JP6912468B2 - リーンバーン用触媒 - Google Patents

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Description

本発明は、リーンバーン用触媒に関し、NOxを十分に浄化でき、低温から高温まで広い温度領域でCOやHCの浄化性能が高いリーンバーン用触媒に関するものである。
二酸化炭素(CO)による地球温暖化防止、及び資源の有効活用といった問題を解決する手段として、少ない燃料を効率的に活用する希薄燃焼(リーンバーン)型ガソリンエジンやディーゼルエンジン等の希薄燃焼(リーンバーン)機関が注目を集めている。
これらの希薄燃焼機関は、エンジンに吸入される空気の量が化学量論的な空燃比に比べ多い。空気が化学量論量よりも多いため、還元性成分である炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)が余剰の酸素で酸化除去されやすくなる。その一方、空気が多く、HCやCOなど還元性成分が不足しやすい環境となるため、酸化性成分である窒素酸化物(NOx)は還元除去され難くなるというデメリットがある。近年、特に低燃費への市場からの要求が増してきていることから排気ガス中の還元成分であるHC,COの量も減る傾向にあり、このようなデメリットの解決は重要な課題になっている。
ガソリンエンジンの場合、排出される排気ガス中の有害成分であり、大気汚染防止法で規制されている窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、及び炭化水素(HC)による汚染を減少させるため、化学量論の空燃比(空気/燃料の比率、A/F)条件又はその近傍でエンジンを運転すると共に、三元触媒(TWC)をエンジン出口の排気管中に装着することで、これら三種類の汚染物質を同時低減している。しかし、前記デメリットにより、リーンバーン型ガソリンエンジンやディーゼルエンジンには、従来の三元触媒とは異なるNOxを優先的に浄化するための触媒や浄化システムが必要になっている。
また、ディーゼルエンジンの場合は、軽油燃料を使用する関係から、排出される排気ガス中の有害成分には上記三種類の他、可溶性有機成分(Soluble Organic Fraction:SOFともいう)、煤など、大気汚染防止法で規制されている成分が含まれている。そのため、SOFは酸化触媒(Diesel Oxidation Catalyst:DOC)、煤は煤フィルター(ディーゼル微粒子捕集フィルター、Diesel Particulate Filter:DPF)や触媒化煤フィルター(Catalyzed Soot Filter:CSF)を排気管中へ装着することで、それぞれ酸化除去している。
一般に、希薄燃焼が起こる燃焼機関では、空気の量が化学量論量よりも多いことが恒常的に続くため、NOx自体が生成し易い上、HC、CO等の還元剤が不足することにより、NOxの還元浄化は非常に困難である。
NOx成分の除去法として、NOx吸蔵触媒、またはリーンNOxトラップ(Lean NOx Trap:LNT)触媒を用い、これらの触媒上でNOxを還元浄化する方法が検討されている(例えば、特許文献1参照)。
このLNT触媒では、空燃比をリッチ(空気が化学量論量より過少)にして燃焼させた排気ガスに含まれる未燃のHCや、排気管内に噴霧された燃料が還元剤として使用される。一般的には実車両の制御は、LNTのNOx吸蔵量がある一定量になったか、一定時間経過した際、その触媒に極短時間(1〜10秒)、未燃のHCや軽油などの燃料である還元成分を配管内またはエンジン筒内に供給する(以下、Richスパイクという。)信号が送られる。通常は効率の良いLNTのNOx吸蔵量がモニタリングされ効率よくRichスパイクが噴霧されるが、エンジン保護や触媒保護の目的で一定時間経過後にRichスパイクが行われる場合もある。
また、LNT触媒にはNOxを吸着する成分として、バリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムなどのアルカリ土類金属酸化物、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムなどのアルカリ金属酸化物、セリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジムなどの希土類酸化物成分が用いられている。
LNT触媒には、上記のNOx吸着成分のほかに、白金・パラジウム・ロジウムのような貴金属系の活性種や、セリア、セリア−ジルコニア系複合酸化物等の酸素の吸蔵放出材(以下、OSC:Oxgen Storage Componentということがある)、ジルコニア、シリカ、チタニア、アルミナ、ゼオライトなどの無機酸化物から選択された助触媒成分がよく使用される。このOSCは、排気ガス中の酸素濃度が高いときには酸素を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低いときには酸素を放出する。酸素の吸蔵放出により排気ガス中の酸素濃度の変化が緩衝され、排気ガスの浄化に適した酸素濃度に調整することができる。
ゼオライトとしては、炭化水素貯蔵のための機能層に、触媒活性成分として白金族貴金属を担持したY−ゼオライト、ゼオライトZSM5または脱アルミニウムしたモルデン沸石などのゼオライトを用いたものが提案されている(特許文献2参照)。
また、NOを酸化してNOおよび/またはNOにするPtとともに、NOを貯蔵しNOとOとを放出するNOx貯蔵成分のBaとを含有する第1層に対して、NOを還元してNにする、Rh元素を含有する第2層を設けた多層の触媒コンバーター(特許文献3参照)が提案され、ゼオライトを使用しうると記載されている。
前記NOxの吸蔵にBa成分を用いる触媒は、ディーゼルエンジン車を実走行させると、特に触媒が高温と希薄運転条件に暴露された場合に、活性が低下し、特に低温(200〜350℃)運転および高温(450〜600℃)運転の条件下で触媒活性が大きく低下する。さらに、Ba成分を含むNOx吸着材は、COの存在下で450℃を超える温度に暴露されると、炭酸バリウムが生成し、これが硝酸バリウムより安定となるという欠点を持っている。また、Baは焼結しやすく、支持体材料と複合化合物を形成し、その結果としてNOx吸蔵容量が消失しやすい。
最近のディーゼル車用触媒では、排気ガスが600℃を超えるような高温の過酷な条件に曝される。なお、このような傾向は、小型で高出力を要求されるエンジンにおいて顕著である。小型のエンジンは一般に乗用自動車に搭載されるものであるが、回転数を上げて求める出力を得ようとすることから、排気ガスの温度も従来に比べて高温になることが多く、従来の技術では充分な浄化性能が得られ難くなっている一因である。当然、Baによる高温でのNOx吸蔵能が必要になり、もちろん低温でもCeOによるNOx吸着能が必要であり、しかも、CO,HCの排出が多いので、DOCの機能も必要になる。
そのようなDOCの性能を期待して、ゼオライトを上流側に配置することが検討され、排気ガスが流れる排気パイプ上に装着されている多層の窒素酸化物低減触媒が提案されている(特許文献4参照)。ここには、第1触媒層で排気ガスに含まれている窒素酸化物を酸化させ、酸化された窒素酸化物の一部を燃焼しない燃料または排気ガスに含まれている炭化水素との酸化還元反応によって還元させ、酸化された窒素酸化物の他の一部は第2触媒層に拡散されると記載され、ゼオライトとしては、銅、白金、マンガン、鉄などでイオン交換されたものが好ましいとしている。
このようにゼオライトの使用は提案されているが、それにより高温での課題を解決しうるかの記載はなく、高温環境下での浄化性能の低下を抑制する技術は未だ確立されていない。
このような状況下、排気ガス中のNOx吸蔵性能、COやHCの酸化性能に優れ、特に高温に曝されても性能低下が少ないリーンバーン用触媒が必要とされている。
特開平11−319564号公報(請求項1、[0005]) 特開2000−157870号公報 特表2002−506500号公報 特開2010−209905号公報([0035])
本発明の目的は、上記従来の課題に鑑み、NOxを十分に浄化でき、低温から高温まで広い温度領域でCOやHCの浄化性能が高いリーンバーン用触媒を提供するものである。
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、一体構造型担体と、この一体構造型担体上に設けられ且つ少なくとも上層および下層の二層からなる、貴金属元素を含む触媒層と、を有する排気ガス浄化のためのリーンバーン用触媒において、上層にプロトン置換β型ゼオライト(なお、本明細書においては、プロトン置換β型ゼオライトを「H−BEA型ゼオライト」を記載する場合がある。)と、ロジウムを担持したセリア系酸化物とを少なくとも含有し、下層にNOx貯蔵成分と、白金を担持した無機酸化物とを少なくとも含有する触媒層を用いることで、CO、HCの排出が多く排気ガスが高温になるリーンバーン型ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の希薄燃焼機関における前記の問題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の第1の発明によれば、一体構造型担体と、前記一体構造型担体上に設けられ且つ少なくとも二層からなる、貴金属元素を含む触媒層と、を有する排気ガス浄化のためのリーンバーン用触媒において、
前記触媒層は、前記上層にプロトン置換β型ゼオライトと、ロジウムを担持したセリア系酸化物とを少なくとも含有し、前記下層にNOx貯蔵成分と、無機酸化物に担持された白金とを少なくとも含有することを特徴する、リーンバーンエンジン用触媒が提供される。
また、本発明の第2の発明によれば、第1の発明において、前記NOx貯蔵成分が、BaOとCeOとを含有することを特徴するリーンバーンエンジン用触媒が提供される。
また、本発明の第3の発明によれば、第1または2の発明において、前記触媒層中のセリア系酸化物の総含有量が、前記一体構造型担体の単位体積当たり、合計で70g/L以上であることを特徴とするリーンバーンエンジン用触媒が提供される。
また、本発明の第4の発明によれば、第1〜3のいずれかの発明において、前記プロトン置換β型ゼオライトの含有量が、前記一体構造型担体の単位体積当たり、10g/L以上であることを特徴とするリーンバーンエンジン用触媒が提供される。
また、本発明の第5の発明によれば、第1〜4のいずれかの発明において、前記下層の前記無機酸化物が、アルミナであることを特徴とするリーンバーンエンジン用触媒が提供される。
また、本発明の第6の発明によれば、第5の発明において、前記下層が、白金とパラジウムを含有することを特徴とするリーンバーンエンジン用触媒が提供される。
また、本発明の第7の発明によれば、第1〜6のいずれかの発明において、前記ロジウムの含有量が、前記一体構造型担体の単位体積当たり、金属ロジウム換算で0.1〜2.0g/Lであることを特徴とするリーンバーンエンジン用触媒が提供される。
また、本発明の第8の発明によれば、第1〜7のいずれかの発明において、前記白金の含有量が、前記一体構造型担体の単位体積当たり、金属白金換算で1.0〜8.0g/Lであることを特徴とするリーンバーンエンジン用触媒が提供される。
さらに、本発明の第9の発明によれば、第1〜8のいずれかの発明において、前記排気ガスが、ディーゼル車から排出されることを特徴とするリーンバーンエンジン用触媒が提供される。
本発明のリーンバーン用触媒によれば、特定の組成、層構成を有するので、リーンバーン型ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の希薄燃焼機関などからの排気ガス中のNOxを十分に浄化でき、低温から高温まで広い温度領域で高いCOやHCの浄化性能が得られる。
実施形態のリーンバーン用触媒の層構成と、排気ガス浄化のメカニズムを模式的に示した説明図である。 リーンバーン用触媒(実施例1)のNOx吸蔵性能を、従来の触媒(比較例1、2)と比較したグラフである。 リーンバーン用触媒(実施例1〜7)のCO酸化性能を、従来の触媒(比較例3〜5)と比較したグラフである。 リーンバーン用触媒(実施例1〜7)のHC酸化性能を、従来の触媒(比較例3〜5)と比較したグラフである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは主に、自動車用ディーゼルエンジンを例にして説明するが、本発明は希薄燃焼により発生するNOxの浄化技術に関係するのであれば、ディーゼル車用途に限定されるものではなく、ガソリン車など他の用途であっても高い触媒性能を発揮する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本明細書において、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、本明細書において、例えば「1〜100」との数値範囲の表記は、その上限値「1」及び下限値「100」の双方を包含するものであり、また、他の数値範囲の表記も同様である。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。
1 リーンバーン用触媒
本実施形態のリーンバーン用触媒は、プロトン置換β型ゼオライトと貴金属成分であるロジウムを担持したセリア系酸化物とを少なくとも含む上層、および、NOx貯蔵成分と無機酸化物に担持された白金とを少なくとも含有する下層、の少なくとも2層からなる触媒層を一体構造型担体上に設けた構成を備える。
従来の触媒は、A型、X型、Y型、MFI型(ZSM−5)、MOR型、CHA型等のタイプのゼオライトが使用されていたが、高温での浄化性能が不十分であった。これを改善するために、本実施形態では、プロトン置換β型ゼオライトを必須成分として含んでいる。
すなわち本実施形態では、細孔内に存在するアルカリ(土類)金属元素などのカチオンを水素でイオン交換したプロトン置換β型ゼオライトを使用する。プロトン置換β型ゼオライトを用いれば、ゼオライトの細孔が大きいため、高沸点の酸素鎖長の長いHCのトラップ性能に優れ炭化水素の反応性を増し、低温での軽油添加時における炭化水素被毒の抑制効果が向上し、高い触媒活性を長時間維持することができる。また、プロトン置換β型であるため、鉄や銅などにイオン交換されているゼオライトに比べると低活性時に不用意な酸化反応をせず、このような不完全な酸化に由来したHC成分のコーキングによる失活を起しにくく高温での性能にも極めて優れている。
本実施形態のリーンバーン用触媒は、一体構造型担体(ハニカム型構造体)上に設けられた上層および下層の少なくとも2層からなる、貴金属元素を含む触媒層(触媒組成物)を備えている。HCやCO等の還元成分によりNOxを還元浄化するための貴金属活性種として、ロジウム(Rh)成分、白金(Pt)成分、パラジウム(Pd)成分を使用することができるが、特にロジウム(Rh)成分はNOx還元能力に優れるため、本実施形態のリーンバーン用触媒においてNOxの還元浄化は、主にロジウム成分によって行なわれる。
2 リーンバーン用触媒の層構成
本実施形態のリーンバーン用触媒は、図1に示すように、一体構造型担体の上に少なくとも上層・下層の少なくとも二層からなる、貴金属元素を含む触媒層を有する。
本実施形態では、上層にプロトン置換β型ゼオライトと、ロジウムを担持したセリア系酸化物を含有し、下層にNOx貯蔵成分と、無機酸化物(母材)に担持された白金を含有する。また、上層には、パラジウムを担持したセリア系酸化物が併用されている。さらに、下層中の白金担持無機酸化物は、さらにパラジウムが担持されて、白金パラジウム担持無機酸化物となっていてもよい。なお、以下、必要に応じてセリア系酸化物をセリア(CeO)と表記することがある。
本実施形態のリーンバーン用触媒は、上層下層を最小の触媒組成物構成単位とするもので、このような層構成とすることが、作業効率上だけでなくコスト上も望ましい。しかし、前記した本発明の目的とする範囲内で、上下2層のほか、上下最下3層としたり、ハニカム型構造体と下層の間、また下層と上層の間、また上層の更に上側に、別途バインダー層、触媒成分の移行を抑制するための抑制層、りんや硫黄のトラップ層またはバリア層、また、異なる触媒組成層などを適宜設けてもよい。すなわち、本実施形態のリーンバーン用触媒は、図示の如く、ハニカム型構造体上に下層および上層がこの順に設けられている構成を有する限り、ハニカム型構造体、下層および上層の各層間に他の任意の層が介在していても、上層上に他の任意の層が配置されていてもよい。
本実施形態の上層、下層には、前記の最小の触媒組成物構成単位の他、その作用を阻害しない範囲でA型、X型、Y型、MFI型(ZSM−5)、MOR型、CHA型等の種々の異なるタイプのゼオライトを含むことができる。また、前記ゼオライトの他、前記の最小の触媒組成物構成単位に加えてその作用を阻害しない範囲で、プラチナ、銀、銅、ニッケル、タングステン、バナジウム、ジルコニウム、チタニウム、タングステン等の遷移金属、セリウム、ランタン、ネオジウム等の希土類金属、アルカリ金属、バリウム、カルシウムなどアルカリ土類金属、珪素等の酸化物を単体で、または酸化物或いは複合酸化物として使用しうる。
下層を二層に分けることで、その最下層にはゼオライトが不要となり、本発明を実施するうえでコスト的にも有利になるが、最下層においても前記の最小の触媒組成物構成単位の他、その作用を阻害しない範囲であれば前記のような多様なゼオライトを含んでもよい。
A 上層
本実施形態のリーンバーン用触媒は、上層にプロトン置換β型ゼオライトと、ロジウムを担持したセリア系酸化物とを少なくとも含有する。なお、特にことわりの無いかぎり、以下の上層に関する記載中の触媒成分の量は上層中の成分量を表す。
(1)プロトン置換β型ゼオライト
本実施形態において、ゼオライトとしてプロトン置換β型ゼオライトを、触媒層が二層触媒の場合は上層、三層触媒の場合は最上層に使用する。
本実施形態では、プロトン置換β型ゼオライトを上層に存在させているので、炭化水素の吸着力が増し、低温での軽油添加時における炭化水素被毒の抑制効果を向上させながら、高温での安定性、触媒活性を長時間維持する。
なお、プロトン置換β型ゼオライトは、単位胞組成が下記の平均組成式で表される組成を有し、かつ正方晶系の合成ゼオライトとして分類されるものである。
m/x[AlSi(64−m)128]・pH
(式中、Mはカチオン種であり、xは前記Mの価数であり、mは0を越え64未満の数であり、pは0以上の数である)
また、プロトン置換β型ゼオライトは、一般に、比較的大きな径を有する一方向に整列した直線的細孔とこれに交わる曲線的細孔とからなる比較的複雑な3次元細孔構造を有し、炭化水素ガス分子の拡散が容易になされる等の性質を有している。モルデナイト、ホージャサイト等が一方向に整列した直線的な空孔のみを有するのに対して、プロトン置換β型ゼオライトは、このような複雑な三次元構造である点で特異な構造を有しており、熱による構造破壊が生じにくく安定性が高い。また、前記の通り、プロトン置換β型ゼオライトはプロトン置換β型であるため、鉄や銅などの金属元素でイオン交換されているゼオライトに比べると、コーキングが発生しにくく、高温での性能にも優れている。
本実施形態では、貴金属や遷移金属を含まないプロトン置換β型ゼオライトを使用した例を示したが、このゼオライトに加え、本発明の目的を損なわない限りにおいて、例えば鉄元素がイオン交換されているFe−BEAタイプのゼオライトが含まれていてもよい。また、鉄元素は酸化鉄であってもよい。なお、プロトン置換β型ゼオライトは、この鉄元素を含むゼオライトよりも、HC吸着脱離速度が速いことから、主成分として含まれることが好ましい。ここで、主成分とは、一体構造型担体上に設けられた触媒層(触媒組成物)に使用される全ゼオライト量のうち、80wt%以上であるものを意味し、90wt%以上であることが好ましく、95wt%以上がより好ましい。
一般にゼオライトには固体酸点として、カチオンがカウンターイオンとして存在する。カチオンとしては、例えばアンモニウムイオンが挙げられるが、本実施形態では主としてプロトンで置換されたプロトン置換β型ゼオライトが好ましく用いられる。ここで、ゼオライトにおけるプロトン置換の割合(%)は、H元素(イオン)1個と、ゼオライト中の一価のイオン交換サイトである上記[AlO4/2単位の2個とがイオン対を形成することに基づいて、次式(1)で表されることが好ましい。
[プロトン置換の割合(%)]=[単位重量のゼオライト中にプロトン置換により含まれているHイオンのモル数]/{(単位重量のゼオライト中に存在するAlのモル数)×(1/2)}]×100 ………(1)
また、その置換率は、15〜100%であることが好ましく、15〜95%であることがより好ましく、15〜80%であることがさらに好ましい。イオン交換率が95%以下、より好ましくは80%以下であると脱硝性能に優れる傾向にある。脱硝性能に優れる理由は定かで無いが、ゼオライトの骨格構造がより安定化し、触媒の耐熱性、ひいては触媒の寿命が向上し、より安定した触媒活性を得ることができるのではないかと考えられる。ただし、置換率が15%未満になると、十分な脱硝性能が得られない場合がある。
このように、プロトン置換されたβゼオライトを用いることで、炭化水素系還元剤を用いた脱硝反応の高温特性、低温特性が向上し、排気ガス中の窒素酸化物に対して優れた浄化能力を発揮する。
なお、本実施形態において、A型、X型、Y型、MFI型(ZSM−5)、MOR型、CHA型等の種々の異なるタイプのゼオライトの使用を排除するわけではない。しかし、それらが多量に含まれると、プロトン置換β型ゼオライトの量が相対的に減少して、本発明の顕著な効果が得られ難くなる傾向にある。
かかる観点から、プロトン置換β型ゼオライトの含有量は、一体構造型担体の単位体積当たり、10g/L以上であることが好ましく、20〜70g/Lがより好ましく、35〜60g/Lがさらに好ましい。プロトン置換β型ゼオライトは、貴金属ではHCの酸化浄化が発現しないような低温においてHCを吸着・吸蔵する能力を有し、高温で吸着・吸蔵していたHCを放出する機能を有する。そのため、エンジンの始動時、排気ガスが十分温まっていない状態で排気ガス中に含まれるHCを系外にそのまま放出することなく、触媒内に取り込む方法として非常に有効である。
プロトン置換β型ゼオライト量が少なすぎると、低温時でのHCの吸着・吸蔵が十分でなく、系外にHCが排出されてしまうことがある。プロトン置換β型ゼオライト量が多すぎると、一体構造型担体(ハニカム)における触媒層が厚くなり、ハニカムの通孔断面を狭くしてしまい、背圧の上昇を招き、内燃機関に使用すると内燃機関の出力低下を招くことがある。
(2)貴金属成分
ロジウム成分は、セリア系酸化物に担持される。ロジウム成分は、金属ロジウムの形態で存在していてもよいが、後述する製造工程中の焼成や、排気ガスの浄化過程において酸化され、一部が酸化ロジウムとして含まれていてもよい。
ロジウムは高活性の活性種であるため、粒子径が小さく分散状態が良ければ、少量でも高い活性を発揮することができる。しかし、ロジウムは資源量も少なく高価なため、高い分散状態を保つことが望まれ、そのため本実施形態では、NOx及び反応性のHC成分に直接曝される上層にロジウム成分を使用している。
ロジウム成分の量は、特に制限されないが、金属ロジウム換算で、一体構造型担体の単位体積あたり、0.1〜2.0g/Lが好ましく、0.2〜1.5g/Lがより好ましい。
ロジウム成分が多すぎると、調製時に母材上のロジウム粒子が巨大化することや、母材上のロジウム粒子間の距離が短くなることで高温時にロジウム粒子同士が移動して粒子成長が起こり易くなることで単位重量当りの表面積が小さくなり、そのため、NOxの浄化作用が十分に発揮されない場合がある。逆に、ロジウム成分が少なすぎると、ロジウムの表面積の絶対値が小さくなり、NOxの浄化作用が十分に発揮されない場合がある。
また、上層には、必要に応じて、パラジウムを担持したセリア系酸化物を含有することができる。上層にパラジウムを担持したセリア系酸化物を含有すると、COを低温時や早期に燃焼できることがあるため好ましい場合がある。パラジウムは金属の形態でもよいが、白金との合金として存在することができる。また、当初金属パラジウムの形態で存在していても、後述する製造工程中の焼成や、排気ガスの浄化過程において酸化され、一部が酸化物となっていてもよい。また、パラジウムが白金との合金となっていると白金成分の高温での揮発を抑制できる場合がある。
パラジウム成分の量は、特に制限されないが、金属パラジウム換算で、一体構造型担体の単位体積あたり、0.1〜2.0g/Lが好ましく、0.2〜1.5g/Lが好ましい。パラジウム成分が多すぎると還元剤であるHCやCOのOによる酸化浄化反応が進み過ぎてNOxを還元浄化するHC、COを消費してしまう場合があり、少なすぎると有害成分であるHCやCOのOによる酸化浄化作用が十分に発揮されない場合がある。
また、上層には、必要に応じて、白金を担持した無機酸化物を含有することができる。白金を担持した無機酸化物としては、白金担持アルミナ、白金パラジウム担持アルミナ等が挙げられるが、これらに特に限定されない。白金担持無機酸化物を含有させると、COを低温時や早期に燃焼できることがあるため好ましい場合がある。白金は金属の形態でもよいが、パラジウムとの合金として存在することができる。また、当初金属白金の形態で存在していても、後述する製造工程中の焼成や、排気ガスの浄化過程において酸化され、一部が酸化物となっていてもよい。白金がパラジウムとの合金となっていると白金成分の高温での揮発を抑制できる場合がある。
無機酸化物に担持される白金成分の量は、特に制限されるわけではないが、金属白金換算でハニカム型構造体の単位体積あたり、0.01〜10g/Lとすることができ、0.05〜5g/Lが好ましい。
触媒層中のロジウム成分とパラジウム成分との比率(またはロジウム成分と白金成分及びパラジウム成分との比率)は、特に限定されないが、実際の脱硝性能から判断すると、それぞれの金属換算の重量比で1:2〜1:30であることが好ましく、1:3〜1:20であることがより好ましい。また、ロジウム成分と白金成分及びパラジウム成分との比率は、1:5〜1:15であることがさらに好ましい。本実施形態のリーンバーン用触媒は、ロジウム成分と白金成分の貴金属成分2種の働きでNOxを浄化するものであり、さらに必要に応じてパラジウム成分を加えた貴金属成分3種の働きでNOx浄化性能をさらに高めるものであるが、このような組成範囲であれば、優れたNOxの浄化性能が発揮される。
(3)セリア系酸化物
本実施形態の貴金属成分であるロジウム成分、パラジウム成分や白金成分等は、耐熱性無機酸化物に担持される。これらの貴金属成分の活性は、その表面積の大きさに依存するところが大きく、触媒組成物中では微粒子状に安定して分散していることが望ましい。そのため、高温時にも安定して高い分散状態を保つ観点から、これらの貴金属成分は、高表面積を有するセリア系酸化物又はアルミナに担持されていることが好ましい。
排気ガス中のHCやCOは、パラジウムや白金によって酸化されうるが、酸素濃度が低いときにはHC、COの酸化が起こり難い。このようなとき、排気ガス中の酸素の代わりに酸素吸蔵・放出材料(OSC)から供給される酸素でHC、COが酸化除去され、排気ガスの浄化を促進する働きをする。このような作用は酸化還元反応であるともいえ、酸素の供給、吸蔵の速度が速いOSCを使うと、HC、COの酸化除去能力に優れた触媒が得られやすい。
酸素の吸蔵、放出の速度が大きい代表的なOSCとして、セリア、セリアとジルコニアとの複合酸化物(CZ)が挙げられる。セリアは、酸素の吸蔵、放出の速度が大きいので最適であり、セリアがジルコニアとの複合酸化物になると結晶構造が熱的にも酸化還元においても安定で、セリアの働きを阻害せず、粒子の内部までOSCとしての働きに利用できる。
なお、本実施形態において、セリア系酸化物は、セリウムを主成分とする酸化物であるが、ジルコニアを含んでいてもよい。例えばセリア(CeO)は、OSCとして機能し、酸素の放出に伴いCeOからCeに変化し、酸素の吸蔵に伴いCeからCeOに変化する。
セリアの中でも、耐熱性に優れ、長期間の使用において活性種を高分散に保つために高比表面積のものが好ましい。BET法にて測定されるBET比表面積が20〜250m/gであることが好ましく、30〜200m/gであることがより好ましく、50〜170m/gであることがさらに好ましい。
さらに、セリウム成分の量がジルコニウム成分の量に比べて多いセリア−ジルコニア系複合酸化物も使用することもできる。このとき、例えば耐熱性を向上させるために、セリア系複合酸化物は、酸化ランタンを2〜20重量%、及び酸化ネオジムを2〜20重量%含有していてもよい。耐熱性を向上させるために、酸化カルシウム、セリア、ジルコニア、酸化マグネシウム、酸化イットリウムなどの添加物、さらには酸化ランタン、酸化ネオジムなどを添加してもよい。
ロジウムの母材としてセリア系酸化物を用いることで、Richスパイク時のNOx還元を促進することができる。
上層におけるセリア系酸化物の含有量は、特に限定されないが、一体構造型担体の単位体積あたり、20〜150g/Lが好ましく、30〜120g/Lがより好ましい。
セリア系酸化物の量が少なすぎると、担持する貴金属粒子、例えばロジウム粒子間の距離が近くなり、分散状態が悪くなるか、ロジウム粒子同士が焼結して粒子径が大きくなり、ロジウムの表面積が小さくなって活性が低下してしまうことがある。一方、多すぎると一体構造型担体における触媒層が厚くなり、ハニカムの通孔断面を狭くしてしまい、背圧の上昇を招き、内燃機関に使用すると内燃機関の出力低下を招くことがある。
B 下層
本実施形態のリーンバーン用触媒は、下層にNOx貯蔵成分と、無機酸化物に担持された白金を少なくとも含有する。NOx貯蔵成分としては、アルカリ土類金属化合物とセリア系酸化物が含まれるのが好ましい。なお、特にことわりの無いかぎり、以下の下層に関する記載中の触媒成分の量は下層中の成分量を表す。
(1)アルカリ土類金属
本実施形態のリーンバーン用触媒は、NOx吸蔵成分を含んでいる。NOx吸蔵成分としては、アルカリ土類金属化合物が好適に用いられる。ここで、アルカリ土類金属元素としては、Be,Mg,Ca,Sr、Ba、Raが挙げられ、これらの中でもBa及びMgが好ましく、より好ましくはBaである。下層のNOx貯蔵成分として、例えばBa成分のみ、あるいはBaとMg成分とを含有することができる。
Ba成分に代表されるNOx吸蔵成分は、排気ガス中のNOxを吸着する機能がある。例えば原料として酢酸Baを用いると、その後の焼成でBaOに変化する。BaOは排ガス中のCO(約4〜8%)と反応しBaCOとなる。BaCOは、排気ガス中のNOx濃度が高くなると、BaCOがNOxと反応し、Ba(NOになる。このようなNOxとの反応は、NOxの吸着、あるいはNOxの吸蔵といわれている。
一般にNOxは、エンジンに供給される燃料が、空気の量よりも相対的に少ないとき多量に発生する。Ba成分は、このようにして発生するNOxを一時的に吸収するものである。Ba成分に吸着されたNOxは、排気ガス中のNOxの濃度が低くなり、CO濃度が高くなるとBa成分から排出される。これは、前述したBa(NOがCOと反応し、BaCOになるものである。
Ba成分から放出されたNOxは、主としてロジウム成分上で、HCや他の還元成分と反応して還元浄化される。このようなBa成分によるNOxの吸蔵放出は、Ba成分の化学平衡によるものともいえる。
Ba成分の炭酸バリウムは、酸素が多い(Lean)状態では、NOxは硝酸バリウムになることでBa成分に吸蔵され、酸素が少ない(Rich)状態で、硝酸バリウムが炭酸バリウムに変わることにより吸蔵したNOxを放出する。このように放出されたNOxは、還元剤のHC、CO、またスチームリフォーミング反応によって発生した水素を利用し、上層のロジウム成分により浄化される。
また、炭酸バリウム、炭酸マグネシウムはともに水に対して難溶性であるため、スラリー化の際にバリウムやマグネシウムが水溶液中に溶け出すことはない(硫酸バリウムは水に難溶性であるが、硫酸マグネシウムは水に可溶性であるため、スラリー化の際にマグネシウムが水に溶け出してしまう)。
上述した炭酸バリウムや炭酸マグネシウムは、それぞれ単独で、あるいは後述する無機酸化物、例えばアルミナ、セリア−アルミナなどに担持して使用することができる。炭酸バリウムや炭酸マグネシウムを無機酸化物に担持させると、白金−セリアの相乗効果(白金のNO酸化活性をセリアが促進させる)により、NOから酸化されたNOが炭酸バリウム、炭酸マグネシウムに素早く吸着し、性能が向上することがある。
バリウムは、酸化バリウムとして、一体構造型担体の単位体積当たり、10〜80g/L含有することが好ましく、20〜70g/Lがより好ましい。この範囲より少ないとNOxを十分に捕集できなくなる場合がある。一方、この範囲より多いとバリウムが凝集し易くなり、NOxと接触する表面積の低下に伴うNOx吸蔵性能の低下が懸念される。
また、必要に応じて、マグネシウムを、炭酸マグネシウムとして、一体構造型担体の単位体積当たり、5g/L〜20g/L含有させることもできる。
(2)セリア系酸化物
本実施形態において、下層に含まれうるセリア系酸化物は、セリウムを主成分とする酸化物であるが、ジルコニアを含んでいてもよい。例えばセリア(CeO)は、OSCとして機能し、酸素の放出に伴いCeOからCeに変化し、酸素の吸蔵に伴いCeからCeOに変化する。
また、下層に含まれうるセリアは、OSCとして機能するだけでなく、NOx吸着材としても機能し、Ba成分と比べると低温でNOxを吸着する性質がある。CeOは低温でもNO,NOのいずれとも、吸着(化学吸着)し、NOは200℃程度まで、NOは350℃程度まで保持することができる。一方、Ba成分もNOxを吸蔵するが、NOを硝酸塩として吸蔵する化学反応なので、250℃以上の温度が好ましい。このようなBa成分とセリアを併用すれば、広い温度域で優れたNOxの浄化性能が発揮される。
セリアの中でも、耐熱性に優れ、長期間の使用において活性種を高分散に保つために、高比表面積のものが好ましい。そのため、BET法にて測定されるBET比表面積が50〜250m/gであることが好ましく、80〜200m/gであることがより好ましく、100〜180m/gであることがさらに好ましい。
セリアは、セリア単独で使用することができるが、ジルコニアやアルミナに担持したり、それらと固溶したりして使用することもできる。セリアはその酸素の吸蔵・放出能力により、母材に担持されたパラジウムによるHC、COの酸化性能を支援する。セリア成分が多すぎると、還元剤であるHCやCOのOによる酸化浄化反応を促進してNOxの還元浄化するHC、COの欠乏を招いたり、熱でセリアが凝集し易くなることにより表面積の低下が懸念される。また、セリア成分が少なすぎると、HCやCOのOによる酸化浄化作用が十分に発揮されない場合がある。
さらに、セリウム成分の量がジルコニウム成分の量に比べて多いセリア−ジルコニア系複合酸化物を使用することもできる。このとき、例えば耐熱性を向上させるために、酸化ランタンを2〜20重量%、及び酸化ネオジムを10〜30重量%含有するセリア−ジルコニア系複合酸化物を用いることもできる。さらには酸化カルシウム、セリア、ジルコニア、酸化マグネシウム、酸化イットリウムなどの添加物などを添加してもよい。
セリウム成分として添加物を実質的に含まないセリアを用いたほうが、添加物を含むものよりもNOx貯蔵機能が良くなる場合がある。
下層のセリア系酸化物の含有量は、特に限定されないが、一体構造型担体の単位体積あたり、50〜200g/Lであることが好ましく、80〜150g/Lがより好ましい。
(3)白金など貴金属成分
また、下層は、無機酸化物上に担持された白金を含有する。白金は、単独でもよいがパラジウムとの合金として存在していてもよい。また、当初金属白金の形態で存在していても、後述する製造工程中の焼成や、排気ガスの浄化過程において酸化され、一部が酸化物となっていてもよい。
下層中の白金成分の含有量は、特に限定されないが、金属白金換算で、一体構造型担体の単位体積あたり、1.0〜8.0g/Lが好ましく、1.2〜6.5g/Lがより好ましく、1.5〜5.5g/Lがさらに好ましい。
貴金属成分の活性は、その表面積の大きさに依存するところが大きく、触媒組成物中では微粒子状に安定して分散していることが望ましい。そのため、高温時にも安定して高い分散状態を保つ観点から、これらの貴金属成分は、高表面積を有する耐熱性の無機酸化物に担持されていることが好ましい。
なお、貴金属触媒成分として、白金、パラジウムを挙げたが、補助的に遷移金属、希土類金属や、他の貴金属などを併用してもよい。具体的には、鉄、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、銅などの遷移金属、セリウム、ランタン、プラセオジム、ネオジウムなどの希土類金属、金、銀、イリジウム等の貴金属から一種以上を適宜選択できる。
白金成分やパラジウム成分は、金属であってもよいが、後述する製造工程中の焼成や、排気ガスの浄化過程において酸化され、その一部が酸化物となったものでもよい。無機酸化物に担持される白金成分の量は、特に制限されるわけではないが、金属白金換算でハニカム型構造体の単位体積あたり、0.01〜10g/Lとすることができ、0.05〜5g/Lが好ましい。また、無機酸化物に担持されるパラジウム成分の量も、特に制限されるわけではないが、金属パラジウム換算でハニカム構造体の単位体積あたり、0.1〜5g/Lとすることができ、0.5〜3g/Lが好ましい。
白金成分やパラジウム成分が多すぎると、還元剤であるHCやCOのOによる酸化浄化反応を促進してNOxの還元浄化するためのHC、COの欠乏を招きうる。また、白金成分やパラジウム成分が少なすぎると、NOのNOへの酸化作用が充分に発揮されない場合がある。
(4)無機酸化物
本実施形態において、下層中の無機酸化物は、白金成分やパラジウム成分の担体として機能する。ここで用いることのできる無機酸化物としては、アルミナ、セリア、ジルコニア、シリカ、シリカアルミナなどが挙げられるが、これらに特に限定されない。これらの中でも、アルミナが好ましい。
白金成分やパラジウム成分をアルミナ上に担持して高分散させると、COやHCの酸化機能がより高く発揮される傾向にあるため好ましい。また、高温時に、白金成分やパラジウム成分がアルミナ上を移動して粒子成長してしまわない状態で担持される傾向にあるため、かかる観点からも好ましい。
アルミナとしては、γ−アルミナ、δ−アルミナ、θ−アルミナ、α−アルミナなどがあげられるが、表面積の劣るα−アルミナを除く、γ−アルミナ、δ−アルミナ、θ−アルミナの使用が好ましい。なかでも、γ−アルミナはその他のアルミナに比べ1000℃以上での耐久性は劣るものの、1000℃以下で使用されるリーンバーン用触媒としては十分な耐熱性を有する上に、表面積がこれらすべてのアルミナの中で最も高いため、白金成分やパラジウム成分を担持させる母材として特に好ましい。
アルミナのBET比表面積は、特に限定されないが、50〜250m/gであることが好ましく、100〜200m/gであることがより好ましい。この様な表面積を有するアルミナを用いれば、高温時でも高い表面積を維持できるだけでなく、貴金属成分である白金やパラジウムを高分散状態で安定化することができる。
また、アルミナは高温時での表面積を維持するため、酸化ランタン、セリア、バリウム、シリカなどが添加されたものでもよい。なお、酸化ランタンを添加する場合は、耐熱性を考慮して過剰量としないようにする。
前記の通り、白金は単独でもよいが、パラジウムとの合金となっていてもよい。合金化することで白金成分の高温での揮発を抑制できる場合がある。また、白金はパラジウムに対して一体構造型担体の別の母材上に存在してもよい。白金がパラジウムと同一母材上に存在すると一部が合金化し、合金化された両金属は互いの活性を打ち消しあって活性が低下する場合があるため、白金成分とパラジウム成分をそれぞれ異なる母材上に配置することで、それぞれの特性に合った活性を発揮できることがある。
なお、十分な密着強度が得られる限り、触媒層はバインダーを特に必要としないが、必要に応じて、触媒層にさらにバインダー成分を添加してもよい。これは上記のような成分のみであると、使用条件によっては後述するハニカム型構造体と触媒層との結合、または触媒層間の結合が弱くなってしまう場合も考えられるためである。
バインダー成分としては、例えばアルミナゾル、シリカゾル、ジルコニアゾル、チタニアゾル等の種々のゾルを使用できる。また、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、硝酸ジルコニウム、酢酸ジルコニウム等の可溶性の塩も使用できる。
3 一体構造型担体
本実施形態で用いる一体構造型担体(ハニカム型構造体ともいう)は、上記触媒成分を担持する材料であって、一方の端面から他方の端面へ向かって伸びる多数の通孔を有しており、これらが集まってハニカム形状を形成している。
また、ハニカム型構造体には、その構造の特徴から、フロースルー型とウォールフロー型が知られている。ウォールフロー型のハニカム型構造体は、排気ガス中の煤やSOF等、固形成分を濾し取るために用いられ、主としてDiesel Particulate Filter(DPF)に用いられている。このウォールフロー型のハニカム型構造体は、多孔質の壁からなる通孔の一端が互い違いに封止されているもので、煤等の粒子状成分を濾し取るフィルターとしての働きを有する。
これに対し、フロースルー型のハニカム型構造体は、一方の開放端面から他方の開口端面に向けて開口する多数の通孔を有する構造を有しており、酸化触媒、還元触媒、三元触媒(TWC)に広く用いられている。本実施形態では、フロースルー型のハニカム型構造体を使用することが望ましい。
フロースルー型のハニカム型構造体のようなハニカム形状の担体では、その構造的特徴がセル密度であらわされる。本実施形態で用いるハニカム型構造体としては、セル密度100〜1500cell/inch(155k〜2325k/m)のフロースルー型のハニカム型構造体が好ましく、より好ましくは200〜900cell/inch(310k〜1400k/m)である。セル密度が100cell/inch(155k/m)以上であれば、浄化に必要な排気ガスと触媒の接触面積を確保することができ、構造上の強度にも優れた排気ガスの浄化性能が得られ易く、セル密度が1500cell/inch(2325k/m)以下であれば内燃機関の排気ガスの圧力を大きく損失させないため内燃機関の性能を損なうことがなく、排気ガスと触媒の接触面積も十分に確保することができる。特に、本実施形態のリーンバーン用触媒では、300〜900cell/inch(465k〜1400k/m)のフロースルー型のハニカム型構造体が、圧力損失の抑制の点から特に好ましく用いられる。
また、前記必須構成成分は、一体構造型担体の単位体積あたり、以下の重量で使用されることが好ましい。触媒組成物の総担持量(総塗工量)は、200〜570g/Lが好ましく、より好ましくは230〜540g/Lである。一体構造型担体の単位体積あたり、触媒組成物の総担持量が570g/Lを超えると、通常使用されるハニカム構造体では触媒成分を担持(塗工)する際に目詰まりを起こし易く、十分な機能が得られない場合があり、200g/Lを下回ると無機酸化物の量が少なくなりすぎて活性が得られるだけの量の触媒活性種を安定に分散させることができず、必要な耐久性が得られない場合がある。
また、触媒層中のセリア系酸化物の総含有量は、すべての層の合計で、一体構造型担体の単位体積あたり、70g/L以上が好ましく、110g/L以上がより好ましく、140g/L以上がさらに好ましい。
4 リーンバーン用触媒の調製
本実施形態のリーンバーン用触媒は、上記触媒成分を含む触媒組成物スラリーと一体構造型担体とを用意して、一体構造型担体に所定の触媒成分を層状に塗り分けることで製造することができる。具体的には、触媒組成物スラリーを、公知のウォッシュコート法によってハニカム型構造体に担持(塗工)し、ハニカム構造型触媒とする。
本実施形態の各構成成分であるNOx貯蔵成分と、アルミナなどの無機酸化物に担持された白金、プロトン置換β型ゼオライトと、ロジウムを担持したセリア系酸化物は公知の方法によって製造できる。
先ず、下層の触媒材料を用意してスラリー化する。
白金、および必要に応じてパラジウムを担持した無機酸化物を製造するには、含浸法、イオン交換法、混練法など公知の方法により行うことができるが、その一例を示すと以下のとおりである。
貴金属成分原料として、白金やパラジウムの硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩等の化合物を用いることができる。
また、白金成分原料としては、白金の硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩等の化合物を用意する。具体的には、水酸化白金(IV)酸のエタノールアミン溶液、テトラアンミン白金(II)酢酸塩、テトラアンミン白金(II)炭酸塩、テトラアンミン白金(II)硝酸塩、水酸化白金(IV)酸の硝酸溶液、硝酸白金、ジニトロジアミン白金硝酸、塩化白金(IV)酸などが挙げられる。パラジウム成分原料としては、テトラアンミンパラジウム(II)酢酸塩、テトラアンミンパラジウム(II)炭酸塩、テトラアンミンパラジウム(II)硝酸塩、ジニトロジアンミンパラジウム、硝酸パラジウム、塩化パラジウムなどが挙げられる。このほか、銀、銀塩を用いることもできる。
これらは水、有機溶媒に溶解して貴金属成分原料の溶液とする。なお、水または水に水溶性有機溶媒を加えた溶媒については以下「水系媒体」という。
次に、この貴金属成分原料の溶液を、水系媒体と共に、NOx貯蔵成分のセリア系酸化物、Ba成分やMg成分や、アルミナ等の無機酸化物などと混合する。
Ba成分は、ハニカム構造型触媒中では酸化バリウムとして存在しうるが、触媒組成物スラリーを製造するにあたっては、バリウム化合物を微粉砕した後、単独で、あるいは母材に担持することができる。バリウムを高分散させる観点からは、可溶性の塩の形で添加することが好ましい。可溶性の塩としては、炭酸バリウム、塩化バリウム、水酸化バリウム、酢酸バリウム、硝酸バリウム等が挙げられる。
Mg成分もハニカム構造型触媒中では酸化マグネシウムとして存在しうるが、触媒組成物スラリーを製造するにあたっては、炭酸マグネシウム、塩化マグネシウム、酢酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム等の塩を使用することができる。
Ba成分及びMg成分は、上記の塩の中から各々1種類以上を選択できる。その際、Ba成分とMg成分の各々の出発塩の水溶液の性質(酸性、アルカリ性)を合わせた方が、母材上でより微細な粒子が得られるので好ましい。
この際、必要に応じてpH調整のための酸またはアルカリを配合することができる。また、粘性の調整やスラリー分散性を向上するための界面活性剤や分散用樹脂等を配合することもできる。
ここで、貴金属成分と無機酸化物を含む触媒母材の混合方法としては、ボールミルなどによる粉砕混合が適用可能であるが、他の粉砕、もしくは混合方法を適用してもよい。粉砕の条件は、触媒母材の粒径が0.1〜50μmとなるようにすることが好ましい。このように粉砕混合した触媒母材は後述するウォッシュコート法をもってハニカム型構造体に塗工するが、必要に応じて成形してから200〜650℃で焼成して焼成触媒組成物に加工してもよい。このような焼成触媒組成物の焼成温度は、220〜630℃が好ましく、250〜600℃がより好ましい。加熱手段については、電気炉やガス炉等の公知の加熱手段によって行うことができる。
なお、本触媒には前記必須成分以外の、母材、バインダー等として公知の触媒材料を配合してもよい。このような公知の触媒材料としては、チタニア、ジルコニア、ゼオライト、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、アルカリ金属材料、アルカリ土類金属材料、遷移金属材料、希土類金属材料等が挙げられるが、これらに特に限定されない。この場合においても、必要に応じて分散剤やpH調整剤を併せて使用することができる。
ウォッシュコート法では、ハニカム型構造体に触媒組成物を塗工した後、乾燥、焼成を行うことにより、触媒組成物が担持(塗工)されたハニカム構造型触媒を得る。触媒組成物スラリーは、塗工に適した粘度として使用する。粘度は、B型粘度計での測定値が5〜2000mPa・sが好ましく、10〜1000mPa・sであることがより好ましい。
2000mPa・sを超える触媒組成物スラリーでは、ウォッシュコート法によってハニカム型構造体に担持(塗工)しようとしても、高粘度のためハニカム構造体内部全体にコーティングできないことがある。このような高粘度のスラリーの粘度を下げるには水分量を増やす必要があるが、水分量を増やしたスラリーでは、一度のウォッシュコートで担持できる触媒の量が少なくなり、一種類の触媒組成物層の形成に必要な触媒量を担持するために複数回のウォッシュコートが必要になる。複数回のウォッシュコートを行うことは、生産効率上好ましいものではない。
次に、上層の材料を用意する。ロジウムを担持したセリア系酸化物は、ロジウムの硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩等の化合物を用意し、セリア系酸化物である酸化セリウムに含浸法、イオン交換法、混練法など公知の方法により行うことができる。具体的には、ロジウム成分原料としては、硫酸ロジウム、酢酸ロジウム、硝酸ロジウム、塩化ロジウムなどが挙げられる。パラジウム成分も同様に、セリア系酸化物である酸化セリウムに含浸法、イオン交換法、混練法など公知の方法により行うことができる。パラジウムを担持したセリア系酸化物を用いる場合も同様である。
これに、プロトン置換β型ゼオライトを混合し、必要に応じてpH調整のための酸、アルカリを、粘性の調整やスラリー分散性を向上するための界面活性剤、分散用樹脂等を配合する。前記と同様、混合方法としては、ボールミルなどによる粉砕混合が適用可能であるが、他の粉砕、もしくは混合方法を適用してもよい。粉砕の条件は、触媒母材の粒径が0.1〜50μmとなるようにすることが好ましい。最後に、触媒母材の混合物を必要により成形してから200〜650℃で焼成して触媒組成物にする。焼成温度は、220〜630℃が好ましく、250〜600℃がより好ましい。
触媒を多層に担持する場合、このウォッシュコート法を2回以上繰り返すことができる。乾燥工程前の塗工を2回以上繰り返してもよく、乾燥工程までを2回以上繰り返してもよい。
5 排気ガス浄化方法
本実施形態のリーンバーン用触媒は、例えば自動車等の排気ガス流れの中に配置して使用することができる。排気ガス流れの中において、リーンバーン用触媒を単独で配置してもよいが、複数個配置してもよく、異なる作用の触媒と併用してもよい。
また複数個の触媒を使用する場合、それらの触媒は隣接して配置してもよく、例えばエンジン直下とシャーシの床下にそれぞれ配置してもよい。このとき、本実施形態のリーンバーン用触媒は、エンジン直下とシャーシの床下、そのいずれかに使用すればよく、また、双方に使用してもよい。
本実施形態のリーンバーン用触媒は、図1に示すように、触媒の上層にプロトン置換β型ゼオライトと、ロジウムを担持したセリア系酸化物を含有し、下層にNOx貯蔵成分と、無機酸化物(母材)に担持された白金とパラジウムとを含有する。また、上層には、パラジウムがセリア系酸化物に担持して含有されている。
そのため本実施形態のリーンバーン用触媒をディーゼルエンジン排気ガスの浄化に使用すれば、図1に示すように、希薄燃焼により排出されたリーン(希薄雰囲気:噴霧燃料に対する理論酸素量と比べ過剰に酸素がある状態。)雰囲気において、上層では、COがセリア系酸化物に担持されたパラジウムと接触してCOに酸化され、下層でもパラジウムや白金がCOを酸化し、NOx貯蔵成分がNOxを吸蔵させる。
そして燃料過剰噴霧でリッチ(燃料過剰雰囲気)になるよう燃料供給を行うと、一時的に酸素の低い雰囲気が実現し、吸蔵されていたNOxが脱離して上層のロジウム成分と接触し、プロトン置換β型ゼオライトに吸着していた燃料(HC)によって還元される。このような燃料の供給手段は特に限定されないが、パルス状の噴霧により行われることがある。
ここで、プロトン置換β型ゼオライトは、上層で高温でも非常に安定した性能を発揮し、BaなどのNOx吸蔵材は、下層でリーン時にNOxを吸蔵しリッチ時にNOを放出するので、ともに脱硝における重要な活性種として働く。
以下、本発明の実施例、比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定して解釈されるものではない。すなわち、以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜変更することができる。また、以下の実施例における各種の製造条件や評価結果の値は、本発明の実施態様における好ましい上限値又は好ましい下限値としての意味をもつものであり、好ましい範囲は前記した上限又は下限の値と、下記実施例の値又は実施例同士の値との組み合わせで規定される範囲であってもよい。 なお、酸化性能(ライトオフ)測定、NOx吸蔵評価は、次の要領で行った。
<酸化性能(ライトオフ)測定方法>
調製された触媒をダイアモンドカッターでモデルガス評価用触媒の大きさ(25.4mm径×50mm長さ)に切り出した後、800℃、6時間の電気炉による熱処理を実施し、モデルガス評価装置にて、下記の条件でライトオフ試験を実施した。
モデルガス評価用触媒をモデルガス評価装置のホルダーに装着した後、表5に示すガス成分をGHSV(Gas Hourly Space Velocity:気体時空間速度、触媒単位体積当たりの反応ガスの流入速度)50,000/hrで流しながら、室温から400℃まで30℃/分の速度で昇温させる。その際、CO、又はHCの酸化率が各々の数値に達した際の触媒の触媒入口ガス温度を計測した。なお、COT50は、COの50%が酸化された時の触媒の触媒床温度、HCT50は、HCの50%が酸化された時の触媒の触媒床温度である。
<NOx吸蔵評価>
調製された触媒をダイアモンドカッターでモデルガス評価用触媒の大きさ(25.4mm径×50mm長さ)に切り出した後、750℃、52時間の電気炉による熱処理を実施し、モデルガス評価装置にて、下記の条件でNOx吸蔵試験を実施した。
モデルガス評価用触媒をモデルガス評価装置のホルダーに装着した後、表6に示すガス成分をGHSV(Gas Hourly Space Velocity:気体時空間速度、触媒単位体積当たりの反応ガスの流入速度)72,000/hrで流しながら評価を行った。
窒素気流中でガス温度を200℃まで昇温し、表6に示すガス<1>で2分流通した後に、表6に示すガス<2>に切り替え10分間流通させた。この際にNOxの排出量を分析し、ガス<2>に切り替え後120秒までの、NOxの入れ込み量に対してのNOxの排出量の差分を触媒に吸蔵されたNOx量であると定義し、200℃における触媒のNOx吸蔵量を下記の式(2)で算出した。
[NOx吸蔵能(%)]={[NOxガス入れ込み量(ガス<2>切り替え後120秒)までの積算)]−[NOx排出量(ガス<2>切り替え後120秒までの積算)]}÷
[NOxガス入れ込み量(ガス<2>切り替え後120秒)までの積算)]・・・(2)
その後、表6に示すガス<1>に切り替え2分流通させた後に、250℃まで昇温し、温度が安定した後に表6に示すガス<2>に切り替え10分間流通して、上記と同様に120秒までのNOx吸蔵能を評価した。以下、ガス温度300、350、400、450℃におけるNOx能を同様の手法で測定を行った。
(実施例1)
=下層=
貴金属成分原料としての塩化白金水溶液及び硝酸パラジウム溶液を、母材としてのγ−アルミナ粉末(BET値:140m/g)に含浸担持させ、白金パラジウム担持アルミナ粉末(金属白金換算:3.4wt%、金属パラジウム換算:1.1wt%)を得た。攪拌された水に酸化セリウム粉末(BET=150m/g)、酢酸バリウム、白金パラジウム担持アルミナ粉末を所定量計量後に添加し、湿式ミリング法によりミリングしてスラリーを得た。
このスラリーをウォッシュコート法でハニカムフロースルー型コージェライト担体(セル密度:400cel/inch(約620k/m)、壁厚:4.5mil(約0.14mm)、六角セル、長さ:76.2mm、直径:25.4mm)に所定担持量まで担持(塗工)し、200℃で30分乾燥させた後、大気雰囲気下、500℃で1時間焼成した。
=上層=
貴金属成分原料としての硝酸ロジウム溶液を、母材としての酸化セリウム粉末(BET=150m/g)に含浸担持させ、ロジウム担持酸化セリウム粉末(金属ロジウム換算:3.0wt%)を得た。同様に貴金属成分原料としての硝酸パラジウム溶液を、母材としての酸化セリウム粉末(BET=150m/g)に含浸担持させ、パラジウム担持酸化セリウム粉末(金属パラジウム換算:0.9wt%)を得た。攪拌された水に所定量のプロトン置換β型ゼオライト(H−BEA型ゼオライト、BET値:700m/g、SAR:25)、パラジウム担持酸化セリウム粉末、ロジウム担持酸化セリウム粉末を混合し、湿式ミリング法によりミリングしてスラリーを得た。
このスラリーをウォッシュコート法で先の下層が担持されたハニカムフロースルー型コージェライト担体に所定担持量(H−BEA型ゼオライト:40g/L)となるよう担持(塗工)し、200℃で30分乾燥させた後、大気雰囲気下、500℃で1時間焼成した。
このようにして得られた触媒組成を表1に記す。なお、表1中の数値は、ハニカムフロースルー型コージェライト担体の単位体積あたりの触媒担持量(g/L)であり、貴金属(白金・パラジウム・ロジウム)は金属換算の成分の重量である。
次に、得られた触媒から前記の要領でモデルガス評価用触媒にした後、800℃、6時間の電気炉による熱処理を実施し、モデルガス評価装置にて、前記の条件でライトオフ試験を実施した。この触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3,4に示す。
また、得られた触媒からモデルガス評価用触媒に切り出した後、750℃、52時間の電気炉による熱処理を実施し、モデルガス評価装置にて、前記の条件でNOx吸蔵試験を実施した。触媒のNOx吸蔵能測定結果は表2、図2に示した。
Figure 0006912468
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(比較例1)
プロトン置換β型ゼオライトに代えてMFI型ゼオライトを用いる以外は、実施例1と同様にして比較例1の触媒を得た。この触媒の組成を表1に、また触媒のNOx吸蔵能測定結果を表2、図2に示す。
(比較例2)
プロトン置換β型ゼオライトに代えてCHA型ゼオライトを用いる以外は、実施例1と同様にして比較例1の触媒を得た。この触媒の組成を表1に、また触媒のNOx吸蔵能測定結果を表2、図2に示す。
(実施例2)
プロトン置換β型ゼオライトの担持量を20g/Lに変更する以外は、実施例1と同様にして実施例2の触媒を得た。この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
参考例1
プロトン置換β型ゼオライトの担持量を10g/Lに変更する以外は、実施例1と同様にして参考例1の触媒を得た。この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
(実施例4)
下層の白金パラジウム担持アルミナ粉末を金属白金換算:3.6wt%、金属パラジウム換算:1.2wt%として100g/L担持し、酸化セリウムの担持量を100g/Lとし、上層のロジウム担持酸化セリウム粉末を1.2wt%として50g/L担持する以外は、実施例1と同様にして実施例4の触媒を得た。この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
(実施例5)
=下層=
貴金属成分原料としての塩化白金水溶液及び硝酸パラジウム溶液を、母材としてのγ−アルミナ粉末(BET値:140m/g)に含浸担持させ、白金パラジウム担持アルミナ粉末(金属白金換算:2.8wt%、金属パラジウム換算:0.8wt%)を得た。同様に貴金属成分原料としての硝酸パラジウム溶液を、母材として酸化セリウム粉末(BET=150m/g)に含浸担持させ、パラジウム担持酸化セリウム粉末(金属パラジウム換算:0.4wt%)を得た。攪拌された水に酢酸バリウム、酸化マグネシウム、白金パラジウム担持アルミナ粉末、パラジウム担持酸化セリウム粉末を所定量計量後に添加し、湿式ミリング法によりミリングしてスラリーを得た。このスラリーを実施例1と同様にコート後、焼成した。
各成分の担持量は、白金パラジウム担持アルミナ粉末:80g/L,酸化セリウム粉末:135g/L,BaO:45g/L,MgO:15g/Lであった。
=上層=
貴金属成分原料としての硝酸ロジウム溶液を、母材としての酸化セリウム粉末(BET=150m/g)に含浸担持させ、ロジウム担持酸化セリウム粉末(金属ロジウム換算:1.2wt%)を得た。同様に貴金属成分原料としての塩化白金水溶液及び硝酸パラジウム溶液を、母材としてのγ−アルミナ粉末(BET値:140m/g)に含浸担持させ、白金パラジウム担持アルミナ粉末(金属白金換算:3.5wt%、金属パラジウム換算:1.5wt%)を得た。攪拌された水に所定量のプロトン置換β型ゼオライト(BET値:700m/g、SAR:25)、ロジウム担持酸化セリウム粉末、白金パラジウム担持アルミナ粉末を混合し、湿式ミリング法によりミリングしてスラリーを得た。このスラリーを実施例1と同様に焼成した。
各成分の担持量は、白金パラジウム担持アルミナ粉末:40g/L,ロジウム担持酸化セリウム粉末:50g/L,ゼオライト:40g/Lであった。
この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
(実施例6)
下層のパラジウム担持酸化セリウム粉末を金属パラジウム換算:0.7wt%として90g/Lの担持量とし、下層の白金パラジウム担持アルミナ粉末を金属白金換算:2.5wt%、金属パラジウム換算:0.8wt%として144g/Lの担持量とし、上層のスラリー調製時に白金パラジウム担持アルミナ粉末の配合を省略する以外は、実施例5と同様にして実施例6の触媒を得た。
この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
(実施例7)
下層の白金パラジウム担持アルミナ粉末を金属白金換算:3.6wt%、金属パラジウム換算:1.2wt%として100g/Lの担持量とし、下層のパラジウム担持酸化セリウム粉末を金属パラジウム換算:0.4wt%として170g/Lの担持量とする以外は、実施例5と同様にして実施例7の触媒を得た。
この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
(比較例3)
上層のスラリー調製時にプロトン置換β型ゼオライトの配合を省略し、下層のスラリー調製時にプロトン置換β型ゼオライトを配合して15g/Lの担持量とする以外は、実施例5と同様にして比較例3の触媒を得た。この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
(比較例4)
上層のスラリー調製時にプロトン置換β型ゼオライトの配合を省略し、下層のスラリー調製時にプロトン置換β型ゼオライトを配合して40g/Lの担持量とする以外は、実施例5と同様にして比較例4の触媒を得た。この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
(比較例5)
上層のスラリー調製時にプロトン置換β型ゼオライトの配合を省略する以外は、実施例4と同様にして比較例5の触媒を得た。この触媒の組成を表3に、また触媒の酸化性能(ライトオフ)試験の結果を表4、図3、4に示す。
「評価」
以上の結果、図2から明らかなように、本発明の実施例1では、上層にBEAゼオライトを用いたことで、200〜450℃の広い範囲で優れたNOx吸蔵能を発揮した。
一方、比較例1、2では、ゼオライトを用いたがMFI型、またはCHA型であったために、NOx吸蔵能が低かった。
また、図3、4から明らかなように、実施例2、参考例1では、上層のBEAゼオライト量を減らしたことで、実施例1よりもCO酸化性能、HC酸化性能ともに低下したが、実用性に問題はなかった。実施例6では、下層のCeO2と白金パラジウム担持アルミナ量を減らしたことで、実施例1よりもCO酸化性能、HC酸化性能ともに低下したが実用性に問題はなかった。また、実施例1に対して、白金パラジウム担持アルミナやパラジウム担持CeO2の配置など、本発明の目的とする範囲内で層構成を変えた実施例5、6,7でも同様な結果が得られている。
一方、比較例1、2では、ゼオライトを用いたがMFI型、またはCHA型であったために、NOx吸蔵能が低かった。また、BEAゼオライトを下層に含む比較例3,4や、ゼオライトを含まない比較例5では、実施例1よりもCO酸化性能、HC酸化性能ともに大きく低下した。
このことから、本発明の触媒は、軽油を燃料としたディーゼル車から高温で排気されるNOx、CO,HCの浄化に優れた機能を発揮するといえる。
本発明のリーンバーン用触媒は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、またガスタービンなど、化石燃料を使用した燃焼機関から排出されるNOxを含む排気ガスの浄化に使用することができる。

Claims (9)

  1. 一体構造型担体と、前記一体構造型担体上に設けられ且つ少なくとも上層および下層の二層からなる、貴金属元素を含む触媒層と、を有する排気ガス浄化のためのリーンバーン用触媒において、
    前記触媒層は、前記上層にプロトン置換β型ゼオライトと、ロジウムを担持したセリア系酸化物とを少なくとも含有し、
    前記プロトン置換β型ゼオライトの含有量が、前記一体構造型担体の単位体積当たり、20〜70g/Lであり、
    前記下層にNOx貯蔵成分と、無機酸化物に担持された白金とを少なくとも含有し、
    前記触媒層中に含まれるセリア系酸化物の総含有量が、前記一体構造型担体の単位体積当たり、合計で70g/L以上であることを特徴する、
    リーンバーンエンジン用触媒。
  2. 前記NOx貯蔵成分が、BaOとCeO2とを含有することを特徴する
    請求項1に記載のリーンバーンエンジン用触媒。
  3. 前記下層の前記無機酸化物が、アルミナであることを特徴とする
    請求項1又は2に記載のリーンバーンエンジン用触媒。
  4. 前記下層が、白金とパラジウムを含有することを特徴とする
    請求項3に記載のリーンバーンエンジン用触媒。
  5. 前記ロジウムの含有量が、前記一体構造型担体の単位体積当たり、金属ロジウム換算で0.1〜2.0g/Lであることを特徴とする
    請求項1〜4のいずれか一項に記載のリーンバーンエンジン用触媒。
  6. 前記白金の含有量が、前記一体構造型担体の単位体積当たり、金属白金換算で1.0〜8.0g/Lであることを特徴とする
    請求項1〜5のいずれか一項に記載のリーンバーンエンジン用触媒。
  7. 前記排気ガスが、ディーゼル車から排出されることを特徴とする
    請求項1〜6のいずれか一項に記載のリーンバーンエンジン用触媒。
  8. 前記下層は、前記一体構造型担体の単位体積あたり50〜200g/Lのセリア系酸化物を含有する
    請求項1〜7のいずれか一項に記載のリーンバーンエンジン用触媒。
  9. 前記下層は、BET法にて測定されるBET比表面積が50〜250m2/gのセリアを含有する
    請求項1〜8のいずれか一項に記載のリーンバーンエンジン用触媒。
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