JP5103052B2 - ディーゼルエンジン用排ガス浄化システムの酸化触媒 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン用排ガス浄化システムの酸化触媒に関する。

ディーゼルエンジン（Diesel Engine）から排出される排ガス（約１７０℃〜約３００℃）には、ＨＣ（炭化水素）やＮＯ_２などの環境汚染物質が含まれているので、環境保全を図るべく、各種のＤＥ排ガス規制が定められている。これらのＤＥ排ガス規制に対応するためには、排ガスからＨＣ及びＮＯ_２を十分に除去する必要がある。そのために、近年、ディーゼルエンジンのエンジン特性に応じて、強制再生システムや尿素ＳＣＲシステムなどが採用されている。これらのシステムでは、各種の酸化触媒が用いられており、これらの酸化触媒には、ＨＣの酸化反応を促進させるＨＣ酸化性能、又はＮＯをＮＯ_２に転化させる酸化反応を促進させるＮＯ_２転化特性のいずれかが要求されている。

ところで、ＤＥ排ガス規制は、今後、更に厳しくなることが予想されている。そこで、近年、これらのＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性を併有する酸化触媒の開発が試みられている。そして、ＨＣ酸化性能にはＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分が優れており、ＮＯ_２転化特性にはＰｔ系触媒成分が優れていることが知られていることから、従来より、この特性を利用した各種の酸化触媒が提案されている。かかる従来技術として、例えば、これらの触媒成分をスラリー状にして混合したものを触媒担体である多孔質基材に担持させた酸化触媒や、これらの触媒成分を触媒担体に多層コート状に担持させた酸化触媒がある（例えば、図１（ｂ）参照）。

しかしながら、従来技術にあっては、次のような問題があった。すなわち、従来技術の如く、Ｐｔ系の触媒成分及びＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分をスラリー状にして混合したものを触媒担体に担持させたり、或いはこれらの触媒成分を触媒担体に多層コート状に担持させてしまうと、各触媒成分の性能が相互に打ち消されてしまう。つまり、従来技術にあっては、ＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性が低下してしまい、これらのＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性をうまく両立させることができなかった。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、ＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性をうまく両立させることが可能なディーゼルエンジン用排ガス浄化システムの酸化触媒を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を試みたところ、次の（１）及び（２）の点に着眼し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明者らは、（１）多孔質基材の排ガス流入側の表面は、排ガスの乱流作用により、触媒成分と反応物質との接触頻度が特に高く、しかも、（２）排ガス中に含まれるＮＯをＮＯ_２に転化する反応速度は遅く、他方、排ガス中に含まれるＨＣを酸化する反応速度は速いことに着眼した。

そして、これらの着眼点を踏まえ、本発明では、多孔質基材の全表面に、反応速度が遅いＮＯ_２転化反応に関与する触媒成分、すなわちＮＯ_２転化特性に優れたＰｔ系の触媒成分を配置した。その上で、触媒成分と反応物質との接触頻度が特に高い多孔質基材の排ガス流入側の表面には、反応速度の速いＨＣの酸化反応に関与する触媒成分、すなわちＨＣ酸化性能に優れたＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分を集中して配置した。

要するに、本発明は、ディーゼルエンジンから排出された排ガスを浄化するためのディーゼルエンジン用排ガス浄化システムの酸化触媒であって、多孔質基材の全表面に、プラチナ（Ｐｔ）を含有する一方でパラジウム（Ｐｄ）を含有しない触媒成分（以下「Ｐｔ系の触媒成分」という。）が担持され、且つ当該触媒成分が担持された多孔質基材の排ガス流入側の表面にのみ、プラチナ（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）の双方を含有する触媒成分（以下「Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分」という。）が担持されていることを特徴とするものである。

これにより、酸化触媒全体としてのＮＯ_２転化特性を維持しつつ、さらにＨＣ酸化性能の向上を図ることが可能となる。すなわち、ＨＣ酸化性能に優れたＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分は、多孔質基材の全表面領域のうち、特にＨＣ酸化反応が起こりやすい排ガス流入側の表面領域に担持されているので、ＨＣ酸化性能を十分に発揮することとなる。しかも、Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分は、多孔質基材の排ガス流入側の表面領域にのみ局所的に担持されているにすぎない。従って、このＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分が、多孔質基材の全表面領域に担持された触媒成分の特性、すなわちＰｔ系の触媒成分によるＮＯ_２転化特性を、大幅に阻害することはないので、ＮＯ_２転化特性が十分に維持されることとなる。以上より、本発明によれば、これらのＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性をうまく両立させることが可能となる。

本発明のディーゼルエンジン用排ガス浄化システムの酸化触媒によれば、ＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性をうまく両立させることが可能となる。

まず、図１を参照しながら、従来技術と比較しつつ、本実施形態の酸化触媒１００の構成について説明する。図１は、本実施形態及び従来技術の各酸化触媒において、その多孔質基材に触媒成分を担持させた状態を示す概略図であり、（ａ）は本実施形態の酸化触媒１００、（ｂ）は従来技術の酸化触媒２００を示す。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の酸化触媒１００は、多孔質基材の全表面に、プラチナ（Ｐｔ）を含有する一方でパラジウム（Ｐｄ）を含有しない触媒成分（以下「Ｐｔ系の触媒成分」という。）１０を担持させ、且つ当該触媒成分１０が担持された多孔質基材の排ガス流入側の表面にのみ、さらにプラチナ及びパラジウム（Ｐｔ／Ｐｄ）の双方を含有する触媒成分（以下「Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分」という。）２０を担持させたものである。

他方、図１（ｂ）に示すように、従来技術の酸化触媒２００は、多孔質基材の全表面に、Ｐｔ系の触媒成分１０及びＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分２０をスラリー状にして混合したものを触媒担体に担持させたもの、或いは、これらの触媒成分１０,２０を触媒担体に多層コート状に担持させたものである。

ところで、多孔質基材の排ガス流入側の表面は、排ガスの乱流作用により、触媒成分と反応物質との接触頻度が特に高い。また、排ガス中に含まれるＮＯをＮＯ_２に転化する反応速度は遅く、他方、排ガス中に含まれるＨＣを酸化する反応速度は速い。そこで、本実施形態では、多孔質基材の全表面に、反応速度が遅いＮＯ_２転化反応に関与する触媒成分、すなわちＮＯ_２転化特性に優れたＰｔ系の触媒成分１０を配置することとした。その上で、触媒成分と反応物質との接触頻度が特に高い多孔質基材の排ガス流入側の表面には、反応速度の速いＨＣの酸化反応に関与する触媒成分、すなわちＨＣ酸化性能に優れたＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分２０を集中して配置することとした。

要するに、本実施形態の酸化触媒１００では、まず、ＮＯ_２転化特性に優れたＰｔ系の触媒成分１０を、多孔質基材の全表面にコーティングし、その上で、ＨＣ酸化性能に優れたＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分２０を、当該多孔質基材の排ガス流入側の表面に重ねてコーティングしたものである。本実施形態において、Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分２０をコーティングする領域は、多孔質基材の排ガス流入側の端部からの領域が当該多孔質基材の全体に対して５〜１５％（体積比）の範囲内となる領域が好ましい。当該領域が５％未満の場合には、Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分２０を担持させた領域が狭すぎて、Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分２０の作用によるＨＣ酸化性能が不十分となってしまう。他方、当該領域が１５％を超える場合には、Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分２０を担持させた領域が広すぎて、Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分２０がＰｔ系の触媒成分１０の作用を打ち消してしまい、Ｐｔ系の触媒成分１０の作用によるＮＯ_２転化特性が不十分となってしまう。

次に、図２を参照しながら、従来技術と比較しつつ、本実施形態の酸化触媒１００の作用効果について説明する。図２は、本実施形態及び従来技術等の各酸化触媒において、ＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性の相関関係を示す図である。なお、同図に示す各性能は、排ガス温度が１７０〜３００℃における性能を示すものであり、縦軸のＨＣ酸化性能は、ＨＣが５０％浄化したときの温度（「ＨＣ Ｔ５０」）を示し、横軸のＮＯ_２転化特性は、排ガス温度が２５０℃のときのＮＯからＮＯ_２への転化率（「ＮＯ_２ Ｃ２５０」）を示すものである。

図２に示すように、本実施形態の酸化触媒１００は、従来技術の酸化触媒２００と比べ、ＨＣ酸化性能の点で優れ、しかも、ＮＯ_２転化特性の点でも優れている。

すなわち、従来技術の酸化触媒２００の場合には、多孔質基材の全表面にＰｔ／Ｐｄ系の触媒成分のみをコーティングしたもの（以下「Ｐｔ／Ｐｄ触媒」という。）と比べ、ＮＯ_２転化特性の点では優れた結果を示すものの、ＨＣ酸化性能の点では劣る結果を示すこととなる。また、従来技術の酸化触媒２００の場合には、多孔質基材の全表面にＰｔ系の触媒成分のみをコーティングしたもの（以下「Ｐｔ触媒」という。）と比べ、ＨＣ酸化性能の点では優れた結果を示すものの、ＮＯ_２転化特性の点では劣る結果を示すこととなる。

これに対し、本実施形態の酸化触媒１００の場合には、Ｐｔ／Ｐｄ触媒と比べ、ＮＯ_２転化特性の点で優れた結果を示すとともに、ＨＣ酸化性能の点でも、このＰｔ／Ｐｄ触媒とほぼ同等の結果を示すこととなる。また、本実施形態の酸化触媒１００の場合には、Ｐｔ触媒と比べ、ＨＣ酸化性能の点で優れた結果を示すとともに、ＮＯ_２転化特性の点でも、このＰｔ触媒とほぼ同等の結果を示すこととなる。そして、本実施形態の酸化触媒１００は、ＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性いずれの点でも、従来技術の酸化触媒２００よりも優れた作用効果を奏することとなる。

＝＝＝実施例＝＝＝
次に、図３及び図４を参照しながら、従来例と比較しつつ、本発明の実施例について説明する。図３は、本実施例及び従来例等の各酸化触媒において、ＨＣ酸化性能（ＨＣの浄化率（％））と排ガス温度との関係を示すグラフ、図４は、本実施例及び従来例等の各酸化触媒において、ＮＯ_２転化特性（ＮＯ_２の転化率（％））と排ガス温度との関係を示すグラフである。

本実施例及び従来例では、酸化触媒として、いずれも図１に示すものを使用した。すなわち、本実施例では、酸化触媒として、多孔質基材の全表面にＰｔ触媒成分を担持させ、且つ多孔質基材の排ガス流入側の端部からの領域が、当該多孔質基材の全領域に対して１０％（体積比）となる領域にのみ、Ｐｔ／Ｐｄ触媒成分を担持させたものを使用した。一方、従来例では、酸化触媒として、Ｐｔ，Ｐｔ／Ｐｄの各触媒成分を巣スラリー状にして混合したものを、多孔質基材の全表面に担持させたものを使用した。

また、本実施例及び従来例では、ＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性を次のようにして評価した。すなわち、本実施例及び従来例では、いずれも直径１インチ×長さ２インチのコーディライト製ハニカム担体に、前述した触媒成分をコーティングしたものをサンプルとして用いた。そして、このサンプルに排ガスを模擬した混合ガスを流通させ、その混合ガスを＋３０℃／ｍｉｎで昇温させて、それぞれの温度帯でのＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性を評価した。その際の評価条件を表１に示す。

＜ＨＣ酸化性能＞
図３に示すように、ＨＣ酸化性能について見ると、排ガス温度が１７０℃未満及び３００℃を超える領域では、本実施例の酸化触媒は、従来例の酸化触媒とほぼ同等の結果を示したにすぎなかった。

より具体的に説明すると、排ガス温度が１７０℃未満の領域では、本実施例の酸化触媒、従来例の酸化触媒、Ｐｔ触媒、及びＰｔ／Ｐｄ触媒は、いずれもＨＣ酸化性能の指標であるＨＣの浄化率（％）が、ほぼ０％の低い値を示した。他方、排ガス温度が３００℃を超える領域では、これらの触媒は、いずれもＨＣの浄化率（％）が、ほぼ１００％の高い値を示した。

ところが、排ガス温度が１７０℃〜３００℃の領域では、本実施例の酸化触媒は、従来例の酸化触媒と比べ、ＨＣ酸化性能の点で優れた結果を示した。すなわち、排ガス温度が１７０℃〜３００℃の領域では、従来例の酸化触媒の場合には、Ｐｔ触媒より優れた結果を示したものの、Ｐｔ／Ｐｄ触媒より劣る結果を示した。これに対し、本実施例の酸化触媒の場合には、Ｐｔ触媒よりも優れた結果を示し、しかも、Ｐｔ／Ｐｄ触媒とほぼ同等の優れた結果を示した。

＜ＮＯ_２転化特性＞
また、図４に示すように、ＮＯ_２転化特性について見ると、排ガス温度が１７０℃未満及び３００℃を超える領域では、本実施例の酸化触媒は、従来例の酸化触媒とほぼ同等の結果を示したにすぎなかった。

より具体的に説明すると、排ガス温度が１７０℃未満の領域では、本実施例の酸化触媒、従来例の酸化触媒、Ｐｔ触媒、及びＰｔ／Ｐｄ触媒は、いずれもＮＯ_２転化特性の指標であるＮＯ_２の転化率（％）が、ほぼ０％の低い値を示した。他方、排ガス温度が３００℃を超える領域では、これらの触媒は、いずれもＮＯ_２の転化率（％）が、８０％前後の高い値を示した。但し、これらの触媒は、いずれも排ガス温度が３５０℃を超える領域では、当該転化率（％）が減少傾向を示し、排ガス温度が４００℃付近では、当該転化率（％）が７０％程度まで減少した。

ところが、排ガス温度が１７０℃〜３００℃の領域では、本実施例の酸化触媒は、従来例の酸化触媒と比べ、ＨＣ酸化性能の点で優れた結果を示した。すなわち、排ガス温度が１７０℃〜３００℃の領域では、従来例の酸化触媒の場合には、Ｐｔ／Ｐｄ触媒よりも優れた結果を示したものの、Ｐｔ触媒よりは劣る結果を示した。これに対し、本実施例の酸化触媒の場合には、Ｐｔ／Ｐｄ触媒よりも優れた結果を示し、しかも、Ｐｔ触媒とほぼ同等の優れた結果を示した。

以上の通り、本実施例の酸化触媒は、従来例の酸化触媒と比べ、ＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性いずれの点でも優れた作用効果を奏する。従って、本発明の酸化触媒によれば、ＨＣ酸化性能及びＮＯ_２転化特性をうまく両立させることが可能となる。

本実施形態及び従来技術の各酸化触媒において、その多孔質基材に触媒成分を担持させた状態を示す概略図である。 本実施形態及び従来技術等の各酸化触媒において、ＨＣ酸化性能（「ＨＣ Ｔ５０」）及びＮＯ_２転化特性（「ＮＯ_２ Ｃ２５０」）の相関関係を示す図である。 本実施例及び従来例等の各酸化触媒において、ＨＣ酸化性能と排ガス温度との関係を示すグラフである。 本実施例及び従来例等の各酸化触媒において、ＮＯ_２転化特性と排ガス温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ Ｐｔ系の触媒成分
２０ Ｐｔ／Ｐｄ系の触媒成分
１００ 本実施形態の酸化触媒
２００ 従来技術の酸化触媒

Claims (1)

1. ディーゼルエンジンから排出された排ガスを浄化するためのディーゼルエンジン用排ガス浄化システムの酸化触媒であって、
   ハニカム担体の全表面に、プラチナを含有する一方でパラジウムを含有しない触媒成分が担持され、且つ当該触媒成分が担持されたハニカム担体の排ガス流入側の端部からの領域が、該ハニカム担体の全領域に対して体積比で５〜１５％の範囲内となる領域の表面にのみ、プラチナ及びパラジウムの双方を含有する触媒成分が担持されていることを特徴とするディーゼルエンジン用排ガス浄化システムの酸化触媒。