JPH11169728A - Methane oxidation catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、希薄燃焼ガスエン
ジンの排ガス中に含まれる未燃メタンを酸化させるため
のメタン酸化触媒に関し、さらに詳しくは、水蒸気が共
存する排ガス条件下においても、希薄燃焼ガスエンジン
から排出される未燃メタンを効率よく酸化させることが
でき、かつ高い耐久性を維持することができるメタン酸
化触媒に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a methane oxidation catalyst for oxidizing unburned methane contained in exhaust gas of a lean-burn gas engine, and more particularly, to a lean-burn engine under an exhaust gas condition in which steam coexists. The present invention relates to a methane oxidation catalyst capable of efficiently oxidizing unburned methane discharged from a gas engine and maintaining high durability.
【0002】[0002]
【従来の技術】ガスエンジンは、ガスの燃焼を利用して
発電すると共に、その排熱を冷暖房、給湯などの熱需要
に利用する熱併給発電(コージェネレーション)に用い
られる機関の一つである。ガスエンジンは、種々の形態
のものが開発されているが、排ガス処理技術で分類すれ
ば、三元触媒法と希薄燃焼法に分けられる。2. Description of the Related Art A gas engine is one of engines used for cogeneration in which heat is generated by utilizing gas combustion and its exhaust heat is used for heat demand such as cooling, heating and hot water supply. . Various types of gas engines have been developed, and if classified according to exhaust gas treatment technology, they can be divided into a three-way catalyst method and a lean combustion method.
【0003】三元触媒法は、空気過剰率が1近傍の狭い
範囲でNOx、CO、及びHCの三成分を同一触媒で同
時に処理する方式である。一方、希薄燃焼法は、過剰空
気中でガスを燃焼させ、火炎温度を下げ、NOx発生量
を抑制する方式である。三元触媒法と異なり、希薄燃焼
法は、触媒交換のためにエンジンを停止する必要がな
く、エンジンの熱効率が高く、イニシャルコストも安い
等のメリットがある。[0003] The three-way catalyst method is a method in which three components of NOx, CO and HC are simultaneously treated with the same catalyst in a narrow range where the excess air ratio is close to one. On the other hand, the lean burn method burns gas in excess air, lowers the flame temperature, and suppresses the amount of NOx generated. Unlike the three-way catalyst method, the lean burn method does not require stopping the engine for catalyst replacement, has advantages such as high engine thermal efficiency and low initial cost.
【0004】しかしながら、希薄燃焼法は、低NOxで
ある反面、排ガス中に含まれるメタン(CH4) 等の未
燃分が多いという欠点を有していた。排ガス中に含まれ
るメタン(CH4) 等の未燃分については、現在、規制
はされていないが、二酸化炭素(CO2) の約21倍の
温室効果を有することから、将来の規制も予想されてお
り、また、地球環境の点からもできるだけ抑制すること
が望ましい。[0004] However, the lean burn method has a drawback that although it has low NOx, it has a large amount of unburned components such as methane (CH 4 ) contained in exhaust gas. Unburned components such as methane (CH 4 ) contained in exhaust gas are not regulated at present, but are expected to be regulated in the future because they have a greenhouse effect about 21 times that of carbon dioxide (CO 2 ) It is desirable to suppress as much as possible from the viewpoint of the global environment.
【0005】さらに、排ガス中に含まれるメタン等の未
燃分を酸化処理できれば、排ガス温度上昇による廃熱回
収効率の向上が図れ、経済的メリットもある。そのた
め、このような未燃メタン等を酸化処理するための酸化
触媒が種々開発されている。例えば、コージェライト製
ハニカムに、担体のアルミナをウオッシュコートし、さ
らにその上に含浸法によりパラジウムを担持させた触媒
が既に知られている。Furthermore, if unburned components such as methane contained in exhaust gas can be oxidized, waste heat recovery efficiency can be improved due to an increase in the temperature of the exhaust gas, and there is also an economic merit. Therefore, various oxidation catalysts for oxidizing such unburned methane and the like have been developed. For example, a catalyst in which a cordierite honeycomb is wash-coated with alumina as a carrier and palladium is carried thereon by an impregnation method is already known.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、含浸法により
パラジウムをアルミナ上に担持させた触媒は、通常、1
00m2/g 程度の高い比表面積を有するにもかかわら
ず、希薄燃焼ガスエンジンの排ガス温度(約400℃)
に相当する低温領域ではメタンの酸化活性が低いという
欠点があった。However, a catalyst in which palladium is supported on alumina by an impregnation method is usually one.
Despite having a high specific surface area of about 00 m 2 / g, the exhaust gas temperature of a lean burn gas engine (about 400 ° C)
There is a disadvantage that the methane oxidation activity is low in a low temperature region corresponding to.
【0007】また、水蒸気を含む実際の排ガス条件下で
は、排ガス中に含まれる水蒸気がメタンの酸化反応を阻
害するために触媒活性が低下すると共に、排ガス中に含
まれる水蒸気の影響により担持金属がシンタリングを起
こして活性が低下し、触媒の耐久性が低いという欠点が
あった。さらに、実用に足りる高い触媒活性を得るに
は、触媒活性の低下を見込んで、パラジウム担持量を1
0g/l(推定6wt%)程度とする必要があり、触媒
のコストが高くなるという欠点があった。Further, under actual exhaust gas conditions including steam, the catalytic activity is reduced because the steam contained in the exhaust gas inhibits the oxidation reaction of methane, and the carried metal is affected by the steam contained in the exhaust gas. There is a drawback that sintering occurs, the activity is reduced, and the durability of the catalyst is low. Further, in order to obtain a practically high catalytic activity, the amount of supported palladium should be reduced to 1 in anticipation of a decrease in catalytic activity.
It is necessary to be about 0 g / l (estimated 6 wt%), and there is a disadvantage that the cost of the catalyst increases.
【0008】本発明が解決しようとする課題は、メタン
酸化触媒の触媒活性を改善し、水蒸気が共存する排ガス
条件下における未燃メタンの酸化率を飛躍的に向上さ
せ、これにより触媒金属消費量を大幅に削減してメタン
酸化触媒の低価格化を図ると共に、触媒金属のシンタリ
ングによる触媒劣化を防止し、長期にわたり高い触媒活
性を維持することが可能なメタン酸化触媒とすることで
ある。An object of the present invention is to improve the catalytic activity of a methane oxidation catalyst and to drastically improve the oxidation rate of unburned methane under exhaust gas conditions in which water vapor coexists. And to reduce the price of the methane oxidation catalyst, to prevent catalyst deterioration due to sintering of the catalyst metal, and to provide a methane oxidation catalyst capable of maintaining high catalytic activity for a long period of time.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係るメタン酸化触媒は、100Å以上10
00Å以下の径を有する一次粒子空隙を0.01ml/
g以上含有するセラミックス材料を触媒担体とし、該触
媒担体表面及び前記一次粒子空隙内にパラジウムが高分
散担持されていることを要旨とするものである。In order to solve the above-mentioned problems, a methane oxidation catalyst according to the present invention has a temperature of 100 ° C. or more.
The voids of primary particles having a diameter of not more than
The gist is that a ceramic material containing g or more is used as a catalyst carrier, and palladium is highly dispersed and supported on the surface of the catalyst carrier and in the voids of the primary particles.
【0010】上記構成を有するメタン酸化触媒によれ
ば、所定範囲の大きさを有する一次粒子空隙を所定量以
上含有する触媒担体に対してパラジウムを担持させる
と、一部のパラジウムは担体表面に担持されるが、残り
のパラジウムは、前記1次粒子空隙内に担持されること
になる。このような触媒に、微量メタンを含有するガス
を通過させると、前記1次粒子空隙内部がメタン酸化の
反応場となり、そこに担持されているパラジウムを介し
てメタンの酸化反応がより活発に行われる。According to the methane oxidation catalyst having the above-described structure, when palladium is supported on a catalyst carrier containing a predetermined amount or more of primary particle voids having a predetermined size, a part of the palladium is supported on the surface of the carrier. However, the remaining palladium will be carried in the primary particle voids. When a gas containing a small amount of methane is passed through such a catalyst, the inside of the primary particle voids becomes a reaction field for methane oxidation, and the methane oxidation reaction proceeds more actively through the palladium supported therein. Will be
【0011】また、前記1次粒子空隙内に担持されたパ
ラジウムは、水蒸気共存下であってもシンタリングが起
こりにくくなり、長時間に亘って高い活性が維持され
る。これにより、触媒金属担持量が少ない場合であって
も、高い酸化活性と耐久性とを備えたメタン酸化触媒を
得ることが可能となる。Further, sintering hardly occurs in the palladium supported in the voids of the primary particles even in the presence of steam, and high activity is maintained for a long time. This makes it possible to obtain a methane oxidation catalyst having high oxidation activity and durability even when the amount of supported catalyst metal is small.
【0012】ここで、前記セラミックス材料からなる触
媒担体は、100Å以上1000Å以下の径を有する一
次粒子空隙を含有するものであることが必要である。触
媒担体中に存在する1次粒子空隙は、メタン酸化の反応
場となるものであるが、反応場の大きさには、メタンの
酸化反応を効率よく行うための適切な範囲が存在し、そ
の大きさが過大でも過小でも酸化反応の効率が低下する
からである。好ましくは、300Å以上700Å以下で
ある。なお、「1次粒子空隙」とは、単結晶からなるセ
ラミックス微粒子によって囲まれた担体内部の空間であ
って、表面と連通しているものをいう。Here, it is necessary that the catalyst carrier made of the ceramic material contains primary particle voids having a diameter of 100 ° or more and 1000 ° or less. The primary particle voids present in the catalyst carrier serve as a reaction field for methane oxidation, and the size of the reaction field has an appropriate range for efficiently performing the methane oxidation reaction. This is because the efficiency of the oxidation reaction is reduced whether the size is too large or too small. Preferably, it is not less than 300 ° and not more than 700 °. The “primary particle void” is a space inside the carrier surrounded by ceramic fine particles made of a single crystal, and is a space communicating with the surface.
【0013】また、前記触媒担体は、前記範囲内にある
径を有する一次粒子空隙を0.01ml/g以上含有し
ていることが必要である。上述のように、1次粒子空隙
は、メタン酸化の反応場となるものであるが、その含有
量が0.01ml/g未満では、反応場が少なくなると
共に、触媒担体表面に担持された触媒金属のシンタリン
グを抑制できず、未燃メタンの酸化効率が低下するから
である。好ましくは、0.05ml/g以上である。な
お、1次粒子空隙の体積は、触媒担体が製造可能である
限り、多い程良い。It is necessary that the catalyst support contains at least 0.01 ml / g of primary particle voids having a diameter within the above range. As described above, the primary particle voids serve as a reaction field for methane oxidation. If the content is less than 0.01 ml / g, the number of reaction fields is reduced and the catalyst supported on the surface of the catalyst carrier is reduced. This is because sintering of metal cannot be suppressed, and the oxidation efficiency of unburned methane decreases. Preferably, it is 0.05 ml / g or more. The volume of the primary particle voids is preferably as large as possible as long as a catalyst carrier can be produced.
【0014】触媒担体として用いられるセラミックス材
料は、所定範囲の径を有する一次粒子空隙を所定量以上
含有するものであれば足り、特に限定されるものではな
い。例えば、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、
ムライト等の酸化物系セラミックス、炭化珪素、炭化ホ
ウ素等の炭化物系セラミックス、窒化珪素、窒化ホウ素
等の窒化物系セラミックス等の各種のセラミックス材料
を用いることができる。The ceramic material used as the catalyst carrier is not particularly limited as long as it contains primary particle voids having a diameter in a predetermined range in a predetermined amount or more. For example, alumina, zirconia, cordierite,
Various ceramic materials such as oxide ceramics such as mullite, carbide ceramics such as silicon carbide and boron carbide, and nitride ceramics such as silicon nitride and boron nitride can be used.
【0015】しかしながら、前記セラミックス材料は、
ジルコニア系材料であることが望ましい。ジルコニア系
材料は、焼結性が良好であり、担体の内部構造を上述の
ように制御するのが容易であることに加え、水蒸気共存
下における触媒活性の低下を抑制する作用があるからで
ある。However, the ceramic material is
Desirably, it is a zirconia-based material. The zirconia-based material has a good sinterability, it is easy to control the internal structure of the carrier as described above, and it has an action of suppressing a decrease in catalytic activity in the presence of steam. .
【0016】特に、前記ジルコニア系材料としては、1
0mol%以下のイットリアを含む部分安定化ジルコニ
アが優れており、イットリアを含まないジルコニア系材
料と比べて、耐久性を向上させることが可能となる。な
お、イットリア含有量が多すぎると、かえって触媒活性
の低下を来すので、イットリアの含有量は、10mol
%以下であることが望ましい。Particularly, as the zirconia-based material, 1
The partially stabilized zirconia containing 0 mol% or less of yttria is excellent, and can improve the durability as compared with a zirconia-based material containing no yttria. Incidentally, if the yttria content is too large, the catalytic activity is rather lowered, so the yttria content is 10 mol
% Is desirable.
【0017】パラジウムは、発火点の高いメタンを効率
よく酸化させる触媒としての作用を有するものであり、
上記構成を有するジルコニアからなる触媒担体の表面上
又は前記1次粒子空隙内に高分散担持させることによ
り、高いメタン酸化活性を有するメタン酸化触媒を得る
ことができる。Palladium has a function as a catalyst for efficiently oxidizing methane having a high ignition point.
A methane oxidation catalyst having high methane oxidation activity can be obtained by highly dispersing and supporting the catalyst on the surface of the zirconia catalyst having the above configuration or in the primary particle voids.
【0018】ここで、パラジウムは、触媒担体の表面及
び1次粒子空隙内に高分散担持されるものであれば足
り、使用するパラジウム源及びその担持方法は、特に限
定されるものではない。しかしながら、前記パラジウム
は、パラジウム源としてテトラアンミンパラジウム水酸
塩を用い、含浸法により前記触媒担体に担持されたもの
であることが望ましい。Here, it is sufficient that the palladium is highly dispersed and supported on the surface of the catalyst carrier and in the voids of the primary particles, and the palladium source used and the method of supporting the palladium are not particularly limited. However, it is preferable that the palladium be one supported on the catalyst carrier by an impregnation method using tetraammine palladium hydroxide as a palladium source.
【0019】テトラアンミンパラジウム水酸塩は、触媒
毒となるような有害な元素を含んでいないことに加え、
水和性が高く、水分がなくなる直前まで液状を呈してい
るので、パラジウム源としてテトラアンミンパラジウム
水酸塩を用いて含浸法によりパラジウムを担持させるこ
とにより、容易に触媒担体の表面上及び一次粒子空隙内
にパラジウムを均一分散させることが可能となる。The tetraammine palladium hydrochloride does not contain harmful elements that may cause catalyst poisoning,
Hydration is high, and it is in a liquid state just before water disappears.By supporting palladium by an impregnation method using tetraammine palladium hydroxide as a palladium source, it is easily formed on the surface of the catalyst support and the primary particle voids. It becomes possible to uniformly disperse palladium inside.
【0020】さらに、前記パラジウムは、その担持量が
0.5wt%以上5.0wt%以下であることが望まし
い。パラジウム担持量が0.5wt%未満では、十分な
メタン酸化活性が得られないからであり、また、5.0
wt%を越えて担持させても、メタン酸化活性が大きく
向上することはなく、むしろ高コストとなるからであ
る。好ましくは、1.0wt%以上3.0wt%以下で
ある。Further, it is desirable that the carried amount of the palladium is 0.5 wt% or more and 5.0 wt% or less. If the amount of supported palladium is less than 0.5% by weight, sufficient methane oxidation activity cannot be obtained.
This is because the methane oxidation activity is not greatly improved even if it is supported in excess of wt%, but the cost is rather high. Preferably, it is 1.0 wt% or more and 3.0 wt% or less.
【0021】なお、一次粒子空隙内に担持されているパ
ラジウムの割合は、多ければ多いほど良い。触媒担体の
表面上に存在する触媒金属であっても、メタンの酸化反
応を促進する触媒としての作用をするが、一次粒子空隙
内に担持されている触媒金属の方が、水蒸気が共存する
条件下においても触媒金属の高分散度が維持されるの
で、活性が高く、耐久性にも優れるからである。The ratio of palladium carried in the voids of the primary particles is preferably as large as possible. The catalyst metal present on the surface of the catalyst carrier acts as a catalyst for accelerating the oxidation reaction of methane, but the catalyst metal supported in the primary particle voids has a condition in which water vapor coexists. This is because the high dispersion degree of the catalyst metal is maintained even below, so that the activity is high and the durability is excellent.
【0022】[0022]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。本発明に係るメタン酸化触媒は、種々の方
法により製造することができる。例えば、ジルコニアか
らなる触媒担体を製造するには、ジルコニア微粉を原料
に用い、適当なバインダーを加えて混練し、押出成形等
によりハニカム形状の成形体とし、これを焼成すれば、
ジルコニアからなるハニカム形状の担体が得られる。Embodiments of the present invention will be described below in detail. The methane oxidation catalyst according to the present invention can be produced by various methods. For example, in order to produce a catalyst carrier made of zirconia, using zirconia fine powder as a raw material, adding an appropriate binder, kneading, extruding or the like to form a honeycomb shaped body, and firing this,
A honeycomb-shaped carrier made of zirconia is obtained.
【0023】また、ジルコニア微粉をバインダーで結合
させた顆粒を焼成した後、プレス・粉砕により16〜6
0メッシュの大きさを有する粒状の担体としてもよい。
さらに、コージェライト等を原料に用いてハニカム状の
基材を作製し、この上にジルコニアの微粉含むスラリー
をウオッシュコートして担体としても良い。After firing the granules obtained by binding the zirconia fine powder with a binder, the granules are pressed and pulverized to 16 to 6 particles.
It may be a granular carrier having a size of 0 mesh.
Further, a honeycomb substrate may be prepared by using cordierite or the like as a raw material, and a slurry containing fine zirconia powder may be wash-coated thereon to form a carrier.
【0024】また、このようにして得られた触媒担体上
に触媒金属を担持させるには、担体をパラジウム塩を含
む水溶液中に浸漬し、担体内部に形成された1次粒子空
隙内に水溶液を含浸させた後、加熱下又は減圧下におい
て水分を除去して乾燥させ、これを還元後、酸素気流中
において焼成すれば良い。To support the catalyst metal on the catalyst carrier thus obtained, the carrier is immersed in an aqueous solution containing a palladium salt, and the aqueous solution is poured into the primary particle voids formed inside the carrier. After the impregnation, moisture may be removed under heating or reduced pressure and dried, and after reduction, firing may be performed in an oxygen stream.
【0025】(実施例1)安定化剤を含まないジルコニ
アからなる触媒担体上に、種々のパラジウム源を用いて
1wt%のパラジウムを担持させ、その初期活性を調べ
た。触媒担体の原料となるジルコニアは、比表面積が1
00m2/g である安定化剤を含まないジルコニア微粉
(第一希元素化学工業製RC−100)を用いた。この
ジルコニア微粉を、大気中において1000℃x6hr
の条件で焼成処理した。Example 1 1 wt% of palladium was supported on a catalyst carrier made of zirconia containing no stabilizer using various palladium sources, and its initial activity was examined. Zirconia, which is a raw material of the catalyst carrier, has a specific surface area of 1
A zirconia fine powder (RC-100, manufactured by Daiichi Kagaku Kagaku Kogyo Co., Ltd.) containing a stabilizer of 00 m 2 / g was used. This zirconia fine powder is heated at 1000 ° C. for 6 hours in the air.
Firing conditions.
【0026】次に、焼成処理したジルコニア粉末を種々
のパラジウム塩を含む水溶液に加え、80℃x12時間
の条件で加熱撹拌した後、そのまま80〜100℃で加
熱して蒸発乾固させた。その状態で、さらに120℃x
12時間の条件で乾燥させた後、生成物をかき出し、こ
れを水素気流中において300℃x3hrの条件で還元
処理し、次いで、酸素気流中において600℃x6hr
の条件で焼成した。得られた粉末状触媒をCIP成型機
で固めた後、粉砕することにより、パラジウムを1wt
%担持させた16〜60メッシュの顆粒状触媒を得た。Next, the calcined zirconia powder was added to aqueous solutions containing various palladium salts, and the mixture was heated and stirred at 80 ° C. for 12 hours, and then heated to 80 to 100 ° C. and evaporated to dryness. Then, at 120 ° C x
After drying for 12 hours, the product was scraped out, reduced in a stream of hydrogen at 300 ° C. for 3 hours, and then 600 ° C. for 6 hours in an oxygen stream.
It baked on condition of. After solidifying the obtained powdery catalyst with a CIP molding machine, it is pulverized to obtain 1 wt% of palladium.
% Of the catalyst was obtained.
【0027】なお、パラジウム塩としては、テトラアン
ミンパラジウム水酸塩(Pd(NH3)4(OH)2)、
テトラアンミンジクロロパラジウム(Pd(NH3)4C
l2)、塩化パラジウム(PdCl2)、硝酸パラジウム
(Pd(NO3)2) 及び酢酸パラジウム(Pd(OC
OCH3)2)の5種類を用いた。As the palladium salt, tetraammine palladium hydroxide (Pd (NH 3 ) 4 (OH) 2 ),
Tetraamminedichloropalladium (Pd (NH 3 ) 4 C
l 2 ), palladium chloride (PdCl 2 ), palladium nitrate (Pd (NO 3 ) 2 ) and palladium acetate (Pd (OC
Five types of OCH 3 ) 2 ) were used.
【0028】上記のようにして得られた各触媒につい
て、メタン酸化に対する初期活性を調べるための反応試
験を行った。手順は、以下の通りである。すなわち、1
6〜60メッシュに整粒した顆粒状触媒0.1gと石英
分0.2gを反応管に詰め、これを常圧固定床流通式反
応試験装置に設置し、触媒についた水分や不純物を飛ば
すため、前処理として、空気中、600℃x2時間の条
件で焼成した。Each of the catalysts obtained as described above was subjected to a reaction test for examining the initial activity for methane oxidation. The procedure is as follows. That is, 1
0.1g of granular catalyst and 0.2g of quartz sized to 6-60 mesh were packed in a reaction tube, which was installed in a normal-pressure fixed-bed flow-type reaction test apparatus to blow off moisture and impurities attached to the catalyst. As a pretreatment, firing was performed in air at 600 ° C. for 2 hours.
【0029】次いで、反応管を250℃まで降温した
後、反応管内の温度を250℃〜600℃まで昇温させ
ながら、微量のメタンを含む反応ガスを流速5000m
l/hrで反応管内に流した。メタン酸化率は、反応試
験後の生成ガスを水素炎イオン化検出器(FID)付ガ
スクロマトグラフ(GC)法を用いて分析することによ
り求めた。なお、実施例1では、反応ガスとして、10
%の水蒸気を含むもの(CH4=4000ppm、CO
=500ppm、CO2=5%、H2O=10%、残部N
2) を用いた。Next, after the temperature of the reaction tube was lowered to 250 ° C., the reaction gas containing a small amount of methane was supplied at a flow rate of 5000 m while the temperature in the reaction tube was raised to 250 ° C. to 600 ° C.
It flowed into the reaction tube at 1 / hr. The methane oxidation rate was determined by analyzing the product gas after the reaction test using a gas chromatograph (GC) with a flame ionization detector (FID). Note that, in Example 1, 10 g
% Water vapor (CH 4 = 4000 ppm, CO
= 500 ppm, CO 2 = 5%, H 2 O = 10%, balance N
2 ) was used.
【0030】図1は、反応温度とメタン酸化率の関係を
示した図である。図1より、触媒担体及びパラジウム担
持量を同一としたにもかかわらず、使用するパラジウム
源により、メタン酸化活性が異なっていることがわか
る。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the reaction temperature and the methane oxidation rate. From FIG. 1, it can be seen that the methane oxidation activity differs depending on the palladium source used, even though the catalyst carrier and the supported amount of palladium are the same.
【0031】すなわち、450℃におけるメタン酸化活
性を比較すると、パラジウム源として酢酸パラジウム
(Pd(OCOCH3)2)、硝酸パラジウム(Pd(N
O3)2)、塩化パラジウム(PdCl2) 及びテトラア
ンミンジクロロパラジウム(Pd(NH3)4Cl2) を
用いた触媒では、それぞれ、59%、62%、68%及
び79%であるのに対し、テトラアンミンパラジウム水
酸塩(Pd(NH3)4(OH)2) を用いた触媒では、
水蒸気共存下であっても100%のメタン酸化率を示し
た。That is, comparing the methane oxidation activities at 450 ° C., palladium acetate (Pd (OCOCH 3 ) 2 ) and palladium nitrate (Pd (N
The catalysts using O 3 ) 2 ), palladium chloride (PdCl 2 ) and tetraammine dichloropalladium (Pd (NH 3 ) 4 Cl 2 ) have 59%, 62%, 68% and 79%, respectively. , A catalyst using tetraammine palladium hydroxide (Pd (NH 3 ) 4 (OH) 2 )
Even in the presence of steam, the methane oxidation rate was 100%.
【0032】また、希薄燃焼ガスエンジンの排ガス温度
に相当する400℃では、酢酸パラジウム(Pd(OC
OCH3)2)、硝酸パラジウム(Pd(NO3)2)、塩
化パラジウム(PdCl2)及びテトラアンミンジクロ
ロパラジウム(Pd(NH3)4Cl2)を用いた触媒
は、いずれもメタン酸化率が10%以下であるのに対
し、テトラアンミンパラジウム水酸塩(Pd(NH3)4
(OH)2) を用いた触媒は、85%の高いメタン酸化
率を示した。At 400 ° C. corresponding to the exhaust gas temperature of a lean burn gas engine, palladium acetate (Pd (OC
OCH 3 ) 2 ), palladium nitrate (Pd (NO 3 ) 2 ), palladium chloride (PdCl 2 ), and catalysts using tetraamminedichloropalladium (Pd (NH 3 ) 4 Cl 2 ) all have a methane oxidation rate of 10 % Or less, whereas tetraammine palladium hydroxide (Pd (NH 3 ) 4
The catalyst using (OH) 2 ) showed a high methane oxidation rate of 85%.
【0033】このように、パラジウム源としてテトラア
ンミンパラジウム水酸塩を用いた触媒が高い活性を示す
のは、触媒毒となるような有害な元素が含まれていない
ことに加え、テトラアンミンパラジウム水酸塩は水和性
が高く、蒸発乾固工程において水分がなくなる直前まで
液体状を呈しているため、常温で固体である他のパラジ
ウム源と比べて、パラジウムが高分散担持されやすいた
めと考えられる。以上の結果から、メタン酸化触媒用の
パラジウム源としては、テトラアンミンパラジウム水酸
塩が最も優れていることがわかった。As described above, the catalyst using tetraammine palladium hydroxide as a palladium source exhibits high activity because it does not contain a harmful element which may be a catalyst poison, and in addition, tetraammine palladium hydroxide. It is considered that palladium has a high hydration property and is in a liquid state until immediately before water disappears in the evaporating and drying step, so that palladium is more likely to be highly dispersed and supported than other palladium sources which are solid at room temperature. From the above results, it was found that tetraammine palladium hydroxide was the most excellent palladium source for the methane oxidation catalyst.
【0034】(実施例2)触媒担体として安定化剤を含
まないジルコニアを用い、メタン酸化率に及ぼす担体の
比表面積及び1次粒子空隙径の影響について調べた。触
媒担体は、ジルコニア粉末の焼成温度を600℃、80
0℃、1000℃及び1200℃の4種とした以外は、
実施例1と同一の条件で調製した。また、得られたジル
コニア担体に対し、パラジウム源として、テトラアンミ
ンパラジウム水酸塩 (Pd(NH3)4(OH)2)を用
い、実施例1と同様の手順により、パラジウムを1wt
%担持させ、顆粒状の触媒とした。Example 2 Using zirconia containing no stabilizer as a catalyst carrier, the effects of the specific surface area of the carrier and the pore size of the primary particles on the methane oxidation rate were examined. The catalyst carrier was set at a sintering temperature of zirconia powder of 600 ° C.
Except for four types of 0 ° C, 1000 ° C and 1200 ° C,
It was prepared under the same conditions as in Example 1. Also, 1 wt% of palladium was added to the obtained zirconia support by the same procedure as in Example 1 using tetraammine palladium hydroxide (Pd (NH 3 ) 4 (OH) 2 ) as a palladium source.
% As a catalyst.
【0035】得られた、顆粒状のメタン酸化触媒の比表
面積をBET法により、Pd分散度をCOパルス法によ
り、ジルコニア粒子径をX線回折法により、又、細孔分
布を水銀圧入法によりそれぞれ求めた。さらに、各触媒
について、実施例1と同様の手順により反応試験を行っ
た。なお、反応試験で用いた反応ガスは、10%の水蒸
気を含むもの (CH4=4000ppm、CO=500
ppm、CO2=5%、H2O=10%、残部N2)と、
水蒸気を含まないもの(CH4=4000ppm、CO
=500ppm、CO2=5%、残部N2)の2種類とし
た。The specific surface area of the obtained granular methane oxidation catalyst was determined by the BET method, the degree of Pd dispersion was determined by the CO pulse method, the zirconia particle diameter was determined by the X-ray diffraction method, and the pore distribution was determined by the mercury intrusion method. I asked for each. Further, for each catalyst, a reaction test was performed in the same procedure as in Example 1. The reaction gas used in the reaction test contained 10% water vapor (CH 4 = 4000 ppm, CO = 500
ppm, CO 2 = 5%, H 2 O = 10%, balance N 2 )
Those not containing water vapor (CH 4 = 4000 ppm, CO
= 500 ppm, CO 2 = 5%, balance N 2 ).
【0036】図2は、1wt%のパラジウムを含む各種
のジルコニア触媒について、反応温度とメタン酸化率と
の関係を示したものである。水蒸気が共存しない条件下
においては、図2の点線で示したように、ジルコニア粉
末の焼成温度が1000℃までは、焼成温度の上昇に伴
い、メタン酸化率は向上したが、焼成温度が1200℃
になると、メタン酸化率は逆に低下した。FIG. 2 shows the relationship between the reaction temperature and the methane oxidation rate for various zirconia catalysts containing 1 wt% palladium. Under the condition in which steam does not coexist, as shown by the dotted line in FIG. 2, the methane oxidation rate increased with the firing temperature until the firing temperature of the zirconia powder was up to 1000 ° C., but the firing temperature was 1200 ° C.
, The rate of methane oxidation fell in reverse.
【0037】すなわち、焼成温度が600℃ (Pd/
ZrO2(600))、800℃(Pd/ZrO2(80
0))及び1000℃(Pd/ZrO2(1000))
と上昇するに伴い、反応温度400℃におけるメタン酸
化率は、70%、97%及び98%と増加したが、焼成
温度が1200℃ (Pd/ZrO2(1200))にな
ると、逆に46%まで減少した。同様に、焼成温度が6
00℃、800℃及び1000℃と上昇するに伴い、メ
タン酸化率が50%となる反応温度も、381℃、33
2℃及び322と低下したが、焼成温度が1200℃に
なると、逆に405℃まで上昇した。That is, the firing temperature is 600 ° C. (Pd /
ZrO 2 (600)), 800 ° C. (Pd / ZrO 2 (80
0)) and 1000 ° C. (Pd / ZrO 2 (1000))
The methane oxidation rate at a reaction temperature of 400 ° C. increased to 70%, 97% and 98% as the temperature rose, but when the firing temperature reached 1200 ° C. (Pd / ZrO 2 (1200)), 46% Down to. Similarly, if the firing temperature is 6
As the temperature rises to 00 ° C., 800 ° C., and 1000 ° C., the reaction temperature at which the methane oxidation rate becomes 50% is also 381 ° C., 33 ° C.
The temperature decreased to 2 ° C. and 322, but increased to 405 ° C. when the firing temperature reached 1200 ° C.
【0038】10%の水蒸気が共存する条件下において
は、図2の実線で示すように、いずれの触媒とも、水蒸
気非共存下の場合と比べてメタン酸化率は減少したが、
メタン酸化活性の序列に変化はなかった。すなわち、ジ
ルコニア粉末の焼成温度が600℃、800℃及び10
00℃と上昇するに伴い、反応温度400℃におけるメ
タン酸化率は、それぞれ、23%、73%及び86%ま
で増加し、焼成温度が1200℃となると、逆に15.
5%まで減少した。Under the condition where 10% steam coexists, as shown by the solid line in FIG. 2, the methane oxidation rate of all the catalysts decreased as compared with the case without steam.
There was no change in the rank of methane oxidation activity. That is, the firing temperature of the zirconia powder is 600 ° C., 800 ° C., and 10 ° C.
As the temperature rises to 00 ° C., the methane oxidation rates at a reaction temperature of 400 ° C. increase to 23%, 73% and 86%, respectively.
It decreased to 5%.
【0039】同様に、メタン酸化率が50%となる反応
温度は、ジルコニア粉末の焼成温度が600℃、800
℃及び1000℃と上昇するに伴い、それぞれ、424
℃、378℃及び363℃まで低下し、焼成温度が12
00℃になると、逆に451℃まで上昇した。Similarly, the reaction temperature at which the methane oxidation rate becomes 50% is as follows: the firing temperature of the zirconia powder is 600 ° C .;
℃ and 1000 ℃, respectively, 424
° C, 378 ° C and 363 ° C, and the firing temperature is 12
When the temperature reached 00 ° C, the temperature rose to 451 ° C.
【0040】図3は、ジルコニア粉末の焼成温度が異な
る種々のメタン酸化触媒の細孔分布を示したものであ
る。焼成温度を600℃とした触媒 (Pd/ZrO
2(600))では、170Å及び3100Åの2つの
位置にピークが認められた。前者は、1次粒子空隙に対
応し、後者は2次粒子空隙に対応するものである。FIG. 3 shows the pore distribution of various methane oxidation catalysts having different firing temperatures for zirconia powder. Catalyst with firing temperature of 600 ° C (Pd / ZrO
2 (600)), peaks were observed at two positions of 170 ° and 3100 °. The former corresponds to primary particle voids, and the latter corresponds to secondary particle voids.
【0041】同様に、焼成温度を800℃とした触媒
(Pd/ZrO2(800))では、320Å及び40
00Åの位置にピークが認められ、焼成温度を1000
℃とした触媒 (Pd/ZrO2(1000))では、6
30Å及び4200Åの位置にピークが認められた。一
方、焼成温度を1200℃とした触媒 (Pd/ZrO2
(1200))では、1次粒子空隙に相当する位置のピ
ークが消失し、4200Åの位置にピークが認められる
のみであった。Similarly, a catalyst having a calcination temperature of 800 ° C.
(Pd / ZrO 2 (800)), 320 ° and 40 °
A peak was observed at the position of 00 °, and the firing temperature was 1000
° C (Pd / ZrO 2 (1000))
Peaks were observed at 30 ° and 4200 °. On the other hand, a catalyst (Pd / ZrO 2
In (1200)), the peak at the position corresponding to the primary particle void disappeared, and only the peak at 4200 ° was observed.
【0042】表1は、ジルコニアの焼成温度が異なる種
々のメタン酸化触媒触媒について、Pd分散度(%)、
比表面積(m2/g)、ZrO2粒子径(Å)、1次粒子
空隙径(Å)を示したものである。Table 1 shows the Pd dispersity (%) of various methane oxidation catalysts having different zirconia firing temperatures.
It shows specific surface area (m 2 / g), ZrO 2 particle size (Å), and primary particle void size (Å).
【0043】[0043]
【表1】 [Table 1]
【0044】表1より、ジルコニアの焼成温度が600
℃、800℃、1000℃及び1200℃と上昇するに
伴い、Pd分散度(%)は単調に減少し、それぞれ、7
0%、31%、18%及び13%であった。同様に、触
媒の比表面積 (m2/g)も単調に減少し、それぞれ、
37.6m2/g、20.4m2/g、9.7m2/g及
び3.0m2/gであった。From Table 1, it can be seen that the firing temperature of zirconia is 600
C, 800 ° C., 1000 ° C. and 1200 ° C., the degree of dispersion of Pd (%) monotonously decreased to 7 ° C., respectively.
0%, 31%, 18% and 13%. Similarly, the specific surface area (m 2 / g) of the catalyst also decreases monotonically,
37.6m was 2 /g,20.4m 2 /g,9.7m 2 / g and 3.0 m 2 / g.
【0045】一方、ZrO2 粒子径(Å)は、ジルコニ
アの焼成温度が600℃、800℃、1000℃及び1
200℃と上昇するに伴い、単調に増加し、それぞれ、
210Å、360Å、960Å及び4500Åとなっ
た。一次粒子空隙径についても同様に、焼成温度の上昇
に伴って単調に増加し、焼成温度1200℃で一次粒子
空隙が消失する点は、上述したとおりである。On the other hand, the ZrO 2 particle diameter (Å) is determined when the firing temperature of zirconia is 600 ° C., 800 ° C., 1000 ° C., and 1 ° C.
As the temperature rises to 200 ° C, it increases monotonically,
210 °, 360 °, 960 ° and 4500 °. Similarly, the primary particle void diameter monotonically increases as the firing temperature increases, and the primary particle voids disappear at the firing temperature of 1200 ° C., as described above.
【0046】以上の結果から次のことがいえる。すなわ
ち、焼成温度が600℃から1000℃までは、1次粒
子空隙径が単調に増加しているにもかかわらず、メタン
酸化活性は、焼成温度の上昇に伴い、単調に増加してい
る。これは、単に1次粒子空隙の大きさが小さければ小
さい程メタン酸化活性が高くなるというものではなく、
高活性なメタン酸化触媒を与えるための適正な範囲が存
在することを示していると考えられる。表1より、高い
メタン酸化活性を得るためには、1次粒子空隙径は、1
00Å以上1000Å以下であることを要し、好ましく
は300Å以上700Å以下であることがわかる。The following can be said from the above results. In other words, the methane oxidation activity monotonously increases with the firing temperature from 600 ° C. to 1000 ° C., even though the primary particle void diameter monotonically increases. This does not mean that the smaller the size of the primary particle void is, the higher the methane oxidation activity becomes.
This is considered to indicate that there is an appropriate range for providing a highly active methane oxidation catalyst. According to Table 1, in order to obtain a high methane oxidation activity, the primary particle void diameter is 1
It is found that the angle is required to be not less than 00 ° and not more than 1000 °, and preferably not less than 300 ° and not more than 700 °.
【0047】また、1000℃で焼成した触媒と、12
00℃で焼成した触媒とを比較すると、Pd分散度に大
きな差が認められないにもかかわらず、メタン酸化活性
に大きな差が認められる。メタン酸化活性が著しく低下
した1200℃で焼成した触媒では、1次粒子空隙が消
滅していることから、1次粒子空隙が、メタン酸化の主
要な反応場となっていると考えられる。A catalyst calcined at 1000 ° C.
When compared with the catalyst calcined at 00 ° C., a large difference is observed in the methane oxidation activity, although no large difference is observed in the degree of dispersion of Pd. Since the primary particle voids disappear in the catalyst calcined at 1200 ° C. in which the methane oxidation activity is significantly reduced, it is considered that the primary particle voids are a main reaction field for methane oxidation.
【0048】従って、高いメタン酸化活性を発現させる
ためには、上記範囲の径を有する1次粒子空隙の量は、
多ければ多い程良いと考えられるが、図3に示すよう
に、1200℃で焼成した触媒では、1000Å以下の
気孔が全く存在していないことからすれば、その含有量
は、少なくとも0.01ml/g以上であることを要
し、好ましくは0.05ml/g以上である。Therefore, in order to exhibit a high methane oxidation activity, the amount of the primary particle voids having a diameter in the above range must be:
It is considered that the larger the amount, the better. However, as shown in FIG. 3, in the catalyst calcined at 1200 ° C., the content is at least 0.01 ml / g or more, and preferably 0.05 ml / g or more.
【0049】なお、触媒担体の比表面積は、1次粒子空
隙の総体積と2次粒子空隙の総体積の総和に対応するも
のであり、必ずしも触媒担体に含まれる1次粒子空隙の
総体積のみを表示するものではない。しかしながら、本
発明の特徴である上述した触媒担体の微構造は、通常、
100m2/g 前後の比表面積を有する超微粉を出発原
料に用い、1次粒子空隙の径及び含有量が所定範囲内と
なるように、所定の条件下で焼成すれば得られるもので
ある。The specific surface area of the catalyst support corresponds to the sum of the total volume of the primary particle voids and the total volume of the secondary particle voids, and is not necessarily the total volume of the primary particle voids contained in the catalyst support. Is not displayed. However, the above-described microstructure of the catalyst support which is a feature of the present invention is usually
It is obtained by baking under predetermined conditions such that the ultrafine powder having a specific surface area of about 100 m 2 / g is used as a starting material and the diameter and content of the primary particle voids are within predetermined ranges.
【0050】従って、この場合には、触媒担体の比表面
積の大きさは、間接的に1次粒子空隙の径及び含有量を
表示していると考えられるので、本発明の特徴である触
媒担体の微構造を、触媒担体全体の比表面積で特定する
こともできる。表1より、高いメタン酸化活性を発現さ
せるためには、触媒担体の比表面積を、5m2/g 以上
50m2/g以下とすればよいことがわかる。好ましく
は、5m2/g以上30m2/g 以下である。Therefore, in this case, it is considered that the size of the specific surface area of the catalyst carrier indirectly indicates the diameter and the content of the primary particle voids. Can be specified by the specific surface area of the entire catalyst carrier. From Table 1, it can be seen that the specific surface area of the catalyst carrier should be 5 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less in order to express high methane oxidation activity. Preferably, it is 5 m 2 / g or more and 30 m 2 / g or less.
【0051】さらに、焼成温度が600℃から1000
℃までは、Pd分散度が単調に減少しているにもかかわ
らず、メタン酸化活性は、焼成温度の上昇に伴い、単調
に増加している。これは、単にPd分散度が大きければ
大きい程メタンの酸化活性が高くなるというわけではな
く、Pd分散度には、メタン酸化を効率よく行うための
適正な範囲が存在することを示していると考えられる。
表1より、高いメタン酸化活性を得るためには、Pd分
散度は、少なくとも15%以上80%以下であることを
要し、15%以上40%以下の範囲が好ましいことがわ
かる。Further, the firing temperature is from 600 ° C. to 1000 ° C.
Up to ° C, the methane oxidation activity monotonically increases with increasing firing temperature, despite the fact that the degree of dispersion of Pd monotonously decreases. This does not mean that the greater the degree of dispersion of Pd, the higher the oxidizing activity of methane becomes, but that the degree of dispersion of Pd has an appropriate range for efficiently performing methane oxidation. Conceivable.
Table 1 shows that in order to obtain high methane oxidation activity, the Pd dispersity needs to be at least 15% or more and 80% or less, and the range of 15% or more and 40% or less is preferable.
【0052】また、1次粒子空隙径とPd分散度を比較
すると、1次粒子空隙径が小さくなるほどPd分散度が
大きくなっており、相関が認められることから、触媒担
体に担持されたPdのかなりの割合が1次粒子空隙内に
担持されていると考えられる。従って、本発明により高
いメタン酸化活性が発現されたのは、1次粒子空隙がメ
タン酸化の反応場となると同時に、メタン酸化に適した
大きさのPdクラスターを与えるめと考えられる。When the primary particle void diameter is compared with the Pd dispersion degree, the smaller the primary particle void diameter is, the larger the Pd dispersion degree is, and a correlation is recognized. It is believed that a significant proportion is carried in the primary particle voids. Therefore, it is considered that the high methane oxidation activity was exhibited by the present invention because the primary particle voids act as a reaction field for methane oxidation, and at the same time, give Pd clusters having a size suitable for methane oxidation.
【0053】(実施例3)触媒担体の原料としてとして
比表面積が160m2/g であるアルミナ(触媒学会参
照触媒JRC−ALO−1)を用い、アルミナ粉末の焼
成条件を1000℃x6hr、1000℃x24hr、
1000℃x48hr及び1000℃x72hrとした
以外は、実施例2と同様の手順に従い、パラジウムを1
wt%担持させたメタン酸化触媒を調製した。得られた
各触媒について、実施例2と同様の手順に従い、比表面
積の測定及び反応試験を行った。Example 3 Alumina having a specific surface area of 160 m 2 / g (catalyst JRC-ALO-1) was used as a raw material of the catalyst carrier, and the alumina powder was calcined at 1000 ° C. for 6 hours at 1000 ° C. x24hr,
Palladium was reduced to 1 according to the same procedure as in Example 2 except that the temperature was changed to 1000 ° C. × 48 hr and 1000 ° C. × 72 hr.
A methane oxidation catalyst supporting wt% was prepared. For each of the obtained catalysts, the measurement of the specific surface area and the reaction test were performed in the same manner as in Example 2.
【0054】得られた触媒の比表面積を測定したとこ
ろ、アルミナ粉末の焼成時間の増加と共に比表面積は単
調に減少し、焼成時間が6時間、24時間、48時間及
び72時間と増加するに伴い、それぞれ、70m2/
g、42m2/g、20m2/g 及び14m2/g とな
った。When the specific surface area of the obtained catalyst was measured, the specific surface area monotonously decreased with the increase of the calcination time of the alumina powder, and as the calcination time increased to 6, 24, 48 and 72 hours. , 70m 2 /
g, 42 m 2 / g, 20 m 2 / g and 14 m 2 / g.
【0055】また、反応試験を行ったところ、図4の実
線で示すように、水蒸気共存下においては、比表面積が
20m2/g である1000℃x48hrの条件で焼成
した触媒のメタン酸化率が最も高く、反応温度400℃
におけるメタン酸化率は、79%、メタン酸化率が50
%となる反応温度は、370℃であった。一方、比表面
積がそれより減少(72hr)しても、また増加しても
(6hr、24hr)、メタン酸化率は低下した。When a reaction test was carried out, as shown by the solid line in FIG. 4, in the presence of water vapor, the methane oxidation rate of the catalyst calcined under the conditions of 1000 ° C. for 48 hours with a specific surface area of 20 m 2 / g was found. Highest, reaction temperature 400 ° C
Methane oxidation rate is 79% and methane oxidation rate is 50%
% Was 370 ° C. On the other hand, even if the specific surface area was further reduced (72 hr) or increased (6 hr, 24 hr), the methane oxidation rate decreased.
【0056】さらに、触媒活性が最も高い1000℃x
48hrの条件で焼成した触媒について、水蒸気非共存
下におけるメタン酸化率を測定したところ、図4の点線
で示すように、反応温度400℃におけるメタン酸化率
は100%、メタン酸化率が50%となる反応温度は、
320℃となった。Further, 1000 ° C. x having the highest catalytic activity
When the methane oxidation rate of the catalyst calcined under the condition of 48 hours in the absence of steam was measured, the methane oxidation rate at a reaction temperature of 400 ° C. was 100% and the methane oxidation rate was 50%, as shown by the dotted line in FIG. Reaction temperature is
320 ° C.
【0057】図2に示す1000℃x6hrの条件で焼
成したジルコニアを担体とする触媒と比較すると、水蒸
気非共存下ではアルミナの方が触媒活性が若干高いのに
対し、水蒸気共存下では、ジルコニアの方が逆に触媒活
性が高くなっていることがわかる。詳細は不明である
が、化学的な要因に起因するものと考えられる。Compared with the catalyst using zirconia fired at 1000 ° C. for 6 hours as shown in FIG. 2, alumina has a slightly higher catalytic activity in the absence of steam, whereas zirconia in the presence of steam has a slightly higher catalytic activity. Conversely, the catalyst activity is higher. Although details are unknown, it is considered to be due to chemical factors.
【0058】以上の結果から、触媒担体としてアルミナ
を用いた場合であっても、高い比表面積を有する超微粉
を出発原料に用い、焼成条件を最適化することで触媒担
体の比表面積が適正な範囲内となるようにすれば、メタ
ン酸化活性を著しく向上させることができることがわか
った。また、アルミナに比べて、ジルコニアの方が水蒸
気に起因する反応阻害が小さいことがわかった。From the above results, even when alumina is used as the catalyst carrier, the ultrafine powder having a high specific surface area is used as a starting material, and by optimizing the calcination conditions, the specific surface area of the catalyst carrier becomes appropriate. It was found that the methane oxidation activity could be remarkably improved if it was within the range. In addition, it was found that zirconia has less reaction inhibition due to water vapor than alumina.
【0059】(実施例4)実施例2で調製したジルコニ
アを担体とした触媒及び実施例3で調製したアルミナを
担体とした触媒について、排ガス温度下(400℃)で
の耐久試験を行った。耐久試験は、顆粒状の触媒0.1
gと石英分0.2gを反応管に詰め、これを常圧固定床
流通式反応試験装置に設置し、空気中、600℃で2時
間焼成した後、400℃まで降温し、試験温度を400
℃に保持したまま、微量のメタンを含む反応ガスを流速
5000ml/hrで反応管内に流すことにより行っ
た。反応ガスは、水蒸気を含む反応ガス (CH4=40
00ppm、CO=500ppm、CO2=5%、H2O
=10%、残部N2)を用いた。結果を図5に示す。(Example 4) A durability test was carried out at the exhaust gas temperature (400 ° C) on the catalyst prepared using zirconia as a carrier prepared in Example 2 and the catalyst prepared using alumina as a support prepared in Example 3. The endurance test was carried out using a granular catalyst of 0.1
g and a quartz content of 0.2 g were packed in a reaction tube, which was set in a normal-pressure fixed-bed flow-type reaction test apparatus, calcined in air at 600 ° C. for 2 hours, and then cooled to 400 ° C.
The reaction was carried out by flowing a reaction gas containing a small amount of methane into the reaction tube at a flow rate of 5000 ml / hr while maintaining the temperature at ° C. The reaction gas is a reaction gas containing water vapor (CH 4 = 40
00 ppm, CO = 500 ppm, CO 2 = 5%, H 2 O
= 10%, balance N 2 ). FIG. 5 shows the results.
【0060】800℃x6hr及び1000℃x6hr
の条件で焼成したジルコニア系触媒は、比表面積は、そ
れぞれ、20m2/g及び10m2/gであるが、耐久試
験の間、共に初期のメタン酸化率(60〜80%)を維
持しており、メタン酸化率の経時変化は認められなかっ
た。800 ° C. for 6 hours and 1000 ° C. for 6 hours
The calcined zirconia catalyst conditions, specific surface area, respectively, is a 20 m 2 / g and 10 m 2 / g, and maintained for endurance test, both the initial methane oxidation rate (60-80%) No change with time in the methane oxidation rate was observed.
【0061】一方、1000℃x48hrの条件で焼成
したアルミナ系触媒の比表面積は、20m2/g であ
り、800℃x6hrの条件で焼成したジルコニア系触
媒と同一であったが、メタン酸化率は、耐久試験初期に
はジルコニア系触媒とほぼ同等のメタン酸化率を示して
いたものが、100時間経過後には、50%まで低下
し、経時変化が認められた。On the other hand, the specific surface area of the alumina-based catalyst calcined at 1000 ° C. for 48 hours was 20 m 2 / g, which was the same as that of the zirconia-based catalyst calcined at 800 ° C. for 6 hr. In the early stage of the durability test, the methane oxidation rate was almost the same as that of the zirconia-based catalyst, but after 100 hours, it decreased to 50%, and a change with time was observed.
【0062】以上の結果から、アルミナを担体とした触
媒は、反応初期においては、ジルコニアを担体とした触
媒とほぼ同等の酸化活性を有するが、ジルコニア系触媒
と比べて、経時的な活性低下が大きいことがわかった。From the above results, the catalyst using alumina as the carrier has almost the same oxidation activity in the early stage of the reaction as the catalyst using zirconia as the carrier, but the activity decreases with time as compared with the zirconia-based catalyst. It turned out to be big.
【0063】(実施例5)触媒担体の原料として、それ
ぞれ、大気中、1000℃で6hr焼成した安定化剤を
含まないジルコニア、3mol%のイットリア(Y
2O3)を含む部分安定化ジルコニア(3YSZ)及び8
mol%のイットリアを含む部分安定化ジルコニア(8
YSZ)を用いた以外は、実施例2と同様の手順によ
り、パラジウムを1wt%担持させた触媒を調製した。
得られた各触媒について、実施例2と同様の手順に従
い、比表面積の測定及び反応試験を行った。Example 5 As a raw material of a catalyst carrier, zirconia containing no stabilizer and 3 mol% of yttria (Y) were calcined at 1,000 ° C. for 6 hours in the air.
Partially stabilized zirconia (3YSZ) containing 2 O 3 ) and 8
mol% yttria and partially stabilized zirconia (8
Except for using YSZ), a catalyst supporting 1 wt% of palladium was prepared in the same procedure as in Example 2.
For each of the obtained catalysts, the measurement of the specific surface area and the reaction test were performed in the same manner as in Example 2.
【0064】比表面積は、安定化剤を含まないジルコニ
アを用いた触媒 (Pd/ZrO2)、3YSZを用いた
触媒(Pd/3YSZ)及び8YSZを用いた触媒(P
d/8YSZ)では、それぞれ、約10m2/g、11
m2/g及び13m2/g であり、各触媒に大きな差は
なかった。The specific surface area of the catalyst using zirconia containing no stabilizer (Pd / ZrO 2 ), the catalyst using 3YSZ (Pd / 3YSZ) and the catalyst using 8YSZ (Pd
d / 8YSZ), about 10 m 2 / g and 11 m 2 / g, respectively.
m 2 / g and 13 m 2 / g, and there was no significant difference between the catalysts.
【0065】また、水蒸気共存下におけるメタン酸化の
初期活性を調べたところ、図6に示すように、反応温度
400℃におけるメタン酸化率は、安定化剤を含まない
ジルコニアを用いた触媒では86%であるのに対し、3
YSZを用いた触媒では90%となり、3YSZを用い
た方が、安定化剤を含まないジルコニアを用いた触媒よ
りもメタン酸化率がわずかに向上することがわかった。
一方、8YSZを用いた触媒では、反応温度400℃に
おけるメタン酸化率は、安定化剤を含まないジルコニア
を用いた触媒とほぼ同等であったが、反応温度が400
℃以下の低温域における触媒活性は、他の触媒に比べて
低下した。The initial activity of methane oxidation in the presence of water vapor was examined. As shown in FIG. 6, the methane oxidation rate at a reaction temperature of 400 ° C. was 86% for a catalyst using zirconia containing no stabilizer. Whereas 3
The catalyst using YSZ was 90%, indicating that the use of 3YSZ slightly improved the methane oxidation rate as compared to the catalyst using zirconia containing no stabilizer.
On the other hand, in the catalyst using 8YSZ, the methane oxidation rate at a reaction temperature of 400 ° C. was almost the same as the catalyst using zirconia containing no stabilizer, but the reaction temperature was 400
The catalyst activity in the low temperature range below ℃ was lower than that of other catalysts.
【0066】安定化剤を含まないジルコニアを担体とし
た触媒並びに3YSZ及び8YSZを担体とした触媒に
ついて、実施例4と同様の手順に従い、耐久試験を行っ
た。結果を図7に示す。耐久試験直後から3YSZ及び
8YSZを担体とした触媒の方が高い触媒活性を示し、
触媒活性の経時変化は認められず、100時間経過後も
80%を越える高いメタン酸化率を示すことがわかっ
た。A durability test was performed on a catalyst using zirconia as a carrier and a catalyst using 3YSZ and 8YSZ without a stabilizer in the same manner as in Example 4. FIG. 7 shows the results. Immediately after the durability test, catalysts using 3YSZ and 8YSZ as carriers show higher catalytic activity,
No change in the catalyst activity with time was observed, and it was found that the catalyst exhibited a high methane oxidation rate exceeding 80% even after 100 hours.
【0067】以上の結果から、触媒担体の材料として3
YSZ及び8YSZを用いた場合、安定化剤を含まない
ジルコニアに比べて、反応温度400℃における初期活
性はわずかに向上するだけであるが、水蒸気共存下にお
ける耐久性を著しく向上させることがわかった。From the above results, 3
When YSZ and 8YSZ were used, the initial activity at a reaction temperature of 400 ° C. was only slightly improved as compared with zirconia containing no stabilizer, but it was found that the durability in the presence of steam was significantly improved. .
【0068】なお、本発明は、上記した実施例に何ら限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、
パラジウム担持量を1wt%としているが、これに限定
されるものではなく、パラジウム担持量を増加させれ
ば、さらに初期活性及び耐久性を向上させることが可能
となるので、コスト対効果の兼ね合いから適宜、最適な
触媒担持量を選択すればよい。It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment at all, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above embodiment,
Although the amount of supported palladium is 1 wt%, the present invention is not limited to this. If the amount of supported palladium is increased, the initial activity and durability can be further improved. The optimum amount of the supported catalyst may be appropriately selected.
【0069】また、パラジウム以外にも、Pt、Ce、
La等の他の触媒貴金属を担持させたり、イットリア
(Y2O3)以外にも、スカンジア(Sc2O3)やセリア
(CeO2) 等の他の安定化剤を使用しても良く、これ
により、触媒活性と耐久性を向上させることができる。
さらに、本発明は、メタン酸化用の触媒のみならず、共
存する水蒸気による反応阻害が懸念されるガソリンエン
ジンあるいはディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれ
るCO、NOx、HC等の浄化用触媒としても使用する
ことができる。In addition to palladium, Pt, Ce,
Other catalyst noble metals such as La may be supported, and other stabilizers such as scandia (Sc 2 O 3 ) and ceria (CeO 2 ) may be used in addition to yttria (Y 2 O 3 ). Thereby, catalyst activity and durability can be improved.
Furthermore, the present invention is used not only as a catalyst for methane oxidation, but also as a catalyst for purifying CO, NOx, HC, and the like contained in exhaust gas of a gasoline engine or a diesel engine in which the reaction of the coexisting water vapor is concerned. can do.
【0070】[0070]
【発明の効果】本発明は、所定範囲の径を有する1次粒
子空隙を所定量以上含有するセラミックス材料を触媒担
体として用い、触媒金属としてパラジウムを担体の表面
及び一次粒子空隙内に担持させたことにより、メタン酸
化の反応場が確保されると共に、一次粒子空隙内に担持
された触媒金属のシンタリングが抑制されるので、メタ
ン酸化の触媒活性が著しく向上し、水蒸気が共存する排
ガス条件下においても未燃メタンの酸化率を飛躍的に向
上させることができるという効果がある。According to the present invention, a ceramic material containing a predetermined amount or more of primary particle voids having a diameter in a predetermined range is used as a catalyst carrier, and palladium as a catalytic metal is supported on the surface of the carrier and in the primary particle voids. As a result, a reaction field for methane oxidation is secured, and sintering of the catalyst metal supported in the primary particle voids is suppressed, so that the catalytic activity of methane oxidation is significantly improved, and exhaust gas conditions in which steam coexists are used. Also, there is an effect that the oxidation rate of unburned methane can be dramatically improved.
【0071】触媒担体の材料として、ジルコニア系材
料、特に、所定量のイットリアを含有する部分安定化ジ
ルコニアを用いると、水蒸気に起因する触媒の初期活性
の低下を抑制できると共に、水蒸気共存下においても高
いメタン酸化活性を長期間維持できる耐久性に優れたメ
タン酸化触媒とすることが可能となる。When a zirconia-based material, particularly a partially stabilized zirconia containing a predetermined amount of yttria, is used as a material for the catalyst carrier, a decrease in the initial activity of the catalyst due to steam can be suppressed, and the catalyst can be used in the presence of steam. A highly durable methane oxidation catalyst capable of maintaining high methane oxidation activity for a long time can be obtained.
【0072】また、パラジウム源としてテトラアンミン
パラジウム水酸塩を用い、含浸法によりパラジウムを担
持させると、触媒担体上に高い分散度で触媒を担持させ
ることができるので、パラジウム担持量が少なくても、
低温におけるメタン酸化率を向上させることができると
いう効果がある。Further, when tetraammine palladium hydroxide is used as a palladium source and palladium is supported by the impregnation method, the catalyst can be supported on the catalyst carrier with a high degree of dispersion.
There is an effect that the methane oxidation rate at a low temperature can be improved.
【0073】以上のように、本発明に係るメタン酸化触
媒によれば、水蒸気に起因するメタン酸化の初期活性と
耐久性の低下を抑制しつつ、メタン酸化率を飛躍的に向
上させることができるので、触媒金属消費量を大幅に削
減でき、メタン酸化触媒の低価格化を図ることができる
とともに、これを希薄燃焼ガスエンジン等の排ガス処理
用触媒として使用すれば、温室効果ガスの削減に寄与す
るものであり、産業上、その効果の極めて大きい発明で
ある。As described above, according to the methane oxidation catalyst of the present invention, the methane oxidation rate can be significantly improved while suppressing the initial activity and durability of methane oxidation caused by water vapor. As a result, the amount of catalytic metal consumption can be significantly reduced, the price of the methane oxidation catalyst can be reduced, and if this is used as an exhaust gas treatment catalyst for lean burn gas engines, etc., it will contribute to the reduction of greenhouse gases. This is an invention having an extremely large industrial effect.
【図1】種々のパラジウム源を用いたPd/ZrO2系
触媒の初期活性を示す図である。FIG. 1 is a view showing the initial activity of a Pd / ZrO 2 -based catalyst using various palladium sources.
【図2】種々の温度で焼成したPd/ZrO2系触媒の
初期活性を示す図である。FIG. 2 is a view showing the initial activity of a Pd / ZrO 2 -based catalyst calcined at various temperatures.
【図3】図2に示す各触媒の細孔分布を示す図である。FIG. 3 is a view showing a pore distribution of each catalyst shown in FIG. 2;
【図4】種々の温度で焼成したPd/Al2O3系触媒の
初期活性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the initial activity of a Pd / Al 2 O 3 based catalyst calcined at various temperatures.
【図5】Pd/ZrO2 系触媒及びPd/Al2O3系触
媒の耐久試験の結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the results of a durability test of a Pd / ZrO 2 catalyst and a Pd / Al 2 O 3 catalyst.
【図6】Pd/ZrO2 触媒、Pd/3YSZ触媒及び
Pd/8YSZ触媒の初期活性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the initial activities of a Pd / ZrO 2 catalyst, a Pd / 3YSZ catalyst, and a Pd / 8YSZ catalyst.
【図7】Pd/ZrO2触媒、Pd/3YSZ触媒及び
Pd/8YSZ触媒の耐久試験の結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the results of endurance tests of a Pd / ZrO 2 catalyst, a Pd / 3YSZ catalyst, and a Pd / 8YSZ catalyst.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F01N 3/10 F01N 3/20 D 3/20 3/28 Q 3/28 301P 301 B01J 23/56 301Z ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI F01N 3/10 F01N 3/20 D 3/20 3/28 Q 3/28 301P 301 B01J 23/56 301Z
Claims (5)
る一次粒子空隙を0.01ml/g以上含有するセラミ
ックス材料を触媒担体とし、該触媒担体表面及び前記一
次粒子空隙内にパラジウムが高分散担持されていること
を特徴とするメタン酸化触媒。A ceramic material containing at least 0.01 ml / g of primary particle voids having a diameter of 100 ° or more and 1000 ° or less is used as a catalyst carrier, and palladium is highly dispersed and supported on the surface of the catalyst carrier and in the primary particle voids. A methane oxidation catalyst.
材料であることを特徴とする請求項1に記載されるメタ
ン酸化触媒。2. The methane oxidation catalyst according to claim 1, wherein the ceramic material is a zirconia-based material.
以下のイットリアを含む部分安定化ジルコニアであるこ
とを特徴とする請求項2に記載されるメタン酸化触媒。3. The method according to claim 1, wherein the zirconia-based material is 10 mol%.
The methane oxidation catalyst according to claim 2, which is partially stabilized zirconia containing the following yttria.
テトラアンミンパラジウム水酸塩を用い、含浸法により
前記触媒担体に担持されたものであることを特徴とする
請求項1、2又は3に記載されるメタン酸化触媒。4. The methane according to claim 1, wherein the palladium is supported on the catalyst carrier by an impregnation method using tetraammine palladium hydroxide as a palladium source. Oxidation catalyst.
wt%以上5.0wt%以下であることを特徴とする請
求項1、2、3又は4に記載されるメタン酸化触媒。5. The palladium has a supported amount of 0.5.
The methane oxidation catalyst according to any one of claims 1, 2, 3 and 4, wherein the content of the methane oxidation catalyst is not less than wt% and not more than 5.0 wt%.
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