JP4853816B2 - Exhaust gas purification filter and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、2種以上の金属酸化物により構成される金属酸化物ナノ多孔体被覆を有しており、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)等として有用な排ガス浄化用フィルタ、並びにその製造方法に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purifying filter having a metal oxide nanoporous coating composed of two or more kinds of metal oxides and useful as a diesel particulate filter (DPF) and the like, and a method for producing the same.
従来、ディーゼル自動車のような内燃機関から排出される有害成分を浄化するための排ガス浄化用フィルタとして様々な触媒が開発されており、そのような排ガス浄化用フィルタとしては炭化ケイ素や金属からなる各種基材にアルミナ、ジルコニア、セリア等の金属酸化物と白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属とを担持せしめたもの等が一般的に使用されている。 Conventionally, various catalysts have been developed as exhaust gas purification filters for purifying harmful components discharged from internal combustion engines such as diesel automobiles, and as such exhaust gas purification filters, various kinds of filters made of silicon carbide or metal have been developed. In general, a substrate in which a metal oxide such as alumina, zirconia, and ceria and a noble metal such as platinum, rhodium, and palladium are supported is used.
そして、従来は、このような金属酸化物として湿式粉砕法によって得られた粉末が一般的に使用されており、例えば特開平10−182155号公報(特許文献1)や特開2002−79097号公報(特許文献2)には、アルミニウム、セリウム及びジルコニウムの塩溶液から共沈法により酸化物前駆体を調製し、それを大気中で焼成することによって複合金属酸化物の粉末を得る方法が開示されている。また、特開平7−300315号公報(特許文献3)には、セリウム塩水溶液及びジルコニウム塩水溶液を混合した混合溶液にベーマイトアルミナ粉末を加えて攪拌した後に乾燥及び焼成することによって複合金属酸化物の粉末を得る方法が開示されている。 Conventionally, a powder obtained by a wet pulverization method as such a metal oxide is generally used. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-182155 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-79097. (Patent Document 2) discloses a method of obtaining a composite metal oxide powder by preparing an oxide precursor from a salt solution of aluminum, cerium and zirconium by a coprecipitation method and firing the precursor in the air. ing. JP-A-7-300315 (Patent Document 3) discloses a composite metal oxide by adding boehmite alumina powder to a mixed solution obtained by mixing an aqueous cerium salt solution and an aqueous zirconium salt solution, followed by drying and firing. A method for obtaining a powder is disclosed.
さらに、特開2002−119870号公報(特許文献4)には、炭化ケイ素等のセラミック担体にゾル−ゲル法によりアルミナ、ジルコニア、チタニア及びシリカの中から選ばれる少なくとも一つを含む触媒コート層を形成せしめてなる排ガス浄化用触媒が開示されている。 Furthermore, JP 2002-11870 A (Patent Document 4) includes a catalyst coating layer containing at least one selected from alumina, zirconia, titania and silica by a sol-gel method on a ceramic support such as silicon carbide. An exhaust gas purifying catalyst that is formed is disclosed.
しかしながら、上記特許文献1〜4に記載のような従来の金属酸化物の粉末を用いた場合においては、基材(特に炭化ケイ素基材)に対する付着性や耐熱性が未だ必ずしも十分なものではなく、基材上に形成する被覆の薄膜化にも限界があった。そのため、DPF用炭化ケイ素基材のような狭い管状通路を有する炭化ケイ素基材に対して、このような従来の金属酸化物の粉末を用いて薄く均一であり且つ高付着性を有する金属酸化物被覆を形成させることは困難であるという問題があった。さらに、従来の方法では、いわゆるウォールスルータイプのフィルタ等に使用される多孔質の炭化ケイ素基材に対して、ガス流路を確保しつつ細孔内壁面上に金属酸化物薄膜を形成させることはできなかった。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、DPF用炭化ケイ素基材のような炭化ケイ素製の基材に対して付着性が高く且つ優れた耐熱性を有しており、更に薄膜化も可能なため炭化ケイ素基材の表面上のみならず細孔内壁面上に対しても薄膜を形成することが可能な金属酸化物ナノ多孔体を有する排ガス浄化用フィルタ、並びにその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and has high adhesion and excellent heat resistance to a silicon carbide substrate such as a silicon carbide substrate for DPF. And a filter for exhaust gas purification having a metal oxide nanoporous material capable of forming a thin film not only on the surface of the silicon carbide base material but also on the inner wall surface of the pores, since the film can be further thinned, and It aims at providing the manufacturing method.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、金属酸化物のコロイド溶液や金属塩の溶液をそのまま用いて得られる金属酸化物は不均一で炭化ケイ素基材に対して付着性及び耐熱性が十分なものではないのに対して、金属酸化物のコロイド溶液や金属塩の溶液を高剪断速度の下で混合し、実質的に共沈させることなく熱処理するようにすると、驚くべきことに得られる金属酸化物は直径が10nm以下のナノ細孔を有し且つナノ細孔を構成する壁体において金属酸化物が均質に分散している従来にない新規なものとなり、炭化ケイ素基材に対する付着性及び耐熱性が向上し、更に薄膜化も可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the metal oxide obtained by using a colloidal solution of metal oxide or a solution of metal salt as it is is non-uniform and is incompatible with a silicon carbide substrate. Adhesion and heat resistance are not sufficient, but metal oxide colloidal solution and metal salt solution are mixed under high shear rate and heat treated without substantial coprecipitation. Surprisingly, the obtained metal oxide has a nanopore having a diameter of 10 nm or less, and the metal oxide is uniformly dispersed in the wall constituting the nanopore. It has been found that adhesion to a silicon carbide substrate and heat resistance are improved, and further thinning is possible, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の排ガス浄化用フィルタは、炭化ケイ素基材と、前記炭化ケイ素基材に担持されているアルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化鉄、セリア、ランタナ、ネオジア、イットリア、酸化バリウム、酸化リチウム及び酸化カリウムからなる群から選択される2種以上からなり且つアルミナ、ジルコニア、セリア及びチタニアからなる群から選択される少なくとも1種を含有する複合金属酸化物により構成される金属酸化物ナノ多孔体とを備える排ガス浄化用フィルタであって、前記ナノ多孔体は直径が10nm以下のナノ細孔を有しており、且つ、前記ナノ細孔を構成する壁体において前記金属酸化物が均質に分散しており、
前記ナノ多孔体に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素について、加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡を用いて被検試料の厚さが略一定とみなせる領域にある測定点においてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、得られたスペクトル中の各金属元素の蛍光X線ピークの積分強度を相対比に変換して求められる相対強度比Xの平均値X m と平均値X m のまわりの二次のモーメントν 2 とが、前記金属元素のすべてについて下記式(1):
ν 2 /X m 2 ≦0.02 (1)
[式(1)中、X m はX m =(ΣX)/N(Nは測定点の数)で表される相対強度比Xの平均値、ν 2 はν 2 ={Σ(X−X m ) 2 }/Nで表される平均値X m のまわりの二次のモーメント、ν 2 /X m 2 は平均値X m の二乗で規格化した二次のモーメントを示す。]
で表される条件を満たしていることを特徴とするものである。
That is, the exhaust gas purifying filter of the present invention includes a silicon carbide base material, alumina, zirconia, titania, iron oxide, ceria, lantana, neodia, yttria, barium oxide, lithium oxide supported on the silicon carbide base material, and A metal oxide nanoporous body composed of a composite metal oxide comprising at least one selected from the group consisting of potassium oxide and containing at least one selected from the group consisting of alumina, zirconia, ceria and titania ; The nanoporous body has nanopores having a diameter of 10 nm or less, and the metal oxide is uniformly dispersed in the wall constituting the nanopore. and,
With respect to all metal oxide metal elements contained in the nanoporous material at 10 at% or more, the thickness of the test sample can be regarded as substantially constant using a transmission electron microscope having an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam diameter of 1.0 nm. The average of the relative intensity ratio X obtained by obtaining a spectrum by energy dispersive X-ray spectroscopy at a measurement point in the region and converting the integrated intensity of the fluorescent X-ray peak of each metal element in the obtained spectrum into a relative ratio. The value X m and the second moment ν 2 around the average value X m are given by the following formula (1) for all the metal elements:
ν 2 / X m 2 ≦ 0.02 (1)
Wherein (1), X m is X m = (ΣX) / N (N is the number of measurement points) the average value of the relative intensity ratio X represented by, [nu 2 is ν 2 = {Σ (X- X m ) 2 } / N, a second-order moment around the average value X m represented by ν 2 / X m 2 represents a second-order moment normalized by the square of the average value X m . ]
It is characterized by satisfying the condition represented by
前記本発明の排ガス浄化用フィルタにおいて、前記炭化ケイ素基材が多孔質のものである場合、前記炭化ケイ素基材の細孔内壁面上に前記金属酸化物ナノ多孔体からなる薄膜が形成されていることが好ましい。 In the exhaust gas purifying filter of the present invention, when the silicon carbide substrate is porous, a thin film made of the metal oxide nanoporous material is formed on the pore inner wall surface of the silicon carbide substrate. Preferably it is.
また、前記本発明の排ガス浄化用フィルタにおいて、前記炭化ケイ素基材の表面上に前記金属酸化物ナノ多孔体からなる被覆が形成されていてもよい。 In the exhaust gas purifying filter of the present invention, a coating made of the metal oxide nanoporous material may be formed on the surface of the silicon carbide substrate.
前記本発明の排ガス浄化用フィルタにおいては、下記の条件(I)が満たされていることが好ましい。 In the exhaust gas purifying filter of the present invention, it is preferable that the following condition (I) is satisfied.
(I)前記ナノ多孔体に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素について、加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡を用いて被検試料の厚さが略一定とみなせる領域にある測定点においてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、得られたスペクトル中の各金属元素の蛍光X線ピークの積分強度を相対比に変換して求められる相対強度比Xの平均値Xmと平均値Xmのまわりの二次のモーメントν2とが、前記金属元素のすべてについて下記式(1):
ν2/Xm 2≦0.02 (1)
[式(1)中、XmはXm=(ΣX)/N(Nは測定点の数)で表される相対強度比Xの平均値、ν2はν2={Σ(X−Xm)2}/Nで表される平均値Xmのまわりの二次のモーメント、ν2/Xm 2は平均値Xmの二乗で規格化した二次のモーメントを示す。]
で表される条件を満たしていること。
(I) With respect to all the metal oxide metal elements contained in the nanoporous material at 10 at% or more, the thickness of the test sample is approximately equal using a transmission electron microscope having an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam diameter of 1.0 nm. Relative intensity ratio obtained by obtaining a spectrum by energy dispersive X-ray spectroscopy at a measurement point in a region that can be regarded as constant, and converting the integrated intensity of the fluorescent X-ray peak of each metal element in the obtained spectrum into a relative ratio The average value X m of X and the second moment ν 2 around the average value X m are expressed by the following formula (1) for all the metal elements:
ν 2 / X m 2 ≦ 0.02 (1)
Wherein (1), X m is X m = (ΣX) / N (N is the number of measurement points) the average value of the relative intensity ratio X represented by, [nu 2 is ν 2 = {Σ (X- X m ) 2 } / N, a second-order moment around the average value X m represented by ν 2 / X m 2 represents a second-order moment normalized by the square of the average value X m . ]
The condition represented by is satisfied.
さらに、前記本発明の排ガス浄化用フィルタにおいては、下記の条件(II)が満たされていることがより好ましい。 Furthermore, in the exhaust gas purifying filter of the present invention, it is more preferable that the following condition (II) is satisfied.
(II)前記ナノ多孔体に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素について、加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡を用いて任意に10以上の測定点においてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、得られたスペクトル中の各金属元素の蛍光X線ピークの積分強度を相対比に変換して求められる相対強度比Xの平均値Xmと平均値Xmのまわりの二次のモーメントν2とが、前記金属元素のすべてについて下記式(2):
ν2/Xm 2≦0.1 (2)
[式(2)中、XmはXm=(ΣX)/N(Nは測定点の数)で表される相対強度比Xの平均値、ν2はν2={Σ(X−Xm)2}/Nで表される平均値Xmのまわりの二次のモーメント、ν2/Xm 2は平均値Xmの二乗で規格化した二次のモーメントを示す。]
で表される条件を満たしていること。
(II) With respect to all metal oxide metal elements contained in the nanoporous material in an amount of 10 at% or more, arbitrarily at 10 or more measurement points using a transmission electron microscope having an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam diameter of 1.0 nm. A spectrum is obtained by energy dispersive X-ray spectroscopy, and an average value Xm and an average value of the relative intensity ratio X obtained by converting the integrated intensity of the fluorescent X-ray peak of each metal element in the obtained spectrum into a relative ratio. The second moment ν 2 around X m is given by the following formula (2) for all the metal elements:
ν 2 / X m 2 ≦ 0.1 (2)
Wherein (2), X m is X m = (ΣX) / N (N is the number of measurement points) the average value of the relative intensity ratio X represented by, [nu 2 is ν 2 = {Σ (X- X m ) 2 } / N, a second-order moment around the average value X m represented by ν 2 / X m 2 represents a second-order moment normalized by the square of the average value X m . ]
The condition represented by is satisfied.
本発明にかかる前記金属酸化物ナノ多孔体は、直径が5nm以下のナノ細孔を有していることが好ましく、2nm以下のナノ細孔を有していることがより好ましい。 The metal oxide nanoporous material according to the present invention preferably has nanopores having a diameter of 5 nm or less, and more preferably 2 nm or less.
また、本発明の排ガス浄化用フィルタは、前記金属酸化物ナノ多孔体被覆の表面上及び/又は細孔内壁面上に担持されている貴金属を更に備えていることが好ましい。 The exhaust gas purifying filter of the present invention preferably further comprises a noble metal supported on the surface of the metal oxide nanoporous material coating and / or on the inner wall surface of the pore.
本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法は、炭化ケイ素基材と、前記炭化ケイ素基材に担持されているアルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化鉄、セリア、ランタナ、ネオジア、イットリア、酸化バリウム、酸化リチウム及び酸化カリウムからなる群から選択される2種以上からなり且つアルミナ、ジルコニア、セリア及びチタニアからなる群から選択される少なくとも1種を含有する複合金属酸化物により構成される金属酸化物ナノ多孔体とを備える前記本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法であって、
前記複合金属酸化物の原料を含有する原料流体組成物を準備する工程と、
前記原料流体組成物を、10000sec−1以上の剪断速度の下で混合し、前記炭化ケイ素基材の表面に塗布した後、実質的に共沈させることなく熱処理して、直径が10nm以下のナノ細孔を有しており且つ前記ナノ細孔を構成する壁体において前記金属酸化物が均質に分散しており、
前記ナノ多孔体に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素について、加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡を用いて被検試料の厚さが略一定とみなせる領域にある測定点においてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、得られたスペクトル中の各金属元素の蛍光X線ピークの積分強度を相対比に変換して求められる相対強度比Xの平均値X m と平均値X m のまわりの二次のモーメントν 2 とが、前記金属元素のすべてについて下記式(1):
ν 2 /X m 2 ≦0.02 (1)
[式(1)中、X m はX m =(ΣX)/N(Nは測定点の数)で表される相対強度比Xの平均値、ν 2 はν 2 ={Σ(X−X m ) 2 }/Nで表される平均値X m のまわりの二次のモーメント、ν 2 /X m 2 は平均値X m の二乗で規格化した二次のモーメントを示す。]
で表される条件を満たしている金属酸化物ナノ多孔体を得る工程と、
を含むことを特徴とする方法である。
The method for producing an exhaust gas purifying filter of the present invention includes a silicon carbide base material, and alumina, zirconia, titania, iron oxide, ceria, lantana, neodia, yttria, barium oxide, lithium oxide supported on the silicon carbide base material. And at least one selected from the group consisting of alumina, zirconia, ceria and titania, and a metal oxide nanoporous material comprising a composite metal oxide containing at least one selected from the group consisting of alumina, zirconia, ceria and titania A method for producing the exhaust gas purifying filter of the present invention comprising :
Preparing a raw material fluid composition containing the composite metal oxide raw material;
The raw material fluid composition is mixed under a shear rate of 10,000 sec −1 or more, applied to the surface of the silicon carbide substrate, and then heat-treated without substantial coprecipitation, so that the diameter is 10 nm or less. The metal oxide is uniformly dispersed in the wall body having nanopores and constituting the nanopores ,
With respect to all metal oxide metal elements contained in the nanoporous material at 10 at% or more, the thickness of the test sample can be regarded as substantially constant using a transmission electron microscope having an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam diameter of 1.0 nm. The average of the relative intensity ratio X obtained by obtaining a spectrum by energy dispersive X-ray spectroscopy at a measurement point in the region and converting the integrated intensity of the fluorescent X-ray peak of each metal element in the obtained spectrum into a relative ratio. The value X m and the second moment ν 2 around the average value X m are given by the following formula (1) for all the metal elements:
ν 2 / X m 2 ≦ 0.02 (1)
Wherein (1), X m is X m = (ΣX) / N (N is the number of measurement points) the average value of the relative intensity ratio X represented by, [nu 2 is ν 2 = {Σ (X- X m ) 2 } / N, a second-order moment around the average value X m represented by ν 2 / X m 2 represents a second-order moment normalized by the square of the average value X m . ]
A step of obtaining a metal oxide nanoporous material that satisfies the conditions represented by :
It is the method characterized by including.
前記本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法において、前記炭化ケイ素基材が多孔質のものである場合、前記炭化ケイ素基材の細孔内壁面上に前記金属酸化物ナノ多孔体からなる薄膜が形成されることが好ましい。 In the method for producing an exhaust gas purifying filter of the present invention, when the silicon carbide substrate is porous, a thin film made of the metal oxide nanoporous material is formed on the pore inner wall surface of the silicon carbide substrate. Preferably it is formed.
また、前記本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法において、前記炭化ケイ素基材の表面上に前記金属酸化物ナノ多孔体からなる被覆が形成されるようにしてもよい。 In the method for producing an exhaust gas purifying filter of the present invention, a coating made of the metal oxide nanoporous material may be formed on the surface of the silicon carbide substrate.
前記本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法においては、前記金属酸化物の原料が、アルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化鉄、セリア、ランタナ、ネオジア、イットリア、酸化バリウム、酸化リチウム及び酸化カリウムのコロイド粒子と、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、鉄、セリウム、ランタン、ネオジウム、イットリウム、バリウム、リチウム及びカリウムの塩とからなる群から選択される少なくとも2種であることが好ましい。 In the method for producing an exhaust gas purifying filter of the present invention, the metal oxide raw material is colloidal particles of alumina, zirconia, titania, iron oxide, ceria, lantana, neodia, yttria, barium oxide, lithium oxide and potassium oxide. And at least two selected from the group consisting of aluminum, zirconium, titanium, iron, cerium, lanthanum, neodymium, yttrium, barium, lithium and potassium .
本発明によれば、DPF用炭化ケイ素基材のような炭化ケイ素製の基材に対して付着性が高く且つ優れた耐熱性を有しており、更に薄膜化も可能なため炭化ケイ素基材の表面上のみならず細孔内壁面上に対しても薄膜を形成することが可能な金属酸化物ナノ多孔体を有する排ガス浄化用フィルタ、並びにその製造方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, the silicon carbide substrate has high adhesion to a silicon carbide substrate such as a silicon carbide substrate for DPF, has excellent heat resistance, and can be made thinner. It is possible to provide an exhaust gas purifying filter having a metal oxide nanoporous material capable of forming a thin film not only on the surface but also on the inner wall surface of a pore, and a method for producing the same.
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.
先ず、本発明の排ガス浄化用フィルタについて説明する。本発明において用いられる金属酸化物は、アルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化鉄、希土類元素酸化物、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物からなる群から選択される2種以上の金属酸化物である。希土類元素酸化物としては、セリウム、ランタン、ネオジム、イットリウム、プラセオジム等の酸化物が挙げられ、アルカリ金属酸化物としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム等の酸化物が挙げられ、アルカリ土類金属酸化物としては、バリウム、ストロンチウム、カルシウム、マグネシウム等の酸化物が挙げられる。 First, the exhaust gas purifying filter of the present invention will be described. The metal oxide used in the present invention is two or more metal oxides selected from the group consisting of alumina, zirconia, titania, iron oxide, rare earth element oxide, alkali metal oxide, and alkaline earth metal oxide. is there. Examples of rare earth element oxides include oxides such as cerium, lanthanum, neodymium, yttrium, and praseodymium. Examples of alkali metal oxides include oxides such as lithium, sodium, potassium, and cesium, and alkaline earth metals. Examples of the oxide include oxides such as barium, strontium, calcium, and magnesium.
このような本発明において用いられる金属酸化物としては、得られる金属酸化物ナノ多孔体が排ガス浄化用のフィルタの材料としてより有用なものとなるという観点から、アルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化鉄、セリア、ランタナ、ネオジア、イットリア、酸化バリウム、酸化リチウム及び酸化カリウムからなる群から選択される2種以上の複合金属酸化物が好ましく、中でも、アルミナ、ジルコニア、セリア及びチタニアからなる群から選択される少なくとも一種を含有する複合金属酸化物であることが特に好ましい。 As such a metal oxide used in the present invention, alumina, zirconia, titania, iron oxide, from the viewpoint that the obtained metal oxide nanoporous material becomes more useful as a filter material for exhaust gas purification, Two or more composite metal oxides selected from the group consisting of ceria, lantana, neodia, yttria, barium oxide, lithium oxide and potassium oxide are preferred, and among these, selected from the group consisting of alumina, zirconia, ceria and titania. A composite metal oxide containing at least one kind is particularly preferable.
また、本発明において用いられる2種以上の金属酸化物の組み合わせとしては、特に制限されないが、得られる金属酸化物ナノ多孔体が排ガス浄化用のフィルタの材料としてより有用なものとなるという観点から、アルミナ/セリア/ジルコニア、アルミナ/ジルコニア/チタニア、アルミナ/ジルコニア/ランタナ、ジルコニア/ランタナ、ジルコニア/ネオジア、ジルコニア/イットリア、ジルコニア/チタニア、セリア/ジルコニア、アルミナ/ジルコニア/イットリア、セリア/ジルコニア/イットリア、アルミナ/セリア、アルミナ/ジルコニア、アルミナ/チタニア、アルミナ/ランタナ、アルミナ/セリア/ジルコニア/イットリア、アルミナ/セリア/ジルコニア/ネオジア、アルミナ/セリア/ジルコニア/ランタナ、アルミナ/セリア/ジルコニア/ランタナ/酸化プラセオジム、アルミナ/セリア/ジルコニア/ランタナ/ネオジア、アルミナ/セリア/ジルコニア/ランタナ/ネオジア/イットリア、アルミナ/酸化鉄、セリア/酸化鉄、アルミナ/セリア/酸化鉄、ジルコニア/酸化鉄、アルミナ/ジルコニア/酸化鉄等が好ましく、中でも、アルミナ/セリア/ジルコニア、アルミナ/ジルコニア/チタニア、アルミナ/ジルコニア/ランタナ、ジルコニア/ランタナ、ジルコニア/ネオジア、ジルコニア/イットリア、ジルコニア/チタニア、セリア/ジルコニア、アルミナ/ジルコニア/イットリア、セリア/ジルコニア/イットリア、アルミナ/セリア、アルミナ/ジルコニア、アルミナ/酸化鉄が特に好ましい。 Further, the combination of two or more kinds of metal oxides used in the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint that the obtained metal oxide nanoporous material becomes more useful as a filter material for exhaust gas purification. , Alumina / Ceria / Zirconia, Alumina / Zirconia / Titania, Alumina / Zirconia / Lantana, Zirconia / Lantana, Zirconia / Neodia, Zirconia / Yttria, Zirconia / Titania, Ceria / Zirconia, Alumina / Zirconia / Yttria, Ceria / Zirconia / Yttria Alumina / Ceria, Alumina / Zirconia, Alumina / Titania, Alumina / Lantana, Alumina / Ceria / Zirconia / Yttria, Alumina / Ceria / Zirconia / Neodia, Alumina / Ceria / Zirconia / Lantana, A Mina / Ceria / Zirconia / Lantana / Praseodymium, Alumina / Ceria / Zirconia / Lantana / Neodia, Alumina / Ceria / Zirconia / Lantana / Neodia / Yttria, Alumina / Iron Oxide, Ceria / Iron Oxide, Alumina / Ceria / Iron Oxide, Zirconia / iron oxide, alumina / zirconia / iron oxide and the like are preferable, and among them, alumina / ceria / zirconia, alumina / zirconia / titania, alumina / zirconia / lanthana, zirconia / lanthana, zirconia / neodia, zirconia / yttria, zirconia / titania Ceria / zirconia, alumina / zirconia / yttria, ceria / zirconia / yttria, alumina / ceria, alumina / zirconia, and alumina / iron oxide are particularly preferred.
また、本発明にかかる2種以上の金属酸化物の組み合わせとしては、得られる金属酸化物ナノ多孔体が排ガス浄化用のフィルタの材料、特に酸素過剰下で用いられるフィルタ用の材料として好適であるという観点からは、アルミナ/酸化カリウム、アルミナ/酸化バリウム、酸化バリウム/酸化カリウム、酸化バリウム/酸化ナトリウム、酸化バリウム/酸化リチウム、酸化バリウム/酸化カリウム/酸化リチウム、チタニア/酸化バリウム、チタニア/酸化バリウム/酸化カリウム、チタニア/酸化バリウム/酸化ナトリウム、チタニア/酸化バリウム/酸化リチウム、チタニア/酸化バリウム/酸化カリウム/酸化ナトリウム、チタニア/酸化バリウム/酸化カリウム/酸化リチウム、チタニア/酸化バリウム/酸化カリウム/酸化リチウム/酸化ナトリウム、チタニア/酸化バリウム/酸化カリウム/酸化ストロンチウム等が好ましく、中でも、アルミナ/酸化カリウム、アルミナ/酸化バリウム、酸化バリウム/酸化カリウム、酸化バリウム/酸化リチウム、酸化バリウム/酸化カリウム/酸化リチウム、チタニア/酸化バリウム、チタニア/酸化バリウム/酸化カリウム、チタニア/酸化バリウム/酸化リチウムが特に好ましい。 Further, as a combination of two or more metal oxides according to the present invention, the obtained metal oxide nanoporous material is suitable as a filter material for purifying exhaust gas, particularly as a filter material used under excess oxygen. From these viewpoints, alumina / potassium oxide, alumina / barium oxide, barium oxide / potassium oxide, barium oxide / sodium oxide, barium oxide / lithium oxide, barium oxide / potassium oxide / lithium oxide, titania / barium oxide, titania / oxidation Barium / potassium oxide, titania / barium oxide / sodium oxide, titania / barium oxide / lithium oxide, titania / barium oxide / potassium oxide / sodium oxide, titania / barium oxide / potassium oxide / lithium oxide, titania / barium oxide / potassium oxide / Oxidized Lichi Sodium / sodium oxide, titania / barium oxide / potassium oxide / strontium oxide, etc., among which alumina / potassium oxide, alumina / barium oxide, barium oxide / potassium oxide, barium oxide / lithium oxide, barium oxide / potassium oxide / oxidation Particularly preferred are lithium, titania / barium oxide, titania / barium oxide / potassium oxide, and titania / barium oxide / lithium oxide.
なお、このような各種の複合金属酸化物における金属酸化物の組成比は特に制限されず、その用途等に応じて適宜調整される。 In addition, the composition ratio of the metal oxide in such various composite metal oxides is not particularly limited, and is appropriately adjusted according to the use and the like.
本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体は、前述の金属酸化物により構成される多孔体であって、直径が10nm以下のナノ細孔を有しており、且つ、前記ナノ細孔を構成する壁体において前記金属酸化物が均質に分散していることを特徴とするものである。 The metal oxide nanoporous material according to the present invention is a porous material composed of the above-described metal oxide, has nanopores having a diameter of 10 nm or less, and constitutes the nanopores. The metal oxide is homogeneously dispersed in the wall body.
このように、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体は、直径が10nm以下、好ましくは5nm以下、より好ましくは2nm以下、という非常に微細な細孔を有しており、それによってこのような細孔を有さない金属酸化物多孔体に比べて後述する炭化ケイ素基材に対する付着性及び耐熱性の向上が可能となり、さらに比表面積の向上や貴金属等の担持安定性の向上によってフィルタとしての性能の向上が達成される。 As described above, the metal oxide nanoporous material according to the present invention has very fine pores having a diameter of 10 nm or less, preferably 5 nm or less, more preferably 2 nm or less. It is possible to improve adhesion and heat resistance to a silicon carbide substrate, which will be described later, compared to a metal oxide porous body having no pores, and further, as a filter by improving specific surface area and stability of supporting noble metals, etc. An improvement in performance is achieved.
また、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体においては、ナノ細孔を構成する壁体において前記金属酸化物が均質に分散している。すなわち、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体においては、ナノ多孔体を構成する2種以上の金属酸化物が実質的に原子レベルで均一に分散(高分散)していると考えられ、共沈法等によって得られた従来の金属酸化物多孔体のように各金属酸化物からなる100nm程度の一次粒子が混合した状態や、一方の金属酸化物からなる一次粒子の表面を他方の金属酸化物が被覆している状態とは明らかに相違するものである。このような極めて高水準の成分均一性は、金属酸化物のコロイド溶液や金属塩の溶液をそのまま用いて得られる金属酸化物では決して得られるものではなく、2種以上の金属酸化物を含有するコロイド溶液や2種以上の金属塩を含有する溶液を高剪断速度の下で混合し、実質的に共沈させることなく熱処理する後述の本発明の製造方法によってはじめて達成されたものである。そして、このような極めて高水準の成分均一性を有する本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体においては、驚くべきことに、共沈法等によって得られた従来の金属酸化物多孔体に比べて炭化ケイ素基材に対する付着性及び耐熱性が飛躍的に向上している。 Further, in the metal oxide nanoporous material according to the present invention, the metal oxide is uniformly dispersed in the wall constituting the nanopore. That is, in the metal oxide nanoporous material according to the present invention, it is considered that two or more kinds of metal oxides constituting the nanoporous material are substantially uniformly dispersed (highly dispersed) at the atomic level. A state in which primary particles of about 100 nm made of each metal oxide are mixed like a conventional metal oxide porous body obtained by a precipitation method or the surface of the primary particles made of one metal oxide is oxidized with the other metal oxide. This is clearly different from the state in which the object is covered. Such a very high level of component uniformity is never obtained with a metal oxide obtained by using a metal oxide colloidal solution or a metal salt solution as it is, and contains two or more metal oxides. This is achieved for the first time by the production method of the present invention described later in which a colloidal solution or a solution containing two or more metal salts is mixed at a high shear rate and heat-treated without substantial coprecipitation. And, in the metal oxide nanoporous material according to the present invention having such extremely high level of component uniformity, surprisingly, compared to the conventional metal oxide porous material obtained by coprecipitation method or the like. Adhesion and heat resistance to the silicon carbide substrate have been dramatically improved.
本発明の排ガス浄化用フィルタにおいては、後述する炭化ケイ素基材に前記金属酸化物ナノ多孔体が担持されており、好ましくは炭化ケイ素基材の表面上に前記金属酸化物ナノ多孔体が薄膜状の被覆として形成されている。その場合の被覆の厚さは特に制限されず、その用途等に応じて適宜調整されるが、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体は薄くした場合であっても炭化ケイ素基材に対して付着性に優れた均一な被覆を形成することが可能であるため、被覆の厚さは1〜300μm程度であることが好ましく、1〜50μm程度であることがより好ましい。さらに、このように本発明によれば金属酸化物からなる被覆の薄膜化が可能となるため、従来は十分な被覆を形成することが困難であった高密度ハニカムに対しても高水準の付着性をもって優れた耐熱性を有する被覆を形成することが可能となり、このような観点からは薄膜の厚さが1〜30μm程度であることが特に好ましい。 In the exhaust gas purifying filter of the present invention, the metal oxide nanoporous material is supported on a silicon carbide substrate, which will be described later, and preferably the metal oxide nanoporous material is a thin film on the surface of the silicon carbide substrate. It is formed as a coating. The thickness of the coating in that case is not particularly limited, and is appropriately adjusted according to the application, etc., but the metal oxide nanoporous material according to the present invention is even thinner than the silicon carbide substrate. Since it is possible to form a uniform coating excellent in adhesion, the thickness of the coating is preferably about 1 to 300 μm, and more preferably about 1 to 50 μm. Further, according to the present invention, since the coating made of a metal oxide can be thinned, a high level of adhesion can be achieved even for a high-density honeycomb that has conventionally been difficult to form a sufficient coating. From this point of view, it is particularly preferable that the thickness of the thin film is about 1 to 30 μm.
さらに、本発明の排ガス浄化用フィルタにおいては、前記炭化ケイ素基材が多孔質のものである場合、炭化ケイ素基材の細孔内壁面上に前記金属酸化物ナノ多孔体からなる薄膜が形成されることが好ましい。その場合の被覆の厚さも特に制限されないが、ウォールスルータイプの排ガス浄化用フィルタ等に使用される多孔質の炭化ケイ素基材に対してガス流路を確保しつつ薄膜を形成させるという観点から、薄膜の厚さは1〜5μm程度であることが好ましい。 Furthermore, in the exhaust gas purifying filter of the present invention, when the silicon carbide substrate is porous, a thin film made of the metal oxide nanoporous material is formed on the inner wall surface of the pores of the silicon carbide substrate. It is preferable. The thickness of the coating in that case is not particularly limited, but from the viewpoint of forming a thin film while securing a gas flow path for a porous silicon carbide substrate used for a wall-through type exhaust gas purification filter or the like, The thickness of the thin film is preferably about 1 to 5 μm.
そして、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体は、以下に説明する条件(I)を満たすものであることが好ましい。 And it is preferable that the metal oxide nanoporous body concerning this invention satisfy | fills the conditions (I) demonstrated below.
すなわち、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体が満たすことが好ましい第一の条件(I)は、前記ナノ多孔体に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素について、加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡を用いて被検試料の厚さが略一定とみなせる領域にある測定点においてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、得られたスペクトル中の各金属元素の蛍光X線ピークの積分強度を相対比に変換して求められる相対強度比Xの平均値Xmと平均値Xmのまわりの二次のモーメントν2とが、前記金属元素のすべてについて下記式(1):
ν2/Xm 2≦0.02 (1)
で表される条件を満たしていることである。前記式(1)において、Xmは、下記式:
Xm=(ΣX)/N
(式中のNは測定点の数を示す。)
で表される相対強度比Xの平均値である。また、ν2は、下記式:
ν2={Σ(X−Xm)2}/N
で表される平均値Xmのまわりの二次のモーメントである。さらに、ν2/Xm 2は、平均値Xmの二乗で規格化した二次のモーメントである。
That is, the first condition (I) that is preferably satisfied by the metal oxide nanoporous material according to the present invention is that an acceleration voltage of 200 kV is applied to all metal elements of the metal oxide contained in the nanoporous material at 10 at% or more. Using a transmission electron microscope having an electron beam diameter of 1.0 nm, a spectrum is obtained by energy dispersive X-ray spectroscopy at a measurement point in a region where the thickness of the test sample can be regarded as substantially constant. secondary and moments [nu 2 about the mean value X m and the average value X m of the fluorescent X-ray peak of the integrated intensity of the relative relative intensity ratio is determined by converting the ratio X of the respective metal elements, the metal elements The following formula (1) for all:
ν 2 / X m 2 ≦ 0.02 (1)
The condition represented by is satisfied. In the above formula (1), Xm represents the following formula:
X m = (ΣX) / N
(N in the formula indicates the number of measurement points.)
Is the average value of the relative intensity ratio X represented by Also, ν 2 is the following formula:
ν 2 = {Σ (X−X m ) 2 } / N
In a second moment around the mean value X m represented. Furthermore, ν 2 / X m 2 is a second moment normalized by the square of the average value X m .
なお、このような測定の具体的な方法は特に限定されないが、例えば以下に示す測定方法にしたがって実施することが好ましい。 In addition, although the specific method of such a measurement is not specifically limited, For example, it is preferable to implement according to the measuring method shown below.
<試料の作製>
金属酸化物ナノ多孔体を少量採取し、容器中に貯めた5〜10ml程度の分散媒(例えばエタノール)に混合する。得られた混合物を超音波洗浄機の水槽に入れ、数分間超音波にて撹拌した後、直ちに容器を超音波洗浄機から取り出して被検試料の分散液を、「マイクログリッド」と呼ばれる3mmφ程度の銅箔のメッシュの上に多孔質の有機膜を貼った透過型電子顕微鏡専用の試料台上に1〜2滴、滴下する。そして、分散媒を完全に蒸発させた後に透過型電子顕微鏡による観察を行う。
<Preparation of sample>
A small amount of the metal oxide nanoporous material is collected and mixed with about 5 to 10 ml of a dispersion medium (for example, ethanol) stored in a container. The obtained mixture is put in a water tank of an ultrasonic cleaning machine, stirred for several minutes with ultrasonic waves, and immediately the container is taken out of the ultrasonic cleaning machine, and the dispersion of the test sample is about 3 mmφ called “microgrid”. One or two drops are dropped on a sample stage dedicated to a transmission electron microscope in which a porous organic film is pasted on a copper foil mesh. Then, after the dispersion medium is completely evaporated, observation with a transmission electron microscope is performed.
<透過型電子顕微鏡観察>
観察には、電界放射型電子銃(FEG)を有する加速電圧200kVの透過型電子顕微鏡(TEM)を用いる。TEMには、走査型透過電子顕微鏡(STEM)観察モード及びエネルギー分散型X線分光(EDX)用検出器が装備されていることが測定上必要な条件である。上記の被検試料を滴下したマイクログリッドをTEMの試料室に挿入し、マイクログリッドの有機膜の孔の上にはみ出ている試料(すなわち試料が有機膜と重なっていない部分)を観察及び元素分析の対象とする。その際、被検試料の厚さの比較的薄い部分を選び出し、その部分にSTEM観察モードで1nmφに絞った電子線を30秒照射し、試料から放出される蛍光X線をEDX検出器を用いて検出する。そして、試料の厚さに関し、EDX検出器で得られる全X線の総カウント数を基準とし、1万カウントから6万カウントの間になる部分を測定に適正な領域、すなわち被検試料の厚さが略一定とみなせる領域と規定する。
<Transmission electron microscope observation>
For observation, a transmission electron microscope (TEM) having an accelerating voltage of 200 kV having a field emission electron gun (FEG) is used. The TEM is equipped with a scanning transmission electron microscope (STEM) observation mode and an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) detector. Insert the microgrid onto which the above test sample is dropped into the TEM sample chamber, and observe and analyze the sample protruding from the hole of the organic film of the microgrid (that is, the part where the sample does not overlap the organic film) The target of. At that time, a comparatively thin portion of the sample to be tested is selected, and the portion is irradiated with an electron beam focused to 1 nmφ in the STEM observation mode for 30 seconds, and the fluorescent X-ray emitted from the sample is used with an EDX detector. To detect. Then, with respect to the thickness of the sample, based on the total count number of all X-rays obtained by the EDX detector, a portion that is between 10,000 counts and 60,000 counts is suitable for measurement, that is, the thickness of the test sample. It is defined as an area where the length can be regarded as substantially constant.
<測定部位の良否の判定>
測定部位がマイクログリッドの有機膜を支えている銅箔に近く、試料から放出される蛍光X線の一部がこの銅箔に当たって良好な元素分析が行えない場所がある。このような場所から得られるEDX検出結果の特徴としては、(1)全体的にカウント数が低い、(2)特に酸素の蛍光X線等の低エネルギー領域におけるカウント数が低い、(3)それに比べて銅のカウント数は高い、等の特徴がある。このような良好な元素分析が行えない測定場所から得られた測定結果は全点考察の対象からはずし、別の有機膜の孔における被検試料を新たな測定対象として測定を続ける。例えば、後述する実施例においては、得られるEDXスペクトルにおける(酸素の総カウント数)/(Cuの総カウント数)の比がすべての測定点で2未満となる場所から得られた測定結果は計算の対象から除外し、EDXスペクトルにおける(酸素の総カウント数)/(Cuの総カウント数)の比が2以上となる場所から得られた測定結果に基づいて後述の計算をする。
<Determining the quality of the measurement site>
There is a place where the measurement site is close to the copper foil supporting the organic film of the microgrid, and a part of the fluorescent X-rays emitted from the sample hits the copper foil and good elemental analysis cannot be performed. The characteristics of the EDX detection result obtained from such a place are as follows: (1) The overall count number is low, (2) The count number is low particularly in low energy regions such as fluorescent X-rays of oxygen, (3) Compared to this, the copper count is high. Measurement results obtained from a measurement place where such good elemental analysis cannot be performed are excluded from all points of consideration, and measurement is continued using a test sample in another organic film hole as a new measurement target. For example, in the examples described later, the measurement results obtained from the locations where the ratio of (total oxygen count) / (total Cu count) in the obtained EDX spectrum is less than 2 at all measurement points are calculated. The calculation described later is performed based on the measurement result obtained from the location where the ratio of (total oxygen count) / (total Cu count) in the EDX spectrum is 2 or more.
<測定結果に基づく計算>
本発明においては、前記条件の判定をする際に、EDXスペクトルのデータを無加工で使用する。すなわち、何らかの変換式を用いて元素の重量比等に変換した数値ではなく、蛍光X線のカウント数そのものを計算の基礎とする。先ず、EDXスペクトルより試料を構成する主な金属元素(試料に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素)である例えばAl、Zr、Ceの蛍光X線ピークの中から、(1)なるべくカウント数の多いもの、(2)他のピークとの重なりが無視できるほど小さいもの、の2点を基準にして各金属元素について一つのピークを選択する。そして、選択された各ピークをすべて覆えるだけの必要且つ十分なエネルギー幅(0.2〜0.3keV程度)を定め、その範囲にある蛍光X線のカウント数をすべて足し合わせ、これをその金属元素の蛍光X線ピークの積分強度として求め、その結果に基づいて前述の相対強度比X、その平均値Xm、平均値Xmのまわりの二次のモーメントν2、平均値Xmの二乗で規格化した二次のモーメントν2/Xm 2を順次算出し、前記式(1)で表される条件を満たしているか否かを判定する。
<Calculation based on measurement results>
In the present invention, when the condition is determined, EDX spectrum data is used without processing. That is, the calculation is based on the fluorescent X-ray count itself, not the numerical value converted into the element weight ratio or the like using any conversion formula. First, from the fluorescent X-ray peaks of, for example, Al, Zr, and Ce, which are main metal elements constituting the sample (metal elements of all metal oxides contained in the sample by 10 at% or more) from the EDX spectrum, (1 One peak is selected for each metal element based on two points: as many counts as possible (2) as few as possible so that the overlap with other peaks is negligible. Then, a necessary and sufficient energy width (about 0.2 to 0.3 keV) that covers all the selected peaks is determined, and all counts of fluorescent X-rays in the range are added, and this is calculated as the integral intensity of the fluorescent X-ray peak of the metal element, so that on the basis of the aforementioned relative intensity ratio X, its mean value X m, average second moment [nu 2 around X m, the average value X m Secondary moments ν 2 / X m 2 normalized by the square are sequentially calculated, and it is determined whether or not the condition expressed by the above formula (1) is satisfied.
本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体が前記式(1)で表される条件を満たすということは、そのナノ多孔体を構成する主要な金属酸化物がナノ細孔を構成する壁体中で極めて均一に分散していることを示している。このような極めて高水準の成分均一性は、金属酸化物のコロイド溶液や金属塩の溶液をそのまま用いて得られる金属酸化物では決して得られるものではなく、後述する本発明の製造方法によってはじめて達成されたものである。そして、前記式(1)で表される条件を満たす金属酸化物ナノ多孔体においては、驚くべきことに、その条件を満たさない従来の金属酸化物多孔体に比べて炭化ケイ素基材に対する付着性及び耐熱性が飛躍的に向上している。 The fact that the metal oxide nanoporous material according to the present invention satisfies the condition represented by the formula (1) means that the main metal oxide constituting the nanoporous material is in the wall constituting the nanopore. It shows very even dispersion. Such a very high level of component uniformity is never obtained with a metal oxide obtained by using a metal oxide colloidal solution or a metal salt solution as it is, and is achieved only by the production method of the present invention described later. It has been done. And surprisingly, in the metal oxide nanoporous material that satisfies the condition represented by the formula (1), the adhesion to the silicon carbide substrate is surprising compared to the conventional metal oxide porous material that does not satisfy the condition. In addition, the heat resistance is dramatically improved.
また、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体、特に後述する原料流体組成物として金属塩溶液を用いて得た金属酸化物ナノ多孔体は、以下に説明する条件(II)を満たすものであることが好ましい。 In addition, the metal oxide nanoporous material according to the present invention, particularly the metal oxide nanoporous material obtained by using a metal salt solution as a raw material fluid composition described later, satisfies the condition (II) described below. It is preferable.
すなわち、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体が満たすことが好ましい第二の条件(II)は、前記ナノ多孔体に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素について、加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡を用いて任意に10以上の測定点においてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、得られたスペクトル中の各金属元素の蛍光X線ピークの積分強度を相対比に変換して求められる相対強度比Xの平均値Xmと平均値Xmのまわりの二次のモーメントν2とが、前記金属元素のすべてについて下記式(2):
ν2/Xm 2≦0.1 (2)
で表される条件を満たしていることである。前記式(2)において、Xmは、下記式:
Xm=(ΣX)/N
(式中のNは測定点の数を示す。)
で表される相対強度比Xの平均値である。また、ν2は、下記式:
ν2={Σ(X−Xm)2}/N
で表される平均値Xmのまわりの二次のモーメントである。さらに、ν2/Xm 2は、平均値Xmの二乗で規格化した二次のモーメントである。
That is, the second condition (II) that is preferably satisfied by the metal oxide nanoporous material according to the present invention is that an acceleration voltage of 200 kV is applied to all metal elements of the metal oxide contained in the nanoporous material by 10 at% or more. Using a transmission electron microscope having an electron beam diameter of 1.0 nm, a spectrum is arbitrarily obtained by energy dispersive X-ray spectroscopy at 10 or more measurement points, and the fluorescence X-ray peak of each metal element in the obtained spectrum is obtained. The average value X m of the relative intensity ratio X obtained by converting the integrated intensity into the relative ratio and the secondary moment ν 2 around the average value X m are expressed by the following formula (2):
ν 2 / X m 2 ≦ 0.1 (2)
The condition represented by is satisfied. In the above formula (2), Xm represents the following formula:
X m = (ΣX) / N
(N in the formula indicates the number of measurement points.)
Is the average value of the relative intensity ratio X represented by Also, ν 2 is the following formula:
ν 2 = {Σ (X−X m ) 2 } / N
In a second moment around the mean value X m represented. Furthermore, ν 2 / X m 2 is a second moment normalized by the square of the average value X m .
なお、この条件(II)の判定方法の詳細(試料の作製、透過型電子顕微鏡観察、測定部位の良否の判定、測定結果に基づく計算)は、前記条件(I)の判定方法とほとんど同様であるが、条件(I)の判定方法のように被検試料の厚さが略一定とみなせる領域にある測定点についての測定値のみを用いる必要はなく、任意の10以上の測定点であればよい。したがって、透過型電子顕微鏡観察の際に、被検試料の厚さに関し、EDX検出器で得られる全X線の総カウント数を基準とし、1万カウントから15万カウントの間になる部分を測定に適正な領域として採用することができる。 The details of the determination method for condition (II) (sample preparation, observation with a transmission electron microscope, determination of the quality of the measurement site, calculation based on the measurement result) are almost the same as the determination method for condition (I). However, it is not necessary to use only the measurement values for the measurement points in the region in which the thickness of the test sample can be regarded as being substantially constant as in the determination method of the condition (I), and any arbitrary measurement point is 10 or more. Good. Therefore, when observing with a transmission electron microscope, the thickness of the test sample is measured with respect to the total count number of all X-rays obtained by the EDX detector as a reference between 10,000 counts and 150,000 counts. It can be adopted as an appropriate area.
本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体が上記の条件(II)を満たすということは、そのナノ多孔体を構成する主要な金属酸化物がナノ多孔体中で極めて均一に分散していることを示している。このような極めて高水準の成分均一性は、金属酸化物のコロイド溶液や金属塩の溶液をそのまま用いて得られる金属酸化物では決して得られるものではなく、後述する本発明の製造方法によってはじめて達成されたものである。そして、前記の条件(II)を満たす金属酸化物ナノ多孔体においては、驚くべきことに、その条件を満たさない従来の金属酸化物多孔体に比べて炭化ケイ素基材に対する付着性及び耐熱性が向上している。 The fact that the metal oxide nanoporous material according to the present invention satisfies the above condition (II) means that the main metal oxides constituting the nanoporous material are very uniformly dispersed in the nanoporous material. Show. Such a very high level of component uniformity is never obtained with a metal oxide obtained by using a metal oxide colloidal solution or a metal salt solution as it is, and is achieved only by the production method of the present invention described later. It has been done. And surprisingly, in the metal oxide nanoporous material satisfying the condition (II), the adhesion and heat resistance to the silicon carbide base material are higher than those of the conventional metal oxide porous material not satisfying the condition. It has improved.
本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体は、上記条件(I)〜(II)のうちの1つの条件を満たしていることが好ましく、また条件(I)と(II)の双方の条件を満たしていることがより好ましい。複数の条件を満たすことにより、そのナノ多孔体を構成する主要な金属酸化物がナノ多孔体中(ナノ細孔を構成する壁体中)で極めて均一に分散している。それによって炭化ケイ素基材に対する金属酸化物ナノ多孔体の付着性及び耐熱性を相乗的により向上させることができる。 The metal oxide nanoporous material according to the present invention preferably satisfies one of the above conditions (I) to (II), and satisfies both of the conditions (I) and (II). More preferably. By satisfying a plurality of conditions, the main metal oxide constituting the nanoporous body is dispersed extremely uniformly in the nanoporous body (in the wall constituting the nanopore). Thereby, the adhesion and heat resistance of the metal oxide nanoporous material to the silicon carbide substrate can be synergistically improved.
以上、本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体について説明したが、かかる金属酸化物ナノ多孔体おいては、平均粒径が0.01〜50μmである第二の金属酸化物の粉末が混合されていてもよい。このような第二の金属酸化物としては、アルミナ、ジルコニア、セリア、チタニア、シリカ、ランタナ、イットリア等が挙げられ、その平均粒径が0.01μm未満のものは金属酸化物の粉砕による製造法としては作製が困難であり、他方、50μmを超えると得られる被覆の厚みが非常に厚くなり、また付着性が低下するといった問題が発生する傾向にある。また、このような第二の金属酸化物の粉末の添加量は特に制限されないが、得られる金属酸化物ナノ多孔体において30〜70質量%程度となる量が好ましい。 The metal oxide nanoporous material according to the present invention has been described above. In such a metal oxide nanoporous material, a second metal oxide powder having an average particle size of 0.01 to 50 μm is mixed. It may be. Examples of the second metal oxide include alumina, zirconia, ceria, titania, silica, lantana, yttria, and the like, and those having an average particle size of less than 0.01 μm are produced by pulverizing the metal oxide. On the other hand, when the thickness exceeds 50 μm, the thickness of the resulting coating tends to be very thick and the adhesion tends to decrease. The amount of the second metal oxide powder added is not particularly limited, but an amount of about 30 to 70% by mass in the obtained metal oxide nanoporous material is preferable.
また、本発明にかかる前記金属酸化物ナノ多孔体からなる被覆又は薄膜は、単一層からなるものであってもよいが、同一又は異なる金属酸化物ナノ多孔体からなる複数層からなるものであってもよい。このように異なる金属酸化物ナノ多孔体からなる複数層からなる被覆又は薄膜とすれば、触媒反応に対する多段制御が可能となり、また、表面側層の細孔分布を制御することによって表面側層と基材側層との寄与度を制御することも可能となる。 Further, the coating or thin film comprising the metal oxide nanoporous material according to the present invention may comprise a single layer, but comprises a plurality of layers comprising the same or different metal oxide nanoporous materials. May be. Thus, if it is a coating or thin film consisting of a plurality of layers made of different metal oxide nanoporous materials, multistage control for the catalytic reaction becomes possible, and the surface side layer and the surface side layer can be controlled by controlling the pore distribution of the surface side layer. It is also possible to control the degree of contribution with the base material side layer.
本発明の排ガス浄化用フィルタは、炭化ケイ素基材と、それに担持されている前記金属酸化物ナノ多孔体とを備えるものである。ここで用いられる基材は、炭化ケイ素(SiC)からなる基材であり、その形状は特に制限されず、得られる排ガス浄化用フィルタの用途等に応じて適宜選択されるが、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)用の炭化ケイ素フィルタ基材(ハニカムフィルタ基材、高密度ハニカムフィルタ基材等のモノリス担体基材)、ペレット状フィルタ基材、プレート状フィルタ基材等が挙げられる。 The exhaust gas purifying filter of the present invention comprises a silicon carbide substrate and the metal oxide nanoporous material carried thereon. The base material used here is a base material made of silicon carbide (SiC), and the shape thereof is not particularly limited and is appropriately selected according to the use of the obtained exhaust gas purification filter, etc., but the diesel particulate filter Examples thereof include silicon carbide filter base materials (monolith carrier base materials such as honeycomb filter base materials and high-density honeycomb filter base materials), pellet-shaped filter base materials, and plate-shaped filter base materials.
また、近年、いわゆるウォールスルータイプの排ガス浄化用フィルタ等に多孔質の炭化ケイ素基材が使用されており、このような多孔質の炭化ケイ素基材も本発明にかかる基材として有用である。なお、ウォールスルータイプのフィルタは、一般的にモノリス構造となっており、その孔の入口と出口が交互に栓詰めされており、ガスは炭化ケイ素基材中の細孔を流れて入口側の孔から出口側の孔に導かれるものである。このようなウォールスルータイプのフィルタにおける1平方インチあたりのセル数は一般的に50〜600(主チャンネルの直径は約1〜3.6mm)であり、細孔の平均直径が5〜100μmで且つ気孔率が30〜80%程度の多孔質炭化ケイ素基材が一般的に好適に採用される。 In recent years, porous silicon carbide substrates have been used for so-called wall-through type exhaust gas purifying filters, and such porous silicon carbide substrates are also useful as substrates according to the present invention. The wall-through type filter generally has a monolithic structure, and the inlets and outlets of the holes are alternately plugged, and the gas flows through the pores in the silicon carbide base material to enter the inlet side. It is led from the hole to the hole on the outlet side. The number of cells per square inch in such a wall-through type filter is generally 50 to 600 (the diameter of the main channel is about 1 to 3.6 mm), the average diameter of the pores is 5 to 100 μm, and A porous silicon carbide substrate having a porosity of about 30 to 80% is generally preferably employed.
本発明によれば、このような各種の炭化ケイ素基材の表面上のみならず細孔内壁面上に対しても非常に薄い薄膜を形成することが可能となるため、特にウォールスルータイプのフィルタの細孔内壁面上に金属酸化物ナノ多孔体薄膜を形成させた場合であってもガス流路が確保され、ガスが流れる際の圧力損失の増大を十分に防止することが可能となる。さらに、このような金属酸化物ナノ多孔体薄膜に貴金属を担持して触媒化すれば、触媒とガスとの接触頻度を増加させることができ、通過するガスに含まれる有害成分等の浄化性能を更に高めることが可能となる。また、粒子状物質を捕集可能な流路に、触媒機能を有する金属酸化物ナノ多孔体薄膜を形成すれば、粒子状物質の捕集と浄化との両立が可能となり、さらに細孔内壁面上に形成する薄膜の厚みをコントロールすることによって連通孔内径の制御も可能となるため、粒子捕集能力の制御が要求されるディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)等に対して特に有効である。 According to the present invention, it is possible to form a very thin thin film not only on the surface of such various silicon carbide substrates but also on the inner wall surface of the pores. Even when the metal oxide nanoporous thin film is formed on the inner wall surfaces of the pores, a gas flow path is secured, and it is possible to sufficiently prevent an increase in pressure loss when the gas flows. Furthermore, if a noble metal is supported on such a metal oxide nanoporous thin film and catalyzed, the contact frequency between the catalyst and the gas can be increased, and the purification performance of harmful components contained in the passing gas can be improved. Further increase is possible. In addition, if a metal oxide nanoporous thin film having a catalytic function is formed in the flow path capable of collecting particulate matter, it is possible to achieve both the collection and purification of particulate matter, and the inner wall surface of the pores. Since the inner diameter of the communication hole can be controlled by controlling the thickness of the thin film formed thereon, it is particularly effective for a diesel particulate filter (DPF) or the like that requires control of particle collection ability.
また、本発明の排ガス浄化用フィルタは、前記金属酸化物ナノ多孔体被覆の表面上及び/又は細孔内壁面上に担持されている貴金属を備えていることが好ましい。このような貴金属としては、白金、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金等が挙げられるが、排ガス浄化用のフィルタとしてより有用なものとなるという観点から、白金、ロジウム、パラジウムが好ましい。また、このような貴金属の担持量は特に制限されず、得られる排ガス浄化用フィルタの用途等に応じて適宜調整されるが、前記金属酸化物100質量部に対して0.1〜10質量部程度となる量が一般的である。 The exhaust gas purifying filter of the present invention preferably includes a noble metal supported on the surface of the metal oxide nanoporous material coating and / or on the inner wall surface of the pore. Examples of such noble metals include platinum, rhodium, palladium, osmium, iridium, gold, and the like, but platinum, rhodium, and palladium are preferable from the viewpoint of being more useful as a filter for exhaust gas purification. Further, the amount of such noble metal supported is not particularly limited, and is appropriately adjusted according to the use of the obtained exhaust gas purification filter, but is 0.1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the metal oxide. The amount to the extent is common.
次に、本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法について説明する。すなわち、前記炭化ケイ素基材とその基材に担持されている前記金属酸化物ナノ多孔体とを備える排ガス浄化用フィルタの製造方法であって、
前記2種以上の金属酸化物の原料を含有する原料流体組成物を準備する工程と、
前記原料流体組成物を、1000sec−1以上の剪断速度の下で混合し、前記炭化ケイ素基材の表面に塗布した後、実質的に共沈させることなく熱処理して、直径が10nm以下のナノ細孔を有しており且つ前記ナノ細孔を構成する壁体において前記金属酸化物が均質に分散している金属酸化物ナノ多孔体を得る工程と、
を含むことを特徴とする方法である。
Next, the manufacturing method of the filter for exhaust gas purification of this invention is demonstrated. That is, a method for producing an exhaust gas purification filter comprising the silicon carbide substrate and the metal oxide nanoporous material supported on the substrate,
Preparing a raw material fluid composition containing raw materials of the two or more metal oxides;
The raw material fluid composition is mixed under a shear rate of 1000 sec −1 or more, applied to the surface of the silicon carbide substrate, and then heat-treated without substantially co-precipitation, so that the nanometer has a diameter of 10 nm or less. Obtaining a metal oxide nanoporous body having pores and in which the metal oxide is uniformly dispersed in a wall constituting the nanopore;
It is the method characterized by including.
本発明において用いられる前記金属酸化物の原料としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化鉄、希土類元素酸化物、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物のコロイド粒子と、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、鉄、希土類元素、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の塩とからなる群から選択される少なくとも1種が好適なものとして挙げられる。 As the raw material of the metal oxide used in the present invention, alumina, zirconia, titania, iron oxide, rare earth element oxide, alkali metal oxide and alkaline earth metal oxide colloidal particles, aluminum, zirconium, titanium, Suitable examples include at least one selected from the group consisting of iron, rare earth elements, alkali metals, and alkaline earth metal salts.
また、本発明にかかる前記原料流体組成物としては、
(i)アルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化鉄、希土類元素酸化物、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物のコロイド粒子からなる群から選択される少なくとも1種を含有するコロイド溶液、或いは、
(ii)アルミニウム、ジルコニウム、チタン、鉄、希土類元素、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の塩からなる群から選択される少なくとも1種を含有する金属塩溶液、
が好ましい。
Moreover, as the raw material fluid composition according to the present invention,
(i) a colloid solution containing at least one selected from the group consisting of colloidal particles of alumina, zirconia, titania, iron oxide, rare earth element oxide, alkali metal oxide and alkaline earth metal oxide, or
(ii) a metal salt solution containing at least one selected from the group consisting of aluminum, zirconium, titanium, iron, rare earth elements, alkali metal and alkaline earth metal salts,
Is preferred.
先ず、本発明にかかるコロイド溶液について説明する。本発明において用いられる金属酸化物のコロイド粒子は、前述の金属酸化物の平均粒径が5〜200nmのコロイド粒子であり、好ましくは5〜100nmのコロイド粒子である。コロイド粒子の平均粒径が5nm未満のものについては、金属酸化物単体のサイズ以下の粒子を作製することは原理的に困難であり、他方、200nmを超えると混合・分散性の低下、付着性の低下、反応性の低下等の種々の問題が発生する。 First, the colloidal solution according to the present invention will be described. The metal oxide colloidal particles used in the present invention are colloidal particles having an average particle diameter of 5 to 200 nm, preferably 5 to 100 nm. For colloidal particles having an average particle size of less than 5 nm, it is theoretically difficult to produce particles smaller than the size of the metal oxide alone. On the other hand, when the particle size exceeds 200 nm, mixing / dispersibility is reduced and adhesion is poor. Various problems such as a decrease in reactivity and a decrease in reactivity occur.
なお、このようなコロイド粒子の形状は特に制限されず、針状粒子、棒状粒子、羽毛状粒子、球状粒子、不定形状粒子等のものが挙げられる。また、コロイド溶液の濃度を調整するための溶媒も特に制限されず、水、アルコール等が挙げられるが、一回あたりの金属酸化物担持量等を考慮して決定される。 The shape of such colloidal particles is not particularly limited, and examples thereof include needle-shaped particles, rod-shaped particles, feather-shaped particles, spherical particles, and irregularly shaped particles. Also, the solvent for adjusting the concentration of the colloidal solution is not particularly limited, and examples thereof include water, alcohol, etc., but are determined in consideration of the amount of metal oxide supported per one time.
また、本発明において2種以上の金属酸化物からなるナノ多孔体を得る場合、その一部の金属酸化物についてはその構成元素の溶液として前記コロイド溶液中に更に含有されていてもよい。このような溶液としては、構成元素である金属の塩(硝酸塩、酢酸塩、塩化物、硫酸塩、亜硫酸塩、無機錯塩等)を水、アルコール等の溶媒に溶解した溶液が好適に用いられる。 Moreover, when obtaining the nanoporous body which consists of 2 or more types of metal oxides in this invention, about the one part metal oxide, you may further contain in the said colloid solution as a solution of the structural element. As such a solution, a solution in which a metal salt (nitrate, acetate, chloride, sulfate, sulfite, inorganic complex salt, etc.) as a constituent element is dissolved in a solvent such as water or alcohol is preferably used.
次に、本発明にかかる金属塩溶液について説明する。本発明において原料として用いられる金属の塩は、後述する熱処理により酸化して前述の金属酸化物となる成分、すなわち、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、鉄、希土類元素、アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選択される2種以上の金属の塩であり、かかる2種以上の金属及びその組み合わせの好適条件は前述の金属酸化物及びその組み合わせの好適条件に準じている。 Next, the metal salt solution according to the present invention will be described. The metal salt used as a raw material in the present invention is composed of components that are oxidized by the heat treatment described later to become the above-mentioned metal oxides, that is, aluminum, zirconium, titanium, iron, rare earth elements, alkali metals, and alkaline earth metals. It is a salt of two or more metals selected from the group, and suitable conditions for the two or more metals and combinations thereof are in accordance with the preferred conditions for the metal oxides and combinations thereof.
また、本発明にかかる2種以上の金属の塩としては、上記の金属の硝酸塩、酢酸塩、塩化物、硫酸塩、亜硫酸塩、無機錯塩(例えば、例えば、硝酸アルミニウム、オキシ硝酸ジルコニウム、硝酸セリウム、酢酸ジルコニウム、オキシ硫酸ジルコニウム、四塩化チタン、シュウ酸チタニルアンモニウム、硫酸チタニル、硝酸イットリウム)等の水溶性の塩が好適に用いられる。 In addition, as the two or more kinds of metal salts according to the present invention, the above-mentioned metal nitrates, acetates, chlorides, sulfates, sulfites, inorganic complex salts (for example, aluminum nitrate, zirconium oxynitrate, cerium nitrate) Water-soluble salts such as zirconium acetate, zirconium oxysulfate, titanium tetrachloride, titanyl ammonium oxalate, titanyl sulfate, yttrium nitrate) are preferably used.
さらに、本発明にかかる2種以上の金属塩を含有する金属塩溶液を調製するための溶媒としては、特に制限されず、水、アルコール(例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコール等の単独又は混合系溶媒)等の各種溶媒が挙げられるが、金属基材への付着性向上という観点から水とアルコールとの混合溶媒が好ましく、アルコール含有量が40〜100質量%(特に好ましくは55〜80質量%)である水とアルコールとの混合溶媒が特に好ましい。 Furthermore, the solvent for preparing the metal salt solution containing two or more metal salts according to the present invention is not particularly limited, and water, alcohol (for example, methanol, ethanol, ethylene glycol, etc., alone or in a mixed system) Various solvents such as (solvent) can be mentioned, and a mixed solvent of water and alcohol is preferable from the viewpoint of improving adhesion to a metal substrate, and the alcohol content is 40 to 100% by mass (particularly preferably 55 to 80% by mass). A mixed solvent of water and alcohol, which is) is particularly preferred.
また、本発明にかかる金属塩溶液のpHは、特に限定されるものではないが、溶液中で金属イオンがより安定に存在するという観点から、金属塩溶液のpHが3.0〜6.0であることが好ましい。 Further, the pH of the metal salt solution according to the present invention is not particularly limited, but the pH of the metal salt solution is 3.0 to 6.0 from the viewpoint that metal ions are more stably present in the solution. It is preferable that
本発明においては、また、前記原料流体組成物中に平均粒径が0.01〜50μm(好ましくは0.01〜10μm)である前述の第二の金属酸化物の粉末が更に含有されていてもよい。なお、このような第二の金属酸化物としては、前述の第一の金属酸化物と同様のものが好適に用いられる。また、第二の金属酸化物の粉末として、酸化により第二の金属酸化物となる金属塩を含有する溶液を乾燥した後に粉砕して得たものが好適に用いられる。さらに、その平均粒径は、得ようとする被覆の厚み以下であることが望ましい。 In the present invention, the raw material fluid composition further contains the second metal oxide powder having an average particle size of 0.01 to 50 μm (preferably 0.01 to 10 μm). Also good. In addition, as such a 2nd metal oxide, the thing similar to the above-mentioned 1st metal oxide is used suitably. As the second metal oxide powder, a powder obtained by pulverizing after drying a solution containing a metal salt that becomes a second metal oxide by oxidation is preferably used. Furthermore, the average particle size is desirably equal to or less than the thickness of the coating to be obtained.
さらに、このような第二の金属酸化物の粉末を用いる場合、その表面に前述の貴金属を予め担持させておくこともできる。このような貴金属を担持させる具体的な方法は特に制限されないが、例えば、貴金属の塩(硝酸塩、塩化物、酢酸塩等)又は貴金属の錯体を水、アルコール等の溶媒に溶解した溶液に前記の粉末を浸漬し、溶媒を除去した後に焼成及び粉砕するといった方法が好適に用いられる。 Further, when such a second metal oxide powder is used, the above-mentioned noble metal can be supported on the surface in advance. A specific method for supporting such a noble metal is not particularly limited. For example, the above-described method may be used in a solution in which a salt of a noble metal (nitrate, chloride, acetate, etc.) or a noble metal complex is dissolved in a solvent such as water or alcohol. A method of immersing the powder, removing the solvent, and firing and pulverizing is preferably used.
本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法においては、前述の本発明にかかる原料流体組成物を1000sec−1以上、より好ましくは10000sec−1以上、特に好ましくは20000sec−1以上、の剪断速度の下で混合して被覆組成物を得る。かかる剪断速度が1000sec−1未満では、得られる金属酸化物ナノ多孔体が前述の成分均一性を満たすものにならず、その付着性及び耐熱性の十分な向上が得られない。なお、かかる剪断速度の上限は特に制限されないが、200000sec−1以下であることが好ましい。 In the production method of the exhaust gas purifying filter of the present invention, the fluid raw material composition according to the present invention described above of 1,000 sec -1 or more, more preferably 10000 sec -1 or more, particularly preferably 20000Sec -1 or more, under a shear rate of To obtain a coating composition. When the shear rate is less than 1000 sec −1 , the obtained metal oxide nanoporous material does not satisfy the above-described component uniformity, and sufficient adhesion and heat resistance cannot be obtained. The upper limit of the shear rate is not particularly limited, but is preferably 200,000 sec −1 or less.
なお、ここで用いる装置は、このような高剪断速度の下で混合できるものであればよく特に制限されないが、ホモジナイザが好適に用いられる。また、このような高剪断速度の下で混合する時間も特に制限されないが、1〜20分(好ましくは1〜5分)程度が一般的である。 The apparatus used here is not particularly limited as long as it can be mixed at such a high shear rate, but a homogenizer is preferably used. Further, the mixing time under such a high shear rate is not particularly limited, but is generally about 1 to 20 minutes (preferably 1 to 5 minutes).
このような高剪断速度の下で混合される原料流体組成物の濃度(固形分濃度)は、目的とする金属酸化物ナノ多孔体の形状(厚み等)、塗布する方法に適した粘度等に応じて適宜調整されるが、5〜50質量%程度の固形分濃度が一般的であり、好ましくは10〜15質量%程度の固形分濃度である。 The concentration (solid content concentration) of the raw material fluid composition mixed under such a high shear rate is adjusted to the shape (thickness, etc.) of the target metal oxide nanoporous material, the viscosity suitable for the coating method, etc. The solid content is generally adjusted to about 5 to 50% by mass, and preferably about 10 to 15% by mass.
さらに、本発明においては、得られた被覆組成物に混入している気泡を十分に除去するため、得られた被覆組成物を1〜2分程度緩やかに攪拌(例えば、20〜100rpm)する脱気処理を更に施してもよい。 Further, in the present invention, in order to sufficiently remove bubbles mixed in the obtained coating composition, the obtained coating composition is gently stirred for about 1 to 2 minutes (for example, 20 to 100 rpm). An air treatment may be further performed.
以上説明した方法によって得られる被覆組成物においては、前記の原料流体組成物中の諸成分が極めて均一に分散しており、このような原料流体組成物を実質的に共沈させることなく熱処理することによって、炭化ケイ素基材に対して付着性が高く且つ優れた耐熱性を有する前述の本発明にかかる金属酸化物ナノ多孔体を形成することが可能となり、更に得られる金属酸化物ナノ多孔体の薄膜化も可能となる。そのため、本発明によれば、DPF用のハニカムフィルタ等の炭化ケイ素製基材に対しても高水準の付着性をもって優れた耐熱性を有する金属酸化物ナノ多孔体の被覆を均一に形成することが可能となる。また、本発明によれば、いわゆるウォールスルータイプの排ガス浄化用フィルタ等に用いられる多孔質の炭化ケイ素基材の細孔内壁面上に前記金属酸化物ナノ多孔体からなる薄膜を形成することが可能となる。 In the coating composition obtained by the method described above, the components in the raw material fluid composition are extremely uniformly dispersed, and heat treatment is performed without substantially coprecipitation of the raw material fluid composition. By this, it becomes possible to form the metal oxide nanoporous material according to the present invention having high adhesion to the silicon carbide substrate and having excellent heat resistance, and further obtained metal oxide nanoporous material It is also possible to reduce the film thickness. Therefore, according to the present invention, a metal oxide nanoporous material having a high level of adhesion and excellent heat resistance can be uniformly formed even on a silicon carbide substrate such as a DPF honeycomb filter. Is possible. Further, according to the present invention, the thin film made of the metal oxide nanoporous material can be formed on the pore inner wall surface of a porous silicon carbide base material used for a so-called wall-through type exhaust gas purification filter or the like. It becomes possible.
このように、本発明においては、原料流体組成物を実質的に共沈させることなく熱処理する必要がある。ここで、「実質的に共沈させることなく」とは、原料流体組成物中の金属元素が実質的に水酸化物を経ることなく熱処理によって固化して金属酸化物となることをいい、より具体的には、かかる熱処理前の原料流体組成物中の金属成分における水酸化物の比率が50at%以下(より好ましくは30at%以下)の場合をいう。 Thus, in this invention, it is necessary to heat-process, without substantially coprecipitating a raw material fluid composition. Here, “without substantially coprecipitation” means that the metal element in the raw material fluid composition is solidified by heat treatment without substantially passing through a hydroxide, and becomes a metal oxide. Specifically, it refers to the case where the ratio of hydroxide in the metal component in the raw material fluid composition before the heat treatment is 50 at% or less (more preferably 30 at% or less).
そして、本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法においては、前記原料流体組成物を前述の高速剪断速度の下で混合し、前記炭化ケイ素基材の表面上及び/又は細孔内壁面上に塗布した後、実質的に共沈させることなく熱処理することによって、目的とする金属酸化物ナノ多孔体を有する排ガス浄化用フィルタが得られる。また、前記原料流体組成物として金属塩溶液を用いた場合は、かかる熱処理によって原料流体組成物中の金属成分を酸化せしめて金属酸化物とすることによって、本発明の排ガス浄化用フィルタを得ることができる。 In the method for producing an exhaust gas purifying filter of the present invention, the raw material fluid composition is mixed under the above-mentioned high shear rate and applied onto the surface of the silicon carbide substrate and / or the inner wall surface of the pores. After that, the exhaust gas purifying filter having the target metal oxide nanoporous material is obtained by heat treatment without substantially coprecipitation. Further, when a metal salt solution is used as the raw material fluid composition, the exhaust gas purifying filter of the present invention is obtained by oxidizing the metal component in the raw material fluid composition by such heat treatment to form a metal oxide. Can do.
本発明においては、前記原料流体組成物を前述の混合の後に高速で熱処理することが好ましい。このような熱処理の具体的な方法は特に制限されないが、前記原料流体組成物を前述の混合の後に高速で乾燥し、さらに必要に応じて焼成する方法が好適に採用される。 In the present invention, the raw material fluid composition is preferably heat-treated at a high speed after the aforementioned mixing. Although the specific method of such heat treatment is not particularly limited, a method in which the raw material fluid composition is dried at a high speed after the above-mentioned mixing, and further fired as necessary is suitably employed.
本発明においては、前記原料流体組成物を前述の高速剪断速度の下で混合した後に前記熱処理するまでの時間は短い方が望ましく、60分以内程度であることが好ましく、30分以内程度であることがより好ましい。この時間が上記上限を超えると、高剪断攪拌の効果が低下して熱処理前や熱処理工程において金属酸化物が凝集し、付着性及び耐熱性が十分に向上した金属酸化物ナノ多孔体が得られにくくなる。 In the present invention, it is desirable that the time until the heat treatment after mixing the raw material fluid composition under the above-mentioned high shear rate is shorter, preferably within 60 minutes, preferably within 30 minutes. It is more preferable. When this time exceeds the above upper limit, the effect of high shear stirring is reduced, the metal oxide aggregates before heat treatment or in the heat treatment step, and a metal oxide nanoporous material with sufficiently improved adhesion and heat resistance is obtained. It becomes difficult.
また、後述する焼成工程が乾燥工程を兼ねていてもよいが、前記原料流体組成物を焼成する前に溶媒を除去して高速で乾燥せしめることが好ましく、その際における乾燥条件としては、60〜180℃の温度(特に好ましくは100〜150℃の温度)で10分以内(特に好ましくは5分以内)に乾燥せしめるという条件がより好ましい。乾燥温度が上記下限未満では、高速乾燥が十分に達成されにくくなる傾向にあり、他方、上記上限を超えると、乾燥初期における乾燥速度が急激すぎることとなり、成膜速度より水分の気化速度が速すぎることから亀裂、ワレ等の原因となり、結果として付着性が大幅に低下する傾向にある。また、乾燥時間が上記上限を超えると、高剪断攪拌の効果が低下して乾燥工程において金属酸化物が凝集し、付着性及び耐熱性が十分に向上した金属酸化物ナノ多孔体が得られにくくなる傾向にある。なお、かかる高速乾燥工程において、原料流体組成物の含水率が200質量%以下(特に好ましくは100質量%以下)となるまで乾燥させることが好ましい。 Moreover, although the baking process mentioned later may serve as a drying process, it is preferable to remove a solvent and to dry at high speed before baking the said raw material fluid composition, As drying conditions in that case, 60- The condition of drying at a temperature of 180 ° C. (particularly preferably 100 to 150 ° C.) within 10 minutes (particularly preferably within 5 minutes) is more preferable. If the drying temperature is less than the above lower limit, high-speed drying tends to be difficult to achieve sufficiently. Since it is too much, it causes cracks, cracks and the like, and as a result, the adhesion tends to be greatly reduced. In addition, if the drying time exceeds the above upper limit, the effect of high shear stirring is reduced, the metal oxide aggregates in the drying step, and it is difficult to obtain a metal oxide nanoporous material with sufficiently improved adhesion and heat resistance. Tend to be. In this high-speed drying step, it is preferable to dry the raw material fluid composition until the water content becomes 200% by mass or less (particularly preferably 100% by mass or less).
さらに、焼成条件としては、酸化雰囲気(例えば、空気)中において250〜600℃の温度(特に好ましくは350〜500℃の温度)で20〜70分(特に好ましくは30〜60分)焼成するという条件がより好ましい。焼成温度が上記下限未満では、焼成が十分に達成されず、付着性及び耐熱性が十分に向上した金属酸化物ナノ多孔体が得られにくくなる傾向にあり、他方、上記上限を超えると、高温・酸化雰囲気によりシンタリング等の性能低下を伴い易くなる傾向にある。また、焼成時間が上記下限未満では、焼成が十分に達成されず、付着性及び耐熱性が十分に向上した金属酸化物ナノ多孔体が得られにくくなる傾向にあり、他方、上記上限を超えると、高剪断攪拌の効果が低下して焼成工程において金属酸化物が凝集し、付着性及び耐熱性が十分に向上した金属酸化物ナノ多孔体が得られにくくなる傾向にある。 Furthermore, as firing conditions, the firing is performed at a temperature of 250 to 600 ° C. (particularly preferably 350 to 500 ° C.) for 20 to 70 minutes (particularly preferably 30 to 60 minutes) in an oxidizing atmosphere (for example, air). Conditions are more preferred. When the firing temperature is less than the above lower limit, firing is not sufficiently achieved, and it tends to be difficult to obtain a metal oxide nanoporous material with sufficiently improved adhesion and heat resistance. -The oxidizing atmosphere tends to be accompanied by performance degradation such as sintering. Also, if the firing time is less than the above lower limit, firing is not sufficiently achieved, and it tends to be difficult to obtain a metal oxide nanoporous body with sufficiently improved adhesion and heat resistance, and on the other hand, when the upper limit is exceeded. The effect of high shear stirring is reduced, the metal oxide aggregates in the firing step, and it tends to be difficult to obtain a metal oxide nanoporous material having sufficiently improved adhesion and heat resistance.
なお、本発明の排ガス浄化用フィルタの製造方法において基材に塗布する原料流体組成物の量は特に制限されず、得られる排ガス浄化用フィルタの用途等に応じて適宜調整されるが、基材体積1リットルに対して薄膜を構成する金属酸化物の量が10〜300g程度となる量が好ましい。 In the method for producing an exhaust gas purification filter of the present invention, the amount of the raw material fluid composition applied to the base material is not particularly limited, and is appropriately adjusted according to the use of the obtained exhaust gas purification filter. The amount that the amount of the metal oxide constituting the thin film is about 10 to 300 g per 1 liter of volume is preferable.
また、前記原料流体組成物を基材に塗布する具体的な方法は特に制限されず、例えば、前記原料流体組成物に基材を浸漬する方法や、前記原料流体組成物をスプレー等により基材表面にコーティングする方法が好適に用いられる。 In addition, a specific method for applying the raw material fluid composition to the base material is not particularly limited. For example, a method of immersing the base material in the raw material fluid composition, a base material by spraying the raw material fluid composition, or the like. A method of coating the surface is preferably used.
また、いわゆるウォールスルータイプの排ガス浄化用フィルタ等に用いられる多孔質の炭化ケイ素基材を用いる場合には、前記原料流体組成物を基材に塗布した後に必要に応じて吸引操作を施して過剰な原料流体組成物を取り除くことが好ましい。このようにすることによって、細孔の入口及び出口が金属酸化物ナノ多孔体によって閉塞されることがより確実に防止され、細孔内壁面上に形成される金属酸化物ナノ多孔体薄膜がより薄くなる傾向にある。 In addition, when using a porous silicon carbide base material used for a so-called wall-through type exhaust gas purification filter or the like, after applying the raw material fluid composition to the base material, a suction operation is performed as necessary to make it excessive. It is preferable to remove the raw material fluid composition. By doing so, it is more reliably prevented that the inlet and outlet of the pores are blocked by the metal oxide nanoporous material, and the metal oxide nanoporous thin film formed on the inner wall surface of the pore is more It tends to be thinner.
また、所望の担持量になるまで前記原料流体組成物を基材に塗布する工程を繰り返してもよく、その場合は、前記原料流体組成物を基材に塗布して乾燥せしめた後に仮焼成することが好ましい。その際における仮焼成条件としては、酸化雰囲気(例えば、空気)中において250〜300℃の温度で30〜60分仮焼成するという条件が特に好ましい。 Further, the step of applying the raw material fluid composition to the base material may be repeated until a desired loading amount is obtained. In that case, the raw material fluid composition is applied to the base material and dried, followed by temporary baking. It is preferable. As pre-baking conditions in that case, the conditions of pre-baking for 30 to 60 minutes at a temperature of 250 to 300 ° C. in an oxidizing atmosphere (for example, air) are particularly preferable.
さらに、本発明の排ガス浄化用フィルタを得る場合には、前記で得られた金属酸化物ナノ多孔体を有するフィルタの表面上及び/又は細孔内壁面上に前述の貴金属を担持させてもよい。このような貴金属を担持させる具体的な方法は特に制限されないが、例えば、貴金属の塩(硝酸塩、塩化物、酢酸塩等)又は貴金属の錯体を水、アルコール等の溶媒に溶解した溶液に前記のフィルタを浸漬し、溶媒を除去した後に焼成及び粉砕するといった方法が好適に用いられる。なお、前記貴金属を担持させる工程において溶媒を除去する際における乾燥条件としては30〜150℃で10分以内程度が好ましく、また、焼成条件としては、酸化雰囲気(例えば、空気)中において250〜300℃で30〜60分程度が好ましい。また、所望の担持量になるまでこのような貴金属担持工程を繰り返してもよい。 Furthermore, when obtaining the exhaust gas purifying filter of the present invention, the aforementioned noble metal may be supported on the surface of the filter having the metal oxide nanoporous material obtained above and / or on the inner wall surface of the pore. . A specific method for supporting such a noble metal is not particularly limited. For example, the above-described method may be used in a solution in which a salt of a noble metal (nitrate, chloride, acetate, etc.) or a noble metal complex is dissolved in a solvent such as water or alcohol. A method of immersing the filter, removing the solvent, and firing and pulverizing is preferably used. The drying condition for removing the solvent in the step of supporting the noble metal is preferably within 30 minutes at 30 to 150 ° C. The firing condition is 250 to 300 in an oxidizing atmosphere (for example, air). About 30 to 60 minutes are preferable at ° C. Moreover, you may repeat such a noble metal carrying | support process until it becomes a desired carrying amount.
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.
なお、ホモジナイザとしては、特殊機化工業(株)製のT.K.ロボミックス(攪拌部はT.K.ホモミクサーMARKII 2.5型)を用いた。 As a homogenizer, T.M. manufactured by Tokushu Kika Kogyo Co., Ltd. was used. K. ROBOMIX (stirring part: TK homomixer MARK II 2.5 type) was used.
また、アルミナ(Al2O3)コロイド、Al溶液、Zr溶液、Ce溶液としては、それぞれ以下のものを用いた。
Al2O3コロイド…平均粒径:5〜20nm、針状粒子、硝酸水溶液(固形分濃度:25質量%)、
Al溶液…硝酸アルミニウム水溶液(固形分濃度:5.44質量%)、
Zr溶液…オキシ硝酸ジルコニウム水溶液(固形分濃度:18質量%)、
Ce溶液…硝酸セリウム水溶液(固形分濃度:28質量%)。
Further,
Al 2 O 3 colloid: average particle diameter: 5 to 20 nm, acicular particles, nitric acid aqueous solution (solid content concentration: 25% by mass),
Al solution: aluminum nitrate aqueous solution (solid content concentration: 5.44% by mass),
Zr solution: zirconium oxynitrate aqueous solution (solid content concentration: 18% by mass),
Ce solution: cerium nitrate aqueous solution (solid content concentration: 28% by mass).
なお、ここでの固形分濃度は、各溶液の溶媒を蒸発させ、乾燥・焼成し、金属酸化物とする時に生成する金属酸化物の量を、各溶液量に対しての質量比(%)として表したものである。 In addition, solid content concentration here is the mass ratio (%) with respect to each solution amount of the amount of the metal oxide produced | generated when the solvent of each solution is evaporated, dried and baked to make a metal oxide. It is expressed as
さらに、成分均一性、耐熱性及び第一の付着性を評価するための基材としては、炭化ケイ素製プレート(50mm×50mm×1.0mm、気孔率42%、平均気孔径9μm)を用いた。また、断面性状及び第二の付着性を評価するための基材としては、200cell/inch2のDPF用炭化ケイ素製ハニカムフィルタ(30mmφ、50mmL、細孔平均直径:11μm、気孔率:42%)を用いた。 Furthermore, a silicon carbide plate (50 mm × 50 mm × 1.0 mm, porosity 42%, average pore diameter 9 μm) was used as a substrate for evaluating component uniformity, heat resistance, and first adhesion. . Moreover, as a base material for evaluating the cross-sectional properties and the second adhesion, a honeycomb filter made of silicon carbide for DPF of 200 cell / inch 2 (30 mmφ, 50 mmL, average pore diameter: 11 μm, porosity: 42%) Was used.
(実施例1)
得られる金属酸化物薄膜におけるAl2O3とZrO2とCeO2との質量比がAl2O3:ZrO2:CeO2=35:30:35となるようにAl2O3コロイドとZr溶液とCe溶液とを混合し、メタノールにより希釈して固形分濃度が12質量%のコロイド溶液を調製した。そして、得られたコロイド溶液をホモジナイザにより20000sec−1の剪断速度の下で2分間混合した後、約1分間緩やかな攪拌速度(20rpm)として混入気泡を除去せしめて被覆組成物を得た。
Example 1
Al 2 O 3 colloid and Zr solution so that the mass ratio of Al 2 O 3 , ZrO 2 and CeO 2 in the obtained metal oxide thin film is Al 2 O 3 : ZrO 2 : CeO 2 = 35: 30: 35. And Ce solution were mixed and diluted with methanol to prepare a colloidal solution having a solid concentration of 12% by mass. The resulting colloidal solution was mixed for 2 minutes with a homogenizer under a shear rate of 20000 sec −1 , and then mixed bubbles were removed at a gentle stirring speed (20 rpm) for about 1 minute to obtain a coating composition.
次に、前記の炭化ケイ素基材を、上記で得られた被覆組成物に直ちに1〜10秒間浸漬し、取り出してからその表面の余剰被覆組成物を重力及び振とうにより除去した。そして、その基材を水平に置いた後、常温による緩やかな乾燥を5〜10分、風速2〜5m/sの温風(60〜100℃)による乾燥を5〜10分、空気雰囲気における250℃での仮焼成を約30分施し、更に風速2〜5m/sの常温風により5〜10分冷却した。このような処理を2回繰り返した後に空気雰囲気において500℃で約60分間焼成し、炭化ケイ素基材の表面に金属酸化物薄膜が担持されている排ガス浄化用フィルタを得た。 Next, the silicon carbide substrate was immediately immersed in the coating composition obtained above for 1 to 10 seconds, taken out, and then the excess coating composition on the surface was removed by gravity and shaking. And after placing the base material horizontally, 5-10 minutes of gentle drying at normal temperature, 5-10 minutes of drying with warm air (60-100 ° C.) at a wind speed of 2-5 m / s, 250 in an air atmosphere. Pre-baking at a temperature of about 30 minutes was performed, followed by cooling for 5 to 10 minutes with room temperature air at a wind speed of 2 to 5 m / s. Such a treatment was repeated twice, followed by firing at 500 ° C. for about 60 minutes in an air atmosphere to obtain an exhaust gas purifying filter in which a metal oxide thin film was supported on the surface of a silicon carbide substrate.
得られた排ガス浄化用フィルタにおける金属酸化物の被覆を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、被膜の厚さは約4μmであり、非常に均一な金属酸化物からなる薄膜が形成されていることが確認された。 When the coating of the metal oxide in the obtained exhaust gas purification filter was observed with a transmission electron microscope (TEM), the thickness of the coating was about 4 μm, and a thin film made of a very uniform metal oxide was formed. It was confirmed that
(実施例2)
Al2O3コロイドに代えてAl溶液を用いるようにした以外は実施例1と同様にして炭化ケイ素基材の表面に金属酸化物薄膜が担持されている排ガス浄化用フィルタを得た。
(Example 2)
Exhaust gas purification filter in which a metal oxide thin film was supported on the surface of a silicon carbide substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that an Al solution was used instead of the Al 2 O 3 colloid.
(比較例1)
前記ホモジナイザによる混合に代えてプロペラによりゆるやかに攪拌(剪断速度10sec−1以下)するようにした以外は実施例1と同様にして炭化ケイ素基材の表面に金属酸化物薄膜が担持されている排ガス浄化用フィルタを得た。
(Comparative Example 1)
Exhaust gas in which a metal oxide thin film is supported on the surface of a silicon carbide base material in the same manner as in Example 1 except that instead of the mixing by the homogenizer, the mixture is gently stirred by a propeller (shear rate of 10 sec −1 or less). A purification filter was obtained.
(比較例2)
特開平10−182155号公報(特許文献1)の実施例1に記載の共沈法により得られた従来のアルミナ/セリア/ジルコニア複合酸化物粉末を用い、得られる金属酸化物薄膜におけるAl2O3とZrO2とCeO2との質量比がAl2O3:ZrO2:CeO2=35:30:35となるように従来のアルミナ/セリア/ジルコニア複合酸化物粉末とベーマイト(Al2O3コロイド)と硝酸アルミニウム水溶液とをアトライタ(湿式粉砕)により混合・粉砕して得た固形分濃度が70質量%のスラリーを前記コロイド溶液に代えて用い、前記ホモジナイザによる混合に代えてプロペラによりゆるやかに攪拌(剪断速度10sec−1以下)するようにし、さらに焼成温度を700℃とした以外は実施例1と同様にして炭化ケイ素基材の表面に金属酸化物薄膜が担持されている排ガス浄化用フィルタを得た。
(Comparative Example 2)
Using conventional alumina / ceria / zirconia composite oxide powder obtained by the coprecipitation method described in Example 1 of JP-A-10-182155 (Patent Document 1), Al 2 O in the obtained metal oxide thin film The conventional alumina / ceria / zirconia composite oxide powder and boehmite (Al 2 O 3) so that the mass ratio of 3 to ZrO 2 and CeO 2 is Al 2 O 3 : ZrO 2 : CeO 2 = 35: 30: 35. Colloid) and an aqueous solution of aluminum nitrate are mixed and pulverized by an attritor (wet pulverization), and a slurry having a solid content concentration of 70% by mass is used instead of the colloidal solution, and gently mixed by a propeller instead of the homogenizer. stirring as (
<成分均一性の評価:条件(I)>
先ず、実施例1及び比較例1に記載の方法で得られた金属酸化物薄膜について、以下のようにして成分均一性を評価した。すなわち、前述の条件(I)の測定方法にしたがって、これらの金属酸化物薄膜について加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡(日本電子社製、JEM2010FEF)を用いてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、薄膜に含有されるAl、Zr及びCeについての蛍光X線ピークの積分強度を求めた。
<Evaluation of component uniformity: Condition (I)>
First, component uniformity was evaluated for the metal oxide thin films obtained by the methods described in Example 1 and Comparative Example 1 as follows. That is, according to the measurement method of the above-mentioned condition (I), these metal oxide thin films are energy dispersive using a transmission electron microscope (JEM2010FEF, manufactured by JEOL Ltd.) having an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam diameter of 1.0 nm. The spectrum was determined by X-ray spectroscopy, and the integrated intensity of the fluorescent X-ray peak for Al, Zr and Ce contained in the thin film was determined.
なお、透過型電子顕微鏡観察の際に、試料の厚さに関し、EDX検出器で得られる全X線の総カウント数を基準とし、1万カウントから6万カウントの間になる部分を測定に適正な領域、すなわち被検試料の厚さが略一定とみなせる領域として採用した。 When observing with a transmission electron microscope, with regard to the thickness of the sample, using the total count of all X-rays obtained with the EDX detector as a reference, the portion between 10,000 count and 60,000 count is appropriate for measurement. This area was adopted as an area where the thickness of the test sample can be regarded as substantially constant.
そして、その測定結果に基づいて前述の相対強度比X、その平均値Xm、平均値Xmのまわりの二次のモーメントν2、平均値Xmの二乗で規格化した二次のモーメントν2/Xm 2を順次算出し、前記式(1)で表される条件を満たしているか否かを判定した。 Then, the relative intensity ratio X mentioned above based on the measurement result, the average value X m, average second moment [nu 2 around X m, second moment normalized by the square of the mean value X m [nu 2 / X m 2 was sequentially calculated, and it was determined whether or not the condition represented by the formula (1) was satisfied.
このようにして得られた平均値Xmの二乗で規格化した二次のモーメントν2/Xm 2を表1にそれぞれ示す。 The secondary moments ν 2 / X m 2 normalized by the square of the average value X m thus obtained are shown in Table 1, respectively.
表1に示した結果から明らかな通り、本発明の方法で得られた実施例1で得られた金属酸化物薄膜においては、金属酸化物に含有される金属元素のすべてについて前記式(1)で表される条件が満たされており、金属酸化物が極めて均一に分散していることが確認された。一方、高速剪断速度の下での混合をしなかった比較例1で得られた金属酸化物薄膜においては、前記式(1)で表される条件が満たされていないことが確認された。 As is clear from the results shown in Table 1, in the metal oxide thin film obtained in Example 1 obtained by the method of the present invention, all the metal elements contained in the metal oxide are represented by the above formula (1). It was confirmed that the metal oxide was dispersed extremely uniformly. On the other hand, in the metal oxide thin film obtained in Comparative Example 1 that was not mixed under a high shear rate, it was confirmed that the condition represented by the above formula (1) was not satisfied.
<耐熱性試験>
実施例1、比較例1及び比較例2に記載の方法で前記炭化ケイ素製プレート上に形成せしめた金属酸化物薄膜について、以下のようにして耐熱性を評価した。すなわち、各金属酸化物薄膜を酸化雰囲気(大気中)において500℃、900℃、1000℃に加熱してそれぞれ5時間維持した後の比表面積(BET比表面積)を測定した。
<Heat resistance test>
The heat resistance of the metal oxide thin film formed on the silicon carbide plate by the method described in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was evaluated as follows. That is, the specific surface area (BET specific surface area) after each metal oxide thin film was heated to 500 ° C., 900 ° C., and 1000 ° C. in an oxidizing atmosphere (in the air) and maintained for 5 hours was measured.
得られた結果を図1に示す。なお、図1においては、比較例2で得られた金属酸化物薄膜の比表面積を1として相対的に示している。 The obtained results are shown in FIG. In FIG. 1, the specific surface area of the metal oxide thin film obtained in Comparative Example 2 is relatively shown as 1.
図1に示した結果から明らかな通り、コロイド溶液を高剪断速度の下で混合した後に基材に塗布して高速で乾燥及び焼成して得た本発明にかかる金属酸化物薄膜においては、耐熱性が大幅に向上していることが確認された。 As is clear from the results shown in FIG. 1, the metal oxide thin film according to the present invention obtained by mixing the colloidal solution at a high shear rate, applying the colloidal solution to the substrate, drying and firing at high speed, It was confirmed that the performance was greatly improved.
<付着性試験1>
実施例1、実施例2及び比較例2に記載の方法で前記炭化ケイ素製プレート上に形成せしめた金属酸化物薄膜についてそれぞれ、以下のようにして付着性を評価した。すなわち、表面に金属酸化物薄膜を形成した各基材を超音波洗浄器にかけて30分間×4回超音波振動を与え、その間における薄膜の残存割合(付着率(%)、重量基準)を測定した。得られた結果を図2に示す。
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The adhesion properties of the metal oxide thin films formed on the silicon carbide plate by the methods described in Example 1, Example 2, and Comparative Example 2 were evaluated as follows. That is, each substrate having a metal oxide thin film formed on the surface was subjected to ultrasonic vibration for 30 minutes × 4 times by applying an ultrasonic cleaner, and the remaining ratio of the thin film (adhesion rate (%), weight basis) was measured. . The obtained results are shown in FIG.
図2に示した結果から明らかな通り、原料流体組成物を高剪断速度の下で混合した後に基材に塗布して高速で乾燥及び焼成して得た本発明にかかる金属酸化物薄膜においては、基材に対する付着性が大幅に向上していることが確認された。 As is clear from the results shown in FIG. 2, in the metal oxide thin film according to the present invention obtained by mixing the raw material fluid composition at a high shear rate, applying it to the substrate, drying and firing at high speed, It was confirmed that the adhesion to the substrate was greatly improved.
<付着性試験2>
実施例1及び比較例2に記載の方法で前記DPF用炭化ケイ素製ハニカムフィルタに形成せしめた金属酸化物薄膜についてそれぞれ、以下のようにして付着性を評価した。すなわち、表面に金属酸化物薄膜を形成した各フィルタを超音波洗浄器にかけて30分間×4回超音波振動を与え、その間における薄膜の残存割合(付着率(%)、重量基準)を測定した。得られた結果を図3に示す。
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The adhesion properties of the metal oxide thin films formed on the DPF silicon carbide honeycomb filter by the method described in Example 1 and Comparative Example 2 were evaluated as follows. That is, each filter having a metal oxide thin film formed on the surface was subjected to ultrasonic vibration for 30 minutes × 4 times through an ultrasonic cleaner, and the remaining ratio of the thin film (adhesion rate (%), weight basis) was measured. The obtained results are shown in FIG.
図3に示した結果から明らかな通り、原料流体組成物を高剪断速度の下で混合した後に基材に塗布して高速で乾燥及び焼成して得た本発明にかかる金属酸化物薄膜においては、基材に対する付着性が大幅に向上していることが確認された。 As is clear from the results shown in FIG. 3, in the metal oxide thin film according to the present invention obtained by mixing the raw fluid composition at a high shear rate, applying it to the substrate, drying and firing at high speed, It was confirmed that the adhesion to the substrate was greatly improved.
<ナノ細孔の評価>
実施例1に記載の方法で得られた金属酸化物薄膜について、以下のようにして窒素吸着法並びにX線小角散乱法によりナノ細孔を有することを確認した。
<Evaluation of nanopore>
The metal oxide thin film obtained by the method described in Example 1 was confirmed to have nanopores by the nitrogen adsorption method and the X-ray small angle scattering method as follows.
すなわち、窒素吸着法は、ある平衡蒸気圧にて固体表面に吸着されたガス量又は固体表面から脱離されたガス量を静的容積法によって測定する手法である。吸着質の臨界温度で一定温度に保持された固体試料の入ったサンプルセルに既知量の吸着ガスを導入するか、或いはサンプルセルから既知量の吸着ガスを除去することにより等温線データが得られる。平衡圧力にて吸着又は脱離されるガスの量は、導入又は除去されたガス量と試料周辺の空隙部を満たすのに必要なガス量との差に相当する。本測定では、QUANTACHROME社製全自動ガス吸着量測定装置(オートソーブ1MP/LP)を用いた。そして、0.05〜0.15gの試料を用い、測定温度−196℃、大気圧との相対圧力P/P0が0.00001〜1の範囲で窒素吸着測定を、その後継続してP/P0が0.01〜1の範囲で窒素の脱離測定を行った。窒素ガスの吸着量をプロットすることにより吸着等温線を得ることができ、BJH法と呼ばれる解析法により、細孔径分布を求めた。なお、BJH法とは、メソ細孔分布計算に最も有効なモデルであり、孔は全て円筒形であると仮定したモデルである。実施例1に記載の方法で得られた金属酸化物多孔体の測定結果を図4に示す。 That is, the nitrogen adsorption method is a method of measuring the amount of gas adsorbed on the solid surface at a certain equilibrium vapor pressure or the amount of gas desorbed from the solid surface by the static volume method. Isotherm data can be obtained by introducing a known amount of adsorbed gas into a sample cell containing a solid sample held at a constant temperature at the adsorbate's critical temperature, or by removing a known amount of adsorbed gas from the sample cell. . The amount of gas adsorbed or desorbed at the equilibrium pressure corresponds to the difference between the amount of gas introduced or removed and the amount of gas necessary to fill the void around the sample. In this measurement, a fully automatic gas adsorption amount measuring device (autosorb 1MP / LP) manufactured by QUANTACHROME was used. Then, using a sample of 0.05 to 0.15 g, the nitrogen adsorption measurement is continued in the range where the measurement temperature is −196 ° C. and the relative pressure P / P 0 to the atmospheric pressure is 0.00001 to 1, and then P / Nitrogen desorption measurement was performed in the range of P 0 from 0.01 to 1. An adsorption isotherm can be obtained by plotting the adsorption amount of nitrogen gas, and the pore size distribution was obtained by an analysis method called a BJH method. The BJH method is the most effective model for calculating the mesopore distribution, and is a model assuming that all the holes are cylindrical. The measurement result of the metal oxide porous body obtained by the method described in Example 1 is shown in FIG.
また、X線小角散乱法には平行性とエネルギー密度に優れた放射光施設におけるアンジュレータービームラインのX線を用いた。X線エネルギーを10keV(波長0.124nm)に設定し、まず四象限スリットを用いて0.04mm□程度にX線ビームを絞り、小角散乱法のビームの起点とする。その起点から約65cm下流のところに直径0.5mmのピンホールを置いて余分な散乱光を遮るとともにそのすぐ下流に密着させて試料を設置した。X線の試料透過後の強度が1/e(eは自然対数の底)になるように吸収量を計算して試料の適正厚みを算出し、それに従って試料の圧粉体を作製した。試料から正確に50cm下流(起点から115cm下流)側にイメージングプレートを設置して散乱X線を記録した。透過X線の位置にはカバーガラスを重ねたアッテネーターを設置してイメージングプレートの損傷を防ぐとともに適当な強度で透過X線の位置がイメージングプレートに記録されるようにした。解析にあたっては、イメージングプレート上の透過X線位置を中心とした同心円上に記録されたX線強度の平均値を求め、同心円の半径を角度に換算して散乱角度対強度のグラフを描いた。試料内に球状の散乱体を仮定して散乱体半径の分布を適度に変化させ、前記散乱角度対強度のグラフを説明できる適当な分布を求めた。実施例1に記載の方法で得られた金属酸化物多孔体の測定結果を図5に示す。また、比較のため、バルク体である銅箔(厚さ6μm)及びアルミニウム箔(厚さ100μm)についての測定結果も図5に示す。
In addition, the X-ray small angle scattering method used X-rays of an undulator beam line in a synchrotron radiation facility excellent in parallelism and energy density. The X-ray energy is set to 10 keV (wavelength 0.124 nm), and the X-ray beam is first narrowed down to about 0.04 mm □ using a four-quadrant slit to be the starting point of the small-angle scattering method beam. A pinhole having a diameter of 0.5 mm was placed about 65 cm downstream from the starting point to block excess scattered light, and the sample was placed in close contact with the pinhole. The amount of absorption was calculated so that the intensity of the X-ray after passing through the sample was 1 / e (e is the base of the natural logarithm), the appropriate thickness of the sample was calculated, and the green compact of the sample was prepared accordingly. An X-ray was recorded by setting an imaging plate on the exact 50 cm downstream side (115 cm downstream from the starting point) from the sample. An attenuator overlaid with a cover glass was installed at the position of the transmitted X-ray to prevent the imaging plate from being damaged, and the position of the transmitted X-ray was recorded on the imaging plate with an appropriate intensity. In the analysis, an average value of X-ray intensities recorded on a concentric circle centered on a transmission X-ray position on the imaging plate was obtained, and a graph of scattering angle versus intensity was drawn by converting the radius of the concentric circle into an angle. Assuming a spherical scatterer in the sample, the distribution of the scatterer radius was appropriately changed, and an appropriate distribution capable of explaining the graph of the scattering angle versus the intensity was obtained. The measurement result of the metal oxide porous body obtained by the method described in Example 1 is shown in FIG. For comparison, the measurement results for the bulk copper foil (
これらの図面、特に図5に示した結果から明らかな通り、本発明の方法により得られた金属酸化物多孔体には、直径が2nm以下という非常に微細なナノ細孔が形成されていることが確認された。 As is apparent from the results shown in these drawings, particularly in FIG. 5, the metal oxide porous material obtained by the method of the present invention has very fine nanopores having a diameter of 2 nm or less. Was confirmed.
<断面性状の評価>
先ず、前記DPF用炭化ケイ素製ハニカムフィルタを用いて実施例1に記載の方法で得られた排ガス浄化用フィルタの中央部及び端部に形成せしめた金属酸化物薄膜の断面性状を走査型電子顕微鏡及びX線マイクロアナライザー(日本電子社製、JXA−8200)を用いて観察した。その結果、コロイド溶液を高剪断速度の下で混合した後に基材に塗布して高速で乾燥及び焼成して得た実施例1で得られた金属酸化物ナノ多孔体は、炭化ケイ素基材の表面上のみならず細孔内壁面上に対しても非常に薄い薄膜を形成していることが確認された。
<Evaluation of sectional properties>
First, the cross-sectional properties of the metal oxide thin film formed at the center and the end of the exhaust gas purifying filter obtained by the method described in Example 1 using the silicon carbide honeycomb filter for DPF were scanned using an electron microscope. And an X-ray microanalyzer (manufactured by JEOL Ltd., JXA-8200). As a result, the metal oxide nanoporous material obtained in Example 1 obtained by mixing the colloidal solution at a high shear rate, applying the colloidal solution to the substrate, drying and firing at high speed, It was confirmed that a very thin film was formed not only on the surface but also on the inner wall surface of the pore.
次に、前記DPF用炭化ケイ素製ハニカムフィルタを用いて比較例2に記載の方法で得られた排ガス浄化用フィルタの中央部及び端部に形成せしめた金属酸化物薄膜の断面性状を走査型電子顕微鏡及びX線マイクロアナライザー(日本電子社製、JXA−8200)を用いて観察した。その結果、共沈法により得られた従来のアルミナ/セリア/ジルコニア複合酸化物粉末を含有するスラリーをそのまま用いた比較例2で得られた金属酸化物は、炭化ケイ素基材の表面上に厚い被膜を形成しており、炭化ケイ素基材の細孔内には殆ど担持されていないことが確認された。 Next, the cross-sectional properties of the metal oxide thin film formed at the center and the end of the exhaust gas purifying filter obtained by the method described in Comparative Example 2 using the DPF silicon carbide honeycomb filter are shown in FIG. It observed using the microscope and the X-ray microanalyzer (the JEOL company make, JXA-8200). As a result, the metal oxide obtained in Comparative Example 2 using the slurry containing the conventional alumina / ceria / zirconia composite oxide powder obtained by the coprecipitation method as it was was thick on the surface of the silicon carbide substrate. It was confirmed that a film was formed and was hardly supported in the pores of the silicon carbide substrate.
以上説明したように、本発明によれば、金属酸化物の原料を含有する原料流体組成物を高剪断速度の下で混合し、炭化ケイ素基材の表面に塗布した後に実質的に共沈させることなく熱処理することにより、直径が10nm以下のナノ細孔を有しており且つ前記ナノ細孔を構成する壁体において前記金属酸化物が均質に分散しているという従来にない新規な金属酸化物ナノ多孔体を有する排ガス浄化用フィルタが得られるようになる。 As described above, according to the present invention, the raw material fluid composition containing the metal oxide raw material is mixed at a high shear rate, and is substantially co-precipitated after being applied to the surface of the silicon carbide substrate. The metal oxide has a nanopore having a diameter of 10 nm or less, and the metal oxide is uniformly dispersed in the wall constituting the nanopore by performing the heat treatment without any heat treatment. An exhaust gas purifying filter having a nanoporous material can be obtained.
かかる本発明の排ガス浄化用フィルタによれば、DPF用炭化ケイ素基材のような炭化ケイ素製の基材に対する付着性及び耐熱性が向上し、更に被覆の薄膜化も可能となるため、炭化ケイ素基材の表面上のみならず細孔内壁面上に対しても薄膜を形成することが可能となる。したがって、本発明は、炭化ケイ素基材を用いた各種の排ガス浄化用フィルタを得るために有用な技術であり、特にウォールスルータイプの排ガス浄化用フィルタ等に使用される多孔質の炭化ケイ素基材に対してガス流路を確保しつつ細孔内壁面上に金属酸化物薄膜を形成させる技術として非常に有用である。 According to the exhaust gas purifying filter of the present invention, the adhesion and heat resistance to a silicon carbide substrate such as a DPF silicon carbide substrate are improved, and the coating can be made thinner. A thin film can be formed not only on the surface of the substrate but also on the inner wall surface of the pores. Therefore, the present invention is a technique useful for obtaining various exhaust gas purification filters using a silicon carbide substrate, and particularly a porous silicon carbide substrate used for a wall-through type exhaust gas purification filter or the like. On the other hand, it is very useful as a technique for forming a metal oxide thin film on the inner wall surface of a pore while ensuring a gas flow path.
Claims (10)
前記ナノ多孔体は直径が10nm以下のナノ細孔を有しており、且つ、前記ナノ細孔を構成する壁体において前記金属酸化物が均質に分散しており、
前記ナノ多孔体に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素について、加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡を用いて被検試料の厚さが略一定とみなせる領域にある測定点においてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、得られたスペクトル中の各金属元素の蛍光X線ピークの積分強度を相対比に変換して求められる相対強度比Xの平均値X m と平均値X m のまわりの二次のモーメントν 2 とが、前記金属元素のすべてについて下記式(1):
ν 2 /X m 2 ≦0.02 (1)
[式(1)中、X m はX m =(ΣX)/N(Nは測定点の数)で表される相対強度比Xの平均値、ν 2 はν 2 ={Σ(X−X m ) 2 }/Nで表される平均値X m のまわりの二次のモーメント、ν 2 /X m 2 は平均値X m の二乗で規格化した二次のモーメントを示す。]
で表される条件を満たしていることを特徴とする排ガス浄化用フィルタ。 Two types selected from the group consisting of a silicon carbide substrate and alumina, zirconia, titania, iron oxide, ceria, lantana, neodia, yttria, barium oxide, lithium oxide and potassium oxide supported on the silicon carbide substrate. An exhaust gas purifying filter comprising a metal oxide nanoporous body composed of a composite metal oxide comprising at least one selected from the group consisting of alumina, zirconia, ceria and titania ,
The nanoporous body has nanopores having a diameter of 10 nm or less, and the metal oxide is uniformly dispersed in the wall constituting the nanopores ,
With respect to all metal oxide metal elements contained in the nanoporous material at 10 at% or more, the thickness of the test sample can be regarded as substantially constant using a transmission electron microscope having an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam diameter of 1.0 nm. The average of the relative intensity ratio X obtained by obtaining a spectrum by energy dispersive X-ray spectroscopy at a measurement point in the region and converting the integrated intensity of the fluorescent X-ray peak of each metal element in the obtained spectrum into a relative ratio. The value X m and the second moment ν 2 around the average value X m are given by the following formula (1) for all the metal elements:
ν 2 / X m 2 ≦ 0.02 (1)
Wherein (1), X m is X m = (ΣX) / N (N is the number of measurement points) the average value of the relative intensity ratio X represented by, [nu 2 is ν 2 = {Σ (X- X m ) 2 } / N, a second-order moment around the average value X m represented by ν 2 / X m 2 represents a second-order moment normalized by the square of the average value X m . ]
An exhaust gas purifying filter characterized by satisfying the condition expressed by:
ν2/Xm 2≦0.1 (2)
[式(2)中、XmはXm=(ΣX)/N(Nは測定点の数)で表される相対強度比Xの平均値、ν2はν2={Σ(X−Xm)2}/Nで表される平均値Xmのまわりの二次のモーメント、ν2/Xm 2は平均値Xmの二乗で規格化した二次のモーメントを示す。]
で表される条件を満たしていることを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載の排ガス浄化用フィルタ。 With respect to all metal oxide metal elements contained in the nanoporous material in an amount of 10 at% or more, an energy dispersion type is arbitrarily used at 10 or more measurement points using a transmission electron microscope having an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam diameter of 1.0 nm. A spectrum is obtained by X-ray spectroscopy, and an average value X m and an average value X m of the relative intensity ratio X obtained by converting the integrated intensity of the fluorescent X-ray peak of each metal element in the obtained spectrum into a relative ratio. The secondary moment ν 2 around is the following formula (2) for all the metal elements:
ν 2 / X m 2 ≦ 0.1 (2)
Wherein (2), X m is X m = (ΣX) / N (N is the number of measurement points) the average value of the relative intensity ratio X represented by, [nu 2 is ν 2 = {Σ (X- X m ) 2 } / N, a second-order moment around the average value X m represented by ν 2 / X m 2 represents a second-order moment normalized by the square of the average value X m . ]
The exhaust gas purifying filter according to any one of claims 1 to 4 , wherein a condition represented by:
前記複合金属酸化物の原料を含有する原料流体組成物を準備する工程と、
前記原料流体組成物を、10000sec−1以上の剪断速度の下で混合し、前記炭化ケイ素基材の表面に塗布した後、実質的に共沈させることなく熱処理して、直径が10nm以下のナノ細孔を有しており且つ前記ナノ細孔を構成する壁体において前記金属酸化物が均質に分散しており、
前記ナノ多孔体に10at%以上含有されるすべての金属酸化物の金属元素について、加速電圧200kV、電子ビーム径1.0nmの透過型電子顕微鏡を用いて被検試料の厚さが略一定とみなせる領域にある測定点においてエネルギー分散型X線分光法によりスペクトルを求め、得られたスペクトル中の各金属元素の蛍光X線ピークの積分強度を相対比に変換して求められる相対強度比Xの平均値X m と平均値X m のまわりの二次のモーメントν 2 とが、前記金属元素のすべてについて下記式(1):
ν 2 /X m 2 ≦0.02 (1)
[式(1)中、X m はX m =(ΣX)/N(Nは測定点の数)で表される相対強度比Xの平均値、ν 2 はν 2 ={Σ(X−X m ) 2 }/Nで表される平均値X m のまわりの二次のモーメント、ν 2 /X m 2 は平均値X m の二乗で規格化した二次のモーメントを示す。]
で表される条件を満たしている金属酸化物ナノ多孔体を得る工程と、
を含むことを特徴とする排ガス浄化用フィルタの製造方法。 Two types selected from the group consisting of a silicon carbide substrate and alumina, zirconia, titania, iron oxide, ceria, lantana, neodia, yttria, barium oxide, lithium oxide and potassium oxide supported on the silicon carbide substrate. any of the claims 1 to 6 and a composed nanoporous metal oxide material with at least one complex metal oxide containing a selected from the group consisting of and alumina, zirconia, ceria and titania consists more A method for producing an exhaust gas purifying filter according to claim 1,
Preparing a raw material fluid composition containing the composite metal oxide raw material;
The raw material fluid composition is mixed under a shear rate of 10,000 sec −1 or more, applied to the surface of the silicon carbide substrate, and then heat-treated without substantial coprecipitation, so that the diameter is 10 nm or less. The metal oxide is uniformly dispersed in the wall body having nanopores and constituting the nanopores ,
With respect to all metal oxide metal elements contained in the nanoporous material at 10 at% or more, the thickness of the test sample can be regarded as substantially constant using a transmission electron microscope having an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam diameter of 1.0 nm. The average of the relative intensity ratio X obtained by obtaining a spectrum by energy dispersive X-ray spectroscopy at a measurement point in the region and converting the integrated intensity of the fluorescent X-ray peak of each metal element in the obtained spectrum into a relative ratio. The value X m and the second moment ν 2 around the average value X m are given by the following formula (1) for all the metal elements:
ν 2 / X m 2 ≦ 0.02 (1)
Wherein (1), X m is X m = (ΣX) / N (N is the number of measurement points) the average value of the relative intensity ratio X represented by, [nu 2 is ν 2 = {Σ (X- X m ) 2 } / N, a second-order moment around the average value X m represented by ν 2 / X m 2 represents a second-order moment normalized by the square of the average value X m . ]
A step of obtaining a metal oxide nanoporous material that satisfies the conditions represented by :
The manufacturing method of the filter for exhaust gas purification characterized by including.
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