JPH11138005A - 排ガス浄化用触媒及びその製造方法 - Google Patents

排ガス浄化用触媒及びその製造方法

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JPH11138005A
JPH11138005A JP9323983A JP32398397A JPH11138005A JP H11138005 A JPH11138005 A JP H11138005A JP 9323983 A JP9323983 A JP 9323983A JP 32398397 A JP32398397 A JP 32398397A JP H11138005 A JPH11138005 A JP H11138005A
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JP
Japan
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exhaust gas
catalyst
inner layer
surface layer
zeolite
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JP9323983A
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Hiroshi Akama
弘 赤間
Junichi Mine
純一 峰
Masanori Kamikubo
真紀 上久保
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温度領域、低HC/NOx比であっても、
燃費を犠牲にすることなく、リーン排ガスのNOxを十
分に浄化することのできる排ガス浄化用触媒及びその製
造方法を提供すること。 【解決手段】 ハニカム状モノリス担体に触媒層たる内
層及び表層を順次積層して成る排ガス浄化用触媒であ
る。内層及び表層がゼオライトを含有し、表層が銅及び
/又はコバルトを含有し、内層の厚みが排気ガス上流側
から下流側かけて漸減し、表層の厚みが排気ガス上流側
から下流側にかけて漸増している。内層及び表層をコー
ティングする際、吸引及び圧縮空気の噴射を交互に行う
製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関、燃焼器
及び各種産業排気等から排出される排ガスの浄化用触媒
に係り、更に詳細には、酸素を過剰に含むリーン域の排
ガスを高効率で浄化する排ガス浄化用触媒及びその製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、自動車のエンジン排ガスのように
酸化成分と還元成分とをほぼ等しく含む排ガスを浄化す
るための触媒としては、3元触媒が幅広く用いられてい
る。この触媒は、Pt、Pd、Ph等の貴金属成分及び
セリア(Ce)成分をはじめとする各種成分を担持した
活性アルミナを主成分とする触媒であり、排ガス中の有
害成分である炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物を高
効率で浄化できる。
【0003】一方、近年、燃費向上や二酸化炭素の排出
量削減の観点から、理論空燃比より高い空燃比でも運転
するリーンバーンエンジンが注目されている。このよう
なエンジンの排ガス(以下、「リーン排ガス」とい
う。)は、理論空燃比近傍で運転する従来エンジンの排
ガス(以下、「ストイキ排ガス」という。)に比較して
酸素含有率が高く、上記3元触媒では窒素酸化物(NO
x)浄化が不十分となる。このため、リーンバーンエン
ジン排ガスの窒素酸化物を高効率で浄化できる新触媒が
望まれていた。
【0004】このような状況において、各種の金属成分
をY型、L型、モルデナイト、MFI等のゼオライトに
担持したゼオライト系触媒が知られており、かかる触媒
は、リーン排ガス中において炭化水素類(HC)共存下
でNOxを比較的効率良く浄化できる能力を有してい
る。また、上述の各種金属成分としては、銅(Cu)、
コバルト(Co)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、鉄
(Fe)等の遷移金属成分、及び貴金属成分では白金
(Pt)も有効であることが認められているが、中でも
Cuを担持したCu−ゼオライト系触媒が、高流速ガス
条件下でも比較的優れたNOx浄化能を示し、自動車の
ような小型移動発生源や安定型の自家発電用エンジン等
の排ガス浄化へのCu−ゼオライト系触媒の適用に期待
がかけられていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記金属成分
を担持したゼオライト系触媒は、NOxを比較的効率よ
く浄化できる温度範囲が広いとは言えず、特に、150
℃〜300℃の比較的低い温度領域ではNOx浄化能力
が不十分となる。また、排ガス中に炭化水素が比較的少
ない、例えば、HC/NOx比が5〜6となる条件で
は、NOx浄化能力が急激に低下する等の課題があるた
め、リーンバーン自動車排ガス浄化用触媒としては実用
化に至っていない。
【0006】なお、上記低温度領域でのNOx浄化能力
の向上に関しては、例えば、特開平1−127044号
公報や特開平5−68888号公報に、Cu−ゼオライ
ト系触媒層の下層に貴金属触媒層を設けることにより、
貴金属触媒層での反応熱を利用し、より低温から上層の
Cu−ゼオライト系触媒を作動させることが既に開示さ
れている。
【0007】しかし、この場合は、下層の貴金属触媒層
における酸化反応熱のために、劣化が大きくなったり、
更には、貴金属触媒層でHC類を酸化消費するので、N
Ox浄化率の低下を招くという課題があった。また、こ
の影響は、特開平1−31074号公報や、特開平5−
168939号公報に開示されているような、Cu−ゼ
オライト系触媒層に貴金属成分を共存させる場合には、
特に大きいと考えられる。
【0008】なお、Pt系触媒を用いれば、200〜2
50℃の比較的低温域でもNOxを転化できるが、N2
への転化のみでなく、N2Oの生成も無視できず、環境
への悪影響から、そのままでは使用できない状況にあ
る。また、Cu−ゼオライト系触媒及びPt系触媒のい
ずれの触媒でも、低HC/NOx浄化能が不十分となる
という課題もあり、これに対しては、還元剤となるHC
類、アルコール類等を触媒入口に2次的に供給する浄化
方法が提案されており、この場合、還元剤のタンクを車
載する方法、燃料を還元剤に直接利用する方法等が提案
されているが、後者の場合にはエンジンの燃費が犠牲に
なるという課題があった。
【0009】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、低温度領域、低HC/NOx比であっても、燃費を
犠牲にすることなく、リーン排ガスのNOxを十分に浄
化することのできる排ガス浄化用触媒及びその製造方法
を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意研究した結果、触媒層たるゼオライト
を含有した内層と、Cu等を含むゼオライトを含有した
表層とに特定の傾斜を設けて積層することにより、上記
課題が解決されることを見出し、本発明を完成するに至
った。
【0011】即ち、本発明の排ガス浄化用触媒は、ハニ
カム状モノリス担体に、触媒層たる内層及び表層を順次
積層して成る排ガス浄化用触媒において、上記内層及び
表層がゼオライトを含有し、且つこの表層が銅及び/又
はコバルトを含有し、上記内層の厚みが排気ガス上流側
から下流側にかけて漸減し、上記表層の厚みが排気ガス
上流側から下流側にかけて漸増することを特徴とする。
【0012】また、本発明の排ガス浄化用触媒の製造方
法は、上述の排ガス浄化用触媒を製造するに当たり、上
記内層及び表層をコーティングする際、吸引及び圧縮空
気の噴射を交互に行うことを特徴とする。
【0013】
【作用】本発明の触媒では、排ガス低温時にはHC類が
内層のゼオライト触媒層に貯蔵されるが、排ガス温度が
上昇して表層のNOx浄化活性が発現する温度に到達す
ると同時にHC類の脱離が始まって触媒表面上でのHC
/NOx比が高まるので、高いNOx浄化効率を実現で
きる。
【0014】そして、本発明の触媒では、内層及び表層
の厚み、即ち各層のコート量に、排気ガスの流れ方向に
応じた適切な傾斜を設けることにより、HC類の吸着効
率及び表層での脱離HCの利用効率を高めているのであ
る。即ち、内層が効率よくHC類をトラップするために
は、表層の存在が邪魔になる一方で、内層が多量のHC
を脱離すると、表層での浄化処理が追いつかなくなる。
よって、排ガスの上流側では内層を多くコートし、下流
側では表層を多くコートすることにより、HC類の吸着
率と脱離HC類の利用率を最大限にしているのである。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の排ガス浄化用触媒
について詳細に説明する。上述の如く、本発明の排ガス
浄化用触媒は、ハニカム状モノリス担体に触媒層たる内
層をコートし、更にこの内層の上に触媒層たる表層をコ
ートして成る。ここで、内層及び表層は、ともにゼオラ
イトを含有するが、内層は主としてNOx吸収・吸着層
として機能し、表層はCu及び/又はCoを更に含有
し、NOx浄化層として機能する。
【0016】また、内層の厚み(コート量)は、排気ガ
ス上流側から下流側にかけて漸減しており、換言すれ
ば、内層は、排気ガス上流側のコート量が大きく、下流
側のコート量が小さくなるような傾斜を有するコート量
分布を有している。これに対し、表層のコート量は、上
記内層とはほぼ逆傾斜のコート量分布を有し、表層の厚
みは、排気ガス上流側から下流側にかけて漸増するよう
な構成となっており、これにより、上述したHC類の吸
着率と脱離HC類の利用率を良好なものとしている。
【0017】また、内層には、Pt、Pd又はRh及び
これらの任意の混合物を含有させることが好ましく、こ
れにより、脱離HC類をより利用し易い形態に転換し、
脱離HC類の利用率を向上することができる。なお、こ
の際、アルカリ、アルカリ土類金属及び/又は希土類成
分を共存させて上記貴金属の酸化活性を制御することが
好ましく、これら成分の中でも、Ca、K、Ba又はL
a及びこれらの任意の混合物の共存効果が特に大きい。
【0018】また、上記Ca等の成分の含有量は、ハニ
カム状モノリス触媒1L当たり0.1〜0.6モルとす
ることが好ましい。0.1モル以下未満では、所期の効
果が得られないことがあり、他方、0.6モルを超える
と、貴金属成分の効果が消失することがあり、好ましく
ない。
【0019】また、本発明のハニカム状モノリス触媒に
おいて、内層及び表層に用いるゼオライトとしては、各
種ゼオライトが有効であるが、特にシリカ/アルミナ比
が10〜130のMFI及び/又はβ型ゼオライトを用
いると顕著な効果が得られるので、かかるMFI及び/
又はβ型ゼオライトを用いることが好ましい。前者は表
層触媒に有効であり、後者は内層触媒として用いると高
い浄化率が得やすいが、このβ型ゼオライトは表層触媒
としても極めて有効である。
【0020】ここで、シリカ/アルミナ比を10〜13
0としたのは、10未満ではゼオライトの熱安定性が不
十分となり、触媒の耐熱性や耐久性が低下することがあ
り、他方、130を超えると活性金属成分の担持量が少
なくなり、有効活性点が減るために所定の触媒活性が得
られないことがあるためである。このように、シリカ/
アルミナ比が10〜130のゼオライトを用いることに
より活性成分を安定的に担持でき、また、有効活性点数
も確保でき、更には、HC類の吸着材としてCuやCo
を含む浄化触媒が作動する比較的高い温度域までHC類
を確実に保持することもできる。
【0021】なお、上述のゼオライトは、そのままでも
用いることができるが、水熱処理や再合成等を行うこと
によって結晶性を高めるとより安定化し、耐熱性及び耐
久性の高い触媒が得られるので、本発明では、このよう
な処理を施したゼオライトを用いることが好ましい。
【0022】また、本発明の触媒では、ハニカム形状の
モノリス担体を使用して内層及び表層の多層化を実現す
るが、この場合、ハニカム状の担体に上述のゼオライト
系触媒を塗布して多層化を行えばよい。このハニカム材
料としては、一般にコージェライト質のものが広く用い
られているが、これに限定されるものではなく、金属材
料から成るハニカム担体を用いることもできる。
【0023】なお、触媒の形状をハニカム状とすれば、
触媒と排ガスとの接触面積を大きくでき、圧力損失を抑
えることもできるため、振動があり、且つ限られた空間
内で多量の排ガスを処理することが要求される自動車用
触媒として用いる場合には、特に有利である。
【0024】次に、本発明の触媒の製造方法について説
明する。本発明のハニカム状モノリス触媒は、触媒粉を
水と混合してスラリーを得、このスラリーをハニカム担
体にコーティングすることにより製造できるが、上述し
た内層と表層との傾斜形状を実現するためには、吸引と
圧縮空気噴射とを繰り返すことが必要である。
【0025】例えば、吸引装置と圧縮空気噴射装置を兼
備した装置を用い、内層及び表層のコーティングに当た
り、吸引した後、直ちに圧縮空気の噴射を行い、又は逆
に圧縮空気の噴射後に吸引を行い、且つ吸引圧及び圧縮
空気圧を制御することにより、内層及び表層における触
媒コート量の傾斜を制御することができる。なお、上記
吸引、圧縮空気噴射の方向は、ハニカム担体におけるセ
ルの延在方向とほぼ平行であることが好ましい。
【0026】また、上述の触媒製造において、ゼオライ
トに担持する金属成分の原料としては、各種金属の無機
酸塩、酸化物、有機酸塩、塩化物、炭酸塩、ナトリウム
塩、アンモニウム塩及びアンミン錯化合物等の各種化合
物を使用することができ、イオン交換法や含浸法等の通
常用いられる方法で担持することができる。通常のイオ
ン交換法、含浸法による場合、金属原料は溶液で用いる
ことが多く、その溶液に酸又は塩基を添加して適当にp
Hを調節することにより、好ましい結果を得られること
もあるが、本発明はこのような担持法によって制限され
るものではない。
【0027】
【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例により更に
詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定される
ものではない。
【0028】(実施例1) (1)内層触媒層の形成 ジニトロジアンミン白金水溶液の中に、SiO2/Al2
3のモル比が約44のNH4型βゼオライトの粉末を添
加して、よく攪拌した後、乾燥器中120℃で4時間乾
燥、空気流中650℃で2時間焼成し、Ptを0.2w
t%担持したPt−βゼオライト粉を得た。この触媒粉
末、アルミナゾル及び水を磁性ボールミルポットに入
れ、約20分間混合・粉砕して、Pt−βゼオライトの
スラリーを得た。アルミナゾルの添加量は、Al23
して吸着水を除いたPt−βゼオライト触媒粉に対して
10wt%とした。
【0029】以上のようにして得られたスラリーを、1
平方インチ断面当たり約400個の流路を持つコージェ
ライト質ハニカム担体1.3L上に被覆し、吸引装置と
圧縮空気噴射装置を兼備した装置を用い、圧縮空気を1
0秒間間欠的に噴射した後、圧力400mmH2Oで1
0秒間吸引し、次いで、150℃の熱風乾燥に続き、5
00℃で1時間焼成して触媒コート量が約70g/Lの
ハニカム触媒体を得た。このハニカム触媒体の内層触媒
コート量は、排ガス上流側1/2部分で下流側1/2部
分の2倍量であった。次いで、このハニカム触媒を酢酸
カルシウム及び酢酸バリウムの混合水溶液に浸した後、
120℃で乾燥、500℃で1時間焼成し、Ca及びB
aをハニカム触媒容量1L当りそれぞれ0.3モル及び
0.1モル含有した内層ハニカム触媒体を得た。
【0030】(2)表層触媒層の形成 濃度0.17Mの硝酸銅及び硝酸コバルト混合水溶液
(Cu:Co=8:2)にアンモニア水を添加し溶液の
pHを8.2とした。この溶液中に、SiO2/Al2
3のモル比が約45のNH4型MFIゼオライトの粉末を
添加してよく攪拌し、次いで、濾過することにより固液
を分離した。上記の攪拌・濾過操作を3回繰り返すこと
により、Cu及びCoをイオン交換担持したMFIゼオ
ライト触媒ケーキを得た。このケーキを乾燥器中120
℃で24時間以上乾燥し、次いで、電気で大気雰囲気下
600℃で4時間焼成することにより、Cuが3.4w
t%、Coが0.7wt%担持されたCu−Co−MF
I触媒粉を得た。
【0031】得られた触媒粉をアルミナゾル及び水と混
合し、磁性ボールミルポットで20分間粉砕してスラリ
ーとした。このスラリーを上記で得られた内層ハニカム
触媒体(1.3L)上に被覆し、上記コーティング装置
を用いて同様にコーティングし、乾燥・焼成して、実施
例1のハニカム触媒1を得た。このハニカム触媒の表層
触媒のコート量は約200g/Lであり、表層触媒コー
ト量は排ガス下流側1/2部分で上流側1/2部分の2
倍量であった。
【0032】(実施例2)Ptを0.2wt%担持した
Pt−βゼオライト粉の代わりに、SiO2/Al23
のモル比が約30のH型βゼオライト粉を用い、酢酸カ
ルシウム及び酢酸バリウムによる含浸を行わなかった以
外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、実施例2のハ
ニカム触媒2を得た。
【0033】(実施例3)Pdを0.2wt%担持した
Pt−βゼオライト粉の代わりにPdを0.4wt%担
持したPd−βゼオライト粉を内層触媒層に用い、酢酸
カルシウム及び酢酸バリウムの混合水溶液の代わりに硝
酸ランタン及び酢酸バリウムの混合水溶液を用いた以外
は、実施例1と同様の操作を繰り返し、La及びBaを
ハニカム触媒容量1リットル当たりそれぞれ0.35モ
ル及び0.15モル含有した内層ハニカム触媒体を得
た。更に、表層触媒のMFIゼオライトに代えて、Si
2/Al23のモル比が約42のNa型βゼオライト
粉を用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、
本例の触媒であるハニカム触媒3を得た。なお、本触媒
の表層におけるCu及びCoの担持量は、それぞれ3.
7wt%、0.09wt%であった。
【0034】(実施例4)内層触媒層のCa及びBaの
含有量をそれぞれ0.02モル/L、0.1モル/Lと
した以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、ハニカ
ム触媒4を得た。
【0035】(実施例5)内層触媒層のCa及びBaの
含有量をそれぞれ0.4モル/L、0.18モル/Lと
した以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、ハニカ
ム触媒5を得た。
【0036】(実施例6)表層触媒層のMFIゼオライ
トに代えて、シリカ/アルミナ比が約28のβゼオライ
トを用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、
ハニカム触媒6を得た。
【0037】(実施例7)内層触媒層のβゼオライトの
シリカ/アルミナ比を約125とした以外は、実施例1
と同様の操作を繰り返し、ハニカム触媒7を得た。
【0038】(比較例1)内層及び表層触媒層のコート
傾斜を無くした以外は、実施例1と同様の操作を繰り返
し、ハニカム触媒Ref.1を得た。
【0039】(比較例2)内層触媒層のコート傾斜を無
くした以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、ハニ
カム触媒Ref.2を得た。
【0040】(比較例3)表層触媒層のコート傾斜を無
くした以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、ハニ
カム触媒Ref.3を得た。
【0041】(実施例8)内層触媒層のCa及びBaの
含有量をそれぞれ0.05モル/リットル、0.03モ
ル/リットルとした以外は、実施例1と同様の操作を繰
り返し、ハニカム触媒8を得た。
【0042】(実施例9)内層触媒層のCa及びBaの
含有量をそれぞれ0.2モル/リットル、0.43モル
/リットルとした以外は、実施例1と同様の操作を繰り
返し、ハニカム触媒9を得た。
【0043】(実施例10)表層触媒層のMFIゼオラ
イトに代えて、シリカ/アルミナ比が約18のβゼオラ
イトを用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返
し、ハニカム触媒10を得た。
【0044】(実施例11)内層触媒層のβゼオライト
のシリカ/アルミナ比を約150とした以外は、実施例
1と同様の操作を繰り返し、ハニカム触媒11を得た。
【0045】(触媒性能試験例)直列4気筒2Lエンジ
ン(ガソリン、A/F=約23)の排気ガスを用いたエ
ンジンダイナモ装置により、触媒入口温度を100℃か
ら一定速度で昇温した場合の平均NOx浄化性能を、上
記実施例及び比較例の触媒に関して評価した。試験中の
触媒入口温度は、100℃〜450℃であり、100℃
で2分間維持した後、50℃/minの昇温速度で45
0℃まで昇温させた。排ガス中の平均HC/NOx比は
2.5、ガス空間速度は32000h-1とした。表1
に、実施例及び比較例の触媒による昇温NOx浄化性能
及び触媒構成を示す。
【0046】
【表1】
【0047】表1より、実施例1〜7の触媒は、低温度
でのHC類を効率良くトラップし、且つ昇温過程でHC
を高効率で利用しており、優れたNOx浄化効率を示す
ことが分かる。特に、内層及び表層に適当な傾斜を付加
した場合に効果が大きいこともわかる。また、アルカ
リ、アルカリ土類、希土類の担持量及びゼオライトのシ
リカ/アルミナ比が本発明所定の好適範囲を逸脱する
と、それぞれ内層、表層の効果が低減することがあり、
特に、表層ゼオライトのシリカ/アルミナ比は性能への
影響が大きいことが分かる。
【0048】以上、本発明を好適実施例により詳細に説
明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものでは
なく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能
である。例えば、内層及び表層における触媒コート量に
起因する傾斜は、必ずしも連続的に変化するものである
必要はなく、触媒コート量が段階的に変化した階段状の
傾斜であってもよい。
【0049】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、触媒層たるゼオライトを含有した内層と、Cu等を
含むゼオライトを含有した表層とに特定の傾斜を設けて
積層することとしたため、低温度領域、低HC/NOx
比であっても、燃費を犠牲にすることなく、リーン排ガ
スのNOxを十分に浄化することのできる排ガス浄化用
触媒及びその製造方法を提供することができる。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ハニカム状モノリス担体に、触媒層たる
    内層及び表層を順次積層して成る排ガス浄化用触媒にお
    いて、 上記内層及び表層がゼオライトを含有し、且つこの表層
    が銅及び/又はコバルトを含有し、 上記内層の厚みが排気ガス上流側から下流側にかけて漸
    減し、上記表層の厚みが排気ガス上流側から下流側にか
    けて漸増することを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
  2. 【請求項2】 上記内層が、白金、パラジウム及びロジ
    ウムから成る群より選ばれた少なくとも1種の貴金属成
    分を含有することを特徴とする請求項1記載の排ガス浄
    化用触媒。
  3. 【請求項3】 上記内層が、更にアルカリ金属、アルカ
    リ土類金属及び希土類元素から成る群より選ばれた少な
    くとも1種の成分を含有することを特徴とする請求項1
    又は2記載の排ガス浄化用触媒。
  4. 【請求項4】 上記成分が、Ca、K、Ba及びLaか
    ら成る群より選ばれた少なくとも1種のものであり、そ
    の含有量が触媒1L当たり0.1〜0.6モルであるこ
    とを特徴とする請求項3記載の排ガス浄化用触媒。
  5. 【請求項5】 上記ゼオライトが、シリカ/アルミナ比
    が25〜130のMFIゼオライト及び/又はβ型ゼオ
    ライトであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか
    1つの項に記載の排ガス浄化用触媒。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1つの項に記載
    の排ガス浄化用触媒を製造するに当たり、上記内層及び
    表層をコーティングする際、吸引及び圧縮空気の噴射を
    交互に行うことを特徴とする排ガス浄化用触媒の製造方
    法。
JP9323983A 1997-11-11 1997-11-11 排ガス浄化用触媒及びその製造方法 Pending JPH11138005A (ja)

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