JP5899525B2 - 排気ガス浄化用触媒およびそれを担持する触媒体 - Google Patents
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Description
排気ガス成分である一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)を酸化し、さらに窒素酸化物(NOx)を効率良く還元することができる排気ガス浄化用触媒を提供することにある。さらに、本発明の課題は、浄化開始温度が300℃以下と低く、かつ排気ガスに含まれる各ガス成分の浄化効率が99%以上である排気ガス浄化用触媒を提供することにある。
本発明の排気ガス浄化用触媒は、炭素材料と、鉄化合物と、セリウム化合物と、を含有する組成物を加熱して得られる触媒前駆体にパラジウム化合物を含有させたことを特徴とするものである。以下、排気ガス浄化用触媒を構成する各成分について説明する。
本発明の排気ガス浄化用触媒に使用できる炭素材料としては、触媒成分である鉄化合物中の鉄原子及びセリウム化合物中のセリウム原子の触媒活性を低減させることなく、炭素材料中の炭素が触媒活性を発揮することができるものであれば、特に制限されるものではない。炭素材料としては、グラファイト、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ナノダイヤ、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン等を例示することができる。
排気ガス浄化用触媒に使用できる鉄化合物としては、鉄の酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、硫化物、硫酸塩、亜硫酸塩、有機酸塩、炭化鉄、及びフェロシアン化鉄等の鉄錯体、鉄フタロシアンニンの群の中から選ばれた少なくとも1種類以上の鉄化合物等が挙げられる。
排気ガス浄化用触媒に使用できるセリウム化合物としては、セリウムの酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、錯体、硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、硫化物、硫酸塩、亜硫酸塩、有機酸塩等を使用することができる。
本発明の排気ガス浄化用触媒の触媒前駆体は、上記の炭素材料、鉄化合物及びセリウム化合物を含有する組成物を加熱処理して得られ、炭素原子、鉄原子、及びセリウム原子を含有する。
本発明の排気ガス浄化用触媒は、炭素材料、鉄化合物及びセリウム化合物を含有する組成物を加熱して得られる触媒前駆体に、さらにパラジウム化合物を含有する四元酸化還元触媒である。
本発明の排気ガス浄化用触媒は、触媒担体に担持することにより触媒体とすることもできる。上記排気ガス浄化用触媒を表面積が大きく、高温度における耐久性を有する触媒担体に担持することにより、浄化活性及び高温度における耐久性を向上させることができる。
本発明の排気ガス浄化用触媒は、いわゆる酸化触媒としても還元触媒としても機能する。上記排気ガス浄化用触媒は、酸化雰囲気において、一酸化炭素(CO)を酸化し二酸化炭素(CO2)にすることができ、酸化する温度が200℃以上になると活性が向上することによってCOからCO2への転化率が向上し、250℃以上になるとさらに転化率が向上し、300℃以上になると転化率はほぼ100%になりほぼ完全に一酸化炭素(CO)を浄化することができる。また、アンモニア、硫黄酸化物(SOx)、及び硫化水素(H2S)もそれぞれ窒素(N2)、硫酸、水等に転化することができる。
NOx転化率={(入口のNOモル流量十NO2モル流量)−(出口のNOモル流量十NO2モル流量)}/(入口のNOモル流量十NO2モル流量)×100%
C3H6転化率=(入口のC3H6モル流量一出口のC3H6モル流量)/(入口のC3H6モル流量)×100%
CO転化率=(入口のCOモル流量一出口のCOモル流量)/(入口のCOモル流量)×100%
H2転化率=(入口のH2モル流量一出口のH2モル流量)/(入口のH2モル流量)×100%
本発明の排気ガス浄化触媒を製造する方法は、特に制限されないが、例えば以下の工程を含む製法等が挙げられる。鉄化合物の少なくとも1種類の化合物とセリウム化合物の少なくとも1種類の化合物の溶液又は分散液を作製する。これらの化合物は、炭素表面に金属イオンとして均一に付着させるため、溶媒中から析出させることが望ましく、溶解度の高いものを使用する。溶媒も水が望ましいが、エタノール又は水とエタノールの混合液を使用することもできる。
(排気ガス浄化用触媒の製造)
本実施例で使用する排気ガス浄化用触媒を以下のようにして調製した。本実施例で使用する炭素材料は、粉末状の市販グラファイトである(和光純薬工業株式会社)。鉄を含有する鉄化合物は、硝酸鉄(III)(9水和物)(キシダ化学株式会社)である。セリウムを含有するセリウム化合物は、硝酸セリウム(III)(6水和物)(国産化学株式会社)である。ニッケルを含有するニッケル化合物は、硝酸ニッケル(II)(6水和物)(キシダ化学株式会社)である。
排気ガス浄化活性試験は、表1に示した一酸化窒素(NO)1000ppm、酸素(O2)1.0%、プロピレン(C3H6)1000ppmの混合モデルガスを流すことにより行った。上記で製造した排気ガス浄化用触媒の粉末を4層に石英砂で希釈し、この粉末を石英製の反応管(図2参照:内径6.0mm)に設置して、上記混合モデルガスを空間速度90,000ml/(g・h)で、200〜800℃もしくは1000℃の温度で流通させた。
上記で製造した排気ガス浄化用触媒を内径6.0mmの石英反応管の中心部に0.1g充填し、ガス分布を均一化するために触媒層の両側にそれぞれ0.5gの石英砂を詰めた。その後、石英反応管内にモデルガスを反応管に導入し、NOx、CO、炭化水素(C3H6)の転化率を測定した。その測定結果を図3に示す。
排気ガス浄化用触媒に含まれるパラジウム原子の構成重量分率を0.035%となるようにした以外は、実施例1と同様に排気ガス浄化試験を行った。結果を図7及び表4に示す。
排気ガス浄化用触媒を構成する炭素材料をそれぞれ1000℃にて3.0時間、窒素ガス処理(実施例3)、水素処理(実施例4)及び水蒸気処理(実施例5)した以外は実施例1と同様にして、モデルガスの処理を行い、T50とT90を測定した。上記各実施例の測定結果を図8〜図10に、T50及びT90の測定結果を表5〜表7に示す。
反応管内に触媒を入れないで、反応ガスを流し、NOx、CO、炭化水素(C3H6)、水素の転化率を実施例1と同様に測定した。その結果を図11に示す。
反応管に、炭素材料である市販のグラファイトをいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。その結果は、図12に示す。
比較例として、セリウムを用いず炭素と鉄からなる触媒として、反応管にいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。炭素原子、鉄原子の構成重量分率がそれぞれ、50%、50%である。その結果は、図13に示す。
比較例として、Feを用いず炭素とセリウムからなる触媒として、反応管にいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。炭素原子、セリウム原子の構成重量分率がそれぞれ、50%、50%である。その結果は、図14に示す。
比較例として、炭素材料を用いず鉄とセリウムからなる触媒として、反応管にいれて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。鉄原子、セリウム原子の構成重量分率がそれぞれ、25%、75%である。その結果は、図15に示す。
比較例として、炭素材料を用いずPtからなる触媒として、反応管内に排気ガス浄化用市販Pt−酸化セリウム触媒を入れて、反応ガスを流し、上記と同様に測定した。なお、Ptの担持量は1.0wt%である。その結果を図16に示す。
2 マスフローコントローラー
3 水タンク
4 水ポンプ
5 蒸発器
6 反応管
7 電気加熱炉
8 冷却器
9 ガス分析装置
10 排気ガス浄化用触媒
11 石英砂
12 石英ウール
13 熱電対
Claims (6)
- 炭素材料と、鉄化合物と、セリウム化合物と、を含有する組成物を加熱して得られる触媒前駆体にパラジウム化合物を含有させたことを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。
- 前記触媒前駆体が、前記炭素材料中の炭素原子、前記鉄化合物中の鉄原子及び前記セリウム化合物中のセリウム原子の重量分率がそれぞれ、1.0〜70.0%、5.0〜65.0%及び5.0〜90.0%であることを特徴とする請求項1記載の排気ガス浄化用触媒の製造方法。
- 前記排気ガス浄化用触媒に対する前記パラジウム化合物中のパラジウム原子の重量分率が、0.035〜0.35%であることを特徴とする請求項1又は2記載の排気ガス浄化用触媒の製造方法。
- 前記炭素材料を、水蒸気、水素ガス及び窒素ガスから選ばれるガス雰囲気下で加熱処理して製造することを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の排気ガス浄化用触媒の製造方法。
- 前記炭素材料が、グラファイトであることを特徴とする請求項1〜4いずれか1項に記載の排気ガス浄化用触媒の製造方法。
- 請求項1〜5いずれか1項に記載された排気ガス浄化用触媒の製造方法で製造された排気ガス浄化用触媒を触媒担体に担持したことを特徴とする触媒体の製造方法。
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