JP6851225B2 - 排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ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、新規な排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ガス浄化装置に関する。
自動車エンジン等の内燃機関からの排ガス中は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を含む。したがって、ＣＯ及びＨＣを酸化し、かつＮＯｘを還元する排ガス浄化用触媒によって浄化した後で、これらの排ガスを大気中に放出している。排ガス浄化用触媒の代表的なものとしては、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を、γ−アルミナ等の多孔質金属酸化物担体に担持させた三元触媒が知られている。
この金属酸化物担体は、様々な材料で作ることができるが、従来は高表面積を得るためにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を使用することが一般的であった。しかしながら近年では、担体の化学的性質を利用して排ガスの浄化を促進するために、セリア（ＣｅＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の様々な他の材料を、アルミナと組み合わせて又は組み合わせないで、使用することも提案されている。また、このような担体としてセリアジルコニア固溶体を用いることも提案されている。
セリアジルコニア固溶体に関して、セリアジルコニア固溶体にアルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類からなる群より選択される元素を加えることによって、セリアジルコニア固溶体の耐熱性を改良できることが知られている（例えば特許文献１）。また特許文献２では、希土類添加ジルコニア担体粒子にロジウムを担持させることによって、良好な排ガス浄化性能が得られることを開示している。
特許文献３及び４は、セリアジルコニア固溶体粒子表面に希土類富化領域を与えた担体粒子を開示している。特許文献３及び４に記載の発明では、希土類酸化物とロジウムとの親和性に着目し、希土類富化領域において、粒子表面におけるロジウムの移動及びシンタリングを抑制し、かつロジウムの酸化を防止することによって、ロジウムの触媒活性を高い状態に維持している。
このように金属酸化物担体を、希土類元素と組み合わせることによって、触媒貴金属のシンタリング等を防止することができる。
ところで、従来、上記のような金属酸化物担体は、それ自体は排ガス浄化能を持たない基材、例えばコージェライト製のハニカム基材上に形成されていた。しかし近年、金属酸化物担体から構成される基材に、貴金属を担持させた排ガス浄化触媒装置が提案されている（特許文献５）。
本発明は、従来の排ガス浄化用触媒よりも、さらに貴金属の触媒活性を高い状態に維持できる、新規な排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ガス浄化装置を提供することを目的とする。
本発明の実施態様としては、以下の態様を挙げることができる：
《態様１》
第１の担体粒子、第２の担体粒子、並びに前記第１及び第２の担体粒子に担持されている貴金属触媒粒子を有する排ガス浄化用触媒であって、
前記第１の担体粒子が、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有し、
前記第２の担体粒子が、セリア以外の希土類酸化物を含有し、そしてシリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有してもよく
前記第１の担体粒子の前記金属酸化物の含有率が、前記第２の担体粒子の前記金属酸化物の含有率よりも高く、
前記第２の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率が、前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率よりも高く、かつ
電界放出形走査型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析によって得られる特性Ｘ線の強度測定を行ったときに、以下の式で計算される相関係数が８５．０％以上である、排ガス浄化用触媒：
（ここで、貴金属触媒粒子ｉに含まれる貴金属元素のスペクトル強度値をｘｉとし、貴金属元素のスペクトル強度平均値をｘａｖとし、その貴金属触媒粒子ｉの位置でのセリウム以外の希土類元素のスペクトル強度値をｙiとし、セリウム以外の希土類元素のスペクトル強度平均値をｙａｖとする）。
《態様２》
前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率が２０重量％未満であり、前記第２の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率が、２０重量％以上である、態様１に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様３》
電界放出形走査型電子顕微鏡によって前記第１の担体粒子と前記第２の担体粒子とを観察した場合に、前記第２の担体粒子の投影面積の、前記第１の担体粒子の投影面積に対する比（第２の担体粒子の面積／第１の担体粒子の面積）が、０．０５０以上０．２００以下の範囲である、態様２に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様４》
前記第１の担体粒子の前記金属酸化物及び存在する場合の前記第２の担体粒子の前記金属酸化物が、セリアジルコニア固溶体であり、かつ
前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物及び前記第２の担体粒子の前記希土類酸化物が、イットリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム及びサマリウムからなる群より少なくとも１種選択される希土類元素の酸化物である、態様１〜３のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様５》
前記第１の担体粒子が、５０〜９５重量％のジルコニア、５．０〜４５重量％のセリア、及び１．０以上２０重量％未満のセリア以外の希土類酸化物を含有し、かつ
前記第２の担体粒子が、０．０〜４０重量％のジルコニア、０．０〜４０重量％のセリア、及び２０〜６０重量％のセリア以外の希土類酸化物を含有している、態様４に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様６》
電界放出形走査型電子顕微鏡によって測定される、前記第１の担体粒子及び前記第２の担体粒子平均粒径が、それぞれ０．５０〜１００μｍ及び０．５０〜５μｍである、態様１〜５のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様７》
前記貴金属触媒粒子が、白金粒子、パラジウム粒子、ロジウム粒子又はこれらの組合せを含む、態様１〜６のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様８》
前記相関係数が、８７．０％以上である、態様１〜７のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様９》
態様１〜８のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒及びそれを含む触媒層が形成されている基材を具備する、排ガス浄化装置。
《態様１０》
態様１〜８のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒及びそれを含む基材を具備する、排ガス浄化装置。
《態様１１》
以下を含む、排ガス浄化用触媒の製造方法：
シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有している担体粒子；イットリウム、ネオジム、ランタン、及びプラセオジムから１種以上選択される希土類元素の塩；触媒貴金属の塩；及び有機カルボン酸を水系分散体中で混合して、前記担体粒子に触媒貴金属を担持し、それによって未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を得る工程；
前記未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を、乾燥させ、そして焼成する工程。
《態様１２》
前記担体粒子の前記金属酸化物が、セリアジルコニア固溶体であり；前記担体粒子の前記希土類酸化物が、イットリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム及びサマリウムからなる群より少なくとも１種選択される希土類元素の酸化物であり；前記希土類元素の塩が硝酸塩又は硫酸塩であり；かつ前記触媒貴金属の塩が、白金、パラジウム、ロジウム又はこれらの組合せの硝酸塩又は硫酸塩である、態様１０に記載の方法。
《態様１３》
前記有機カルボン酸が、分子量３００以下の有機カルボン酸である、態様１１又は１２に記載の方法。
《態様１４》
前記担体粒子に含有されている希土類元素の総和物質量に対する、前記有機カルボン酸の物質量比［ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｌｎ］が、０．５以上３．５以下である、態様１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
《態様１》
第１の担体粒子、第２の担体粒子、並びに前記第１及び第２の担体粒子に担持されている貴金属触媒粒子を有する排ガス浄化用触媒であって、
前記第１の担体粒子が、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有し、
前記第２の担体粒子が、セリア以外の希土類酸化物を含有し、そしてシリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有してもよく
前記第１の担体粒子の前記金属酸化物の含有率が、前記第２の担体粒子の前記金属酸化物の含有率よりも高く、
前記第２の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率が、前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率よりも高く、かつ
電界放出形走査型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析によって得られる特性Ｘ線の強度測定を行ったときに、以下の式で計算される相関係数が８５．０％以上である、排ガス浄化用触媒：
《態様２》
前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率が２０重量％未満であり、前記第２の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率が、２０重量％以上である、態様１に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様３》
電界放出形走査型電子顕微鏡によって前記第１の担体粒子と前記第２の担体粒子とを観察した場合に、前記第２の担体粒子の投影面積の、前記第１の担体粒子の投影面積に対する比（第２の担体粒子の面積／第１の担体粒子の面積）が、０．０５０以上０．２００以下の範囲である、態様２に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様４》
前記第１の担体粒子の前記金属酸化物及び存在する場合の前記第２の担体粒子の前記金属酸化物が、セリアジルコニア固溶体であり、かつ
前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物及び前記第２の担体粒子の前記希土類酸化物が、イットリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム及びサマリウムからなる群より少なくとも１種選択される希土類元素の酸化物である、態様１〜３のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様５》
前記第１の担体粒子が、５０〜９５重量％のジルコニア、５．０〜４５重量％のセリア、及び１．０以上２０重量％未満のセリア以外の希土類酸化物を含有し、かつ
前記第２の担体粒子が、０．０〜４０重量％のジルコニア、０．０〜４０重量％のセリア、及び２０〜６０重量％のセリア以外の希土類酸化物を含有している、態様４に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様６》
電界放出形走査型電子顕微鏡によって測定される、前記第１の担体粒子及び前記第２の担体粒子平均粒径が、それぞれ０．５０〜１００μｍ及び０．５０〜５μｍである、態様１〜５のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様７》
前記貴金属触媒粒子が、白金粒子、パラジウム粒子、ロジウム粒子又はこれらの組合せを含む、態様１〜６のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様８》
前記相関係数が、８７．０％以上である、態様１〜７のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
《態様９》
態様１〜８のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒及びそれを含む触媒層が形成されている基材を具備する、排ガス浄化装置。
《態様１０》
態様１〜８のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒及びそれを含む基材を具備する、排ガス浄化装置。
《態様１１》
以下を含む、排ガス浄化用触媒の製造方法：
シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有している担体粒子；イットリウム、ネオジム、ランタン、及びプラセオジムから１種以上選択される希土類元素の塩；触媒貴金属の塩；及び有機カルボン酸を水系分散体中で混合して、前記担体粒子に触媒貴金属を担持し、それによって未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を得る工程；
前記未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を、乾燥させ、そして焼成する工程。
《態様１２》
前記担体粒子の前記金属酸化物が、セリアジルコニア固溶体であり；前記担体粒子の前記希土類酸化物が、イットリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム及びサマリウムからなる群より少なくとも１種選択される希土類元素の酸化物であり；前記希土類元素の塩が硝酸塩又は硫酸塩であり；かつ前記触媒貴金属の塩が、白金、パラジウム、ロジウム又はこれらの組合せの硝酸塩又は硫酸塩である、態様１０に記載の方法。
《態様１３》
前記有機カルボン酸が、分子量３００以下の有機カルボン酸である、態様１１又は１２に記載の方法。
《態様１４》
前記担体粒子に含有されている希土類元素の総和物質量に対する、前記有機カルボン酸の物質量比［ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｌｎ］が、０．５以上３．５以下である、態様１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
本発明によれば、従来の排ガス浄化用触媒よりも、さらに貴金属の触媒活性を高い状態に維持できる、新規な排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ガス浄化装置を提供することができる。
《排ガス浄化用触媒》
本発明の排ガス浄化用触媒は、第１の担体粒子、第２の担体粒子、並びに前記第１及び第２の担体粒子に担持されている貴金属触媒粒子を有する。第１の担体粒子は、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有し、第２の担体粒子は、セリア以外の希土類酸化物を含有し、そしてシリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有してもよい。第１の担体粒子の金属酸化物の含有率は、第２の担体粒子の金属酸化物の含有率よりも高く、かつ第２の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率は、前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率よりも高い。
本発明の排ガス浄化用触媒は、第１の担体粒子、第２の担体粒子、並びに前記第１及び第２の担体粒子に担持されている貴金属触媒粒子を有する。第１の担体粒子は、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有し、第２の担体粒子は、セリア以外の希土類酸化物を含有し、そしてシリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有してもよい。第１の担体粒子の金属酸化物の含有率は、第２の担体粒子の金属酸化物の含有率よりも高く、かつ第２の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率は、前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率よりも高い。
従来技術においては、金属酸化物担体表面に希土類富化領域を与えて、希土類富化領域において貴金属触媒粒子の移動及びシンタリングを抑制し、かつ貴金属触媒粒子の酸化を防止することによって、触媒活性を高い状態に維持している。それに対して、本発明においては、通常の金属酸化物担体と共に、希土類酸化物の含有率が高い第２の担体を併用することによって、さらに貴金属触媒粒子にさらに高い活性を与えることができた。理論に拘束されないが、本発明では、貴金属触媒粒子が、希土類酸化物の含有率が高い第２の担体に、集中的に担持されることによって、触媒活性をさらに高くすることができたものであると考えられる。
希土類酸化物の含有率が高い第２の担体に貴金属触媒粒子が集中的に担持されるという点に関して、本発明においては、電界放出形走査型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析によって得られる特性Ｘ線強度測定を行った場合に、相関係数が８５．０％以上、８６．０％以上、８７．０％以上、８８．０％以上、８９．０％以上、又は９０．０％以上で一致していることが好ましい。相関係数は、９９％未満であってもよい。ここで、相関係数は、次のようにして計算される：
（ここで、貴金属触媒粒子ｉに含まれる貴金属元素のスペクトル強度値をｘｉとし、貴金属元素のスペクトル強度平均値をｘａｖとし、その貴金属触媒粒子ｉの位置でのセリウム以外の希土類元素のスペクトル強度値をｙiとし、セリウム以外の希土類元素のスペクトル強度平均値をｙａｖとする）。
このような測定は、日立ハイテクノロジーズ社製の電界放出形走査型電子顕微鏡Ｓ−４８００及びその装置に付随しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて行うことができる。具体的には、この電界放出形走査型電子顕微鏡で測定した５０００倍の複数の画像中で、貴金属触媒粒子ｉの重心点分析を実施し、その重心点位置での貴金属触媒粒子ｉの貴金属元素のスペクトル強度値と、その重心点位置でのセリウム以外の希土類元素のスペクトル強度値とを測定し、上記の計算を行う。ここで、貴金属元素及びセリウム以外の希土類元素が複数種ある場合には、それらの強度の加算を行う。なお、「スペクトル強度平均値」とは、同一視野、異なる視野で視認可能な貴金属触媒粒子に含まれる貴金属元素又は第２の担体に含まれるセリウム以外の希土類元素の全ての特性Ｘ線強度の平均値をいう。上記の計算を行う場合には、第２の担体及び貴金属触媒粒子をそれぞれ３００個以上用いることが好ましい。
なお、本明細書中で、「触媒」とは、特記しない限り、貴金属触媒粒子を担持している担体粒子を意味しており、これらは焼成されていてもよく、未焼成のままであってもよい。上記の相関係数は、触媒の焼成前後で実質的に変化しないことが通常であり、好ましくは変化しない。
図１（ａ）は、従来の排ガス浄化用触媒の概念図であり、図１（ｂ）は、本発明の排ガス浄化用触媒の概念図である。図１（ａ）において、排ガス浄化触媒（１０）は、金属酸化物担体粒子（１）及び貴金属触媒粒子（３）を有し、金属酸化物粒子（１）には、希土類富化領域（１ａ）が存在している。図１（ｂ）において、排ガス浄化触媒（１０）は、金属酸化物の第１の担体粒子（１）、希土類酸化物の含有率が高い第２の担体粒子（２）及び貴金属触媒粒子（３）を有し、貴金属触媒粒子（３）は、その多くが第２の担体粒子（２）に担持されている。
（担体粒子）
本発明の排ガス浄化用触媒には、貴金属触媒粒子の担体として、少なくとも第１の担体粒子と第２の担体粒子とを用いる。第１の担体粒子及び第２の担体粒子以外の第３の担体粒子をさらに用いることもできる。
本発明の排ガス浄化用触媒には、貴金属触媒粒子の担体として、少なくとも第１の担体粒子と第２の担体粒子とを用いる。第１の担体粒子及び第２の担体粒子以外の第３の担体粒子をさらに用いることもできる。
例えば、第１の担体粒子を、セリア以外の希土類酸化物の含有率が２０重量％未満である粒子と定義し、第２の担体粒子を、セリア以外の希土類酸化物の含有率が、２０重量％以上である粒子と定義し、そして電界放出形走査型電子顕微鏡によって第１の担体粒子及び第２の担体粒子を観察した場合に、本発明の排ガス浄化用触媒に含まれる第２の担体粒子の投影面積の、第１の担体粒子の投影面積に対する比（第２の担体粒子の面積／第１の担体粒子の面積）は、０．００５以上、０．０１以上、０．０３以上、０．０５以上、又は０．０６以上であってもよく、０．３０以下、０．２５以下、０．２０以下、０．１５以下、０．１０以下、又は０．０８以下であってもよい。このような範囲であれば、貴金属触媒粒子を第２の担体粒子に集中的に担持させ、かつ貴金属触媒粒子のシンタリング等を実質的に防ぐことができ、ＮＯｘ浄化温度の上昇を防げる傾向にある。なお、上記の第１の担体粒子と第２の担体粒子の定義が変更された場合でも、上記の投影面積比は、同じ範囲とすることができる。
（担体粒子−第１の担体粒子）
本発明の排ガス浄化用触媒で用いられる第１の担体粒子は、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有する。好ましくは、第１の担体粒子は、セリア及び／又はジルコニアを少なくとも含有する。
本発明の排ガス浄化用触媒で用いられる第１の担体粒子は、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有する。好ましくは、第１の担体粒子は、セリア及び／又はジルコニアを少なくとも含有する。
例えば、第１の担体粒子を、セリア以外の希土類酸化物の含有率が２０重量％未満である粒子と定義し、第２の担体粒子を、セリア以外の希土類酸化物の含有率が、２０重量％以上である粒子と定義した場合、第１の担体粒子の平均粒径は、０．５０μｍ以上、１．０μｍ以上、３．０μｍ以上、５．０μｍ以上、８．０μｍ以上、又は１０．０μｍ以上であってもよく、１００μｍ以下、８０μｍ以下、５０μｍ以下、３０μｍ以下、又は２０μｍ以下であってもよい。上記の第１の担体粒子と第２の担体粒子の定義が変更された場合でも、第１の担体粒子の平均粒径は、同じ範囲とすることができる。
ここで、平均粒径の測定は、日立ハイテクノロジーズ社製の電界放出走査型電子顕微鏡Ｓ−４８００及びその装置に付随しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置によって行う。すなわち、この装置で２０，０００倍の測定倍率によって映し出された画面において、等価直径が０．１０μｍ以上である粒子の中から、エネルギー分散型Ｘ線分析によって、第１の担体粒子を見つけ出す。そして、それらの粒子の等価直径を粒子の投影面積から計算する。この作業を任意の２０画面において行い、その全ての平均値を、第１の担体粒子の平均粒径と認定する。ここで、粒子の等価直径とは、粒子の外周長さと等しい外周長さを有する正円の直径をいう。
第１の担体粒子は、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有し、その含有率は、第１の担体粒子の重量に対して、５０重量％以上、５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、又は７０重量％以上であってもよく、９５重量％以下、９０重量％以下、８５重量％以下、又は８０重量％以下であってもよい。
第１の担体粒子が金属酸化物としてセリアを含む場合、第１の担体粒子のセリア及びセリア以外の希土類酸化物の合計の含有率は、第１の担体粒子の重量に対して、５．０重量％以上、１０重量％以上、１５重量％以上、２０重量％以上、又は２５重量％以上であってもよく、５０重量％以下、４５重量％以下、４０重量％以下、又は３５重量％以下であってもよい。
第１の担体粒子が金属酸化物としてセリアを含む場合、セリアの含有率は、５．０重量％以上、１０重量％以上、１５重量％以上、又は２０重量％以上であってもよく、４５重量％以下、４０重量％以下、３５重量％以下、又は３０重量％以下であってもよい。さらに、セリア以外の希土類酸化物の含有率は、１．０重量％以上、３．０重量％以上、５．０重量％以上、又は７．０重量％以上であってもよく、３０重量％以下、２５重量％以下、２０重量％以下、２０重量％未満、１５重量％以下、又は１０重量％以下であってもよい。
第１の担体粒子は、好ましくは上記の金属酸化物の固溶体の形態であり、例えば上記の金属酸化物としてセリアジルコニア固溶体を含有することが好ましい。この場合、第１の担体粒子のジルコニアの含有率は、４０重量％以上、４５重量％以上、５０重量％以上、５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、又は７０重量％以上であってもよく、９５重量％以下、９０重量％以下、８５重量％以下、又は８０重量％以下でもよい。また、この場合、第１の担体粒子のセリアの含有率は、５．０重量％以上、１０重量％以上、１５重量％以上、２０重量％以上、又は２５重量％以上であってもよく、５０重量％以下、４５重量％以下、４０重量％以下、又は３５重量％以下でもよい。ここで、これらの含有率は、元素分析から計算して求めることができる。
第１の担体粒子の希土類酸化物としては、希土類元素のうちの原子番号が若く、且つ４ｆ電子軌道に空きがある又は空きが多いイオンを形成する元素、例えばイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）及びサマリウム（Ｓｍ）からなる群より選択される希土類元素の酸化物を挙げることができる。
第１の担体粒子は、上記以外の成分を含有していてもよく、例えば酸化バリウム等を含有していてもよい。
第１の担体粒子は、上記の特許文献等に記載された公知の方法によって製造することができる。
（担体粒子−第２の担体粒子）
本発明の排ガス浄化用触媒で用いられる第２の担体粒子は、セリア以外の希土類酸化物を含有し、そしてシリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有してもよい。ここで、第２の担体粒子の前記金属酸化物の含有率は、第１の担体粒子の前記金属酸化物の含有率よりも低く、かつ第２の担体粒子の希土類酸化物の含有率は、第１の担体粒子の希土類酸化物の含有率よりも高い。これにより、貴金属触媒粒子を第２の担体粒子に集中的に担持させることができる。
本発明の排ガス浄化用触媒で用いられる第２の担体粒子は、セリア以外の希土類酸化物を含有し、そしてシリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有してもよい。ここで、第２の担体粒子の前記金属酸化物の含有率は、第１の担体粒子の前記金属酸化物の含有率よりも低く、かつ第２の担体粒子の希土類酸化物の含有率は、第１の担体粒子の希土類酸化物の含有率よりも高い。これにより、貴金属触媒粒子を第２の担体粒子に集中的に担持させることができる。
例えば、第１の担体粒子を、セリア以外の希土類酸化物の含有率が２０重量％未満である粒子と定義し、第２の担体粒子を、セリア以外の希土類酸化物の含有率が、２０重量％以上である粒子と定義した場合、第２の担体粒子の平均粒径は、０．５０μｍ以上、１．０μｍ以上、２．０μｍ以上、又は３．０μｍ以上であってもよく、５０μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下、又は５．０μｍ以下であってもよい。このような範囲であれば、貴金属触媒粒子を第２の担体粒子に集中的に担持させ、かつ貴金属触媒粒子のシンタリング等を実質的に防ぐことができ、ＮＯｘ浄化温度の上昇を防げる傾向にある。上記の第１の担体粒子と第２の担体粒子の定義が変更された場合でも、第２の担体粒子の平均粒径は、同じ範囲とすることができる。この平均粒径は、上記の第１の担体粒子の平均粒径と同一の方法によって測定される。
第２の担体粒子は、セリア以外の希土類酸化物を含有し、その含有率は、１０重量％以上、１５重量％以上、２０重量％以上、２５重量％以上、又は３０重量％以上であってもよく、６０重量％以下、５５重量％以下、５０重量％以下、４５重量％以下、又は４０重量％以下であってもよい。
第２の担体粒子は、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有していてもよく、含有していなくてもよい。金属酸化物を含有する場合、その含有率は、第２の担体粒子の重量に対して、１．０重量％以上、２．０重量％以上、３．０重量％以上、５．０重量％以上、１０重量％以上、又は１５重量％以上であってもよく、４０重量％以下、３５重量％以下、３０重量％以下、又は２５重量％以下であってもよい。
第２の担体粒子は、セリア及びセリア以外の希土類酸化物を含有する場合、その合計の含有率は、第２の担体粒子の重量に対して、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、又は８０重量％以上であってもよく、９９重量％以下、９５重量％以下、９３重量％以下、又は９０重量％以下であってもよい。
第２の担体粒子がセリアを含有する場合、その含有率は、２０重量％以上、２５重量％以上、又は３０重量％以上であってもよく、６０重量％以下、５５重量％以下、５０重量％以下、４５重量％以下、又は４０重量％以下であってもよい。
第２の担体粒子の希土類酸化物としては、第１の担体粒子に含有される希土類酸化物と同種のものを用いることができる。
第２の担体粒子は、第１の担体粒子と同様に、ジルコニア及び希土類酸化物以外の第３の成分を含有していてもよく、例えばアルミナ、シリカ、チタニア等を含有していてもよい。
第２の担体粒子は、上記の特許文献等に記載された公知の方法によって製造することができる。ただし、第２の担体粒子は、下記に詳細に示すように、担体粒子を、有機カルボン酸溶液に投入し、担体粒子から溶出させて得ることが好ましい。
（貴金属触媒粒子）
本発明の排ガス浄化用触媒で用いられる貴金属触媒粒子としては、特に白金属粒子を挙げることができ、より好ましくは白金粒子、パラジウム粒子、ロジウム粒子又はこれらの組合せを挙げることができる。
本発明の排ガス浄化用触媒で用いられる貴金属触媒粒子としては、特に白金属粒子を挙げることができ、より好ましくは白金粒子、パラジウム粒子、ロジウム粒子又はこれらの組合せを挙げることができる。
貴金属触媒粒子は、排ガスとの接触面積を高める観点から、十分に小さい粒径の微粒子であることが好ましい。典型的には、触媒粒子の平均粒径は、ＴＥＭ観察によって求められる等価直径の平均値として、１〜２０ｎｍ程度であってもよく、１０ｎｍ以下、７ｎｍ以下又は５ｎｍ以下であってもよい。
貴金属触媒粒子は、第１の担体粒子及び第２の担体粒子の合計１００質量部に対して、合計で０．１質量部以上、０．３質量部以上、０．５質量部以上、又は１．０質量部以上で担持されていてもよく、１０質量部以下、５質量部以下、３．０質量部以下、２．０質量部以下で担持されていてもよい。
《排ガス浄化装置》
本発明の排ガス浄化装置は、上述の排ガス浄化用触媒及びそれを含む基材を具備する。排ガス浄化用触媒は、基材上の触媒層に含まれていてもよく、基材中に含まれていてもよい。排ガス浄化用触媒は、下記の本発明の排ガス浄化用触媒の製造方法によって得られる排ガス浄化用触媒であってもよい。
本発明の排ガス浄化装置は、上述の排ガス浄化用触媒及びそれを含む基材を具備する。排ガス浄化用触媒は、基材上の触媒層に含まれていてもよく、基材中に含まれていてもよい。排ガス浄化用触媒は、下記の本発明の排ガス浄化用触媒の製造方法によって得られる排ガス浄化用触媒であってもよい。
基材としては、排気ガス浄化装置において一般的に使用されているストレートフロー型又はウォールフロー型のハニカム型基材等を挙げることができる。基材の材質も特に限定されず、例えば、セラミック、炭化ケイ素、金属等の基材を挙げることができる。該基材の容量は、例えば１Ｌ程度とすることができる。
本発明の排ガス浄化装置における触媒層は、上記の本発明の排ガス浄化触媒のみから形成されていてもよいし、本発明の排ガス浄化用触媒と他の成分との混合物から形成されていてもよい。ここで使用される他の成分としては、例えば、アルミナ、ＣＺ、ゼオライト等、及びこれらの混合物等を挙げることができる。これらに貴金属が担持された公知の排ガス浄化用触媒を、他の成分として用いてもよい。触媒層を、触媒担体粒子を壁面に含む基材、例えば特開２０１５−８５２４１号公報に記載のような基材上に形成してもよい。
他の成分の製造、該他の成分と本発明の排ガス浄化用触媒との混合、及び上記基材上への触媒層の形成は、それぞれ、公知の方法により、又はこれに当業者による適宜の変更を加えた方法により、実施することができる。
排ガス浄化用触媒が基材中に含まれる場合には、触媒担体粒子を壁面に含む基材、例えば特開２０１５−８５２４１号公報に記載のような基材を用いることができる。この場合、排ガス浄化用触媒を、基材を製造する際に使用する他の無機粒子と混合して用いて排ガス浄化装置を得てもよい。
以上のようにして製造される本発明の排ガス浄化装置は、貴金属の排ガス浄化活性が高く、かつこれを高い状態のまま維持することができるから、例えば自動車用の排ガス浄化用触媒として、好適に使用することができる。
《排ガス浄化用触媒の製造方法》
排ガス浄化用触媒を製造する本発明の方法は、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物とセリア以外の希土類酸化物とを含有している担体粒子；イットリウム、ネオジム、ランタン、及びプラセオジムから１種以上選択される希土類元素の塩；貴金属の塩；及び有機カルボン酸を水系分散体中で混合して、担体粒子に貴金属を担持し、それによって未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を得る工程；及び未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を、乾燥させ、そして焼成する工程を含む。
排ガス浄化用触媒を製造する本発明の方法は、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物とセリア以外の希土類酸化物とを含有している担体粒子；イットリウム、ネオジム、ランタン、及びプラセオジムから１種以上選択される希土類元素の塩；貴金属の塩；及び有機カルボン酸を水系分散体中で混合して、担体粒子に貴金属を担持し、それによって未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を得る工程；及び未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を、乾燥させ、そして焼成する工程を含む。
この方法によれば、有機カルボン酸によって担体粒子から希土類酸化物が溶出して、希土類酸化物が富化した第２の担体粒子と金属酸化物が富化した第１の担体粒子とが得られる。この場合、貴金属は、希土類酸化物が富化した第２の担体粒子に主に担持され、これにより触媒である貴金属のシンタリング及び酸化を防止することができるため、貴金属の触媒活性を高い状態に維持できる好適な排ガス浄化用触媒を得ることができる。出発物質である担体粒子が、金属酸化物の固溶体を含む場合には、固溶していない希土類酸化物が有機カルボン酸によって溶出しやすいため、このような態様は特に好ましい。
さらに、驚くべきことに、この方法によって得られた排ガス浄化触媒の貴金属触媒粒子は、有機カルボン酸を添加しない従来の方法と比較して、小径化されることが分かった。理論に拘束されないが、これは、有機カルボン酸添加後に、有機カルボン酸希土が形成され、有機カルボン酸希土に貴金属が選択的に吸着し、焼成後に希土類と貴金属と間の相互作用によって、貴金属が固定化される為であると考えられる。貴金属触媒粒子の粒径が小さいと、単位重量当りの貴金属触媒粒子の表面積が大きくなり、触媒の反応点が増えるため、非常に有利である。
排ガス浄化用触媒を製造する本発明の方法によれば、特に本発明の排ガス浄化用触媒を製造することができる。したがって、本発明の方法で用いる担体粒子の粒径、担体粒子のジルコニア、セリア、及びセリア以外の希土類酸化物の添加量、セリア以外の希土類酸化物の種類及び添加量、希土類元素の塩の種類及び添加量、貴金属の種類及び添加量等については、上記の本発明の排ガス浄化用触媒の記載を参照して選択することができる。
例えば、未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を得る工程においては、担体粒子に含まれる固溶していない希土類成分の量に対して、過不足なく反応する量（反応当量点）の有機カルボン酸を水系溶液に溶解させる。そして、有機カルボン酸の水溶液に、貴金属の塩を混合し、そして有機カルボン酸及び貴金属を含有する水溶液を、担体粒子が分散している分散液と混合する。
本発明の方法において用いられる有機カルボン酸の量は、担体粒子に含有されている希土類元素の総和物質量［ｍｏｌ−Ｌｎ］に対し、添加する有機カルボン酸の物質量比［ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｌｎ］で表わすことができる。好ましい物質量比［ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｌｎ］は、０．５以上、１．０以上、又は１．５以上であり、３．５以下、３．０以下、又は２．５以下であってもよい。このような範囲であれば、担体粒子の金属酸化物が溶解しづらく、かつ希土類酸化物は溶解しやすくなるため、第２の担体粒子を生成しやすい。
また、イットリウム、ネオジム、ランタン、及びプラセオジムから１種以上選択される希土類元素の塩を上記の水系分散体に混合することで、カルボン酸によって溶出させた第２の担体粒子に加えて、第２の担体粒子を追加的に生成することができる。希土類元素の塩としては、無機酸塩及び有機酸塩を挙げられることができるが、第２の担体粒子を追加的に生成することができれば、特に限定されない。無機酸塩としては、硫酸塩、塩酸塩、硝酸塩、炭酸塩、リン酸塩、亜硫酸塩、塩素酸塩等を挙げることができ、有機酸塩としては、蟻酸、シュウ酸、酢酸等のカルボン酸塩等を挙げることができる。これらの中でも特に、硝酸塩、酢酸塩等が好ましいことが分かった。これは、その塩が、担体粒子表面に吸着して、担体粒子の分散性を向上させたためと考えられる。このため、好ましくは、希土類元素の塩は、有機カルボン酸を加える前に、水系分散体に添加される。
本発明の方法において用いられる希土類元素の塩の量は、担体粒子の表面積１ｍ２当たりで、０．１μｍｏｌ以上、０．３μｍｏｌ以上、０．５μｍｏｌ以上、１．０μｍｏｌ以上、又は２．０μｍｏｌ以上であってもよく、５０μｍｏｌ以下、３０μｍｏｌ以下、２０μｍｏｌ以下、１０μｍｏｌ以下、８μｍｏｌ以下、又は５μｍｏｌ以下であってもよい。担体粒子１グラム当たりでは、希土類元素の塩の量は、６．６５μｍｏｌ以上、１９．９５μｍｏｌ以上、３３．２５μｍｏｌ以上、６６．５μｍｏｌ以上、１３３μｍｏｌ以上であってもよく、６６５μｍｏｌ以下、５３２μｍｏｌ以下、３３２．５ｍｏｌ以下、又は３３２．５μｍｏｌ以下であってもよい。
ここで、担体粒子としては、上記の本発明の排ガス浄化用触媒で用いられる第１の担体粒子と同じ組成を有していてもよい。
貴金属の塩としては、貴金属の強酸塩を挙げることができ、特に貴金属の硝酸塩又は硫酸塩を挙げることができる。貴金属としては、白金、パラジウム、及び／又はロジウムを挙げることができる。
有機カルボン酸としては、好ましくは分子量３００以下の有機カルボン酸を挙げることができ、例えばＣ１〜Ｃ２０の飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、ヒドロキシ酸、芳香族カルボン酸、ジカルボン酸、トリカルボン酸、オキソカルボン酸等を挙げることができる。具体的には、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、酒石酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸等を挙げることができる。
有機カルボン酸の添加量は、担体粒子に含まれる希土類成分、好ましくは固溶していない希土類成分のモル量に対して過不足なく反応するモル量（反応当量点）の０．５０倍以上、１．０倍以上、又は２．０倍以上であってもよく、５．０倍以下、４．５倍以下、４．０倍以下、又は３．５倍以下であってもよい。
未焼成の排ガス浄化用触媒を得た後、これを含む水系分散体を乾燥させ、そして焼成する。乾燥温度は、例えば１５０℃以上、２００℃以上、２５０℃以上であってもよく、３５０℃以下、又は３００℃以下であってもよい。乾燥時間は、１６時間以上、１２時間以上、又は８時間以上であってもよく、２４時間以下又は２０時間以下であってもよい。また、焼成温度は、例えば４００℃以上、５００℃以上、５５０℃以上、又は６００℃以上であってもよく、１０００℃以下、８００℃以下、又は７００℃以下であってもよい。焼成時間は、３０分以上、１時間以上、２時間以上、又は４時間以上であってもよく、１２時間以下、１０時間以下、又は８時間以下であってもよい。
なお、記載の本発明の排ガス浄化用触媒の製造方法によらない製造方法で製造された触媒は、上記の相関係数は、６０．０％以上、６５．０％以上又は７０．０％以上で一致している場合があり、典型的には８５％未満又は８０％未満である。
このようにして得られた排ガス浄化用触媒をさらに粉砕して、担体粒子の粒径を、本発明の排ガス浄化用触媒の第１の担体粒子の粒径の範囲にすることができる。
Ａ．各種の排ガス浄化用触媒の参考的試験
《サンプル調製》
〈参考例１〉
担体粒子に含まれるセリウム以外の希土類の総和に対して、過不足なく反応する物質量の酢酸をイオン交換水に溶解させ、酢酸水溶液を調製した。次いで、酢酸溶液に、ロジウム量が担体粒子の０．５０重量％となるように、硝酸ロジウム溶液を投入し、酢酸及び硝酸ロジウムを含有する水溶液を得た。この水溶液と、担体粒子をイオン交換水に分散させた分散液とを混合した。これを撹拌し、２５０℃で８時間乾燥し、５００℃で１時間焼成し、粉砕することによって、参考例１の排ガス浄化用触媒を得た。
《サンプル調製》
〈参考例１〉
担体粒子に含まれるセリウム以外の希土類の総和に対して、過不足なく反応する物質量の酢酸をイオン交換水に溶解させ、酢酸水溶液を調製した。次いで、酢酸溶液に、ロジウム量が担体粒子の０．５０重量％となるように、硝酸ロジウム溶液を投入し、酢酸及び硝酸ロジウムを含有する水溶液を得た。この水溶液と、担体粒子をイオン交換水に分散させた分散液とを混合した。これを撹拌し、２５０℃で８時間乾燥し、５００℃で１時間焼成し、粉砕することによって、参考例１の排ガス浄化用触媒を得た。
〈参考例２〜４及び比較参考例１〜３〉
酢酸の代わりに他の有機カルボン酸を用いたこと以外は参考例１と同様にして、参考例２〜４の排ガス浄化用触媒を得た。また、有機カルボン酸の代わりに他の酸を用いたこと以外は参考例１と同様にして、比較参考例１及び２の排ガス浄化用触媒を得た。さらに、酢酸を使用しなかったこと以外は参考例１と同様にして、比較参考例３の排ガス浄化用触媒を得た。これらの例の組成の詳細を表１に示す。
酢酸の代わりに他の有機カルボン酸を用いたこと以外は参考例１と同様にして、参考例２〜４の排ガス浄化用触媒を得た。また、有機カルボン酸の代わりに他の酸を用いたこと以外は参考例１と同様にして、比較参考例１及び２の排ガス浄化用触媒を得た。さらに、酢酸を使用しなかったこと以外は参考例１と同様にして、比較参考例３の排ガス浄化用触媒を得た。これらの例の組成の詳細を表１に示す。
〈参考例５〜６及び比較参考例４〜５〉
担体粒子及び貴金属の塩の種類を参考例２から変更して、参考例５〜６の排ガス浄化用触媒を得た。また、有機カルボン酸を使用しなかったこと以外は、参考例５及び６と同様にして、それぞれ比較参考例４及び５の排ガス浄化用触媒を得た。これらの例の組成の詳細を表２に示す。
担体粒子及び貴金属の塩の種類を参考例２から変更して、参考例５〜６の排ガス浄化用触媒を得た。また、有機カルボン酸を使用しなかったこと以外は、参考例５及び６と同様にして、それぞれ比較参考例４及び５の排ガス浄化用触媒を得た。これらの例の組成の詳細を表２に示す。
〈参考例７〜１５〉
参考例４から担体粒子の組成を変更し、また有機カルボン酸の添加量を変更することによって、参考例７〜１５の排ガス浄化用触媒を得た。これらの例の組成の詳細を表３に示す。
参考例４から担体粒子の組成を変更し、また有機カルボン酸の添加量を変更することによって、参考例７〜１５の排ガス浄化用触媒を得た。これらの例の組成の詳細を表３に示す。
〈参考例１６〜１９及び比較参考例６〜９〉
参考例１で用いた担体粒子の種類等を変更して、参考例１６〜１９及び比較参考例６〜９の排ガス浄化用触媒を得た。これらの例の組成の詳細を表４に示す。
参考例１で用いた担体粒子の種類等を変更して、参考例１６〜１９及び比較参考例６〜９の排ガス浄化用触媒を得た。これらの例の組成の詳細を表４に示す。
〈耐久試験後の排ガス浄化用触媒〉
上記のようにして得られた排ガス浄化用触媒を、流通式の耐久試験装置に配置した。そして、試験装置内温度を１０００℃にし、窒素ガスに酸素を１％添加したリーンガスと、窒素ガスに一酸化炭素を２％加えたリッチガスとを、５００ｍＬ／分の流量で、２分周期で交互に１０時間流通させた。その後の排ガス浄化用触媒を、耐久試験後の排ガス浄化用触媒として評価した。
上記のようにして得られた排ガス浄化用触媒を、流通式の耐久試験装置に配置した。そして、試験装置内温度を１０００℃にし、窒素ガスに酸素を１％添加したリーンガスと、窒素ガスに一酸化炭素を２％加えたリッチガスとを、５００ｍＬ／分の流量で、２分周期で交互に１０時間流通させた。その後の排ガス浄化用触媒を、耐久試験後の排ガス浄化用触媒として評価した。
〈排ガス浄化装置の作製〉
上記のようにして得られた排ガス浄化触媒とアルミナ粉末とを質量混合比１：１で混合し、固形分が３０重量％となるように純水に分散させてスラリーを得た。このスラリーを、モノリスハニカム基材（容積０．３５Ｌ）に、貴金属量が０．２５ｇ／Ｌとなるようにコートした。コートしたモノリスハニカム基材を２５０℃で１０分乾燥し、次に５００℃で２０分焼成することによって、排ガス浄化装置を得た。
上記のようにして得られた排ガス浄化触媒とアルミナ粉末とを質量混合比１：１で混合し、固形分が３０重量％となるように純水に分散させてスラリーを得た。このスラリーを、モノリスハニカム基材（容積０．３５Ｌ）に、貴金属量が０．２５ｇ／Ｌとなるようにコートした。コートしたモノリスハニカム基材を２５０℃で１０分乾燥し、次に５００℃で２０分焼成することによって、排ガス浄化装置を得た。
〈耐久試験後の排ガス浄化装置〉
上記のようにして得られた排ガス浄化装置を、流通式の耐久試験装置に配置した。そして、試験装置内温度を１０００℃にし、窒素ガスに酸素を１％添加したリーンガスと、窒素ガスに一酸化炭素を２％加えたリッチガスとを、５００ｍＬ／分の流量で、２分周期で交互に１０時間流通させた。その後の排ガス浄化装置を、耐久試験後の排ガス浄化装置として評価した。
上記のようにして得られた排ガス浄化装置を、流通式の耐久試験装置に配置した。そして、試験装置内温度を１０００℃にし、窒素ガスに酸素を１％添加したリーンガスと、窒素ガスに一酸化炭素を２％加えたリッチガスとを、５００ｍＬ／分の流量で、２分周期で交互に１０時間流通させた。その後の排ガス浄化装置を、耐久試験後の排ガス浄化装置として評価した。
《評価方法》
〈第２担体の平均粒径及び存在比〉
排ガス浄化用触媒の担体粒子の平均粒径の測定を、日立ハイテクノロジーズ社製の電界放出形走査型電子顕微鏡Ｓ−４８００及びその装置に付随しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置によって行った。
〈第２担体の平均粒径及び存在比〉
排ガス浄化用触媒の担体粒子の平均粒径の測定を、日立ハイテクノロジーズ社製の電界放出形走査型電子顕微鏡Ｓ−４８００及びその装置に付随しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置によって行った。
具体的には、まずこの装置で２０，０００倍の測定倍率によって映し出された画面において、等価直径が０．１０μｍ以上である粒子の中から、エネルギー分散型Ｘ線分析によって、ジルコニアを５０重量％〜９５重量％で、かつセリア及びセリア以外の希土類酸化物を５．０〜５０重量％で含有する粒子を見つけ出し、これを第１の担体粒子と認定した。そして、それらの粒子の等価直径を粒子の投影面積から計算した。この作業を任意の２０画面において行い、その全ての平均値を、第１の担体粒子の平均粒径とした。
さらに、等価直径が０．１０μｍ以上である粒子の中から、ジルコニアを１．０〜４０重量％で、かつセリア及びセリア以外の希土類酸化物を６０重量％〜９９重量％で含有する粒子を見つけ出し、これを第２の担体粒子と認定した。そして、それらの粒子の等価直径を粒子の投影面積から計算した。この作業を任意の２０画面において行い、その全ての平均値を、第２の担体粒子の平均粒径とした。
さらに、各排ガス浄化用触媒について、第２の担体粒子の投影面積の、第１及び第２の担体粒子の投影面積に対する投影面積比（第２の担体粒子の面積／第１及び第２の担体粒子の面積）を計算し、これを第２の担体粒子の存在比とした。
〈触媒位置の相関係数〉
日立ハイテクノロジーズ社製の走査型電子顕微鏡Ｓ−４８００を用いて貴金属粒子の重心点位置にてエネルギー分散型Ｘ線分析を行い、希土類元素と貴金属の特性Ｘ線強度を測定した。担体粒子の希土類元素の特性Ｘ線強度と、貴金属元素の特性Ｘ線強度とを比較し、相関係数が０．６５以上で一致していた場合には、第２の担体上に担持されており、相関係数が０．６５未満であった場合には、担体上に担持されていないと定義した。
日立ハイテクノロジーズ社製の走査型電子顕微鏡Ｓ−４８００を用いて貴金属粒子の重心点位置にてエネルギー分散型Ｘ線分析を行い、希土類元素と貴金属の特性Ｘ線強度を測定した。担体粒子の希土類元素の特性Ｘ線強度と、貴金属元素の特性Ｘ線強度とを比較し、相関係数が０．６５以上で一致していた場合には、第２の担体上に担持されており、相関係数が０．６５未満であった場合には、担体上に担持されていないと定義した。
〈触媒粒子の粒径変化〉
上記の耐久試験後の排ガス浄化用触媒を、Ｘ線回折装置によって分析し、貴金属触媒粒子の粒径を解析した。ロジウムは２θ＝４１．１°；パラジウムは２θ＝４０．１°；そして白金は２θ＝３９．８°の回折ピークの半値幅を用いて、シェラーの式から粒径を算出した。この結果から、参考例１〜４及び７〜１９並びに比較参考例１〜２及び６〜９については、有機カルボン酸を添加していない比較参考例３を基準として、有機カルボン酸の添加によって貴金属粒径が何％変化したかを算出した。参考例５及び６については、それぞれ比較参考例４及び５を基準として、貴金属粒径が何％変化したかを算出した。ただし、ここでは、表１中で「−」は粒径の微細化を意味し、「＋」は粒径の肥大を意味している。
上記の耐久試験後の排ガス浄化用触媒を、Ｘ線回折装置によって分析し、貴金属触媒粒子の粒径を解析した。ロジウムは２θ＝４１．１°；パラジウムは２θ＝４０．１°；そして白金は２θ＝３９．８°の回折ピークの半値幅を用いて、シェラーの式から粒径を算出した。この結果から、参考例１〜４及び７〜１９並びに比較参考例１〜２及び６〜９については、有機カルボン酸を添加していない比較参考例３を基準として、有機カルボン酸の添加によって貴金属粒径が何％変化したかを算出した。参考例５及び６については、それぞれ比較参考例４及び５を基準として、貴金属粒径が何％変化したかを算出した。ただし、ここでは、表１中で「−」は粒径の微細化を意味し、「＋」は粒径の肥大を意味している。
〈５０％ＮＯｘ浄化温度〉
耐久試験後の排ガス浄化装置を、常圧固定床式流通反応装置に配置し、ストイキ相当のモデルガスを流通させながら１００℃〜５００℃まで１２℃／分の速度で消音し、その間のＮＯｘ浄化率を連続的に測定した。排ガスが５０％浄化された時の温度を、各サンプルについて調べた。
耐久試験後の排ガス浄化装置を、常圧固定床式流通反応装置に配置し、ストイキ相当のモデルガスを流通させながら１００℃〜５００℃まで１２℃／分の速度で消音し、その間のＮＯｘ浄化率を連続的に測定した。排ガスが５０％浄化された時の温度を、各サンプルについて調べた。
〈ＳＥＭ−ＥＤＸ画像〉
参考例３及び比較参考例３について、走査型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析による元素マッピングを撮影した。
参考例３及び比較参考例３について、走査型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析による元素マッピングを撮影した。
《結果》
上記のようにして評価した結果を表１〜表４に示す。また、参考例３及び比較参考例３のＳＥＭ−ＥＤＸ画像を図２に示す。さらに、参考例５の排ガス浄化用触媒について行った、電界放出形走査型電子顕微鏡の５０００倍の観察像を図３に示す。
上記のようにして評価した結果を表１〜表４に示す。また、参考例３及び比較参考例３のＳＥＭ−ＥＤＸ画像を図２に示す。さらに、参考例５の排ガス浄化用触媒について行った、電界放出形走査型電子顕微鏡の５０００倍の観察像を図３に示す。
表１から理解できるように、有機カルボン酸を用いた場合（参考例１〜４）に、適切な平均粒径を有する第２の担体が容易に得られた。比較参考例１及び２を見ると、第２の担体粒子自体は生成していることが分かるが非常に粒径が小さく、この場合には相関係数から判断できるように、触媒粒子が第２の担体粒子に実質的に担持されていなかった。これは、第２の担体粒子が小さすぎるために、第１の担体粒子にも貴金属触媒粒子が担持されて、そこで貴金属触媒粒子がシンタリングを起こしたためと考えられる。
また、有機カルボン酸を用いた場合（参考例１〜４）には、耐久後に貴金属触媒粒子が小径化したことが分かる。有機カルボン酸の代わりにベンゼンスルホン酸及び硝酸を用いた場合（比較参考例１及び２）には、酸を用いていない場合（比較参考例３）に比べて、貴金属触媒粒子が肥大化していた、さらに、参考例１〜４の場合には、５０％ＮＯｘ浄化温度が非常に低い温度となった。
表２及び表４から理解できるように、このような傾向は、出発担体粒子の組成及び貴金属の種類を変更した場合であっても、同様であった。
表３を見ると、有機カルボン酸の添加量を増やすと、第２担体の粒径が大きくなることが分かる。ただし、貴金属触媒粒子については、有機カルボン酸の量を増やしていくと、小径化しなくなることが分かる。それに対応して、５０％ＮＯｘ浄化温度も変化した。
図２の比較参考例３の排ガス浄化触媒の元素マッピングを見ると、各元素の存在率の分布は、一様であることが分かる。それに対して、参考例３の元素マッピングを見ると、ジルコニウム（Ｚｒ）の存在率が低くなっている場所で、セリウム（Ｃｅ）及びネオジム（Ｎｄ）の存在率が非常に高くなっており、その場所が第２の担体粒子であることが分かる。また、第２の担体粒子の位置において、ロジウム（Ｒｈ）の存在率が高くなっており、貴金属触媒粒子が第２の担体粒子に集中的に担持されていることが分かる。
Ｂ．本発明の排ガス浄化用触媒の試験
《サンプル調製》
〈比較例１〉
１．触媒の調製
Ｒｈ金属換算量が担体粒子に対して０．５質量％となる量の硝酸ロジウムを水に溶解して貴金属溶液を調製した。酸化物換算の組成がＺｒ：Ｃｅ：Ｌａ：Ｎｄ＝７０：２０：５：５の質量比である担体粒子（粒径１０μｍ、表面積７０ｍ２／ｇ）をイオン交換水中に分散して、担体粒子分散液を調製した。この担体粒子分散液に、上記貴金属溶液を加えて撹拌した。固体を回収し、１１０℃において８時間加熱乾燥し、更に５００℃において１時間焼成した後、粉砕及び分級することによって、比較例１の触媒を得た。
《サンプル調製》
〈比較例１〉
１．触媒の調製
Ｒｈ金属換算量が担体粒子に対して０．５質量％となる量の硝酸ロジウムを水に溶解して貴金属溶液を調製した。酸化物換算の組成がＺｒ：Ｃｅ：Ｌａ：Ｎｄ＝７０：２０：５：５の質量比である担体粒子（粒径１０μｍ、表面積７０ｍ２／ｇ）をイオン交換水中に分散して、担体粒子分散液を調製した。この担体粒子分散液に、上記貴金属溶液を加えて撹拌した。固体を回収し、１１０℃において８時間加熱乾燥し、更に５００℃において１時間焼成した後、粉砕及び分級することによって、比較例１の触媒を得た。
〈実施例１〉
担体粒子中のセリウムを除く希土類元素と過不足なく反応する量（反応当量点）に対して２．５倍量（倍−ｅｑ）のプロピオン酸をイオン交換水に溶解して酸水溶液を調製した。この酸水溶液に、Ｒｈ金属換算量が担体粒子に対して０．５質量％となる量の硝酸ロジウムを加えて溶解させることにより、貴金属溶液を調製した。
担体粒子中のセリウムを除く希土類元素と過不足なく反応する量（反応当量点）に対して２．５倍量（倍−ｅｑ）のプロピオン酸をイオン交換水に溶解して酸水溶液を調製した。この酸水溶液に、Ｒｈ金属換算量が担体粒子に対して０．５質量％となる量の硝酸ロジウムを加えて溶解させることにより、貴金属溶液を調製した。
上記比較例１と同様にして調製した担体粒子分散液に、該担体粒子の表面積１ｍ２当たり０．５μｍｍｏｌの硝酸ランタンを含有する水溶液を添加した後に、上記の貴金属溶液と混合した。その後の操作を比較例１と同様にして行い、実施例１の触媒を得た。
[実施例２〜１６、並びに比較例２及び３]
プロピオン酸の代わりに表５に示した種類及び量（倍−ｅｑ）の酸を用い、硝酸ランタンの代わりに表５に示した種類及び量（μｍｏｌ／ｍ２）の希土類化合物を用いた他は上記実施例１と同様にして、排ガス浄化用触媒を調製し、評価した。評価結果は表５に示した。表５に示した貴金属粒径は、比較例１の測定値を基準とする相対値（％）である。
プロピオン酸の代わりに表５に示した種類及び量（倍−ｅｑ）の酸を用い、硝酸ランタンの代わりに表５に示した種類及び量（μｍｏｌ／ｍ２）の希土類化合物を用いた他は上記実施例１と同様にして、排ガス浄化用触媒を調製し、評価した。評価結果は表５に示した。表５に示した貴金属粒径は、比較例１の測定値を基準とする相対値（％）である。
《評価方法》
評価方法は、上記の実験Ａと同様にした。
評価方法は、上記の実験Ａと同様にした。
本発明所定の構成を有する実施例１〜１６の触媒は、従来技術の典型的な例である比較例１と比較して、５０％ＮＯｘ浄化温度が低く、ＮＯｘ浄化性能に優れることが検証された。このような触媒は、有機カルボン酸と希土類化合物とを使用する本発明所定の製造方法により、容易に製造することができる。
有機カルボン酸に代えてスルホン酸化合物又は無機酸を使用した比較例２及び３では、いずれも、希土類酸化物粒子の粒径が小さく、５０％ＮＯｘ浄化温度の低下は見られず、かえって上昇する結果となった。これは、該粒子の粒径が過度に小さいため、貴金属がセリアジルコニア担体上にも担持されることとなり、このセリアジルコニア上の貴金属が耐久によって粒成長して粒径が大きくなったことによってＮＯｘ浄化性能が損なわれたものと考えられる。
［比較例４及び５、並びに実施例１７及び１８］
硝酸Ｒｈの代わりに硝酸Ｐｔ（比較例４及び実施例１７）又は硝酸Ｐｄ（比較例５及び実施例１８）を、それぞれ、担体粒子に対して０．５質量％となる量用いた他は、比較例４及び５は上記比較例１と同様にして、実施例１７及び１８は上記実施例１と同様にして、それぞれ排ガス浄化触媒を調製し、評価した。評価結果は表６に示した。なお、表６に示した実施例１７の貴金属粒径は比較例４の測定値を基準とする相対値（％）であり、実施例１８の貴金属粒径は比較例５の測定値を基準とする相対値（％）である。
硝酸Ｒｈの代わりに硝酸Ｐｔ（比較例４及び実施例１７）又は硝酸Ｐｄ（比較例５及び実施例１８）を、それぞれ、担体粒子に対して０．５質量％となる量用いた他は、比較例４及び５は上記比較例１と同様にして、実施例１７及び１８は上記実施例１と同様にして、それぞれ排ガス浄化触媒を調製し、評価した。評価結果は表６に示した。なお、表６に示した実施例１７の貴金属粒径は比較例４の測定値を基準とする相対値（％）であり、実施例１８の貴金属粒径は比較例５の測定値を基準とする相対値（％）である。
貴金属として、Ｒｈの代わりにＰｔ又はＰｄを用いた場合であっても、本発明所定の構成を有する実施例１７及び１８の触媒が、所期の効果を発現することが検証された。
［参考例２０〜２７］
プロピオン酸の使用量を表７に示した量（倍−ｅｑ）に変更し、かつ硝酸ランタン水溶液を使用しなかった以外は、上記実施例１と同様にして、排ガス浄化触媒を調製し、評価した。評価結果は、比較例１の結果とともに表７に示した。表７に示した参考例の貴金属粒径は、比較例１の測定値を基準とする相対値（％）である。
プロピオン酸の使用量を表７に示した量（倍−ｅｑ）に変更し、かつ硝酸ランタン水溶液を使用しなかった以外は、上記実施例１と同様にして、排ガス浄化触媒を調製し、評価した。評価結果は、比較例１の結果とともに表７に示した。表７に示した参考例の貴金属粒径は、比較例１の測定値を基準とする相対値（％）である。
希土類酸化物粒子の粒径が０．５μｍ超５μｍ以下である参考例２１〜２５の場合に、従来技術の典型的な例である参考例２０と比較して、５０％ＮＯｘ浄化温度が有意に低く、ＮＯｘ浄化性能に優れることが検証された。このような触媒は、有機カルボン酸を使用する特定の製造方法により、容易に製造することができる。
１ 第１の担体粒子
１ａ 希土類富化領域
２ 第２の担体粒子
３ 触媒粒子
１０ 排ガス浄化用触媒
１ａ 希土類富化領域
２ 第２の担体粒子
３ 触媒粒子
１０ 排ガス浄化用触媒
Claims (13)
- 以下を含む、排ガス浄化用触媒の製造方法：
シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有している担体粒子；イットリウム、ネオジム、ランタン、及びプラセオジムから１種以上選択される希土類元素の塩；触媒貴金属の塩；及び有機カルボン酸を水系分散体中で混合して、前記担体粒子に触媒貴金属を担持し、それによって未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を得る工程；
前記未焼成の排ガス浄化用触媒を含む水系分散体を、乾燥させ、そして焼成する工程。 - 前記担体粒子の前記金属酸化物が、セリアジルコニア固溶体であり；前記担体粒子の前記希土類酸化物が、イットリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム及びサマリウムからなる群より少なくとも１種選択される希土類元素の酸化物であり；前記希土類元素の塩が硝酸塩又は硫酸塩であり；かつ前記触媒貴金属の塩が、白金、パラジウム、ロジウム又はこれらの組合せの硝酸塩又は硫酸塩である、請求項１に記載の方法。
- 前記有機カルボン酸が、分子量３００以下の有機カルボン酸である、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記担体粒子に含有されている希土類元素の総和物質量に対する、前記有機カルボン酸の物質量比［ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｌｎ］が、０．５以上３．５以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記有機カルボン酸の添加量が、前記担体粒子に含有されている希土類元素のモル量に対して過不足なく反応するモル量（反応当量点）の０．５０倍以上５．０倍以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記希土類元素の塩が、硝酸イットリウム、硝酸ランタン、塩化ランタン、酢酸ランタン、炭酸ランタン、硝酸ネオジム、及び硝酸プラセオジムから選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記有機カルボン酸が、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、酒石酸、シュウ酸、マロン酸、及びコハク酸から選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記排ガス浄化用触媒が、
第１の担体粒子、第２の担体粒子、並びに前記第１及び第２の担体粒子に担持されている貴金属触媒粒子を有する排ガス浄化用触媒であって、
前記第１の担体粒子が、シリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物と、セリア以外の希土類酸化物とを含有し、
前記第２の担体粒子が、セリア以外の希土類酸化物を含有し、そしてシリカ、アルミナ、セリア、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物を含有してもよく
前記第１の担体粒子の前記金属酸化物の含有率（重量％）が、前記第２の担体粒子の前記金属酸化物の含有率（重量％）よりも高く、
前記第２の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率（重量％）が、前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率（重量％）よりも高く、かつ
電界放出形走査型電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析によって得られる特性Ｘ線の強度測定を行ったときに、以下の式で計算される相関係数が８５．０％以上である、排ガス浄化用触媒である、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法：
- 前記排ガス浄化用触媒において、
前記第１の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率が２０重量％未満であり、
前記第２の担体粒子の前記希土類酸化物の含有率が、２０重量％以上である、
請求項８に記載の方法。 - 前記排ガス浄化用触媒を試料として電界放出形走査型電子顕微鏡によって前記第１の担体粒子と前記第２の担体粒子とを観察した場合に、前記第２の担体粒子の投影面積の、前記第１の担体粒子の投影面積に対する比（第２の担体粒子の面積／第１の担体粒子の面積）が、０．０５０以上０．２００以下の範囲である、請求項９に記載の方法。
- 電界放出形走査型電子顕微鏡によって測定される、前記第１の担体粒子及び前記第２の担体粒子平均粒径が、それぞれ０．５０〜１００μｍ及び０．５０〜５μｍである、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記相関係数が、８７．０％以上である、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記相関係数が、９０．０％以上である、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法。
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