JPH11169712A - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents

排ガス浄化用触媒

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JPH11169712A
JPH11169712A JP9347741A JP34774197A JPH11169712A JP H11169712 A JPH11169712 A JP H11169712A JP 9347741 A JP9347741 A JP 9347741A JP 34774197 A JP34774197 A JP 34774197A JP H11169712 A JPH11169712 A JP H11169712A
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耿 張
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和博 長島
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智隆 広田
Yasunori Kurashima
康憲 倉島
Hideaki Muraki
秀昭 村木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リーンバーン領域を含む広い空燃比範囲に含
まれる種々の機関からの排ガス中の汚染物質を効率よく
除去し得る高温耐熱性に優れた触媒を提供する。 【解決手段】 酸素過剰の雰囲気下で排気ガス中の窒素
酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び炭化水素
(HC)を浄化する排ガス浄化用触媒において、アルミ
ナと、酸化セリウムまたはセリウムを含む酸素吸蔵放出
特性を持つ酸化物とを含む担体と;アルカリ金属、アル
カリ土類金属及び希土類元素からなる群から選ばれ、該
担体に担持されたNOx吸蔵材と該担体に担持された白
金(Pt)とを含んでなる第一層(下層)と;アルミナ
と、酸化セリウム、酸化ジルコニウムまたはセリウム−
ジルコニウム複合酸化物とを含む担体に担持されたロジ
ウム(Rh)を含んでなる第二層(上層)とを有するこ
とを特徴とする排ガス浄化用触媒。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒素酸化物(NO
x)、一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)を含む
排ガスの浄化用触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】自動車や発電所、硝酸製造工場などから
の排ガスには、多くの場合に、人間の健康や環境に被害
を及ぼすのに十分な、多量のNOx、COとHCが含ま
れている。中には特にNOxが顕著に問題になるケース
も多い。
【0003】従来では、硝酸製造工場や発電所のような
排ガスの固定発生源において、NOxを除去するため
に、アンモニア選択還元法と呼ばれる技術が採用されて
いる。この方法は一般的にバナジウムを含む成分を触媒
にし、アンモニアを還元剤に使ってNOxを還元する方
法である。この方法の欠点は有毒なアンモニアを使うこ
とである。
【0004】また、自動車などのような排ガスの移動源
ではPt、PdまたはRhを主成分とするいわゆる三元
触媒を主に使用している。自動車ではエンジン駆動のた
めの燃料となるガソリンを燃やすために必要な酸素量
(空気量)とガソリンの量との比(以下空燃比と略す)
が化学量論的に1に近いため、その排ガス内に含まれる
還元剤のHCとCO及び酸化剤のNOxと酸素もほぼ化
学量論的に等しい組成になっている。三元触媒はこのよ
うな組成を利用して、HC、COとNOxを同時に除去
することができる。
【0005】しかし、近年では、環境問題、エネルギー
問題に対する人々の関心が急激に高まり、人類の健康へ
の影響はもちろん、地球温暖化やオゾン層破壊への対策
として多くの努力が払われている。自動車の分野では、
低燃費低公害を目標にいわゆるリーンバーンエンジンが
開発されている。従来のエンジンとは異なり、リーンバ
ーンエンジンは空燃比を著しく高く制御することにより
低燃費を実現せしめるものである。当然ながら、リーン
バーンエンジンからの排ガス組成もエンジンに導入され
る酸素(空気)と燃料の空燃比の影響を受け、酸素過剰
な酸化性雰囲気となるため、従来の三元触媒が働く条件
が揃わなくなり、HCとCOは除去出来ても、NOxの
浄化は難しくなる。このような酸化雰囲気に於いても有
効にNOxを除去できる技術として、前述のアンモニア
法があるが、自動車のような移動体に適用するのが困難
なことは明らかである。
【0006】この課題を解決するため、最近では、NO
x吸蔵型触媒の応用が提案されている。これは、NOx
を吸蔵する能力を持つ材料を触媒に使い、エンジンがス
トイキよりリーンの条件下で運転するときに、一時的に
NOxを吸蔵させる。この吸蔵材におけるNOxの吸蔵
が飽和になる前に一定期間ごとに強制的に空燃比を瞬時
に燃料リッチに切り替えることによって、吸蔵されたN
Oxを還元除去するものである。しかしながら、このよ
うな仕組みに基づいて提案された現在までの触媒にはN
Oxの貯蔵能力や耐熱性には不十分な点が多い。
【0007】
【本発明が解決しようとする課題】ストイキ領域からリ
ーンバーン領域までの空燃比範囲で駆動する内燃機関及
び外燃機関より排出される排ガス中の汚染物質を効率よ
く除去することができる高温耐熱性に優れた触媒を提供
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】発明者らは鋭意研究した
結果、バリウムを主成分とするNOx吸蔵材をPtと同
じ第一層(下層)に分散させる一方、RhをPtのある
層とは別の第二層(上層)に配置することにより、フレ
ッシュ(調製後、高温処理前)の状態下だけではなく、
高温処理した後でも酸素過剰雰囲気下で高いNOx除去
能を持つ触媒の発明に至った。また、NOx吸蔵材をR
hのある層にも分散することができる。
【0009】本発明は、酸素過剰の雰囲気下で排気ガス
中の窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び炭
化水素(HC)を浄化する排ガス浄化用触媒において、
アルミナと、酸化セリウムまたはセリウムを含む酸素吸
蔵放出特性を持つ酸化物とを含む担体と;アルカリ金
属、アルカリ土類金属及び希土類元素からなる群から選
ばれ、該担体に担持されたNOx吸蔵材と該担体に担持
された白金(Pt)とを含んでなる第一層(下層)と;
アルミナと、酸化セリウム−酸化ジルコニウムまたはセ
リウム−ジルコニウム複合酸化物とを含む担体に担持さ
れたロジウム(Rh)を含んでなる第二層(上層)とを
有することを特徴とする排ガス浄化用触媒に関する。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明では、Ptの耐熱性やスト
イキ領域の三元活性を維持するため、酸化セリウムが含
まれている。またRhの担体として、アルミナ及び酸化
ジルコニウムでもよく、より高温耐熱性を持たせるた
め、セリウムやネオジウムなど希土類元素によって安定
化された酸化ジルコニウムを使うことが望ましい。NO
x貯蔵材としては、バリウムが有効である。耐熱性やよ
り広い温度範囲でのNOx吸蔵能を維持するため、バリ
ウムにカリウム、ジルコニウム、マンガン等の添加物を
複合させることは有効である。
【0011】本発明においては、より多くのPtをNO
x吸蔵材の近傍に配置させることになり、このことがN
Ox貯蔵段階を速い速度で進行させるのに重要である。
通常の三元触媒では、Rhを活用するためにPtとRh
を同じ触媒層内に分散させ、一部Pt−Rh合金を作ら
せているが、このような状態になると、Ptの一部が粒
子表面上でRhに覆われ、PtのNOの酸化能力にマイ
ナスに影響する。従って、高NO酸化活性を維持するた
め、PtをRhから分離する必要がある。NOxを放出
し還元除去する段階においては、貯蔵されたNOxが一
挙に放出されるため、NOxの還元速度が重要である。
このための触媒としてRhが有効であることはいうまで
もない。Rhの活性を高めるには、高表面積で高耐熱性
の担体が必要である。さらに、NOxを還元する過程で
は、できるだけ、NOxとRhとを接触する機会を増や
すのが望ましい。従って、Rhを含む層をPtとNOx
吸蔵材を含む層の上層に配置する。この場合に、Rhを
含む層にもNOx吸蔵材を配置することができる。
【0012】本触媒の製造においては、まず、アルミナ
に酸化セリウムを酸化セリウム粉末、水酸化セリウム又
は炭酸化セリウムとして加えることができる。又、含浸
法などによりその他のセリウムの化合物を用いて添加す
ることもできる。使用できるセリウムの化合物は、水又
は有機溶媒または水と有機溶媒の混合物に溶けることが
できれば特に限定しない。Ptの場合は、Ptを含浸法
やイオン交換法でPtの化合物を用いてアルミナと酸化
セリウムの混合物に分散する。使用できるPtの化合物
は、水又は有機溶媒または水と有機溶媒の混合物に溶け
ることができれば特に限定しない。バリウムとその複合
体の添加方法は酸化セリウムと同じく、酸化バリウム、
炭酸化バリウム、水酸化バリウムなど不溶性物質を使用
する場合はそのままの形で、水又は有機溶媒または水と
有機溶媒の混合物に溶けるものは含浸法またはイオン交
換法等によって、添加することができる。アルミナへの
添加順序は、セリウム、PtとNOx吸蔵材の三者のど
れか1つを先に加えても良いし、2つ又は3つ同時に加
えてもよく、特に限定しない。
【0013】バリウム以外のカリウム、ジルコニウム、
マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅と亜鉛はバリウ
ムの添加方法と同じ方法で添加できる。添加順序も特に
限定する必要はない。また、バリウムとこれら元素の複
合体として添加する場合、バリウムとこれら元素の化合
物を、関係元素すべてが可溶性の場合は共沈法または蒸
発乾固法、それ以外は含浸法、イオン交換法または混練
法により調製し、必要に応じて、乾燥焼成を行う。でき
あがったバリウムとその他元素との複合体はバリウムと
同じ添加の仕方によって触媒に添加する。
【0014】Rhを含む層の触媒は水又は有機溶剤に可
溶なRh塩を使って、含浸法又はイオン交換法によって
担体に分散する。Rhの担体として、アルミナ、酸化ジ
ルコニウム、又は希土類酸化物によって安定化した酸化
ジルコニウムがある。安定化酸化ジルコニウムの組成と
して、セリウムとジルコニウムとの比率が、原子比でジ
ルコニウム20〜99.9%、セリウム0.1〜80%
であり、さらに、原子比で0〜10%のLa、0〜10
%のNd、0〜10%Y又は他の希土類を含むことがあ
る。上記の構成を有する本発明の排ガス浄化用触媒は、
本発明の方法に従い、窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化
水素を含む排気ガスと接触させることにより、そのよう
な排気ガス中の窒素酸化物を有効に除去でき、そのよう
な排気ガスの浄化に有利に用いることができる。
【0015】
【実施例】実施例1 触媒No.1 第一層目ウォシュコートの調製とそのハニカムへの塗
布:市販のAl2 3 (BET比表面積200m2
g)粉末に、酸化セリウム粉末を全混合物に占める酸化
セリウムの割合が25重量%になるように加えて混合し
た。さらに、この混合粉末を水と酢酸と共にボールミル
にて1時間粉砕しスラリーを作った。このスラリーに市
販の400セルコージェライトハニカムよりくりぬいた
直径1インチ、長さ6.7センチのコアを漬けた後引き
上げて、エアガンで余分なスラリーを取り除いた後に、
105℃で30分乾燥してさらに500℃で1時間焼成
した。付着したスラリーの量は焼成後ハニカム1リット
ルあたり150gであった。
【0016】第一層目ハニカム触媒へのPtの担持:こ
のハニカムの吸水量に基づき、ハニカム1リットルあた
りPt3.5gを担持できるように〔Pt(N
3 4 〕Cl2 の溶液を調製した。この溶液にスラリ
ーの付着したハニカムを浸漬したあと、エアガンで余分
な溶液を取り除き、105℃で30分乾燥、500℃で
1時間焼成して、Pt担持一層目を得た。
【0017】第一層目ハニカム触媒へのバリウムの担
持:Ptを担持した後に、Ptの場合と同じ方法で酢酸
バリウムを用いて、Baの担持量(金属換算)が25g
/Lになるようにバリウムを担持した。
【0018】第二層目ウォシュコートの調製とそのハニ
カムへの塗布 共沈法で作成した安定化酸化ジルコニウム(BET比表
面積60m2 /g、CeO2 15重量%、ZrO2
75重量%)粉末が全体均一に濡れるまで攪拌しながら
水を加えて、1gあたりの吸水量をまず測定した。この
吸水量に基づいて最終的にRhの含量が1.64重量%
になるようにRh(NO3 3 の溶液を調製し、酸化ジ
ルコニウムにこの溶液を加えながらよくかき混ぜた。加
えた後できた混合物を105℃で一晩乾燥し、さらに5
00℃で2時間、空気中で焼成した。続いて、この粉末
とRhを含まないアルミナとを重量比で1対1で混合
し、水と酢酸と共にボールミルにて1時間粉砕しスラリ
ーを作った。このスラリーを、先に得られたPtを含む
ウォシュコート第一層目を塗布した400セルコージェ
ライトコアに第一層目ウォシュコートの時と同じ方法で
塗布して、酸化バリウムと酸化ジルコニウム複合体を含
む二層構造を持つ触媒No.1を得た。付着した第二層
ウォシュコートの量は約60g/Lで、その中に含まれ
るRhの量は0.35g/Lであった。
【0019】実施例2 触媒No.2 バリウムの担持量がハニカム触媒1リットル当たり75
gであること以外は実施例1と全く同じ方法でバリウム
を含む二層構造の触媒No.2を得た。
【0020】実施例3 触媒No.3 実施例1において、第一層目のバリウム担持量を45g
/Lにし、Rhを含む層をハニカムに担持した後に、第
一層目にバリウムを担持したと同じ方法で、バリウム3
0g/Lをさらに該ハニカムコアに担持して、触媒N
o.3を得た。
【0021】実施例4 触媒No.4 第一層目ハニカム触媒へのバリウムの担持の前に、マン
ガンをMn換算で9.2g/LになるようにMn(NO
3 2 溶液より担持する以外は実施例1と同一方法にて
調製し、バリウムとマンガンを含む二層構造の触媒N
o.4を得た。
【0022】実施例5 触媒No.5 マンガンの代わりにコバルトをCo換算で10.4g/
LになるようにCo(NO3 2 溶液より担持する以外
は実施例4と同一方法にて調製し、バリウムとコバルト
を含む二層構造の触媒No.5を得た。
【0023】実施例6 触媒No.6 第一層目ハニカム触媒へのバリウムの担持の後に、カリ
ウムをK換算で5.3g/LになるようにKNO3 溶液
より担持する以外は実施例1と同一方法にて調製し、バ
リウムとカリウムを含む二層構造の触媒No.6を得
た。
【0024】実施例7 触媒No.7 第一層目ハニカム触媒へのマンガンとバリウムの担持の
後にカリウムをK換算で5.3g/LになるようにKN
3 溶液より担持する以外は実施例3と同一方法にて調
製し、バリウム、マンガンとカリウムを含む二層構造の
触媒No.7を得た。
【0025】比較例1 触媒No.R1 市販のAl2 3 (BET比表面積200m2 /g)粉
末に、酸化セリウム粉末を全混合物に占める酸化セリウ
ムの割合が30重量%になるように加えて混合した。こ
の混合粉末を水と酢酸と共にボールミルにて1時間粉砕
してスラリーとした。このスラリーに市販の400セル
コージェライトハニカムよりくりぬいた直径1インチ、
長さ6.7センチのコアを漬けた後引き上げて、エアガ
ンで余分なスラリーを取り除いた後に、105℃で30
分乾燥してさらに500℃で1時間焼成した。付着した
スラリーの量は焼成後ハニカム1リットルあたり150
gであった。
【0026】このハニカムの吸水量に基づき、Ptが1
リットルあたり3.5g、Rhが0.35g担持できる
ように〔Pt(NH3 4 〕Cl2 とRh(NO3 3
の混合溶液を調製した。この溶液にスラリーの付着した
ハニカムを浸漬したあと、エアガンで余分な溶液を取り
除き、105℃で30分乾燥、500℃で1時間焼成し
た。この後さらに、この触媒の吸水量に基づき、バリウ
ムをPtとRhの場合と同じ方法で酢酸バリウムを用い
て、Baの担持量が25g/Lになるようにバリウムを
担持して、バリウムを含むPt−Rh触媒(触媒No.
R1)を得た。
【0027】比較例2 触媒No.R2 バリウムの担持量をハニカム触媒1リットル当たり75
gにした以外は比較例1と全く同様にして触媒No.R
2を得た。
【0028】評価方法: 高温処理:ガスを流すことのできる石英管の周りを電熱
体で囲まれた電気炉を使用し、石英管に触媒コアを置
き、窒素中で所定温度になるまでに温度を上げた。その
温度で還元雰囲気(水素6体積%+窒素94体積%)と
酸化雰囲気(酸素3体積%+窒素97体積%)の雰囲気
ガスを10分間ずつ流して1サイクルとし、これを6時
間繰り返した。全流量は3リットル/分で、処理温度は
800℃とした。
【0029】活性テスト方法:高温処理した触媒のコア
を通常の流通反応器に入れ、コア周りをガスが素通りで
きないように固定した。そのコアを500℃で15分、
表1に示した反応ガス組成1中に保持し、続いてそのガ
ス中で所定のテスト温度まで昇降温した。温度が安定に
なってから、NOxの測定を始めた。ガス組成1に3分
間、続いてガス組成2に切り替えて3分間それぞれ保持
することを1サイクルとし、これを5サイクル繰り返し
た。各サイクルにおいて、ガス組成2になってから40
秒の間のNOxの浄化率(下記の式参照)の平均値を触
媒の浄化性能とした。各触媒のテストの結果は表2と表
3に示す。 NOx浄化率=(入口NOx濃度−出口NOx濃度)x
100%/入口NOx濃度
【0030】
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】
【表3】
【0033】
【発明の効果】本発明に従い、RhをPtの上層に配置
し、NOx吸蔵材を下層又は下層と上層両方に分散し、
かつ窒素酸化物吸蔵材にバリウムとその複合体を使用す
ることにより、酸素過剰な雰囲気においても効率良く窒
素酸化物を除去することができる。
【0034】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 1. 酸素過剰の雰囲気下で排気ガス中の窒素酸化物(N
Ox)、一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)を浄
化する排ガス浄化用触媒において、アルミナと、酸化セ
リウムまたはセリウムを含む酸素吸蔵放出特性を持つ酸
化物とを含む担体と;アルカリ金属、アルカリ土類金属
及び希土類元素からなる群から選ばれ、該担体に担持さ
れたNOx吸蔵材と該担体に担持された白金(Pt)と
を含んでなる第一層(下層)と;アルミナと、酸化セリ
ウム、酸化ジルコニウムまたはセリウム−ジルコニウム
複合酸化物とを含む担体に担持されたロジウム(Rh)
を含んでなる第二層(上層)とを有することを特徴とす
る排ガス浄化用触媒。 2. NOx吸蔵材をRhを含む上層にも分散させてなる
第1項記載の排ガス浄化用触媒。 3. NOx吸蔵材がバリウムである第2項記載の排ガス
浄化用触媒。 4. NOx吸蔵材が、マンガン、鉄、コバルト、ニッケ
ル、銅及び亜鉛からなる群から選ばれた少なくとも一種
とバリウム及びバリウムとカリウムの複合体からなる群
から選ばれた少なくとも一種類との複合体からなるもの
である第1項記載の排ガス浄化用触媒。 5. NOx吸蔵材が、バリウムと、ジルコニウム及びカ
リウムからなる群から選ばれた少なくとも一種類との複
合体からなるものである第1項記載の排ガス浄化用触
媒。 6. 複合酸化物が、酸化セリウムと酸化ジルコニウムと
の複合酸化物であり、セリウムとジルコニウムとの比率
が原子比でジルコニウム20〜99.9%、セリウム
0.1〜80%である第1項記載の排ガス浄化用触媒。 7. 酸化セリウムと酸化ジルコニウムとの複合酸化物が
原子比でLa0.1〜10%、Nd0.1〜10%、Y
又は他の希土類0〜10%を含むことを特徴とする第6
項記載の排ガス浄化用触媒。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 広田 智隆 栃木県塩谷郡喜連川町喜連川工業団地内 ジョンソン・マッセイ・ジャパン・オート キャタリスト・インク内 (72)発明者 倉島 康憲 栃木県塩谷郡喜連川町喜連川工業団地内 ジョンソン・マッセイ・ジャパン・オート キャタリスト・インク内 (72)発明者 村木 秀昭 栃木県塩谷郡喜連川町喜連川工業団地内 ジョンソン・マッセイ・ジャパン・オート キャタリスト・インク内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素過剰の雰囲気下で排気ガス中の窒素
    酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び炭化水素
    (HC)を浄化する排ガス浄化用触媒において、アルミ
    ナと、酸化セリウムまたはセリウムを含む酸素吸蔵放出
    特性を持つ酸化物とを含む担体と;アルカリ金属、アル
    カリ土類金属及び希土類元素からなる群から選ばれ、該
    担体に担持されたNOx吸蔵材と該担体に担持された白
    金(Pt)とを含んでなる第一層(下層)と;アルミナ
    と、酸化セリウム、酸化ジルコニウムまたはセリウム−
    ジルコニウム複合酸化物とを含む担体に担持されたロジ
    ウム(Rh)を含んでなる第二層(上層)とを有するこ
    とを特徴とする排ガス浄化用触媒。
  2. 【請求項2】 NOx吸蔵材をRhを含む上層にも分散
    させてなる請求項1記載の排ガス浄化用触媒。
  3. 【請求項3】 NOx吸蔵材がバリウムである請求項1
    記載の排ガス浄化用触媒。
  4. 【請求項4】 NOx吸蔵材が、マンガン、鉄、コバル
    ト、ニッケル、銅及び亜鉛からなる群から選ばれた少な
    くとも一種とバリウム及びバリウムとカリウムの複合体
    からなる群から選ばれた少なくとも一種類との複合体か
    らなるものである請求項1記載の排ガス浄化用触媒。
  5. 【請求項5】 NOx吸蔵材が、バリウムと、ジルコニ
    ウム及びカリウムからなる群から選ばれた少なくとも一
    種類との複合体からなるものである請求項1記載の排ガ
    ス浄化用触媒。
  6. 【請求項6】 複合酸化物が、酸化セリウムと酸化ジル
    コニウムとの複合酸化物であり、セリウムとジルコニウ
    ムとの比率が原子比でジルコニウム20〜99.9%、
    セリウム0.1〜80%である請求項1記載の排ガス浄
    化用触媒。
  7. 【請求項7】 酸化セリウムと酸化ジルコニウムとの複
    合酸化物が原子比でLa0.1〜10%、Nd0.1〜
    10%、Y又は他の希土類0〜10%を含むことを特徴
    とする請求項6記載の排ガス浄化用触媒。
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