JPH11508821A - NOx触媒及びこれを使用する方法 - Google Patents

NOx触媒及びこれを使用する方法

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Abstract

(57)【要約】 NOx減少組成物は、共通の耐火担体部材(10)の上にお互いに接近して、しかしお互いから隔絶されて分散されている、NOx減少触媒及びNOx収着媒物質を含んで成る。NOx収着媒物質は、塩基性酸素化金属化合物を含んで成りそして必要に応じてセリアを更に含んで成る。NOx減少触媒は、白金金属触媒成分を含む触媒金属成分を含む。一種以上の金属酸化物、金属炭酸塩、金属水酸化物及び混合された金属酸化物で良い触媒金属成分は、NOx収着媒物質から隔絶されている。少なくとも、触媒金属成分及びNOx収着媒物質は、分かれた粒子の上にあるか、又は分かれた粒子を構成しなければならない。これらの粒子は、混合されても良く又は担体部材(10)の上の分かれた層(20a、20b)の中に分散されても良い。NOx減少方法は、前記組成物を用いそして処理されているガスを薄い及び化学量論的に/濃い運転サイクルの間で周期的に調節することを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 NOx触媒及びこれを使用する方法 発明の背景 発明の分野 本発明は、広くはNOx減少に関し、殊に薄い(可燃性物混合比の低い)燃焼 の内燃エンジンの排気ガス中のNOx減少に関する。更に詳細には、本発明は、 NOxトラップ(収着剤物質)とNOx減少触媒との組み合わせを含んで成る新規 な組成物に関し、そしてこの組成物を使用する方法に関する。関連技術 内燃エンジンの排気ガスを処理するために触媒組成物、例えば三方転換触媒( “TWC触媒”)と普通には呼ばれるものを利用することは、当該技術において 良く知られている。このような触媒は、エンジンを化学量論的な空気/燃料条件 において又はこの条件近くで運転する場合には、排気ガス中の未燃焼炭化水素( “HC”)及び一酸化炭素(“CO”)の酸化と、窒素酸化物(“NOx”)の還元 との両方を成功裏に促進させることが見い出された。しかしながら、多くの今日 のエンジン、殊に乗用車及び類似の車のために使用されるガソリン燃料のエンジ ンは、燃料の経済性の一手段として少なくとも一部の時間は薄い条件下で運転す るように設計されている。即ち、エンジンに供給される燃焼混合物中の空気対燃 料の比を化学量論的な比よりも上に維持し、その結果、生成する排気ガスは“薄 く”、即ち、排気ガスは酸素含量が比較的高くそして 還元体、例えば、HC、CO及び/又は水素含量が比較的低い。 薄い燃焼エンジンは増大した燃料経済性を与えるけれども、それらは、慣用の TWC触媒がガス流れ中の汚染物のNOx成分を適切に減らすことができないと いう欠点を有する。この分野の技術は、薄い燃焼エンジンの排気ガスを処理する ために特別に設計された触媒を開発することに幾らかの努力を捧げてきた。一つ のこのような努力は、イタリアのローマのSocieta Chimica I talianaによって刊行されたイタリアのピサでの1995年5月1〜5日 の第一回世界会議の議事録、より良い世界と生活のための環境上の触媒作用とい う刊行物中に述べられている。この刊行物の45〜48頁に、Takahash iらによる“自動車の薄い燃焼エンジンの貯蔵及び還元触媒のための新しい概念 の3方触媒”という標題の論文(以下では“Takahashiらの論文”と呼 ぶ)がある。この論文は、支持体主にアルミナの上に貴金属主に白金、並びに種 々のアルカリ及びアルカリ土類金属酸化物主に酸化バリウム、並びに希土類酸化 物を含浸させることによる触媒の製造を開示している。これらの触媒は、実際の そして模擬の排気ガスのNOx精製のために用いられた。論文の47頁に、“N Ox貯蔵機構”、即ち触媒(白金)成分と一緒にNOx貯蔵化合物を用いる概念が 、図5中にグラフ的に示されかつパラグラフ3.1.1中で議論されているが、 NOx貯蔵化合物及び触媒成分の両方が共通の支持物質の上に分散されている。 “これらの触媒の上のNOx貯蔵化合物から貴金属を分離した時に、NOx貯蔵量 は劇的に減少した”ということが述べられている。パラグラフ3.1.1は、そ れ故、NOx貯蔵化合物及び白金触媒は、パラグラフ2(45頁)中に述べられ たそして図5中で図示された触媒製 造手順中に述べられたように、支持体例えばアルミナの同じインクレメントの上 に配置されていることによって密接に混合されていなければならない。 パラグラフ3.1の46頁において、酸化性及び還元性条件下で交互に、模擬 の排気ガスによって実施されるとして触媒の試験が述べられている。NOxは酸 化性条件下では触媒中に貯蔵されたという及び貯蔵されたNOxは次に化学量論 的かつ還元性条件下で窒素に還元されたという結論は、46頁の最後の文章から 引き出される。 Naoto Miyoshiらによる、Society of Automo tive Engineers,Inc.,Warrendale,Penns ylvaniaによって刊行され、そして自動車の薄い燃焼エンジンのための新 しい概念の三方触媒の開発 という標題のSAE論文950809が、1995年 2月27日〜3月2日のDetroit,Michiganでの国際会議及び展 示会において伝達された。上で述べたTakahashiらの論文と共通の著者 を有する、以下で“SAE論文”と呼ぶこの論文は、Takahashiらの論 文のものと実質的に同じであるが、それよりも一層詳細である開示を含む。SA E論文の123頁においては、NOx貯蔵物質として使用される元素の塩基性度 とNOx貯蔵容量との間の相関関係が、複素(complex)酸化物例えばY Ba2CU3Oy及びCuO−BaOによるNOx吸収であるとして議論されてい る。混合された酸化物の議論は、SAE論文の終わりに引用された参照文献の項 目6及び7に関して行われている。これらの参照文献は、K.Tabataらに よる、Chem.Lett.、1988、799〜802頁の“YBa2CU3O yによるNOガスの吸 収”、及びM.Machidaらによる、J.Chem.Soc.Chem.C ommum .1990、1165〜1166頁の“BaO−CuO二元系酸化物 中への吸収によるNO除去”である。SAE論文の125頁には、二つの触媒の 比較がある。一つの触媒は、(a)アルミナの一つのインクレメントの上に含浸 された貴金属及びアルミナの上に含浸されたNOx貯蔵成分を含んで成り、そし てもう一つの触媒は、(b)アルミナの同じインクレメントの上に含浸された貴 金属と貯蔵成分の両方を含んで成る。SAE論文は、触媒(a)は触媒(b)と 比較して非常に小量のNOxしか貯蔵しなかったことを述べ、そして“貯蔵量は 、貴金属が貯蔵成分の近くにある時に増加する”ことを結論している。 1993年4月13日にM.Funabikiらに発行された米国特許第5, 202,300号、“排気ガスの精製のための触媒”は、アルミナの上に分散さ れたパラジウム及びロジウム触媒金属成分、セリウム化合物、ストロンチウム化 合物、並びにジルコニウム化合物を含む活性層をその上に堆積させて有する耐火 支持体を含んで成る触媒組成物を開示している。(要約書を参照せよ)。この特 許は、アルミナ粒子をパラジウム及びロジウムによって含浸させること、そして 次に含浸されたアルミナを、ボールミル中で酢酸及び脱イオン水と一緒に硝酸セ リウム、酢酸ストロンチウム半水和物及び酢酸ジルコニルのような化合物と合わ せること、並びにこの混合物を破砕しかつ混合してスラリーを生成させ、このス ラリーを単一結晶の円筒状キン青石担体に付与することによる触媒の製造を開示 している。ストロンチウム化合物は酸性化された水の中で可溶化されそしてパラ ジウム及びロジウム触媒金属成分と一緒にアルミナ支持体粒子の中に含浸される ことを開示している、Funabik iらの特許の3〜5欄、殊に実施例1を参照せよ。上で述べたTakahash iら及びSAE論文と同様に、Funabikiらの実施例1も、アルカリ土類 金属化合物(Funabikiらの場合にはストロンチウム化合物)と、パラジ ウム及びロジウム触媒金属成分との両方を(アルミナ)支持物質の同じインクレ メントの中に含浸させる。しかしながら、Funabikiらの実施例2は、酢 酸ストロンチウムを水酸化ストロンチウムに置き換えているが、水酸化ストロン チウムの限定された溶解度は、それが、パラジウム及びロジウム含浸アルミナと 混合されて、完成生成物中でバルクの形に留まることを示唆する。 発明の要約 全体としては、本発明は、NOx収着媒物質及びNOx減少触媒を含む組成物を 提供し、そして後者は、白金触媒金属成分を本質的に含む一種以上の触媒金属成 分を含む。減少触媒は、必要に応じて、一種以上の他の白金族金属成分を含んで も良い。本発明の組成物は、触媒金属成分及びNOx収着媒物質が支持物質の同 じインクレメントの上には分散されていないという程度までは少なくとも、触媒 金属成分がNOx収着媒物質から隔絶されていることによって特徴付けられる。 好ましくは、NOx収着媒物質はバルク物質であり、そしてそれは、その上に分 散された触媒金属成分を何ら実質的に含まない。セリアがNOx減少のために効 果的でない限り、それは触媒金属成分ではないとは考えられ、そして本発明のあ る種の態様においては、セリアを、必要に応じて、NOx収着媒物質と合わせる ことができる。 詳細には、本発明に従って、ガス流れ中のNOx減少のための組成物であって 、この組成物が共通の耐火担体部材の上にお互いに接近して配 置されたNOx減少触媒及びNOx収着媒物質を含んで成る組成物が提供される。 このNOx減少触媒は、白金触媒金属成分から成る触媒金属成分を含んで成る。 この触媒金属成分は、第一耐火支持物質例えばアルミナの上に分散されている。 前記NOx収着媒物質は、少なくとも以下の程度までは、白金族金属触媒成分か ら隔絶されている少なくとも一種の塩基性酸素化金属化合物、例えば、酸化スト ロンチウム又は水酸化ストロンチウムを含んで成る。即ち、NOx収着媒物質が 耐火支持物質の上に分散されている時には、触媒金属成分及びNOx収着媒物質 は耐火支持物質の同じインクレメントの上には分散されていない。NOx収着媒 物質がバルクの形で存在する時には、触媒金属成分はバルクのNOx収着媒物質 の中に含浸されていない。 本発明の一つの面においては、触媒金属成分は、白金触媒金属成分に加えて少 なくとも一種のその他の白金族の金属触媒成分を更に含んで成る。 本発明のもう一つの面においては、NOx収着媒物質は、一種以上の金属酸化 物、金属炭酸塩、金属水酸化物又は混合された金属酸化物から成る群から選ばれ る。必要に応じて、NOx収着媒物質は、セリア例えばバルクのセリアを更に含 んで成ることができる。 本発明のなおもう一つの面は、NOx収着媒物質が一種以上のタングステン酸 ストロンチウムバリウム、ニオブ酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ストロン チウム、ジルコン酸バリウム、ケイ酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムバリ ウムから成る群から選ばれた混合された金属酸化物を含んで成ることを提供する 。 本発明のもう一つの面においては、NOx収着媒物質は、一種以上の 金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩、及び混合された金属酸化物から成る群 から選ばれ、そして金属酸化物、金属水酸化物及び金属炭酸塩の金属、並びに混 合された金属酸化物の金属の少なくとも一種が、リチウム、ナトリウム、カリウ ム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバ リウムから成る群から選ばれる。 本発明の一つの面は、NOx減少触媒をNOx収着媒物質と混合させることを提 供する。本発明のもう一つの面は、NOx減少触媒を耐火担体部材の上の第一の 別個の層として配置し、そしてNOx収着媒物質を耐火担体部材の上の第二の別 個の層として配置することを提供する。本発明のなおもう一つの面は、第一の別 個の層(NOx減少触媒)が担体部材の上に配置された下層を含んで成り、そし て第二の別個の層(NOx収着媒物質)が下層の上に重ねられた上層を含んで成 ることを提供する。いずれにしても、これらの別個の層は、お互いに直接接触し ても良く、又は介在層例えばアルミナが、これらの二つの別個の層の間に挿入さ れても良い。 本発明のまだその他の面は、一以上の以下の特徴を提供する:NOx減少触媒 は、白金触媒金属成分に加えて、一種以上の他の白金族金属触媒成分を含んで成 ることができる;耐火支持物質は、耐火金属酸化物を含んで成ることができる; そしてNOx収着媒物質は、一種以上のマグネシウム、カルシウム、ストロンチ ウム及びバリウムの酸化物から成る群から選ばれた金属酸化物を含んで成ること ができる。 本発明のなおもう一つの面は、例えばキン青石から作られた耐火担体がそれを 通って延びる複数のガス流れ通路を有する本体を含んで成り、通路が通路の壁に よって規定されていて、そしてNOx減少触媒及びN Ox収着媒物質、例えば、第一及び第二層が通路の壁の上に配置されていること を提供する。 本発明のまだもう一つの面は、耐火担体がガス透過性容器内に保留された一群 の担体ビーズを含んで成ることを提供する。このような場合には、NOx減少触 媒及びNOx収着媒物質、例えば、第一及び第二層を、第一層が担体ビーズの一 つのインクレメントの上に配置されそして第二層が担体ビーズの第二のインクレ メントの上に配置され、担体ビーズの第一及び第二インクレメントを容器内で混 合するようにして、配列することができることを提供する。その代わりに、第一 及び第二層を担体ビーズの同じインクレメントの上に配置することもでき、又は NOx減少触媒及びNOx収着媒物質もまた担体ビーズの同じインクレメントの上 で混合させることもできる。 本発明の方法面によれば、NOxを含むガス流れを上で規定したようなNOx減 少組成物と接触させることを含んで成るNOx減少の方法が提供される。この方 法は、薄いそして化学量論的に/濃い条件の間のガス流れの組成物を周期的に調 節し、それによって薄い運転条件期間及び化学量論的に/濃い運転条件期間を交 互させることを可能にすること、並びに化学量論的に/濃い運転条件期間の間に NOx減少条件を維持して、それによって薄い運転期間の間にNOx減少触媒がN Ox収着媒物質によるNOxの収着を促進しそして濃い運転期間の間にNOx減少 触媒がNOxの窒素への還元を促進することを含む。 本明細書中でそして請求の範囲中で使用する時には、以下の語は、単数又は複 数形のどちらで使用しても、指示する意味を有する。 本明細書中でのそして請求の範囲中でのNOx減少触媒及びNOx収着 媒物質が“共通の耐火担体部材の上にお互いに接近して”いるという言及は、N Ox減少触媒及びNOx収着媒物質がお互いに混合されているか、又は同じ担体部 材の上に、それぞれの重ねられた層の中に配置されていることを意味する。 成分、例えばセリア又はNOx収着媒物質が“バルク”成分として述べられて いる時には、これは、その成分がその固体粒子として存在することを意味する。 これらの粒子は、通常は、少なくとも90%の粒子が径で約5〜15ミクロンで あるという程度に、非常に細かい。“バルク”という語は、成分の溶液又はその 他の液状分散液から支持物質の中に含浸させることによって耐火支持物質の上に 成分が“分散されている”状況から区別することを意図している。例えば、耐火 支持物質として使用される活性アルミナ(主にγ−アルミナ)を、アルミナの粒 子を可溶性セリウム化合物の溶液例えば硝酸セリウムの溶液によって含浸させる ことによって、TWC及びその他の触媒組成物における熱分解に対して安定化さ せることは、当該技術において良く知られている。含浸の後で、アルミナ粒子を 乾燥させそして空気中で焼成して、含浸された硝酸セリウムをセリアに転換させ る。生成するセリアは、かくして、アルミナの固体粒子の表面層の上にそして、 その程度が多かれ少なかれ、表面層内に“分散されている”。分散されたセリア はバルクの形では存在しない。何故ならば、バルクのセリアはセリアの細かい固 体粒子から成るからである。 耐火支持物質の“一つの同じインクレメント”又は“複数のインクレメント” の上に分散されていない成分への言及は、複数の成分が耐火支持物質の同じ粒子 の上に分散されていないことを単に意味する。例えば、 触媒金属成分が一つのバッチのアルミナ粒子の上に分散されていて、そしてNOx 収着媒物質が第二の異なるバッチのアルミナ粒子の上に分散されている状況を 考えよ。この状況は、触媒金属成分及びNOx収着媒物質がアルミナの“異なる インクレメント”の上に分散されているという結果をもたらすであろう。この状 況は、例えば、上で述べたFunabikiらの米国特許第5,202,300 号中に述べられたものとは異なる。この米国特許の実施例1の手順に従うと、パ ラジウム及びロジウム触媒金属成分をアルミナ粒子の上に分散させ、そしてその 後でストロンチウム化合物(並びにその他の化合物)を、それらの上にパラジウ ム及びロジウム触媒成分が分散されている同じアルミナ粒子の上に分散させる。 この場合には、白金/ロジウム及びストロンチウム化合物がアルミナの同じイン クレメントの上に分散されている。 “触媒金属成分”への言及は、金属が元素又は合金又は化合物例えば酸化物と して存在するかのいずれかで、そしてガス流れ中でNOx減少を接触するために 効果的である触媒金属例えば白金族金属を意味する。 “白金族金属”という語は、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリ ジウム及びオスミウムを意味しそしてこれらを含む。 “ウオッシュコート”という語は、耐火担体物質例えばハニカムタイプの担体 部材に付与された触媒の又はその他の物質の薄い接着性コーティングであって、 そして処理されているガス流れのそれを通っての通過を可能にするために多孔性 であるコーティングという当該技術におけるその通常の意味を有する。 “化学量論的に/濃い”という語は、処理されているガス流れの条件に関して 使用され、そしてガス流れの化学量論的なそして濃い運転条件 を集合的に指す。 “ガス流れ”という語は、伴出される非ガス状成分例えば液滴、固体粒子及び 類似物を含む可能性がある、ガス状構成要素、例えば内燃エンジンの排気ガスの 流れを意味する。 “混合された金属酸化物”という語は、バイメタルの又はマルチメタルの酸素 化合物、例えばBa2SrWO6を意味する。これらの化合物は、本当の化合物で ありそして二種以上の個々の金属酸化物の単なる混合物例えばSrO及びBaO の混合物を包含する意図はない。 図面の簡単な説明 図1は、本発明の一つの態様に従うハニカムタイプの耐火担体部材から成る触 媒/トラップ組成物の斜視図であり、 図1Aは、図1に対して拡大しそして図1の担体の端面に対して平行な面に沿 って取った部分断面図であり、 図1Bは、図1A中に示したガス流れ通路の一本の、図1Aに対して拡大した 図であり、 図1Cは、本発明の一つの態様に従う複数の担体ビーズがその内部に配置され ているガス透過性容器から成る担体本体の断面略部分図であり、 そして 図2〜12は、(図2Aを除いて)本発明のある種の態様のためのそしてある 種の比較組成物のための、NOx除去 - 対 - 試験されている組成物への入り口 でのガス流れ温度から成る試験データをプロットしている種々のグラフを示し、 そして図2AはNOx除去対時間をプロットしている。 発明の詳細な説明及びその特定の態様 先行技術の幾つかの教示、例えば、上で述べたTakahashiら及びSA E論文中の議論とは対照的に、ガス流れ中のNOxの減少のための極めて効果的 でかつ耐久性の組成物が、NOx収着媒物質、及び一種の白金触媒金属成分を本 質的に含む一種以上の触媒金属成分を含んで成り、その中ではNOx収着媒物質 が一又は複数の触媒金属成分と接近しているがしかし隔絶されている組成物によ って提供されることが驚くべきことに見い出された。本発明の一つの態様におい ては、一又は複数の触媒金属成分と一又は複数のNOx収着媒物質との両方を、 支持物質例えば活性アルミナの異なるそれぞれのインクレメント(increm ent)又はバッチの上に分散させる。この態様においては、NOx収着媒物質 を耐火支持物質の第一バッチの上に分散させて“支持されたNOx減少物質”を 与え、そして触媒金属成分を耐火支持物質の第二バッチの上に分散させる。分散 された又はバルクのどちらかの形のセリアは、三方転換触媒の酸素貯蔵成分とし てしばしば使用され、そしてそれ故NOx減少触媒の一つの成分で良いけれども 、NOx減少触媒は、このような場合にはまた、NOx減少のために効果的な他の 触媒金属成分も必ず含む。 増加したNOx収着及び放出特性を与えると信じられる故に好ましい、本発明 のもう一つの態様においては、NOx収着媒物質は、バルクの形で、即ち、NOx 収着媒物質の別々の微粒子として与えられ、“バルクのNOx収着媒物質”を与 える。この態様においては、本発明の組成物は、触媒金属成分が含浸された耐火 支持物質例えば活性アルミナの粒子、及びNOx収着媒物質の粒子を、即ちバル クの形で、含んで成る。 二つの上で述べた本発明の態様のどちらを用いても、どちらの態様も、 NOx減少触媒及びNOx収着媒物質の混合物として、又はNOx減少触媒及びN Ox収着媒物質の別々の層として用いることができる。減少触媒と収着媒物質と の必要な隔絶は、NOx減少触媒と、支持されたNOx収着媒物質又はバルクのN Ox収着媒物質のどちらかとの混合物中で達成される。何故ならば、両方の場合 とも、触媒金属成分は、NOx収着媒物質をまた支持しない支持物質の粒子の上 に支持され、そしてNOx収着媒物質は何ら触媒金属成分を支持しないからであ る。勿論、NOx収着媒物質を、支持されたもの又はバルクのいずれでも、NOx 減少触媒の第二の別個の層から離れた別個の層の中に配置する時には、なおより 高い程度の隔絶が達成される。隔絶の程度は、減少触媒と支持物質の層の間に中 間のウオッシュコート層を配置することによって更に増加させることができる。 しかしながら、(1)NOx減少触媒と(2)NOx収着媒物質との過剰な程度の 隔絶、例えばガス流れに直列に分散されたそれぞれの離れた担体部材の上に(1 )及び(2)を堆積させることによって達成される隔絶は、非常に乏しい結果を もたらすことが見い出された。それ故、隔絶された成分(1)及び(2)を、本 発明に従って、共通の担体部材の上にお互いに近く配置する。 特定の態様においては、本発明の組成物は、耐火担体部材例えば適切な材料例 えばキン青石から作られた単一体から成り、そして部材の入り口面から出口面へ とそれを通って延びる複数の細い平行なガス流れ通路を有するハニカムタイプの 部材を含んで成ることができる。これらの細いガス流れ通路を規定する壁は、N Ox減少触媒及びNOx収着媒物質の微粒子の混合物を含んで成るウオッシュコー トによって当該技術において良く知られたやり方でコートすることができ、又は 前記壁は、NOx 減少触媒のそれぞれの別個の層及びNOx収着媒物質のそれぞれの別個の層によ ってコートすることができる。好ましくは、NOx減少触媒を担体の上の第一又 は下層として配置し、そしてNOx収着媒物質を下層の上に重ねられた第二上層 として配置する。必要に応じて、これらの二層は、中間層、例えばアルミナ、ジ ルコニア、セリア、チタニア又はその他の適切な耐火金属酸化物の一種以上の中 間層によって分離することができる。その代わりに、これらの二層はお互いに“ 直接接触”していることができ、これは、それぞれの触媒及び収着媒物質層の間 にもう一つの材料の介在層が存在しないことを意味する。 図1は、円筒状外部表面12、一つの端面14、及び端面14と同一であり図 1中では見えない反対端面を有する全体として円筒状の形の耐火担体部材を10 として全体として示す。外部表面12と反対端面とのその周縁エッジ部分での接 合部を、図1中で14’として示す。担体部材10は、拡大された図1A中でよ り良く見られる、その中に形成された複数の細い平行なガス流れ通路16を有す る。ガス流れ通路16は、壁18によって形成され、そして担体の端面14から 反対端面へと担体10を通って延び、そして通路16は、流体の流れ、例えば、 ガス流れを担体のガス流れ通路16を経由して担体10を通って縦方向に可能に するために遮られていない。図1A及び1Bに見られるように、壁18は、ガス 流れ通路16が実質的に規則的な多角形、図示した態様においては実質的に四角 形を有するが、J.C.Dettlingらに対して1982年6月15日に発 行された米国特許第4,335,023号に従って丸められたコーナーを有する 。当該技術においてそして以下で時々“ウオッシュコート”と呼ぶ層20は、壁 18に接着されていてそし て、図1B中に示すように、NOx減少触媒及びNOx収着媒物質の混合物を含ん で成る単一層から成ることができる。その代わりに、図1B中に図示したように 、層又はウオッシュコート20は、第一の別個の層又は下層20a、及び第一層 20aの上に重ねられた第二の別個の層又は上層20bから成ることもできる。 第一層又はウオッシュコート20aは、好ましくは、NOx減少触媒から成り、 そして第二層又はウオッシュコート20bは、好ましくは、NOx収着媒物質か ら成りそして層20aの上に重ねられている。しかしながら、層の配列を逆にす ることもでき、すると第一層20aはNOx収着媒物質から成り、そして第二層 20bはNOx減少触媒から成る。説明の目的のために、層20、20a及び2 0bの厚さは図1A及び1B中では誇張されている。 図1〜1B中に示すように、ハニカムタイプの担体部材は、ガス流れ通路によ って与えられた空隙空間を含み、そしてこれらの通路の断面積及び通路を規定す る壁の厚さは、一つのタイプの担体部材からもう一つのものへと変化する。同様 に、このような担体に付与されるウオッシュコートの重量も、ケースからケース へと変化する。結果として、組成物のウオッシュコート又は触媒金属成分又はそ の他の成分の量を述べる際には、触媒担体の単位体積あたりの成分の重量の単位 を使用することが好都合である。それ故、立方インチあたりのグラム数(“g/ in3”)及び立方フィートあたりのグラム数(“g/ft3)という単位を、担 体部材の空隙空間の体積も含む担体部材の体積あたりの成分の重量を意味するた めに本明細書中で使用する。 担体部材の端面の単位表面積あたりのガス流れ通路の密度は、本明細書中では 、平方インチあたりのセル(通路)の数、即ち“cpsi”と して表す。 一般に、NOx収着媒物質は、少なくとも一種の塩基性酸素化(塩基性の酸素 化された)金属化合物を含んで成りそして、上で示したように、耐火支持物質例 えば活性アルミナの上に分散させることもでき、又はバルクの形で、即ち、塩基 性酸素化金属化合物の微粒子として存在することもできる。本明細書中でそして 請求の範囲中で使用する時には、“酸素化金属化合物”は、他の元素を含んでも 良いし又は含まなくても良い、金属及び酸素の化合物を意味する。例えば、塩基 性酸素化金属化合物は、一種以上の金属酸化物、金属炭酸塩、金属水酸化物又は 混合された金属酸化物を含んで成ることができる。このような化合物の金属(混 合された酸化物の場合には金属の少なくとも一つ)は、好ましくは、リチウム、 ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ス トロンチウム及びバリウムの一種以上から成る群から選ばれる。酸化ストロンチ ウムが殊に有用なNOx収着媒物質であることが見い出された。NOx収着媒物質 は、意図された用途のために適切な収着を与えるように計算された量で存在する であろう。塩基性金属酸素化化合物の典型的な量は約0.05〜3g/in3で あろう。 NOx収着媒物質は、必要に応じて、硫黄化合物収着媒例えばセリアを、バル クのセリアとして又はNOx収着媒物質の粒子の中に分散されたセリアとして含 むことができる。後者の場合には、NOx収着媒物質を、可溶性セリウム塩例え ば硝酸セリウムの溶液によって含浸させ、そして次に乾燥させそして空気中で加 熱して硝酸セリウムを酸化セリウム(セリア)に転換させることができる。バル ク又は分散された形のどちらかで存在する時には、セリアは、担体部材をNOx 収着媒物質のウオッ シュコートによってコートすることを容易にし、そしてまた硫黄酸化物がセリア の上に優先的に収着されるので、NOx収着媒物質を含んで成る塩基性酸素化金 属化合物が、処理されているガス流れ中に存在する可能性がある硫黄酸化物によ って被毒されることから保護することが見い出された。かくして、NOx収着媒 物質は、有利には、約0.1〜100:1のセリア対NOx収着媒物質の重量比 でセリアを含んで良い。典型的には、セリアは、CeO2として、約0.05〜 1.0g/in3の量で組成物中に存在して良い。NOx収着媒物質はまた、NOx 収着媒物質の担体部材への接着を増進するためにバインダー例えばアルミナも 含むことができる。 NOx減少触媒は、適切な還元剤、内燃ガソリンエンジンからの排気ガスを処 理する場合には通常は炭化水素又はCOの存在下でNOxの還元を接触するであ ろう任意の触媒を含んで成ることができる。何ら特別な理論によって拘束される ことを意図すること無しに、本発明のNOx減少触媒の白金触媒金属成分は、少 なくとも一部の薄い(可燃性物混合比の低い)相の操作の間のNOx収着媒物質 によるNOxの収着を促進することを含む多数の機能を果たすと信じられる。濃 い(可燃性物混合比の高い)相の操作の間にNOxの還元を接触することに加え て、白金触媒金属成分はまた、少なくとも一部の薄い相の操作の間に幾らかのN Ox還元を接触すると信じられる。 NOx減少触媒は、白金触媒金属成分及び、必要に応じて、一種以上の他の白 金族金属触媒成分を含む適切な触媒を含んで成ることができる。典型的には、こ れらは、一種以上のロジウム及びパラジウムを含むであろうけれども、その他の 白金族金属成分もまた用いることができる。本 発明に従う利用のための適切なNOx減少触媒は、耐火支持体の上に分散された 白金成分を含む一種以上の白金族金属成分を通常は含む慣用的なTWC触媒であ る。耐火支持体は、典型的には、耐火金属酸化物例えば活性アルミナである。T WC触媒はまた、バルクセリア又は塩基(base)金属酸化物例えばニッケル 、鉄、マンガン若しくは銅の酸化物を含んで良い所謂酸素貯蔵成分も含むことが できる。本発明の典型的な組成物においては、存在する白金族金属の量は、約5 〜150、好ましくは約20〜80g/ft3である。その量の中で、白金は、 典型的には、約4〜125g/ft3、好ましくは約17〜67g/ft3を構成 する。 本発明に従って触媒組成物を製造する典型的な方法は、適切な耐火担体部材例 えばキン青石ハニカム担体のガス流れ通路の壁の上に第一コーティング又は層と してNOx減少触媒を賦与することである。当該技術においては良く知られてい るように、これは、微粒子の活性アルミナに一種以上の触媒金属成分例えば白金 又は白金とロジウムを含浸させること、含浸された活性アルミナ粒子を乾燥させ そして焼成させること、及びバルクセリアの粒子と一緒のこれらの粒子の水性ス ラリーを生成させることによって達成することができる。(本明細書中で使用す る時には、“活性アルミナ”という術語は、主にγ−アルミナ(ガンマア)から 成る、例えばα−アルミナ(アルファア)と比較して比較的高い表面積のアルミ ナの、当該技術におけるその通常の意味を有するけれども、その他の相例えばη −アルミナ(エータ)もまた存在することができる)。当該技術においては良く 知られているように、活性アルミナを、それを、例えば、バリウム、ランタン、 希土類金属又はその他の既知の安定剤前 駆体の可溶性塩の溶液によって含浸させること、及び含浸された活性アルミナを 焼成させてアルミナ上に分散された安定化金属酸化物を生成させることによって 、最初に熱的に安定化させてしまうことができる。塩基金属触媒もまた、例えば 、硝酸ニッケルの溶液をアルミナ粒子中に含浸させること、及び焼成させてアル ミナ粒子中に分散された酸化ニッケルを与えることによって、活性アルミナ中に 含浸させてしまうこともできる。 次に、担体部材を含浸された活性アルミナのスラリーの中に浸け、そして過剰 のスラリーを除去して担体のガス流れ通路の壁の上にスラリーの薄いコーティン グを与えることができる。次に、コートされた担体を、乾燥させそして焼成させ て、担体の通路の壁にNOx減少触媒の接着性コーティングを与える。次に、担 体を、塩基性酸素化金属化合物の微粒子のスラリー中に、例えば、バルクの酸化 ストロンチウムの微粒子の水性スラリー中に浸けることができ、そしてNOx収 着媒物質の第二又は上層コーティングを、かくして、第一又は下層のNOx減少 触媒の上に堆積させる。次に、前記部材を、乾燥させそして焼成させて、本発明 の一つの態様に従って完成触媒組成物を提供する。 その代わりに、触媒成分によって含浸されたアルミナ粒子を、水性スラリー中 のNOx収着媒物質のバルク又は支持された粒子と混合させることができ、そし てNOx減少触媒粒子及びNOx収着媒物質粒子のこの混合されたスラリーを、担 体部材のガス流れ通路の壁へのコーティングとして付与することができる。 本発明のもう一つの態様においては、耐火担体部材は、NOx減少触媒及びN Ox収着媒物質によってコートされた適切な耐火材料例えばγ −アルミナから作られた一群のビーズ、ペレット又は粒子(集合的に“担体ビー ズ”と呼ぶ)を含んで成ることができる。一群のこのような担体ビーズは、それ を通る排気ガスの通過を可能にする適切な穴あき容器内に含めることができる。 図1Cは本発明のこのような態様を示し、この態様においては、担体部材10’ は、それら内に穴22aの規則的なパターンが形成されている壁22によってす べての側面で閉じられた穴あき金属容器11から成る。容器11の内部は、それ らの上にNOx減少触媒及びNOx収着媒物質が堆積されている複数の担体ビーズ 24が充填されている。図1C中に図示した部材10’は、当業者には良く知ら れているように、部材10’を通って処理されているガス流れの流れを、番号無 しの矢印によって図1C中に示したように向けるために設計された構造体(図示 しない)内に含まれるであろう。本発明の一つの態様においては、担体ビーズ2 4の一部、例えば、約半分がそれらの上にコートされたNOx減少触媒を有する ことができ、そして残りの部分がそれらの上にコートされたNOx収着媒物質を 有することができる。担体ビーズ24の二つの異なるインクレメント(incr ements)を、NOx減少触媒及びNOx収着媒物質が容器11の内部の至る 所で多かれ少なかれ均一に分配されるように完全に混合する。もう一つの態様に おいては、担体ビーズの同じインクレメントを、NOx減少触媒及びNOx収着媒 物質の両方によって、好ましくはそれらの別個のそれぞれの層で、そして最も好 ましくはNOx減少触媒の層の上に重ねられたNOx収着媒物質の層によってコー トすることができる。 何ら特別な運転の理論によって拘束されることを欲しないが、処理されるべき ガス流れ、例えば、エンジン排気ガスが薄い時には、ガス流れ 中に含まれるNOxはNOx収着媒物質の上に収着され、それによって大気に排出 される流れから収着されたNOxを除去すると信じられる。白金触媒成分はこの ような収着を促進すると信じられる。この薄い収着は薄い運転期間の間に起こり 、そしてこの期間は、排気ガスを発生しているエンジンに供給される燃焼性混合 物の空気−対−燃料の比を減らすことによって、又は適切な還元剤例えば炭化水 素を排気ガス流れの中に直接導入することによって達成することができるように 、ガス流れを濃くすることによって終結される。ガス流れ中の炭化水素又はその 他の適切な還元剤は、NOx収着媒物質から収着されたNOxを追い出し、そして 追い出されたNOxは、還元剤の存在下でそしてさもなければNOxが還元される ような条件(適切な高い温度)下でNOx減少触媒に接触する。NOxの幾らか又 はすべてを、窒素に又は窒素及びN2Oに還元することができる。 本発明の方法面に従って、排気ガスを薄いそして化学量論的に/濃い運転条件 の間で交互に調節し、薄い運転期間と化学量論的に/濃い運転期間とを交互させ ることを与える。処理されているガス流れ例えば排気ガスを、排気ガスを発生し ているエンジンに供給される空気−対−燃料の比を調節することによって、又は 触媒よりも上流でガス流れの中に還元剤を周期的に注入することによって選択的 に薄く又は化学量論的に/濃くすることができることが理解されるであろう。例 えば、本発明の組成物は、連続的に薄く走るジーゼルエンジンの排気ガスを処理 するために良く適している。このような場合には、化学量論的に/濃い運転期間 を確立するために、適切な還元剤例えばジーゼル燃料を、本発明の触媒組成物の すぐ上流で排気ガス中に噴霧することができる。このようなジ ーゼル燃料導入は、排気ガスの薄いそして化学量論的に/濃い期間を交互させる ために、周期的に実施されるであろう。処理されている排気ガス(又はその他の ガス流れ)の総合的条件が例え薄い場合でも、化学量論的に/濃い局部的な条件 を、触媒組成物にそしてそれ内に周期的に課すことができる。 薄い運転期間の間には、NOxはNOx収着媒物質によって収着され、そしてこ のような収着は約150℃〜約600℃の温度で起こり得る。収着されたNOx は、化学量論的に/濃い運転期間及び/又は高温期間の間に脱着される。化学量 論的に/濃い運転期間の間のNOxの還元は、NOx減少条件下で、典型的には約 200℃〜約800℃の温度で反応物とNOx減少触媒との接触によって促進さ れる。ガソリンに関しては、化学量論的な空気−対−燃料の重量比(“A/F” )は14.6である。実際のA/F対化学量論的なA/Fの比を記号化するため に、通常はラムダ(λ)を使用する。それ故、λ=1は化学量論的なA/Fであ り、λ>1は薄くそしてλ<1は濃い。ガソリン燃料のエンジンの薄い運転は、 通常はλ=約1.03〜1.30においてである。 以下の実施例は本発明の特定の態様の製造及び試験を例示する。白金族金属触 媒成分は、本発明の教示に従って、NOx収着媒物質から隔絶されていることが 注目されるであろう。以下の試験手順を用いた。試験手順A 触媒を以下のように試験した。250ppmのNO、333ppmのプロピレ ン(1000ppmのC1と当量)、10%のスチーム、10%のO2、50pp mのSO2及び残りの窒素から成り、4対1のC1対NOxの比を与える供給流れ を、予め空気中で100℃に加熱した触媒 を通して、25,000/hの空間速度で流した。次に、温度を10℃/分の速 度で600℃の温度まで傾斜上昇させ(ramped up)、そして出口ガス をNOx含量に関して試験した。NOx除去対温度のプロットを示す図においては 、NOx除去量は、正味の(1)無害のガス(N2及びN2O)に転換されたそし てNOx収着媒物質によって収着されたNOx、引く(2)NOx収着媒物質から 脱着されたNOxである。NOx除去の量は、入り口ガス中に存在する全NOxの パーセントとして表される。負のパーセントは、収着剤物質からガス流れ中への NOxの正味の放出を示す。 実施例1 A. 18.2重量%のPtを含む11gの可溶性白金塩を、55mlの脱イ オン水の中に溶かした。生成する白金塩溶液を、1gあたり150平方メートル (m2/g)のBET(Brunnauer−Emmett−Teller)表 面積を有する100gのγ−アルミナを含浸するために使用した。この白金塩溶 液を、連続的に混合しながら添加して、2重量%(乾燥基準)のPtを含む含浸 されたアルミナを生成させた。サンプルを約30分ボールミル粉砕し、それに引 き続いて5gの酢酸を混合物中に添加してアルミナ表面の上にPtを固定した。 次に、この混合物を脱イオン水によってスラリー化して45%固体のスラリーを 作り、そしてこのスラリーを、粒子の90%の粒子サイズが径で10ミクロン未 満となるまでボールミル中で更に粉砕した。生成するスリップをスリップAと名 付ける。 B. 径が1.5インチで長さが3.0インチの寸法のそして1平方インチあ たり400のセル(“cpsi”)を含む円筒状キン青石担体 部材の上に、スリップAをコートした。コートされた担体部材を、次に、100 ℃で乾燥させそして550℃で2時間焼成すると、2g/in3の焼成触媒及び 70g/ft3のPt負荷量のウオッシュコート重量が得られた。生成した触媒 部材は、比較の白金含有減少触媒を与えそして触媒C−1と名付けられた。 実施例2 A. 250gの量の実施例1のパートA中で使用したのと同じタイプのアル ミナを、750gの酸化ストロンチウム(SrO)粉末、即ち、バルクのSrO と完全に混合した。このSrO−Al23混合物を、混合しながら2000gの 脱イオン水にゆっくりと添加した。この混合物を氷浴の中に保持して、添加した 脱イオン水が沸騰するのを防止し、そして混合を続けてSrO−Al23混合物 を室温にした。次に、150gの酢酸(スラリー重量を基にして5%)、引き続 いて150gのNyacol Al−20アルミナバインダー(乾燥固体重量を 基にして5.1%)をこの混合物に添加した。混合を更に15分間続けた。生成 したスラリーをボールミルジャーの中に入れ、そして粒子の90%の粒度が10 ミクロン未満になるまで一晩ボールミル粉砕した。固体レベルを脱イオン水によ って36%固体に調節した。生成した収着剤物質(又はトラップ)スラリーをス リップT−1と名付ける。 B. 実施例1の触媒部材C−1を、この実施例2のパートAにおいて得られ たスリップT−1によってコートした。次に、コートされた部材を、100℃で 乾燥させそして550℃で2時間焼成して、触媒C−1のPt/Al23層(今 や下層)の上に重ねられた1g/in3のウオッシュコート上層を生成させた。 生成した組成物は、白金含有減少触 媒下層の上に重ねられたバルクの酸化ストロンチウム収着物質から成る本発明の 態様を与え、そして触媒E−1と名付けられた。 C. 慣用の商業的に入手できる三方触媒は、5対1のPt:Rhの重量比で Pt及びRhから成る70g/ft3の貴金属配合量を有する。触媒貴金属を活 性アルミナの上に分散させると、触媒は2g/in3のウオッシュコート負荷量 (アルミナ+Pt及びRh)を有する。この触媒を乾燥させそして450℃で焼 成した。この実施例2のパートAにおいて得られたスラリーT−1をTWC触媒 の上にコートして、100℃で乾燥させそして550℃で2時間焼成した後で、 Pt/Rh/Al23下層の上に重ねられた1g/in3の収着剤物質上層ウオ ッシュコートを生成させた。生成した組成物は、白金及びロジウム含有TWC触 媒から成る下層の上に重ねられたバルクの酸化ストロンチウム収着剤物質から成 る本発明の態様を与え、そして触媒E−2と名付けられた。 D. 試験手順Aの下での試験触媒C−1、E−1及びE−2の結果を、図2 中で比較するが、図2は、比較触媒C−1は何らNOx収着を示さず、そして試 験触媒への入り口でのガス流れの約200℃の温度で最大のNOx減少を伴う幾 らかのNOx転換を示す。(図2〜12(図2Aも含む)中に示したすべての温 度は、試験されている触媒部材への入り口での試験ガス流れの温度である。NOx 収着及び放出の事柄が起きる温度へのこのそして以下の実施例における言及は 、このようなガス流れ入り口温度に対してであり、時々単に“入り口温度”と呼 ばれる)。比較触媒C−1の非常に乏しい性能とは対照的に、本発明の態様から 成る触媒E−1及び触媒E−2は、約200℃の入り口温度でNOxの減少を、 そして100〜150℃の入り口温度で20%のNOx収着を、 並びに250〜400℃の入り口温度領域における高い収着効率を示した。最大 のNOx収着は、300℃の入り口温度で約60%であった。400℃よりも高 い入り口温度では、400と550℃の間の負のNOxピークによって示される ようにNOxが放出された。触媒C−1(Pt/Al23)と触媒E−1(Pt /Al23の上にコートされたSrO)及びE−2(TWC触媒の上にコートさ れたSrO)は、比較触媒C−1と比較してSrOコート触媒E−1及びE−2 のNOx収着容量における増加を示す。 E. 触媒E−1を、実験用反応器中の供給物の組成を(1)濃いと(2)薄 いとの間をサイクルさせることから成る試験手順に従って試験した。試験ガスは 、250ppmのNO、333ppmのC36(1000ppmのC1)、50 ppmのSO2及び2%のスチームを含んでいて、そして供給物中の酸素濃度を ゼロ(濃い条件)から10%(薄い条件)へと変えながら、25,000/hr の空間速度で触媒を通して流された。400cpsiを有し、径が3/4インチ で長さが1インチの寸法の、しかしそれ以外は触媒E−1と同一の円筒状キン青 石担体部材に関して試験を実施したが、それ故この実施例もまた触媒E−1と名 付けられる。370〜390℃の入り口温度にて2サイクルそして470〜50 0℃の入り口温度にて1サイクルでもって、サイクルを繰り返した。結果を図2 A中に提示するが、この図は、薄い条件ではそして370〜390℃及び470 〜500℃の触媒入り口温度では、NOxは薄いサイクルの間に収着されたこと を示す。約10分後に、O2流れをN2によって置き換えること及び空間速度を固 定して保持することによって、条件を薄いから濃いへと変化させた。供給物を濃 いへと転換した瞬 間に、一部の収着されたNOxがNOxとして放出され、そして顕著な量が無害な ガスへと還元された。 実施例3 204gの量のSr(NO32を226mlの脱イオン水の中に溶かし、そし て生成した溶液を500gのγ−アルミナ粉末に添加した。このようにして含浸 された粉末を、100℃で乾燥させそして550℃で2時間焼成しそして冷却せ しめた。200gの量のSrO含浸されたアルミナを、10gの酢酸を含む22 6mlの脱イオン水の中でスラリー化し、そしてこの混合物を90%の粒子サイ ズが10ミクロン未満になるまでボールミル粉砕した。生成したSrO/Al2 3スラリーを実施例1の触媒C−1のサンプルの上にコートした。次に、コー トされた触媒を、100℃で乾燥させそして550℃で2時間焼成して、1g/ in3の上層を生成させた。生成した組成物は、触媒C−1の下層の上に重ねら れた分散(バルクではない)SrO収着物質上層から成る本発明の一つの態様を 与え、そして触媒E−3と名付けられた。 触媒E−3を試験手順Aに従って試験したが、結果を図3中に与える。図3は 、NOx除去は約240℃の入り口温度でピークを有して達成され、そして脱着 されたNOxの放出は約420℃の入り口温度で達成されたことを示す。 実施例4 198gの量のSr(OH)2を、バインダーとして実施例1において使用し たのと同じタイプの25gのアルミナと混合させ、そして次に100mlの脱イ オン水によってスラリー化し、そして90%の粒子の粒子サイズが10ミクロン 未満の径を有するようになるまでボールミル 粉砕した。次に、このスラリーを実施例1の触媒C−1のサンプルの上にコート した。Sr(OH)3及びAl23スラリーを、触媒C−1のPt/Al23下 層の上にコートした。次に、サンプルを、100℃で乾燥させそして550℃で 2時間焼成して、0.7g/in3の上層を生成させた。生成した触媒は、白金 含有減少触媒の上に重ねられたバルクの水酸化ストロンチウム収着物質層から成 る本発明の一つの態様を与え、そして触媒E−4と名付けられた。 触媒E−4を試験手順Aに従って試験したが、結果を図4中に与える。Pt/ Al23下層の上の上層Sr(OH)2の付与は結果として高いNOx収着及び減 少容量をもたらすことが、約280℃の入り口温度でのNOxに関する除去ピー クを示す結果から明らかである。 図3は、NOx除去は約240℃の入り口温度でピークを有して達成され、そし て脱着されたNOxの放出は約420℃の入り口温度で達成されたことを示す。 実施例5 脱イオン水の中のSrO粉末の35%固体の200gのスラリーを、70gの CeO2粉末と混合し、そして40%固体のスラリーを作るために脱イオン水を 添加した。生成した混合物を300mlの脱イオン水に添加し、そして24時間 ボールミル粉砕して、粒子の90%の粒子サイズが径で10ミクロン未満にした 。このスラリーを実施例1の触媒C−1のサンプルの上にコートした。次に、コ ートされた触媒を、100℃で乾燥させそして550℃で2時間焼成して、触媒 C−1のPt/Al23下層の上に重ねられた1.3g/in3の上層ウオッシ ュコート負荷量を与えた。生成した組成物は、白金含有減少触媒の上に重ねられ た酸化ストロンチウム及びバルクのセリアの混合物の収着剤物質上層から成る本 発明の一つの態様を与え、そして触媒E−5と名付けられた。 触媒E−5を、プロピレンを含めなかった、即ち、供給物の中には炭化水素が 含まれなかったこと以外は、試験手順Aにおけるのと同じガス供給物及び流量を 使用して試験した。結果を図5中に与える。この物質は、約180℃及び400 ℃の入り口温度にピークがある優れたNOx除去を示したことが、結果から明ら かである。NOxの脱着は、約480℃の入り口温度で始まる。 実施例6(比較例) 可溶性白金塩を、実施例2のパートAからのスリップT−1(スリップT−1 は75重量%のSrO及び25重量%のAl23を含む)を含むボールミルに添 加して、スリップT−1の上に分散された2重量%のPtを与えた。これは、完 成された触媒において70g/ft3のPtを与えた。サンプルを約30分間ボ ールミル粉砕し、5重量%(スラリーの重量を基にして)の酢酸を添加し、そし てスリップを、粒子の90%の粒子サイズが10ミクロン未満の径を有するまで ボールミル中で更に粉砕した。生成したスリップを、長さが0.75インチで径 が1.0インチの寸法の400cpsiのキン青石担体部材の上にコートし、乾 燥させそして550℃で2時間焼成すると、2g/in3のウオッシュコート負 荷量が得られた。生成した比較サンプルは、バルクの酸化ストロンチウム収着剤 物質の上に分散された白金触媒成分を与えた。即ち、白金族金属触媒成分は、収 着剤物質から隔絶されていなかった。生成した比較触媒を触媒C−2と名付けた 。 比較触媒C−2及び本発明の触媒E−1に関して試験手順Aを使用す る触媒試験の結果を図6中に示す。(上で述べたTakahashiら及びSA E論文によって示唆されたように)バルクのSrOの上のPtの含浸は、触媒E −1によって得られる優れたNOx捕獲及び減少性能を与えないことがこれらの 結果から明らかである。事実、約150〜600℃の入り口温度で10%未満の NOx除去が観察されるに過ぎず、これは、酸化ストロンチウム収着物質の上に 白金触媒金属成分を支持することによる接触的及び捕獲機能の混合は、結果とし てNOx除去のための非常に乏しい効率をもたらすに過ぎないことを示す。 実施例7(比較例) 約150g/m2のBET表面積を有する活性アルミナを、硝酸ストロンチウ ムの水性溶液によって含浸させた。含浸された粉末サンプルを、一晩120℃で 乾燥させ、そして次に2時間の期間にわたって周囲温度から600℃まで加熱す ることによって焼成し、そして次に更に4時間600℃で保持して、20重量% (焼成された基準)のSrOを含むアルミナを生成させた。生成したNOx収着 媒物質粉末から、焼成された生成物中に2重量%のPtを与えるために十分な白 金を可溶性白金塩の水性溶液を使用してそれに添加した脱イオン水に前記粉末を 添加することによって、35%固体の水性スリップを作った。400cpsiの キン青石担体部材をコートして、550℃での2時間の後で2g/in3のウオ ッシュコート負荷量(即ち、70g/ft3のPt)を与えることによって、サ ンプルを製造した。生成した比較の触媒は、それらの上に分散酸化ストロンチウ ム(硝酸ストロンチウムの焼成を経由した)収着剤物質が分散されたのと同じ( アルミナ)支持粒子の上に含浸された白金触媒金属成分を有していた。かくして 、触媒金属成分、この場合に は白金触媒金属成分は、本発明によって要求されるようにはNOx収着媒物質か ら隔絶されていなかった。この比較触媒を触媒C−3と名付けた。 本発明の触媒E−1と共に、比較触媒C−3に関して試験手順Aを使用する触 媒試験結果を実施し、そして結果を図7中に示す。触媒E−1は、約150〜4 00℃の広い入り口温度領域にわたってNOxを除去し、この温度を越えるとN Ox放出を伴うことが分かり、一方触媒C−3は、約150〜300℃の入り口 温度領域では僅かに小量の、即ち15%未満のNOx除去、及びもっと高温では 対応してもっとずっと低いNOx放出を示すに過ぎない。かくして、実施例6に おいてもまた示されたように、本発明の教示によって要求されるやり方で白金触 媒金属成分及び酸化ストロンチウムNOx収着媒物質成分を隔絶することを怠る (この場合には両方の種を同じAl23粒子の上に支持することによって)こと は、結果として乏しいNOx除去効率をもたらす。本明細書中でどこかほかでも 記したように、これは、上で記したTakahashiら及びSAE論文の教示 とは反対である。 実施例8 A. 混合されたE−1 脱イオン水によって37.2%固体に希釈された、75mlの実施例1のパー トAのスリップA、及び脱イオン水によって30.8%固体に希釈された、45 .3mlの実施例2のパートAのスリップT−1を完全に一緒に混合した。生成 したスリップを使用して、400cpsiのキン青石担体部材をコートして、5 50℃での2時間の焼成の後で3g/in3のウオッシュコート負荷量を与えて 、70g/ft3のPtを有 する触媒を生成させた。この結果は、その中でNOx減少触媒及びNOx収着媒物 質が別個の層の中にはなくて、単一の層の中に混合されている触媒E−1の“混 合された”型である。生成したサンプルを触媒E−1Mと名付けるが、“M”は 混合されたを意味する。B. 逆E−1 実施例2のパートAのスリップT−1を、下層として400cpsiのキン青 石担体部材の上にコートして、550℃での2時間の焼成の後で1g/in3の ウオッシュコートを生成させた。次に、これらの担体部材を、70g/ft3の 白金を含む上層として2g/in3のスリップIによって更にコートし、そして 更に550℃で2時間焼成した。この結果は、その中で層が触媒E−1に対して 逆である触媒E−1の型である。即ち、NOx収着媒物質が下層であり、そして NOx減少触媒が上層である。生成したサンプルを触媒E−1Rと名付けるが、 “R”は逆を意味する。 図8は、試験手順Aを使用して触媒E−1、E−1M及びE−1Rを試験する 結果を示す。これらの結果から明らかに、上層の上にNOx捕獲成分及び下層の 上にNOx減少触媒を有する層状構造が好ましい。しかしながら、適切なNOx捕 獲及び転換はまた、他の二つの物質によっても観察されることに注目しなければ ならない。それにも拘わらず、触媒E−1によって例示された、NOx減少触媒 が下層である層状構造に配置されたNOx収着媒物質及びNOx減少触媒を有する ことが好ましい。 実施例9 以下のようにして、NOx収着媒物質だけを含む比較物質を作った。実施例2 のパートAのスリップT−1を、400cpsiのキン青石担 体部材の上にコートして、次にこれを550℃での2時間の焼成して1g/in3 のウオッシュコートを生成させた。生成した比較物を触媒C−4と名付けた。 図9においては、触媒E−1及び比較触媒C−4の上のNOx除去を、還元剤 が存在しない以外は試験手順Aにおいて使用したものと類似の試験条件を使用し て比較した。供給ガスの中に炭化水素(又は他の還元剤)が存在しないので、こ の図の中に示したNOx除去は、NOx捕獲だけから生じ、NOxの転換、即ち、 還元剤によるNOxの還元は無い。これらの結果から明らかに、触媒E−1の下 層中の白金族金属触媒成分は、NOx収着媒物質、即ち、この場合には酸化スト ロンチウムによるNOx収着を促進する役割を演じる。150℃の入り口温度を 越えると、比較触媒C−4によるNOx除去は殆ど無く、即ち、5%未満である ことが観察され、一方触媒E−1に関するデータは、約150℃及び約360℃ の入り口温度で、各々が30%を越えるNOx除去である、二つのNOx除去ピー クを示す。もっと高い入り口温度、約400〜575℃では、対応して大きなN Ox脱着ピークが触媒E−1に関して示される。 実施例10 焼成されたキン青石触媒コア、400cpsi、は、下層として実施例1のパ ートAのスリップAから堆積された2g/in3のウオッシュコートを有してい た。1g/in3の上層を、150gのBa2SrO6、50gのAl23、31 gのA−20 Nalcoアルミナバインダー(20%固体)及び180gの脱 イオン水によって製造されたスリップを使用して塗布した。生成した層状物質を 550℃に2時間焼成した。生成した触媒を触媒E−10と名付ける。 触媒E−10をNOx還元及び捕獲のための活性に関して試験手順Aに従って 試験したが、試験結果を図10中に与える。明らかに、この物質は、100〜4 00℃のかなり広い入り口温度領域にわたってNOxの転換と収着の両方に関し て活性であり、そして約400℃の入り口温度を越えるとNOxを放出する。 実施例11 薄い/濃い試験 触媒E−1及びE−10を、図11A及び11B中に示したデータ点の温度で 以下の条件下で交互する濃い/薄い環境中で試験した。かくして、図11A中に プロットしたデータは、50℃間隔で200℃〜450℃の範囲の入り口温度で 発現され、そして図11B中にプロットしたデータは、50℃間隔で150℃〜 500℃の入り口温度で発現された。空間速度=25,000/h 入り口温度は、図11A(200〜450℃、50℃間隔で)及び11B(15 0〜500℃、50℃間隔で)中に示した温度の各々において半時間の間、安定 に保持した。入り口ガスの組成 薄いと濃いのモードの間のサイクルの周波数は、各々のモードにおいて60秒 であった。試験触媒の予備調整を、各々の試験温度で60秒の薄いそして濃い期 間に触媒を曝すことによって、約30分間実施した。予備調整された触媒E−1 及びE−10の薄い/濃い試験に関して得ら れた結果を、それぞれ、図11A及び11B中にプロットする。これらの図にお いては、バーの垂直長さは、薄いパルスの間に観察されたNOx収着の範囲を表 す。薄いサイクルのスタートにおけるNOx除去のパーセントは、図11A及び 11B中の各々の垂直なバーのトップによって示され、そして各々の薄いサイク ルの終わりにおけるNOx除去のパーセントは、各々の垂直なバーのボトムによ って示される。試験を行ったサイクル的なやり方は、濃い運転期間の間に、触媒 から貯蔵されたNOxを清掃し、その結果NOx収着が次の薄い運転期間中に再び 起きることができる。明らかに、触媒E−1及び触媒E−10の両方が、濃い及 び薄い運転の交互する期間によって長期間の間、広い温度領域にわたってNOx を収着する能力を示した。 実施例12 A. 実施例1のパートBの触媒C−1と同じにして触媒サンプルを製造した が、唯一の差は、焼成された触媒のウオッシュコート負荷量が1.67g/in3 であったことであった。 B. 活性アルミナから作られたアルミナスラリーを、スラリー中の5%酢酸 を使用して粒子の90%が径が10ミクロン未満となるまでボールミル粉砕した 。このスラリーは、乾燥重量を基にして35%の固体を含んでいた。次に、この 実施例12のパートAにおいて得られた触媒の上にアルミナをコートした。次に 、この触媒を100℃で乾燥させそして550℃で2時間焼成して、焼成された サンプル中に0.6g/in3のアルミナウオッシュコート層を生成させた。 C. 次に、この実施例12のパートBから得られた焼成触媒を、実施例2の パートAからのスリップT−1によってコートした。次に、コ ートされた触媒を乾燥させそして550℃で2時間焼成して、0.7g/in3 のNOx収着媒物質上層を生成させた。生成した三層の触媒の全ウオッシュコー ト負荷量は、3g/in3であり、そしてアルミナの上に分散された白金のNOx 減少触媒下層、アルミナの中間層、及びバルクの酸化ストロンチウム及びバルク のアルミナから成るNOx収着媒物質の上層を有していた。この触媒を触媒E− 12と名付けた。 触媒E−12を試験手順Aに従って試験した。結果は図12中にプロットされ ていて、そしてNOx減少触媒下層からNOx収着媒物質を分離する中間層を有し てさえも、触媒E−12はNOxを収着しそして転換させる良好な効率を示した ことを明らかに示す。約275℃〜350℃の入り口温度での高いNOx除去に 注目せよ。収着されたNOxは375℃よりも高い温度で放出された。 本発明をその特定の態様に関して詳細に説明してきたけれども、特定の態様へ の多数の変更が、これまでのところを読みそして理解すると当業者には思い浮か び、そして添付された請求の範囲の範囲内のこのような変更を包含することが意 図されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CN,CZ,DE, DK,EE,FI,GB,GE,HU,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LK,LR,LS,LT ,LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX, NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,S G,SI,SK,TJ,TM,TR,TT,UA,UG ,UZ,VN (72)発明者 フアロート,ロバート・ジエイ アメリカ合衆国ニユージヤージイ州07090 ウエストフイールド・セネカプレイス227

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. ガス流れ中のNOx減少のための組成物であって、この組成物が共通の 耐火担体部材の上にお互いに接近して配置されたNOx減少触媒及びNOx収着媒 物質を含んで成り、 NOx減少触媒が白金触媒金属成分から成る触媒金属成分を含んで成り、そし て触媒金属成分が第一耐火触媒支持物質の上に分散されていて、そして NOx収着媒物質が、(a)NOx収着媒物質が耐火支持物質の上に分散されて いる時には、触媒金属成分及びNOx収着媒物質が耐火支持物質の同じインクレ メントの上には分散されていない、そして(b)NOx収着媒物質がバルクの形 である時には、触媒金属成分はバルクのNOx収着媒物質の中に含浸されていな いという程度までは少なくとも触媒金属成分から隔絶されている少なくとも一種 の塩基性酸素化金属化合物を含んで成る 組成物。 2. NOx収着媒物質が一種以上の金属酸化物、金属炭酸塩、金属水酸化物 又は混合された金属酸化物から成る群から選ばれる、請求の範囲第1項に記載の 組成物。 3. NOx収着媒物質がセリアを更に含んで成る、請求の範囲第1項又は第 2項に記載の組成物。 4. NOx収着媒物質がバルクのセリアを更に含んで成る、請求の範囲第1 項又は第2項に記載の組成物。 5. 触媒金属成分が白金触媒金属成分に加えて少なくとも一種の他 の触媒金属成分を更に含んで成る、請求の範囲第1項又は第2項に記載の組成物 。 6. 触媒金属成分が白金触媒金属成分に加えて少なくとも一種のその他の白 金族の金属触媒成分を更に含んで成る、請求の範囲第1項又は第2項に記載の組 成物。 7. NOx収着媒物質が一種以上のタングステン酸ストロンチウムバリウム 、ニオブ酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸バリ ウム、ケイ酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムバリウムから成る群から選ば れた混合された金属酸化物を含んで成る、請求の範囲第1項に記載の組成物。 8. NOx収着媒物質が一種以上の金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩 、及び混合された金属酸化物から成る群から選ばれ、そして金属酸化物、金属水 酸化物及び金属炭酸塩の金属、並びに混合された金属酸化物の金属の少なくとも 一種が、一種以上のリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、 マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムから成る群から選ばれ る、請求の範囲第1項に記載の組成物。 9. 耐火支持物質が耐火金属酸化物を含んで成り、そしてNOx収着媒物質 が一種以上のマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムの一種以 上の酸化物及び水酸化物から成る群から選ばれる、請求の範囲第1項に記載の組 成物。 10. NOx減少触媒をNOx収着媒物質と混合させる、請求の範囲第1項又 は第2項に記載の組成物。 11. NOx減少触媒を耐火担体部材の上の第一の別個の層として 配置し、そしてNOx収着媒物質を耐火担体部材の上の第二の別個の層として配 置する、請求の範囲第1項又は第2項に記載の組成物。 12. 第一の別個の層が担体部材の上に配置された下層を含んで成り、そし て第二の別個の層が下層の上に重ねられた上層を含んで成る、請求の範囲第11 項に記載の組成物。 13. 第一の別個の層と第二の別個の層がお互いに直接接触している、請求 の範囲第11項に記載の組成物。 14. 第一の別個の層と第二の別個の層が物質の介在層によって分離されて いる、請求の範囲第11項に記載の組成物。 15. 耐火担体がそれを通って延びる複数のガス流れ通路を有する本体を含 んで成り、通路が通路の壁によって規定されていて、そして第一及び第二層が通 路の壁の上に配置されている、請求の範囲第11項に記載の組成物。 16. 耐火担体がガス透過性容器内に保留された一群の担体ビーズを含んで 成る、請求の範囲第11項に記載の組成物。 17. 第一層を担体ビーズの一つのインクレメントの上に配置し、そして第 二層を担体ビーズの第二のインクレメントの上に配置し、そして担体ビーズの第 一及び第二インクレメントを容器内で混合する、請求の範囲第16項に記載の組 成物。 18. 第一及び第二層を担体ビーズの同じインクレメントの上に配置する、 請求の範囲第16項に記載の組成物。 19. NOx収着媒物質が酸化ストロンチウムを含んで成る、請求の範囲第 1項に記載の組成物。 20. それを通って延びる複数のガス流れ通路を有する本体を含ん で成る耐火担体部材(ここで、これらの通路は通路の壁によって規定されている )、 白金触媒金属成分から成る触媒金属成分を含んで成るNOx減少触媒(ここで 、触媒金属成分は耐火金属酸化物支持体の上に分散されていて、そして前記減少 触媒は第一の別個の層として通路の壁の上に配置されている)、並びに マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムの一種以上の酸化物 から成る群から選ばれたバルクの酸化物を含んで成るNOx収着媒物質(ここで 、NOx収着媒物質は第二の別個の層として通路の壁の上に配置されている) を含んで成る、ガス流れ中のNOx減少のための組成物。 21. NOx減少触媒が白金触媒金属化合物に少なくとも一種の他の白金族 金属成分を更に含んで成る、請求の範囲第20項に記載の組成物。 22. 第一の別個の層が担体部材の上に配置された下層を含んで成り、そし て第二の別個の層が下層の上に重ねられた上層を含んで成る、請求の範囲第20 項又は第21項に記載の組成物。 23. NOx収着媒物質がセリアを更に含んで成る、請求の範囲第20項に 記載の組成物。 24. NOx収着媒物質がバルクの酸化ストロンチウムを含んで成る、請求 の範囲第20項又は第21項に記載の組成物。 25. NOx収着媒物質がバルクの水酸化ストロンチウムを含んで成る、請 求の範囲第20項又は第21項に記載の組成物。 26. NOxを含むガス流れをNOx減少組成物と接触させることを 含んで成るNOx減少の方法であって、この組成物が共通の耐火担体部材の上に お互いに接近して配置されたNOx減少触媒及びNOx収着媒物質を含んで成り、 (i)NOx減少触媒は白金触媒金属成分及び、必要に応じて、少なくとも一種 の他の白金族金属触媒成分から成る触媒金属成分を含んで成り、触媒金属成分は 第一耐火金属酸化物支持体の上に分散されていて、(ii)NOx収着媒物質は、 必要に応じてバルクの物質でありそして塩基性酸素化金属化合物から成る群から 選ばれた少なくとも一種の物質を含んで成りそして、必要に応じて、セリアを更 に含んで成り、そして(iii)NOx収着媒物質は、(a)NOx収着媒物質が耐 火支持物質の上に分散されている時には、触媒金属成分及びNOx収着媒物質が 耐火支持物質の同じインクレメントの上には分散されていない、そして(b)N Ox収着媒物質がバルクの物質を含んで成る時には、触媒金属成分はバルクのN Ox収着媒物質の中に含浸されていないという程度までは少なくとも、触媒金属 成分から隔絶されていて、そして 前記方法が、薄いそして化学量論的に/濃い条件の間のガス流れの組成を周期 的に調節し、それによって薄い運転条件期間及び化学量論的に/濃い運転条件期 間を交互させることを可能にすること、並びに化学量論的に/濃い運転条件期間 の間にNOx減少条件を維持して、それによって薄い運転期間の間にNOxがNOx 収着物質によって収着されそして化学量論的に/濃い運転期間の間にNOx減少 触媒がNOxの還元を促進することを含む 方法。 27. NOx収着媒物質が一種以上のタングステン酸ストロンチウムバリウ ム、ニオブ酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ストロンチウ ム、ジルコン酸バリウム、ケイ酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムバリウム から成る群から選ばれた混合された金属酸化物を含んで成る、請求の範囲第26 項に記載の方法。 28. NOx収着媒物質が一種以上の金属酸化物、金属炭酸塩、金属水酸化 物及び混合された金属酸化物から成る群から選ばれ、そして金属酸化物、金属炭 酸塩、金属水酸化物の金属、並びに混合された金属酸化物の金属の少なくとも一 種が、一種以上のリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、オスミウム、 マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムから成る群から選ばれ る、請求の範囲第26項に記載の方法。 29. NOx減少触媒が少なくとも一種の他の白金族金属触媒成分を更に含 んで成り、そしてNOx収着媒物質が一種以上のマグネシウム、カルシウム、ス トロンチウム及びバリウムの酸化物から成る群から選ばれる、請求の範囲第26 項に記載の方法。 30. NOx収着媒物質が酸化ストロンチウムを含んで成る、請求の範囲第 26項に記載の方法。 31. NOx減少触媒を耐火担体部材の上の第一の別個の層として配置し、 そしてNOx収着媒物質を前記担体部材の上の第二の別個の層として配置する、 請求の範囲第26項に記載の方法。 32. 第一の別個の層が担体部材の上に配置された下層を含んで成り、そし て第二の別個の層が下層の上に重ねられた上層を含んで成る、請求の範囲第31 項に記載の方法。
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