JP6767603B1 - 排気ガス浄化用触媒、その製造方法及びそれを用いた排気ガス浄化方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(第1形態)
本発明の第1は、耐火性三次元構造体上に、下触媒層及び上触媒層の少なくとも2層を有する排気ガス浄化用触媒であって、下触媒層及び上触媒層は、それぞれ独立して、貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、上触媒層の少なくとも一部は、燃焼分解温度が150℃以上400℃以下である空孔連結物質、貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、空孔連結物質の含有割合が1000℃で加熱した際の全固形分に対して20質量%未満である上触媒層形成用スラリーを、下触媒層の上に塗布した後、燃焼分解温度に対して−150℃を超えて+50℃以下の温度で酸素含有ガス中で保持することを有する製造方法により形成されてなる、排気ガス浄化用触媒に関する。本形態に係る排気ガス浄化用触媒は、上記構成を有することにより、排気ガス中に含まれるHC、CO及びNOxを効率よく浄化することができる。本形態に係る触媒がこのような効果を奏するメカニズムは定かではないが、本発明者らは以下のように推測している。ただし、下記メカニズムによって本発明が限定されるものではない。
本発明の第2は、耐火性三次元構造体上に、下触媒層及び上触媒層の少なくとも2層を有する排気ガス浄化用触媒であって、下触媒層及び上触媒層は、それぞれ独立して、貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、下触媒層の平均厚みに対する、上触媒層の平均厚みの比が0.9以上2.0以下である、排気ガス浄化用触媒に関する。本形態に係る排気ガス浄化用触媒は、上記構成を有することにより、排気ガス中に含まれるHC、CO及びNOxを効率よく浄化することができる。
耐火性三次元構造体は、下記で説明する触媒層を担持する担体として機能する。耐火性三次元構造体は、当該分野で通常使用されるものを制限なく使用することができる。耐火性三次元構造体としては、例えば、貫通口(ガス通過口、セル形状)が三角形、四角形、六角形を有するハニカム担体等が使用できる。耐火性三次元構造体は一体成形型のものが好ましく、例えば、モノリス担体、メタルハニカム担体、パンチングメタル等が好ましく用いられる。
下触媒層は、耐火性三次元構造体上に位置する。なお、本発明に係る触媒は、下触媒層と耐火性三次元構造体との間に他の触媒層を有しても構わないが、下触媒層が耐火性三次元構造体の直上に設けられる(下触媒層が耐火性三次元構造体と隣接する)ことが好ましい。
本発明に係る触媒は、上触媒層が、流入側上触媒層と、流出側上触媒層とを有することが好ましい。ここで、流入側上触媒層とは、耐火性三次元構造体の流入側端面から形成されている上触媒層を指す。一方、流出側上触媒層とは、耐火性三次元構造体の流出側端面から形成されている上触媒層を指す。これらの層は、触媒層に含まれる成分の種類、組成、担持量及び触媒層の厚みの少なくとも1つの点で、互いに異なる。
貴金属は、排気ガス中のHC若しくはCOの酸化反応、又は、NOxの還元反応の触媒として機能する。貴金属の種類は特に制限されないが、具体的には、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)などが挙げられる。これらの貴金属は、単独で又は2種以上を組み合わせて使用されてもよい。
アルミナ(Al2O3)は、主に貴金属を担持する担体として機能しうる。アルミナとしては、γ、δ、η、θ−アルミナなどの活性アルミナ、ランタナ含有アルミナ、セリア含有アルミナなどが挙げられる。これらのアルミナは、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用しても構わない。これらのうち、高温耐久性及び高比表面積の観点から、γ、δ、又はθ−アルミナ、ランタナ含有アルミナ、セリア含有アルミナが好ましい。
セリウム−ジルコニウム複合酸化物(CeO2−ZrO2)は、主に、酸素吸蔵放出材として作用しうる。ここで、酸素吸蔵放出材は、運転状況に応じて変化する空燃比(A/F)の変動に応じて、酸化雰囲気(リーン)では酸素を吸蔵し、還元雰囲気(リッチ)では酸素を放出することにより、酸化・還元反応を安定して進行させる機能を有する。
本発明の触媒は、貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物に加えて、本発明の触媒の効果を低下させないものであれば、他の添加成分をさらに含んでもよい。ここで、他の添加成分としては、特に制限されず、当該分野において通常使用できる成分を同様にして使用できる。具体的には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、又はそれらの酸化物若しくは硫化物などが挙げられる。
下触媒層の形成方法は、特に制限されず、公知の手法を適宜参照して形成することができる。一例を挙げると、貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物、並びに任意に含まれる他の成分の原料を含む下触媒層形成用スラリーを耐火性三次元構造体上に塗布した後、乾燥及び/又は焼成することにより下触媒層を形成することができる。
下触媒層形成用スラリーは、貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物、並びに任意に含まれる他の成分の原料を、水性媒体中で混合し、湿式粉砕することにより調製される。
次に、下触媒層形成用スラリーを耐火性三次元構造体上に塗布する。塗布方法としては、ウォッシュコートなどの公知の方法を適宜採用することができる。下触媒層形成用スラリーの塗布量は、スラリー中の固形分の量や、形成する触媒層の厚み等に応じて当業者が適宜設定することができ、好ましくは、下触媒層中の貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物、並びに任意に含まれる他の成分の量が上記範囲となるような量である。
次に、耐火性三次元構造体上に形成された下触媒層形成用スラリーからなる塗膜を乾燥する。乾燥は、空気中で;好ましくは50〜170℃、より好ましくは70〜150℃の温度で;好ましくは5分間〜10時間、より好ましくは15分間〜3時間行われる。
次に、乾燥後の塗膜を焼成する。これにより、各成分(貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物、並びに任意に含まれる他の成分)が耐火性三次元構造体上に付着する。また、焼成により、触媒層中に残存している窒素含有成分、水素含有成分、炭素含有成分が除去される。
第1形態に係る触媒は、上触媒層の少なくとも一部が、燃焼分解温度が150℃以上400℃以下である空孔連結物質、貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、空孔連結物質の含有割合が1000℃で加熱した際の全固形分に対して20質量%未満である上触媒層形成用スラリーを、下触媒層の上に塗布した後、燃焼分解温度に対して−150℃を超えて+50℃以下の温度で酸素含有ガス中で保持することを有する製造方法により形成されることを特徴とする。以下では、当該製造方法について詳細に説明する。なお、第2形態に係る触媒における上触媒層の形成方法は、特に制限されず、公知の手法を適宜参照して形成することができるが、好ましくは、上記の第1形態に係る触媒と同様の製造方法により製造される。
上触媒層形成用スラリーは、燃焼分解温度が150℃以上400℃以下である空孔連結物質、貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物、並びに任意に含まれる他の成分の原料を、水性媒体中で混合し、湿式粉砕することにより調製される。
次に、上触媒層形成用スラリーを下触媒層の上に塗布する。塗布方法としては、ウォッシュコートなどの公知の方法を適宜採用することができる。上触媒層形成用スラリーの塗布量は、スラリー中の固形分の量や、形成する触媒層の厚み等に応じて当業者が適宜設定することができ、好ましくは、上触媒層中の貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物、並びに任意に含まれる他の成分の量が上記範囲となるような量である。
次に、必要に応じて、下触媒層の上に形成された上触媒層形成用スラリーからなる塗膜を乾燥してもよい。乾燥は、空気中で;好ましくは50〜170℃、より好ましくは70〜150℃の温度で;好ましくは5分間〜10時間、より好ましくは15分間〜3時間行われる。
次に、上触媒層形成用スラリーからなる塗膜を、燃焼分解温度に対して−150℃を超えて+50℃以下の温度で酸素含有ガス中で保持する。本明細書において、当該工程を、単に「空孔連結工程」とも称する。当該工程により、空孔連結物質を燃焼分解させて、乾燥スラリー塗膜(触媒前駆層)中の空孔連結物質をガス塊として除去し、好ましい細孔を形成させる。これに対して、空孔連結工程を経ず、乾燥工程及び/又は焼成工程を行う場合には、好ましい細孔が形成されないことから、所望の排気ガス浄化性能が発揮されない。
次に、空孔連結工程を経た後の塗膜を焼成する。これにより、各成分(貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物、並びに任意に含まれる他の成分)が下触媒層の上に付着する。また、焼成により、触媒層中に残存している窒素含有成分、水素含有成分、炭素含有成分が除去される。
本発明の第4は、上記の排気ガス浄化用触媒、又は、上記の製造方法により製造された排気ガス浄化用触媒を用いて、リン化合物含有排気ガスを浄化することを有する、排気ガス浄化方法に関する。本発明に係る排気ガス浄化用触媒は、排気ガス中のリン化合物に長期間曝された場合にも排気ガスを浄化することができる。
硝酸パラジウム水溶液、アルミナ(Al2O3、BET比表面積:148m2/g、平均二次粒子径:63μm)、セリウム−ジルコニウム複合酸化物(CeO2−ZrO2、BET比表面積:78m2/g、平均二次粒子径:5.9μm、CeO2含有率30質量%)、酢酸ランタン、及び硫酸バリウム(BaSO4)を、質量比がパラジウム(Pd):Al2O3:CeO2−ZrO2:酸化ランタン(La2O3):BaSO4の換算で3.5:38:28:0.4:9となるように、それぞれ秤量した。秤量した各原料を脱イオン水に加え、ボールミルにてスラリー中の固形分の平均二次粒子径が5.0μmとなるまで湿式粉砕することでスラリーa1を調製した。耐火性三次元構造体として、直径103mm、長さ105mm、円筒形の0.875L、1平方インチ(1インチ=25.4mm)あたり600セル、セル壁厚み2.5mil(1mil=0.0254mm)のコージェライト担体に、スラリーa1を焼成後の担持量が78.9g/Lとなるように、流入側端面から流出側端面まで塗布し、150℃で15分間乾燥後、550℃で30分間焼成し、耐火性三次元構造体に下触媒層を設けたA1を得た。
30mgの空孔連結物質(試料)を、キャリヤーガス(空気)を流通させたTG−DTA(ブルカー・エイエックスエス社製、商品名:TG−DTA2020SR)の天秤にセットし、ベースラインが安定した後、100ml/分で空気流通下、25℃から800℃まで10℃/分の速度で昇温する条件下で、試料が燃焼分解する時の示差熱を測定する。ここで、燃焼分解とは、TG−DTA測定データのDTAプロファイルにおいて、試料30mgあたり100μV以上の示差熱を発生し、その後、それ以上の示差熱を発生しない状態を意味し、上記状態(示差熱が最大の状態)を示す温度を「空孔連結物質の燃焼分解温度(℃)」とする。
実施例1において得られたA1に、スラリーa2を、焼成後の担持量が33.55g/Lとなるように、流出側端面から47.5mmの位置まで塗布し、150℃で15分間乾燥後、550℃で30分間焼成することで耐火性三次元構造体に下触媒層、及び流出側上触媒層を設けたB1を得た。スラリーa3を、焼成後の担持量が33.55g/Lとなるように、B1の流入側端面から47.5mmまで塗布し、150℃で15分間乾燥後、空気中で280℃で10分間保持し、空孔を形成させた。次に、550℃で30分間焼成することで、耐火性三次元構造体に下触媒層、流入側上触媒層(空孔あり)、長さ10mmの中間領域、及び流出側上触媒層を設けた触媒Bを得た。
実施例1において得られたA1に、スラリーa3を、焼成後の担持量が67.1g/Lとなるように、流入側端面から流出側端面まで(全長105mm)塗布し、150℃で15分間乾燥後、空気中で280℃で10分間保持し、空孔を形成させた。次に、550℃で30分間焼成することで、耐火性三次元構造体に下触媒層及び上触媒層(空孔あり)を設けた触媒Cを得た。
耐火性三次元構造体として、直径103mm、長さ105mm、円筒形の0.875L、1インチあたり600セル、セル壁厚み2.5milのコージェライト担体に、スラリーa1を、焼成後の担持量が39.45g/Lとなるように、流入側端面から47.5mmまで塗布し、150℃で15分間乾燥後、550℃で30分間焼成し、耐火性三次元構造体に流入側下触媒層を設けたD1を得た。
比較例1において得られたスラリーd1を同様のコージェライト担体に焼成後の担持量が78.9g/Lとなるように、流入側端面から流出側端面まで(全長105mm)塗布し、150℃で15分間乾燥後、空気中で280℃で10分間保持し、空孔を形成させた。次に、550℃で30分間焼成し、耐火性三次元構造体に下触媒層を設けたE1を得た。
実施例1において得られたA1に、スラリーa2を、焼成後の担持量が67.1g/Lとなるように、流入側端面から流出側端面まで(全長105mm)塗布し、150℃で15分間乾燥後、550℃で30分間焼成することで、耐火性三次元構造体に下触媒層及び上触媒層を設けた触媒Fを得た。
実施例1〜3及び比較例1〜3で得られた触媒A〜Fについて、空孔連結物質を用いて、空孔を形成させた触媒層を○で表し、空孔連結物質を用いなかった触媒層を−で表1に表記した。
実施例1〜3及び比較例1〜3で得られた触媒A〜Fを、それぞれ、V型8気筒、4.6リットルエンジンの排気口から25cm下流側に設置した。触媒入口部のA/Fを14.6、触媒床部の温度を1000℃として運転し、続いて触媒入口部のA/Fを13.8として運転し、続いて燃料供給を停止して運転するサイクルを繰り返し、合計100時間運転し、熱処理を行った。
リン被毒処理後の各触媒を、それぞれ、直列6気筒、2.4リットルエンジン排気口から30cm下流側に設置した。A/Fを14.6で運転し、触媒床部温度を100℃から500℃まで1800℃/分で昇温させた。触媒出口から排出されるガスをサンプリングし、CO、THC、NOxの各浄化率を算出した。各浄化率が20%に達する時の温度をT20として、T20に達するまでの時間を図1に示す。リン被毒処理後のT20に達する時間が短いほど早期に20%の排気ガスが浄化されることを意味し、リン被毒処理後も高い排気ガス浄化性能を有していることを示している。
本出願に係る発明の要旨は以下のとおりである。
(1)耐火性三次元構造体上に、下触媒層及び上触媒層の少なくとも2層を有する排気ガス浄化用触媒であって、
前記下触媒層及び前記上触媒層は、それぞれ独立して、貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、
前記上触媒層の少なくとも一部は、燃焼分解温度が150℃以上400℃以下である空孔連結物質、貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、前記空孔連結物質の含有割合が1000℃で加熱した際の全固形分に対して20質量%未満である上触媒層形成用スラリーを、前記下触媒層の上に塗布した後、前記燃焼分解温度に対して−150℃を超えて+50℃以下の温度で酸素含有ガス中で保持することを有する製造方法により形成されてなる、排気ガス浄化用触媒。
(2)前記下触媒層の平均厚みに対する、前記上触媒層の平均厚みの比が0.9以上2.0以下である、(1)に記載の排気ガス浄化用触媒。
(3)耐火性三次元構造体上に、下触媒層及び上触媒層の少なくとも2層を有する排気ガス浄化用触媒であって、
前記下触媒層及び前記上触媒層は、それぞれ独立して、貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、
前記下触媒層の平均厚みに対する、前記上触媒層の平均厚みの比が0.9以上2.0以下である、排気ガス浄化用触媒。
(4)前記上触媒層は、流入側上触媒層と、流出側上触媒層と、を有し、
前記流入側上触媒層の単位長さ当たりに含まれるアルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物の合計量に対する、前記流出側上触媒層の単位長さ当りに含まれるアルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物の合計量の割合が0.8以上1.2以下である、(1)〜(3)のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒。
(5)前記流入側上触媒層の厚みと、前記流出側上触媒層との厚みとが異なり、
これらの厚みの差が5μm以上85μm以下である、(4)に記載の排気ガス浄化用触媒。
(6)前記流入側上触媒層の厚みに対する、前記流出側上触媒層の厚みの割合が1.1以上3.9以下である、(4)または(5)に記載の排気ガス浄化用触媒。
(7)前記流入側上触媒層の厚みに対する、前記流出側上触媒層の厚みの割合が0.26以上0.91以下である、(4)または(5)に記載の排気ガス浄化用触媒。
(8)前記流入側上触媒層と、前記流出側上触媒層との間に、上触媒層が形成されていない中間領域が0mm超30mm以下存在する、(4)〜(7)のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒。
(9)前記上触媒層に含まれる貴金属は、パラジウム及び/又はロジウムを含む、(1)〜(8)のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒。
(10)ガソリンエンジンから排出される排気ガスを浄化するための触媒である、(1)〜(9)のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒。
(11)貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含む下触媒層形成用スラリーを耐火性三次元構造体上に塗布し、熱処理することにより下触媒層を形成する工程と、
燃焼分解温度が150℃以上400℃以下である空孔連結物質、貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、前記空孔連結物質の含有割合が1000℃で加熱した際の全固形分に対して20質量%未満である上触媒層形成用スラリーを、前記下触媒層の上に塗布した後、前記燃焼分解温度に対して−150℃を超えて+50℃以下の温度で酸素含有ガス中で保持した後、焼成する工程と、
を有する排気ガス浄化用触媒の製造方法。
(12)(1)〜(10)のいずれかに記載の排気ガス浄化用触媒、又は、(11)に記載の製造方法により製造された排気ガス浄化用触媒を用いて、リン化合物含有排気ガスを浄化することを有する、排気ガス浄化方法。
Claims (9)
- 耐火性三次元構造体上に、下触媒層及び上触媒層の少なくとも2層を有する排気ガス浄化用触媒であって、
前記下触媒層及び前記上触媒層は、それぞれ独立して、貴金属、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、
前記下触媒層の平均厚みに対する、前記上触媒層の平均厚みの比が0.9以上2.0以下であり、
前記上触媒層の少なくとも一部は、燃焼分解温度が150℃以上400℃以下である空孔連結物質、貴金属前駆体、アルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物を含み、前記空孔連結物質の含有割合が1000℃で加熱した際の全固形分に対して20質量%未満である上触媒層形成用スラリーを、前記下触媒層の上に塗布した後、前記燃焼分解温度に対して−150℃を超えて+50℃以下の温度で酸素含有ガス中で保持することを有する製造方法により形成されてなる、排気ガス浄化用触媒。 - 前記上触媒層は、流入側上触媒層と、流出側上触媒層と、を有し、
前記流入側上触媒層の単位長さ当たりに含まれるアルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物の合計量に対する、前記流出側上触媒層の単位長さ当りに含まれるアルミナ及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物の合計量の割合が0.8以上1.2以下である、請求項1に記載の排気ガス浄化用触媒。 - 前記流入側上触媒層の厚みと、前記流出側上触媒層との厚みとが異なり、
これらの厚みの差が5μm以上85μm以下である、請求項2に記載の排気ガス浄化用触媒。 - 前記流入側上触媒層の厚みに対する、前記流出側上触媒層の厚みの割合が1.1以上3.9以下である、請求項2または3に記載の排気ガス浄化用触媒。
- 前記流入側上触媒層の厚みに対する、前記流出側上触媒層の厚みの割合が0.26以上0.91以下である、請求項2または3に記載の排気ガス浄化用触媒。
- 前記流入側上触媒層と、前記流出側上触媒層との間に、上触媒層が形成されていない中間領域が0mm超30mm以下存在する、請求項2〜5のいずれか1項に記載の排気ガス浄化用触媒。
- 前記上触媒層に含まれる貴金属は、パラジウム及び/又はロジウムを含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の排気ガス浄化用触媒。
- ガソリンエンジンから排出される排気ガスを浄化するための触媒である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の排気ガス浄化用触媒。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の排気ガス浄化用触媒を用いて、リン化合物含有排気ガスを浄化することを有する、排気ガス浄化方法。
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