JP2015037784A - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents

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Abstract

【課題】800℃以上の排ガスに曝されても、優れた触媒性能を維持することができる排ガス浄化用触媒の提供。【解決手段】貴金属を含む触媒活性成分と酸素貯蔵材を含む助触媒成分が担体に担持されてなる排ガス浄化触媒。前記酸素貯蔵材は(a)Fe、CeおよびZrを含む複合酸化物または固溶体、または(b)CeおよびZrを含む複合酸化物または固溶体表面にFeが担持されてなる。うち、Fe含有量は酸素貯蔵材全質量に対し0.01〜0.70質量%(Fe2O3換算)である。構造は、前記担体1上に、前記触媒活性成分または助触媒成分を含む第1の触媒層3aと、前記酸素貯蔵材を含む第2の触媒層3bとが順次積層されてなる。【選択図】図1

Description

本発明は、排ガス浄化用触媒に関する。特に、本発明は、高温の排ガスに曝されても優れた触媒性能を維持することができる排ガス浄化用触媒に関する。
従来から、排ガス浄化に関する技術は数多く提案されている。特に、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ならびにバイオ燃料またはメタノールを含む燃料を用いるエンジンなどの内燃機関から生じる排ガスの処理技術についての提案は多い。
内燃機関から生じる排ガスを浄化するための触媒としては、窒素酸化物(以下、「NOx」とも称する)、一酸化炭素(以下、「CO」とも称する)、および炭化水素(以下、「HC」とも称する)を同時に除去する三元触媒や、希薄燃料の燃焼による酸素過剰状態で、NOx、CO、およびHCを同時に除去する触媒などが提案されている。すなわち、COおよびHCをCOに酸化し、また、NOxをNに還元する機能を併せ持つ触媒である。これらの触媒は、排ガスが酸素過剰状態(酸化雰囲気)のときに触媒自体が酸素を蓄積し、また、排ガスが酸素不足の状態(還元雰囲気)のときに蓄積していた酸素を放出する、酸素貯蔵能(Oxygen Storage Capacity;以下、「OSC」とも称する)を有するものが多い。このようなOSCを有する助触媒成分を酸素貯蔵材(以下、「OSC材」とも称する)といい、これにより、酸素不足状態であってもCOおよびHCを効率的にCOに酸化することができる。OSC材としては、酸化セリウム(CeO;「セリア」とも称する)や、セリア−ジルコニア複合酸化物(CeO−ZrO複合酸化物)の性能が優れていることが知られている。
OSC材の性能や耐久性を向上させるために、CeOやCeO−ZrO複合酸化物などに、鉄などの金属元素を添加する技術が開発されている。
例えば、特許文献1には、ジルコニウム、セリウム、ならびに安定剤としての希土類金属に、鉄、銅、コバルト、ニッケル、銀、マンガン、およびビスマスからなる群から選択される少なくとも1種の金属を0.01〜0.25mol%含むOSC材が開示されている。そして、これらの金属はOSC材の結晶構造中で固溶体として存在する、とある。
また、特許文献2には、セリア(CeO)を含む担体と、該担体に含まれた活性種としての酸化鉄と、からなるOSC材が開示されている。そして、CeOを含む担体は、CeO−ZrO固溶体であることが好ましい、とある。さらに、酸化鉄の含有量は、OSC材の重量に対してFeとして2〜30重量%の範囲とするのが望ましく、この範囲から外れると、実質的なOSCが得られない、とある。
セリウムを含むOSC材は、酸化・還元反応の助触媒として機能するが、上記特許文献1および2に記載の技術では、このセリウムの触媒性能を促進する目的で、セリウムの近傍に鉄を存在させている。
また、特許文献3には、主としてアルミナ(Al)よりなる耐火性担体に、鉄酸化物、セリウム酸化物、および少なくとも2種の貴金属元素を担持せしめてなる排ガス浄化用触媒が開示されている。該触媒は、少なくとも1種の貴金属元素化合物と、有機酸セリウムと、水溶性鉄塩を含む水溶液Aと、他の貴金属元素化合物を含む水溶液Bとを含浸液として用いて、該耐火性担体に触媒成分を担持させることを特徴としている。
また、非特許文献1には、20質量%CeO−Alに、Pd−Rhを1質量%担持させた三元触媒において、鉄を0.1〜0.3質量%添加することによりOSCが向上することが開示されている。
米国特許第6585944号明細書 特開2005−125317号公報 特開昭59−82946号公報
パナギョータ エス. ランブロウ(Panayiota S. Lambrou)およびアンゲロス エム. エフスタシウ(Angelos M. Efstathiou)、ジャーナル オブ キャタリシス(Journal of Catalysis)、2006年6月10日発行、第240巻、第2巻、182〜193ページ
しかしながら、上記の触媒は、一度、OSC材を高温(800℃以上)の排ガスに曝すと、OSCが低下し、結果的に触媒全体の酸化・還元性能が著しく低下してしまうという問題点を有していた。このOSCの低下は、高温の排ガスによりOSC材を構成する母材の結晶構造が破壊されて、比表面積が減少することが原因の一つであると考えられた。
特に、排ガス中の酸素濃度はエンジンの運転状況によって変動するが、上述のように高温の排ガスに曝されることによってOSCが低下すると、排ガスの浄化性能が著しく低下してしまう。
そこで、本発明は、800℃以上の高温の排ガスに曝されても、優れた触媒性能を維持することができる、排ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その過程で、セリウムおよびジルコニウムを含むOSC材における鉄の含有量を0.01質量%以上、0.70質量%未満とすることによって、高温に曝された後も、顕著な排ガス浄化性能を有する触媒が得られることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の排ガス浄化用触媒は、貴金属を含む触媒活性成分と、酸素貯蔵材を含む助触媒成分と、が担体に担持されてなる。前記酸素貯蔵材は、セリウム、ジルコニウム、および鉄を含み、前記酸素貯蔵材における鉄の含有量は、酸素貯蔵材の全質量に対して0.01質量%以上、0.70質量%未満(Fe換算)である。そして、前記酸素貯蔵材は、(a)鉄と、セリウムおよびジルコニウムを含む金属と、の複合酸化物または固溶体である、または、(b)セリウムおよびジルコニウムを含む金属の複合酸化物または固溶体の表面に、鉄が担持されてなる。
本発明の排ガス浄化用触媒は、800℃以上の高温の排ガスに曝されても、優れた触媒性能を維持することができる。
本発明の一実施形態である排ガス浄化用触媒における、触媒層の積層構造の一部を模式的に表わした断面図である。 触媒A〜Fのスウィープ試験の結果を表すグラフである。 触媒A〜Fのライトオフ試験の結果を表すグラフである。 触媒A、G〜Iのスウィープ試験の結果を表すグラフである。 触媒A、G〜Iのライトオフ試験の結果を表すグラフである。
以下、本発明の好ましい形態を説明する。本形態の排ガス浄化用触媒(以下、単に「触媒」とも称する)は、貴金属を含む触媒活性成分と、酸素貯蔵材を含む助触媒成分と、が、担体に担持されてなる。前記酸素貯蔵材は、セリウム、ジルコニウム、および鉄を含み、前記酸素貯蔵材における鉄の含有量は、酸素貯蔵材の全質量に対して0.01質量%以上、0.70質量%未満(Fe換算)である。そして、前記酸素貯蔵材は、(a)鉄と、セリウムおよびジルコニウムを含む金属と、の複合酸化物または固溶体(以下、「複合酸化物または固溶体」を、単に「複合酸化物等」とも称する)である、または、(b)セリウムおよびジルコニウムを含む金属の複合酸化物または固溶体の表面に、鉄が担持されてなる。以下、図面を参照しながら、本形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
<排ガス浄化用触媒>
図1は、本発明の一実施形態である排ガス浄化用触媒における、触媒層の積層構造の一部を模式的に表わした断面図である。図1に示すように、本形態は、担体1上に、触媒層3が形成されてなる。触媒層3は、下層3aと上層3bとが積層された構造を有する。担体1は、三次元構造体(図示せず)からなり、図1においてはその表面の一部のみが図示されている。下層3aは触媒活性成分として貴金属であるPdを含み、助触媒成分としてLa、BaO、およびOSC材であるCeO−ZrO−Yを含み、耐火性無機酸化物としてLa−Alを含む。また、上層3bは、触媒活性成分として貴金属であるPtおよびRhを含み、助触媒成分としてOSC材であるFe−CeO−ZrO−Laを含み、耐火性無機酸化物としてLa−Alを含む。以下、本形態の排ガス浄化用触媒に含まれる各構成要素について説明する。
[触媒活性成分]
触媒活性成分は、排ガスを浄化するための化学反応(酸化・還元反応)を直接的に触媒する成分である。本形態の排ガス浄化用触媒は、触媒活性成分として貴金属を必須に含む。
触媒活性成分として使用される貴金属の種類に特に制限はないが、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、およびロジウム(Rh)からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。より好ましくは、白金およびロジウム、パラジウムおよびロジウム、またはパラジウム、ロジウムおよび白金を組み合わせであり、さらに好ましくはパラジウムおよびロジウムを組み合わせて使用する。これらの貴金属の使用量についても特に制限はないが、触媒1リットルあたり、0.1〜15gであることが好ましく、0.5〜5gであることがより好ましい。より詳細には、白金の使用量が触媒1リットルあたり、好ましくは0.01〜5g、好ましくは0.5〜3gであり、パラジウムの使用量が触媒1リットルあたり、好ましくは0.5〜10g、より好ましくは0.5〜3gであり、ロジウムの使用量が触媒1リットルあたり、好ましくは0.01〜3g、より好ましくは0.03〜1.5gである。
貴金属の原料は特に制限はないが、水溶性貴金属塩を用いることが好ましい。白金源としては、硝酸白金、ジニトロジアンミン白金、塩化白金、テトラアンミン白金、ビスエタノールアミン白金、ビスアセチルアセトナート白金などの化合物がある。パラジウム源としては、硝酸パラジウム、塩化パラジウム、酢酸パラジウム、テトラアンミンパラジウムなどがある。ロジウム源としては、硝酸ロジウム、塩化ロジウム、酢酸ロジウム、へキサアンミンロジウムなどがある。これらの水溶性貴金属塩は、1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。
触媒活性成分の存在形態は特に制限はない。例えば担体表面に形成される触媒層中に、触媒活性成分が単独で分散された形態であってもよいし、後述の助触媒成分や耐火性無機酸化物に担持されたものが触媒層中に分散されていてもよい。このうち、触媒活性成分が後述の本形態に係るOSC材表面に担持される形態が好ましい。貴金属をOSC材に担持させることによって、OSC材に貯蔵・放出される酸素が、これらの貴金属が触媒する酸化・還元反応に効率よく用いられうる。
[助触媒成分]
助触媒成分は、上記の触媒活性成分の触媒作用を補助する機能を有する成分である。助触媒成分としては、例えば、排ガス中に含まれる酸素を貯蔵・放出することによって酸化反応を促進するOSC材や、HC吸着材、NOx吸着材などが挙げられる。本形態の触媒は、助触媒成分として、OSC材を必須に含み、必要に応じてその他の成分を含みうる。
(酸素貯蔵材)
OSC材は、酸化雰囲気下では酸素を貯蔵し、還元雰囲気下では貯蔵した酸素を放出する機能を有する。本形態に係るOSC材は、セリウム、ジルコニウム、および鉄を必須に含む。OSC材の形態としては、以下の2つに大別される。(a)の形態は、鉄と、セリウムおよびジルコニウムを含む金属と、の複合酸化物または固溶体である。(b)の形態は、セリウムおよびジルコニウムを含む金属の複合酸化物または固溶体の表面に、鉄が担持された形態である。
まず、(a)鉄と、セリウムおよびジルコニウムを含む金属と、の複合酸化物等の形態について説明する。該形態では、セリウム、ジルコニウム、および鉄の3つの成分を必須に含むが、セリウム、ジルコニウム、および鉄以外の金属(以下、「金属A」とも称する)が含まれていても構わない。
金属Aは、セリウム、ジルコニウム、および鉄と複合酸化物等を形成しうるものであれば特に制限はない。金属Aの具体例としては、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、およびネオジム(Nd)などの希土類金属(ただし、セリウムを除く。以下同様)、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)などの遷移金属(ただし、鉄およびジルコニウムを除く。以下同様);マグネシウム(Mg)およびバリウム(Ba)などのアルカリ土類金属などが挙げられ、これらのうちの1種を単独で、または2種以上を組み合わせて使用することができる。このうち、OSC材の耐熱性をより向上させる観点から、イットリウムおよび/またはランタンを含むことが好ましく、ランタンを含むことがより好ましい。金属Aとして希土類金属を含む場合の希土類金属の使用量は、酸化物換算で、OSC材の全質量に対して0.1〜30質量%であることが好ましく、1〜20質量%であることが好ましい。
次に、(b)セリウムおよびジルコニウムを含む金属の複合酸化物または固溶体の表面に、鉄が担持された形態について説明する。(b)の形態において、「セリウムおよびジルコニウムを含む金属の複合酸化物または固溶体」とは、上記(a)の形態の「鉄と、セリウムおよびジルコニウムを含む金属と、の複合酸化物または固溶体」において、鉄を必須の構成成分としていない点のみが異なる。よって、(b)の形態の複合酸化物等として、(a)の形態の鉄を含む複合酸化物等を使用しても勿論構わない。また、(b)の形態の複合酸化物等に、セリウムおよびジルコニウム以外の金属が含まれていてもよく、上述の金属Aと同様のものを使用することができる。
(b)の形態では、セリウムおよびジルコニウムを含む金属の複合酸化物等の表面に、鉄が担持されてなる。担持される鉄は、通常酸化鉄の状態で存在する。鉄酸化物の形態は特に制限はなく、酸化鉄(FeO)、三酸化二鉄(Fe)、または四三酸化鉄(Fe)のいずれの形態であっても構わない。このように、複合酸化物等の内部に鉄が取り込まれていなくても、複合酸化物等の表面に接していれば、本発明の効果を得ることができる。
上記(a)および(b)のいずれの形態のOSC材においても、複合酸化物等中に含まれるセリウムとジルコニウムとの質量比は、酸化物換算で、10:1〜1:50であることが好ましく、5:1〜1:40であることがより好ましい。また、複合体または固溶体中に含まれるセリウムと金属Aとの質量比は、酸化物換算で6:1〜1:12であることが好ましく、4:1〜1:8であることが好ましい。かような量の金属Aを含むことによって、800℃以上の高温に曝されても優れた触媒性能を維持しうる、優れた耐熱性を有する複合酸化物等が形成される。
本形態に係るOSC材は、鉄を必須に含む。上記(a)および(b)のいずれの形態のOSC材においても、OSC材に含まれる鉄の含有量は、OSC材の全質量に対して、0.01質量%以上、0.70質量%未満(Fe換算)である。鉄の含有量の下限は、0.05質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましい。一方、鉄の含有量の上限は、0.65質量%以下であることが好ましく、0.50質量%以下であることがより好ましい。かような量の鉄をOSC材に含有させることによって、高温(800℃)に曝されても、OSC材の比表面積の減少による影響を最小限に抑えることができるので、優れたOSCを維持することができる。したがって、該OSC材を本形態の排ガス浄化用触媒に使用することによって、高温(800℃)以上に曝された後であっても、酸素濃度が変動する排ガスに対して優れた浄化性能を発揮することができるのである。また、かような量の鉄を含有させることにより、OSC材自体のOSCや、触媒活性成分の性能を向上させることができ、特に、排ガス温度が低温であっても優れた排ガス浄化性能を発揮することができる。さらに、OSC材の耐久性も向上することができる。以上のような効果により、希土類金属や貴金属などの希少な材料の使用量を低減させることができ、触媒のコストを大幅に削減することが可能となる。
なお、本形態の排ガス浄化用触媒は、セリウム、ジルコニウム、および鉄を含むOSC材以外の、セリウム、ゼオライト、または鉄を含まないOSC材を含むものであっても勿論よい。ただし、上記のOSC材に含まれる鉄の含有量は、セリウム、ジルコニウム、および鉄を含むOSC材の全質量に対しての値であって、排ガス浄化用触媒に含まれる全OSC材の質量に対しての値ではない。
本形態に係るOSC材の形状などは、所望のOSCが得られるものであれば、特に制限はない。OSC材の形状としては、例えば、粒状、微粒子状、粉末状、円筒状、円錐状、角柱状、立方体状、角錐状、不定形などの形状をとることができる。好ましくは、OSC材の形状は、粒状、微粒子状、粉末状である。該形状が粒状、微粒子状、粉末状である際のOSC材の平均粒径は、特に制限されないが、例えば、1.0〜100μm、好ましくは、1.0〜20.0μmの範囲であることが好ましい。なお、本明細書におけるOSC材の「平均粒径」は、分級などの公知の方法によって測定されるOSC材の粒子径の平均値により測定することができる。
また、OSC材のBET比表面積は、排ガス中の酸素を十分に貯蔵・放出できるものであれば特に制限はないが、OSCの観点からは、好ましくは10〜300m/g、より好ましくは50〜200m/gとするのがよい。
本形態に係るOSC材は、従来公知の方法を適宜参照して製造することが可能である。OSC材が複合酸化物を含む場合には、例えば、セリウム、ジルコニウム、および鉄の硝酸塩水溶液同士を混合して、アンモニアなどにより共沈して水酸化物としたのち、濾過し、乾燥する方法(共沈法);各酸化物同士を粉粉砕し、配合し、得られる粉体を燃焼する方法(固相反応法)などがある。これらの方法において、通常、乾燥条件は、温度50〜200℃で1〜5時間であり、焼成条件は、温度200〜500℃で1〜5時間である。また、乾燥および焼成は、空気流通下で行なうことが好ましい。
また、OSC材が固溶体を含む場合の固溶体も、従来公知の方法を適宜参照して製造することができる。例えば、セリウム、ジルコニウム、および鉄の各酸化物を混合して、熔融することによって、固溶体の形態であるFe−CeO−ZrO複合酸化物のインゴットを作製する。このインゴットを微粉砕することによって、比表面積の大きな固溶体粉末を製造することができる。
さらに、複合酸化物等に鉄や、触媒活性成分、助触媒成分などを担持させる方法も、当該分野で通常使用される方法を制限なく用いることができる。鉄を担持する場合は、例えば、鉄の硝酸塩水溶液中に複合酸化物または固溶体を含浸し、乾燥、焼成する方法(含浸法)がある。
(その他の助触媒成分)
本形態の触媒は、必要により上記OSC材以外の助触媒成分を含みうる。助触媒成分としては、希土類金属、アルカリ土類金属、その他の遷移金属が挙げられる。これらの金属成分は、触媒中に、通常酸化物の形態で存在する。
希土類金属(セリウムを除く)としては、特に制限はないが、例えば、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、およびネオジム(Nd)などが挙げられる。これらの希土類金属は、通常、酸化物の形態で使用される。希土類金属(セリウムを除く)の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り0.5〜10gであることが好ましく、2〜5gであることが好ましい。
また、アルカリ土類金属としては、マグネシウム(Mg)およびバリウム(Ba)が挙げられ、その他の遷移金属としては、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)などが挙げられる。
これらの助触媒成分は、触媒層中に単独で分散されていてもよいし、OSC材または耐火性無機酸化物に担持された形態であっても構わない。
[耐火性無機酸化物]
本形態の排ガス浄化用触媒は、耐火性無機酸化物を含有することが好ましい。特に、上述の貴金属、希土類金属、その他の金属元素などの触媒活性成分を担持する担体として使用されうる。耐火性無機酸化物としては、通常、触媒担体として用いられるものであれば特に制限されない。具体的には、α−アルミナ、もしくはγ、δ、η、θなどの活性アルミナのような酸化アルミニウム(Al);酸化ケイ素(SiO);酸化チタン(チタニア)(TiO);酸化ジルコニウム(ZrO);酸化リン(P);リン酸ゼオライト;またはこれらの複合酸化物、例えば、アルミナ−チタニア、アルミナ−ジルコニア、チタニア−ジルコニアなどが挙げられ、これらのうち、酸化アルミニウム、酸化ケイ素(シリカ)、酸化リン、酸化チタンおよび酸化ジルコニウムが好ましく、酸化ケイ素(シリカ)、酸化アルミニウムがより好ましく、活性アルミナの粉体がさらに好ましい。この際、これらの耐火性無機酸化物は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、これらは、上記したような酸化物の形態で使用されてもよいが、加熱することにより酸化物を形成しうるものを使用してもよい。後者の場合には、上記アルミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、リンの、水酸化物、硝酸塩、塩化物などのハロゲン化物、酢酸塩、硫酸塩、炭酸塩などが使用できる。
本形態の触媒に含まれる耐火性無機酸化物の含有量は、触媒1リットルあたり、通常、10〜300g、好ましくは50〜150gである。10g以上であれば貴金属などの触媒活性成分を十分に分散することができるとともに、耐久性を十分に確保しうる。一方、300g以下であれば、貴金属などの触媒活性成分と排ガスとが適度に接触することによって、温度上昇がなされやすく、酸化・還元反応が好適に行われうる。
耐火性無機酸化物のBET比表面積は、貴金属などの触媒活性成分を担持させる観点から、50〜750m/gであることが好ましく、150〜750m/gであることがより好ましい。また、該耐火性無機酸化物粉末の平均粒子径は、0.5〜150μmであることが好ましく、1〜100μmであることがより好ましい。
[担体]
上記触媒活性成分および耐火性無機酸化物を担持させる担体は、当該分野で通常使用される担体を制限なく使用することができるが、三次元構造体を使用することが好ましい。三次元構造体としては、ハニカム担体などの耐熱性担体が挙げられるが、一体成型のハニカム構造体が好ましく、例えば、モノリスハニカム担体、メタルハニカム担体、プラグハニカム担体など、また、三次元一体構造体ではなくても、ペレット担体なども挙げることができる。
モノリスハニカム担体としては、通常、セラミックハニカム担体と称されるものであればよく、特に、コージェライト、ムライト、α−アルミナ、ジルコニア、チタニア、リン酸チタン、アルミニウムチタネート、ベタライト、スポンジュメン、アルミノシリケート、マグネシムシリケートなどを材料とするハニカム担体が好ましく、なかでも、コージェライト質のものが特に好ましい。その他、ステンレス鋼、Fe−Cr−Al合金などの酸化抵抗性の耐熱性金属を用いて一体構造体としたものが用いられる。これらのモノリス担体は、押出成型法やシート状素子を巻き固める方法などで製造される。そのガス通過口(セル形状)の形は、六角形、四角形、三角形またはコルゲーション形のいずれであってもよい。セル密度(セル数/単位断面積)は100〜600セル/平方インチであれば十分に使用可能であり、好ましくは200〜500セル/平方インチである。
本形態の触媒の構造は特に制限はないが、通常、担体上に上記触媒活性成分または助触媒成分を含む触媒層が1または2以上積層された構造を有する。本形態の触媒おいては、上記OSC材を含む触媒層が少なくとも1層含まれている限りにおいては、特に制限はなく、該OSC材を含む触媒層がどこの位置に存在していても、本発明の効果を達成することが可能である。
好ましい構造としては、担体上に触媒層が少なくとも2層積層された形態である。このような構造とすることによって、2以上の異なる種類の貴金属を、それぞれ別の層に配置することができる。これにより、異なる種類の貴金属同士が合金化して触媒活性が低下するのを防ぐことができる。
また、本形態に係るOSC材を含む触媒層には、該OSC材とともにロジウムを含むことが好ましい。このように、三元触媒能の高いロジウムの近傍に本形態に係るOSC材を存在させることにより、高効率で排ガスを浄化することができる。
<排ガス浄化用触媒の製造方法>
本形態の触媒は、例えば、つぎのようにして製造される。すなわち、前記各触媒活性成分のいずれかのスラリーを三元構造体担体と接触させたのち、空気中で50〜300℃、好ましくは80〜200℃の温度で、5分〜10時間、好ましくは5分〜8時間乾燥させる。次に、300〜1200℃、好ましくは400〜500℃の温度で30分〜10時間、好ましくは1時間〜5時間焼成させる。ついで、別の触媒活性成分のスラリーのいずれかを同様の方法で担持させ、さらに必要により別の触媒活性成分のスラリーのいずれかを同様に担持させることにより完成触媒が得られる。
<排ガス浄化方法>
本形態の触媒は、内燃機関、特にガソリンエンジンの排気ガスの浄化に使用され、そのときの空間速度(S.V.)は10,000〜120,000h−1、好ましくは30,000〜100,000h−1である。特に、本形態の触媒は、A/F変動吸収に優れており、変動幅が±1.0以上でも優れた触媒性能を発揮することができる。
また、加速時の触媒入口部の温度は0℃〜1200℃が好ましく、より好ましくは0℃〜800℃であり、さらに好ましくは200〜800℃である。特に、本形態の触媒は、800℃以上の高温に曝された後であっても優れた触媒性能を維持することができる。該効果は、900℃以上の高温に曝された場合により顕著なものとなる。内燃機関から排出される炭化水素は使用する燃料により異なるが、好ましくはMPIエンジンに適用可能な燃料であり、ガソリン、E10、E30、E100、CNGが好ましく、軽油、ジメチルエーテル、バイオディーゼルなどでもA/F値が14.7未満となる場合には本形態の触媒が有効である。
また、本形態の触媒の前段(流入側)または後段(流出側)に同様の、または異なる排気ガス浄化触媒を配置しても良い。
本発明の作用効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。以下では、まず、CeO−ZrO複合酸化物に対して鉄の含有量を変化させたOSC材を使用した触媒を作製した。そして、これらの触媒に対して高温での耐久処理を行った後、スウィープ(Sweep)試験およびライトオフ(LO)試験を行い、各触媒性能を評価した。
<触媒の作製>
[実施例1]
下層の触媒層を形成するために、まず、パラジウム原料として硝酸パラジウム、酸化ランタンを3重量%含むアルミナ、酸化バリウム原料として水酸化バリウム、およびCeO−ZrO−Y複合酸化物(CeO:ZrO:Y=10:80:10(質量比))を、焼成後にPd:La:BaO:La−Al:CeO−ZrO−Y=0.4:2:2:80:50(質量比)となるように、各原料を秤量した。そして、秤量した各原料を混合して1時間攪拌した後、湿式粉砕し、スラリーIを得た。
また、上層の触媒層を形成するために、白金原料として硝酸白金、ロジウム原料として硝酸ロジウム、ランタン3重量%を含むアルミナ、およびFe−CeO−ZrO−La複合酸化物(Fe:CeO:ZrO:La=0.1:30:59.9:10(質量比))を、焼成後にPt:Rh:La−Al:Fe−CeO2−−ZrO−La=0.15:0.15:80:40(質量比)となるように、各原料を秤量した。そして、秤量した各原料を混合して1時間攪拌した後、湿式粉砕し、スラリーIIを得た。
上記スラリーIに0.066Lの容積を有するコージェライト(直径33mm×長さ77mm)を含浸し、150℃で10分間乾燥後、500℃で1時間焼成することによって、下層である触媒層Iを形成した。触媒層Iの担持量は、コージェライト1Lあたり134.4gであった。次に、上記スラリーIIに該担体を含浸し、150℃で10分間乾燥後、500℃で1時間焼成することによって、上層である触媒層IIを形成し、触媒Bを完成させた。触媒層IIの担持量は、コージェライト1Lあたり120.3gであった。
[実施例2]
スラリーIIに使用したFe−CeO−ZrO−La複合酸化物の各成分の比を、Fe:CeO:ZrO:La=0.3:30:59.7:10(質量比)としたことを除いては、実施例1と同様の方法で、触媒Cを製造した。
[実施例3]
スラリーIIに使用したFe−CeO−ZrO−La複合酸化物の各成分の比を、Fe:CeO:ZrO:La=0.5:30:59.5:10(質量比)としたことを除いては、実施例1と同様の方法で、触媒Dを製造した。
[比較例1]
スラリーIIに使用する複合酸化物を、CeO−ZrO−La複合酸化物(CeO:ZrO:La=30:60:10(質量比))に変更したことを除いては、実施例1と同様の方法で、触媒Aを製造した。
[比較例2]
スラリーIIに使用したFe−CeO−ZrO−La複合酸化物の各成分の比を、Fe:CeO:ZrO:La=0.7:30:59.3:10(質量比)としたことを除いては、実施例1と同様の方法で、触媒Eを製造した。
[比較例3]
スラリーIIに使用したFe−CeO−ZrO−La複合酸化物の各成分の比を、Fe:CeO:ZrO:La=3.0:30:57:10(質量比)としたことを除いては、実施例1と同様の方法で、触媒Fを製造した。
[実施例4]
Fe−CeO−ZrO−La複合酸化物に変えて、Feが担持されたCeO−ZrO−La複合酸化物(CeO−ZrO−La:Fe=99.9:0.1(質量比))を用いてスラリーIIを調製したことを除いては、実施例1と同様の方法で、触媒Gを製造した。
なお、Fe担持CeO−ZrO−La複合酸化物は、CeO−ZrO−La複合酸化物をFeの担持量が所定量となるように硝酸鉄水溶液に含浸した後、150℃で12時間以上乾燥し、その後500℃で1時間焼成することによって調製した。
[実施例5]
スラリーIIに使用した、Feが担持されたCeO−ZrO−La複合酸化物の各成分の比を、CeO−ZrO−La:Fe=99.5:0.5(質量比)としたことを除いては、実施例4と同様の方法で、触媒Hを製造した。
[実施例6]
スラリーIIに使用した、Feが担持されたCeO−ZrO−La複合酸化物の各成分の比を、CeO−ZrO−La:Fe=99.3:0.7(質量比)としたことを除いては、実施例4と同様の方法で、触媒Iを製造した。
<耐久処理>
作製した0.066L(直径33mm×長さ77mm)の触媒A〜Fを、1つの触媒コンバータにセットし、3.0LのMPIエンジン排気孔から下流の位置に設置した。そして、触媒入口温度を900℃として50時間、触媒A〜Fを排ガスに曝し、耐久処理を行った。なお、排ガスは触媒A〜Fに均等に流通されるようにし、また、排ガスは、ストイキ(A/F=14.6)、リッチ(A/F=12.0)、燃料カットを周期的に繰り返すモードでエンジン運転された時に排出されたものとした。
これとは別に、触媒A、G〜Iを上記と同様の方法で耐久処理をした。
<評価方法>
[スウィープ(Sweep)試験]
耐久処理した触媒がセットされた触媒コンバータを2.4LのMPIエンジンの下流に設置した。触媒入口温度400℃で固定し、周期1Hzで±0.5または±1.0の振幅をかけた状態でA/Fを14.1から15.1に変動させながらエンジン運転し、排ガスを触媒に流通させた。空間速度(SV)は100000h−1とした。A/Fの変動中におけるCO、HC、NOxの濃度を記録し、縦軸を転化率、横軸がA/Fであるグラフから読み取れるCO−NOxと、HC−NOxのクロスオーバーポイント(COP;COまたはHCが、NOxと交差する点)を求めた。結果を図2および図4に示す。
図2によると、触媒B〜Dにおいて、CO−NOおよびHC−NOxのCOPが、触媒A、E、およびFの場合と比較して大きい値となった。また、図4によると、触媒G〜Iにおいて、CO−NOおよびHC−NOxのCOPが、触媒Aの場合と比較して大きい値となった。COPの値が大きいほど、触媒性能が高いことを意味する。すなわち、本発明の触媒は、900℃での耐久処理後においても、酸素濃度が変動する排ガスに対して優れた浄化性能を発揮することが示された。
[ライトオフ(LO)試験]
耐久処理した触媒がセットされた触媒コンバータを2.4LのMPIエンジンの下流に設置した。14.6から周期1Hzで±0.5の振幅をかけたA/Fでエンジン運転される排ガスを触媒に流通させながら昇温した。昇温中におけるCO、HC、NOxの濃度を記録し、縦軸を転化率(%)((触媒入口のガス濃度−触媒出口のガス濃度)/触媒入口のガス濃度×100(%))、横軸を触媒入口温度としたグラフから読み取れる50%浄化率(T50)を求めた。T50が低いほど触媒性能が高い。結果を図3および図5に示す。
図3によると、触媒B〜Dにおいて、T50の値が、触媒A、E、およびFの場合と比較して小さい値となった。また、図5によると、触媒G〜Iにおいて、T50の値が、触媒Aの場合と比較して小さい値となった。以上の結果より、900℃での耐久処理後においても、低温条件下での触媒性能に優れることが示された。
1 担体、
3 触媒層、
3a 下層、
3b 上層。
<排ガス浄化用触媒>
図1は、本発明の一実施形態である排ガス浄化用触媒における、触媒層の積層構造の一部を模式的に表わした断面図である。図1に示すように、本形態は、担体1上に、触媒層3が形成されてなる。触媒層3は、下層(第1の触媒層)3aと上層(第2の触媒層)3bとが積層された構造を有する。担体1は、三次元構造体(図示せず)からなり、図1においてはその表面の一部のみが図示されている。下層(第1の触媒層)3aは触媒活性成分として貴金属であるPdを含み、助触媒成分としてLa、BaO、およびOSC材であるCeO−ZrO−Yを含み、耐火性無機酸化物としてLa−Alを含む。また、上層(第2の触媒層)3bは、触媒活性成分として貴金属であるPtおよびRhを含み、助触媒成分としてOSC材であるFe−CeO−ZrO−Laを含み、耐火性無機酸化物としてLa−Alを含む。以下、本形態の排ガス浄化用触媒に含まれる各構成要素について説明する。
<触媒の作製>
[実施例1]
下層(第1の触媒層)の触媒層を形成するために、まず、パラジウム原料として硝酸パラジウム、酸化ランタンを3重量%含むアルミナ、酸化バリウム原料として水酸化バリウム、およびCeO−ZrO−Y複合酸化物(CeO:ZrO:Y=10:80:10(質量比))を、焼成後にPd:La:BaO:La−Al:CeO−ZrO−Y=0.4:2:2:80:50(質量比)となるように、各原料を秤量した。そして、秤量した各原料を混合して1時間攪拌した後、湿式粉砕し、スラリーIを得た。
また、上層(第2の触媒層)の触媒層を形成するために、白金原料として硝酸白金、ロジウム原料として硝酸ロジウム、ランタン3重量%を含むアルミナ、およびFe−CeO−ZrO−La複合酸化物(Fe:CeO:ZrO:La=0.1:30:59.9:10(質量比))を、焼成後にPt:Rh:La−Al:Fe−CeO2−−ZrO−La=0.15:0.15:80:40(質量比)となるように、各原料を秤量した。そして、秤量した各原料を混合して1時間攪拌した後、湿式粉砕し、スラリーIIを得た。
上記スラリーIに0.066Lの容積を有するコージェライト(直径33mm×長さ77mm)を含浸し、150℃で10分間乾燥後、500℃で1時間焼成することによって、下層(第1の触媒層)である触媒層Iを形成した。触媒層Iの担持量は、コージェライト1Lあたり134.4gであった。次に、上記スラリーIIに該担体を含浸し、150℃で10分間乾燥後、500℃で1時間焼成することによって、上層(第2の触媒層)である触媒層IIを形成し、触媒Bを完成させた。触媒層IIの担持量は、コージェライト1Lあたり120.3gであった。
1 担体、
3 触媒層、
3a 上層(第2の触媒層)
3b 下層(第1の触媒層)

Claims (8)

  1. 貴金属を含む触媒活性成分と、酸素貯蔵材を含む助触媒成分と、が、担体に担持されてなる、排ガス浄化用触媒であって、
    前記酸素貯蔵材は、セリウム、ジルコニウム、および鉄を含み、
    前記酸素貯蔵材における鉄の含有量は、酸素貯蔵材の全質量に対して0.01質量%以上、0.70質量%未満(Fe換算)であり、
    前記酸素貯蔵材は、
    (a)鉄と、セリウムおよびジルコニウムを含む金属と、の複合酸化物または固溶体である、または、
    (b)セリウムおよびジルコニウムを含む金属の複合酸化物または固溶体の表面に、鉄が担持されてなる、排ガス浄化用触媒。
  2. 前記酸素貯蔵材は、ランタン、イットリウム、ネオジム、およびプラセオジムからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含む、請求項1に記載の排ガス浄化用触媒。
  3. 前記貴金属は、白金、パラジウム、およびロジウムからなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1または2に記載の排ガス浄化用触媒。
  4. 前記担体上に、前記触媒活性成分または助触媒成分を含む触媒層が少なくとも2層積層されてなる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の排ガス浄化用触媒。
  5. 前記酸素貯蔵材が、前記触媒層のうちのロジウムを含む層に存在する、請求項4に記載の排ガス浄化用触媒。
  6. 前記担体が、三次元構造体である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の排ガス浄化用触媒。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の排ガス浄化用触媒を、内燃機関から排出される排ガスに曝す工程を含む、排ガス浄化方法。
  8. 前記排ガス浄化用触媒を、温度が800℃以上、1000℃以下であり、空燃比が10以上である排ガスに曝す工程と、
    この後、該排ガス浄化用触媒を、温度が0℃以上、800℃以下である排ガスに曝す工程と、を含む、請求項7に記載の排ガス浄化方法。
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