JP7017621B2 - 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。
排ガス浄化触媒は、自動車等の内燃機関からの排ガスに含まれる、例えば、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を浄化するために用いられている。このような排ガス浄化触媒は、典型的には、基材と、基材上に形成された無機酸化物及び貴金属を含む触媒コート層とを有する。
このような排ガス浄化触媒では、触媒コート層を、Ｐｄを含む下層、及びＲｈを含む上層の２層構造とすることにより、触媒性能を向上しようとする技術が提案されている（特許文献１）。また、下層に含まれるＰｄ、及び上層に含まれるＲｈを、それぞれ、各層の表層付近に偏在させることにより、Ｐｄ及びＲｈの利用効率を高めようとする技術が提案されている（特許文献２）。
なお、貴金属溶液を用いて、基材に貴金属を担持する方法として、特許文献３が知られている。
ところで従来、上記のような排ガス浄化触媒装置における触媒コート層は、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、無機酸化物粒子から構成される基材に、貴金属が担持された排ガス浄化触媒が提案されている（特許文献４）。
特開平７－６０１７号公報 特開２０１１－２５５３７８号公報 特開２００８－３０２３０４号公報 特開２０１５－８５２４１号公報
従来知られている排ガス浄化触媒装置では、例えばエンジン始動時等の暖機時の排ガス浄化能の向上要請には、十分に対応できていない。
そこで本発明の目的は、例えばエンジン始動時等の暖機時であっても、十分に高い排ガス浄化能を発揮することができる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〉第１の担体粒子及びロジウムを含む上層と、第２の担体粒子を含む下層とを有し、
前記上層のうち、排ガス流れの上流側端部から上層長さの５０％までの範囲、かつ、上層最表面から深さ方向に１８μｍまでの範囲に、ロジウム濃化部を有し、
前記ロジウム濃化部が、上層に含まれる全ロジウムの５０％以上１００％未満のロジウムを含んでいる、排ガス浄化触媒装置。
〈態様２〉前記ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の範囲が、上層の排ガス流れの上流側端部から上層長さの３０％までの範囲である、〈態様１〉に記載の排ガス浄化触媒装置。
〈態様３〉前記ロジウム濃化部の深さ方向の範囲が、上層最表面から深さ方向に１５μｍまでの範囲である、〈態様２〉に記載の排ガス浄化触媒装置。
〈態様４〉前記上層中の第１の担体粒子の全質量を１００質量％としたときの前記上層中のセリアの含有率が、５質量％を超えて２５質量％以下である、〈態様１〉～〈態様３〉のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
〈態様５〉前記上層中の第１の担体粒子の全質量を１００質量％としたときの前記上層中のセリアの含有率が、７質量％以上１５質量％以下である、〈態様４〉に記載の排ガス浄化触媒装置。
〈態様６〉前記ロジウム濃化部のうち、排ガス流れの上流側端部から前記ロジウム濃化部の長さの５０％までの範囲に、前記ロジウム濃化部に含まれるロジウムの５０％以上のロジウムが存在している、〈態様１〉～〈態様５〉のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
〈態様７〉前記下層及び前記上層が基材上に存在している、〈態様１〉～〈態様６〉のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
〈態様８〉前記下層が基材の一部又は全部を構成し、前記上層が前記下層上に存在している、〈態様１〉～〈態様６のずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置。
〈態様９〉第１の担体粒子及びロジウムを含む上層と、第２の担体粒子を含む下層とを有する排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス上流側端部に、ロジウム前駆体を含む塗工液を供給した後、前記前駆体の排ガス下流側端部から吸引する工程を含む、〈態様１〉～〈態様８〉のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置を製造する方法。
本発明によると、暖機時であっても、十分に高い排ガス浄化能を発揮することができる排ガス浄化触媒装置が提供される。
図１は、本発明の排ガス浄化触媒装置の典型的な構成を示す概略断面図である。
《排ガス浄化触媒装置》
本発明の排ガス浄化触媒装置の典型的な構成を、図１に示した。
図１の排ガス浄化触媒装置（１００）は、
第１の担体粒子及びロジウムを含む上層（１０）と、第２の担体粒子を含む下層（２０）とを有し、
上層（１０）のうち、排ガス流れの上流側端部から上層長さの５０％までの範囲（ａ）、かつ、上層最表面から深さ方向に１８μｍまでの範囲（ｂ）に、ロジウム濃化部（１１）を有し、このロジウム濃化部（１１）が、上層（１０）に含まれる全ロジウムの５０％以上１００％未満のロジウムを含んでいる。
図１の排ガス浄化触媒装置（１００）の上層（１０）は、排ガス流れの上流側の表面付近のロジウム濃化部（１１）、及び上層の他の部分（１２）から構成されている。
ロジウム濃化部（１１）は、上層（１０）に含まれる全ロジウムのうちの５０％以上１００％未満のロジウムを含んでいる。
上層に含まれるロジウムを、排ガス流れの上流側に集中配置することにより、暖機時等の、排ガス浄化装置の温度が低いときであっても、流れの上流側のロジウム濃化部で、ＨＣ及びＣＯを用いてＮＯｘを効率よく浄化することができる。更に、このロジウム濃化部の浄化反応で生じた反応熱によって、下流側の排ガス浄化も促進されることになる。
また、ロジウムを上層の表面付近に集中配置することにより、排ガスがロジウムに接触する機会を増加することができるから、効率よい排ガス浄化が可能となる。
以下、本発明の排ガス浄化触媒装置の好ましい実施形態（以下、「本実施形態」ともいう。）を例として、排ガス浄化触媒装置の構成について説明する。
〈ロジウム濃化部〉
本実施形態の排ガス浄化触媒装置のロジウム濃化部は、第１の担体粒子及びロジウムを含む上層のうち、排ガス流れの上流側端部から上層長さの５０％までの範囲、かつ、上層最表面から深さ方向に１８μｍまでの範囲に配置される。
ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の範囲は、排ガス流れの上流側端部から上層長さの５０％までの範囲内である。ロジウム濃化部が、排ガス流れの上流側端部から上層長さの５０％までの範囲内に配置されていると、ロジウムの集中配置の程度が十分に高くなり、このことによって、暖機時であっても、触媒コート層の下流側を十分に温めるだけの反応熱を生成することができる。ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の範囲は、排ガス流れの上流側端部から、上層長さの４５％まで、４０％まで、３５％まで、３０％まで、又は２５％までの範囲内であってもよい。
一方で、効率的な排ガス浄化のためには、ロジウムが集中配置されたロジウム濃化部が有意の長さを持っていることが望まれる。この観点からは、ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の範囲は、排ガス流れの上流側端部から、上層長さの５％以上、１０％以上、１５％以上、又は２０％以上の範囲にわたって配置されてよい。
ロジウム濃化部の触媒コート層深さ方向の範囲は、上層最表面から深さ方向に１８μｍまでの範囲である。ここで「上層最表面」とは、上層が排ガス流れに接する側の表面、すなわち、下層と接する表面と反対側の表面をいう。ロジウム濃化部が、上層最表面から、深さ方向に１８μｍまでの範囲内に配置されていると、排ガスの空間速度（ＳＶ）が大きいときでも、排ガスはロジウム濃化部の深さ方向の全部に拡散することができ、ロジウムを有効に利用することができる。ロジウム濃化部の触媒コート層深さ方向の範囲は、上層最表面から、深さ方向に１７μｍ、１６μｍ、１５μｍ、１４μｍ、又は１３μｍまでであってもよい。
ロジウム濃化部におけるロジウムの含有率は、上層に含まれる全ロジウムの５０％以上１００％未満の範囲である。ロジウム濃化部のロジウム含有率が、上層の全ロジウムの５０％以上であることにより、ロジウム濃化部にロジウムを集中配置することの効果が十分に発現される。一方、ロジウム濃化部のロジウム含有率を１００％未満に留め、上層の他の部分にも少量のロジウムを配置することにより、上層に任意的に含まれる酸素放出材（ＯＳＣ材、例えばセリア）からの酸素放出が促進される。そのため、例えばリッチ条件のときに、触媒コート層内の雰囲気をストイキ付近に維持することが容易となり、排ガス浄化能が高いレベルで維持されることとなる。ロジウム濃化部以外の上層の他の部分におけるロジウムの含有量については、後述する。
上述したとおり、本実施形態の排ガス浄化触媒装置では、上層のうちの排ガス流れ上流側にロジウムを集中配置することにより、暖機時の触媒効率が向上されている。この趣旨を徹底して、ロジウム濃化部の範囲内にも濃度勾配を設け、その上流側に相対的に多くのロジウムを更に集中して配置することにより、暖機時の触媒効率を更に高くすることができる。
このような観点から、ロジウム濃化部のうち、排ガス流れの上流側端部からロジウム濃化部の長さの５０％までの範囲に、ロジウム濃化部に含まれるロジウムの５０％以上の量のロジウムが配置されてよい。この範囲に含まれるロジウムの量は、ロジウム濃化部に含まれるロジウムの５１％以上、５３％以上、５５％以上、５７％以上、５８％以上、６０％以上、又は６５％以上であってよい。
一方で、効率的な排ガス浄化のためには、ロジウム濃化部がその長さの全部にわたって有意量のロジウムを含んでいることが望まれる。この観点からは、ロジウム濃化部のうち、排ガス流れの上流側端部からロジウム濃化部の長さの５０％までの範囲に配置されるロジウムの割合は、ロジウム濃化部に含まれるロジウムの、８０％以下、７５％以下、７０％以下、６５％以下、又は６０％以下であってよい。
ロジウム濃化部は、上層の一部を構成する。したがって、ロジウム濃化部の構成のうちの、ロジウム含量以外については、後述の上層についての説明がそのまま妥当する。例えば、ロジウム濃化部に含まれるロジウムは、上層に含まれる第１の担体粒子に担持されていてよい。
〈上層〉
本実施形態の排ガス浄化触媒装置の上層は、第１の担体粒子及びロジウムを含む。
（第１の担体粒子）
第１の担体粒子は、無機酸化物の粒子であってよい。
第１の担体粒子を構成する無機酸化物は、例えば、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、チタニウム、希土類元素等から選択される１種以上の酸化物であってよい。無機酸化物として、好ましくは、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ゼオライト、チタニア、ジルコニア、セリア、及びセリア以外の希土類元素の酸化物から選択される１種以上である。無機酸化物として、特に好ましくは、アルミナ及びジルコニアを含むか、又は、アルミナ、及びセリア－ジルコニア複合酸化物（ＣＺ）を含む場合である。アルミナ及びジルコニア、又は、アルミナ及びＣＺとともに、セリア以外の希土類元素の酸化物を含む場合も、本実施形態の好ましい態様である。
本実施形態の排ガス浄化触媒装置における上層は、上層中の第１の担体粒子の全質量を１００質量％としたときのセリアの含有率が、２５質量％以下の範囲であってよい。上層におけるセリアの含有量が制限されることが好ましいのは、以下の理由による。
触媒コート層が、酸素貯蔵能を有するセリアを含むことにより、リッチ条件下又はリーン条件下でも、触媒コート層内をストイキ付近の状態に維持することができる。一方で、例えばエンジン始動時等の暖機時には、ロジウムが速やかに還元されて活性状態になることが必要である。ここで、触媒コート層のセリア量が過度に多いと、セリアから放出される酸素量が過大となり、ロジウムの還元が遅延して、排ガス浄化触媒装置の早期の活性化が妨げられることがある。これを避けるため、上層のセリアの含有量は、所定値以下に制限されることが好ましいのである。
上記の観点から、上層のセリアの含有量は、上層中の第１の担体粒子の全質量を１００質量％としたときに、２５質量％以下、２３質量％以下、２０質量％以下、１８質量％以下、又は１５質量％以下であってよい。一方、触媒コート層内をストイキ付近の状態に維持する観点からは、上層は、エンジン始動時等のロジウムの速やかな還元を遅延させない範囲で、セリアを含有していてよい。したがって上層のセリアの含有量は、上層中の第１の担体粒子の全質量を１００質量％としたときに、５質量％を超える量であってよく、例えば、６質量％以上、７質量％以上、８質量％以上、又は１０質量％以上であってよい。上層のセリアの含有量が、上層中の第１の担体粒子の全質量を１００質量％としたときに、５質量％を超えて２５質量％以下、又は７質量％以上１５質量％以下の範囲内である場合も、本実施形態の好ましい態様である。
ここで、セリウム原子が複合酸化物（例えばＣＺ）の一部である場合のセリアの含有量とは、ＣｅＯ２の組成に換算した量を意味する。
第１の担体粒子は、一次粒子であってよく、一次粒子が凝集した二次粒子であってもよい。
第１の担体粒子の平均粒径は、例えば、１μｍ以上、３μｍ以上、５μｍ以上、又は１０μｍ以上であってよく、例えば、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、又は２０μｍ以下であってよい。
（ロジウム）
上層は、ロジウムを含む。このロジウムは、上層中の第１の担体粒子に担持されていてよい。
上層のロジウムの含有量は、基材単位容量当たりのロジウムの金属換算質量として、例えば、０．０１ｇ／Ｌ以上、０．０５ｇ／Ｌ以上、０．１０ｇ／Ｌ以上、又は０．１５ｇ／Ｌ以上であってよく、例えば、０．５０ｇ／Ｌ以下、０．４０ｇ／Ｌ以下、０．３５ｇ／Ｌ以下、０．３０ｇ／Ｌ以下であってよい。
ロジウムは、上層のうちの、ロジウム濃化部、及び上層の他の部分に含まれていてよい。
上述したように、上層中の全部のロジウムをロジウム濃化部に配置して、上層の他の部分にロジウムが全く含まないことになると、上層に任意的に含まれるＯＳＣ材からの酸素放出が起こり難くなり、触媒コート層内の雰囲気をストイキ付近に維持することが困難となって排ガス浄化能が損なわれる場合がある。これを避けるため、上層のうちのロジウム濃化部以外の部分は、基材単位容量当たりの金属換算質量として、例えば、０．０１ｇ／Ｌ以上、０．０２ｇ／Ｌ以上、０．０３ｇ／Ｌ以上、０．０４ｇ／Ｌ以上、又は０．０５ｇ／Ｌ以上のロジウムを含んでいてよい。
一方で、ロジウム濃化部にロジウムを集中配置して、暖機時の排ガス浄化能を向上させようとする本発明の効果を発現させるためには、上層のうちのロジウム濃化部以外の部分のロジウム含有量は、基材単位容量当たり、例えば、０．１２ｇ／Ｌ以下、０．１０ｇ／Ｌ以下、又は０．０８ｇ／Ｌ以下であってよい。
（上層の任意成分）
上層は、第１の担体粒子及びロジウム以外の任意成分を含んでいてよい。
上層の任意成分としては、例えば、ロジウム以外の貴金属、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、遷移金属、バインダー等が挙げられる。
ロジウム以外の貴金属は、例えば、ロジウム以外の白金族金属であってよく、具体的には例えば、パラジウム及び白金から選択される１種以上である。しかしながら本実施形態の排ガス浄化触媒装置は、上層にロジウム以外の貴金属を含まなくても十分に高い排ガス浄化能を発揮できるから、上層にロジウム以外の貴金属を配置しなくてもよい。
アルカリ金属化合物としては、例えば、カリウム化合物、リチウム化合物等が挙げられる。アルカリ土類金属化合物としては、例えば、カルシウム化合物、バリウム化合物、ストロンチウム化合物等が挙げられる。これらは、得られる触媒の耐熱性を向上する効果がある。
バインダーは、第１の担体粒子同士の間、及び第１の担体粒子と下層との間を接着して、触媒コート層に機械的強度を付与する機能を有する。このようなバインダーとしては、例えば、アルミナゾル、ジルコニアゾル、シリカゾル、チタニアゾル等が挙げられる。
（上層のコート量）
上層のコート量は、基材単位容量当たりの上層の質量として、例えば、５０ｇ／Ｌ以上、６０ｇ／Ｌ以上、７０ｇ／Ｌ以上、又は８０ｇ／Ｌ以上であってよく、例えば、３００ｇ／Ｌ以下、２５０ｇ／Ｌ以下、２００ｇ／Ｌ以下、又は１５０ｇ／Ｌ以下であってよい。
〈下層〉
本実施形態の排ガス浄化触媒装置の下層は、第２の担体粒子を含む。下層は、第２の担体粒子以外に、貴金属、及びその他の任意成分を含んでいてよい。
（第２の担体粒子）
下層に含まれる第２の担体粒子としては、上層に含まれる第１の担体粒子として上記に例示したものの中から適宜に選択して使用してよい。
（貴金属）
下層は、貴金属を含んでいてよい。これらの貴金属は、下層中の第２の担体粒子に担持されていてよい。
下層の貴金属は、白金族金属であってよく、例えば、ロジウム、パラジウム、及び白金から選択される１種以上である。ここで、本発明の排ガス浄化触媒装置の効果を有効に発現させるためには、ロジウムが上層に集中配置されることが適切である。この観点から、下層に含まれるロジウムの含有率は、本発明の排ガス浄化触媒装置に含まれる全ロジウムを１００％としたときに、５０％未満であってよく、３０％以下、１０％以下、５％以下、又は１％以下であってもよい。下層は、ロジウムを全く含まなくてもよい。
下層は、ロジウム以外の貴金属を含んでいてよく、含んでいることが好ましい。
下層におけるロジウム以外の貴金属は、例えば、ロジウム以外の白金族金属であってよく、具体的には例えば、パラジウム及び白金から選択される１種以上である。下層におけるロジウム以外の貴金属の含有量は、基材単位容量当たり、例えば、０．１ｇ／Ｌ以上、０．２ｇ／Ｌ以上、０．３ｇ／Ｌ以上、０．４ｇ／Ｌ以上、又は０．５ｇ／Ｌ以上であってよく、例えば、１．０ｇ／Ｌ以下、０．８ｇ／Ｌ以下、０．７ｇ／Ｌ以下、又は０．６ｇ／Ｌ以下であってよい。
（下層の任意成分）
下層は、第２の担体粒子、及び任意的に配置される貴金属の他に、これら以外の任意成分を含んでいてよい。
下層の任意成分としては、例えば、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、遷移金属、バインダー等が挙げられる。これらについては、上層の任意成分として上記で説明したのと同様である。
（下層のコート量）
下層のコート量は、基材単位容量当たりの下層の質量として、例えば、５０ｇ／Ｌ以上、６０ｇ／Ｌ以上、７０ｇ／Ｌ以上、又は８０ｇ／Ｌ以上であってよく、例えば、３００ｇ／Ｌ以下、２５０ｇ／Ｌ以下、２００ｇ／Ｌ以下、又は１５０ｇ／Ｌ以下であってよい。
〈基材〉
本実施形態の排ガス浄化触媒装置は、基材上に、上記のような下層及び上層がこの順に存在していてよく、又は下層が基材の一部若しくは全部を構成し、基材の一部若しくは全部である下層上に上層が存在していてもよい。いずれの場合であっても、基材の容量は、例えば１Ｌ程度であってよい。
基材上に下層及び上層が存在している場合の基材としては、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、例えばモノリスハニカム基材であってよい。
下層が基材の一部又は全部を構成する場合には、基材が無機酸化物粒子から構成され、この無機酸化物粒子の一部又は全部が、下層の第２の担体粒子と同種のものであってよい。この場合の基材も、例えばモノリスハニカム基材であってよい。
《排ガス浄化触媒装置の製造方法》
本実施形態の排ガス浄化触媒装置は、例えば、第１の担体粒子及びロジウムを含む上層と、第２の担体粒子を含む下層とを有する排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス上流側端部に、ロジウム前駆体を含む塗工液を供給した後、排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス下流側端部から吸引することを含む方法により、製造されてよい。
〈排ガス浄化触媒装置前駆体の製造〉
排ガス浄化触媒装置前駆体は、例えば、
基材上に、第２の担体粒子を含む下層、及び第１の担体粒子及びロジウムを含む上層を順次に形成する方法（第１の方法）、又は
基材を形成すること、得られた基材上に第１の担体粒子及びロジウムを含む上層を形成することを含み、基材の一部若しくは全部が、第２の担体粒子を含む下層によって構成される方法（第２の方法）
によって製造されてよい。
上記の第１の方法によると、基材上に下層及び上層を有する排ガス浄化触媒装置前駆体が得られる。第２の方法によると、下層が基材の一部又は全部を構成し、基材の一部又は全部である下層上に上層を有する排ガス浄化触媒装置前駆体が得られる。以下、上記第１及び第２の方法について順次に説明する。
〈排ガス浄化触媒装置前駆体の製造（第１の方法）〉
（基材）
排ガス浄化触媒装置前駆体を製造するための第１の方法では、基材として、排ガス浄化触媒装置が有すべき所望の基材を選択して用いてよい。例えば上述したような、コージェライト、無機酸化物粒子等から構成されるモノリスハニカム基材である。
（下層の形成）
このような基材上に、下層の材料又はその前駆体を含有する下層形成用塗工液を塗布し、必要に応じて溶媒を除去した後、焼成することにより、下層を形成することができる。
本実施形態の排ガス浄化触媒装置前駆体の下層は、第２の担体粒子を含有するから、下層形成用塗工液も、上記で説明したものの中から適宜に選択された第２の担体粒子を含有してよい。
排ガス浄化触媒装置前駆体の下層は、排ガス浄化触媒装置の下層と同様に、貴金属、好ましくはパラジウム及び白金から選択される１種以上を含んでいてよい。この場合、下層形成用塗工液中に所望の貴金属の前駆体を含ませることにより、得られる下層にこれらの貴金属を含ませることができる。貴金属の前駆体は、例えば、所望の貴金属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩等であってよい。
下層形成用塗工液には、第２の担体粒子及び任意的に使用される貴金属前駆体の他、上記に説明した下層の任意成分を含有していてよい。
下層形成用塗工液の溶媒は、典型的には水であってよい。
このような下層形成用塗工液を、基材の表面上に塗布し、必要に応じて溶媒を除去した後、焼成することにより、下層を形成することができる。
塗布方法としては、例えば、ディップ法、流し込み法等の公知の方法を制限なく採用することができる。塗布量は、所望のコート層量に応じて適宜に選択される。
塗布後の焼成は、例えば４００～８００℃、好ましくは４５０～６００℃の温度において、例えば５分～４時間分、好ましくは３０分～３時間加熱する方法によることができる。焼成時の周囲雰囲気は、空気中でよい。
（上層の形成）
上記のようにして形成された下層上に、次いで、上層の材料又はその前駆体を含有する上層形成用塗工液を塗布し、必要に応じて溶媒を除去した後、焼成することにより、下層を形成することができる。
本実施形態の排ガス浄化触媒装置前駆体の上層は、第１の担体粒子を含有するから、上層形成用塗工液も、上記で説明したものの中から適宜に選択された第１の担体粒子を含有してよい。
排ガス浄化触媒装置前駆体の上層は、排ガス浄化触媒装置の上層と同様に、ロジウムを含む。この場合、上層形成用塗工液中にロジウム前駆体を含ませることにより、得られる上層にロジウムを含ませることができる。ロジウム前駆体は、例えば、硝酸ロジウム、塩化ロジウム、塩化ロジウムナトリウム、塩化ロジウム五アミン、カルボニルアセチルロジウム等であってよい。
上層形成用塗工液には、第１の担体粒子及びロジウム前駆体の他、上記に説明した上層の任意成分を含有していてよい。
上層形成用塗工液の溶媒は、典型的には水であってよい。
このような上層形成用塗工液を、基材上の下層の表面上に塗布し、必要に応じて溶媒を除去した後、焼成することにより、上層を形成して、排ガス浄化触媒装置前駆体を得ることができる。
上層形成用塗工液の塗布及び焼成は、それぞれ、下層形成用塗工液の塗布及び焼成と同様に行われてよい。
〈排ガス浄化触媒装置前駆体の製造（第２の方法）〉
（基材の形成）
第２の方法では、先ず基材を形成する。ここで、基材の一部若しくは全部は、第２の担体粒子を含む下層によって構成される。本実施形態所定の下層が基材の一部であるとき、この下層は基材の表面を構成していることが望ましい。
第２の方法における基材の形成は、例えば、基材を構成する無機酸化物粒子の一部又は全部として、本実施形態所定の下層における第２の担体粒子を用い、例えば特許文献４に記載の方法に準じて行うことができる。
下層が基材の一部又は全部を構成する場合、該基材は、基材形成用組成物を押出成形し、乾燥及び焼成を行うことにより、得ることができる。基材形成用組成物は、例えば、本実施形態所定の下層における第２の担体粒子を、必要に応じて他の無機酸化物粒子と混合し、更に水及びバインダーを加え、混錬して得ることができる。
所望の下層がロジウム以外の貴金属を含む場合には、基材形成用組成物に、所望の貴金属の前駆体、例えば、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩等を含ませてもよいし、貴金属を含まない下層を形成した後に、所望の貴金属の前駆体の溶液を下層に含浸させて焼成する方法によってもよい。これらの方法により、ロジウム以外の貴金属を有する下層材料によって構成される基材を得ることができる。
（上層の形成）
上記のようにして形成された下層上に、次いで、上層を形成して、排ガス浄化触媒装置前駆体を得ることができる。この上層の形成は、第１の方法における上層の形成と同様に行われてよい。
〈ロジウム濃化部の形成〉
次いで、排ガス浄化触媒装置前駆体の上層の所定の範囲にロジウム濃化部を形成することにより、本実施形態所定の排ガス浄化触媒装置を得ることができる。
ロジウム濃化部は、排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス上流側端部に、ロジウム前駆体を含むロジウム濃化部形成用塗工液を配置した後、排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス下流側端部から吸引する工程を含む方法によって形成されてよい。
ロジウム濃化部形成用塗工液は、ロジウム前駆体を含み、場合により増粘剤を更に含んでよい。
ロジウム前駆体は、例えば、硝酸ロジウム、塩化ロジウム、塩化ロジウムナトリウム、塩化ロジウム五アミン、カルボニルアセチルロジウム等であってよい。
増粘剤は、例えば、セルロース系増粘剤、水溶性高分子、天然物由来の増粘剤等から適宜に選択して用いてよい。
セルロース系増粘剤は、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチル等、及びこれらのナトリウム塩、カルシウム塩等から選択されてよい。水溶性高分子、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン等から選択されてよい。天然物由来の増粘剤は、例えば、キサンタンガム、ゼラチン等から選択されてよい。
ロジウム濃化部形成用塗工液の溶媒は、典型的には水であってよい。
ロジウム濃化部形成用塗工液は、せん断速度４ｓｅｃ－１における粘度を１，０００ｍＰａ・ｓ以上７，０００ｍＰａ・ｓ以下の範囲に調整して使用されてよい。
ロジウム濃化部を形成するには、排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス上流側端部に、ロジウム前駆体を含むロジウム濃化部形成用塗工液を配置した後、排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス下流側端部から吸引する。その後、焼成が行われてよい。
ここで、ロジウム濃化部形成用塗工液中の増粘剤の含量を変更して、塗工液の粘度を上記の範囲で適宜に調整することにより、ロジウム濃化部の触媒コート層深さ方向の範囲を調節することができる。すなわち、粘度が低い塗工液はより浸透し易いから、塗工液の粘度が低いほど、ロジウム濃化部の触媒コート層深さ方向の範囲を広く（深く）することができ、粘度が高い塗工液はより浸透し難いから、塗工液の粘度が高いほど、ロジウム濃化部の触媒コート層深さ方向の範囲を狭く（浅く）することができる。
また、ロジウム濃化部形成用塗工液中の溶媒の量を変更して、塗工液の量を調整することにより、ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の範囲を調節することができる。すなわち、排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス上流側端部に配置された塗工液の量が多いと、吸引によって、塗工液はロジウム濃化部の排ガス流れ方向の広い（長い）範囲に行きわたることができるが、塗工液の量が少ないと、塗工液は、吸引しても排ガス流れ方向の狭い（短い）範囲までで消費されてしまい、これより下流側には行きわたらない。このことを利用して、ロジウム濃化部形成用塗工液中の溶媒の量の変更により、ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の範囲を調節することができる。
更に、排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス上流側端部に、ロジウム濃化部形成用塗工液を配置した後、排ガス下流側端部から吸引するまでの時間を変更することにより、ロジウム濃化部の排ガス流れの濃度勾配を調節することができる。すなわち、排ガス浄化触媒装置前駆体の上流側端部付近では、塗工液の配置から吸引までの時間、比較的多量の塗工液が上層と接触し、より多くのロジウムが担持される。これに対して、上流側端部から下流側へ少し移動した地点では、塗工液を配置した後、吸引によって残余の塗工液が移動して、比較的少量の塗工液が上層と接触することになる。したがって、塗工液の配置から吸引までの時間を変更することにより、排ガス浄化触媒装置前駆体の上流側端部付近と、上流側端部から下流側へ少し移動した下流側地点との間で、上層と接触する塗工液の量に差を設けることが可能となる。このことを利用して、ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の濃度勾配の程度を調節することが可能となる。
次いで任意的に行われる焼成は、例えば４００～８００℃、好ましくは４５０～６００℃の温度において、例えば５分～４時間分、好ましくは３０分～３時間加熱する方法によることができる。焼成時の周囲雰囲気は、空気中でよい。
以上により、本実施形態の排ガス浄化触媒装置を製造することができる。
以下の実験例では、基材として容量７００ｍＬのコージェライト製ハニカム基材（セル数：６００ｃｐｓｉ、セル形状：断面６角形、壁厚：２ｍｉｌ、基材長さ：８４ｍｍ）を用い、ウェットコート法によって基材上に下層及び上層を順次に形成した後、含浸法により上層の一部にロジウム濃化部を形成して、排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。
（下層形成用塗工液の調製）
純水中に、ハニカム基材単位容量当たりの質量として、パラジウム金属換算５．５ｇ／Ｌの硝酸パラジウム、５０ｇ／Ｌのランタナ－アルミナ複合酸化物、３０ｇ／Ｌのセリア－ジルコニア複合酸化物、５ｇ／Ｌの硫酸バリウム、及びアルミナゾルバインダーを投入し、撹拌することにより、下層形成用塗工液を調製した。
ここで使用したランタナ－アルミナ複合酸化物中のランタナ含量は、Ｌａ２Ｏ３換算で５質量％であった。セリア－ジルコニア複合酸化物は、ネオジミア、ランタナ、及びイットリアを各微量含有し、セリア含量は、ＣｅＯ２換算で１２質量％であった。
（上層形成用塗工液の調製）
純水中に、ハニカム基材単位容量当たりの質量として、ロジウム金属換算０．１８ｇ／Ｌの硝酸ロジウム、５５ｇ／Ｌのランタナ－アルミナ複合酸化物、５０ｇ／Ｌのセリア－ジルコニア複合酸化物、及びアルミナゾルバインダーを投入し、撹拌することにより、上層形成用塗工液を調製した。
ここで使用したランタナ－アルミナ複合酸化物中のランタナ含量は、Ｌａ２Ｏ３換算で５質量％であった。セリア－ジルコニア複合酸化物は、ネオジミア、ランタナ、及びイットリアを各微量含有し、実施例及び比較例ごとにセリア含量が異なる材料を使用することにより、上層のセリア含量を調節した。
（ロジウム濃化部形成用塗工液の調製）
純水中に、ハニカム基材単位容量当たりの質量として、ロジウム金属換算０．７４ｇ／Ｌの硝酸ロジウム及び所定量の増粘剤（ヒドロキシエチルセルロース、株式会社ダイセル製）を投入し、撹拌することにより、ロジウム濃化部形成用塗工液を調製した。
〈実験例１〉
（排ガス浄化触媒装置の製造）
ハニカム基材に、下層形成用塗工液を流し込み、ブロワーを用いて不要な塗工液を吹き払った後、１２０℃の乾燥機中で２時間乾燥し、次いで、５００℃の電気炉中で２時間の焼成を行い、基材上に下層を形成した。
続いて、下層形成後の基材に、上層形成用塗工液を流し込み、ブロワーを用いて不要な塗工液を吹き払った後、１２０℃の乾燥機中で２時間乾燥し、次いで、５００℃の電気炉中で２時間の焼成を行い、基材上の下層の上に、ロジウム濃化部を有さない上層を更に形成し、排ガス浄化触媒装置前駆体を得た。
得られた排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス流れ上流側端部から、ロジウム濃化部形成用塗工液を流し込み、その後排ガス流れ下流側端部から吸引した後、５００℃の電気炉中で２時間の焼成を行うことにより、実施例１の排ガス浄化触媒装置を製造した。なお、実施例１で用いたロジウム濃化部形成用塗工液における増粘剤濃度は、１質量％とした。
（ロジウム濃化部の分析）
（分析１－コート層深さ方向の範囲）
排ガス浄化触媒装置の連通孔を樹脂埋めした後、破砕した試料について、電解放出型電子線マイクロアナライザ（ＦＥ－ＥＰＭＡ）（日本電子（株）製、形式名「ＪＸＡ－８５３０Ｆ」）を用い、以下の条件で各元素の分布を測定することにより、ロジウム濃化部の深さ方向の範囲を調べた。
視野倍率：４００倍
ビーム径：最小
加速電圧：２０ｋＶ
照射電流：１００ｎＡ
収束時間：５０秒
ピクセル数：２５６×２５６
（分析２－ロジウム濃化部の上流側５０％に含まれるロジウムの割合）
ロジウム濃化部の上流側５０％の部分を切り出した試料を全粉砕してロジウム量を定量し、当該部分に含まれるロジウム量の、ロジウム濃化部に含まれる全ロジウムに対する割合を算出した。
（排ガス浄化触媒装置の評価）
得られた排ガス浄化触媒装置をＶ型８気筒エンジンの排気系に装着し、触媒コート層の温度を９５０℃に設定し、ストイキ雰囲気及びリーン雰囲気の排ガスを一定時間ずつ交互に繰り返して流す方法により、５０時間の耐久を行った。各排ガスの繰り返しごとの流通時間は、ストイキ雰囲気の排ガス８秒間、及びリーン雰囲気の排ガス３秒間とした。
耐久後の排ガス浄化触媒装置をＬ４エンジンの排気系に装着して、エンジン始動時のＮＯｘ浄化の暖機性を評価した。具体的には、排ガス浄化触媒装置に、排ガス質量流速空燃比（Ａ／Ｆ）１４．５５のときの排ガスをＧａ＝１０ｇ／秒の条件にて供給し、ＮＯｘ浄化率が５０％に達するまでの時間（暖機時間Ｔ５０）を調べた。評価結果は表１に示した。
〈実験例２～６〉
ロジウム濃化部形成用塗工液中の増粘剤の含量、塗工液の濃度、及び排ガス浄化触媒装置前駆体にロジウム濃化部形成用塗工液を流し込んでから吸引するまでの時間を適宜に変更して、ロジウム濃化部の長さ及び深さ、並びにロジウム濃化部の前方５０％の範囲に含まれるロジウムの割合（濃度勾配）を変更した他は、実験例１と同様にして、排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。評価結果は表１に示した。
Figure 0007017621000001
表１を参照すると、ロジウム濃化部が、上層の上流側端部から上層長さの５０％を超えて、及び／又は上層最表面からの深さが１８μｍを超えて存在する実験例４及び５、並びにロジウム濃化部に含まれるロジウムの割合が上層に含まれる全ロジウムの５０％に満たない実験例６の排ガス浄化触媒装置では、暖機時間Ｔ５０が長かった。
これに対して、ロジウム濃化部が、上層の上流側端部から上層長さの５０％までの範囲、及び上層最表面から１８μｍまでの範囲に存在し、かつロジウム濃化部に含まれるロジウムの割合が上層に含まれる全ロジウムの５０％以上１００％未満である実験例１～３の排ガス浄化触媒装置の暖機時間Ｔ５０は、実験例４～６に比較して短かった。上層のロジウムを、触媒コート層の上流側の表層近くに集中配置することにより、ロジウムと排ガスとの接触性が向上したためと考えられる。
〈実験例７〉
排ガス浄化触媒装置前駆体にロジウム濃化部形成用塗工液を流し込んでから吸引するまでの時間を適宜に変更して、ロジウム濃化部の前方５０％の範囲に含まれるロジウムの割合（濃度勾配）を変更した他は、実験例２と同様にして、排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。評価結果は、実験例１～３の結果とともに表２に示した。
Figure 0007017621000002
表２中、実験例７と実験例１～３との比較により、本発明所定の排ガス浄化触媒装置において、ロジウム濃化部のうちの排ガス流れの上流側端部からロジウム濃化部の長さの５０％までの範囲に、ロジウム濃化部に含まれるロジウムの５０％以上のロジウムが存在している場合に、短い暖機時間Ｔ５０を示し、暖機性に優れることが理解される。上層のロジウムを、触媒コート層の上流側に集中配置するとの本発明の趣旨が徹底された結果と考えられる。
〈実験例８～１３〉
上層形成用塗工液に含まれるセリア－ジルコニア複合酸化物として、所定のセリア含量のものを使用し、かつ、ロジウム濃化部形成用塗工液中の増粘剤の含量、塗工液の濃度、及び排ガス浄化触媒装置前駆体にロジウム濃化部形成用塗工液を流し込んでから吸引するまでの時間を適宜に変更して、ロジウム濃化部の長さ及び深さ、並びにロジウム濃化部の前方５０％の範囲に含まれるロジウムの割合（濃度勾配）を変更した他は、実験例１と同様にして、排ガス浄化触媒装置を製造し、評価した。評価結果は、実験例１～３の結果とともに表３に示した。
Figure 0007017621000003
表３を参照すると、上層中のセリアの含有率が、５質量％である実験例１１、並びに２５質量％を超える実験例１２及び１３の排ガス浄化触媒装置では、暖機時間Ｔ５０が長かった。
これに対して、上層中のセリアの含有率が、５質量％を超えて２５質量％以下である実験例１～３及び８～１０の排ガス浄化触媒装置の暖機時間Ｔ５０は、実験例１１～１３に比較して短かった。これは、本発明所定の排ガス浄化触媒装置において、上層が適量のセリアを含有することにより、触媒コート層（特に上層）がストイキ付近の雰囲気に維持されて、排ガス浄化効率が向上したためと考えられる。
なお、本発明所定の排ガス浄化触媒装置は、実験例として上記に示した暖機性の他、排ガスの空間速度（ＳＶ）が高い場合の排ガス浄化能にも優れることが確認されている。
１０ 上層
１１ ロジウム濃化部
１２ 上層の他の部分
２０ 下層
１００ 排ガス浄化触媒装置
ａ ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の範囲
ｂ ロジウム濃化部の触媒コート層深さ方向の範囲

Claims (9)

  1. 第１の担体粒子及びロジウムを含む上層と、第２の担体粒子を含む下層とを有し、
    前記上層がセリアを含み、
    前記上層のうち、排ガス流れの上流側端部から上層長さの５０％までの範囲、かつ、上層最表面から深さ方向に１８μｍまでの範囲に、ロジウム濃化部を有し、
    前記ロジウム濃化部が、上層に含まれる全ロジウムの５０％以上１００％未満のロジウムを含んでおり、
    前記上層中のロジウムの含有量が、基材単位容量当たりのロジウムの金属換算質量として、０．５０ｇ／Ｌ以下であり、かつ、
    前記上層のうちのロジウム濃化部以外の部分におけるロジウムの含有量が、基材単位容量当たりのロジウムの金属換算質量として、０．０１ｇ／Ｌ以上０．１２ｇ／Ｌ以下である、
    排ガス浄化触媒装置。
  2. 前記ロジウム濃化部の排ガス流れ方向の範囲が、上層の排ガス流れの上流側端部から上層長さの３０％までの範囲である、請求項１に記載の排ガス浄化触媒装置。
  3. 前記ロジウム濃化部の深さ方向の範囲が、上層最表面から深さ方向に１５μｍまでの範囲である、請求項２に記載の排ガス浄化触媒装置。
  4. 前記上層中の第１の担体粒子の全質量を１００質量％としたときの前記上層中のセリアの含有率が、５質量％を超えて２５質量％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. 前記上層中の第１の担体粒子の全質量を１００質量％としたときの前記上層中のセリアの含有率が、７質量％以上１５質量％以下である、請求項４に記載の排ガス浄化触媒装置。
  6. 前記ロジウム濃化部のうち、排ガス流れの上流側端部から前記ロジウム濃化部の長さの５０％までの範囲に、前記ロジウム濃化部に含まれるロジウムの５０％以上のロジウムが存在している、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. 前記下層及び前記上層が基材上に存在している、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. 前記下層が基材の一部又は全部を構成し、前記上層が前記下層上に存在している、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。
  9. 第１の担体粒子及びロジウムを含む上層と、第２の担体粒子を含む下層とを有する排ガス浄化触媒装置前駆体の排ガス上流側端部に、ロジウム前駆体を含む塗工液を供給した後、前記前駆体の排ガス下流側端部から吸引する工程を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の排ガス浄化触媒装置を製造する方法。
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