JP7348718B2 - 自動車用還元触媒構造体、自動車用排気ガス処理装置、触媒成形体及び自動車用還元触媒構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
[1] ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する、固体酸からなるNOx還元触媒と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記NOx還元触媒が、前記担体の少なくとも前記通路に保持されていることを特徴とする自動車用還元触媒構造体。
[2] 前記通路は、拡径部を有し、かつ、前記NOx還元触媒は、少なくとも前記拡径部に包接されていることを特徴とする、[1]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[3] 前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、[2]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[4] 前記固体酸は微粒子であり、前記微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、かつ、前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、[1]~[3]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[5] 前記微粒子の平均粒径が、0.1nmn~50nmであることを特徴とする、[4]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[6] 前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.45nm~18.5nmであることを特徴とする、[5]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[7] 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、0.06~500であることを特徴とする、[4]又は[5]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[8] 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、0.1~36であることを特徴とする、[7]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[9] 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、1.7~4.5であることを特徴とする、[7]又は[8]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[10] 前記固体酸の金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記触媒構造体に対して0.5~2.5質量%で含有されていることを特徴とする、[1]~[9]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[11] 前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、
前記通路の平均内径は、0.1nm~1.5nmであり、前記拡径部の内径は、0.5nm~50nmであることを特徴とする、[1]~[10]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[12] 前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他のNOx還元触媒を更に備えることを特徴とする、[1]~[11]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[13] 前記担体に内在する前記NOx還元触媒の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他のNOx還元触媒の含有量よりも多いことを特徴とする、[12]に記載の自動車用還元触媒構造体。
[14] 前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、[1]~[13]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体。
[15] [1]~[14]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体を備える、自動車用排気ガス処理装置。
[16] ハニカム状基材と、前記ハニカム状基材の表面上に設けられた[1]~[15]のいずれか1つに記載の排気ガス浄化用酸化触媒構造体とを有する、触媒成形体。
[17] ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成する焼成工程と、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、を有することを特徴とする自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[18] 前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料(A)に対して50~500質量%添加することを特徴とする、[17]に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[19] 前記焼成工程の前に、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、[17]又は[18]に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[20] 前記焼成工程の前に前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10~1000となるように調整することを特徴とする、[17]~[19]のいずれか1つに記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[21] 前記水熱処理工程において、前記前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することを特徴とする、[17]に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[22] 前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、[17]に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
[触媒構造体の構成]
図1は、本発明の実施形態に係る自動車用還元触媒構造体(以下、単に「触媒構造体」と記す。)の構成を概略的に示す図であり、(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、(b)は部分拡大断面図である。なお、図1における触媒構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
これにより、固体酸20の担体10内での移動がさらに規制され、固体酸20の離脱や、固体酸20、20同士の凝集をさらに有効に防止することができる。包接とは、固体酸20が担体10に内包されている状態を指す。このとき固体酸20と担体10とは、必ずしも直接的に互いが接触している必要はなく、固体酸20と担体10との間に他の物質(例えば、界面活性剤等)が介在した状態で、固体酸20が担体10に間接的に保持されていてもよい。
また、拡径部12は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔11a,11a同士を連通しているのが好ましい。これにより、担体10の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、固体酸20の機能をより発揮させることができる。
固体酸20が微粒子であるとき、微粒子は一次粒子の状態で通路11に保持されている場合と、一次粒子が凝集して形成された二次粒子の状態で通路11に保持されている場合とがある。いずれの場合においても、微粒子の平均粒径DCは、好ましくは通路11の平均内径DFよりも大きく、且つ拡径部12の内径DE以下である(DF<DC≦DE)。このような固体酸20は、通路11内では、好適には拡径部12に包接されており、担体10内での固体酸20の移動が規制される。よって、固体酸20が流体から外力を受けた場合であっても、担体10内での固体酸20の移動が抑制され、担体10の通路11に分散配置された拡径部12、12、・・のそれぞれに包接された固体酸20、20、・・同士が接触するのを有効に防止することができる。
また、固体酸20の金属元素(M)は、触媒構造体1に対して0.5~2.5質量%で含有されているのが好ましく、触媒構造体1に対して0.5~1.5質量%で含有されているのがより好ましい。例えば、金属元素(M)がZnである場合、Zn元素の含有量(質量%)は、(Zn元素の質量)/(触媒構造体1の全元素の質量)×100で表される。なお、固体酸に複数の金属が含有されている場合、金属元素(M)は複数の金属の総質量を意味する。
触媒構造体1は、上記のとおり、多孔質構造の担体10と、担体10に内在する少なくとも1つの固体酸20とを備える。触媒構造体1は、担体10に内在する固体酸20が流体と接触することにより、固体酸20の機能に応じた機能を発揮する。具体的に、触媒構造体1の外表面10aに接触した流体は、外表面10aに形成された孔11aから担体10内部に流入して通路11内に誘導され、通路11内を通って移動し、他の孔11aを通じて触媒構造体1の外部へ出る。流体が通路11内を通って移動する経路において、通路11に保持された固体酸20と接触することによって、固体酸20の機能に応じた反応(例えば、触媒反応)が生じる。また、触媒構造体1は、担体が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
NOx→1/2N2+x/2O2 ・・・式(1)
NOx+2x/3NH3→(1/2+x/3)N2+xH2O ・・・式(2)
本実施形態では、触媒構造体1を有する自動車用排気ガス処理装置(図示せず)が提供されてもよい。自動車用排気ガス処理装置は、触媒構造体1を単独で有していてもよいし、自動車用酸化触媒構造体等の他の触媒構造体、粒子状物質の捕集フィルタなどと組み合わせてもよい。このような構成を有する装置に触媒構造体1を用いることで上記と同様の効果を奏することができる。
図3は、図1の触媒構造体1の製造方法を示すフローチャートである。以下、担体に内在する固体酸が金属酸化物微粒子である場合を例に、触媒構造体の製造方法の一例を説明する。
図3に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
次に、準備した前駆体材料(A)に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、触媒構造体を得る。
ここでの反応メカニズムは必ずしも明らかではないが、前駆体材料(C)を原料として水熱処理を行うことにより、前駆体材料(C)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造は次第に崩れるが、前駆体材料(C)の細孔内部での金属酸化物微粒子の位置は概ね維持されたまま、構造規定剤の作用により、触媒構造体の担体としての新たな骨格構造(多孔質構造)が形成される。このようにして得られた触媒構造体は、多孔質構造の担体と、担体に内在する金属酸化物微粒子を備え、さらに担体はその多孔質構造により複数の孔が互いに連通した通路を有し、金属酸化物微粒子はその少なくとも一部分が担体の通路に保持されている。
また、本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料(C)を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合すること無く、前駆体材料(C)を水熱処理してもよい。
図4は、図1の触媒構造体1の変形例を示す模式図である。
図1の触媒構造体1は、担体10と、担体10に内在する固体酸20とを備えるが、この構成だけに限定されず、例えば、図4に示すように、触媒構造体2が、担体10の外表面10aに保持された少なくとも1つの他のNOx還元触媒30を更に備えていてもよい。
一実施形態では、自動車用還元触媒構造体を有する触媒成形体が提供されてもよい。触媒成形体は、自動車用還元触媒構造体を単独で有していてもよいし、他の触媒構造体を有してもよい。このような構成を有する触媒成形体に自動車用還元触媒構造体を用いることで、上記と同様の効果を奏することができる。
一実施形態の触媒成形体の製造方法では、自動車用還元触媒構造体に粉砕処理などを行い、粒子状の自動車用還元触媒構造体を得る。次に、粒子状の自動車用還元触媒構造体に、水などの媒体を混合してスラリーを得る。この後、ハニカム状基材へ該スラリーを塗工、乾燥することにより、ハニカム状基材とハニカム状基材の表面上に自動車用還元触媒構造体とを有する触媒成形体を製造することができる。ハニカム状基材へのスラリーの塗工方法は、特に限定されないがウォッシュコート法が好ましい。上記乾燥時の温度は100~300℃が好ましく、100~200℃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を用いることができる。
[前駆体材料(A)の合成]
シリカ剤(テトラエトキシシラン(TEOS)、和光純薬工業株式会社製)と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜pH調整を行い、密閉容器内で、80~350℃、100時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水及びエタノールで洗浄し、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1~6に示す種類及び孔径の前駆体材料(A)を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料(A)の種類に応じて(「前駆体材料(A)の種類:界面活性剤」)以下のものを用いた。
・MCM-41:ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)(和光純薬工業株式会社製)
・SBA-1:Pluronic P123(BASF社製)
次に、表1~6に示す種類の固体酸微粒子を構成する金属元素(M)に応じて、該金属元素(M)を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、固体酸微粒子の種類に応じて(「固体酸微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
・ZnOX:硝酸亜鉛六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・AlOX:硝酸アルミニウム九水和物(和光純薬工業株式会社製)
・ZrOX:硝酸ジルコニル二水和物(和光純薬工業株式会社製)
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、表1~6に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、80~350℃、表1~6に示すpH及び時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、100℃で12時間以上乾燥させ、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1~6に示す担体と固体酸微粒子とを有する触媒構造体を得た(実施例1~288)。
比較例1では、MFI型シリカライトに平均粒径50nm以下の酸化コバルト粉末(II,III)(シグマ アルドリッチ ジャパン合同会社製)を混合し、骨格体としてのシリカライトの外表面に、機能性物質として酸化コバルト微粒子を付着させた機能性構造体を得た。MFI型シリカライトは、金属を添加する工程以外は、実施例52~57と同様の方法で合成した。
比較例2では、酸化コバルト微粒子を付着させる工程を省略したこと以外は、比較例1と同様の方法にてMFI型シリカライトを合成した。
実施例1~288の触媒構造体及び比較例1~2のシリカライトについて、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。
実施例1~288の触媒構造体及び比較例1~2のシリカライトについて、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)(TITAN G2、FEI社製)を用いて、断面観察を行った。
また、上記実施例のうち金属酸化物が酸化ジルコニウム酸化物(ZrOx)微粒子である触媒構造体について、FIB(集束イオンビーム)加工により断面を切り出し、SEM(SU8020、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)、EDX(X-Max、株式会社堀場製作所製)を用いて断面元素分析を行った。その結果、骨格体内部からZr元素が検出された。
上記TEMとSEM/EDXによる断面観察の結果から、担体内部にZrOx微粒子が存在していることが確認された。
上記評価[A]で行った断面観察により撮影したTEM画像にて、担体の通路を、任意に500個選択し、それぞれの長径及び短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し(N=500)、さらに内径の平均値を求めて、担体の通路の平均内径DFとした。また、固体酸微粒子についても同様に、上記TEM画像から、固体酸微粒子を、任意に500個選択し、それぞれの粒径を測定して(N=500)、その平均値を求めて、固体酸微粒子の平均粒径DCとした。結果を表1~6に示す。
また、固体酸の平均粒径及び分散状態を確認するため、SAXS(小角X線散乱)を用いて分析した。SAXSによる測定は、Spring-8のビームラインBL19B2を用いて行った。得られたSAXSデータは、Guinier近似法により球形モデルでフィッティングを行い、粒径を算出した。粒径は、金属酸化物が酸化鉄微粒子である触媒構造体について測定した。また、比較対象として、市販品である酸化鉄微粒子(Wako社製)をSEMにて観察、測定した。
この結果、市販品では粒径約50nm~400nmの範囲で様々なサイズの酸化鉄微粒子がランダムに存在しているのに対し、TEM画像から求めた平均粒径が1.2nm~2.0nmの各実施例の触媒構造体では、SAXSの測定結果においても粒径が10nm以下の散乱ピークが検出された。SAXSの測定結果とSEM/EDXによる断面の測定結果から、担体内部に、粒径10nm以下の固体酸が、粒径が揃いかつ非常に高い分散状態で存在していることが分かった。
原子数比Si/M=50,100,200,1000(M=Al、Zr、Zn)の添加量で、金属酸化物微粒子を担体内部に包接させた触媒構造体を作製し、その後、上記添加量で作製された触媒構造体の担体内部に包接された金属量(質量%)を測定した。尚、本測定において原子数比Si/M=100,200,1000の機能性構造体は、それぞれ実施例1~288のうちの原子数比Si/M=100,200,1000の触媒構造体と同様の方法で金属含有溶液の添加量を調整して作製し、原子数比Si/M=50の触媒構造体は、金属含有溶液の添加量を異ならせたこと以外は、原子数比Si/M=100,200,1000の触媒構造体と同様の方法で作製した。
金属量の定量は、ICP(高周波誘導結合プラズマ)単体か、或いはICPとXRF(蛍光X線分析)を組み合わせて行った。XRF(エネルギー分散型蛍光X線分析装置「SEA1200VX」、エスエスアイ・ナノテクノロジー株式会社製)は、真空雰囲気、加速電圧15kV(Crフィルター使用)或いは加速電圧50kV(Pbフィルター使用)の条件で行った。
XRFは、金属の存在量を蛍光強度で算出する方法であり、XRF単体では定量値(質量%換算)を算出できない。そこで、Si/M=100で金属を添加した触媒構造体の金属量は、ICP分析により定量し、Si/M=50および100未満で金属を添加した触媒構造体の金属量は、XRF測定結果とICP測定結果を元に算出した。
この結果、少なくとも原子数比Si/Mが50~1000の範囲内で、金属含有溶液の添加量の増加に伴って、構造体に包接された金属量が増大していることが確認された。
担体と固体酸微粒子とを備える上記実施例及び比較例の触媒構造体について、固体酸微粒子がもつ触媒能(性能)を評価した。結果を表1~6に示す。
触媒活性は、以下の条件で評価した。
まず、触媒構造体を、常圧流通式反応装置に0.2g充填し、NO(一酸化窒素)を含むガスを流速1.0ml/hで流し、還元反応を行った。
耐久性は、以下の条件で評価した。
10 担体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 固体酸
30 NOx還元触媒
Claims (19)
- ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、
前記担体に内在する、固体酸からなるNOx還元触媒と、
を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記通路は、拡径部を有し、
前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる前記拡径部と、を有し、
前記通路の平均内径は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する孔の短径及び長径の平均値から算出され、
前記固体酸は微粒子であり、前記微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、かつ、前記拡径部の内径以下であり、
前記固体酸が、少なくとも前記拡径部に包接されて存在していることを特徴とする自動車用還元触媒構造体。 - 前記拡径部は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、請求項1に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記微粒子の平均粒径が、0.1nm~50nmであることを特徴とする、請求項1または2に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記微粒子の平均粒径が、0.45nm~18.5nmであることを特徴とする、請求項3に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、1.1~500であることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、1.1~36であることを特徴とする、請求項5に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記通路の平均内径に対する前記微粒子の平均粒径の割合が、1.7~4.5であることを特徴とする、請求項5又は6に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記固体酸の金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記触媒構造体に対して0.5~2.5質量%で含有されていることを特徴とする、請求項1~7のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記通路の平均内径は、0.1nm~1.5nmであり、前記拡径部の内径は、0.5nm~50nmであることを特徴とする、請求項1~8のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他のNOx還元触媒を更に備えることを特徴とする、請求項1~9のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 前記担体に内在する前記NOx還元触媒の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他のNOx還元触媒の含有量よりも多いことを特徴とする、請求項1
0に記載の自動車用還元触媒構造体。 - 前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、請求項1~11のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体。
- 請求項1~12のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体を備える、自動車用排気ガス処理装置。
- ハニカム状基材と、前記ハニカム状基材の表面上に設けられた請求項1~12のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体とを有する、触媒成形体。
- 規則性メソ細孔物質である前駆体材料(A)にFe、Zn、Al、Zr、Ti、Se、Te、Sn、Mn、Tc、Re、Cd、Mg、W及びMoからなる群から選択された少なくとも1種の金属成分を含有する金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成する焼成工程と、
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合して水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とする自動車用還元触媒構造体の製造方法。 - 前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料(A)に対して50~500質量%添加することを特徴とする、請求項15に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
- 前記焼成工程の前に、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、請求項15又は16に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
- 前記焼成工程の前に前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10~1000となるように調整することを特徴とする、請求項15~17のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
- 前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、請求項15に記載の自動車用還元触媒構造体の製造方法。
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