JP6994079B2 - 排ガス浄化触媒装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排ガス浄化触媒装置に関する。
ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中のＮＯｘを、大気に放出される前に、還元浄化する技術として、選択的接触還元（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが知られている。ＳＣＲシステムは、還元剤、例えばアンモニアを用いて、排ガス中のＮＯｘをＮ２に還元する、ＳＣＲ触媒を用いる技術である。
しかしながら、この技術において、ＳＣＲ反応によってＮＯｘがＮ２に還元される過程で、或いは、アンモニアが還元剤として働く過程で、副反応として一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）生成反応が起こり、生成したＮ２ＯがＳＣＲシステムから排出されることがある。
ところで、内燃機関からの排ガスの規制は、年々強化されており、近年は、グリーンハウスガス（温室効果ガス）を規制する「ＧＨＧ規制」の強化が著しい。
Ｎ２Ｏは、温室効果ガスとしての寄与が大きく、内燃機関からのＮ２Ｏの排出量は、極力少ないことが望まれる。
この点、特許文献１には、混合酸化物（例えばバナジア／チタニア）を含む第１の触媒組成物層と、金属交換されたゼオライト（例えばＣｕ－ゼオライト）を含む第２の触媒組成物層とが、基体上に、排ガス流れの上流側からこの順に配置された、ＳＣＲ触媒系が記載されており、この構成によってＮ２Ｏの排出量が低減できると説明されている。
特表２０１６－５１８２４４号公報
本発明の目的は、Ｎ２Ｏの排出量（Ｎ２Ｏスリップ量）が極めて抑制された、排ガス浄化触媒装置を提供することである。
本発明は、以下のとおりである。
《態様１》基材と、前記基材上の１又は複数の触媒層とを含む排ガス浄化触媒装置であって、
前記１又は複数の触媒層のうちの少なくとも１つの触媒層が、
Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子、及び
金属酸化物粒子上に鉄が担持された、鉄担持金属酸化物粒子
の双方を含む、
排ガス浄化触媒装置。
《態様２》前記金属酸化物粒子が、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、及びセリアより成る群から選択される、１種の金属の酸化物粒子、又は２種以上の金属の複合酸化物粒子である、態様１に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様３》前記金属酸化物粒子が、アルミナ粒子である、態様２に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様４》前記排ガス浄化触媒装置における鉄の量が、前記基材１Ｌ当たりの酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）換算の鉄の質量として、０．３ｇ／Ｌ以上１．３ｇ／Ｌ以下である、態様１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様５》前記排ガス浄化触媒装置における鉄の量が、前記基材１Ｌ当たりの酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）換算の鉄の質量として、０．６ｇ／Ｌ以上１．３ｇ／Ｌ以下である、態様１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様６》前記触媒層における、前記Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、前記鉄担持金属酸化物粒子との割合が、両者の合計に対する鉄担持金属酸化物粒子の質量百分率として、５質量％以上２０質量％以下である、態様１～５のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様７》選択的接触還元用である、態様１～６のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
《態様８》態様１～７のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置の製造方法であって、
（１）前記Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、前記鉄担持金属酸化物粒子とを、混合して湿式粉砕し、触媒層形成用スラリーを得ること、及び
（２）前記基材上に、前記触媒層形成用スラリーを塗布して焼成し、前記基材上に前記触媒層を形成すること
を含む、
排ガス浄化触媒装置の製造方法。
《態様９》態様７に記載の排ガス浄化触媒装置を用いて排ガスを浄化する、排ガス浄化方法であって、
前記排ガス浄化触媒装置に、排ガス及び還元剤を供給して、前記排ガス中のＮＯｘをＮ２に還元することを含む、
排ガス浄化方法。
本発明によると、Ｎ２Ｏの排出量（Ｎ２Ｏスリップ量）が極めて抑制された、排ガス浄化触媒装置が提供される。
図１は、実施例３で使用したスプレードライ法鉄アルミナのＸＲＤチャートである（２θ＝１０～８０°）。 図２は、実施例３で使用したスプレードライ法鉄アルミナのＸＲＤチャートである（２θ＝２９～３５°）。 図３は、実施例３で使用したスプレードライ法鉄アルミナのＸＲＤチャートである（２θ＝４８～５４°）。 図４は、実施例５で使用した含侵法鉄アルミナのＸＲＤチャートである（２θ＝１０～８０°）。 図５は、実施例５で使用した含侵法鉄アルミナのＸＲＤチャートである（２θ＝２９～３５°）。 図６は、実施例５で使用した含侵法鉄アルミナのＸＲＤチャートである（２θ＝４８～５４°）。
本発明の排ガス浄化触媒装置は、
基材と、基材上の１又は複数の触媒層とを含む排ガス浄化触媒装置であって、
上記１又は複数の触媒層のうちの少なくとも１つの触媒層が、
Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子、及び
金属酸化物粒子上に鉄が担持された、鉄担持金属酸化物粒子
の双方を含むことを特徴とする。
特許文献１の技術は、混合酸化物と、金属交換ゼオライトとの間で、Ｎ２生成能及びＮ２Ｏ生成能に差があることに着目し、混合酸化物の機能と、金属交換ゼオライトの機能とを分離して、それぞれ別個に利用しようとするものである。そして、Ｎ２形成能に優れ、Ｎ２Ｏ形成能が低い、混合酸化物を含む第１の触媒組成物層を、ＮＯｘリッチな排ガスと最初に接触させて、Ｎ２Ｏの生成を抑制しようとする思想に基づいている。
しかしながら、本発明者らは、Ｎ２Ｏスリップ量の抑制について、次のように考えた。
Ｎ２Ｏは、例えば、ＳＣＲ反応の中間体である硝安（ＮＨ４・ＮＯ３）の分解反応等に由来する。硝安の分解によるＮ２Ｏの発生は、金属交換ゼオライト（例えばＣｕ－ゼオライト）によって促進されると考えられる。一方、混合酸化物（例えば鉄系材料）は、発生したＮ２Ｏの分解を促進すると考えられる。
したがって、金属交換ゼオライトと混合酸化物とを近接させて配置すれば、金属交換ゼオライトの作用によって発生したＮ２Ｏが直ちに分解され、その結果、Ｎ２Ｏスリップ量を抑制できると期待される。
この点、特許文献１に記載のＳＣＲ触媒系では、金属交換ゼオライトと混合酸化物とが、別々の層に配置されている。そうすると、両者の近接の程度が少なくなる。そのため、このような構成のＳＣＲ触媒では、発生したＮ２Ｏが混合酸化物と接触せず、したがって分解されずにそのまま排出されると考えられる。
本発明では、上記の考察に基づいて、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と鉄担持金属酸化物粒子とを、同一の触媒層内に配置して、両者の近接の程度を高くすることによって、Ｎ２Ｏスリップ量が十分に抑制された排ガス浄化触媒装置に到達したのである。なお、本発明は、特定の理論に拘束されるものではない。
以下、本発明の排ガス浄化触媒装置の構成要素について、順に詳説する。
《基材》
本発明の排ガス浄化触媒装置における基材としては、排ガス浄化触媒装置の基材として一般に使用されているものを使用することができる。例えば、コージェライト、ＳｉＣ、ステンレス鋼、無機酸化物粒子等の材料から構成されている、例えばストレートフロー型のモノリスハニカム基材であってよい。
《触媒層》
本発明の排ガス浄化触媒装置は、１又は複数の触媒層を有し、そのうちの１つの触媒層は、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子、及び鉄担持金属酸化物粒子の双方を含む。すなわち、本発明の排ガス浄化触媒装置において、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、鉄担持金属酸化物粒子とは、同一の触媒層内に含まれる。
以下、本明細書において、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子、及び鉄担持金属酸化物粒子の双方を含む触媒層を、「特定触媒層」という。
〈Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子〉
本発明におけるＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子は、銅でイオン交換されたＣＨＡ（Ｃｈａｂａｚｉｔｅ、チャバサイト）型のゼオライトから成る粒子を意味する。このＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子としては、ＳＣＲ触媒として公知のものから適宜選択して用いてよい。
Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子は、高いＳＣＲ触媒能を確保する観点から、ＳＡＲ（Ｓｉｌｉｃａ Ａｌｕｍｉｎａ Ｒａｔｉｏ、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比）が、２０以下、１８以下、１５以下、１２以下、１０以下、９以下、又は８以下であってよい。
一方で、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライトのＳＡＲが過度に低いと、ゼオライトの比表面積が小さくなって、ＮＯｘ浄化能が損なわる場合がある。これを回避する観点から、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子のＳＡＲは、３以上、４以上、５以上、６以上、又は７以上であってよい。
Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子におけるＣｕは、ＣＨＡ型ゼオライトの表面Ａｌサイトに担持され、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化の触媒活性点を構成すると考えられている。Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライトにおけるＣｕ量は、ＣｕとＡｌとのモル比（Ｃｕ／Ａｌ）として、高いＮＯｘ浄化能を発現させる観点から、０．０５以上、０．１０以上、０．１５以上、０．２０以上、又は０．２５以上であってよく、ＮＯｘ浄化能を安定的に維持する観点から、１．００以下、０．８０以下、０．６０以下、０．５０以下、０．４５以下、０．４０以下、０．３５以下、０．３０以下、又は０．２５以下であってよい。
本発明におけるＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子は、アルカリ金属を含んでいてよい。適正な量のアルカリ金属を含むＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライトは、高い初期ＮＯｘ浄化能を維持しながら、その水熱耐久性が更に向上する。一方で、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子に含まれるアルカリ金属量が過度に多いと、初期ＮＯｘ浄化能が損なわれる場合がある。
これらの観点から、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子中のアルカリ金属量は、Ｍ２Ｏ（Ｍはアルカリ金属を示す。）換算質量がＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライトの全質量に占める割合として、０．２質量％以上、０．３質量％以上、０．４質量％以上、０．５質量％以上、０．６質量％以上、０．７質量％以上、又は０．８質量％以上であってよく、２．０質量％以下、１．８質量％以下、１．６質量％以下、１．４質量％以下、１．２質量％以下、１．０質量％以下、０．９質量％以下、又は０．８質量％以下であってよい。
Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子に含まれるアルカリ金属は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、セシウム（Ｃｓ）等であってよく、典型的にはカリウムであってよい。
Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子の一次粒径は、０．１μｍ以上、０．２μｍ以上、０．３μｍ以上、又は０．４μｍ以上であってよく、１．０μｍ以下、０．８μｍ以下、０．６μｍ以下、０．５μｍ以下、又は０．４μｍ以下であってよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置におけるＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子の量は、基材１Ｌ当たりのＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライトの質量として、十分に高いＳＣＲ触媒能を確保する観点から、７０ｇ／Ｌ以上、８０ｇ／Ｌ以上、１００ｇ／Ｌ以上、１２０ｇ／Ｌ以上、１３０ｇ／Ｌ以上、又は１４０ｇ／Ｌ以上であってよく、排ガス浄化触媒装置の圧損を抑制する観点から、２００ｇ／Ｌ以下、１８０ｇ／Ｌ以下、１６０ｇ／Ｌ以下、１５０ｇ／Ｌ以下、又は１４０ｇ／Ｌ以下であってよい。
〈鉄担持金属酸化物粒子〉
本発明における鉄担持金属酸化物粒子は、金属酸化物粒子上に鉄が担持されて成る粒子である。
金属酸化物粒子は、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリア等から選択される、１種の金属の酸化物粒子、又は２種以上の金属の複合酸化物粒子であってよい。金属酸化物粒子は、典型的には、アルミナ粒子である。
鉄担持金属酸化物粒子の鉄担持量は、Ｎ２Ｏスリップ量を十分に抑制する観点からは、鉄担持金属酸化物粒子の全質量に対して、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）換算の鉄の質量が占める割合として、０．５質量％以上、１質量％以上、３質量％以上、５質量％以上、６質量％以上、又は７質量％以上であってよい。一方で、鉄担持量を、２０質量％以下、１５質量％以下、１２質量％以下、又は１０質量％以下としても、十分に高いＮ２Ｏスリップ量の抑制効果が得られる。
鉄担持金属酸化物粒子中の鉄（例えば、酸化第二鉄）は、粒子状であってよく、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度の粒径を有していてよい。
このような鉄担持金属酸化物粒子は、例えば、所望の金属酸化物粒子を用いて、例えば、スプレードライ法、含侵法等の適宜の方法によって調製されたものであってよい。
スプレードライ法による鉄担持金属酸化物粒子の製造は、例えば、以下の工程を含む方法によって行われてよい：
所望の金属酸化物粒子のゾルと、鉄化合物とを、適当な溶媒（例えば水）中で混合して、混合液を調製すること；
得られた混合液を、スプレードライして、乾燥粉末状態の前駆体粒子ゲルを得ること；及び
得られた前駆体粒子ゲルを焼成すること。
含侵法による鉄担持金属酸化物粒子の製造は、例えば、以下の工程を含む方法によって行われてよい：
所望の金属酸化物粒子を、鉄化合物を適当な溶媒（例えば水）中に溶解した溶液中に浸漬すること；及び
浸漬後の金属酸化物粒子を焼成すること。
スプレードライ法及び含侵法に用いる鉄化合物は、溶媒可溶の鉄化合物であってよく、水溶性の鉄化合物であってよく、具体的には、例えば、硫酸鉄、硝酸鉄、塩化鉄、ヘキサシアノ鉄酸カリウム等であってよい。
鉄担持金属酸化物粒子の一次粒径は、０．０１μｍ以上、０．０３μｍ以上、又は０．０５μｍ以上であってよく、１μｍ以下、０．５μｍ以下、又は０．２μｍ以下であってよい。
鉄担持金属酸化物粒子において、金属酸化物粒子上に担持されている鉄は、できるだけ高分散されていることが望ましい。具体的には、鉄担持金属酸化物粒子の粉砕物について測定したＸＲＤにおいて、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）に帰属される結晶ピークが観察されない程度に高分散されていてよい。ＸＲＤ測定において、酸化第二鉄の結晶ピークは、概ね２θ＝３１°付近及び５１°付近に観測される。
本発明の排ガス浄化触媒装置における鉄担持金属酸化物粒子の量は、基材１Ｌ当たりの鉄担持金属酸化物の質量として、Ｎ２Ｏスリップ量の抑制効果を十分に高くする観点から、１ｇ／Ｌ以上、３ｇ／Ｌ以上、５ｇ／Ｌ以上、１０ｇ／Ｌ以上、又は１２ｇ／Ｌ以上であってよく、排ガス浄化触媒装置の圧損を抑制する観点から、３０ｇ／Ｌ以下、２５ｇ／Ｌ以下、２０ｇ／Ｌ以下、１８ｇ／Ｌ以下、又は１５ｇ／Ｌ以下であってよい。
同様の観点から、排ガス浄化触媒装置における鉄の量は、前記基材１Ｌ当たりの酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）換算の鉄の質量として、０．３ｇ／Ｌ以上、０．５ｇ／Ｌ以上、１．７ｇ／Ｌ以上、又は１．０ｇ／Ｌ以上であってよく、１．３ｇ／Ｌ以下、１．２ｇ／Ｌ以下、１．１ｇ／Ｌ以下、又は１．０ｇ／Ｌ以下であってよい。
〈Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と鉄担持金属酸化物粒子との割合〉
本発明の排ガス浄化触媒装置では、特定触媒層における、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、鉄担持金属酸化物粒子との割合は、ＳＣＲ触媒能と、Ｎ２Ｏスリップ量の抑制効果とのバランスの観点から、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト及び鉄担持金属酸化物の合計質量に対する鉄担持金属酸化物の質量割合（質量百分率）として、５質量％以上、７質量％以上、１０質量％以上、１２質量％以上、又は１５質量％以上であってよく、２０質量％以下、１８質量％以下、１５質量％以下、又は１２質量％以下であってよい。
〈特定触媒層の任意成分〉
本発明の排ガス浄化触媒装置における特定触媒層は、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子、及び鉄担持金属酸化物粒子の双方を含む。この特定触媒層は、これら以外に、他の任意成分を含んでいてよい。
特定触媒層に含まれる他の成分は、例えば、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子及び鉄担持金属酸化物粒子以外の他の金属酸化物粒子、バインダー等であってよい。
他の金属酸化物粒子は、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリア等から選択される、１種の金属の酸化物粒子、又は２種以上の金属の複合酸化物粒子であってよい。バインダーは、例えば、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、ジルコニアゾル等の金属酸化物ゾルの焼成硬化物であってよい。
〈特定触媒層の量〉
本発明の排ガス浄化触媒装置における特定触媒層の量（コート量）は、基材１Ｌ当たりの特定触媒層の質量として、十分に高いＳＣＲ触媒能を発現する観点から、８０ｇ／Ｌ以上、１００ｇ／Ｌ以上、１２０ｇ／Ｌ以上、１３０ｇ／Ｌ以上、又は１４０ｇ／Ｌ以上であってよく、排ガス浄化触媒装置の圧損を抑制する観点から、２５０ｇ／Ｌ以下、２００ｇ／Ｌ以下、１８０ｇ／Ｌ以下、１６０ｇ／Ｌ以下、１５０ｇ／Ｌ以下、又は１４０ｇ／Ｌ以下であってよい。
〈その他の触媒層〉
本発明の排ガス浄化触媒装置は、特定触媒層を有する。本発明の排ガス浄化触媒装置は、必要に応じて、特定触媒層以外に、その他の触媒層を有していてもよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置におけるその他の触媒層は、例えば、ＮＯｘの酸化能を示す触媒層、ＡＳＣ（Ａｍｍｏｎｉａ Ｓｌｉｐ Ｃａｔａｌｙｓｔ、アンモニアスリップ触媒）能を示す触媒層等であってよい。これらは、公知の触媒層と同様の構成を有していてよい。また、本発明の排ガス浄化触媒装置において、特定触媒層とその他の触媒層とは、基材上に任意の順に積層されて存在してよく、或いは、基材上に、任意の順で、排ガス流れ方向の上流側及び下流側の触媒層として存在してよい。
《排ガス浄化触媒装置の製造方法》
本発明の排ガス浄化触媒装置は、上記の構成を有している限り、任意の方法によって製造されてよい。本発明の排ガス浄化触媒装置の一例として、基材上に特性触媒層を単層で有する場合を例にとり、その製造方法として、以下の方法を例示する：
（１）Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、鉄担持金属酸化物粒子とを、混合して湿式粉砕し、触媒層形成用スラリーを得ること（触媒層形成用スラリー調製工程）、及び
（２）基材上に、触媒層形成用スラリーを塗布して焼成し、基材上に触媒層を形成すること（触媒層形成工程）
を含む、排ガス浄化触媒装置の製造方法。
触媒層形成用スラリー調製工程では、本発明所定のＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、本発明所定の鉄担持金属酸化物粒子とを、所定の割合で混合して湿式粉砕し、触媒層形成用スラリー（特定触媒層形成用スラリー）を得る。
この触媒層形成用スラリー調製工程における粉砕は、各粒子の粒径を均一とし、触媒活性を安定化する観点、及び、特にＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子の結晶欠陥の発生を抑制する観点から、適当な液状媒体（例えば水）中で行う湿式粉砕によって行われる。
湿式粉砕は、例えば、適当な液状媒体を用いて、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、エアジェットミル等の適宜の粉砕装置を用いて行われてよい。
触媒層形成工程では、基材上に、触媒層形成用スラリーを塗布して焼成して、基材上に触媒層を形成する。
基材は、所望の排ガス浄化触媒装置における基材に応じて、適宜に選択されてよく、例えば、コージェライト製のストレートフロー型のモノリスハニカム基材であってよい。
基材上への触媒層形成用スラリーを塗布及び焼成は、それぞれ、公知の方法により、又は公知の方法に当業者による適宜の変更を加えた方法により、行われてよい。なお、焼成温度は、例えば、３００℃以上、３５０℃以上、４００℃以上、４５０℃以上、又は５００℃以上であってよく、例えば、１，０００℃以下、８００℃以下、７００℃以下、６００℃以下、５５０℃以下、又は５００℃以下であってよい。
《排ガス浄化触媒装置の用途》
本発明の排ガス浄化触媒装置は、例えば、ディーゼル内燃機関、ガソリン内燃機関等から排出される排ガスを浄化するための、選択的接触還元（ＳＣＲ）用の触媒装置として使用されてよい。
本発明の排ガス浄化触媒装置は、また、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔ Ｆｉｌｔｅｒ、ディーゼル微粒子捕集フィルター）装置、ＧＰＦ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔ Ｆｉｌｔｅｒ、ガソリン微粒子捕集フィルター）装置、ＡＳＣ（Ａｍｍｏｎｉａ Ｓｌｉｐ Ｃａｔａｌｙｓｔ、アンモニアスリップ触媒）装置等から選択される１つ以上と組み合わされて、排ガス浄化触媒システムの一部として用いられてよい。
《排ガス浄化方法》
本発明は、更に、本発明の排ガス浄化触媒装置を用いて排ガスを浄化する、排ガス浄化方法を提供する。
本発明の排ガス浄化方法は、本発明の排ガス浄化触媒装置に、排ガス及び還元剤を供給して、排ガス中のＮＯｘをＮ２に還元することを含む、方法である。
本発明の排ガス浄化方法における還元剤は、例えば、アンモニア、アンモニア水、尿素、炭化水素、霧状の燃料等であってよい。本発明の排ガス浄化触媒装置は、ＳＣＲ反応において還元剤として用いられるアンモニア（ＮＨ３）に由来する、Ｎ２Ｏ生成が極めて抑制されたものであるから、還元剤としては、特に、アンモニア、アンモニア水、及び尿素から選択される１種以上を用いてよい。
以下の実施例では、基材として、セル密度４００ｃｐｓｉ（ｃｅｌｌ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ、壁厚６ｍｉｌ（０．１５ｍｍ）、容量３５ｍＬのコージェライト製のハニカム基材を使用した。
Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子としては、シリカ／アルミナのモル比（ＳＡＲ）が７．５、ＣｕとＡｌとのモル比（Ｃｕ／Ａｌ）が０．２５の粒子を使用した。
《実施例１》
（１）触媒層形成用スラリーの調製
純水２００質量部中に、シリカバインダーゾル分散液１００質量部（乾燥質量１５質量部）、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子８５質量部、及び鉄担持金属酸化物粒子としての、鉄アルミナ粒子（スプレードライ法鉄アルミナ粒子、Ｆｅ２Ｏ３担持量９．０質量％）２質量部を、この順に混合し、湿式粉砕法にて粉砕することにより、触媒層形成用スラリーを得た。
（２）排ガス浄化触媒装置の製造
基材上に、上記で得られた触媒層形成用スラリーを、焼成後のコート量が１４２．８ｇ／Ｌとなるように塗布し、２５０℃において乾燥後、５００℃にて１時間焼成することにより、基材上に触媒層を形成して、排ガス浄化触媒装置を製造した。この外ガス浄化触媒装置の触媒層における、添加剤（鉄アルミナ粒子）のコート量は、２．８ｇ／Ｌであった。次いで、この排ガス浄化触媒装置を、水熱耐久炉中、６３０℃にて５０時間耐久した後に、ＳＣＲ性能の評価に供した。
（３）ＳＣＲ性能の評価
上記で得られた排ガス浄化触媒装置のＳＣＲ性能の評価は、モデルガスを用いて行った。
先ず、排ガス浄化触媒装置を加熱して、室温から６００℃まで２５℃／分の昇温速度で昇温させながら、排ガス浄化触媒装置中に、下記表１に示したガス条件１の組成のガスを、空間速度（ＳＶ）６０，０００ｈ－１にて流通させた。装置の温度が６００℃に到達した直後に、加熱を止めて装置を放冷した。装置温度が５００℃まで下がった後、この温度を維持しながら、下記表２に示したガス条件２の組成のガスを、空間速度（ＳＶ）６０，０００ｈ－１にて流通させて、排出ガスの組成を調べ、ＮＯｘの浄化率、及びＮ２Ｏスリップ量を算出した。結果は表３に示す。
Figure 0006994079000001
《実施例２～４、並びに比較例１及び２》
スプレードライ法鉄アルミナ粒子におけるＦｅ２Ｏ３担持量を、表３に示したように変更した他は、実施例１と同様にして、それぞれ触媒層形成用スラリーを調製した。これを用いて、焼成後のコート量が表３に記載の値となるように、塗布量を変更した他は、実施例１と同様にして、基材上に触媒層形成用スラリーを塗布し、乾燥及び焼成を行って、排ガス浄化触媒装置を製造した。
なお、比較例２では、触媒層形成用スラリー調製の際の純水の使用量を、２５０質量部とした。
得られた排ガス浄化触媒装置について、実施例１と同様にして、耐久及びＳＣＲ性能の評価を行った。結果は表３に示す。
《実施例５》
スプレードライ法鉄アルミナ粒子の代わりに、含侵法によりアルミナ上に同量のＦｅ２Ｏ３を担持した、含侵法鉄アルミナ粒子を用いた他は、実施例３と同様にして、排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。結果は表３に示す。
《比較例３》
スプレードライ法鉄アルミナ粒子の代わりに、アルミナ９．１質量部及び酸化鉄０．９質量部との混合物を用いた他は、実施例３と同様にして、排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。結果は表３に示す。
Figure 0006994079000002
本発明の排ガス浄化触媒装置の評価では、ＮＯｘ浄化率の値は、大きい方が良好であり、Ｎ２Ｏスリップ量の値は、小さい方が良好である。
表３を参照すると、鉄担持金属酸化物粒子を含まない比較例１と比べて、鉄担持金属酸化物粒子を含む実施例１～４では、Ｎ２Ｏスリップ量が抑制されており、更に、コート層中の鉄担持金属酸化物粒子の割合が増えるにしたがって、Ｎ２Ｏスリップ量が減少して行く傾向が見られた。しかしながら、コート層中の鉄担持金属酸化物粒子の割合が２．０質量％を超え、４．８質量％程度以上では、Ｎ２Ｏスリップ量の減少傾向が緩やかになった。
これらのことから、コート層中の鉄担持金属酸化物粒子の割合は、Ｎ２Ｏスリップ量を抑制する観点からは、２．０質量％以上、３．０質量％以上、４．０質量％以上、又は４．５質量％以上であってよく、配合の実効性の観点からは、２０質量％以下、１８質量％以下、又は１６質量％以下であってよいと考えられる。
また、排ガス浄化触媒装置中の鉄の量（基材１Ｌ当たりの酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）換算の鉄の質量）が、０．３ｇ／Ｌ以上２．５ｇ／Ｌ以下の範囲であれば、比較例と比べて、Ｎ２Ｏスリップ量が抑制されており、良好な結果が得られた。更に、排ガス浄化触媒装置中の鉄の量が、０．６ｇ／Ｌ以上２．５ｇ／Ｌ以下の範囲では、比較例と比べて、ＮＯｘ浄化能にも優れていた。
なお、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライトを含まない比較例２では、触媒層がＮＯｘ分解能を有さないため、Ｎ２Ｏスリップ量は、見かけ上０．００となった。また、比較例２の触媒装置では、ＮＨ３の酸化反応が起こっており、そのため、ＮＯｘ浄化率は、計算上、負の値を示した。
《実施例６及び７》
鉄アルミナ粒子におけるＦｅ２Ｏ３担持量を、表４に示したように変更した他は、実施例３と同様にして、それぞれ触媒層形成用スラリーを調製し、これを用いて、排ガス浄化触媒装置を製造した。
得られた排ガス浄化触媒装置について、実施例１と同様にして、耐久及びＳＣＲ性能の評価を行った。結果は、比較例１及び実施例３の評価結果とともに、表４に示す。
Figure 0006994079000003
表４を参照すると、鉄担持金属酸化物粒子を含まない比較例１と比べて、鉄担持金属酸化物粒子を含む実施例３、６、及び７では、Ｎ２Ｏスリップ量が抑制されており、更に、鉄担持金属酸化物粒子中のＦｅ２Ｏ３担持割合が増えるにしたがって、Ｎ２Ｏスリップ量が減少して行く傾向が見られた。このことから、コート層中の鉄担持金属酸化物粒子中のＦｅ２Ｏ３担持割合は、２．０質量％以上であれば、Ｎ２Ｏスリップ量の抑制効果を発現させることができ、３．０質量％以上、４．０質量％以上、又は５．０質量％以上であれば、Ｎ２Ｏスリップ量の抑制効果が好適に発現されることが確認された。
《実施例８～１１》
鉄アルミナ粒子の代わりに、表５に示した鉄担持金属酸化物粒子（Ｆｅ２Ｏ３担持量９．０質量％）をそれぞれ用いた他は、実施例３と同様にして、それぞれ触媒層形成用スラリーを調製し、これを用いて、排ガス浄化触媒装置を製造した。
得られた排ガス浄化触媒装置について、実施例１と同様にして、耐久及びＳＣＲ性能の評価を行った。結果は、比較例１及び実施例３の評価結果とともに、表５に示す。
Figure 0006994079000004
表５中の鉄担持金属酸化物粒子欄の略称は、それぞれ以下の意味である。
スプレードライ法鉄アルミナ：γ－アルミナ上に酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）が担持された粒子、スプレードライ法により製造
スプレードライ法鉄シリカアルミナ：シリカアルミナ（ＳｉＯ２：Ａｌ２Ｏ３＝５：９５（質量比））上に酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）が担持された粒子、スプレードライ法により製造
スプレードライ法鉄チアニア：チタニア上に酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）が担持された粒子、スプレードライ法により製造
スプレードライ法鉄セリア：セリア上に酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）が担持された粒子、スプレードライ法により製造
表５の結果から、鉄担持金属酸化物粒子における担体として、アルミナの他、シリカアルミナ、チタニア、セリア等を用いた場合でも、本発明所期の効果が発現されることが確認された。
《比較例４》
（１）触媒層形成用スラリー１の調製
純水２５０質量部中に、アルミナバインダーゾル５質量部、及び鉄担持金属酸化物粒子としての、鉄アルミナ（Ｆｅ２Ｏ３含量９．０質量％）粒子９５質量部を、この順に混合し、湿式粉砕法にて粉砕することにより、触媒層形成用スラリー１を得た。
（２）触媒層形成用スラリー２の調製
純水２００質量部中に、シリカバインダーゾル分散液１００質量部（乾燥質量１５質量部）、及びＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子８５質量部を、この順に混合し、湿式粉砕法にて粉砕することにより、触媒層形成用スラリー２を得た。
（３）排ガス浄化触媒装置の製造
基材上に、触媒層形成用スラリー１を、焼成後のコート量が１４ｇ／Ｌとなるように塗布し、２５０℃において乾燥した。次いで、触媒層形成用スラリー１を塗布及び乾燥後の基材上に、触媒層形成用スラリー２を、焼成後のコート量が１４０ｇ／Ｌとなるように塗布し、２５０℃において乾燥した後、５００℃にて１時間焼成することにより、基材上に、鉄担持金属酸化物粒子を含む下層、及びＣｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子を含む上層から成る触媒層を形成して、排ガス浄化触媒装置を製造した。
（４）ＳＣＲ性能の評価
上記で得られた排ガス浄化触媒装置について、実施例１と同様にして、ＳＣＲ性能の評価を行った。結果は表６に示す。
《比較例５》
比較例４と同様にして調製した、触媒層形成用スラリー１及び触媒層形成用スラリー２を用い、塗布する順番を逆にした他は、比較例３と同様にして、基材上に、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子を含む下層（コート量１４０ｇ／Ｌ）、及び鉄担持金属酸化物粒子を含む上層（コート量１４ｇ／Ｌ）から成る触媒層を形成して、排ガス浄化触媒装置を製造した。得られた排ガス浄化触媒装置について、実施例１と同様にして、ＳＣＲ性能の評価を行った。結果は表６に示す。
《比較例６》
比較例１と同様にして得られた排ガス浄化触媒装置を、排ガス流れの上流側に、
比較例２と同様にして得られた排ガス浄化触媒装置を、排ガス流れの下流側に、
配置して、これらを直列に接続して、タンデム型の排ガス浄化触媒システムとした。得られた排ガス浄化触媒システムについて、実施例１と同様にして、ＳＣＲ性能の評価を行った。結果は表６に示す。
《比較例７》
比較例２と同様にして得られた排ガス浄化触媒装置を、排ガス流れの上流側に、
比較例１と同様にして得られた排ガス浄化触媒装置を、排ガス流れの下流側に、
配置して、これらを直列に接続して、タンデム型の排ガス浄化触媒システムとした。得られた排ガス浄化触媒システムについて、実施例１と同様にして、ＳＣＲ性能の評価を行った。結果は表６に示す。
Figure 0006994079000005
実施例３は、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、鉄担持金属酸化物粒子とが混合された、単層の触媒コート層を有する、本発明の触媒装置の一例に関する。実施例３の触媒装置における触媒コート層では、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、鉄担持金属酸化物粒子とが、同一の触媒コート層内で混合されており、両者の接触頻度は高いと考えられる。この実施例３では、Ｎ２Ｏスリップ量は、極めて少ない。
比較例４及び５は、それぞれ、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子を含む層と、鉄担持金属酸化物粒子を含む層とが積層された二層構成の触媒コート層を有する、触媒装置に関する。これらの比較例の触媒コート層では、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、鉄担持金属酸化物粒子とは、両層の接触界面においてのみ、接触している。比較例４及び５では、実施例３と比べて、Ｎ２Ｏスリップ量の抑制が不十分であった。
比較例６及び７は、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子を含む触媒コート層を有する触媒装置と、鉄担持金属酸化物粒子を含む触媒コート層を有する触媒装置と、が、直列に連結されたタンデム型の触媒システムに関する。これらの比較例の触媒コート層では、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、鉄担持金属酸化物粒子とは、接触していない。比較例６及び７では、比較例４及び５と比べて、Ｎ２Ｏスリップ量が更に多かった。
上記のとおり、Ｎ２Ｏスリップ量の抑制効果は、タンデム型の比較例６及び７、二層構成の比較例４及び５、単層構成の実施例３の順に、向上していくことが分かった。このことから、Ｎ２Ｏスリップ量を抑制する観点から、Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、鉄担持金属酸化物粒子とを同一の触媒層内に配置して、両者の接触頻度を高くすることが望ましいことが分かった。
《分析例１》
上記の実施例３で使用したスプレードライ法鉄アルミナ粒子を粉砕して、ＸＲＤを測定した。その結果、２θ＝３１°付近及び５１°付近に、Ｆｅ２Ｏ３結晶に由来するピークは観測されず、アルミナ上にＦｅ２Ｏ３が極めて高分散にて担持されていることが確認された。
ＸＲＤの測定条件は、以下のとおりとした。
ＸＲＤ測定装置：（株）リガク製、粉末・薄膜Ｘ線回折装置、型式名「ＲＩＮＴ ＴＴＲ ＩＩＩ」
測定方法：ステップスキャニング法
送り速度：４°／分
回折角範囲：２θ＝５～８５°
ステップ幅：０．０２°
加速電圧：４０ｋＶ
加速電流：２５０ｍＡ
《分析例２》
上記の実施例５で使用した含侵法鉄アルミナを粉砕して、分析例１と同様にして、ＸＲＤを測定した。その結果、２θ＝３１°付近及び５１°付近に、それぞれ、Ｆｅ２Ｏ３結晶に帰属されるピークが観測され、アルミナ上でＦｅ２Ｏ３が凝集して結晶相を形成していることが分かった。２θ＝３１°付近のピークは、ショルダーピークである。
分析例１で得られたＸＲＤチャートを、図１～図３に、分析例２で得られたＸＲＤチャートを、図４～図６に、それぞれ示す。図１及び図４は、それぞれ、２θ＝１０°～８０°の広域図であり、図２及び図４は、それぞれ、２θ＝２９°～３５°の範囲の拡大図であり、図３及び図６は、それぞれ、４８°～５４°の範囲の拡大図である。
分析例２に関する図４～図６において、Ｆｅ２Ｏ３結晶に帰属されるピークには、矢印を付した。
なお、これらのＳＲＤチャートにおいて、２θ＝２０°、３３°、３７°、３９．５°、４６°、６０°、及び６７°付近に見られるピークは、いずれも、γ－アルミナ結晶に帰属されると考えられる。

Claims (9)

  1. 基材と、前記基材上の１又は複数の触媒層とを含む排ガス浄化触媒装置であって、
    前記１又は複数の触媒層のうちの少なくとも１つの触媒層が、
    Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子、及び
    金属酸化物粒子上に鉄が担持された、鉄担持金属酸化物粒子
    の双方を含む、
    排ガス浄化触媒装置。
  2. 前記金属酸化物粒子が、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、及びセリアより成る群から選択される、１種の金属の酸化物粒子、又は２種以上の金属の複合酸化物粒子である、請求項１に記載の排ガス浄化触媒装置。
  3. 前記金属酸化物粒子が、アルミナ粒子である、請求項２に記載の排ガス浄化触媒装置。
  4. 前記排ガス浄化触媒装置における鉄の量が、前記基材１Ｌ当たりの酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）換算の鉄の質量として、０．３ｇ／Ｌ以上１．３ｇ／Ｌ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
  5. 前記排ガス浄化触媒装置における鉄の量が、前記基材１Ｌ当たりの酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）換算の鉄の質量として、０．６ｇ／Ｌ以上１．３ｇ／Ｌ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
  6. 前記触媒層における、前記Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、前記鉄担持金属酸化物粒子との割合が、両者の合計に対する鉄担持金属酸化物粒子の質量百分率として、５質量％以上２０質量％以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
  7. 選択的接触還元用である、請求項１～６のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置の製造方法であって、
    （１）前記Ｃｕ－ＣＨＡ型ゼオライト粒子と、前記鉄担持金属酸化物粒子とを、混合して湿式粉砕し、触媒層形成用スラリーを得ること、及び
    （２）前記基材上に、前記触媒層形成用スラリーを塗布して焼成し、前記基材上に前記触媒層を形成すること
    を含む、
    排ガス浄化触媒装置の製造方法。
  9. 請求項７に記載の排ガス浄化触媒装置を用いて排ガスを浄化する、排ガス浄化方法であって、
    前記排ガス浄化触媒装置に、排ガス及び還元剤を供給して、前記排ガス中のＮＯｘをＮ２に還元することを含む、
    排ガス浄化方法。
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