JP6976488B2 - 排ガス浄化用触媒組成物及び排ガス浄化用触媒 - Google Patents

排ガス浄化用触媒組成物及び排ガス浄化用触媒 Download PDF

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Description

本発明は、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を使用した排ガス浄化用触媒組成物及び排ガス浄化用触媒に関する。
自動車、バイク等の内燃機関から排出される排ガス中には、炭化水素(THC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)等の有害成分が含まれている。これらの有害成分を浄化して無害化する排ガス浄化用触媒として、THCを酸化して水及び二酸化炭素に、COを酸化して二酸化炭素に、NOxを還元して窒素に変換する触媒活性を有する三元触媒が使用されている。
排ガス中の酸素濃度の変動を緩和してTHC、CO、NOx等を効率よく浄化するために、排ガス浄化用触媒の構成材料として、酸素貯蔵能(OSC:Oxygen Storage Capacity)を有する材料、例えば、CeO−ZrO系複合酸化物が使用されている。
CeO−ZrO系複合酸化物には、蛍石型の他に、パイロクロア型が存在することが知られている(例えば、特許文献1〜2)。
パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物とは異なり、酸素が1原子分欠損した状態となっているとともに、Ce及びZrが規則的に交互に配列した構造となっていることから、酸素濃度変動に伴うCe⇔CeOのレドックス特性に優れている。すなわち、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、Oを比較的多く含む酸化性雰囲気では、Ceの価数が3価から4価に変化して酸素を吸収する一方、CO及びTHCを比較的多く含む還元性雰囲気では、Ceの価数が4価から3価に変化して酸素を放出することから、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を排ガス浄化用触媒の構成材料として使用することにより、触媒活性成分であるPt、Pd、Rh等の貴金属元素の近傍における排ガス組成の変動が緩和され、排ガスを効果的に浄化することができる。したがって、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、排ガス浄化用触媒の助触媒として有用である。
特開2015−093267号公報 特開2015−182932号公報
パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能のさらなる向上が求められている。特に、排ガス浄化用触媒は繰り返し高温環境に晒されることから、高温環境に晒された後のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能の向上が求められている。
そこで、本発明は、酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)が向上したパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を使用した排ガス浄化用触媒組成物及び排ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
本発明者らは、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物にY(イットリウム元素)及びMg(マグネシウム元素)を含有させることにより、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)を向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、Y及びMgを含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、触媒活性成分とを含有することを特徴とする。
また、本発明の排ガス浄化用触媒は、Y及びMgを含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、該パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持された触媒活性成分とを含有することを特徴とする。
本発明により、酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)が向上したパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を使用した排ガス浄化用触媒組成物及び排ガス浄化用触媒が提供される。
以下、本発明について詳細に説明する。
≪排ガス浄化用触媒組成物≫
本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、Y及びMgを含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物(以下「本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物」という。)と、触媒活性成分とを含有する。
<パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物>
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、パイロクロア型構造を有する結晶相(以下「パイロクロア相」という。)を含む。パイロクロア相の典型的な組成はCeZrである。パイロクロア相は、蛍石型構造を有する結晶相(以下「蛍石相」という。)よりも「−Ce−O−Zr−O−Ce−」の原子配列が規則的にならないと析出しない結晶相であり、配列規則性が高いためCeの価数変化がより活性化しやすいと考えられている。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物がパイロクロア相を含むことは、CuKαを使用した粉末X線回折法(XRD)により得られた回折パターンにおいて、2θ=14.8°付近(通常、2θ=13.7〜15.3°)にピークが存在し、このピークが2θ=29.3°付近(通常、2θ=28.8〜29.8°)に存在するメインピークの強度に対して、0.01以上の強度であることにより判断することができる。ここで「メインピーク」とは、最大強度のピークの意味である。回折パターンにおいて、2θ=28.8〜29.8°に存在するメインピークの強度Imに対する、2θ=13.7〜15.3°に存在するパイロクロア相を示すピークの強度Ipの比(Ip/Im)は、0.02以上であることが好ましい。ピーク強度比(Ip/Im)が0.02以上であれば、パイクロア相が好ましく存在していることを確認することができる。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、パイロクロア相の単相で構成されていてもよいし、パイロクロア相と1種又は2種以上の他の相とを含む混相で構成されていてもよいが、パイロクロア相の単相で構成されていることが好ましい。他の相は、結晶相であってもよいし、非晶質相であってもよい。他の相としては、例えば、蛍石相、製造原料由来の結晶相等が挙げられる。本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物が混相で構成されている場合、パイロクロア相が主相であることが好ましい。「主相」とは、CuKαを使用した粉末X線回折法(XRD)により得られたCeO−ZrO系複合酸化物の回折パターンにおいて、最大強度を有するピーク(メインピーク)が由来する結晶相を意味する。なお、主相がパイロクロア相であっても蛍石相であっても、メインピークは同じ回折角度(2θ=29.3°付近(通常、2θ=28.8〜29.8°))に現れるが、上記ピーク強度比(Ip/Im)が0.01以上である場合、主相が蛍石相ではなくパイクロア相であるといえる。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、Ce(セリウム元素)、Zr(ジルコニウム元素)及びO(酸素元素)に加えて、Y(イットリウム元素)及びMg(マグネシウム元素)を含有する。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に、触媒活性成分であるPt、Pd、Rh等の貴金属元素を担持させた時に発揮される酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)は、Y及びMgの存在により向上している。すなわち、Y及びMgの少なくとも一方を含有しないパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、Y及びMgの両方を含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物とに、同量の貴金属元素を担持させた場合、Y及びMgの両方を含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の方が、優れた酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)を発揮する。パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物にY及びMgを含有させることにより、酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)が向上するメカニズムは、以下のように推測される。パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持された、触媒活性成分であるPt、Pd、Rh等の貴金属元素は、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能に寄与する。パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物にY及びMgを含有させることにより、貴金属元素をパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に分散性よく担持させることができ、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持された貴金属元素の総量のうち、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能に寄与する貴金属元素の量の比率を増加させることができると考えられる。Yは主としてパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の耐熱性の向上に寄与し、Mgは主としてパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に貴金属元素を担持させる際の貴金属元素の分散性の向上に寄与すると考えられ、Yの作用及びMgの作用が相俟って、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に、触媒活性成分であるPt、Pd、Rh等の貴金属元素を担持させた時に発揮される酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)が向上すると考えられる。
上記のように、Mgは主としてパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に貴金属元素を担持させる際の貴金属元素の分散性の向上に寄与すると考えられるので、Mgは、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の表層に存在していることが好ましい。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Ce、Zr及びOは、パイロクロア型構造を有する固溶体相を形成していることが好ましい。Ce、Zr及びOは、パイロクロア型構造を有する固溶体相に加えて、蛍石型構造を有する固溶体相、及び/又は、結晶相若しくは非晶質相である単独相(CeO単独相又はZrO単独相)を形成していてもよい。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Y及びMgの一方又は両方は、Ce、Zr及びOとともに、パイロクロア型構造を有する固溶体相を形成していることが好ましい。Y及びMgの一方又は両方は、Ce、Zr及びOとともに、蛍石型構造を有する固溶体相を形成していてもよい。Yは、Ce及びOとともに固溶体相(例えば、CeOとYとの固溶体相)を形成していてもよいし、Zr及びOとともに固溶体相(例えば、ZrOとYとの固溶体相)を形成していてもよいし、結晶相若しくは非晶質相である単独相(例えば、Y単独相)を形成していてもよい。Mgは、Ce及びOとともに固溶体相(例えば、CeOとMgOとの固溶体相)を形成していてもよいし、Zr及びOとともに固溶体相(例えば、ZrOとMgOとの固溶体相)を形成していてもよいし、結晶相若しくは非晶質相である単独相(例えば、MgO単独相)を形成していてもよい。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物におけるCe、Zr、Y及びMgの含有量は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に求められる酸素貯蔵能を考慮して適宜調整することができる。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量の、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に含まれる全ての金属元素の合計含有量に対するモル百分率R(R=Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量/全ての金属元素の合計モル量×100)は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能をより向上させる観点から、好ましくは80モル%以上、さらに好ましくは85モル%以上、さらに一層好ましくは90モル%以上である。Rの上限値は、理論上は100モル%であるが、不可避的不純物の存在を考慮すると、実際には100モル%未満となり得る。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Mgの含有量の、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量に対するモル百分率R(R=Mgのモル量/Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量×100)は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能をより向上させる観点から、好ましくは0.5モル%以上15モル%以下、さらに好ましくは1モル%以上15モル%以下、さらに一層好ましくは1.5モル%以上10モル%以下、さらに一層好ましくは2モル%以上7.5モル%以下、さらに一層好ましくは3モル%以上7モル%以下、さらに一層好ましくは4モル%以上7モル%以下、さらに一層好ましくは5モル%以上7モル%以下である。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Y及びMgの合計含有量の、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量に対するモル百分率R(R=Y及びMgの合計モル量/Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量×100)は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能をより向上させる観点から、好ましくは5.5モル%以上20モル%以下、さらに好ましくは6モル%以上20モル%以下、さらに一層好ましくは6.5モル%以上15モル%以下、さらに一層好ましくは7モル%以上12.5モル%以下、さらに一層好ましくは8モル%以上12モル%以下、さらに一層好ましくは9モル%以上12モル%以下、さらに一層好ましくは10モル%以上12モル%以下である。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Mgの含有量の、Yの含有量に対するモル比R(R=Mgのモル量/Yのモル量)は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能をより向上させる観点から、好ましくは0.1以上2.6以下、さらに好ましくは0.3以上2.3以下、さらに一層好ましくは0.5以上2.3以下、さらに一層好ましくは1.0以上2.3以下、さらに一層好ましくは1.0超2.0以下、さらに一層好ましくは1.1以上1.5以下である。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Mgの含有量の、Ceの含有量に対するモル比R(R=Mgのモル量/Ceのモル量)は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能をより向上させる観点から、好ましくは0.01以上0.3以下、さらに好ましくは0.02以上0.3以下、さらに一層好ましくは0.03以上0.25以下、さらに好ましくは0.04以上0.25以下、さらに好ましくは0.05以上0.2以下、さらに一層好ましくは0.06以上0.15以下である。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Zrの含有量の、Ceの含有量に対するモル比R(R=Zrのモル量/Ceのモル量)は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の酸素貯蔵能をより向上させる観点から、好ましくは0.85以上1.15以下、さらに好ましくは0.90以上1.10以下、さらに一層好ましくは0.95以上1.05以下である。
酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)をより向上させる観点から、R〜Rのうち2又は3以上を組み合わせることが好ましい。
一実施形態において、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、酸素元素と、Ce、Zr、Y及びMgの4種の金属元素と、場合により不可避的不純物とで構成されている。
別の実施形態において、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、酸素元素と、Ce、Zr、Y及びMgの4種の金属元素と、Ce、Zr、Y及びMg以外の1種又は2種以上の金属元素と、場合により不可避的不純物とで構成されている。
不可避的不純物としては、例えば、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の製造原料に含まれる微量元素(例えば、ジルコニウム源として使用される材料に含まれる微量のハフニウム等)等が挙げられる。
不可避的不純物の含有量は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に含まれる全ての元素の合計含有量を基準として、好ましくは0.6モル%以下、さらに好ましくは0.3モル%以下、さらに一層好ましくは0.1モル%以下である。
Ce、Zr、Y及びMg以外の1種又は2種以上の金属元素は、例えば、Ce及びY以外の希土類元素、アルカリ土類金属元素、並びに遷移金属元素から選択することができるが、Ce及びY以外の希土類元素から選択することが好ましい。
Ce及びY以外の希土類元素としては、例えば、Pr(プラセオジム元素)、Sc(スカンジウム元素)、La(ランタン元素)、Nd(ネオジム元素)、Sm(サマリウム元素)、Eu(ユーロピウム元素)、Gd(ガドリニウム元素)、Tb(テルビウム元素)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム元素)、Er(エルビウム元素)、Tm(ツリウム元素)、Yb(イッテルビウム元素)、Lu(ルテチウム元素)等が挙げられるが、これらのうち、Pr、La、Nd等が好ましい。希土類元素の酸化物は、Pr及びTbを除いてセスキ酸化物(Re、Reは希土類元素)である。Prの酸化物は通常Pr11であり、Tbの酸化物は通常Tbである。希土類元素又はその酸化物は、CeO及び/又はZrOとともに固溶体相を形成していてもよいし、結晶相又は非晶質相である単独相を形成していてもよい。
アルカリ土類金属元素としては、例えば、Ca(カルシウム元素)、Sr(ストロンチウム元素)、Ba(バリウム元素)、Ra(ラジウム元素)等が挙げられる。これらのうち、Ca、Sr、Ba等が好ましい。アルカリ土類金属元素又はその酸化物は、CeO及び/又はZrOとともに固溶体相を形成していてもよいし、結晶相又は非晶質相である単独相を形成していてもよい。
遷移金属元素としては、例えば、Mn(マンガン元素)、Fe(鉄元素)、Co(コバルト元素)、Ni(ニッケル元素)、Cu(銅元素)等が挙げられる。遷移金属元素又はその酸化物は、CeO及び/又はZrOとともに固溶体相を形成していてもよいし、結晶相又は非晶質相である単独相を形成していてもよい。
Ce、Zr、Y及びMg以外の1種又は2種以上の金属元素の合計含有量は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に含まれる全ての金属元素の合計含有量を基準として、好ましくは0.5モル%以上15モル%以下、さらに好ましくは1.5モル%以上10モル%以下、さらに一層好ましくは3モル%以上7モル%以下である。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に含まれる元素量は、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)等の常法により測定することができ、元素量の比率(R〜R等)は、測定された元素量から算出することができる。
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、通常、粉末の形態で、排ガス浄化用触媒組成物又は排ガス浄化用触媒の構成材料として使用される。粉末は、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を粉砕することにより製造することができる。粉砕は、常法に従って行うことができる。粉砕は、例えば、乳鉢、ハンマーミル、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、ローラーミル等を使用して、乾式又は湿式にて行うことができる。
<パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の製造方法>
本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、下記工程:
(A1)セリウム原料と、ジルコニウム原料と、イットリウム原料と、マグネシウム原料と、場合より1種又は2種以上のその他の金属元素原料とを含む出発原料を準備する工程;
(A2)工程(A1)で準備された出発原料を熔融して熔融物を得る工程;
(A3)工程(A2)で得られた熔融物を徐冷却してインゴットを形成する工程;
(A4)工程(A3)で得られたインゴットを粉砕して粉末を得る工程;及び
(A5)工程(A4)で得られた粉末を700〜1100℃で加熱する工程
を含む第1の方法により製造することができる。なお、第1の方法は、特開2015−182932号公報に記載の方法に準拠して行うことができる。したがって、本明細書で言及しない条件に関しては、特開2015−182932号公報に記載の条件を採用することができる。
<工程(A1)>
工程(A1)は、セリウム原料と、ジルコニウム原料と、イットリウム原料と、マグネシウム原料と、場合より1種又は2種以上のその他の金属元素原料とを含む出発原料を準備する工程である。
セリウム原料は、セリウム元素の供給源である。セリウム原料としては、例えば、酸化セリウム等が挙げられる。酸化セリウムは、例えば、セリウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から合成することができる。セリウム原料は、セリウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、塩化物、臭化物等を含んでいてもよい。セリウム原料は、好ましくは、粉末状である。
ジルコニウム原料は、ジルコニウム元素の供給源である。ジルコニウム原料としては、例えば、酸化ジルコニウム等が挙げられる。酸化ジルコニウムは、ジルコニウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から合成することができる。ジルコニウム原料は、ジルコニウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、塩化物、臭化物等を含んでいてもよい。ジルコニウム原料は、好ましくは、粉末状である。
イットリウム原料は、イットリウム元素の供給源である。イットリウム原料としては、例えば、酸化イットリウム等が挙げられる。酸化イットリウムは、イットリウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から合成することができる。イットリウム原料は、イットリウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、塩化物、臭化物等を含んでいてもよい。イットリウム原料は、好ましくは、粉末状である。
マグネシウム原料は、マグネシウム元素の供給源である。マグネシウム原料としては、例えば、酸化マグネシウム等が挙げられる。酸化マグネシウムは、マグネシウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から合成することができる。マグネシウム原料は、マグネシウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、塩化物、臭化物等を含んでいてもよい。マグネシウム原料は、好ましくは、粉末状である。
その他の金属元素原料は、Ce、Zr、Y及びMg以外の金属元素(例えば、Ce及びY以外の希土類元素、アルカリ土類金属元素、遷移元素等)の供給源である。その他の金属元素原料としては、例えば、Ce、Zr、Y及びMg以外の金属元素の酸化物等が挙げられる。Ce、Zr、Y及びMg以外の金属元素の酸化物は、Ce、Zr、Y及びMg以外の金属元素の硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から合成することができる。その他の金属元素材料は、Ce、Zr、Y及びMg以外の金属元素の硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、塩化物、臭化物等を含んでいてもよい。その他の金属元素原料は、好ましくは、粉末状である。
セリウム原料、ジルコニウム原料、イットリウム原料、マグネシウム原料及びその他の金属元素材料の純度は、特に限定されないが、99.9%以上であることが好ましい。
出発原料は、セリウム原料と、ジルコニウム原料と、イットリウム原料と、マグネシウム原料と、場合により1種又は2種以上のその他の金属元素原料とを混合することにより得ることができる。出発原料は、好ましくは、粉末状である。
<工程(A2)>
工程(A2)は、工程(A1)で準備された出発原料を熔融して熔融物を得る工程である。
熔融物は、出発原料を加熱して熔融させることにより得ることができる。出発原料の加熱は、出発原料の少なくとも一部(すなわち、セリウム原料、ジルコニウム原料、イットリウム原料、マグネシウム原料及び場合により1種又は2種以上のその他の金属元素原料のうち、少なくとも1種)が熔融するように行えばよいが、出発原料の全部が熔融するように行うことが好ましい。出発原料の全部を熔融させるためには、出発原料に含まれる化合物のうち最も融点が高い化合物の融点以上の温度となるように、出発原料を加熱すればよい。工程(A2)において、出発原料を熔融状態になるまで加熱することにより、工程(A5)において、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を固溶体として得ることができる。
出発原料の熔融は、例えば、熔融装置等を使用して行うことができる。出発原料の熔融方法としては、例えば、アーク式、高周波熱プラズマ式等の熔融方法が挙げられる。これらのうち、一般的な電融法、すなわち、アーク式電気炉を使用した熔融方法を採用することが好ましい。
出発原料の熔融は、例えば、出発原料を、電力原単位換算で600〜800kWh/kgの電力量で加熱し、次いで、電力原単位換算で800〜1000kWh/kgの電力量で加熱することにより行うことができる。一段階目の加熱によって、出発原料の大部分を熔融させることができ、二段階目の加熱によって、出発原料の全部を完全に熔融させることができ、これにより、均一な熔融物、すなわち、各種原料が均一に混ざり合った熔融物を得ることができる。
一段階目の加熱で与える電力量は、電力原単位換算で、好ましくは625〜775kWh/kg、より好ましくは650〜750kWh/kgである。一段階目の加熱時間は、好ましくは1〜3時間である。二段階目の加熱で与える電力量は、電力原単位換算で、好ましくは825〜975kWh/kg、より好ましくは850〜950kWh/kgである。二段階目の加熱時間は、好ましくは6〜10時間、より好ましくは6〜8時間である。
アーク式電気炉を使用した熔融方法を採用する場合、出発原料の加熱を行う前に、初期の通電を促すための導電材(例えば、コークス等)を所定量、出発原料に添加しておいてもよい。コークスの添加量は、出発原料の組成に応じて適宜調整することができる。
出発原料の熔融を行う際の雰囲気としては、例えば、大気雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気等が挙げられる。出発原料の熔融を行う際の圧力は、大気圧、加圧及び減圧のいずれでもよいが、通常、大気圧である。
<工程(A3)>
工程(A3)は、工程(A2)で得られた熔融物を徐冷却してインゴットを形成する工程である。
インゴットの形成は、常法に従って行うことができる。例えば、出発原料の熔融を電気炉で行う場合、電気炉に炭素蓋を装着し、20〜60時間かけて徐冷却することにより、インゴットを形成することができる。徐冷却時間は、好ましくは30〜50時間、より好ましくは35〜45時間、さらに好ましくは35〜40時間である。熔融物の徐冷却は、例えば、大気中にて、熔融物の温度が100℃以下、好ましくは50℃以下となるように放冷することにより行うことができる。熔融物の温度が急激に下がって徐冷却時間が20〜60時間より短くなるおそれがある場合、徐冷却工程中に熔融物を適宜加熱して熔融物の急激な温度低下を回避することが好ましい。熔融物の急激な温度低下を回避しながら徐冷却を行うことにより、熔融物に含まれる元素が互いに均一に固溶しやすくなる。
<工程(A3)>
工程(A4)は、工程(A3)で得られたインゴットを粉砕して粉末を得る工程である。
インゴットの粉砕は、常法に従って行うことができる。インゴットの粉砕は、例えば、ジョークラッシャー、ロールクラッシャー等の粉砕機を使用して行うことができる。インゴットの粉砕によって得られる粉末の平均粒子径は、好ましくは3mm以下、より好ましくは1mm以下である。粉砕後に分級を行ってもよく、例えば、篩等を使用して分級を行うことにより、所望の平均粒子径の粉末を捕集することが可能である。平均粒子径は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定される体積基準の粒度分布において、累積体積が50体積%となる粒径(D50)として算出される。
<工程(A5)>
工程(A5)は、工程(A4)で得られた粉末を700〜1100℃で加熱する工程である。
粉末の加熱を行う前に、粉体を磁力選鉱して不純物を分離しておくことが好ましい。粉末の加熱は、例えば、電気炉等を使用して行うことができる。粉末は、加熱によって焼成され、熔融工程で生成した亜酸化物や、過冷却によって発生した結晶内の歪みが除去され得る。加熱温度は、好ましくは700℃〜1000℃、より好ましくは600℃〜900℃である。加熱時間は、好ましくは1〜5時間、より好ましくは2〜3時間である。加熱は、大気下で行ってもよいし、酸素雰囲気下で行ってもよい。
工程(A5)により、Y及びMgを含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を得ることができる。工程(A2)において、出発原料を熔融状態になるまで加熱することにより、工程(A5)において、Y及びMgを含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を固溶体として得ることができる。
工程(A5)の後、得られたパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の粉砕を行ってもよい。粉砕は、例えば、遊星ミル、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を使用して行うことができる。粉砕機による粉砕時間は、例えば、5〜30分程度である。粉砕後の平均粒子径は、好ましくは0.3〜2.0μm、より好ましくは0.5〜1.5μmである。平均粒子径は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定される体積基準の粒度分布において、累積体積が50体積%となる粒径(D50)として算出される。
また、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物は、下記工程:(B1)セリウム原料と、ジルコニウム原料と、イットリウム原料と、場合より1種又は2種以上のその他の金属元素原料とを含む出発原料を準備する工程;
(B2)工程(B1)で準備された出発原料を熔融して熔融物を得る工程;
(B3)工程(B2)で得られた熔融物を徐冷却してインゴットを形成する工程;
(B4)工程(B3)で得られたインゴットを粉砕して粉末を得る工程;
(B5)工程(B4)で得られた粉末を700〜1100℃で加熱する工程;及び
(B6)工程(B5)で得られた焼成物とマグネシウム塩を含有する水溶液とを混合した後、乾燥し、焼成する工程
を含む第2の方法により製造することができる。なお、第2の方法は、特開2015−182932号公報に記載の方法に準拠して行うことができる。したがって、本明細書で言及しない条件に関しては、特開2015−182932号公報に記載の条件を採用することができる。
工程(B1)で準備される出発原料は、マグネシウム原料を含まない点を除き、工程(A1)で準備される出発原料と同様であり、工程(A1)と同様に行うことができる。
工程(B2)、(B3)、(B4)及び(B5)は、それぞれ、工程(A2)、(A3)、(A4)及び(A5)と同様に行うことができる。
工程(B5)により、Yを含有し、Mgを含有しないパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を得ることができる。工程(B2)において、出発原料を熔融状態になるまで加熱することにより、工程(B5)において、Yを含有し、Mgを含有しないパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を固溶体として得ることができる。
工程(B5)の後、得られたパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の粉砕を行ってもよい。粉砕は、例えば、遊星ミル、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を使用して行うことができる。粉砕機による粉砕時間は、例えば、5〜30分程度である。粉砕後の平均粒子径は、好ましくは0.3〜2.0μm、より好ましくは0.5〜1.5μmである。平均粒子径は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定される体積基準の粒度分布において、累積体積が50体積%となる粒径(D50)として算出される。
工程(B6)は、工程(B5)で得られた焼成物とマグネシウム塩を含有する水溶液とを混合した後、乾燥し、焼成する工程である。工程(B6)により、Y及びMgを含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を得ることができる。
マグネシウム塩は、好ましくは、水溶性塩であり、例えば、硝酸マグネシウム、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム等が挙げられる。
水溶液に含まれるマグネシウム塩の濃度は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の組成に応じて適宜調整することができる。
水溶液は、溶媒として、水(例えば、イオン交換水等)を含有する。水溶液は、水以外の1種又は2種以上の溶媒を含有してもよい。水以外の溶媒としては、例えば、アルコール、アセトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等の有機溶媒が挙げられる。
Yを含有し、Mgを含有しないパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物とマグネシウム塩を含有する水溶液とを混合することにより、マグネシウム塩を含有する水溶液が、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に含浸する。混合物の乾燥及び焼成は、常法に従って行うことができる。乾燥温度は、通常90℃以上150℃以下、好ましくは100℃以上120℃以下であり、乾燥時間は、通常6時間以上48時間以下、好ましくは12時間以上24時間以下である。焼成温度は、通常500℃以上900℃以下、好ましくは600℃以上800℃以下であり、焼成時間は、通常1時間以上12時間以下、好ましくは3時間以上6時間以下である。焼成時の雰囲気は、好ましくは、大気雰囲気である。
上記のように、Mgは主としてパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に貴金属元素を担持させる際の貴金属元素の分散性の向上に寄与すると考えられるので、Mgは、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の表層に高分散状態で存在していることが好ましい。第1の方法を採用すると、Mgがパイロクロア相とパイロクロア相との間にMgが存在しやすくなるため、Mgが本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の表層に高分散状態で存在する。したがって、第1の方法を採用することが好ましい。
<触媒活性成分>
触媒活性成分は、1種の貴金属元素を含有していてもよいし、2種以上の貴金属元素を含有していてもよい。貴金属元素としては、例えば、Au(金元素)、Ag(銀元素)、Pt(白金元素)、Pd(パラジウム元素)、Rh(ロジウム元素)、Ir(イリジウム元素)、Ru(ルテニウム元素)、Os(オスミウム元素)等が挙げられるが、これらのうち、Pt、Pd、Rh等が好ましい。一実施形態において、本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、貴金属元素を、貴金属元素の供給源である貴金属元素の塩の形態で含有する。貴金属元素の塩としては、例えば、硝酸塩、アンミン錯体塩、塩化物等が挙げられる。
本発明の排ガス浄化用触媒組成物における貴金属元素の含有量は、本発明の排ガス浄化用触媒組成物における本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物及び貴金属元素の合計質量を基準として、好ましくは0.01質量%以上20質量%以下、さらに好ましくは0.1質量%以上10質量%以下、さらに一層好ましくは1質量%以上5質量%以下である。貴金属元素の量は、本発明の排ガス浄化用触媒組成物を乾燥して得られた粉末をEDS(エネルギー分散型分光器)で分析し、得られた元素マッピングを使用して測定することができる。
<排ガス浄化用触媒組成物の形態>
本発明の排ガス浄化用触媒組成物の形態は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、貴金属元素とを含有する限り特に限定されない。一実施形態において、本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、液体の形態、例えば、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、貴金属元素の塩とを含有する分散液の形態である。この実施形態において、貴金属元素の塩(貴金属元素の塩の電離により生じた貴金属イオンを含む)は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に含浸していることが好ましい。
分散液は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の含有量に応じて種々の粘度を有し、粘度に応じて、インク、スラリー、ペースト等の種々の形態をとる。分散液の形態は、好ましくはスラリーである。分散液がスラリーである場合、分散液における本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の含有量は、分散液の総質量を基準として、好ましくは0.1質量%以上30質量%以下、さらに好ましくは1質量%以上20質量%以下、さらに一層好ましくは5質量%以上15質量%以下である。
分散液に含有される分散媒としては、例えば、水、有機溶媒等が挙げられる。分散媒は、1種の溶媒であってもよいし、2種以上の溶媒の混合物であってもよい。2種以上の溶媒の混合物としては、例えば、水と1種又は2種以上の有機溶媒との混合物、2種以上の有機溶媒の混合物等が挙げられる。有機溶媒としては、アルコール、アセトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。
<その他の成分>
本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物以外のCeO−ZrO系複合酸化物(以下「その他のCeO−ZrO系複合酸化物」という。)を含有してもよい。その他のCeO−ZrO系複合酸化物は、通常、粉末の形態である。その他のCeO−ZrO系複合酸化物は、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物であってもよいし、蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物であってもよいが、蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物であることが好ましい。蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物は、蛍石相を含む。蛍石相の典型的な組成はCeZr1-x(式中、0<X<1)である。蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物は、蛍石相の単相で構成されていてもよいし、蛍石相と1種又は2種以上の他の相とを含む混相で構成されていてもよい。他の相は、結晶相であってもよいし、非晶質相であってもよい。蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物が混相で構成されている場合、蛍石相が主相であることが好ましい。「主相」とは、CuKαを使用した粉末X線回折法(XRD)により得られたCeO−ZrO系複合酸化物の回折パターンにおいて、最大強度を有するピーク(メインピーク)が由来する結晶相を意味する。
本発明の排ガス浄化用触媒組成物が、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に加えて、蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物を含有する場合、蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物の含有量と、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の含有量との質量比(蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物の質量:本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の質量)は、好ましくは1:99〜99:1、さらに好ましくは10:90〜90:10、さらに一層好ましくは30:70:〜70:30である。
本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、担体成分を含有してもよい。担体成分は、好ましくは、多孔質体である。担体成分としては、例えば、Al、ZrO、SiO、TiO、La等の希土類金属の酸化物(Re)、ゼオライト(アルミノケイ酸塩)、MgO、ZnO、SnO等をベースとした酸化物等が挙げられる。好ましい担体成分としては、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、アルミノ−シリケート類、アルミナ−ジルコニア、アルミナ−クロミア、アルミナ−セリア、アルミナ−ランタナ等が挙げられる。
本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、安定剤を含有してもよい。安定剤としては、例えば、アルカリ土類金属化合物等が挙げられる。アルカリ土類金属元素としては、例えば、Sr(ストロンチウム元素)、Ba(バリウム元素)等が挙げられるが、排ガス浄化用触媒組成物に含まれる貴金属元素がPdである場合、PdOが還元される温度が一番高い、すなわち還元されにくいという観点から、Baが好ましい。アルカリ土類金属化合物としては、アルカリ土類金属元素の硝酸塩、炭酸塩、酸化物、硫酸塩等が挙げられる。
本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、バインダー成分を含有してもよい。バインダー成分としては、例えば、アルミナゾル等の無機系バインダーが挙げられる。
本発明の排ガス浄化用触媒組成物は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持された貴金属元素とを含有する排ガス浄化用触媒を製造するための材料として使用することができる。
≪排ガス浄化用触媒≫
本発明の排ガス浄化用触媒は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、該パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持された触媒活性成分とを含有する。
触媒活性成分は、1種の貴金属元素を含有していてもよいし、2種以上の貴金属元素を含有していてもよい。貴金属元素としては、例えば、Au(金元素)、Ag(銀元素)、Pt(白金元素)、Pd(パラジウム元素)、Rh(ロジウム元素)、Ir(イリジウム元素)、Ru(ルテニウム元素)、Os(オスミウム元素)等が挙げられるが、これらのうち、Pt、Pd、Rh等が好ましい。一実施形態において、本発明の排ガス浄化用触媒は、貴金属元素を、触媒活性成分として機能し得る形態、例えば、貴金属、貴金属元素を含む合金、貴金属元素を含む化合物(例えば、貴金属元素の酸化物)等の形態で含有する。触媒活性成分は、排ガス浄化性能を高める観点から、粒子状であることが好ましい。
本発明の排ガス浄化用触媒における貴金属元素の含有量は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物及び貴金属元素の合計質量を基準として、好ましくは0.01質量%以上20質量%以下、さらに好ましくは0.1質量%以上10質量%以下、さらに一層好ましくは1質量%以上5質量%以下である。貴金属元素の量は、本発明の排ガス浄化用触媒の断面をEDS(エネルギー分散型分光器)で分析し、得られた元素マッピングを使用して測定することができる。なお、貴金属元素の質量は、金属換算の質量である。
「担持」は、貴金属元素が本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物の外表面又は細孔内表面に物理的又は化学的に吸着又は保持されている状態を意味する。貴金属元素が本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持されていることは、例えば、本発明の排ガス浄化用触媒の断面をEDS(エネルギー分散型分光器)で分析して得られた元素マッピングにおいて、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と貴金属元素とが同じ領域に存在することにより確認することができる。
ある粒子(例えば、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物)に担持される別の粒子(例えば、触媒活性成分)の平均粒径は、当該ある粒子の平均粒径に対して、10%以下であることが好ましく、3%以下であることがさらに好ましく、1%以下であることがさらに一層好ましい。ここでいう平均粒径は、SEMで観察した時の30個以上の粒子のフェレ径の平均値である。
本発明の排ガス浄化用触媒は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物及び貴金属元素以外の成分(以下「その他の成分」という。)を含有してもよい。その他の成分は、本発明の排ガス浄化用触媒組成物と同様であり、例えば、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物以外のCeO−ZrO系複合酸化物(例えば、蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物)、担体成分、安定剤、バインダー成分等が挙げられる。その他の成分に関する説明は、上記と同様であるので、省略する。
一実施形態において、本発明の排ガス浄化用触媒は、ペレット状等の形状を有する成形体である。この実施形態に係る排ガス浄化用触媒は、例えば、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と貴金属塩を含有する水溶液とを混合した後、乾燥し、焼成することにより製造することができる。混合により、貴金属塩を含有する水溶液は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に含浸する。貴金属塩としては、例えば、硝酸塩、アンミン錯体塩、塩化物等が挙げられる。水溶液は、溶媒として、水(例えば、イオン交換水等)を含有する。水溶液は、水以外の1種又は2種以上の溶媒を含有してもよい。水以外の溶媒としては、例えば、アルコール、アセトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等の有機溶媒が挙げられる。乾燥温度は、通常90℃以上150℃以下、好ましくは100℃以上120℃以下であり、乾燥時間は、通常6時間以上48時間以下、好ましくは12時間以上24時間以下である。焼成温度は、通常500℃以上900℃以下、好ましくは600℃以上800℃以下であり、焼成時間は、通常1時間以上12時間以下、好ましくは3時間以上6時間以下である。焼成時の雰囲気は、好ましくは、大気雰囲気である。
別の実施形態において、本発明の排ガス浄化用触媒は、基材と、該基材上に形成された触媒層とを備え、該触媒層は、本発明のパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、該パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持された貴金属元素とを含有する。
基材は、公知の排ガス浄化用触媒において使用されている基材の中から適宜選択することができる。基材の材質としては、例えば、アルミナ(Al)、ムライト(3Al−2SiO)、コージェライト(2MgO−2Al−5SiO)、チタン酸アルミニウム(AlTiO)、炭化ケイ素(SiC)等のセラミックス、ステンレス等の金属材料等が挙げられる。基材の形状としては、例えば、ハニカム状、ペレット状、球状等が挙げられる。ハニカム状の基材を使用する場合、例えば、基材内部を流体が流通するように、基材内部に平行で微細な気体流通路、すなわち、チャンネルを多数有するモノリス型基材を使用することができる。
触媒層は、本発明の排ガス浄化用触媒組成物を、ウォッシュコート法により基材表面に塗布した後、乾燥し、焼成することにより形成することができる。例えば、モノリス型基材を使用する場合、モノリス型基材の各チャンネル内壁表面に、本発明の排ガス浄化用触媒組成物をウォッシュコート法により塗布した後、乾燥し、焼成することにより、モノリス型基材の各チャンネル内壁表面に触媒層を形成することができる。触媒層の厚みは、ウォッシュコート量を調整することにより調整することができる。乾燥温度は、通常60℃以上150℃以下、好ましくは90℃以上120℃以下であり、乾燥時間は、通常0.1時間以上2時間以下、好ましくは0.2時間以上1時間以下である。焼成温度は、通常400℃以上900℃以下、好ましくは600℃以上800℃以下であり、焼成時間は、通常1時間以上12時間以下、好ましくは3時間以上6時間以下である。焼成時の雰囲気は、好ましくは、大気雰囲気である。
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下、パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物を「パイロクロアCZ」という。
〔実施例1〕
(1)Yを含有するパイロクロアCZ粉末の製造
酸化セリウム粉末(純度99.9%,三津和化学薬品製)、酸化ジルコニウム粉末(純度99.9%,第一稀元素化学工業製)及び酸化イットリウム粉末(純度99.9%,和光純薬製)を混合し、出発原料を得た。この際、出発原料におけるCe量、Zr量及びY量を、Ce、Zr及びYの合計モル量を基準として、それぞれ、47.8モル%、47.1モル%及び5.1モル%に調整した。次いで、出発原料を熔融させた。具体的には、アーク式電気炉を使用して、最初に、電力原単位換算で650kWh/kgの電力量で2時間にわたって加熱した後、次いで、電力原単位換算で900kWh/kgの電力量で6時間にわたって加熱することで、2200℃以上で熔融を行った。この工程により、出発原料をすべて熔融させた。なお、この熔融工程において、初期の通電を促すためにコークス500gを使用した。
上記熔融終了後、電気炉に炭素蓋をし、24時間、大気中において徐冷することにより、インゴットを得た。このように得られたインゴットをジョークラッシャー及びロールクラッシャーで3mm以下まで粉砕した後、篩を使用して1mm以下の粉末を捕集した。次いで、得られた粉末を、電気炉を使用して大気中、800℃雰囲気下にて3時間にわたって熱処理し、前工程の熔融工程で生成した亜酸化物の除去、あるいは過冷却によって発生した結晶内の歪みの除去を行った。この後、熱処理により得られた生成物を遊星ミルにより10分間にわたって粉砕処理を行うことで、Yを含有するパイロクロアCZ粉末を得た。Yを含有するパイロクロアCZ粉末におけるCe量、Zr量及びY量は、Ce、Zr及びYの合計モル量を基準として、それぞれ、47.8モル%、47.1モル%及び5.1モル%である。
(2)Y及びMgを含有するパイロクロアCZ粉末の製造
(1)で製造されたYを含有するパイロクロアCZ粉末にMgを担持させ、Y及びMgを含有するパイロクロアCZ粉末を製造した。具体的には、Yを含有するパイロクロアCZ粉末と硝酸マグネシウム水溶液とを混合し、Yを含有するパイロクロアCZ粉末に硝酸マグネシウム水溶液を含浸させた後、乾燥し、大気雰囲気中、600℃で3時間、焼成した。次いで、得られた焼成物を粉砕し、Y及びMgを含有するパイロクロアCZ粉末を得た。Yを含有するパイロクロアCZ粉末の量並びに硝酸マグネシウム水溶液の濃度及び量を調整し、パイロクロアCZ粉末に含まれるCe量、Zr量、Y量及びMg量を、Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、47.4モル%、46.6モル%、5.1モル%及び0.9モル%に調整した。(2)で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
(3)Pd担持パイロクロアCZ粉末の製造
(2)で製造されたパイロクロアCZ粉末にPdを担持させ、Pd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。具体的には、(2)で製造されたパイロクロアCZ粉末と硝酸パラジウム(II)水溶液とを混合し、パイロクロアCZ粉末に硝酸パラジウム水溶液を含浸させた後、乾燥し、大気雰囲気中、500℃で5時間焼成し、実施例1のPd担持パイロクロアCZ粉末を得た。Pd担持量は、(2)で製造されたパイロクロアCZ粉末及びPdの合計質量を基準として、1質量%に調整した。
〔実施例2〕
実施例1の(2)において、パイロクロアCZ粉末に含まれるCe量、Zr量、Y量及びMg量を、Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、47.0モル%、46.3モル%、5.0モル%及び1.7モル%に変更した点を除き、実施例1の(1)〜(3)と同様にして、パイロクロアCZ粉末及びPd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。実施例2で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔実施例3〕
実施例1の(2)において、パイロクロアCZ粉末に含まれるCe量、Zr量、Y量及びMg量を、Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、46.6モル%、45.9モル%、5.0モル%及び2.5モル%に変更した点を除き、実施例1の(1)〜(3)と同様にして、パイロクロアCZ粉末及びPd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。実施例3で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔実施例4〕
実施例1の(1)において、出発原料におけるCe量、Zr量及びY量を、Ce、Zr及びYの合計モル量を基準として、それぞれ、46.7モル%、48.0モル%及び5.3モル%に変更した点、並びに、実施例1の(2)において、パイロクロアCZ粉末に含まれるCe量、Zr量、Y量及びMg量を、Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、43.8モル%、45.0モル%、5.0モル%及び6.2モル%に変更した点を除き、実施例1の(1)〜(3)と同様にして、パイロクロアCZ粉末及びPd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。実施例4で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔実施例5〕
酸化セリウム粉末(純度99.9%,三津和化学薬品製)、酸化ジルコニウム粉末(純度99.9%,第一稀元素化学工業製)、酸化イットリウム粉末(純度99.9%,和光純薬製)及び酸化マグネシウム粉末(純度99.9%,神島化学製)を混合し、出発原料を得た。この際、出発原料におけるCe量、Zr量、Y量及びMg量を、Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、43.8モル%、45.0モル%、5.0モル%及び6.2モル%に調整した。この出発原料を使用した点を除き、実施例1の(1)と同様にして、Y及びMgを含有するパイロクロアCZ粉末を得た。なお、実施例5では、実施例1の(1)に相当する工程により直接、Y及びMgを含むパイロクロアCZ粉末が製造されるので、実施例1の(2)に相当する工程は行っていない。
〔実施例6〕
実施例1の(1)において、出発原料におけるCe量、Zr量及びY量を、Ce、Zr及びYの合計モル量を基準として、それぞれ、46.7モル%、46.5モル%及び6.8モル%に変更した点、並びに、実施例1の(2)において、パイロクロアCZ粉末に含まれるCe量、Zr量、Y量及びMg量を、Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、43.8モル%、43.7モル%、6.4モル%及び6.0モル%に変更した点を除き、実施例1の(1)〜(3)と同様にして、パイロクロアCZ粉末及びPd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。実施例6で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔実施例7〕
実施例1の(1)において、出発原料におけるCe量、Zr量及びY量を、Ce、Zr及びYの合計モル量を基準として、それぞれ、46.7モル%、48.0モル%及び5.3モル%に変更した点、並びに、実施例1の(2)において、パイロクロアCZ粉末に含まれるCe量、Zr量、Y量及びMg量を、Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、43.0モル%、44.2モル%、4.9モル%及び7.9モル%に変更した点を除き、実施例1の(1)〜(3)と同様にして、パイロクロアCZ粉末及びPd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。実施例7で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔実施例8〕
実施例1の(2)において、パイロクロアCZ粉末に含まれるCe量、Zr量、Y量及びMg量を、Ce、Zr、Y及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、42.5モル%、41.9モル%、4.5モル%及び11.1モル%に変更した点を除き、実施例1の(1)〜(3)と同様にして、パイロクロアCZ粉末及びPd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。実施例8で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔比較例1〕
実施例1の(1)と同様にして、Yを含有し、Mgを含有しないパイロクロアCZ粉末を製造し、この粉末を使用して、実施例1の(3)と同様にして、Pd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。なお、比較例1では、実施例1の(2)に相当する工程は行っていない。比較例1で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔比較例2〕
酸化セリウム粉末(純度99.9%,三津和化学薬品製)、酸化ジルコニウム粉末(純度99.9%,第一稀元素化学工業製)及び酸化マグネシウム粉末(純度99.9%,神島化学製)を混合し、出発原料を得た。この際、出発原料におけるCe量、Zr量及びMg量を、Ce、Zr及びMgの合計モル量を基準として、それぞれ、46.9モル%、47.7モル%及び5.4モル%に調整した。この出発原料を使用した点を除き、実施例1の(1)と同様にして、Mgを含有し、Yを含有しないパイロクロアCZ粉末を製造し、この粉末を使用して、実施例1の(3)と同様にして、Pd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。なお、比較例2では、実施例1の(2)に相当する工程は行っていない。比較例2で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔比較例3〕
実施例1の(2)において、硝酸マグネシウム水溶液に代えて硝酸カルシウム水溶液を使用し、原料粉末にCaを担持させた点、並びに、実施例1の(2)において、パイロクロアCZ粉末に含まれるCe量、Zr量、Y量及びCa量を、Ce、Zr、Y及びCaの合計モル量を基準として、それぞれ、44.9モル%、44.3モル%、4.8モル%及び6.0モル%に調整した点を除き、実施例1と同様にして、パイロクロアCZ粉末及びPd担持パイロクロアCZ粉末を製造した。比較例3で製造されたパイロクロアCZ粉末の組成を表1に示す。
〔試験例1〕
(1)Pd担持パイロクロアCZ粉末の熱処理
実施例1〜8及び比較例1〜3のそれぞれのPd担持パイロクロアCZ粉末を、10%HOで加湿しながら、A/F(Air/Fuel)を13.6〜14.6の範囲で変動させた雰囲気下、1000℃で25時間、熱処理した。
(2)熱処理後のPd担持パイロクロアCZ粉末のOSC性能の評価
ヘンミ計算尺株式会社製の昇温還元処理装置(TPR装置)を使用して、熱処理後の複合酸化物粉末のOSC測定をCOパルス法で行った。OSC測定では、複合酸化物粉末をHe流通下800℃に昇温して40分間当該温度を保持する前処理を行った後、600℃まで降温させた。そして、600℃を保持した状態でOガスを4パルスに分けて注入して酸化処理を行った後、COを含有する試験用ガスを15パルスに分けて注入し、消費されたCOガス総量から600℃における複合酸化物粉末単位質量当たりの総OSC量(μmol/g)を、赤外線式ガス濃度測定装置(株式会社島津製作所製、CGT−7000)を使用して測定した。試験用ガスはHeガスにCOガスを25容量%希釈させて調製した。測定された総OSC量に基づいて、熱処理後のPd担持パイロクロアCZ粉末のOSC性能を評価した。具体的には、比較例1の総OSC量を1.00とした場合の相対値を算出し、相対値が1.10未満である場合を「D」、相対値が1.10以上1.20未満である場合を「C」、相対値が1.20以上1.30未満である場合を「B」、相対値が1.30以上である場合を「A」と評価した。結果を表1に示す。
〔試験例2〕
(1)触媒構造体の製造
実施例5又は比較例1のパイロクロアCZ粉末と、市販品であるOSC材と、アルミナと、硝酸パラジウム水溶液と、硝酸ロジウム水溶液とを混合し、湿式粉砕処理を施し、スラリー状の触媒組成物を得た。Pd量及びRh量は、触媒組成物の固形分の質量を基準として、それぞれ、5.0質量%及び1.0質量%に調整した。OSC材としては、蛍石型CeO−ZrO系複合酸化物粉末を使用した。パイロクロアCZ粉末と、市販品であるOSC材と、アルミナとの質量比は、1:3:2に調整した。
得られたスラリーをハニカム触媒支持体(日本ガイシ株式会社製,直径93mm,軸方向長さ95mm,セル数900cpsi,体積0.645L)の表面に塗布した後、過剰量のスラリーを吹き払った。次いで、70℃の熱風をスラリー塗布面に直接当てて乾燥させた後、450℃で1時間焼成して硝酸根を除去し、ハニカム触媒支持体と、ハニカム触媒支持体上に形成された触媒層とを有する触媒構造体を得た。ハニカム触媒支持体の単位体積あたりの触媒層の質量(g/L)は、230g/Lに調整した。
(2)熱処理後の触媒構造体に関する炭化水素(THC)の浄化率の測定
(1)で製造された触媒構造体を、10%HOで加湿しながら、A/Fを13.6〜14.6の範囲で変動させた雰囲気下、1000℃で25時間、熱処理した。
熱処理後の触媒構造体を使用して、炭化水素(THC)の浄化率を測定した。具体的には、CO、CO、C、O、NO及び残部Nからなる模擬排ガスを、SV=68,000h−1となるように、A/F=14.6±0.2で、熱処理後の触媒構造体に流通させて、450℃における出口ガス成分を堀場製作所製MOTOR EXHAUST GAS ANALYZER MEXA7500を使用して測定し、炭化水素(THC)の浄化率を測定した。結果を表1に示す。
Figure 0006976488
表1に示すように、Y及びMgの少なくとも一方を含有しないパイロクロアCZ粉末(比較例1〜3)と、Y及びMgの両方を含有するパイロクロアCZ粉末(実施例1〜8)とに、同量の貴金属元素を担持させた場合、Y及びMgの両方を含有するパイロクロアCZの方が、優れた酸素貯蔵能(特に、高温環境に晒された後の酸素貯蔵能)を発揮し、優れたTHC浄化率が達成された。

Claims (15)

  1. Y及びMgを含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、貴金属元素を含有する触媒活性成分とを含有する、組成物であって、
    前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Y及びMgの合計含有量の、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量に対するモル百分率Rが、5.5モル%以上20モル%以下であり、かつ、Mgの含有量の、Yの含有量に対するモル比Rが、0.1以上2.6以下であり、
    前記組成物が、前記パイロクロア型CeO −ZrO 系複合酸化物と、前記パイロクロア型CeO −ZrO 系複合酸化物に担持された前記触媒活性成分とを含有する排ガス浄化用触媒を製造するための組成物である、組成物。
  2. 前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量の、前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に含まれる全ての金属元素の合計含有量に対するモル百分率Rが、80モル%以上である、請求項1に記載の組成物。
  3. 前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Mgの含有量の、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量に対するモル百分率Rが、0.5モル%以上15モル%以下である、請求項1又は2に記載の組成物。
  4. 前記モル比Rが、0.3以上2.3以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成物。
  5. 前記モル比Rが、1.0超2.0以下である、請求項4に記載の組成物。
  6. 前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Mgの含有量の、Ceの含有量に対するモル比Rが、0.01以上0.3以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の組成物。
  7. 前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物において、Zrの含有量の、Ceの含有量に対するモル比Rが、0.85以上1.15以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の組成物。
  8. Y及びMgを含有するパイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持された、貴金属元素を含有する触媒活性成分とを含有する、排ガス浄化用触媒であって、
    前記パイロクロア型CeO −ZrO 系複合酸化物において、Y及びMgの合計含有量の、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量に対するモル百分率R が、5.5モル%以上20モル%以下であり、かつ、Mgの含有量の、Yの含有量に対するモル比R が、0.1以上2.6以下である、排ガス浄化用触媒。
  9. 前記パイロクロア型CeO −ZrO 系複合酸化物において、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量の、前記パイロクロア型CeO −ZrO 系複合酸化物に含まれる全ての金属元素の合計含有量に対するモル百分率R が、80モル%以上である、請求項8に記載の排ガス浄化用触媒。
  10. 前記パイロクロア型CeO −ZrO 系複合酸化物において、Mgの含有量の、Ce、Zr、Y及びMgの合計含有量に対するモル百分率R が、0.5モル%以上15モル%以下である、請求項8又は9に記載の排ガス浄化用触媒。
  11. 前記モル比R が、0.3以上2.3以下である、請求項8〜10のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
  12. 前記モル比R が、1.0超2.0以下である、請求項11に記載の排ガス浄化用触媒。
  13. 前記パイロクロア型CeO −ZrO 系複合酸化物において、Mgの含有量の、Ceの含有量に対するモル比R が、0.01以上0.3以下である、請求項8〜12のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
  14. 前記パイロクロア型CeO −ZrO 系複合酸化物において、Zrの含有量の、Ceの含有量に対するモル比R が、0.85以上1.15以下である、請求項8〜13のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
  15. 前記排ガス浄化用触媒が、基材と、前記基材に形成された触媒層とを備え、
    前記触媒層が、前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物と、前記パイロクロア型CeO−ZrO系複合酸化物に担持された前記触媒活性成分とを含有する、請求項8〜14のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒。
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