JPH10263416A - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents
排ガス浄化用触媒Info
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Abstract
Ox 吸蔵材の硫黄被毒を抑制して耐久性を向上させる。 【解決手段】触媒担持層の表面からの深さ100μm以
内に存在する部分が触媒担持層の体積全体の80%以上
を占めるようにした。排ガスとNOx 吸蔵材及び触媒貴
金属との接触確率が高く維持され、NOx 吸蔵材の硫黄
被毒によって生ずる硫酸塩も容易に分解してNOx 吸蔵
能が復活する。
Description
機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化用触媒
に関し、さらに詳しくは、酸素過剰の排ガス、すなわち
排ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)、水素(H2 )
及び炭化水素(HC)等の還元性成分を完全に酸化する
のに必要な酸素量より過剰の酸素を含む排ガス中の、窒
素酸化物(NOx )を効率良く還元浄化できる排ガス浄
化用触媒に関する。
て、理論空燃比(ストイキ)において排ガス中のCO及
びHCの酸化とNOx の還元とを同時に行って浄化する
三元触媒が用いられている。このような三元触媒として
は、例えばコーディエライトなどからなるハニカム形状
の担体基材にγ−アルミナからなる触媒担持層を形成
し、その触媒担持層に白金(Pt)、ロジウム(Rh)
などの触媒貴金属を担持させたものが広く知られてい
る。
動車などの内燃機関から排出される排ガス中の二酸化炭
素(CO2 )が問題とされ、その解決策として酸素過剰
雰囲気において希薄燃焼させるいわゆるリーンバーンが
有望視されている。このリーンバーンにおいては、燃料
の使用量が低減されるため、その燃焼排ガスであるCO
2 の発生を抑制することができる。
理論空燃比(ストイキ)において排ガス中のCO,H
C,NOx を同時に酸化・還元し浄化するものであっ
て、リーンバーン時の排ガスの酸素過剰雰囲気下におい
ては、NOx の還元除去に対して充分な浄化性能を示さ
ない。このため、酸素過剰雰囲気下においてもNOx を
浄化しうる触媒及び浄化システムの開発が望まれてい
た。
カリ土類金属とPtをアルミナなどの触媒担持層に担持
した排ガス浄化用触媒(例えば特開平5−317625
号公報)を提案している。この排ガス浄化用触媒を用
い、空燃比をリーン側からパルス状にストイキ〜リッチ
側となるように制御することにより、リーン側ではNO
x がアルカリ土類金属(NOx 吸蔵材)に吸蔵され、そ
れがストイキ又はリッチ側でHCやCOなどの還元性成
分と反応して浄化されるため、リーンバーンにおいても
NOx を効率良く浄化することができる。
ガスと触媒貴金属及びNOx 吸蔵材との接触確率を高く
することが必要となる。そのため触媒担持層には比表面
積の高い活性アルミナを用いるのが主流である。また担
体基材としては、幾何表面積を大きくするためにセル密
度が400セル/inch2 程度のハニカム担体基材が一般
的に用いられている。
に分散させるためには、触媒担持層の絶対量が大きいほ
ど好ましいが、触媒担持層が厚くなるとハニカム通路が
狭くなり排ガスの通気抵抗が増大するという不具合があ
る。そのため、セル密度が400セル/inch2 程度のハ
ニカム担体基材を用いた従来の排ガス浄化用触媒では、
触媒担持層の形成量はハニカム担体基材1リットル当た
り120〜240g程度とされている。
持層を形成するには、活性アルミナが主体の水性スラリ
ー中に担体基材を浸漬し、引き上げた後一端面からブロ
ーすることでセル内の余分なスラリーを吹き払った後、
乾燥・焼成して形成する方法が一般的である。
x 吸蔵材を担持した排ガス浄化用触媒においては、燃料
に含まれている硫黄(S)成分が酸化されてSO2 とな
り、それが触媒上でさらに酸化されて生成したSO3 や
SO4 がNOx 吸蔵材と反応する。これによりNOx 吸
蔵材が硫酸塩となるためNOx 吸蔵作用が消失し、NO
x の還元浄化が困難となるという不具合がある。この現
象は、NOx 吸蔵材の硫黄被毒と称されている。
の結晶化が進行する前の初期段階では、例えば650℃
以上のリッチ又はストイキ雰囲気下での還元により、N
Ox吸蔵材として再生され得る。しかし硫酸塩の結晶化
が進行すると、もはやリッチ雰囲気においても硫酸塩の
還元が困難となり、NOx 浄化性能が大幅に低下する。
ものであり、NOx 浄化能をさらに向上させるととも
に、NOx 吸蔵材の硫黄被毒を抑制して耐久性を向上さ
せることを目的とする。
明の排ガス浄化用触媒の特徴は、ハニカム形状の担体基
材と、担体基材のセル壁表面に形成された触媒担持層
と、触媒担持層に担持された触媒貴金属及びNOx 吸蔵
材と、からなる排ガス浄化用触媒において、触媒担持層
は、その表面から深さ100μm以内に存在する部分が
触媒担持層の体積全体の80%以上を占めることにあ
る。
蔵・放出作用は基本的に同一の作用と考えられ、リーン
雰囲気でNOx 吸蔵材に吸蔵されたNOx 又はSOx が
ストイキ〜リーン雰囲気で放出されて還元されるのであ
る。したがって吸蔵・放出の効率は、NOx 又はSOx
とNOx 吸蔵材との接触確率に依存する。そしてNOx
又はSOx とNOx 吸蔵材との接触確率は、ガス拡散の
性質上、触媒担持層の表面から担持されているNOx 吸
蔵材までの距離に大きく依存するはずである。
する際に用いられるスラリーは、表面張力の大きな水を
分散媒としている。したがって、そのスラリーを付着さ
せて形成される触媒担持層は、スラリーは表面張力によ
り開口部の断面が円形になろうとするため、図9に示す
ようにハニカム担体基材のセル壁表面に不均一な厚さで
形成されることとなる。
Ox 吸蔵・放出能及び硫黄被毒の程度を調査した。その
結果、表面近傍の浅い部分がNOx 及びSOx の吸蔵・
還元の効率が高く、深い場所に存在するNOx 吸蔵材ほ
ど効率が低くなることが判明した。この理由は、リッチ
スパイクのような0.1〜数秒以内の短時間の還元雰囲
気では、排ガスが触媒担持層の深部まで浸透することが
困難であるため、排ガス中の還元成分と深部のNOx 吸
蔵材に吸蔵されているNOx 又はSOx との接触が困難
となるためであろう、と推察される。
g以下とするなど、触媒担持層を薄くすればNOx 吸蔵
材のほとんどを有効利用できるが、先に述べたように触
媒貴金属やNOx 吸蔵材の分散状態が低下し、反応効率
は逆に低下してしまう。また熱による凝集も生じ易くな
るので、触媒担持層を薄くするにも限度がある。以上の
ことから、触媒担持層内の成分の重量比や全体量は従来
と同等に維持しつつ、その厚さをできるだけ均一にする
ことが望ましいことが明らかとなった。
意研究を進めた結果、触媒担持層の表面からの深さと、
その深さの分布に最適値が存在することを発見し、本発
明を完成したものである。すなわち本発明の排ガス浄化
用触媒では、表面から深さ100μm以内に存在する部
分が触媒担持層の体積全体の80%以上を占めている。
これにより排ガスとNOx 吸蔵材及び触媒貴金属との接
触確率が高く維持され、リーン時のNOx吸蔵能及びリ
ッチパルス時のNOx 放出還元能が高まるためNOx 浄
化性能が向上する。
て硫酸塩が生成するものの、リッチパルス時においても
排ガスと硫酸塩との接触が円滑に行われるため、結晶成
長する前に硫酸塩からSOx が放出されてSO2 に還元
されるとともに、NOx 吸蔵材のNOx 吸蔵能が復活す
る。これにより硫黄被毒が抑制され、高いNOx 浄化能
が長期間維持される。
部分が触媒担持層の体積全体の80%未満であると、上
記作用が奏されるのが困難となり、初期のNOx 浄化能
が低いとともに耐久後のNOx 浄化率の低下度合いが著
しく大きくなってしまう。触媒担持層の表面から深さ1
00μm以内に存在する部分が触媒担持層の体積全体の
80%以上を占めるようにするには、例えばハニカム担
体の断面積を一定としてセル数を多くする方法がある。
これによりセル壁面の表面積が増大するため、触媒担持
層の形成量を一定とすれば触媒担持層の深さが薄くな
り、表面から深さが100μm以内に存在する部分が触
媒担持層の体積全体の80%以上を占めるようにするこ
とができる。セル数を多くするのみで表面から深さが1
00μm以内に存在する部分が触媒担持層の体積全体の
80%以上を占めるようにするには、セル密度を600
セル/inch2 を超えるようにすることが望ましい。しか
しセル密度が1200セル/inch2 を超えると、通気抵
抗が大きくなって圧力損失が大き過ぎるため、現状の内
燃機関用の排ガス浄化用触媒としては相応しくない。
担持層を形成する場合においては、ハニカム担体のセル
の断面形状を六角形以上、さらには円形とすることも好
ましい。これにより、スラリーの表面張力とセル壁面形
状とのバランスがよくなり、従来と同様に触媒担持層を
形成するだけで、表面から深さが100μm以内に存在
する部分が触媒担持層の体積全体の80%以上を占める
ようにすることができる。ただ、複数のセルを限られた
容積内に多数個配置するには、断面形状を正六角形とす
るのが望ましい。それより辺の多い多角形や円形の断面
形状では、セル以外の部分のデッドスペースが多くなる
ため好ましくない。
するには、そのようにハニカム担体を作製してもよい
し、断面四角形のセルをもつ場合には断面の四隅に充填
材を充填して断面を略八角形とすることもできる。但
し、充填材の分だけセルの容積が低下して通気抵抗が上
昇するので、ハニカム担体基材自体をセル断面が六角形
以上になるように形成することが望ましい。
な液体を用いてスラリーを調製し、それをハニカム担体
にコートして触媒担持層を形成しても、水の場合に比べ
て触媒担持層の厚さを均一とすることが可能である。し
かし有機溶媒を用いる場合には、大気汚染を防止するた
めの手段が必要となって設備の費用が嵩み、またコート
回数が増大する場合もあって工数が増大するという問題
がある。
などの耐熱性無機酸化物からなるモノリス担体基材や、
金属製のメタル担体基材を用いることができる。触媒担
持層の材質としては、γ−アルミナ、θ−アルミナ、シ
リカ、ジルコニア、チタニア、シリカ−アルミナ、ゼオ
ライトなどから一種又は複数種を選択して用いることが
できる。
ウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(I
r)、オスミウム(Os)、銀(Ag)などが例示され
る。また、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、ニッケル
(Ni)、コバルト(Co)、クロム(Cr)などの卑
金属を併用してもよい。その担持量は、いずれの貴金属
でも、触媒担持層100gに対して0.1〜20gが好
ましく、0.5〜10gが特に好ましい。触媒貴金属の
担持量をこれ以上増加させても活性は向上せず、その有
効利用が図れない。また触媒貴金属の担持量がこれより
少ないと、実用上十分な活性が得られない。
ルカリ土類金属及び希土類金属から選ばれる少なくとも
一種の元素を用いることができる。アルカリ金属として
はリチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム
(K)、セシウム(Cs)が挙げられる。また、アルカ
リ土類金属とは周期表2A族元素をいい、マグネシウム
(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(S
r)、バリウム(Ba)が挙げられる。また希土類金属
としてはランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセ
オジム(Pr)などが挙げられる。
0gに対して0.01〜1.0モルの範囲が望ましい。
担持量が0.01モルより少ないとNOx 吸蔵能力が小
さくNOx 浄化性能が低下し、1.0モルを超えて含有
しても、NOx 吸蔵能力が飽和すると同時にHCのエミ
ッションが増加するなどの不具合が生じる。なお、NO
x 吸蔵材及び触媒貴金属を触媒担持層に担持させるに
は、その塩化物や硝酸塩等を用い、含浸法、噴霧法、ス
ラリー混合法などを利用して従来と同様に担持させるこ
とができる。
的に説明する。 (実施例1)図1に本発明の一実施例の排ガス浄化用触
媒の端面の拡大断面図を示す。この排ガス浄化用触媒
は、モノリス担体1と、モノリス担体1のセル壁表面に
形成された触媒担持層2とから構成され、触媒担持層2
にはPt3とBa4とが担持されている。以下、この排
ガス浄化用触媒の製造方法を説明して、構成の詳細な説
明に代える。
モノリス担体1を用意した。セルの断面形状は正六角形
であり、全体の断面積は83cm2 、セル密度は400
セル/inch2 、容積は1.3リットルである。次に、γ
−アルミナ粉末100重量部と、アルミナを20重量%
含むアルミナゾル3重量部と、水200重量部とからな
るスラリーを用意し、上記モノリス担体1をこのスラリ
ーに浸漬後引き上げて余分なスラリーを吹き払い、12
0℃で6時間乾燥後、500℃で3時間焼成して触媒担
持層2を形成した。触媒担持層2のコート量は、モノリ
ス担体1リットル当たり190gである。
を所定濃度の白金テトラアンミンヒドロキシド水溶液に
2時間浸漬し、引き上げて余分な水滴を吹き払った後、
250℃で1時間乾燥して触媒担持層1にPt3を担持
した。Pt3の担持量はモノリス担体1リットル当たり
1.5gである。さらに、Pt3が担持された触媒担持
層2をもつモノリス担体1を所定濃度の酢酸バリウム水
溶液に1時間浸漬し、引き上げて余分な水滴を吹き払っ
た後、250℃で1時間乾燥して触媒担持層2にBa4
を担持した。Ba4の担持量はモノリス担体1リットル
当たり0.2モルである。
持層2の存在深さ別のコート体積分布を顕微鏡写真の画
像処理により測定した。結果を図2に、それを浅い方か
ら積算したものを図3に示す。図2及び図3からわかる
ように、触媒担持層2は表面から深さ100μm以内に
存在する部分が全体の88%を占めている。 (実施例2)モノリス担体のセルの断面形状を正方形と
し、セル密度を900セル/inch2としたこと以外は実
施例1と同様にして、実施例2の触媒を調製した。そし
て同様にして触媒担持層の存在する深さの分布を測定し
た。結果を図2に、それを積算したものを図3に示す。
図2及び図3からわかるように、触媒担持層は表面から
深さ100μm以内に存在する部分が全体の85%を占
めている。
状を六角形とし、セル密度を300セル/inch2とした
こと以外は実施例1と同様にして、実施例3の触媒を調
製した。この触媒では、触媒担持層は表面から深さ10
0μm以内に存在する部分が全体の80%を占めてい
た。
担体1’のセルの断面形状を正方形とし、セル密度を4
00セル/inch2 としたこと以外は実施例1と同様にし
て、比較例1の触媒を調製した。そして同様にして触媒
担持層2’の厚さ分布を測定した。結果を図2に、それ
を積算したものを図3に示す。図2及び図3からわかる
ように、触媒担持層2’は表面から深さ100μm以内
に存在する部分が全体の65%と実施例に比べて少な
い。
状を四角形とし、セル密度を600セル/inch2とした
こと以外は実施例1と同様にして、実施例3の触媒を調
製した。この触媒でも、触媒担持層は表面から深さ10
0μm以内に存在する部分が全体の75%と実施例に比
べて少ない。
価装置に配置し、表1に示すリーン側のモデル排ガスと
リッチ側のモデル排ガスを2分毎に交互に繰り返して流
速2L/minで流すことにより初期NOx 浄化率を測
定した。入りガス温度は350℃である。そして比較例
1の触媒を基準として各触媒について初期NOx 浄化率
の比を算出し、結果を図4に示す。なお、NOx 浄化率
は次式で定義される。
間の出口ガス中のNOx 量/4分間の入りガス中のNO
x 量)
存在する部分が80%以上を占める実施例1〜3の触媒
によれば、比較例1に比べて高いNOx 浄化率を示して
いることが明らかである。
配置し、表2に示すリーン側のモデル排ガスとリッチ側
のモデル排ガスを、入りガス温度650℃でリーン…リ
ッチを55秒…5秒で切り替えながら5時間流す耐久試
験を行った。
NOx 浄化率を測定し、耐久後のNOx 浄化率を得た。
そして比較例1の触媒を基準として各触媒について耐久
後NOx 浄化率の比を算出し、結果を図4に示す。
0μm以内に存在する部分が80%以上を占める実施例
1〜3の触媒によれば、耐久試験後にも比較例1に比べ
て高いNOx 浄化率を示していることが明らかである。
また触媒担持層の表面から深さ100μm以内に存在す
る部分が占める割合が増加するにつれてNOx 浄化能が
向上し、その割合が80%以上で特に向上している。そ
して実施例1の触媒では、比較例1に比べて耐久後で
1.8倍の性能を示している。
Ox 浄化率に対する耐久後NOx 浄化率の比を算出し、
結果を図5に示す。また耐久試験後のそれぞれの触媒に
ついて、触媒担持層中の元素分析を行い、Baに対する
Sの比率を算出した結果を図6に示す。図5より、触媒
担持層の表面から深さ100μm以内に存在する部分が
占める割合が増加するにつれて、耐久後のNOx 浄化能
が向上していることがわかる。また図6より、触媒担持
層の表面から深さ100μm以内に存在する部分が占め
る割合が増加するにつれて、耐久後のS量が少なくなっ
て硫黄被毒が低下していることもわかる。つまり耐久後
のNOx 浄化能の向上は、Baの硫黄被毒が抑制されて
いることに起因していることが明らかである。そして比
較例1ではNOx吸蔵材であるBaの8割以上が硫黄被
毒されているのに対し、実施例1では6割程度に軽減さ
れ、これは触媒担持層の表面から深さ100μm以内に
存在する部分が占める割合を80%以上としたことによ
る効果であることが明らかである。
いたハニカム担体基材1’を用い、図7に示すように担
体基材の四隅に断面略三角形状の充填材5を充填した。
この充填材5は、シリカ系無機接着剤をモノリス担体1
リットル当たり60g塗布し焼成することで充填した。
これによりセルの断面は略八角形となった。
2’’を形成し、同様にPtとBaを担持した。この触
媒では、触媒担持層は表面から深さ100μm以内に存
在する部分が全体の85%を占め、初期及び耐久後とも
実施例1と同様のNOx 浄化能を示した。 (実施例5)本実施例では、図8に示すように、断面形
状が正方形でかつ四隅のコーナー部分60が断面円弧状
に形成されたハニカム担体基材6を用いている。したが
ってセルの断面形状は略八角形となり、実施例4と同様
の形状であるため、表3に示すように、触媒担持層7は
表面から深さ100μm以内に存在する部分が全体の8
0%以上を占めるようになる。
(コーナ部分60の半径)を種々変化させ、それぞれの
触媒の触媒担持層7の厚さ分布を測定した。そして触媒
担持層7の体積全体に対する、表面から深さ100μm
以内に存在する部分の体積の割合を算出し、結果を表3
に示す。表3より、本実施例の触媒では、触媒担持層7
においてその表面から深さ100μm以内に存在する部
分が全体の80%以上を占めていることが明らかであ
り、初期及び耐久後とも実施例1〜4と同等のNOx 浄
化能を示すことも確認されている。
れば、初期のNOx 浄化能に優れ、かつ硫黄被毒が抑制
されるためNOx 浄化能の耐久性にも優れている。した
がってリーンバーンエンジンのさらなる低燃費化や大排
気量化に対応することが可能となる。また従来と同等の
浄化性能とするのであれば、触媒貴金属及びNOx 吸蔵
材の担持量を低減することができ、コストの低減を図る
ことができる。
大断面図である。
すグラフである。
積算値のグラフである。
存在する部分の割合と比較例1に対するNOx 浄化率の
比との関係を示すグラフである。
存在する部分の割合と初期に対する耐久後のNOx 浄化
率の比との関係を示すグラフである。
合と耐久後の触媒担持層中のBaに対するSの比との関
係を示すグラフである。
大断面図である。
大断面図である。
である。
t 4:Ba
Claims (1)
- 【請求項1】 ハニカム形状の担体基材と、該担体基材
のセル壁表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層
に担持された触媒貴金属及びNOx 吸蔵材と、からなる
排ガス浄化用触媒において、 前記触媒担持層は、その表面から深さ100μm以内に
存在する部分が該触媒担持層の体積全体の80%以上を
占めることを特徴とする排ガス浄化用触媒。
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---|---|---|---|
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DE69809475T DE69809475T2 (de) | 1997-01-21 | 1998-01-20 | Katalysator zum Reinigen von Abgas |
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