comparative Example 1]
First, a composite oxide of zirconia (ZrO 2 ) and ceria (CeO 2 ) having a molar ratio of 80:20 was prepared as an anchor material precursor. Next, after the composite oxide was dispersed in ion-exchanged water, a palladium nitrate solution was mixed and stirred to support palladium on the composite oxide . The amount of palladium nitrate solution added was adjusted so that the amount of palladium metal in the resulting exhaust gas purifying catalyst was 3.201% by mass. And after drying the slurry of complex oxide which carry | supported palladium, Pd carrying | support complex oxide was prepared by baking at 400 degreeC for 1 hour. In addition, the muffle furnace was used for baking.
次に、得られたPd担持複合酸化物粉末を湿式粉砕機にて粉砕し、平均粒子径(D50)を150nmにした。なお、平均粒子径の測定には、株式会社堀場製作所製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920を用いた。 Next, the obtained Pd-supported composite oxide powder was pulverized by a wet pulverizer, and the average particle size (D50) was adjusted to 150 nm. For measurement of the average particle diameter, a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus LA-920 manufactured by Horiba, Ltd. was used.
さらに、モル比が80:20であるジルコニア(ZrO2)とセリア(CeO2)の複合酸化物を別途準備し、湿式粉砕機にて粉砕し、平均粒子径(D50)を150nmにした。 Furthermore, a composite oxide of zirconia (ZrO 2 ) and ceria (CeO 2 ) having a molar ratio of 80:20 was separately prepared and pulverized with a wet pulverizer, so that the average particle size (D50) was 150 nm.
ベーマイト(包接材前駆体)と10%硝酸と水とを混合し、1時間攪拌して、ベーマイト水溶液を調製した。そして、ベーマイト水溶液中に、粉砕したPd担持複合酸化物及びジルコニア−セリア複合酸化物をゆっくりと投入し、高速攪拌機を用いて2時間攪拌した。この際、Pd担持複合酸化物及びジルコニア−セリア複合酸化物の合計とベーマイトとが、70:30の質量比となるように混合した。そして、得られたスラリーを急速乾燥し、150℃で一昼夜さらに乾燥させて水分を除去した。その後、550℃で3時間、空気中で焼成することにより、Pd触媒粉末を調製した。なお、急速乾燥は、噴霧乾燥装置を用い、入口温度を350℃とした。また、焼成はマッフル炉を用いた。 Boehmite (cladding material precursor), 10% nitric acid and water were mixed and stirred for 1 hour to prepare a boehmite aqueous solution. Then, the pulverized Pd-supported composite oxide and zirconia-ceria composite oxide were slowly added to the boehmite aqueous solution, and stirred for 2 hours using a high-speed stirrer. At this time, the total of Pd-supporting composite oxide and zirconia-ceria composite oxide and boehmite were mixed so that the mass ratio was 70:30 . The obtained slurry was rapidly dried and further dried at 150 ° C. for a whole day and night to remove moisture. Then, Pd catalyst powder was prepared by baking in the air at 550 degreeC for 3 hours. In addition, rapid drying used the spray-drying apparatus and made inlet temperature 350 degreeC. Moreover, the muffle furnace was used for baking.
そして、上記Pd触媒粉末、アルミナゾル、水及び硝酸を磁性ボールミルに投入し、混合し粉砕することによりPd触媒スラリーを調製した。その後、Pd触媒スラリーをコーディエライト質モノリス担体に付着させて、空気流にてセル内の余剰のスラリーを取り除いた。さらに、スラリー付き担体を130℃で乾燥した後、400℃で1時間焼成することにより、Pd触媒層を設けた比較例1の触媒構造体を調製した。 Then, the Pd catalyst powder, alumina sol, water and nitric acid were put into a magnetic ball mill, mixed and pulverized to prepare a Pd catalyst slurry. Thereafter, the Pd catalyst slurry was adhered to a cordierite monolith support, and excess slurry in the cell was removed by an air flow. Furthermore, after drying the support | carrier with a slurry at 130 degreeC, the catalyst structure of the comparative example 1 which provided the Pd catalyst layer was prepared by baking at 400 degreeC for 1 hour.
実施例1〜4及び比較例1の貴金属種、アンカー材化合物、包接材化合物及びアンカー材と包接材の混合比率を表1に示す。また、アンカー材と貴金属との間の比較結合エネルギーEc1、包接材と貴金属との間の比較結合エネルギーEc2、及びEc2−Ec1も表1に示す。 Table 1 shows the precious metal species of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, the anchor material compound, the inclusion material compound, and the mixing ratio of the anchor material and the inclusion material. Table 1 also shows the comparative binding energy Ec1 between the anchor material and the noble metal, the comparative binding energy Ec2 between the inclusion material and the noble metal, and Ec2-Ec1.
[耐久試験方法]
排気量3500ccのガソリンエンジンの排気系に上記実施例1〜4及び比較例1の各触媒を装着し、触媒入口の排気ガス温度を900℃として、30時間運転し、各触媒を劣化させた。その後、排気量3500ccのガソリンエンジンの排気系に劣化後の各触媒を装着し、次式より400℃におけるHC残存率、CO残存率及びNOx残存率を測定した。
[Durability test method]
The catalysts of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were mounted on an exhaust system of a gasoline engine with a displacement of 3500 cc, and the exhaust gas temperature at the catalyst inlet was set to 900 ° C. for 30 hours to deteriorate each catalyst. After that, each deteriorated catalyst was attached to the exhaust system of a 3500 cc gasoline engine, and the HC residual ratio, CO residual ratio and NOx residual ratio at 400 ° C. were measured from the following equations.
HC残存率(%)=[触媒出口におけるHC排出量(g/test)]/[触媒入口におけるHC排出量(g/test)]×100
CO残存率(%)=[触媒出口におけるCO排出量(g/test)]/[触媒入口におけるCO排出量(g/test)]×100
NOx残存率(%)=[触媒出口におけるNOx排出量(g/test)]/[触媒入口におけるNOx排出量(g/test)]×100
HC remaining rate (%) = [HC emission amount at the catalyst outlet (g / test)] / [HC emission amount at the catalyst inlet (g / test)] × 100
CO residual rate (%) = [CO emission amount at the catalyst outlet (g / test)] / [CO emission amount at the catalyst inlet (g / test)] × 100
NOx remaining rate (%) = [NOx emission at catalyst outlet (g / test)] / [NOx emission at catalyst inlet (g / test)] × 100
上記測定法により測定した実施例1〜4及び比較例1のHC残存率、CO残存率及びNOx残存率を表2に示す。 Table 2 shows the HC residual ratio, CO residual ratio, and NOx residual ratio of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 measured by the above measurement method.
表1及び表2に示すように、Ec1<Ec2の関係を満たす実施例1〜4は、比較例1と比べてHC残存率、CO残存率及びNOx残存率のいずれも低い値を示した。また、上述のように、実施例1〜4の排気ガス浄化用触媒は貴金属量が1.12質量%と、比較例1の3.201質量%と比べ大幅に少ないにも関わらず、残存率が低い結果となった。これは、高温条件下では、包接材に担持された貴金属粒子がより安定性が高いアンカー粒子上に移動し、凝集が抑制されたためと考えられる。 As shown in Tables 1 and 2, Examples 1 to 4 satisfying the relationship of Ec1 <Ec2 showed lower values of the HC residual rate, the CO residual rate, and the NOx residual rate than those of Comparative Example 1. In addition, as described above, the exhaust gas purifying catalysts of Examples 1 to 4 have a precious metal amount of 1.12% by mass, which is significantly smaller than the 3.201% by mass of Comparative Example 1, but the residual rate. Was low. This is presumably because, under high temperature conditions, the noble metal particles supported on the inclusion material moved onto anchor particles having higher stability, and aggregation was suppressed.
また、図6は実施例1の排気ガス浄化用触媒における製造時のTEM写真であり、図7は実施例1の排気ガス浄化用触媒における上記耐久試験後のTEM写真である。図6において、パラジウムの粒子径は数nmであるため、明確に判別することができないが、図7では、パラジウムの凝集体を確認することができる。そして、図7に示すように、パラジウムの周囲は包接材で覆われているため、耐久試験中にパラジウムが包接材からアンカー粒子上に移動し、アンカー材上に留まっていることが確認できる。 FIG. 6 is a TEM photograph at the time of production of the exhaust gas purifying catalyst of Example 1, and FIG. 7 is a TEM photograph after the endurance test in the exhaust gas purifying catalyst of Example 1. In FIG. 6, since the particle diameter of palladium is several nm, it cannot be clearly discriminated, but in FIG. 7, an aggregate of palladium can be confirmed. Then, as shown in FIG. 7, since the periphery of palladium is covered with the clathrate, it is confirmed that the palladium has moved from the clathrate onto the anchor particles and remains on the anchor material during the durability test. it can.
以上、本発明を実施例及び比較例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the examples and comparative examples, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
5 排気ガス浄化用触媒
6,6A 貴金属粒子
7 アンカー粒子
9 包接材
9a 細孔
10 触媒ユニット
5 Exhaust gas purification catalyst 6, 6A Precious metal particles 7 Anchor particles 9 Inclusion material 9a Pore 10 Catalyst unit
Claims (5)
前記複数の触媒ユニットを内包し、かつ、前記触媒ユニット同士を互いに隔てる包接材と、
を有し、
密度汎関数法を用いた900℃におけるシミュレーションにより計算される、前記アンカー粒子と前記貴金属粒子との間の比較結合エネルギーEc1と、前記包接材と前記貴金属粒子との間の比較結合エネルギーEc2とが、Ec1<Ec2の関係を満たし、
前記貴金属粒子は、前記アンカー粒子と前記包接材の両方に担持されていることを特徴とする排気ガス浄化用触媒。 A plurality of catalyst units comprising noble metal particles and anchor particles supporting noble metal particles as an anchor material for the noble metal particles;
An enclosure material containing the plurality of catalyst units and separating the catalyst units from each other;
Have
A comparative binding energy Ec1 between the anchor particle and the noble metal particle, and a comparative binding energy Ec2 between the inclusion material and the noble metal particle, which are calculated by a simulation at 900 ° C. using a density functional method. but, to satisfy the relationship of Ec1 <Ec2,
The exhaust gas purifying catalyst , wherein the noble metal particles are supported on both the anchor particles and the inclusion material .
前記混合物を乾燥及び焼成する工程と、
を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の排気ガス浄化用触媒の製造方法。 The precursor of the anchor particle, the precursor of the inclusion material, the binder that forms an aggregate together with the precursor of the anchor particle, and the precursor of the noble metal particle are mixed in a solvent to prepare a mixture. Process,
Drying and firing the mixture;
The method for producing an exhaust gas purifying catalyst according to any one of claims 1 to 4 , wherein:
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