JP6733073B2 - 排ガス浄化触媒 - Google Patents
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Description
一般に、排ガス浄化触媒の搭載スペースは限られていることから、上述のフィルタにPd、Pt、Rh等の貴金属三元触媒を担持させて、PMの捕集とともに窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)等の浄化を行うものが近年用いられている。
しかし特許文献1に記載された技術のように、一つの触媒層に複数の触媒活性成分を用いると、一般にGDI等のガソリンエンジンの排ガス温度は高いため、触媒活性成分どうしがシンタリングして分散性が低下し、それにより熱耐久後のCO吸着性能や酸素貯蔵性能(OSC、OSCはoxygen storage capacityの略)が低く、十分な排ガス浄化性能が得られないという不具合が生じる。
一方、特許文献2のように、単に上流側及び下流側のセルの隔壁内にそれぞれ異なる触媒活性成分を含有させる場合、排ガスの空間速度が高いと排ガスが触媒層を適切に通過することができず、排ガスの十分な浄化性能が発揮されない。
従って、本発明は、上記の従来技術の有する課題を解決できる排ガス浄化触媒を提供することを課題としたものである。
その結果、排ガス流通方向の上流側と下流側にそれぞれ触媒活性成分の異なる第一触媒層及び第二触媒層を設けるとともに、セル隔壁の2つの触媒層形成部位における細孔容積に特定の関係を有させることで、触媒活性成分の分散度が高く熱耐久後のCO吸着性能や酸素貯蔵性能(OSC)に優れるとともに、高速運転時等の空間速度が高い条件でも排ガス浄化性能が高いPM捕集用フィルタ触媒が得られた。
前記基材が、排ガス流通方向の流入側が開口し且つ流出側が閉塞されている空間からなる流入側セルと、排ガス流通方向の流入側が閉塞されており且つ流出側が開口している空間からなる流出側セルと、該流入側セルと該流出側セルとを隔てる多孔質の隔壁とを有し、
前記触媒部は、前記隔壁における前記流入側セルに臨む面のうち、前記流通方向の上流側の少なくとも一部に設けられた第一触媒部と、前記隔壁における前記流出側セルに臨む面のうち、前記流通方向の下流側の少なくとも一部に設けられた第二触媒部とを有し、
細孔径が10μm以上18μm以下である細孔容積に関し、第一触媒部が設けられている部位において第一触媒部及び前記隔壁を対象として測定した値を第一細孔容積とし、第二触媒部が設けられている部位において第二触媒部及び前記隔壁を対象として測定した値を第二細孔容積としたとき、第二細孔容積よりも第一細孔容積の方が大きく、
第一触媒部及び第二触媒部はいずれも触媒活性成分を含み、第一触媒部及び第二触媒部の触媒活性成分の種類が異なる、排ガス浄化触媒を提供するものである。
本実施形態の排ガス浄化触媒10の例を図1ないし図3に示す。これら図面は単に、排ガス浄化触媒の模式的な例の一つを示すものであり、何ら本発明を限定するものではない。
第一触媒層14のX方向の長さL1と、第二触媒層15のX方向の長さL2との合計長さL1+L2は、基材11のX方向の長さLを超えることが、排ガス浄化性能を高める点で好ましく、(L1+L2)/L=1.05以上であることが好ましい。(L1+L2)/Lの上限としては、1.40以下であることが圧力損失の低減の観点から好ましく、1.35以下であることがより好ましく、1.30以下であることが更に好ましい。
例えば、第一触媒層14に、触媒活性成分としてパラジウム(Pd)及びロジウム(Rh)が含まれており、且つ、パラジウム(Pd)の方がロジウム(Rh)よりも多く含まれている場合には、第一触媒層14の主たる触媒活性成分はパラジウム(Pd)となる。また、第二触媒層15に、触媒活性成分としてパラジウム(Pd)及びロジウム(Rh)が含まれており、且つ、ロジウム(Rh)の方がパラジウム(Pd)よりも多く含まれている場合には、第二触媒層15の主たる触媒活性成分はロジウム(Rh)となる。この際においては、第一触媒層14と第二触媒層15とは含有する触媒活性成分の種類が異なっていると判断することができる。
第一触媒層14と第二触媒層15は、それぞれ触媒活性成分を実質的に1種のみ含有することが、触媒活性成分の分散度を高めて熱耐久後のCO吸着性能及びOSC性能に優れたものとする点から好ましい。
なお、基材11上に形成される第一触媒層14上に、更に別の触媒層を形成しても構わない。別の触媒層として使用される材料については、例えば本発明の第一触媒層14や第二触媒層15として列挙されたものが用いられる。特に本発明においては、第一触媒層14に用いられる触媒活性成分と別の触媒層に用いられる触媒活性成分とが異なるものであることが、耐熱後のCO吸着量やOSC量に優れる観点で好ましい。
また第一触媒層14に含まれる触媒活性成分の質量は、始動時の排ガス浄化性能向上の観点から第二触媒層15に含まれる触媒活性成分の質量よりも多いことが好ましく、第二触媒層15に含まれる触媒活性成分の質量に比して1.1倍以上であることが更に好ましく、1.3倍以上20倍以下であることが特に好ましく、1.5倍以上15倍以下であることが更に一層好ましい。
ここでいう基材の体積は、基材部分だけでなく第一触媒層14及び第二触媒層15、隔壁23中の空孔、セル21及び22内の空間を含めた体積である。
本発明のように、第一触媒層14及び第二触媒層15の触媒活性成分が異なるとともに、第一触媒層14及び第二触媒層15とで細孔容積について上記の関係を有することで、熱耐久後のCO吸着性能や酸素貯蔵性能(OSC)に優れるとともに、高速運転時等の空間速度が高い条件でも排ガス浄化性能が高いものとすることができる。
第一細孔容積測定用サンプルの調製:基材の上流側端部R1から全長Lに対して10%離間した箇所にて1cm3(1辺が1cmの立方体形状)を取り出す。
第二細孔容積測定用サンプルの調製:基材の下流側端部R2から全長Lに対して10%離間した箇所にて1cm3(1辺が1cmの立方体形状)を取り出す。
サンプルの数:第一細孔容積及び第二細孔容積のそれぞれに対して5つ。
細孔容積は、JIS R 1655:2003の水銀圧入法によって測定される。詳細には、取り出したサンプルを150℃、1時間乾燥させた後、そのサンプルを室温(20℃)にて細孔分布測定用水銀圧入ポロシメーター(マイクロメリティックス社製、AutoPore IV9520)を用いて細孔容積を測定する。水銀の圧入の圧力は、開始時を0.0048MPaとし、最高圧力を255.1060MPaとする。これらの値を含む合計131点の圧力において細孔容積を測定する。各圧力は10秒間保持する。
特に、耐熱性とOSCとのバランスの観点から、第一触媒層14中の好ましいCeO2の量は10〜45質量%であり、更に好ましくは15〜35質量%である。第一触媒層14中の好ましいZrO2の量は20〜55質量%であり、更に好ましくは25〜45質量%である。ここでいう好ましいCeO2及びZrO2の量は固溶体となっているCeO2やZrO2の量を含む。
なお、表面に主として存在しているとは、排ガス浄化触媒10を軸方向に対して垂直な面に沿って切断して観察した場合に、隔壁23の単位断面の表面に存在する第一触媒層14の質量が隔壁23の同じ単位断面の内部に存在する第一触媒層14の質量よりも多いことをいう。
本製造方法は、以下の(1)〜(3)の工程を有する。(1)及び(2)の工程はいずれを先に行ってもよい。
(1)第一の触媒活性成分と、金属酸化物粒子とを含有し、金属酸化物のD90が3μm以上である第一触媒層14用スラリーを、流入側セル21側の隔壁23に塗布した後、乾燥する工程。
(2)第一の触媒活性成分と異なる第二の触媒活性成分と、金属酸化物粒子のD90が5μm以下である第二触媒層15用スラリーを、流出側セル22側の隔壁23に塗布した後、乾燥する工程。
(3)(1)及び(2)の工程後の基材11を焼成する工程。
第一触媒層14用スラリーの金属酸化物粒子のD90は、所定の細孔径範囲の細孔容積を触媒10のX方向上流側において下流側よりも高くした排ガス浄化触媒を首尾よく得る観点及び耐熱性の観点から、3μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、10μm以上であることが更に好ましく、15μm以上であることが特に好ましい。第一触媒層14用スラリーの金属酸化物粒子のD90は80μm以下であることが触媒活性成分の分散性を高める点で好ましく、50μm以下であることがより好ましい。
また、金属酸化物粒子のD90は、例えば以下のように測定することができる。すなわち、レーザー回折粒子径分布測定装置用自動試料供給機(マイクロトラック・ベル社製「Microtorac SDC」)を用い、金属酸化物粒子を水性溶媒に投入し、40%の流速中、40Wの超音波を360秒間照射した後、レーザー回折散乱式粒度分布計(マイクロトラック・ベル社製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いて測定する。測定条件は、粒子屈折率1.5、粒子形状真球形、溶媒屈折率1.3、セットゼロ30秒、測定時間30秒、2回測定の平均値として求める。水性溶媒としては純水を用いる。
第二触媒層15のコート量は、基材の体積1Lあたり80g以下であることが圧力損失の低減などの点で好ましく、20g以上であることが排ガス浄化性能の向上の観点で好ましい。特には30g以上または70g以下であることがより好ましい。
なお、基材の隔壁内に触媒層が含まれる場合には、各触媒層及び基材を全溶解して得られる溶液中の各種金属の量から、基材のみを全溶解して得られる溶液中の各種金属の量を差し引くことにより測定できる。
〔1.スラリーの調製〕
D90=20μmのCeO2−ZrO2固溶体粉末(CeO2−ZrO2固溶体中において、CeO240質量%、ZrO250質量%含有)及びD90=20μmのアルミナ粉末を用意し、CeO2−ZrO2固溶体粉末とアルミナ粉末とを質量比3:1で混合し、硝酸パラジウム水溶液中に含浸させた。
次いで、この混合溶液、造孔材(架橋ポリ(メタ)アクリル酸メチル粒子)、アルミナゾル、ジルコニアゾル及び液媒として水を混合して、第一触媒層14用スラリーを調製した。
次いで、この混合溶液、アルミナゾル、ジルコニアゾル及び液媒として水を混合して、第二触媒層15用スラリーを調製した。
基材11として、図1に示す構造を有し、厚さが215μmのセル隔壁で区画された軸方向に延びるセルを、軸方向と直交する面において、300セル/inch有し、外径118.4mm、軸方向長さ91mmの基材11を用いた。基材11は、第一細孔容積及び第二細孔容積と同様の方法で測定した細孔径分布(測定範囲:1〜1000000nm)において、10〜25μmの範囲にピークを有していた。
排ガス浄化触媒10の第二触媒層15は、排ガス流通方向Xの下流側端部R2から上流側に全長Lの70%までの範囲にかけて、流出側セル22側の隔壁23の内部に形成されており、基材の体積1Lに対するコート量は50gであった。第二触媒層15に含まれたRh量は、基材の体積1Lに対して0.25gであった。なお、基材の体積(基材11部分だけでなく第一触媒層14及び第二触媒層15、隔壁23中の空孔、セル21及び22内の空間を含めた体積)は、1Lとなるように設計した。
表1の条件に変更した以外は実施例1と同様にして、実施例2〜3の排ガス浄化触媒をそれぞれ得た。
第一触媒層14用スラリーの調製において、CeO2−ZrO2固溶体とアルミナの混合粉末に、硝酸パラジウム水溶液に含浸させる代わりに、硝酸パラジウム及び硝酸ロジウムの水溶液に含浸させ、混合粉末にPd:Rhを質量比4:1で担持させた。混合粉末における貴金属担持量は実施例1と同じであった。また第二触媒層15用スラリーの調製において、CeO2−ZrO2固溶体とアルミナの混合粉末に、硝酸ロジウム水溶液に含浸させる代わりに、硝酸パラジウム及び硝酸ロジウムの水溶液に含浸させ、混合粉末にPd:Rhを質量比4:1で担持させた。混合粉末における貴金属担持量は実施例1と同じであった。これらの点以外は、実施例1と同様にして比較例1の排ガス浄化触媒を得た。基材の体積あたりのPd及びRhの量は、実施例1と同じであった。
表1の条件に変更した以外は比較例1と同様にして、排ガス浄化触媒を得た。
実施例及び比較例の各触媒を、上記の方法にて、排ガス浄化触媒10における上流側端部R1から下流側に基材11の全長Lの10%離間した位置における隔壁23の一部を上流側サンプルとして1cm3(1辺が1cmの立方体形状)を切り出した。同様に、下流側端部R2から上流側に全長Lの10%離間した位置における隔壁23の一部を下流側サンプルとして1cm3(1辺が1cmの立方体形状)を切り出した。
また、各実施例及び比較例の上流側及び下流側における細孔径10〜18μmの細孔容積を表1に示す。
実施例及び比較例で用いる第一触媒層14用スラリー及び第二触媒層15用スラリーをそれぞれ500℃で2.5時間焼成した後、得られた第一触媒層14用スラリー焼成粉末の全量と第二触媒層15用スラリー焼成粉末の全量を混合し、触媒層の混合粉末とした。この混合粉末を模擬排ガス流通経路に取り付け、A/F=13.6〜15.6の範囲内となる条件下で、水蒸気を10体積%含有する空気中で1000℃10時間の耐久試験に付した。
耐久試験後の実施例及び比較例の触媒層の混合粉末について、CO吸着量をCOパルス法により算出した。CO吸着量測定では、触媒層の混合粉末を試験用ガス流通容器(BEL−METAL―3:マイクロトラック・ベル社製)に入れた。まず、He流通下で400℃まで昇温し、400℃に保持した状態でO2流通下にて15分酸化処理し、H2流通下にて15分還元処理し、He流通下で50℃まで降温させて前処理を行った。その後、50℃に保持した状態で25体積%CO、75体積%HeをCO吸着量が飽和するまでパルス注入し、CO総吸着量を測定し、単位コート量当たりのCO吸着量(ml/g)を算出した。なお、検出器はTCDを用いた。
上記耐久試験後の実施例及び比較例の触媒層の混合粉末について、OSCの測定をCOパルス法で行った。OSC測定では、排ガス浄化触媒を試験用ガス流通容器(マイクロメリティックス社製AutoChemII2920)に入れ、He流通下600℃に昇温して10分当該温度を保持した。そして、600℃を保持した状態でO2ガスを3パルスに分けて注入し酸化処理をした後、10体積%CO、90体積%Heを20パルスに分けて注入し還元処理を行った。そしてO2ガスを4パルスに分けて注入し、O2ガス吸収量から600℃における単位質量当たりのOSC量(μmol/g)を測定した。なお、検出器はTCDを用いた。温度を600℃から400℃及び800℃にそれぞれ変更し、これらの温度におけるOSC量も測定した。
実施例及び比較例の排ガス浄化触媒について、エンジンの排気経路に配置し、10〜20万キロ走行を想定した劣化処理として、次のような耐久条件を課した。
(耐久条件)
・耐久用エンジン:乗用NA 2L ガソリンエンジン
・使用ガソリン:市販レギュラーガソリン
・耐久温度・時間:900℃,100hr
上記条件にて耐久試験を行った後に、耐久後の排ガス浄化触媒を下記車両に設置した。車両試験として、この車両を、国際調和排ガス試験モード(WLTC)の運転条件に従って運転した。運転開始から運転停止までの排気ガス中のNOxの総排出量(Totalのエミッション値)と、運転開始1478秒から1800秒までの高速運転時における排ガス中のNOxの排出量(Ex Highのエミッション値)を測定した。エミッション値を表1に示す。
(浄化率測定条件)
・評価車両:1.5L直噴ターボエンジン搭載車
・使用ガソリン:認証試験用燃料
・排ガス測定装置:堀場製作所社製
Claims (4)
- 基材と該基材に設けられた触媒部とを備え、
前記基材が、排ガス流通方向の流入側が開口し且つ流出側が閉塞されている空間からなる流入側セルと、排ガス流通方向の流入側が閉塞されており且つ流出側が開口している空間からなる流出側セルと、該流入側セルと該流出側セルとを隔てる多孔質の隔壁とを有し、
前記触媒部は、前記隔壁における前記流入側セルに臨む面のうち、前記流通方向の上流側の少なくとも一部に設けられた第一触媒部と、前記隔壁における前記流出側セルに臨む面のうち、前記流通方向の下流側の少なくとも一部に設けられた第二触媒部とを有し、
細孔径が10μm以上18μm以下である細孔容積に関し、第一触媒部が設けられている部位において第一触媒部及び前記隔壁を対象として測定した値を第一細孔容積とし、第二触媒部が設けられている部位において第二触媒部及び前記隔壁を対象として測定した値を第二細孔容積としたとき、第二細孔容積よりも第一細孔容積の方が大きく、
第一触媒部及び第二触媒部はいずれも触媒活性成分を含み、第一触媒部及び第二触媒部の触媒活性成分の種類が異なり、
第一触媒部は、隔壁の表面に主として存在しており、
排ガス流通方向の下流側端部から上流側に向かって基材の長さLの1/10の長さの範囲において、隔壁の内部に存在する第二触媒部の質量が、隔壁表面に存在する第二触媒部の質量に比して多い、排ガス浄化触媒。 - 請求項1記載の排ガス浄化触媒であって、
前記第一細孔容積を1とした際に、前記第二細孔容積が0.95以下である排ガス浄化触媒。 - 請求項1又は2記載の排ガス浄化触媒であって、
前記第一触媒部及び前記第二触媒部の触媒活性成分が、Pt、Pd、Rhの少なくとも1種である排ガス浄化触媒。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載の排ガス浄化触媒であって、
前記第一触媒部の触媒活性成分がPdであり、
前記第二触媒部の触媒活性成分がRhである、排ガス浄化触媒。
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