JP7434489B1 - 排ガス浄化用触媒およびこれを用いた触媒体 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本実施形態の排ガス浄化用触媒100を模式的に示す断面図である。図1に示すように、排ガス浄化用触媒100は、母材30と、母材に担持された触媒貴金属40と、を含む。詳しくは後述するが、母材30は、アルミナ粒子32と、アルミナ粒子32の表面の少なくとも一部を被覆するジルコニア34とを含む。図1に示すように、触媒貴金属40は、アルミナ粒子32と当接していることが好ましい。触媒貴金属40は、ジルコニア34とも当接していることがさらに好ましい。
特に限定されるものではないが、排ガス浄化用触媒100は、例えば、(S1)懸濁液調製工程と、(S2)スプレードライ工程と、(S3)焼成工程と、(S4)触媒貴金属担持工程とを、この順に含む方法により、次のようにして作製することができる。
排ガス浄化用触媒100は、典型的にはハニカム構造体等に担持されて使用される。排ガス浄化用触媒100は、例えばストレートフロー型のハニカム構造体に担持することで、ディーゼル酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)や、NOx吸蔵還元触媒(NSR:NOx Storage Reduction)、アンモニアスリップ触媒(ASC:Ammonia Slip Catalyst)、の触媒成分として、好適に用いることができる。また、排ガス浄化用触媒100は、例えばウォールフロー構造のハニカム構造体に担持することで、排ガスに含まれる粒子状物質(PM:Particulate matter)を除去するガソリンパティキュレートフィルタ(GPF:Gasoline Particulate Filter)や、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)に塗布する触媒成分として、好適に用いることができる。
図2は、排ガス浄化システム1の模式図である。排ガス浄化システム1は、内燃機関(エンジン)2と、排ガス浄化装置3と、エンジンコントロールユニット(Engine Control Unit:ECU)7と、を備えている。排ガス浄化システム1は、内燃機関2から排出される排ガスに含まれる有害成分、例えば、HC、CO、NOx等を、排ガス浄化装置3で浄化するように構成されている。なお、図2等の矢印は、排ガスの流動方向を示している。また、以下の説明では、排ガスの流れに沿って、内燃機関2に近い側を上流側、内燃機関2から遠い側を下流側という。
図3は、排ガス浄化用触媒体10を模式的に示す斜視図である。排ガス浄化用触媒体10は、上述の排ガス浄化用触媒100を含む第1触媒体10の一例である。図3では、相対的に内燃機関2に近い排気経路4の上流側が左側に表され、相対的に内燃機関2から遠い排気経路の下流側が右側に表されている。また、図3において、符号Xは、排ガス浄化用触媒体10の筒軸方向を表している。排ガス浄化用触媒体10は、筒軸方向Xが排ガスの流動方向に沿うように排気経路4に設置されている。筒軸方向Xは、排ガスの流動方向である。以下では、筒軸方向Xのうち、一の方向X1を上流側(排ガス流入側、フロント側ともいう。)といい、他の方向X2を下流側(排ガス流出側、リア側ともいう。)ということがある。ただし、これは説明の便宜上の方向に過ぎず、排ガス浄化用触媒体10の設置形態を何ら限定するものではない。
図5は、第1変形例に係る図4対応図である。排ガス浄化用触媒体10Aは、触媒層20にかえて触媒層20Aを備えている。触媒層20Aは、相互に構成の異なる部分触媒層が厚み方向に2つ以上積層された積層構造である。具体的には、触媒層20Aは、基材11側に位置する下層部21と、下層部21よりも触媒層20Aの表面側に位置する上層部22とが、厚み方向に積層されて構成されている。ここでは、基材11の表面に接するように下層部21が設けられ、下層部21の上面に接するように上層部22が設けられている。なお、図5では触媒層20Aが2層構造であるが、触媒層20Aは、3層以上の積層構造を有していてもよい。例えば、触媒層20Aは、下層部21と上層部22との間に中間層を有していてもよいし、触媒層20Aは、上層部22の上にさらに別の層を有していてもよい。
図6は、第2変形例に係る図4対応図である。排ガス浄化用触媒体10Bは、第1変形例の触媒層20にかえて触媒層20Bを備えている。触媒層20Bは、相互に構成の異なる部分触媒層が筒軸方向Xに2つ以上が並んだ構造である。具体的には、触媒層20Bは、排ガスの流動方向において、上流側X1に位置する前段部23と、前段部23よりも下流側X2に位置する後段部24と、を有する。ここでは、排ガスの流入口10aから筒軸方向Xに沿って前段部23が設けられ、排ガスの流出口10bから筒軸方向Xに沿って後段部24が設けられている。
図7は、第3変形例に係る図4対応図である。排ガス浄化用触媒体10Cは、第2変形例の触媒層20Bにかえて触媒層20Cを備えている。前段部23および後段部24は、それぞれ、相互に構成の異なる部分触媒層が厚み方向に2つ以上積層された積層構造を有している。ただし、前段部23および/または後段部24は、第2変形例のごとく単層構造であってもよい。また、前段部23および/または後段部24は、3層以上の積層構造であってもよい。前段部23は、ここでは前段下層23dと、前段下層23dの上に形成された前段上層23uと、を備えている。後段部24は、ここでは後段下層24dと、後段下層24dの上に形成された後段上層24uと、を備えている。
排ガス浄化用触媒体10は、自動車やトラック等の車両や、自動二輪車や原動機付き自転車をはじめとして、船舶、タンカー、水上バイク、パーソナルウォータークラフト、船外機等のマリン用製品、草刈機、チェーンソー、トリマー等のガーデニング用製品、ゴルフカート、四輪バギー等のレジャー用製品、コージェネレーションシステム等の発電設備、ゴミ焼却炉等の内燃機関から排出される排ガスの浄化に好適に用いることができる。なかでも、自動車等の車両に対して好適に用いることができ、特に、ディーゼルエンジンを備える車両に対して好適に用いることができる。
〔母材1~4、6の作製〕
以降の実施例1~4で用いる母材1~4、および比較例2で用いる母材6を、スプレードライ法で作製した。具体的には、まず、ジルコニア前駆体としてのオキシ硝酸ジルコニウムと、アルミナ粉末とを、表1に示す質量割合となるように容器に入れ、純水を加えながら撹拌した。これにより、オキシ硝酸ジルコニウムが溶解し、アルミナ粉末が分散した懸濁液を調製した。なお、母材1では、ランタンを含まないアルミナ粉末を用い、母材2~4では、表1に示す質量割合でランタンを含むアルミナ粉末を用いた。また、アルミナ粉末としては、平均粒径(D50)範囲が27~43μm、細孔容積が0.3~0.55ml/gの粉末を用いた。
以降の比較例1で用いる母材5として、表1に示す質量割合となるようにランタンを含むアルミナ粉末を用意した。母材5は、アルミナの表面にジルコニアが被覆されていない母材である。
以降の比較例3で用いる母材7では、アルミナの表面に共沈でジルコニアを配置した。具体的には、まず、上記と同じオキシ硝酸ジルコニウムとアルミナ粉末を、表1に示す質量割合となるように容器に入れ、純水を加えながら撹拌した。これにより、オキシ硝酸ジルコニウムが溶解し、アルミナ粉末が分散した懸濁液を調製した。次いで、この懸濁液に対して、懸濁液がアルカリ性になるように、アンモニア水を添加して、共沈を行った。そして、沈殿物を回収し、電気炉にて200℃で2時間乾燥した後、500℃で2時間焼成した。これにより、アルミナ粉末の表面にジルコニアを有する母材7を得た。
以降の比較例4,5で用いる母材8、9は、特許文献2に開示されるような蒸発乾固法で作製した。具体的には、母材8については、まず、市販の硝酪セリウムを純水に溶解後、上記と同じアルミナ粉末を加えて撹拌した。これにより、硝酪セリウムが溶解し、アルミナ粉末が分散した懸濁液を調製した。次いで、この懸濁液を、電気炉にて120℃で8時間、蒸発乾固させた後、500℃で2時間焼成した。これにより、アルミナ粉末の表面にセリアを有する母材8を得た。
以降の比較例6で用いる母材10は、特許文献1に開示されるような蒸発乾固法で作製した。具体的には、まず、市販のジルコニアゾル(ZrO2の平均粒径(D50)範囲が60~80nm)を純水で希釈後、上記と同じアルミナ粉末を加えて撹拌した。これにより、ジルコニアゾルおよびアルミナ粉末が分散した懸濁液を調製した。次いで、この懸濁液を、電気炉にて120℃で8時間乾燥した後、500℃で2時間焼成した。これにより、アルミナ粉末の表面にジルコニアを有する母材10を得た。
上記作製した母材1~10に対し、蛍光X線分析装置(XRF、スペクトリス社製のMalvern Panalytical Axios)を用いて、ZrO2、Al2O3、La2O3の組成割合(質量%)を求めた。なお、測定条件は、X線出力:2.4kW、加速電圧:30kV、電流値:80mAとし、FP法により割合を算出した。結果を表1に示す。
母材1~10にそれぞれ触媒貴金属を担持して、排ガス浄化用触媒を作製した。具体的には、まず、表1に示す母材1~10(89.9g)を、それぞれ純水に分散させた後、ジニトロジアンミン白金(II)硝酸溶液を、表1に示すモル比となるように、Pt換算で1.0g分、添加した。これにより、ジニトロジアンミン白金が溶解し、母材が分散した懸濁液を調製した。次いで、この懸濁液を、電気炉にて乾燥した後、500℃で1時間焼成した。このようにして、母材にPtを担持し、各例の排ガス浄化用触媒を得た。
上記作製した排ガス浄化用触媒のうち、実施例1~4、比較例2、3,6について、集束イオンビーム走査型電子顕微鏡(FIB-SEM:JEOL製のJXA-8530F)で観察した。測定条件は、加速電圧:7kVまたは3kV、電流値:0.4nA、WD:4mmとした。一例として、実施例2と比較例6の排ガス浄化用触媒のFIB-SEM観察画像(測定倍率300,000倍)を、図8A、図8Bにそれぞれ示す。
上記作製した排ガス浄化用触媒のうち、ジルコニアを含む実施例1~4、比較例2、3,5,6について、電解放出型電子プローブマイクロアナライザ(FE-EPMA、FEI製のHelios G4UX)を用いて、Zrの定量ライン分析を行った。具体的には、まず、アルミナ粒子を断面出しして測定試料を作製した。次いで、FE-EPMAを用い、「Al Level」のIntensityの上限を3000に設定して、Alのマッピング像を取得した。そして、AlのIntensityが500以上の領域を、排ガス浄化用触媒の粒子が存在する領域とした。
上記作製した排ガス浄化用触媒を用いて、排ガス浄化用触媒体を作製した。具体的には、まず、基材として、コージェライト製のハニカム基材(全長:2.5cm、直径Φ:3cm、体積:0.0176L、隔壁厚み:6mil、セル数:400cpsi)を用意した。
まず、各例の排ガス浄化用触媒体(体積0.018L)を、チャンバー型電気炉内に設置し、大気雰囲気下にて750℃で50時間熱処理し、耐久処理した。次いで、耐久処理後の排ガス浄化用触媒体を、活性評価装置にセットした。そして、装置内に以下の成分を含むモデルガスを14.8L/minの流速で流しながら、100℃から500℃まで20℃/minの昇温速度で昇温した。この昇温時に、COの浄化率が50%に到達する温度(CO50%浄化温度:CO-T50)を測定した。結果を表1および図10に示す。
<モデルガスの成分>
CO 800ppm
C3H6 3000ppmC
NO 200ppm
O2 8%
CO2 7%
H2O 7%
〔排ガス浄化用触媒体(実施例5~7、比較例7~9)の作製〕
実施例5,6および比較例7,8では、触媒貴金属として、Ptに加えてPdを使用した。すなわち、実施例5,6および比較例7,8では、表1に示す母材2,5(89.9g)を、それぞれ純水に分散させた後、ジニトロジアンミン白金(II)硝酸溶液を、Pt換算で1.0g分、添加し、さらに、硝酸パラジウム溶液を、Pd換算で0.2g分あるいは0.5g分、添加した。このこと以外は上記試験例Iと同様に、排ガス浄化用触媒と、それを用いた排ガス浄化用触媒体を作製し、評価を行った。CO50%浄化温度の評価結果を表2および図11に示す。
2 内燃機関
3 排ガス浄化装置
10 第1触媒体(排ガス浄化用触媒体)
11 基材
20 触媒層
30 母材
32 アルミナ粒子
34 ジルコニア
40 触媒貴金属
100 排ガス浄化用触媒
Claims (7)
- アルミナ粒子と、前記アルミナ粒子の表面の少なくとも一部を被覆するジルコニアと、を含む母材と、
前記母材に担持され、少なくともPtを含有する触媒貴金属と、
を含み、
集束イオンビーム走査型電子顕微鏡によって求まる前記ジルコニアの平均粒径は、50nm以下であり、
前記Ptに対する前記ジルコニアのモル比(ZrO2/Pt)は、8以上であり、
前記アルミナ粒子の表面から中心に向かって、電解放出型電子プローブマイクロアナライザを用いてZrの定量ライン分析を行って、表面を0%、中心を100%として表面から中心までの深さを表した場合に、0~30%の範囲内にZr強度のピークトップが存在する、
排ガス浄化用触媒。 - 前記母材における前記ジルコニアの質量割合が、5質量%以上30質量%以下である、請求項1に記載の排ガス浄化用触媒。
- 前記モル比(ZrO2/Pt)が、30以下である、
請求項1または2に記載の排ガス浄化用触媒。 - 前記触媒貴金属が、Rhを含まない、
請求項1または2に記載の排ガス浄化用触媒。 - 基材と、前記基材に設けられている触媒層と、を備え、
前記触媒層が、請求項1または2に記載の排ガス浄化用触媒を含有する、
排ガス浄化用触媒体。 - 前記触媒層が、
前記基材側に位置する下層部と、
前記触媒層の表面側に位置する上層部と、を備え、
前記下層部が、請求項1または2に記載の排ガス浄化用触媒を含有し、
前記上層部が、前記下層部と異なる排ガス浄化用触媒を含有する、
請求項5に記載の排ガス浄化用触媒体。 - 前記触媒層が、排ガスの流れ方向において、
前記触媒層の上流側に位置する前段部と、
前記触媒層の下流側に位置する後段部と、を備え、
前記後段部が、請求項1または2に記載の排ガス浄化用触媒を含有し、
前記前段部が、前記後段部と異なる排ガス浄化用触媒を含有する、
請求項5に記載の排ガス浄化用触媒体。
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