JP7114595B2 - セリウム、ジルコニウム、アルミニウム及びランタンから製造される自動車用触媒コンバーターのための耐老化性混合酸化物 - Google Patents
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Description
空隙率に関するデータは、孔径(D)の関数として細孔容積(V)を定義することを可能にする水銀又は窒素のポロシメトリー手法によって得た。水銀圧入ポロシメトリーは、規格ASTM D4284-83(「水銀圧入ポロシメトリーにより触媒の細孔容積分布を決定するための標準方法(Standard method for determining pore volume distribution of catalysts by mercury intrusion porosimetry)」)に従って得られる。製造業者により推奨される指示に従うことによって粉末ペネトロメーターを備えたMicromeritics Autopore IV 9500装置を用いることができる。
・累積曲線上で読み取られるポロシメトリーデータから得られるml/g単位での総細孔容積(Vtotalで表される);
・累積曲線上で読み取られるポロシメトリーデータから得られる100nm以下(V<100nm)のサイズの細孔によって発現したml/g単位での細孔容積。
本発明による混合酸化物に関しては、後者は、アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、ランタンと、任意選択的にセリウム及びランタン以外の少なくとも1種の希土類金属(REMと表される)との混合酸化物であって、混合酸化物の総重量に対する酸化物換算として表される、これらの元素の重量割合が:
・20%~60%のアルミニウム、
・15%~35%のセリウム、
・1%~10%のランタン、
・混合酸化物がセリウム及びランタン以外の2種以上の希土類金属を含む条件では、0~10%の、セリウム及びランタン以外の希土類金属(この割合はこれらの希土類金属のそれぞれに適用され、これらの希土類金属の割合の合計は15%未満にとどめられる)、
・15%~50%のジルコニウム、
であり;
1100℃の温度で5時間焼成した後、
・混合酸化物のX線ダイアグラムが、セリウムジルコニウム酸化物から構成される結晶相について単一ピークのみを有し、その最大が28°~32°の2θ角に位置しており、
・セリウムジルコニウム酸化物から構成される結晶相の結晶子の平均サイズが最大30nmであり、
・混合酸化物のBET比表面積が少なくとも35m2/gであることを特徴とし;
950℃の温度で4時間焼成した後、
・窒素ポロシメトーデータから得られる100nm以下のサイズの細孔によって発現した混合酸化物の細孔容積が0.30ml/g以上であり、
・水銀ポロシメトリーデータから得られる混合酸化物の総細孔容積が2.0ml/g以下であることを特徴とする、混合酸化物である。
t:結晶子サイズ
k:0.9に等しい形状係数
λ(ラムダ):入射光線の波長(λ=1.5406オングストローム)
H:回折線の半値全幅
s:使用される装置及び2θ(シータ)角に依存する装置の光学欠陥による幅;
θ:ブラッグ角
(式中、
・IAl2O3はγ-アルミナのシグナル強度を表し、その最大値は2θ角=67°±1に位置し;
・ICZはセリウムジルコニウム酸化物から構成される結晶相のシグナルの強度を表し、その最大値は、28°~32°の2θ角に位置し;
・Al2O3重量%は酸化物換算で表したアルミニウムの重量割合を表す)。
・27%~33%のアルミニウム;
・24%~32%のセリウム;
・3%~6%のランタン;
・混合酸化物がセリウム及びランタン以外の2種以上の希土類金属を含む条件では、3%~6%の、セリウム及びランタン以外の希土類金属(この割合はこれらの希土類金属のそれぞれに適用される);
・31%~37%のジルコニウム;
であり、以下の特徴を有する:
・1100℃の温度で5時間焼成した後、セリウムジルコニウム酸化物から構成される結晶相の結晶子の平均サイズは、最大で20nm、より具体的には13~20nmであり;
・950℃の温度で4時間焼成した後、窒素ポロシメトリーデータから得られる100nm以下のサイズの細孔によって発現する混合酸化物の細孔容積は0.35ml/g以上である。
・40%~60%のアルミニウム;
・15%~25%のセリウム;
・2%~6%のランタン;
・混合酸化物がセリウム及びランタン以外の2種以上の希土類金属を含む条件では、3%~6%の、セリウム及びランタン以外の希土類金属(この割合はこれらの希土類金属のそれぞれに適用される);
・15%~30%のジルコニウム;
であり、以下の特徴を有する:
・1100℃の温度で5時間焼成した後、混合酸化物のBET比表面積が少なくとも50m2/g、より具体的には50~65m2/gであり;
・950℃の温度で4時間焼成した後、窒素ポロシメトリーデータから得られる100nm以下のサイズの細孔によって発現する混合酸化物の細孔容積が0.40ml/g以上、より具体的には0.40~0.70ml/gである。
-(a1)中にアルミニウム水和物が分散されている、セリウム、ジルコニウム、ランタン、並びに任意選択的にセリウム及びランタン以外の少なくとも1種の希土類金属の前駆体の酸性水溶液を、塩基性水溶液が入っている撹拌されている槽の中に入れる工程;
-(a2)工程(a1)の終わりに得られた析出物分散液を任意選択的に加熱する工程;
-(a3)工程(a1)又は工程(a2)で得られた分散液にテクスチャー付与剤を添加する工程;
-(a4)工程(a3)の分散液の固体を固液分離により回収し、任意選択的に洗浄する工程;
-(a5)工程(a4)の終わりに得られた固体を任意選択的に乾燥する工程;
-(a6)工程(a4)又は工程(a5)の終わりに得られた固体を、混合酸化物を得るために700℃~1100℃の温度で焼成する工程;
-(a7)工程(a6)において得られた混合酸化物を任意選択的に粉砕する工程。
アルミニウム水和物は、任意選択的に少なくとも1種のドーパントでドープされたベーマイト又は擬ベーマイトであってもよく、ドーパントは、例えばランタン又はプラセオジムとすることができる。アルミニウム水和物は粉末又は水性懸濁液の形態であってもよい。粉末は噴霧乾燥により乾燥されていてもよい。アルミニウム水和物は、通常式AIOOH-xH2O(0≦x≦1)によって表すことができる。
・20nm以下のサイズの細孔の領域における細孔容積(VP20nm-N2と表わされる)、結果としてVP20nm-N2は:
- 10%×VPT-N2以上、より具体的には15%×VPT-N2以上、更には20%×VPT-N2以上、又は更には30%VPT-N2以上であり、
- 60%×VPT-N2以下である;
・40~100nmのサイズを有する細孔の領域における細孔容積(VP40-100nm-N2と表わされる)、結果としてVP40-100nm-N2は20%×VPT-N2以上、より具体的には25%×VPT-N2以上、更には30%×VPT-N2以上である;
・VPT-N2は、空気中900℃で2時間焼成した後のアルミニウム水和物の総細孔容積を表し;
・細孔容積は窒素ポロシメトリー法により決定される。
- ベーマイトの結晶化度;
- ベーマイトの結晶子のサイズ;
に依存して13.0°~15.0°の場合があることに留意されたい。
(a)
・硫酸アルミニウムと、任意選択的に硝酸塩形態の追加の元素と、硝酸とを含む水溶液(A);
・アルミン酸ナトリウム水溶液(B);
を硝酸水溶液が入っている撹拌されている槽の中に入れる工程であって、
水溶液(A)を工程(a)を通して連続的に導入し、溶液(B)の導入速度を反応混合物の平均pHが4.0~6.0、より具体的には4.5~5.5の目標値に等しくなるように調整する工程;
(b)水溶液(A)全体を導入した時に、8.0~10.5、好ましくは9.0~10.0の目標pHに達するまで水溶液(B)の導入を継続する工程;
(c)その後、反応混合物を濾過して回収した固体を水で洗浄する工程;
(d)その後、工程(c)から得られた固体を乾燥してアルミニウム水和物Hを得る工程。
2CO+O2→2CO2
2NO+2CO→N2+2CO2
4CxHy+(4x+y)O2→4xCO2+2yH2O
W=M-T
撹拌されている槽の中に、34.7kgの脱イオン水と、8.31重量%の濃度のアルミナ(Al2O3)を有する10.95kgの硫酸アルミニウム溶液と、26.9重量%の濃度のLa2O3を有する1.43kgのランタン硝酸塩溶液と、68重量%の硝酸水溶液4.97kgとを入れることによって溶液(A)を調製する。溶液(B)は、24.9重量%の濃度のアルミナ(Al2O3)を有するアルミン酸ナトリウム溶液である。
撹拌されている槽の中に、34.7kgの脱イオン水と、8.31重量%の濃度のアルミナ(Al2O3)を有する10.95kgの硫酸アルミニウム溶液と、26.9重量%の濃度La2O3を有する1.43kgのランタン硝酸塩溶液と、68%の硝酸水溶液4.96kgとを入れることによって溶液(A)を調製する。溶液(B)は、24.9重量%の濃度のアルミナを有するアルミン酸ナトリウム溶液である。
45°に傾斜した4枚のブレードを有するスピンドルを用いて撹拌されている槽の中に、361gの水、111gの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=268g/l;密度1.415)、56gのCeIII硝酸塩溶液([CeO2]=496g/l;密度1.714)、7.9gのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、及び16gのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=208.5g/l;密度1.392)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。次に、前駆体溶液を得るために、得られた溶液に69重量%の硝酸2.3gを添加する。撹拌したままで、この溶液にスパチュラで23.3gのベーマイトHP14-L1(Sasolから販売、77.5重量%に相当するアルミナ(18gのAl2O3)及び1重量%のLa2O3(0.22g)を含有)を添加する。混合物が均一な分散液の形態で得られるまで前駆体混合物を撹拌したままにする。次に、9.8mol/lの過酸化水素水溶液5.3gを添加する。前駆体混合物の撹拌を継続する。
S950℃/4h=72m2/g;
S1000℃/4h=60m2/g;
S1100℃/5h=39m2/g。
950℃/4hで空気中で焼成した後の粉末密度:0.69
950℃/4hで空気中で焼成した後のN2ポロシメトリーによる細孔容積(孔径<100nm):V100nm,N2=0.58ml/g
950℃/4hで空気中で焼成した後のHgポロシメトリーによる総細孔容積:Vtotal,Hg=1.06ml/g
ピークでの直径、950℃/4hで空気中で焼成した後のHgポロシメトリー曲線上で決定:Dp=26nm
45°に傾斜した4枚のブレードを有するスピンドルを用いて撹拌されている槽の中に、357gの水、114gの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=260g/l;密度1.406)、56gのCeIII硝酸塩溶液([CeO2]=496g/l;密度1.714)、4.4gのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、及び16gのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=208.5g/l;密度1.392)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。
45°に傾斜した4枚のブレードを有するスピンドルを用いて撹拌されている槽の中に、386の水、95gの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=268.1g/l;密度1.415)、49.8gのCeIII硝酸塩溶液([CeO2]=496g/l;密度1.714)、8.4gのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、4.8gのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=208.5g/l;密度1.392)、及び6.2gのプラセオジム硝酸塩溶液([Pr6O11]=497g/l;密度1.725)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。
45°に傾斜した4枚のブレードを有するスピンドルを用いて撹拌されている槽の中に、362gの水、114gの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=260g/l;密度1.406)、56gのCeIII硝酸塩溶液([CeO2]=496g/l;密度1.714)、4.4gのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、及び16gのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=208.5g/l;密度1.392)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。
Rushtonタービンを用いて撹拌されている(200rpm)槽の中に、96.5kgの水、18.3kgの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=272g/l;密度1.417)、14.98kgのCeIV硝酸塩溶液([CeO2]=260g/l;密度1.442)、0.767kgのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、及び2.59kgのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=217g/l;密度1.405)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。
45°に傾斜した4枚のブレードを有するスピンドルを用いて撹拌されている槽の中に、333gの水、114gの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=260g/l;密度1.406)、56gのCeIII硝酸塩溶液([CeO2]=496g/l;密度1.714)、4.4gのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、及び16gのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=208.5g/l;密度1.392)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。
45°に傾斜した4枚のブレードを有するスピンドルを用いて撹拌されている槽の中に、342gの水、114gの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=268.1g/l;密度1.415)、56gのCeIII硝酸塩溶液([CeO2]=496g/l;密度1.714)、4.4gのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、及び16gのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=208.5g/l;密度1.392)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。
次に、9.8mol/lの過酸化水素水溶液31.5gを添加する。前駆体混合物の撹拌を継続する。
45°に傾斜した4枚のブレードを有するスピンドルを用いて撹拌されている槽の中に、388.4gの水、75.8gの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=260g/l;密度1.406)、60.8gのCeIV硝酸塩溶液([CeO2]=254g/l;密度1.431)、3gのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、及び10.7gのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=208.5g/l;密度1.392)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。
前駆体混合物の撹拌を継続する。
45°に傾斜した4枚のブレードを有するスピンドルを用いて撹拌されている槽の中に、357gの水、114gの硝酸ジルコニル溶液([ZrO2]=260g/l;密度1.406)、56gのCeIII硝酸塩溶液([CeO2]=496g/l;密度1.714)、4.4gのランタン硝酸塩溶液([La2O3]=472g/l;密度1.711)、及び16gのイットリウム硝酸塩溶液([Y2O3]=208.5g/l;密度1.392)を入れることによって、前駆体の硝酸塩を主体とする溶液を調製する。
前駆体混合物の添加の終わりに、反応媒体を95℃の温度まで加熱し、この温度で30分間維持する。その後反応媒体を40℃未満の温度まで冷却する。この冷却した混合物に500rpmで撹拌しながら12gのラウリン酸を添加する。この撹拌を30分間維持する。
本発明の方法では前駆体混合物を塩基性水溶液の中に入れるのに対して、この比較例では塩基性水溶液を前駆体混合物の中に入れる。
この比較例ではテクスチャー付与剤を使用しない。
この比較例ではテクスチャー付与剤を使用しない。
この比較例ではアルミニウム水和物は塩基性水溶液中に分散されるのに対し、本発明の方法ではこれは酸性水溶液中に分散される。
Claims (20)
- アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、ランタンと、任意選択的にセリウム及びランタン以外の少なくとも1種の希土類金属との混合酸化物であって、前記混合酸化物の総重量に対する酸化物換算として表される、これらの元素の重量割合が以下の通り:
・20%~60%のアルミニウム;
・15%~35%のセリウム;
・1%~10%のランタン;
・前記混合酸化物がセリウム及びランタン以外の2種以上の希土類金属を含む条件では、0~10%の、セリウム及びランタン以外の前記希土類金属であって、この割合はこれらの希土類金属のそれぞれに適用され、これらの希土類金属の割合の合計は15%未満にとどめられるセリウム及びランタン以外の前記希土類金属;
・15%~50%のジルコニウム;
である混合酸化物であって、
1100℃の温度で5時間空気中で焼成した後、
・前記混合酸化物のX線ダイアグラムが、セリウムジルコニウム酸化物から構成される結晶相について単一ピークのみを有し、その最大が28°~32°の2θ角に位置しており、
・セリウムジルコニウム酸化物から構成される前記結晶相の結晶子の平均サイズが最大30nmであり、
・前記混合酸化物のBET比表面積が少なくとも35m2/gであることを特徴とし;
950℃の温度で4時間空気中で焼成した後、
・窒素ポロシメトリーデータから得られた100nm以下のサイズの細孔によって発現した前記混合酸化物の細孔容積が0.30ml/g以上であり、
・水銀ポロシメトリーデータから得られる前記混合酸化物の総細孔容積が2.0ml/g以下であることを特徴とする;
混合酸化物。 - アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、ランタンと、任意選択的にイットリウム、ネオジム、又はプラセオジムから選択されるセリウム及びランタン以外の少なくとも1種の希土類金属とを主体とし、これらの重量割合が以下の通り:
・27%~33%のアルミニウム;
・24%~32%のセリウム;
・3%~6%のランタン;
・前記混合酸化物がセリウム及びランタン以外の2種以上の希土類金属を含む条件では、3%~6%の、セリウム及びランタン以外の前記希土類金属であって、この割合はこれらの希土類金属のそれぞれに適用される、セリウム及びランタン以外の前記希土類金属;
・31%~37%のジルコニウム;
であり、以下の特徴:
・1100℃の温度で5時間空気中で焼成した後、セリウムジルコニウム酸化物から構成される前記結晶相の前記結晶子の平均サイズが、最大で20nmであり;
・950℃の温度で4時間空気中で焼成した後、前記窒素ポロシメトリーデータから得られる100nm以下のサイズの前記細孔によって発現する前記混合酸化物の細孔容積が0.35ml/g以上である;
を有する、請求項1に記載の混合酸化物。 - アルミニウムと、ジルコニウムと、セリウムと、ランタンと、任意選択的にイットリウム、ネオジム、又はプラセオジムから選択されるセリウム及びランタン以外の少なくとも1種の希土類金属とを主体とし、これらの割合が以下の通り:
・40%~60%のアルミニウム;
・15%~25%のセリウム;
・2%~6%のランタン;
・前記混合酸化物がセリウム及びランタン以外の2種以上の希土類金属を含む条件では、3%~6%の、セリウム及びランタン以外の前記希土類金属であって、この割合はこれらの希土類金属のそれぞれに適用される、セリウム及びランタン以外の前記希土類金属;
・15%~30%のジルコニウム;
であり、次の特徴:
・1100℃の温度で5時間空気中で焼成した後、前記混合酸化物の前記BET比表面積が少なくとも50m2/gである;
・950℃の温度で4時間空気中で焼成した後、前記窒素ポロシメトリーデータから得られる100nm以下のサイズの前記細孔によって発現する前記混合酸化物の前記細孔容積が0.40ml/g以上である;
を有する、請求項1に記載の混合酸化物。 - ハフニウムも含有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の混合酸化物。
- 前記混合酸化物中のハフニウムの重量割合が、前記混合酸化物の総重量に対する酸化物換算として表される2.0%以下であることを特徴とする、請求項4に記載の混合酸化物。
- セリウム及びランタン以外の前記希土類金属が、イットリウム、ネオジム、又はプラセオジムから選択されることを特徴とする、請求項1~5のいずれか1項に記載の混合酸化物。
- 酸化物形態で表されるジルコニウム及びアルミニウムの合計の割合が50%以上であることを特徴とする、請求項1~6のいずれか1項に記載の混合酸化物。
- 950℃で4時間空気中で焼成後の前記混合酸化物の前記比表面積が、少なくとも75m2/gであることを特徴とする、請求項1~8のいずれか1項に記載の混合酸化物。
- 950℃で4時間空気中で焼成した後に、0.25以上、又は0.4以上、又は0.5以上、又は0.6以上の粉末かさ密度を有する、請求項1~9のいずれか1項に記載の混合酸化物。
- 前記混合酸化物が、1.0~50.0μm、又は5.0~40.0μmの平均径d50を有する粉末の形態であり、d50は体積分布にわたるレーザー回折によって決定されることを特徴とする、請求項1~10のいずれか1項に記載の混合酸化物。
- 水銀ポロシメトリーにより測定される前記混合酸化物の前記細孔分布が、950℃で4時間空気中で焼成した後に、100nm未満の直径を有する前記細孔の領域内に、10~30nmのピークDpに直径を有するピークを有することを特徴とする、請求項1~11のいずれか1項に記載の混合酸化物。
- 請求項1~12のいずれか1項に記載の混合酸化物の調製方法であって、以下の工程:
-(a1)セリウム、ジルコニウム、ランタン、並びに任意選択的にセリウム及びランタン以外の希土類金属の前駆体の酸性水溶液であって、その中にアルミニウム水和物が分散されている酸性水溶液を、塩基性水溶液が入っている撹拌されている槽の中に入れる工程;
-(a2)工程(a1)の終わりに得られた析出物分散液を任意選択的に加熱する工程;
-(a3)工程(a1)又は工程(a2)で得られた前記分散液にテクスチャー付与剤を添加する工程;
-(a4)工程(a3)の前記分散液の固体を固液分離により回収し、任意選択的に洗浄する工程;
-(a5)工程(a4)の終わりに得られた前記固体を任意選択的に乾燥する工程;
-(a6)工程(a4)又は工程(a5)の終わりに得られた前記固体を、前記混合酸化物を得るために700℃~1100℃の温度で空気中で焼成する工程;
-(a7)工程(a6)において得られた前記混合酸化物を任意選択的に粉砕する工程:
を含む、方法。 - 前記前駆体溶液が硝酸塩の形態又は塩化物の形態の前駆体のみから調製される、請求項13に記載の方法。
- 少なくとも1種の無機物質との混合物としての、請求項1~12のいずれか1項に記載の混合酸化物を含有する組成物。
- 前記無機物質が、アルミナ、チタン酸化物、セリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、シリカ、スピネル、ゼオライト、シリケート、結晶性リン酸ケイ素アルミニウム、又は結晶性リン酸アルミニウムから選択される、請求項15に記載の組成物。
- 請求項1~12のいずれか1項に記載の混合酸化物から又は請求項15若しくは16に記載の組成物から製造される、固体支持体の表面に設けられた触媒活性ウォッシュコート。
- 請求項17に記載のウォッシュコートを含む、自動車の排気ガスを処理するための触媒コンバーター。
- 請求項1~12のいずれか1項に記載の混合酸化物の、触媒コンバーター製造のための使用。
- 請求項17に記載のウォッシュコートを含む触媒コンバーターを使用することを特徴とする、内燃機関からの排気ガスの処理方法。
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