JPH11147041A - 排ガス浄化触媒 - Google Patents

排ガス浄化触媒

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JPH11147041A
JPH11147041A JP10200500A JP20050098A JPH11147041A JP H11147041 A JPH11147041 A JP H11147041A JP 10200500 A JP10200500 A JP 10200500A JP 20050098 A JP20050098 A JP 20050098A JP H11147041 A JPH11147041 A JP H11147041A
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copper oxide
ferrite
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満 細谷
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信也 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディーゼルエンジン排ガス中のNOx含量を
低減させる高い触媒活性、広い活性温度範囲及び高耐久
性を示す触媒を提供すること。 【解決手段】 ゼオライト及び/または金属フェライト
からなるマトリックス上または中に銅酸化物(CuO、
Cu2O等)の粒子を分散させるか、貴金属の粒子をさ
らに分散させてなる排ガス浄化触媒。

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、殊にデ
ィーゼルエンジンからの排ガス中に含まれる窒素酸化物
(NOx)を低減させ、排ガスを浄化するための触媒に
関する。
【0002】
【従来の技術】自動車等の内燃機関での燃料の燃焼に伴
って発生するNOxを含む排ガスを処理して、そのNO
x含量を低減させるための触媒として種々のものが提案
されている。その例として銅−ゼオライト触媒、すなわ
ちNa型のZSM−5ゼオライトのNaイオンをCuイ
オンで交換した、銅イオン交換ゼオライト触媒、あるい
は白金−アルミナ触媒等がある。これらのものは、典型
的にはコージェライトなどのセラミックスから作られた
多数の透通孔を有するモノリスハニカム担体、あるいは
ステンレス鋼の様な金属の平坦な箔とコルゲート箔を組
合せて(すなわち積重して)作成されるモノリスハニカ
ム担体等の表面にバインダーを用いてコーティングさ
れ、排ガス管中に配置され、排ガス接触処理のために使
用される。銅−ゼオライト触媒では、ゼオライト細孔内
に銅イオンが存在することにより約300〜500℃の
温度範囲でNOx低減活性が発現するが、銅−ゼオライ
ト触媒は排ガス中の水熱共存条件下で活性が使用時間の
経過によって低下(劣化)するという欠点がある。この
原因はゼオライトの細孔中へ排ガスから水分やSO2
入り込み、そこに存在する銅(イオン状態)に対し悪作
用を及ぼすためと考えられる。従って銅−ゼオライト触
媒は満足すべき実用性を有しない。また公知のPt−ア
ルミナ触媒については、NOx低減活性温度範囲が狭
く、一般的には約160〜300℃の温度で有意なNO
x低減効果を示すが、この範囲外ではNOx低減の実用
的効果が認め難い。
【0003】従って、排ガス浄化用触媒の使用寿命を延
長し、NOx低減活性温度範囲を拡張し、かつNOx低
減効果を改善する必要性がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、上記の公
知技術の欠点に鑑み、排ガス浄化用触媒のNOx低減作
用が排ガスの低温域から高温域までの広い温度範囲にわ
たって、高い効率で発揮され、そのNOx低減作用が長
期間維持される触媒の構成を見出すべく鋭意研究検討を
実施し、その結果として本発明を完成するに至った。
【0005】
【課題を解決するための手段】従って本発明の一態様に
よれば、ゼオライト及び/または金属フェライトからな
るマトリックス上または中に銅酸化物粒子を分散させて
なる排ガス浄化触媒が提供される。本発明のこの態様の
排ガス浄化触媒は、一般に該マトリックス材の粉末と銅
酸化物をバインダーと共に均質混合物となし、バインダ
ーで固結した状態にあり、銅酸化物粒子が触媒活性種と
してマトリックス中または上に分散されている。
【0006】本発明の排ガス浄化触媒におけるゼオライ
ト及び/または金属フェライトからなるマトリックスと
銅酸化物の組成割合は、前者(マトリックス)が50〜
99.9重量%、好ましくは65〜99.5重量%、さ
らに好ましくは70〜99重量%、そして後者が0.1
〜50重量%、好ましくは0.5〜35重量%、さらに
好ましくは1〜30重量%である。触媒のマトリックス
をなすゼオライト及び金属フェライトはそれぞれ単独
で、あるいは任意の混合比率の混合物で使用することが
できるが、金属フェライトは触媒活性種の銅酸化物(殊
に亜酸化銅)の触媒活性を向上させその劣化を遅らせ、
触媒寿命を延長する傾向があることが認められた。
【0007】本発明で使用しうるゼオライトの例として
は、ZSM−5、モルデナイト、フェリエライト、Y
型、SAPO等及びその他があるが、ZSM−5が好適
である。本発明で使用しうる金属フェライトは、一般式
MO・Fe23で表わされる組成の鉄酸化物類であり、
Mは2価の金属イオン(例:マンガン、鉄、コバルト、
ニッケル、銅、亜鉛等の2価イオン)である。使用しう
る金属フェライトの例はCoFe24、CuFe24
ZnFe24等である。本発明における銅酸化物とは、
CuO(酸化銅)、Cu2O(亜酸化銅)等を包含する
ものである。マトリックス及び銅酸化物を固結するため
のバインダーの好適な例としては、アルミナゾル、シリ
カゾルがあり、硝酸アルミニウム、タルク等を使用する
こともでき、また炭水化物(デンプン等)類及びポリビ
ニルアルコール等の有機系バインダーも公知である。
【0008】本発明の触媒を調製するには、マトリック
ス材料の粉末及び銅酸化物粉末を前記の割合で混合し、
さらに水及びバインダーを混入して、均質になるまで撹
拌しスラリーを形成する。一般的にはコージェライト等
の耐火性セラミック製のハニカム担体の表面に上記スラ
リーをコーティングし、乾燥し、焼成処理することによ
り、ハニカム担体の表面上に固結した状態の触媒とする
ことができる。この場合の組成の一例を挙げると: 酸化銅(CuO) 10重量部 マトリックス材料(単独または混合物) 40重量部 バインダー(シリカゾル) 10重量部 水 50重量部 コーティング後の乾燥は約90〜110℃程度の温度で
数時間例えば1〜5時間行ない、次の焼成処理工程は約
400〜800℃好ましくは約500〜600℃前後の
温度で約2〜10時間、例えば6時間実施する。
【0009】あるいは別法として上記スラリーの粘度
を、水の少量使用によって、押出加工可能な粘度まで上
げ、ペレット、あるいはハニカム等の成形品となし、こ
れを乾燥、焼成することにより固結した触媒を得ること
ができる。上記のスラリーの組成例における水の代り
に、またはそれに加えて、揮発性または蒸発性の有機溶
媒、例えばアルコールを用いることもできる。
【0010】本発明の上記の態様による銅酸化物−ゼオ
ライト触媒を排ガス処理に使用する場合、ゼオライトは
排ガスが例えばほぼ250℃位までの低温であるときに
炭化水素を吸蔵する傾向を示し、排ガスが高温になると
その吸蔵炭化水素が脱離される。また排ガスが低温であ
るとき、NOxは銅酸化物に吸着されその際に例えばN
Oが一層反応性の高いNO2にまで酸化され、排ガスが
高温となったときにはそのNO2が放出され、ゼオライ
トから脱離される炭化水素がそのNO2のための還元剤
として直ちに有効に作用できる状態が発生するものと考
えられる。従って高温の際に炭化水素を放出するゼオラ
イト粒子に隣接している銅酸化物粒子の近傍においてそ
の放出炭化水素(還元剤)とNOxとの反応が容易に進
行する微小環境が形成しているものと推量される。その
ため銅酸化物粒子の数に対応する多数の微小反応活性環
境(活性点)が触媒体内に存在しNOx低減効果及び効
率を高めるものと考えられる。さらには銅酸化物は銅イ
オン(従来の銅−ゼオライト触媒における銅の存在形
態)よりも硫黄化合物からの化学的攻撃を受け難いもの
と思われ、このことは本発明の触媒の高耐久性(長寿
命)に反映している。
【0011】本発明の上記態様による銅酸化物−金属フ
ェライト触媒において触媒活性が高い理由としては、排
ガス流中で金属フェライト中のFeが高温度になるに従
って2価から3価に酸化され、それに隣接している酸化
銅が連動的にかつ相対的に還元される傾向となり、それ
により触媒活性が発現され、増進されると考えられ、温
度が低くなると逆の傾向が生じ、酸化銅が安定化されて
例えばS化合物等により攻撃され難くなり触媒寿命が延
長されるのではないかと推量される。
【0012】さらに本発明の研究開発中に上記銅酸化物
−ゼオライト(及び/または金属フェライト)触媒に対
して白金、ロジウム、イリジウム及び銀から選択される
少なくとも1種の貴金属粒子を添加すると排ガス低温時
のNOx低減効果が顕著に改善され、それにより有効な
触媒活性温度範囲が大幅に拡張されることを見出した。
【0013】従って本発明の別の一態様によれば、ゼオ
ライト及び/または金属フェライトからなるマトリック
ス上または中に白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリ
ジウム(Ir)及び銀(Ag)から選択される少なくと
も1種の貴金属粒子、及び銅酸化物粒子を分散させてな
る排ガス浄化触媒が提供される。この態様による触媒の
組成割合は、例えば、マトリックス材料が50〜99.
8重量%、好ましくは65〜99.4重量%、さらに好
ましくは70〜99重量%;銅酸化物が0.1〜49.
9重量%、好ましくは0.5〜40重量%、さらに好ま
しくは1〜30重量%;そして上記貴金属が0.01〜
20重量%、好ましくは0.05〜15重量%、さらに
好ましくは0.1〜15重量%;である。この態様によ
る銅酸化物−貴金属−マトリックス触媒の調製は、前記
の銅酸化物−ゼオライト触媒と同様な技法で行なうこと
ができる。すなわち、上記のような組成割合のマトリッ
クス材料の粉末、銅酸化物粉末及び上記の貴金属源(金
属の粉末;あるいは塩化白金酸のような貴金属化合物)
を混合し、さらに水及びバインダー(例:シリカゾルま
たはアルミナゾル)を混入して均質になるまで撹拌しス
ラリーを形成する。耐火性セラミック製または耐熱性金
属箔製等のハニカム担体の表面に上記スラリーをコーテ
ィングし、乾燥し、焼成処理をすることにより、ハニカ
ム担体の表面上に固結した状態の触媒を得ることがで
き、このものは排気ガス管中に装着して使用できる。貴
金属源として貴金属自体の粉末ではなく塩化金属酸のよ
うな貴金属化合物を用いる場合には、焼成処理段階にお
いては公知の条件下、例えば少量の水素(1%程度)を
含む窒素ガス雰囲気中で約500〜900℃の温度で数
時間(例えば約3.5〜10時間)の処理時間で実施し
て焼成を完結するのが好ましい。銅酸化物−貴金属(P
t、Rh、Ir、Agの少なくとも1種)−マトリック
ス触媒において使用される各成分の概略の組成(重量部
基準)範囲の例を挙げると下記の通りである。
【0014】 マトリックス材料(単独または混合物) 約90〜99重量部 銅酸化物 約0.1〜20重量部 貴金属 約0.01〜20重量部 この態様の触媒も、前記と同様に可塑性スラリーの押出
加工によってペレットあるいは好ましくはハニカムの成
型品となし、これを乾燥、焼成することにより使用に供
することができる。スラリー形成にアルコールような有
機溶媒を採用しうることも同様である。
【0015】(実施例)本発明の触媒を以下の実施例及
び比較例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこれ
らの実施例に限定されるものではない。
【0016】比較例(対照Cuイオン交換ゼオライト触
媒の調製) ナトリウム(Na+)型ZSM−5ゼオライトを用い、
公知方法により、硝酸銅[Cu(NO32]溶液を用い
Cu++イオンで交換処理することにより、2重量%のC
uを含むCuイオン交換ゼオライトZSM−5を得た。
この粉末を乾燥(105℃、5時間)及び焼成(500
℃、3時間)の処理を行ないCuイオンをゼオライトに
固定した。この生成物(乾燥物;50重量部)、シリカ
ゾルバインダー(10重量部)及び水(50重量部)を
良く混合して均質スラリーとした。コージェライト製円
筒状ハニカム(直径30mm;容積21cc;セル数4
00cpi)を上記のスラリーに浸漬し、引き上げ、余
剰付着スラリーを空気ジェットで吹き払い、乾燥し(1
05℃×5時間)、空気雰囲気中500℃で5時間焼成
し触媒ユニットを得た。以下これを「Cu−ZSM−
5」と表示する。
【0017】実施例1(CuO−ゼオライト触媒の調
製) プロトン型ZSM−5ゼオライト粉末(47重量部)、
酸化銅(CuO)粉(1.2重量部)、シリカゾルバイ
ンダー(11.8重量部)及び水(50重量部)を混合
して均質スラリーとなし、これに比較例で使用のものと
同じハニカム担体を浸漬し、引き上げたハニカム担体の
表面の余剰付着スラリーを空気ジェットで吹き払い、1
05℃で5時間乾燥し、次いで空気雰囲気中500℃で
5時間焼成した。この触媒ユニットを(CuO−ZSM
−5)と表示する。
【0018】実施例2(Cu2O−ゼオライト触媒の調
製) 実施例1の操作において酸化銅の代りに同量の亜酸化銅
(Cu2O)粉末を用いて実施例1の操作を繰り返し
た。この触媒ユニットを「Cu2O−ZSM−5」と表
示する。
【0019】実施例3(CuO−ロジウム−ゼオライト
触媒の調製) 実施例1の操作のスラリー形成工程において金属ロジウ
ム粉末(0.7重量部)を添加して均質スラリーとし、
それ以外は実施例1の操作に準拠して触媒ユニットを調
製した。これを「CuO−Rh−ZSM−5」と表示す
る。
【0020】実施例4(Cu2O−イリジウム−ゼオラ
イト触媒の調製) 実施例2の操作のスラリー形成工程において金属イリジ
ウム粉末(0.7重量部)を添加して均質スラリーと
し、それ以外は実施例2の操作に準拠して触媒ユニット
を調製した。これを「Cu2O−Ir−ZSM−5」と
表示する。
【0021】実施例5(Cu2O−銀−ゼオライト触媒
の調製) 実施例3の金属イリジウム粉末の代りに同量の金属銀粉
末を用いて、実施例3の操作に準拠して触媒ユニットを
得た。これを「Cu2O−Ag−ZSM−5」と表示す
る。
【0022】NOx低減試験 上記の比較例及び実施例のそれぞれの触媒ユニットを固
定床流通式反応装置に装着しディーゼルエンジン排ガス
を模擬した下記組成のガス混合物を空間速度(SV)=
50,000hr-1で、触媒入口温度を種々に変えて、
触媒ユニットから流出するガス組成を分析することによ
りNOx低減率を測定した。種々の触媒入口温度でのN
Ox低減率(%)のデータは下記の通りであった。 模擬ガス組成 NO 100ppm プロピレン(C36) 2720ppm O2 10% SO2 20ppm H2O 4% NOx低減率(%) 触媒入口温度 Cu-ZSM-5(比較) CuO-ZSM-5 Cu2O-ZSM-5 300℃ 2.7 2.5 2.5 350℃ 3.3 2.7 3.0 400℃ 8 6.7 8 450℃ 12 16 19 475℃ 20 24.0 28 500℃ 27 36 37 550℃ 20 10.7 9.3 貴金属を添加した触媒についての種々の触媒温度でのN
Ox低減率(%)のデータは下記の通りであった。 NOx低減率(%) 触媒入口温度(℃) CuO-Rh-ZSM-5 Cu2O-Ir-ZSM-5 Cu2O-Ag-ZSM-5 275 2.7 0 0 300 16 0 0 325 28 4 2.7 350 33.3 9.3 4 400 24 37.3 17.3 450 22.7 29.3 34.7 475 21.0 29.2 47.8 500 20 29 42.6 550 16 14.7 22.7
【0023】炭化水素(HC)低減率 上記のNOx低減率の測定と並行して、触媒ユニットC
u−ZSM−5(比較例)、CuO−ZSM−5(実施
例1)及びCu2O−ZSM−5(実施例2)について
HC低減率(%)を測定した。 触媒入口温度 Cu-ZSM-5 CuO-ZSM-5 Cu2O-ZSM-5 350℃ 2.0 16.0 9.0 400℃ 17.0 37.1 30.0 450℃ 58.7 64.0 53.3 500℃ 90.4 94.7 94.7 550℃ 98.6 97.3 98.6
【0024】触媒の耐久性の試験 前記組成の模擬ガスを用いて劣化促進(水、SO2共存
下)連続耐久試験を実施し試験の前後でのNOx低減率
の比較をした。前記のNOx低減率試験と同一の装置を
用い500℃の一定触媒入口温度で模擬ガスを50,0
00hr-1の空間速度で連続50時間供給した。この試
験期間の初期及び終期におけるNOx低減率は下記の通
りであった。 初期 終期 差 Cu−ZSM−5(比較) 26.7% 16.2% △10.5 CuO−ZSM−5(実施例) 36.0% 34.7% △1.3
【0025】実施例6(Cu2O−金属フェライト触媒
の調製) CoFe24フェライト粉末(47重量部)、亜酸化銅
(Cu2O)粉末(1.2重量部)、シリカゾルバイン
ダー(11重量部)及び水(50重量部)を混合撹拌し
て均質スラリーとした。コージェライト製円筒状ハニカ
ム(直径30mm;容積21cc;セル数400cp
i)を上記スラリーに浸漬し、引き上げ、余剰付着スラ
リーを空気ジェットで吹き払い、乾燥し(105℃×5
時間)、空気雰囲気中500℃で5時間焼成し触媒ユニ
ットを得た。以下これを「Cu2O−Coフェライト」
と表示する。
【0026】実施例7 CoFe24フェライト粉末の代りに同量のCuFe2
4フェライト粉末を用いて実施例6の操作を繰り返し
た。以下この触媒ユニットを「Cu2O−Cuフェライ
ト」と表示する。
【0027】実施例8(Cu2O−ゼオライト−金属フ
ェライト触媒の調製) 47重量部のCoFe24フェライト粉末の代りに、実
施例1で使用のプロント型ZSM−5ゼオライト粉末
(23.5重量部)及びZnFe24フェライト粉末
(23.5重量部)を用いて実施例6の操作を繰り返し
た。以下この触媒を「Cu2O−ZSM−5−Znフェ
ライト」と表示する。
【0028】実施例9(Cu2O−イリジウム−金属フ
ェライト触媒の調製) 実施例7のスラリー形成工程において金属イリジウム粉
末(0.7重量部)を添加して、実施例7の操作を繰り
返した。以下この触媒を「Cu2O−Ir−Cuフェラ
イト」と表示する。
【0029】実施例10(Cu2O−ロジウム−ゼオラ
イト−金属フェライト触媒の調製) 実施例8のスラリー形成工程において金属ロジウム粉末
(0.7重量部)を添加して、実施例8の操作を繰り返
した。以下この触媒を「Cu2O−Rh−ZSM−5−
Znフェライト」と表示する。
【0030】NOx低減試験 実施例6(Cu2O−Coフェライト)、実施例7(C
2O−Cuフェライト)、実施例8(Cu2O−ZSM
−5−Znフェライト)、実施例9(Cu2O−Ir−
Cuフェライト)及び実施例10(Cu2O−Rh−Z
SM−5−Znフェライト)の各触媒を前記NOx低減
試験に付し、下記のNOx低減率(%)のデータを得
た。NOx低減率(%) 実 施 例 触媒入口温度℃ 10 300 3.2 2.8 3.0 2.7 15 350 3.8 3.5 3.6 8.1 33 400 9.5 20 8.7 36.7 27 450 21 34 19.5 37.6 24 475 32 22 30 40.8 15 500 40 20 36 34.0 10 550 11 9.6 9.1 11 7
【0031】炭化水素(HC)低減率 これらのNOx低減率と平行して測定した炭化水素(H
C)低減性能は、すべての触媒について、前記の実施例
1及び2の触媒と同様に良好であった。
【0032】耐久性 実施例6〜10の触媒を前記耐久性試験に付し、所定の
試験期間の初期及び終期におけるNOx低減率の差(△
%)を求めた。 触媒 NOx低減率の差(△%) Cu2O−Coフェライト 1.0 Cu2O−Cuフェライト 1.3 Cu2O−ZSM−5−Znフェライト 2 Cu2O−Ir−Cuフェライト 1.5 Cu2O−Rh−ZSM−5−Znフェライト 2.1
【0033】
【発明の効果】以上から明らかなように本発明の銅酸化
物粒子を分散させたゼオライト及び/または金属フェラ
イトからなる触媒及び銅酸化物粒子及び貴金属粒子を分
散させたゼオライト及び/または金属フェライトからな
る触媒は、排ガスの浄化効率(活性)及び有効活性温度
範囲において顕著な改善効果を奏しさらには耐使用期間
においても大幅な改善を示した。
【図面の簡単な説明】
【図1】比較例、実施例1〜2の触媒の種々の触媒入口
温度におけるNOx低減率を示すグラフ。
【図2】比較例、実施例1〜2の触媒の炭化水素低減率
の比較を示すグラフ。
【図3】比較例、実施例1、実施例3の触媒のNOx低
減率の比較を示すグラフ。
【図4】比較例、実施例2、実施例4の触媒のNOx低
減率の比較を示すグラフ。
【図5】比較例、実施例2、実施例5の触媒のNOx低
減率の比較を示すグラフ。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゼオライト及び/または金属フェライト
    からなるマトリックス上または中に銅酸化物粒子を分散
    させてなる排ガス浄化触媒。
  2. 【請求項2】 ゼオライト及び/または金属フェライト
    からなるマトリックス上または中に白金、ロジウム、イ
    リジウム及び銀から選択される少なくとも1種の貴金属
    粒子、及び銅酸化物粒子を分散させてなる排ガス浄化触
    媒。
  3. 【請求項3】 耐火性または耐熱性ハニカム担体の表面
    上に被覆された形態、またはハニカム成形品の形態の請
    求項1または2の排ガス浄化触媒。
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Cited By (8)

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