JP6236995B2 - 排気ガス浄化用触媒及びその製造方法並びにそれを用いた排気ガス浄化方法 - Google Patents

排気ガス浄化用触媒及びその製造方法並びにそれを用いた排気ガス浄化方法 Download PDF

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Description

本発明は、排気ガス浄化用触媒及びその製造方法並びにそれを用いた排気ガス浄化方法に関する。
ディーゼルエンジンの排気ガス処理装置は、一般に酸化触媒（ＤＯＣ）とその下流に配設されたディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）によって構成されている。ＤＯＣによって、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が酸化浄化され、窒素酸化物（ＮＯｘ）のうちのＮＯがＮＯ２に酸化される。ＤＯＣでの触媒反応熱によりＤＰＦの昇温が図れ、ＮＯ２の有する強い酸化力によりＤＰＦに堆積したパティキュレートマター（ＰＭ）の燃焼が促進される。エンジン始動直後はＤＯＣの活性が低いことから、ＨＣが未浄化のまま排出されないように、ＤＯＣにゼオライトをＨＣトラップ材として設けることが行われている。
一方、ＮＯｘの浄化のために、リーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンではリーンＮＯｘトラップ触媒（ＬＮＴ触媒）も利用されている。このＬＮＴ触媒は、ＮＯｘ吸蔵材によって排気ガスの空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸蔵する。そして、エンジンの空燃比をリッチに変調するリッチパージにより、ＮＯｘ吸蔵材からのＮＯｘの放出、及び未燃ガスによるＮＯｘの還元が行われる。ＮＯｘ吸蔵材としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属を利用することが可能である。但し、アルカリ金属は触媒担体を形成するコージェライトの粒界にガラス相を形成して担体強度を低下させることから、実際にはそのような問題がないアルカリ土類金属が一般に採用されている。
また、特許文献１に記載されているように、ガソリンエンジンの排気ガス浄化用触媒においては、一体構造型担体にゼオライトを含有するＨＣ吸着材層とＮＯｘ吸蔵材を含有する触媒金属層とを積層状態に設けるという提案がある。このようにすることで、エンジン始動直後の排気ガス中のＨＣ及びＮＯｘを共に吸着することができ、触媒金属の活性化後に、ＨＣ及びＮＯｘの排出と共にそれらを反応させることでＨＣ及びＮＯｘの両方を浄化可能にしている。
特開２００１−１１３１７３号公報
特許文献１のように、ＨＣ吸着材層とＮＯｘ吸蔵材を含有する触媒金属層とを有し、ＨＣ吸着性能及びＬＮＴ性能を併せ持つ触媒は既に提案されている。これは、下層で脱離したＨＣが上層に達し、上層にトラップされているＮＯｘと反応することによりＮＯｘを浄化させるものであるが、ＨＣの脱離温度範囲には限りがあり、多様な運転条件において、脱離するＨＣ量がＮＯｘを浄化させるのに十分なＨＣ量となるかは明らかでない。このため、脱離ＨＣを用いてＮＯｘを還元浄化させる場合、未浄化のＮＯｘが残存する可能性が高い。
また、今後の厳しい自動車排出ガス規制に鑑み、高いＨＣ及びＣＯ酸化性能を維持、又は改善しつつ、より効率良くＬＮＴ性能を発揮できる触媒が求められる。このためには、ＨＣ脱離を用いたＮＯｘ浄化という既存技術だけでなく、ＨＣ吸着・浄化性能の向上や、ＮＯｘの還元浄化をも考慮した触媒層の層構造及びその組成の工夫が必要となる。
そこで本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＨＣ及びＣＯ酸化能を有する触媒層と、ＮＯｘ還元能を有する触媒層とを備えた排気ガス浄化触媒において、高効率でＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化できる触媒を得られるようにすることにある。
前記の目的を達成するために、本発明の排気ガス浄化用触媒では、酸化触媒層の上にＬＮＴ層が積層された構造とし、さらにＬＮＴ層の上に、ＮＯｘの還元性能が高い触媒金属としてのＲｈを多く含有するＮＯｘ還元層を設けた。
具体的には、本発明に係る排気ガス浄化用触媒は、担体上に形成され、ゼオライト、アルミナ、セリア、並びにＰｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を含む酸化触媒層と、前記酸化触媒層の上に形成され、ＮＯｘ吸蔵材としてのアルカリ土類金属と、Ｐｔ及びＲｈのうちの少なくとも１種の触媒金属とを含むＬＮＴ層と、前記ＬＮＴ層の上に形成され、アルミナ及びジルコニアのうちの少なくとも１つ並びに触媒金属としてのＲｈを含むＮＯｘ還元層とを備え、前記酸化触媒層は、前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属、アルミナ及びセリアを含む第１酸化触媒層と、該第１酸化触媒層の上に形成された前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属及びゼオライトを含む第２酸化触媒層とを含み、前記ＮＯｘ還元層は、前記酸化触媒層及びＬＮＴ層よりも前記Ｒｈの含有量が大きいことを特徴とする。
本発明に係る排気ガス浄化用触媒において、触媒温度が低いときは排気ガス中のＨＣが酸化触媒層のゼオライトに吸着され、触媒温度が上昇すると、ゼオライトからＨＣが放出される。放出されたＨＣは、排気ガス中のＣＯと共に温度上昇によって活性が高くなっている触媒金属により酸化浄化される。また、排気ガスの空燃比がリーンであるときは、ＮＯｘがＬＮＴ層のＮＯｘ吸蔵材に吸蔵され、その空燃比が理論空燃比近傍又はリッチになったときにＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘが放出される。放出されたＮＯｘは、ＮＯｘ還元層の触媒金属であるＲｈにより還元浄化される。また、ＮＯｘ還元層は、ＬＮＴ層の上、すなわち排気ガス通路側に設けられており、ＮＯｘがＬＮＴ層から排気ガス通路に放出される際にＮＯｘ還元層を通り、ＮＯｘ還元層には他の層よりも多くＲｈが含有されているため、放出されたＮＯｘを効率良く還元浄化することができる。また、ＮＯｘ還元層は、Ｒｈとの親和性が高いジルコニア及びアルミナを含むため、Ｒｈを効率良くＮＯｘ還元層に含有させるのに有利である。
また、ゼオライトが酸化触媒層のうちの上側に配置されているから、排気ガス中のＨＣの吸着に有利になり、さらに、ゼオライトから脱離するＨＣが該ゼオライトに担持された触媒金属によって効率良く浄化される。また、第１酸化触媒層のセリアによるＮＯｘの吸着によって全体のＮＯｘ吸蔵、吸着量が増大するとともに、セリアを介する水性ガスシフト反応によってＮＯｘ還元剤としての水素が生成し、ＮＯｘの還元が促進される。さらに、空燃比をリッチ側にしたときに、セリアに吸蔵された酸素と還元剤（ＨＣ及びＣＯ）との反応熱による触媒の活性促進が図れ、ＮＯｘ浄化率が向上する。
本発明に係る排気ガス浄化用触媒において、ＬＮＴ層は、アルミナ及びセリアをさらに含むことが好ましい。
このようにすると、アルミナを含有することで耐熱性が向上し、上記と同様に、セリアによるＮＯｘの吸着によって全体のＮＯｘ吸蔵、吸着量が増大するとともに、セリアを介する水性ガスシフト反応によってＮＯｘ還元剤としての水素が生成し、ＮＯｘの還元が促進される。さらに、空燃比をリッチ側にしたときに、セリアに吸蔵された酸素と還元剤（ＨＣ及びＣＯ）との反応熱による触媒の活性促進が図れ、ＮＯｘ浄化率が向上する。
本発明に係る排気ガス浄化用触媒において、酸化触媒層におけるゼオライトは、平均粒径が０．５μｍ以上４．８μｍ以下であることが好ましい。
本発明に係る排気ガス浄化用触媒の製造方法は、担体上に、ゼオライト、アルミナ、セリア、並びにＰｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を含む酸化触媒層を形成する工程と、前記酸化触媒層の上に、アルミナ及びセリアを含むＬＮＴサポート材層を形成する工程と、前記ＬＮＴサポート材層の上に、アルミナ及びジルコニアのうちの少なくとも１つを含むＲｈ用サポート材層を形成する工程と、前記ＬＮＴサポート材層及びＲｈ用サポート材層を、ＮＯｘ吸蔵材としてのアルカリ土類金属及び触媒金属としてのＲｈを含む溶液に含浸することにより、前記ＬＮＴサポート材層を前記ＮＯｘ吸蔵材が含有されたＬＮＴ層にすると共に、前記Ｒｈ用サポート材層を前記酸化触媒層及びＬＮＴ層よりもＲｈ含有量が大きいＮＯｘ還元層にする工程とを備え、前記酸化触媒層を形成する工程では、前記アルミナ及びセリアの混合物に前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を担持してなる粉末を含むスラリーを前記担体に担持して乾燥させた後、その上に、前記ゼオライトに前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を担持してなる粉末を含むスラリーをコーティングし、乾燥、焼成することにより、当該触媒金属、アルミナ及びセリアを含む第１酸化触媒層と、該第１酸化触媒層の上の当該触媒金属及びゼオライトを含む第２酸化触媒層とを形成することを特徴とする。
本発明に係る排気ガス浄化用触媒の製造方法によると、Ｒｈとの親和性が高いアルミナ及びジルコニアの少なくとも１つを含むＲｈ用サポート材層を最上層に設けた後に、触媒層をＲｈ及びＮＯｘ吸蔵材を含む溶液に含浸するため、Ｒｈが選択的にＲｈ用サポート材層に多く含まれるようになる。このようにして、上述した効果を発揮できる最上層にＲｈを多く含む触媒を簡便に製造することができる。
また、ＮＯｘ吸蔵材が溶液中に溶出してＬＮＴ層から酸化触媒層に浸透すると、酸化触媒層に含まれるゼオライトのＨＣ吸着性能が低下する、或いは酸化触媒性能が低下することが知られているが、上記製造方法では、酸化触媒層の上に、アルミナ及びセリアを含むＬＮＴサポート材層及びＲｈ用サポート材層を形成する。このため、酸化触媒層よりも上層に、ＮＯｘ吸蔵材との親和性が高いセリア及びアルミナを含む層に多くＮＯｘ吸蔵材が含まれるので、酸化触媒層のＮＯｘ吸蔵材の含有量を低減できる。その結果、ＨＣ吸着性能及びＨＣ浄化性能の低減を防止できる。
本発明に係る排気ガス浄化用触媒の他の製造方法は、担体上に、ゼオライト、アルミナ、セリア、並びにＰｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を含む酸化触媒層を形成する工程と、前記酸化触媒層の上に、アルミナ及びセリアを含むＬＮＴサポート材層を形成する工程と、前記ＬＮＴサポート材層の上に、触媒金属としてのＲｈが担持されたアルミナ及び触媒金属としてのＲｈが担持されたジルコニアのうちの少なくとも１つを含むＮＯｘ還元層を形成する工程と、前記ＬＮＴサポート材層を、ＮＯｘ吸蔵材としてのアルカリ土類金属を含む溶液に含浸することにより、前記ＬＮＴサポート材層をＮＯｘ吸蔵材が含有されたＬＮＴ層にする工程とを備え、前記酸化触媒層を形成する工程では、前記アルミナ及びセリアの混合物に前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を担持してなる粉末を含むスラリーを前記担体に担持して乾燥させた後、その上に、前記ゼオライトに前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を担持してなる粉末を含むスラリーをコーティングし、乾燥、焼成することにより、当該触媒金属、アルミナ及びセリアを含む第１酸化触媒層と、該第１酸化触媒層の上の当該触媒金属及びゼオライトを含む第２酸化触媒層とを形成し、前記ＮＯｘ還元層が前記酸化触媒層及び前記ＬＮＴ層よりもＲｈ含有量が大きくなるように各層を形成することを特徴とする。
この排気ガス浄化用触媒の製造方法を用いても、予めＲｈが担持されたアルミナ及びジルコニアの少なくとも１つを含むＮＯｘ還元層を最上層に形成するため、上述した効果を発揮できる最上層にＲｈを多く含む触媒を簡便に製造することができる。また、本製造方法においても、酸化触媒層よりも上層のＮＯｘ吸蔵材との親和性が高いセリア及びアルミナを含む層に多くＮＯｘ吸蔵材が含まれるので、酸化触媒層のＮＯｘ吸蔵材の含有量を低減できる。その結果、ＨＣ吸着性能及びＨＣ浄化性能の低減を防止できる。
また、本発明に係る排気ガスの浄化方法では、エンジンの排気ガス通路に設けられたパティキュレートフィルタの排気ガス流れ方向上流側に上記の排気ガス浄化用触媒を配設し、排気ガスの空燃比をリーンにして、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材に吸蔵させた後、ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上になったとき、エンジンの燃焼室に圧縮行程上死点付近で燃料を噴射供給する主噴射後に、膨張行程又は排気行程において燃料を噴射供給する後噴射させて排気ガス中へＨＣやＣＯを含ませて、排気ガスの空燃比がリッチ状態になるように制御して前記ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘを放出させる。放出されたＮＯｘを、前記ＮＯｘ還元層を通過する際に前記Ｒｈにより還元浄化させる。また、下流に配置したパティキュレートフィルタへのパティキュレートマターの堆積量が所定値以上になったときには、排気ガスがリーン状態のままでエンジンの燃焼室に圧縮行程上死点付近で燃料を噴射供給する主噴射後に、膨張行程は又は排気行程において燃料を噴射供給する後噴射させて、排気ガス中のＨＣを前記Ｐｔ及びＰｄにより酸化燃焼させて、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス温度を昇温することにより、パティキュレートマターを燃焼する。
本発明に係る排気ガスの浄化方法によると、用いる触媒が上述の通り一つの触媒で酸化性能とＬＮＴ性能を併せ持っており、リーン状態のときに吸蔵したＮＯｘを、リッチ状態に制御してＮＯｘを放出して還元浄化でき、パティキュレートフィルタの再生持には、燃料の後噴射により発生するＨＣやＣＯを酸化燃焼させることで排気ガス温度を昇温できるため、それぞれの機能を有する触媒を個別に配置する必要がなくなり、触媒の容量を小さくすることができる。
本発明に係る排気ガス浄化用触媒によると、高効率でＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化することができ、また、本発明に係る排気ガス浄化用触媒の製造方法によると、上記触媒を簡便に得ることができる。また、本発明に係る排気ガス浄化用触媒を用いた排気ガスの浄化方法によると、リーンでのＮＯｘ吸蔵、リッチでのＮＯｘ還元、及びパティキュレートフィルタの再生時に酸化熱を利用した排気ガス温度の上昇が一つの触媒で賄えるため、触媒容量を小さくすることができる。
本発明の参考形態に係る排気ガス浄化用触媒の一部を示す断面図である。 本発明の参考形態に係る排気ガス浄化用触媒の触媒層構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化用触媒の触媒層構成例を示す断面図である。 ＨＣ浄化性能の評価試験における触媒から流出するガスのトータルＨＣ濃度及び触媒入口温度の変化を示すグラフ図である。 本発明の実施例及び比較例のＨＣ浄化率を示すグラフ図である。 ＮＯｘ浄化性能の評価試験における触媒から流出するガスのＮＯｘ濃度の変化を示すグラフ図である。 本発明の実施例及び比較例のＮＯｘ吸蔵量を示すグラフ図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用方法或いはその用途を制限することを意図するものでない。
（触媒の構成について）
まず、本発明の参考形態に係る排気ガス浄化用触媒の構成について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒の一部を示す断面図であり、図２は該排気ガス浄化用触媒の触媒層構成を示す断面図である。
図１及び図２に示すように、本参考形態に係る排気ガス浄化用触媒は、不図示のディーゼルエンジンから排出される排気ガス浄化用触媒であり、ハニカム担体のセル壁１の上に、酸化触媒層であるＤＯＣ層２、リーンＮＯｘトラップ触媒層であるＬＮＴ層３、及びＮＯｘ還元層４が順次形成されてなり、その内側の空間が排気ガス通路５となっている。ハニカム担体は、そのセル断面形状が六角形である六角セルハニカム構造となっている。図１では、図の簡略化のため、１つのセルにのみ上記触媒層を描いているが、全てのセルに上記触媒層が形成されている。
本参考形態において、ＤＯＣ層２は、担体のセル壁１の上に形成されており、それはゼオライトにそれぞれＰｔ及びＰｄ等の触媒金属が担持されてなる。なお、ＤＯＣ層２は、上記触媒金属が担持された活性アルミナ及びセリアの混合物をさらに含んでいてもよい。ＤＯＣ層２の上に形成されたＬＮＴ層３は、ＮＯｘ吸蔵材並びにＰｔ及びＲｈ等の触媒金属が担持されてなる。なお、ＬＮＴ層３において、上記ＮＯｘ吸蔵材及び触媒金属は、活性アルミナ及びセリアに担持されていることが好ましい。活性アルミナは、ＺｒやＬａ等で安定化された複合酸化物でもよく、セリア、Ｚｒ、ＮｄやＰｒ等との複合酸化物でもよい。また、ＬＮＴ層３の上に形成されたＮＯｘ還元層４は、アルミナ及びジルコニアのうちの少なくとも１つに触媒金属としてのＲｈが担持されてなる。なお、ＮＯｘ還元層４は、ＤＯＣ層２及びＬＮＴ層３よりもＲｈ含有量が大きくなるように構成されている。これにより、排気ガスの空燃比がリーンのときにＬＮＴ層３のＮＯｘ吸蔵材に吸蔵されたＮＯｘが、リッチ状態となったときにＬＮＴ層３からＮＯｘ還元層４を通って排気ガス通路５に放出されるため、ＮＯｘ還元層４に多く含まれたＲｈの働きにより効率良くＮＯｘを還元浄化することができる。
ここでは、ＤＯＣ層２が１層構造の触媒について説明したが、本発明の実施形態では、図３に示すように、ＤＯＣ層２が下層の第１ＤＯＣ層２ａと上層の第２ＤＯＣ層２ｂとの２層構造になっている。このとき、第１ＤＯＣ層２ａは、活性アルミナ及びセリアの混合物にＰｔ及びＰｄ等の触媒金属が担持されてなり、第２ＤＯＣ層２ｂは、ゼオライトにＰｔ及びＰｄ等の触媒金属が担持されてなる。このようにすると、ゼオライトがＤＯＣ層２のうち上側に配置されているから、排気ガス中のＨＣの吸着に有利になり、さらに、ゼオライトから脱離するＨＣが該ゼオライトに担持された触媒金属によって効率良く浄化される。
また、上記ＤＯＣ層２の構成成分であるゼオライトの平均粒径（Ｄ５０）は０．５μｍ以上４．８μｍ以下であることが好ましい。ゼオライトの平均粒径が大きすぎると粒子の露出表面積が小さくなって、ＨＣの吸着量が低減するため、上記のような粒径の範囲であることが好ましい。
（触媒の製造方法について）
次に、排気ガス浄化用触媒の製造方法について説明する。
まず、参考形態に係る、触媒成分としてゼオライト、活性アルミナ、セリア並びに触媒金属であるＰｔ及びＰｄを含むＤＯＣ層２を形成するための材料となるＤＯＣ粉末の調製について説明する。ＤＯＣ粉末の調製としては、まず、ゼオライト、活性アルミナ及びセリアを混合し、その混合物にＰｔ及びＰｄ等の触媒金属を蒸発乾固法により担持する。具体的には、ゼオライト、活性アルミナ及びセリアの混合物に水を加え、撹拌してスラリー状にする。このスラリーを撹拌しながら、これに触媒金属の硝酸塩水溶液を滴下する。その後、加熱しながらさらに撹拌を続けて、水分を完全に蒸発させる。得られた乾固物を大気中で焼成し、粉砕することにより、ＤＯＣ粉末が得られる。ここで、ＤＯＣ粉末の粉砕は、ゼオライトの平均粒径（Ｄ５０）が０．５μｍ以上４．８μｍ以下になるまで行うことが好ましい。
上記のように調製したＤＯＣ粉末を用いて、ハニカム担体のセル壁１の上にＤＯＣ層２を形成する。そのために、まず、得られたＤＯＣ粉末をバインダー及び水と混合し、さらにスラリー粘度調整用の硝酸水溶液を添加して撹拌することにより、スラリー状にする。このスラリーをハニカム担体のセル壁１の上にコーティングし、乾燥し、その後に焼成する。これにより、担体のセル壁の上にＤＯＣ層２が形成される。
図３に示す本実施形態に係る２層構造のＤＯＣ層２を形成する場合は、ゼオライトと、活性アルミナ及びセリアの混合物とを、別々に蒸発乾固法により触媒金属を担持し、それぞれの粉末を得る。その後、それらをスラリー状にし、まず、活性アルミナ及びセリアの混合物を含むスラリーを担体のセル壁１上にコーティングし、乾燥した後に、ゼオライトを含むスラリーをその上にコーティングし、乾燥、焼成することにより担体のセル壁１上に第１ＤＯＣ層２ａが形成され、該第１ＤＯＣ層２ａの上に第２ＤＯＣ層２ｂが形成される。その結果、２層構造のＤＯＣ層２が形成される。
次に、ＤＯＣ層２の上に、後にＬＮＴ層３となるＬＮＴサポート材層を形成する。ＬＮＴ用サポート材層の形成のために、まず、活性アルミナとセリアとを混合する。この混合物にバインダーと水とを加え、撹拌してスラリー状にする。このスラリーをＤＯＣ層２の上にコーティングし、乾燥し、その後に焼成する。これにより、ＤＯＣ層２の上にＬＮＴサポート材層が形成される。
次に、ＬＮＴサポート材層の上に、後にＮＯｘ還元層４となるＲｈ用サポート材層を形成する。Ｒｈ用サポート材層の形成のために、まず、塩基性の活性アルミナ又はジルコニアにバインダーと水とを加え、撹拌してスラリー状にする。このスラリーをＬＮＴサポート材層の上にコーティングし、乾燥し、その後に焼成する。これにより、ＬＮＴサポート材層の上にＲｈ用サポート材層が形成される。なお、Ｒｈ用サポート材層の材料として活性アルミナ又はジルコニアを用いたが、活性アルミナとジルコニアとの混合物を用いても構わない。
次に、Ｐｔ及びＲｈの触媒金属とアルカリ土類金属からなるＮＯｘ吸蔵材との混合溶液を調製し、この溶液に上記各層が形成された担体を含浸させる。その後、上記混合溶液が含浸されたハニカム担体を乾燥し、焼成する。これにより、ＬＮＴサポート材層に触媒金属及びＮＯｘ吸蔵材が含浸担持されたＬＮＴ層３と、Ｒｈ用サポート材層に触媒金属として特にＲｈが含浸担持されたＮＯｘ還元層４が形成される。なお、このとき、ＮＯｘ吸蔵材には、アルカリ土類金属の酢酸塩又は硝酸塩の水溶液を用いる。上記製造方法において、乾燥は、例えば大気雰囲気において１００℃〜２５０℃程度の温度に所定時間保持することによって行うことができる。また、焼成は、例えば大気雰囲気において４００℃〜６００℃程度の温度に数時間保持することによって行うことができる。
本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒の製造方法では、ＬＮＴサポート材層とＲｈ用サポート材層とを形成した後に、Ｐｔ及びＲｈの触媒金属とＮＯｘ吸蔵材とを含浸担持させており、Ｒｈ用サポート材層の材料である塩基性のジルコニア及び活性アルミナはＲｈとの親和性が高いため、Ｒｈが選択的にＲｈ用サポート材層に多く担持され、その結果、簡便に触媒の最上層であるＮＯｘ還元層に他層よりもＲｈを多く含有させることができる。このため、排気ガスがリーン状態のときにＬＮＴ層のＮＯｘ吸蔵材に吸蔵されたＮＯｘが、リッチ状態のときに放出される際にＲｈを多く含むＮＯｘ還元層を通るため、放出されたＮＯｘを効率良く還元浄化することができる。
本実施形態では、ＬＮＴサポート材層及びＲｈ用サポート材層を形成した後に、Ｒｈ及びＮＯｘ吸蔵材を含む溶液を含浸することにより、ＬＮＴ層及びＮＯｘ還元層を形成したが、この方法に限らず、上記のようにＤＯＣ層及びＬＮＴサポート材層を形成した後に、ＬＮＴサポート材層の上に直接にＲｈを含有するＮＯｘ還元層を形成してもよい。
具体的には、予め上記蒸発乾固法により、アルミナ、ジルコニア又はそれらの混合物にＲｈを担持することにより得られた粉末をスラリーにして、ＬＮＴサポート材層の上にコーティングする。その後、それを乾燥及び焼成することにより、Ｒｈを含むＮＯｘ還元層を形成することができる。なお、このとき、ＮＯｘ還元層のＲｈの量を他層よりも大きくなるように調製する。ＮＯｘ還元層を形成した後に、ＬＮＴサポート材層を、ＮＯｘ吸蔵材を含む溶液に含浸、乾燥及び焼成することにより、ＬＮＴ層を得ることができ、その結果、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。
このような方法を用いても、触媒の最上層であるＮＯｘ還元層に他層よりもＲｈが多く含有された触媒を簡便に得ることができる。
本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒は、上記のような効果を示すが、それらの他に、排気ガス通路におけるパティキュレートフィルタの上流に配置され、排気ガスの空燃比を制御することにより、パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートマター（ＰＭ）の燃焼効率を向上することもできる。このような本実施形態の触媒を用いた排気ガス浄化方法について以下に説明する。
（触媒の使用態様の一例）
エンジンの排気ガス通路に設けられたパティキュレートフィルタの排気ガス流れ方向上流側に本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒を配設し、その下流側にＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを設け、フィルタの入口側と出口側とに圧力センサを設ける。これにより、触媒を通過した排気ガスのＮＯｘ濃度に基づいて、触媒中のＮＯｘ吸蔵材に吸蔵されたＮＯｘ吸蔵量を測定でき、また、フィルタの入口側と出口側とに設けられた圧力センサにより検出された差圧に基づいて、フィルタにおけるＰＭ堆積量を測定できる。また、予め、ＮＯｘ吸蔵材におけるＮＯｘ吸蔵量及びパティキュレートフィルタへのＰＭ堆積量を決定しておき、そのＮＯｘ吸蔵量又はＰＭ堆積量以上になったときに、エンジンの燃焼室に圧縮行程上死点付近で燃料を噴射供給する主噴射後に、膨張行程又は排気行程おいて燃料を噴射供給する後噴射を行うように制御する。これにより、ＮＯｘを還元浄化させる際には、排気ガス中へＨＣやＣＯを含ませて排気ガスの空燃比をリッチ状態にする。ＰＭの酸化燃焼をさせる際には、排気ガス中へＨＣやＣＯを含ませながら、空燃比はリーンのままで、酸化熱を利用して触媒温度を上昇させる。なお、上記ＮＯｘセンサ及び圧力センサと接続された、燃料噴射制御をするためのコントローラを設けることが好ましい。
まず、排気ガスの空燃比がリーン状態のとき、上記の通り排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵材に吸蔵され、排気ガス中のＨＣがゼオライトに吸着される。その後、ＮＯｘ吸蔵量が上記設定した所定値以上となったときに、上記のように後噴射させて排気ガスの空燃比をリッチ状態にすることで、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘを放出し、放出されたＮＯｘがＮＯｘ還元層を通過する際にＮＯｘ還元層におけるＲｈにより還元浄化される。また、下流に配置したパティキュレートフィルタへのＰＭの堆積量が所定値以上になったときには、排気ガスがリーン状態のままで後噴射を行うことによって、排気ガス中のＨＣをＰｔ及びＰｄ等の触媒金属により酸化燃焼され、ゼオライトに吸着していたＨＣを脱離及び酸化燃焼される。そうすると、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス温度が昇温し、これによりパティキュレートマターを高効率で燃焼できる。
このように、リーンでのＮＯｘ吸蔵、リッチでのＮＯｘ還元、及びパティキュレートフィルタの再生時に酸化熱を利用した排気ガス温度の上昇が一つの触媒で賄えるため、触媒容量を小さくすることができる。
以下に、本発明に係る排気ガス浄化用触媒を詳細に説明するための実施例を示す。本実施例では、セル壁の厚さが４．５ｍｉｌ（１．１４３×１０−１ｍｍ）であり、１平方インチ（６４５．１６ｍｍ２）当たりのセル数が４００のコージェライト製六角セルハニカム担体（直径２５．４ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を用いて、上記排気ガス浄化用触媒の製造方法により排気ガス浄化用触媒を調製した。その触媒に対して、ＨＣ浄化性能及びＮＯｘ吸蔵性能を評価した。
以下に、実施例１〜３及び比較例１〜５に係る排気ガス浄化用触媒の構成について説明する。実施例１〜３では、ＤＯＣ層を図３に示すような２層構造とし、上述した製造方法によりそれぞれの触媒を作製した。ＤＯＣ層の下層である第１ＤＯＣ層の触媒成分の担持量（担体１Ｌ当たりの担持量のこと。以下、同じ。）は、６０ｇ／Ｌの活性アルミナ、４０ｇ／Ｌのセリア、１．２ｇ／ＬのＰｔ、０．６ｇ／ＬのＰｄである。一方、上層である第２ＤＯＣ層の触媒成分の担持量は、１００ｇ／Ｌのゼオライト、０．４ｇ／ＬのＰｔ、０．２ｇ／ＬのＰｄである。また、ＬＮＴサポート材層の触媒成分の担持量は、４０ｇ／Ｌの活性アルミナ、４０ｇ／Ｌのセリアであり、Ｒｈ用サポート材層の触媒成分の担持量は、実施例１では２０ｇ／Ｌの活性アルミナ、実施例２では２０ｇ／Ｌのジルコニア、実施例３では２０ｇ／Ｌの活性アルミナとジルコニアとの複合酸化物である。なお、それぞれの重量比は、アルミナ：ジルコニア＝６０：４０（重量％）である。この複合酸化物は、アルミニウムイオンとジルコニウムイオンとを含む酸性溶液中にアンモニア水等の塩基性溶液を添加してアルミナの前駆体とジルコニアの前駆体とを共沈させ、乾燥、焼成を行って得ることができ、アルミナの一次粒子とジルコニアの一次粒子とが略均一に混合された複合酸化物粒子である。これらの層を形成した後に、担体に４．３ｇ／ＬのＰｔ、０．５ｇ／ＬのＲｈ、ＮＯｘ吸蔵材として３０ｇ／ＬのＢａ及び１０ｇ／ＬのＳｒを含浸担持して、ＬＮＴサポート材層及びＲｈ用サポート材層をそれぞれＬＮＴ層及びＮＯｘ還元層とした。
また、比較例１の触媒は、担体上に１層構造のＤＯＣ層のみを設けた構成とした。１層構造のＤＯＣ層の触媒成分の担持量は、１００ｇ／Ｌのゼオライト、６０ｇ／Ｌの活性アルミナ、４０ｇ／Ｌのセリア、１．６ｇ／ＬのＰｔ、０．８ｇ／ＬのＰｄである。比較例２の触媒は、上記１層構造のＤＯＣ層の上に２０ｇ／Ｌの活性アルミナを構成成分とするＲｈ用サポート材層を形成し、担体に４．３ｇ／ＬのＰｔ、０．５ｇ／ＬのＲｈ、ＮＯｘ吸蔵材として３０ｇ／ＬのＢａ及び１０ｇ／ＬのＳｒを含浸担持したものである。比較例３の触媒は、比較例２と比較して、ＤＯＣ層を上記２層構造にしたことのみ異なり、他は同一の構成である。比較例４は、比較例２と比較して、Ｒｈ用サポート材層の構成成分として２０ｇ／Ｌのジルコニアを用いたことのみ異なり、他は同一の構成である。比較例５は、比較例３と比較して、Ｒｈ用サポート材層の構成成分として２０ｇ／Ｌのジルコニアを用いたことのみ異なり、他は同一の構成である。
なお、実施例１〜３及び比較例１〜５において、ゼオライトとしてはβ−ゼオライトを用いた。また、各触媒粉末の調製における焼成、及び触媒粉末のコーティング後の焼成は、いずれも大気中で行い、いずれも焼成温度を５００℃、焼成時間を２時間とした。
これらの実施例１〜３及び比較例１〜５の触媒に対して行ったＨＣ浄化性能の測定試験及びＮＯｘ吸蔵量の測定試験とそれらの結果とについて、以下に説明する。
ＨＣ浄化性能の測定試験において、まず、実施例１〜３及び比較例１〜５の各ハニカム触媒に対して、Ｏ２が２％、Ｈ２Ｏが１０％、残部がＮ２のガス雰囲気において７５０℃の温度に２４時間保持するエージング処理を行った。そのハニカム触媒をモデルガス流通反応装置に取り付け、ハニカム触媒にＮ２ガスを流通させた状態で触媒入口ガス温度を１００℃に保持し、次いでＨＣ浄化性能評価用のモデルガスを導入した。
モデルガス組成は、ｎ−オクタンが６００ｐｐｍＣ、エチレンが１５０ｐｐｍＣ、プロピレンが５０ｐｐｍＣ、ＣＯが１５００ｐｐｍ、ＮＯが３０ｐｐｍ、Ｏ２が１０％、Ｈ２Ｏが１０％、残部がＮ２であり、空間速度は７２０００／ｈである。
モデルガス導入開始後、２分を経過した時点から触媒入口ガス温度を上昇させていき、ハニカム触媒から流出するガスのトータルのＨＣ濃度（ＴＨＣ）を測定した。その結果の一例を図４に示す。
モデルガスの導入開始から暫くは触媒温度が低いため、モデルガス中のＨＣがゼオライトに吸着される。そのため、流出ガスのＴＨＣは、モデルガスのＴＨＣである８００ｐｐｍＣよりも低い。そうして、触媒温度の上昇に伴ってゼオライトによるＨＣの吸着量が漸減する。触媒入口ガス温度が２００℃近くになると、ゼオライトへのＨＣの吸着量よりＨＣの脱離量が多くなり、ＴＨＣが急増して８００ｐｐｍＣよりも高くなる。触媒温度が上昇していくと、触媒が活性を呈するようになり、脱離するＨＣのＤＯＣ層による浄化が始まる。このため、ＴＨＣが急減して８００ｐｐｍＣよりも低くなる。
そうして、上記実施例１〜３及び比較例１〜５の各ハニカム触媒の、モデルガス導入開始から当該ガス温度が３００℃になるまでのＨＣ浄化率を求めた。ＨＣ浄化率は、図４に示すＨＣの吸着に伴うＴＨＣ低減量（Ａ）とＨＣの浄化に伴うＴＨＣ低減量（Ｂ）との和から、ＨＣ脱離量（Ｃ）を差し引いて計算した。その結果を図５に示す。
図５に示すように、実施例１〜３と比較例１〜５とを比較すると、ＤＯＣ層、ＬＮＴ層及びＮＯｘ還元層により構成された実施例１〜３の触媒の方が、比較例１〜５の触媒よりもＨＣ浄化率が高いことがわかる。なお、実施例１〜３を互いに比較すると、それらの間で大きな差は見られなかった。
一方、ＮＯｘ吸蔵性能の測定試験においては、実施例１〜３及び比較例１〜５の各ハニカム触媒に対して、上記ＨＣ浄化率測定の場合と同じエージング処理を行った後、ハニカム触媒をモデルガス流通反応装置に取り付けた。ハニカム触媒に空燃比リッチのモデルガスを流通させた状態で触媒入口ガス温度を２００℃に保持し、該温度を保った状態で空燃比リーンのモデルガスに切り替え、このモデルガスの切替えから１８０秒を経過した時点で空燃比リッチのモデルガスに切り替えた。
ハニカム触媒から流出するガスのＮＯｘ濃度を測定した結果の一例を図６に示す。モデルガスがリッチからリーンに切り替わった直後からＮＯｘ濃度が時間の経過と共に上昇していき、ＮＯｘ吸蔵量が飽和に近づくにつれてモデルガスのＮＯｘ濃度が２２０ｐｐｍに漸近している。モデルガスがリーンからリッチに切り替わると、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘが放出されるが、リッチへの切り替わりによる還元剤（ＨＣ及びＣＯ）の供給により、Ｐｔ及びＲｈによるＮＯｘの還元が急激に進むため、上記流出ガスのＮＯｘ濃度が急減する。
図６に示すリーン１８０秒間のＮＯｘ吸蔵によるＮＯｘ低減量（Ａ）とリッチ１０秒間のＮＯｘ還元によるＮＯｘ低減量（Ｂ）とに基づいて、１９０秒間トータルでのＮＯｘ浄化率を求めた。また、触媒入口温度を２５０℃として、同様に１９０秒間トータルでの平均ＮＯｘ浄化率を求めた。
リッチモデルガスの組成は、ＮＯが２２０ｐｐｍ、ＨＣが３４００ｐｐｍＣ、ＣＯが１．０％、Ｏ２が０．５％、ＣＯ２が６％、Ｈ２Ｏが１０％、残部がＮ２である。リーンモデルガスの組成は、ＮＯが２２０ｐｐｍ、ＨＣが４００ｐｐｍＣ、ＣＯが０．１５％、Ｏ２が１０％、ＣＯ２が６％、Ｈ２Ｏが１０％、残部がＮ２である。ＮＯｘ吸蔵性能の測定試験の結果を図７に示す。
図７に示すように、実施例１〜３と比較例１〜５とを比較すると、ＤＯＣ層、ＬＮＴ層及びＮＯｘ還元層により構成された実施例１〜３の触媒の方が、比較例１〜５の触媒よりもＮＯｘ浄化率が高いことがわかる。なお、実施例１〜３を互いに比較すると、それらの間で大きな差は見られなかった。
上記ＨＣ浄化性能試験及びＮＯｘ浄化性能試験の結果から、ＤＯＣ層、ＬＮＴ層及びＮＯｘ還元層により構成された触媒は、ＤＯＣ層のみ又はＤＯＣ層とＮＯｘ還元層とのみからなる触媒よりもＨＣ浄化性能及びＮＯｘ浄化性能が高いことがわかる。ＨＣ浄化性能が高い理由としては、ゼオライトを含むＤＯＣ層の上に、ＮＯｘ吸蔵材との親和性が高いセリア及びアルミナを含む層を形成した後に、ＮＯｘ吸蔵材を含む溶液に含浸させたため、ＤＯＣ層に含まれるＮＯｘ吸蔵材の量を低減でき、ＮＯｘ吸蔵材によるゼオライトのＨＣ吸着性能の低減を抑制できるためであると考えられる。これにより多くのＨＣを吸着でき、高温で触媒が活性となったときに、その多くが酸化反応を起こすため、ＨＣ浄化性能が高いと考えられる。一方、ＮＯｘ浄化性能が高い理由としては、リーン状態のときにＬＮＴ層中のＮＯｘ吸蔵材がモデルガス中のＮＯｘを吸蔵し、リッチ状態にしたときにＮＯｘが放出され、Ｒｈを多く含むＮＯｘ還元層により高効率で還元されるためであると考えられる。
以上の通り、本発明に係る排気ガス浄化用触媒を用いると、ＨＣの酸化浄化及びＮＯｘの還元浄化に有利である。
１ 担体（セル壁）
２ ＤＯＣ（酸化触媒）層
２ａ 第１ＤＯＣ（酸化触媒）層
２ｂ 第２ＤＯＣ（酸化触媒）層
３ ＬＮＴ（リーンＮＯｘトラップ）層
４ ＮＯｘ還元層
５ 排気ガス通路

Claims (6)

  1. 担体上に形成され、ゼオライト、アルミナ、セリア、並びにＰｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を含む酸化触媒層と、
    前記酸化触媒層の上に形成され、ＮＯｘ吸蔵材としてのアルカリ土類金属と、Ｐｔ及びＲｈのうちの少なくとも１種の触媒金属とを含むＬＮＴ層と、
    前記ＬＮＴ層の上に形成され、アルミナ及びジルコニアのうちの少なくとも１つ並びに触媒金属としてのＲｈを含むＮＯｘ還元層とを備え、
    前記酸化触媒層は、前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属、アルミナ及びセリアを含む第１酸化触媒層と、該第１酸化触媒層の上に形成された前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属及びゼオライトを含む第２酸化触媒層とを含み、
    前記ＮＯｘ還元層は、前記酸化触媒層及びＬＮＴ層よりも前記Ｒｈの含有量が大きいことを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
  2. 前記ＬＮＴ層は、アルミナ及びセリアをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化用触媒。
  3. 前記酸化触媒層におけるゼオライトの平均粒径は、０．５μｍ以上４．８μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気ガス浄化用触媒。
  4. 担体上に、ゼオライト、アルミナ、セリア、並びにＰｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を含む酸化触媒層を形成する工程と、
    前記酸化触媒層の上に、アルミナ及びセリアを含むＬＮＴサポート材層を形成する工程と、
    前記ＬＮＴサポート材層の上に、アルミナ及びジルコニアのうちの少なくとも１つを含むＲｈ用サポート材層を形成する工程と、
    前記ＬＮＴサポート材層及びＲｈ用サポート材層を、ＮＯｘ吸蔵材としてのアルカリ土類金属及び触媒金属としてのＲｈを含む溶液に含浸することにより、前記ＬＮＴサポート材層を前記ＮＯｘ吸蔵材が含有されたＬＮＴ層にすると共に、前記Ｒｈ用サポート材層を前記酸化触媒層及びＬＮＴ層よりもＲｈ含有量が大きいＮＯｘ還元層にする工程とを備え、
    前記酸化触媒層を形成する工程では、前記アルミナ及びセリアの混合物に前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を担持してなる粉末を含むスラリーを前記担体に担持して乾燥させた後、その上に、前記ゼオライトに前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を担持してなる粉末を含むスラリーをコーティングし、乾燥、焼成することにより、当該触媒金属、アルミナ及びセリアを含む第１酸化触媒層と、該第１酸化触媒層の上の当該触媒金属及びゼオライトを含む第２酸化触媒層とを形成することを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。
  5. 担体上に、ゼオライト、アルミナ、セリア、並びにＰｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を含む酸化触媒層を形成する工程と、
    前記酸化触媒層の上に、アルミナ及びセリアを含むＬＮＴサポート材層を形成する工程と、
    前記ＬＮＴサポート材層の上に、触媒金属としてのＲｈが担持されたアルミナ及び触媒金属としてのＲｈが担持されたジルコニアのうちの少なくとも１つを含むＮＯｘ還元層を形成する工程と、
    前記ＬＮＴサポート材層を、ＮＯｘ吸蔵材としてのアルカリ土類金属を含む溶液に含浸することにより、前記ＬＮＴサポート材層をＮＯｘ吸蔵材が含有されたＬＮＴ層にする工程とを備え、
    前記酸化触媒層を形成する工程では、前記アルミナ及びセリアの混合物に前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を担持してなる粉末を含むスラリーを前記担体に担持して乾燥させた後、その上に、前記ゼオライトに前記Ｐｔ及びＰｄのうちの少なくとも１種の触媒金属を担持してなる粉末を含むスラリーをコーティングし、乾燥、焼成することにより、当該触媒金属、アルミナ及びセリアを含む第１酸化触媒層と、該第１酸化触媒層の上の当該触媒金属及びゼオライトを含む第２酸化触媒層とを形成し、
    前記ＮＯｘ還元層が前記酸化触媒層及び前記ＬＮＴ層よりもＲｈ含有量が大きくなるように各層を形成することを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。
  6. エンジンの排気ガス通路に設けられたパティキュレートフィルタの排気ガス流れ方向上流側に請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化用触媒を配設し、
    排気ガスの空燃比をリーンにして、排気ガス中のＮＯｘを前記ＮＯｘ吸蔵材に吸蔵させ、
    前記ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵量が所定値以上になったときに、前記エンジンの燃焼室に圧縮行程上死点付近で燃料を噴射供給する主噴射後に、膨張行程又は排気行程において燃料を噴射供給する後噴射させて排気ガス中へＨＣを含ませて、排気ガスの空燃比がリッチ状態になるように制御して前記ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘを放出させて、放出されたＮＯｘを、前記ＮＯｘ還元層を通過する際に前記Ｒｈにより還元浄化させ、
    前記パティキュレートフィルタへのパティキュレートマターの堆積量が所定値以上になったときに、排気ガスがリーン状態のままで前記主噴射後に前記後噴射させて、排気ガス中のＨＣを前記Ｐｔ及びＰｄにより酸化燃焼させて、前記パティキュレートフィルタに流入する排気ガス温度を昇温することにより、パティキュレートマターを燃焼することを特徴とする排気ガスの浄化方法。
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