JP6315569B2

JP6315569B2 - 燃焼触媒システム

Info

Publication number: JP6315569B2
Application number: JP2014101089A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　敏雄; 敏雄伊藤; 伊豆　典哉; 伊豆　　典哉; 貴文赤松; 申　ウソク; 申　　ウソク
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: JP2015217324A

Description

本発明は、貴金属からなる触媒粒子を用いた燃焼触媒システムに関し、特に、常温大気中で与えられた可燃性物質を自然燃焼させ得るような高い活性を有する燃焼触媒システムに関する。

ベンジンのような炭化水素からなる気化ガスを白金触媒に接触させ、二酸化炭素と水に分解し酸化熱を連続的に外部に取り出す「カイロ」の如き製品が知られている。ここで白金触媒は炭化水素を酸化させるための燃焼(酸化)触媒として働く。また、レシプロエンジンの点火プラグでは、白金やイリジウムのような貴金属触媒を用いて酸化能の高い原子状酸素雰囲気を作りだし、気化させた燃料の炭化水素を酸化させ易くすることで着火をさせている。

例えば、特許文献１では、ベンジンや液化可燃性ガスなどの易気化性燃料を圧電素子による火花放電で燃焼させ、かかる燃焼熱によって燃焼(酸化)触媒での触媒反応を開始させるカイロを開示している。一般的な燃焼(酸化)触媒では、常温において気化した易気化性燃料がこれに接触したとしても、このままでは触媒反応を開始できない。そこで、最初だけ燃焼による熱を与えて、若しくは、触媒部に与えたヒーターでこれを加熱して、触媒反応を開始させるとしている。

また、特許文献２では、加熱装置や暖房装置、乾燥装置等に用いられる気体燃料や液体燃料の触媒燃焼装置であって、多孔質セラミックスの被膜層の上に与えられた起毛層に燃焼(酸化)触媒金属を担持させることで、触媒の温度上昇を抑制し、触媒の燃焼状態を安定させ得ることを開示している。ここでも触媒をあらかじめ活性温度まで昇温させた上で、燃料と空気の混合気を供給して反応させるとしている。

ところで、貴金属は大気中の酸素を吸着・解離し、酸化力の強い触媒として作用する。この貴金属触媒の活性を高めるには、酸素を吸収・放出する、いわゆる酸素貯蔵能を有する助触媒を触媒担体に用いることも提案されている。例えば、還元性雰囲気であっても、助触媒から酸素が放出されるので、貴金属の触媒活性を高めることができるのである。このような助触媒を用いた触媒システムとしては、自動車等のエンジン排気ガスを浄化するための排ガス浄化用触媒(三元触媒)システムや、燃料電池の燃料極における燃料の水素イオン化のための触媒システムなどが知られている。

例えば、特許文献３では、触媒全体の酸素ストレージ能を高めてＮＯｘ浄化能を高く維持できるよう、酸素吸蔵合金に貴金属触媒を担持させた排ガス浄化用触媒システムを開示している。上下二層構造を有する排ガス浄化用触媒において、上層のＲｈを担持する担体としてＺｒＯ₂、下層のＰｄを担持する担体として酸素ストレージ能を有するＣｅＯ₂−ＺｒＯ₂複合酸化物を用いている。ここで、セリア−ジルコニア複合酸化物は、排ガスの空燃比がリーンであるとき(酸素過剰側雰囲気)では排ガス中の酸素を吸蔵し、逆にリッチであるとき(燃料過剰側雰囲気)では吸蔵されている酸素を放出する。故に、排ガス中の酸素濃度が変動しても安定して触媒性能を得られるとしている。

更に、特許文献４では、低温で動作可能な固体高分子型燃料電池の電極、特に、酸素還元能を要求されるカソードに使用可能な白金代替触媒として、酸素吸蔵化合物からなる触媒を開示している。かかる触媒は、４族、５族または６族の遷移金属を含む酸素吸蔵化合物であって、白金を１.０質量％以下だけ更に含むことが好ましいとしている。

特開２００１−３１４４３６号公報特開平５−１３３５０３号公報特開２０１３−１３６０３２号公報特開２００９−２２６３１１号公報

上記した触媒では、常温において気化した易気化性燃料をこれに導いたとしても、触媒反応が開始しない。
つまり、常温大気中で酸化性の物質、特に、有機溶剤の如きを発火させるには、より強い触媒活性を持つ酸化触媒が必要となるのである。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、常温大気中で与えられた可燃性物質を自然燃焼させ得るような高い活性を有する触媒粒子を用いた燃焼触媒システムの提供にある。

本発明による燃焼触媒システムは、常温大気中で与えられる可燃性物質を自然燃焼させ得る燃焼触媒システムであって、前記可燃性物質の酸化能を高める貴金属触媒粒子の互いを分散させるように酸素貯蔵能を有する担体粒子を混合させたことを特徴とする。

かかる発明によれば、助触媒としての酸素貯蔵能を有する担体粒子によって貴金属触媒粒子が分散され、担体粒子と貴金属触媒粒子とを近接して位置させ、常温大気中で与えられた可燃性物質を自然燃焼させ得るような高い活性を貴金属触媒粒子にもたらし得るのである。

上記した発明において、前記可燃性物質はエタノールであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、貴金属触媒粒子及び担体粒子の組み合わせ、混合比、粒径などを調整することで、エタノールのような可燃性物質であっても常温大気中で自然燃焼させ得るのである。

上記した発明において、前記担体粒子はセリウム−ジルコニウム系複合酸化物であることを特徴としてもよい。更に、前記貴金属触媒粒子は白金であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、液体の可燃性物質であっても常温大気中で自然燃焼させ得るような高い活性を貴金属触媒によって得られるのである。

上記した発明において、前記貴金属触媒粒子の占める割合は重量比で２５〜３５％の範囲内であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、担体粒子に対する白金からなる触媒量を所定の範囲において高め、常温大気中で液体の可燃性物質であっても自然燃焼させ得るような高い活性を貴金属触媒粒子によって得られるのである。

上記した発明において、前記貴金属触媒粒子の平均粒径は１〜１０ｎｍの範囲内であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、白金からなる触媒の活性を更に高め、常温大気中で液体の可燃性物質であっても自然燃焼させ得るような高い活性を貴金属触媒粒子で得られるのである。

本発明による燃焼触媒システムを示す図である。本発明による燃焼触媒システムの製造方法を示すフロー図である。

まず、本発明の概要について図１を用いて説明する。

図１に模式的に示すように、本発明による燃焼触媒システム１は、数ｎｍ径程度の微細な貴金属触媒粒子１０を、酸素貯蔵能を有する数十〜数百μｍ程度の触媒担体粒子１２の表面に多量に分散させた触媒システムであって、室温下で可燃性物質、例えば、可燃性溶剤を発火させるほどの高い活性を与える酸化触媒となる。ここで触媒担体粒子１２に対する貴金属粒子１０の量が多量であることが１つの重要なポイントである。つまり、可燃性物質の酸化能を高め得る貴金属触媒粒子１０の互いを分散させるように酸素貯蔵能を有する担体粒子１２を混合させていくと、全体に占める貴金属触媒粒子１０の量を従来以上に高い割合で含ませつつ、また、助触媒としての酸素貯蔵能を有する担体粒子１２の表面に貴金属触媒粒子１０を分散させ得て、結果として、貴金属触媒粒子１０と担体粒子１２とを近接して位置させ得て高い活性を得るのである。

触媒担体粒子１２は、典型的には、セリウム−ジルコニウム複合酸化物であるが、酸化セリウムや希土類オキシ硫酸塩(Ｌｎ₂Ｏ₂ＳＯ₄)であってもよく、また、これらより選択される少なくとも１種類以上であってもよい。

ここで、セリウム−ジルコニウム複合酸化物において、酸化セリウムにジルコニウムを与えることで、低温での酸素放出量が増大し、室温であっても可燃性物質を自然発火させることが容易となる。セリウムとジルコニウムの比は、モル比で０〜５０％であることが好ましく、更には１０％であることがより好ましい。

一方、貴金属触媒粒子１０は、典型的には、白金であるが、金、銀、パラジウム、ルテニウム、ロジウムの何れか若しくは白金を含むこの複数であってもよい。触媒担体粒子１２及び貴金属触媒粒子１０にそれぞれセリウム−ジルコニウム複合酸化物及び白金を選択したとき、貴金属触媒粒子１０の添加量を重量比で２０〜５０％とすることが好ましく、より好ましくは２５〜３５％である。

貴金属触媒粒子１０の粒径は、小さすぎると凝集を引き起こし、分散混合を十分にできず、大きすぎると比表面積を得られずに触媒としての効果を十分に得られない。かかる観点から、その平均粒径は０.１〜３０ｎｍとすることが好ましく、更には１〜１０ｎｍとすることが好ましい。

なお、上記した燃焼触媒システム１を室温から加熱することで、より高い活性を得ることができる。

以上述べたような本発明による燃焼触媒システム１によれば、室温下で酸化性物質、特に可燃性溶剤をも発火させるほどの高い活性を得られるから、例えば、室温で駆動できる着火材や、酸化性の低いガスをも検知できるガスセンサ素子を提供出来る。更に、室温もしくは従来よりも低温で動作でき及び／又は酸化性の低いガスを浄化可能なガス浄化剤を提供出来る。

次に、本発明による燃焼触媒システムの１つの実施例及びいくつかの比較例について述べる。

［実施例］
上記したような燃焼触媒システム１の製造方法は、これに限定されるものではないが、図２に示すように、担体の作製(Ｓ１)、担体及び触媒の粉末の混合(Ｓ２)、焼成(Ｓ３)、粉砕(Ｓ４)を経て得られる。また、得られた燃焼触媒システム１は適宜、用途に合わせて公知の方法で追加工される。

（担体の作成：Ｓ１）
硝酸セリウム六水和物［Ｃｅ(ＮＯ₃)₃・６Ｈ₂Ｏ］とオキシ硝酸ジルコニル二水和物［ＺｒＯ(ＮＯ₃)₂・２Ｈ₂Ｏ］とをモル比で９：１となるように秤量し、蒸留水を加えて合計濃度０.１ｍｏｌ／Ｌの水溶液を調製する。この水溶液に、沈殿物が充分生成するまでアンモニア水を撹拌しながら加えていき、沈殿物を吸引濾過して回収する。この沈殿物にカーボンパウダーを加え、重量比で濾物：カーボンパウダー＝７５：１１になるようにして、これを混練機で撹拌し、カーボンを均一に分散させる。７０℃で１２時間乾燥させた後、９００℃で４時間焼成し、めのう乳鉢で粉砕すると、担体(図１の担体粒子１２を参照)を得られる。

このとき、ＺｒとＣｅは、モル比で、Ｚｒ／(Ｃｅ＋Ｚｒ)＝１０％である。また、カーボンを均一に分散させてから焼成することで、得られるセリウム−ジルコニウム系複合酸化物の粒径は、１００ｎｍ程度の微細粒子となる。

（粉末の混合：Ｓ２）
上記したセリウム−ジルコニウム系複合酸化物粉末を蒸発皿に入れ、表面にポリビニルピロリドンをコーティングした白金コロイド分散液(粒径２ｎｍ、コロイド濃度４ｗｔ％)を白金量の重量比で３０％となるまで撹拌しながら加える。更に、撹拌をしながら８０℃で加熱して分散液の溶媒を全て乾燥させる。

（焼成：Ｓ３、粉砕Ｓ４）
乾燥固形物を５００℃で２時間焼成し、めのう乳鉢で粉砕する。これにより、３０ｗｔ％の白金を含み、モル比でＺｒ／(Ｃｅ＋Ｚｒ)＝１０％のセリウム−ジルコニウム系複合酸化物からなる燃焼(酸化)触媒システム(図１参照)の粉末を得る。

（燃焼触媒システムの性能評価）
上記したようにして得られた燃焼(酸化)触媒システム、すなわち、白金を３０ｗｔ％混合したセリウム−ジルコニウム系複合酸化物からなる粉末０.５ｇを１００ｍＬのビーカーに入れ、室温にてエタノール(純度９９.５％)を数ｍＬ注いだ。注いだ瞬間にエタノールは発火し、ビーカーの口から炎が上がっていることが確認された。

［比較例１］
実施例１の担体の作成：Ｓ１で得られたセリウム−ジルコニウム系複合酸化物粉末だけをビーカーに入れ、室温にてエタノール(純度９９.５％)を注いだが、エタノールの発火はなかった。すなわち、実施例１の発火は、触媒によるものであることがわかる。

［比較例２］
酸素貯蔵能を有さないθアルミナ(大明化学工業株式会社製、タイミクロンＴＭ−１００Ｊ、一次粒径０.０１４μｍ)を担体粒子１２として、実施例１と同様の方法で、白金を３０ｗｔ％となるように混合：Ｓ２，焼成：Ｓ３、粉砕Ｓ４を行った。得られた粉末をビーカーに入れ、室温にてエタノール(純度９９.５％)を注いだが、エタノールの発火はなかった。すなわち、実施例１の発火は、酸素貯蔵能を有する担体粒子１２と貴金属触媒１０とによるものであることがわかる。

［比較例３］
担体粒子１２として粒径１００ｎｍの酸化スズ(アルドリッチ社製)を用いた。この酸化スズの粉末を蒸発皿に入れ、表面にポリビニルピロリドンをコーティングした白金コロイド分散液(粒径２ｎｍ、コロイド濃度４ｗｔ％)について白金量を重量比で３％となるまで、更に、表面にポリビニルピロリドンをコーティングしたパラジウムコロイド分散液(粒径４ｎｍ、コロイド濃度４ｗｔ％)についてパラジウム量を重量比で３％となるまで、更に、表面にＭＳＡコーティングした金コロイド分散液(粒径３ｎｍ、コロイド濃度２ｗｔ％)について金量を重量比で１％となるまで同時に加えながら撹拌し、８０℃に加熱して分散液の溶媒を全て乾燥させた(Ｓ２’)。この乾燥固形物を５００℃で２時間焼成し(Ｓ３)、めのう乳鉢で粉砕した(Ｓ４)。これにより、白金３ｗｔ％、パラジウム３ｗｔ％、金１ｗｔ％を含み、酸化スズを触媒担体粒子１２とした酸化触媒粉末を得た。上記と同様に、室温にて得られた粉末にエタノール(純度９９.５％)を注いだが、エタノールの発火はみられなかった。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１燃焼触媒システム
１０貴金属触媒粒子
１２担体粒子

Claims

大気中で与えられた液体の可燃性物質を自然燃焼させ得る燃焼触媒システムであって、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物、酸化セリウム、希土類オキシ硫酸塩より選択される少なくとも１種類以上の酸素貯蔵能を有する担体粒子の表面に、前記可燃性物質を自然燃焼させる混合比で前記可燃性物質の酸化能を高める貴金属触媒粒子の互いを分散させるように混合させたことを特徴とする燃焼触媒システム。
前記可燃性物質はエタノールであることを特徴とする請求項１記載の燃焼触媒システム。
前記担体粒子はセリウム−ジルコニウム系複合酸化物であることを特徴とする請求項２記載の燃焼触媒システム。
前記貴金属触媒粒子は白金であることを特徴とする請求項３記載の燃焼触媒システム。
前記貴金属触媒粒子の占める割合は重量比で２５〜３５％の範囲内であることを特徴とする請求項４記載の燃焼触媒システム。
前記貴金属触媒粒子の平均粒径は１〜１０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃焼触媒システム。