JP6010325B2 - 排ガス浄化用触媒および触媒担持構造体ならびにこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
したがって、特許文献1の請求項1には、第2の化合物が貴金属粒子と第1の化合物を内包して貴金属粒子の移動を抑制すると記載されているものの、特許文献1に記載の排気ガス浄化用触媒において第2の化合物は、貴金属粒子が担持した第1の化合物を凝集しないようにするためのスペーサーとしての役割を果たすだけであって、貴金属粒子を担体(第1の化合物)へ積極的に付着させる機能は備えていないといえる。上記のように、特許文献1に記載の排気ガス浄化用触媒において、貴金属粒子は化学結合のみの作用によって、担体の表面についている。
従来の触媒は、継続して使用した場合に活性金属が凝集するので、凝集することを前提として活性金属の担体への担持量を増加させていた。この場合、コスト面等において不利になる。
本発明は以下の(i)〜(xix)である。
(i)溶出成分および/またはこれに由来する成分が、担体に担持した活性金属を、前記担体の表面に固定している触媒を含む排ガス浄化用触媒。
(ii)前記溶出成分が、前記担体から溶出したものである、上記(i)に記載の排ガス浄化用触媒。
(iii)比表面積が2.5m2/g以上である、上記(i)または(ii)に記載の排ガス浄化用触媒。
(iv)前記溶出成分がBa化合物、Al化合物およびBaAl複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つである、上記(i)〜(iii)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒。
(v)前記溶出成分がBaAl2O4、Al(OH)3およびAlOOHからなる群から選ばれる少なくとも1つである、上記(i)〜(iv)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒。
(vi)前記担体が、前記溶出成分を含む担体aと前記溶出成分を含まない担体bとからなり、
前記担体aから溶出し、前記担体aの表面で固化した前記溶出成分および/またはこれに由来する成分が、前記担体aに担持した活性金属を前記担体aの表面に固定している触媒Aと、
前記担体aから溶出し、前記担体bの表面で固化した前記溶出成分および/またはこれに由来する成分が、前記担体bに担持した活性金属を前記担体bの表面に固定している触媒Bと
を含む、上記(i)〜(v)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒。
(vii)前記担体bが、酸化セリウム、バリウムヘキサアルミネートおよびYSZからなる群から選ばれる少なくとも1つを含む、上記(vi)に記載の排ガス浄化用触媒。
(viii)前記担体bが酸化セリウムを主成分とし、
前記触媒Aと前記触媒Bとの合計質量に対する前記触媒Aの質量比(A/(A+B)×100)が10質量%超80質量%未満である、上記(vi)または(vii)に記載の排ガス浄化用触媒。
(ix)前記担体bがバリウムヘキサアルミネートまたはYSZを主成分とし、
前記触媒Aと前記触媒Bとの合計質量に対する前記触媒Aの質量比(A/(A+B)×100)が5〜50質量%である、上記(vi)または(vii)に記載の排ガス浄化用触媒。
(x)前記活性金属が、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、AuおよびAgからなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする、上記(i)〜(ix)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒。
(xi)排ガス浄化用の三元触媒である、上記(i)〜(x)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒。
(xii)上記(i)〜(xi)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒を表面に有する、触媒担持構造体。
(xiii)前記担体の表面に前記活性金属を担持させる担持工程[α]と、
前記溶出成分を含む材料および前記活性金属を担持させた前記担体を、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程[α]と、
前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体の表面で固化して触媒を得る固化工程[α]と
を備え、上記(i)〜(xi)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒が得られる、排ガス浄化用触媒の製造方法。
(xiv)前記溶出成分を含む前記担体aの表面に前記活性金属を担持させる担持工程[β]と、
前記活性金属を担持させた前記担体aを、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程[β]と、
前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体aの表面で固化して触媒Aを得る固化工程[β]と
を備え、上記(i)〜(xi)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒が得られる、上記(xiii)に記載の排ガス浄化用触媒の製造方法。
(xv)前記溶出成分を含む前記担体aおよび前記溶出成分を含まない前記担体bの各々の表面に前記活性金属を担持させる担持工程[γ]と、
前記活性金属を担持させた前記担体aおよび前記活性金属を担持させた前記担体bを、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程[γ]と、
前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体aおよび前記担体bの表面で固化して触媒Aおよび触媒Bを得る固化工程[γ]と
を備え、上記(i)〜(xi)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒が得られる、上記(xiii)または(xiv)に記載の排ガス浄化用触媒の製造方法。
(xvi)上記(i)〜(xi)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒または上記(xiii)〜(xv)のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒の製造方法によって得られる排ガス浄化用触媒を、構造体の表面に付けて上記(xii)に記載の触媒担持構造体を得る工程を備える、触媒担持構造体の製造方法。
(xvii)前記担体の表面に前記活性金属を担持させる担持工程[α]と、
前記溶出成分を含む材料および前記活性金属を担持させた前記担体を、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程[α]と、
前記活性金属を担持した前記担体を、前記溶出工程によって得られる前記溶媒とともに構造体と接触させ、その後、前記溶媒を除去することで、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体の表面で固化し、あわせて前記活性金属を担持した前記担体を前記構造体の表面に付ける付着工程[α]と
を備え、上記(xii)に記載の触媒担持構造体が得られる、触媒担持構造体の製造方法。
(xviii)前記溶出成分を含む前記担体aの表面に前記活性金属を担持させる担持工程[β]と
前記活性金属を担持させた前記担体aを、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程[β]と、
前記活性金属を担持した前記担体aを、前記溶出工程によって得られる前記溶媒とともに構造体と接触させ、その後、前記溶媒を除去することで、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体aの表面で固化し、あわせて前記活性金属を担持した前記担体aを前記構造体の表面に付ける付着工程[β]と
を備え、上記(xii)に記載の触媒担持構造体が得られる、上記(xvii)に記載の触媒担持構造体の製造方法。
(xix)前記溶出成分を含む前記担体aおよび前記溶出成分を含まない前記担体bの各々の表面に前記活性金属を担持させる担持工程[γ]と、
前記活性金属を担持させた前記担体aおよび前記活性金属を担持させた前記担体bを、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程[γ]と、
前記活性金属を担持した前記担体aおよび前記担体bを、前記溶出工程によって得られる前記溶媒とともに構造体と接触させ、その後、前記溶媒を除去することで、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体の表面で固化し、あわせて前記活性金属を担持した前記担体aおよび前記担体bを前記構造体の表面に付ける付着工程[γ]と
を備え、上記(xii)に記載の触媒担持構造体が得られる、上記(xvii)または上記(xviii)に記載の触媒担持構造体の製造方法。
本発明は、溶出成分および/またはこれに由来する成分が、前記担体に担持した活性金属を、前記担体の表面に固定している触媒を含む排ガス浄化用触媒である。
このような触媒を、以下では「本発明の排ガス浄化用触媒」ともいう。
本発明の排ガス浄化用触媒は、自動車等の排ガス浄化のために好ましく用いることができ、排ガス浄化用の三元触媒としても好ましく用いることができるものであるが、その用途は排ガス浄化に限定されるものではない。その他の用途にも用いることができる。例えば、VOCおよび炭化水素の燃焼に用いることができる。
図1は前記触媒の概略断面図である。なお、図1(a)、(b)および(c)は、いずれも本発明の排ガス浄化用触媒が含む、溶出成分および/またはこれに由来する成分(以下では「溶出成分および/またはこれに由来する成分」を「溶出由来成分」ともいう)が前記担体に担持した活性金属を前記担体の表面に固定している触媒を示すものである。また、図1(b)は、図1(a)に対して溶出由来成分が少ない態様を示しており、図1(c)は、逆に溶出由来成分が多く、活性金属を覆っている態様を示している。なお、本発明の排ガス浄化用触媒が含む前記触媒において、1つの担体の表面に存在する溶出由来成分の態様は1種類でなくてよい。例えば、図1(a)、(b)および(c)に示される態様の溶出由来成分が混在するものであってよい。
後述する本発明の触媒の製造方法[α]によって製造された本発明の排ガス浄化用触媒は、溶出由来成分(6)が緻密ではなく細孔が形成される傾向があるので、図1(c)に示すように溶出由来成分(6)が活性金属(4)を覆っていても、本発明の排ガス浄化用触媒は触媒活性を発揮する傾向がある。
次に、本発明の排ガス浄化用触媒の一部を構成する担体について説明する。
担体は活性金属を担持するものであれば特に限定されないが、前記溶出成分を含むものであることが好ましい。以下では、前記溶出成分を含む担体を担体aという。また、前記溶出成分を含まない担体を担体bという。本発明の排ガス浄化用触媒において担体は、担体aを含むことが好ましい。また、本発明の排ガス浄化用触媒において担体は、担体aを含み、さらに担体bを含むことがさらに好ましい。
担体aについて説明する。
担体aは溶出成分を含み、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触することで前記溶出成分の少なくとも一部を溶出するものである。
したがって、担体aが含む溶出成分の種類は、製造の際に用いる溶媒との関係で決定されるものである。例えば溶媒として水を用いる場合、溶出成分は水溶性成分ということになる。担体aは前記溶出成分として水溶性成分を含み、かつ溶媒として水を用いることが好ましい。なお、溶媒としては水の他、有機溶媒を用いることもできる。
なお、本発明者は、Baのすべてが担体aにおいてBaAl2O4となると仮定して算出した含有率が54質量%程度を超える場合、実際に担体aに含まれるBaの概ねすべてがBaAl2O4として存在し、54質量%程度以下の場合は、Ba含有率が低くなるほど、BaはBaAl12O19の態様で存在する割合が高くなることをX線粉末回折測定を行って確認している。したがって、原料中に含まれるBaのすべてが担体aにおいてBaAl2O4となると仮定して算出した値が54質量%以下である場合は、溶媒が水の場合に溶出成分に相当するBaAl2O4と溶出成分に相当しないBaAl12O19とが混在する状態の担体aとなる。このように担体aは、すべてが溶出成分からなるのではなく、溶出成分の他に、さらに溶出成分に相当しない成分も含まれていることが好ましい。
また、担体aが溶出成分としてBaAl2O4、Al(OH)3およびAlOOHからなる群から選ばれる少なくとも1つを含む場合、溶媒として水を用いることができる。
なお、この平均粒子径は、測定対象物(ここでは担体a)をヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液へ添加し、超音波分散および攪拌によって分散させて、透過率が70〜90%となるように調節した後、従来公知のレーザ散乱法(例えばHORIBA LA−950V2)を用いて粒度分布を測定し算出した値を意味するものとする。
本発明において平均粒子径は、特に断りがない限り、このような方法で測定して得た値を意味するものとする。
なお、比表面積は、次に示す窒素吸着法(BET法)で測定して得た値を意味するものとする。
窒素吸着法について説明する。
まず、測定対象物(ここでは担体a)を乾燥させたもの(1.5g)を試料として測定セルに入れ、窒素ガス気流中、250℃で40分間脱ガス処理を行い、その上で試料を窒素30体積%とヘリウム70体積%の混合ガス気流中で液体窒素温度に保ち、窒素を試料に平衡吸着させる。次に、上記混合ガスを流しながら試料の温度を徐々に室温まで上昇させ、その間に脱離した窒素の量を検出し、試料の比表面積を測定する。窒素吸着法(BET法)は、例えば従来公知の表面積測定装置を用いて行うことができる。
本発明において比表面積は、特に断りがない限り、ここに示した窒素吸着法(BET法)によって測定した値を意味するものとする。
次に、担体bについて説明する。
担体bは溶出成分を含まない。また、溶出成分の種類は用いる溶媒との関係で決定されるものであるので、例えば溶媒として水を用いる場合、担体bは、BaAl2O4、Al(OH)3またはAlOOH等の水溶性成分を含まない。
ここで「これらの酸化物」とは、Ba、Al、Zr、Yの各々の元素の酸化物、すなわちBaO、Al2O3、ZrO2、Y2O3、YSZ等であってよく、BaAl12O19、BaZrO3などの複合酸化物であってもよく、これらの酸化物と複合酸化物の両方を含むものであってもよい。
また、ここで主成分とは、含有率が70質量%以上であることを意味する。具体的には、担体bに含まれるBa、Al、ZrおよびYがBaO、Al2O3、ZrO2およびY2O3の態様の酸化物で存在すると仮定して算出した合計含有率は70質量%以上である。ここで担体bに含まれるBa、Al、ZrおよびYの含有率はICP発光分光分析装置を用いて測定するものとする。この合計含有率は80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、99質量%以上であることがより好ましく、100質量%である、すなわち、担体bが実質的にBa、Al、ZrおよびYならびにこれらの酸化物からなることがさらに好ましい。ここで「実質的になる」とは、原料や製造過程から不可避的に含まれる不純物は含まれ得ることを意味する。以下に示す本発明の説明において「実質的になる」は、このような意味で用いる。
担体bが酸化セリウムを含む場合、その酸化セリウムは、通常、酸化数が4のCeO2であるが、酸化数が3のCe2O3であってもよく、いずれを含んでもよい。
次に、活性金属について説明する。活性金属は担体(担体a、担体b)の表面に担持している。
活性金属の平均粒子径は、TEMを用いて拡大写真を得た後、不作為に選んだ数十個の活性金属の直径(投影面積円相当径)を測定し、これを単純平均することで得るものとする。
本発明の排ガス浄化用触媒において前記担体は前記活性金属を表面に担持しており、図1に示したように、さらに担体の表面で固化した溶出由来成分によって、担体の表面に活性金属を固定している。このため活性金属は継続して使用しても凝集し難い。
なお、比表面積は、前述の窒素吸着法(BET法)で測定して得た値を意味するものとする。
ただし、このようなその他のものが、担体の表面に実質的に存在しない、すなわち、原料や製造過程から意図せず混入し、不可避的に存在することになる不純物以外は存在しないことが好ましい。
本発明の排ガス浄化用触媒がこのような質量比で触媒Aおよび触媒Bを含む場合、触媒Aまたは触媒Bの単独の場合と比較して、予測できないほど触媒能が優れることを本発明者は見出した。
このように本発明の排ガス浄化用触媒が触媒Aと酸化セリウムを主成分とする担体bを備える触媒Bとを特定の比率で含んだ場合に触媒能が非常に優れる理由は、現段階では不明であるが、溶出成分、触媒Aおよび触媒Bの間での相互作用によるものと推定される。
本発明の排ガス浄化用触媒がこのような質量比で触媒Aおよび触媒Bを含む場合、触媒Aまたは触媒Bの単独の場合と比較して、予測できないほど触媒能が優れることを本発明者は見出した。
このように本発明の排ガス浄化用触媒が触媒Aとバリウムヘキサアルミネートを主成分とする担体bを備える触媒Bとを特定の比率で含んだ場合に触媒能が非常に優れる理由は、現段階では不明であるが、溶出成分、触媒Aおよび触媒Bの間での相互作用によるものと推定される。
本発明の排ガス浄化用触媒がこのような質量比で触媒Aおよび触媒Bを含む場合、触媒Aまたは触媒Bの単独の場合と比較して、予測できないほど触媒能が優れることを本発明者は見出した。
このように本発明の排ガス浄化用触媒が触媒AとYSZを主成分とする担体bを備える触媒Bとを特定の比率で含んだ場合に触媒能が非常に優れる理由は、現段階では不明であるが、溶出成分、触媒Aおよび触媒Bの間での相互作用によるものと推定される。
次に、本発明の排ガス浄化用触媒の製造方法について説明する。
本発明の排ガス浄化用触媒の製造方法は特に限定されないが、前記担体の表面に前記活性金属を担持させる担持工程[α]と、前記溶出成分を含む材料および前記活性金属を担持させた前記担体を、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程[α]と、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体の表面で固化して触媒を得る固化工程[α]とを備える製造方法であることが好ましい。
このような製造方法を、以下では「本発明の触媒の製造方法[α]」ともいう。
このような製造方法を、以下では「本発明の触媒の製造方法[β]」ともいう。
本発明の触媒の製造方法[β]は本発明の触媒の製造方法[α]の下位概念であるが、本発明の触媒の製造方法[β]が本発明の触媒の製造方法[α]と異なる点は、溶出工程である。具体的には、本発明の触媒の製造方法[α]における溶出工程[α]では、前記溶出成分を含む材料および前記活性金属を担持させた前記担体を用いるが、本発明の触媒の製造方法[β]では、前記溶出成分を含む担体aを用いる。本発明の触媒の製造方法[β]における溶出工程[β]では、担体aを用いるので、本発明の触媒の製造方法[α]の溶出工程[α]で用いる「前記溶出成分を含む材料」を用いる必要がない。別の言い方をすれば、本発明の触媒の製造方法[β]の溶出工程[β]で用いる担体aは、本発明の触媒の製造方法[α]の溶出工程[α]で用いる「前記溶出成分を含む材料」としても機能する。
これ以外の点では、本発明の触媒の製造方法[β]と本発明の触媒の製造方法[α]とは同様であってよい。つまり、本発明の触媒の製造方法[α]における担持工程[α]および固化工程[α]は、本発明の触媒の製造方法[β]における担持工程[β]および固化工程[β]と同様であってよい。
このような製造方法を、以下では「本発明の触媒の製造方法[γ]」ともいう。
本発明の触媒の製造方法[γ]は本発明の触媒の製造方法[α]および本発明の触媒の製造方法[β]の下位概念であるが、本発明の触媒の製造方法[γ]が本発明の触媒の製造方法[α]と異なる点は、担体aおよび担体bを用いる点である。本発明の触媒の製造方法[γ]では、本発明の触媒の製造方法[β]と同様に担体aを用いるので、本発明の触媒の製造方法[β]の場合と同様に、本発明の触媒の製造方法[α]の溶出工程[α]で用いる「前記溶出成分を含む材料」を用いる必要がない。
これら以外の点では、本発明の触媒の製造方法[γ]と本発明の触媒の製造方法[α]とは同様であってよい。つまり、本発明の触媒の製造方法[α]における担持工程[α]および固化工程[α]は、本発明の触媒の製造方法[γ]における担持工程[γ]および固化工程[γ]と同様であってよい。
また、特に断りがない限り、担持工程[α]についての説明は、担持工程[β]および担持工程[γ]についても適用される。
また、特に断りがない限り、溶出工程[α]についての説明は、溶出工程[β]および溶出工程[γ]についても適用される。
また、特に断りがない限り、固化工程[α]についての説明は、固化工程[β]および固化工程[γ]についても適用される。
本発明の触媒の製造方法[α]における担持工程[α]について説明する。
担持工程[α]は、前記担体の表面に前記活性金属を担持させる工程である。
ここで担持工程[β]では、前記担体aの表面に前記活性金属を担持させる。
また、担持工程[γ]では、前記担体aおよび前記担体bの表面に前記活性金属を担持させる。
担体の表面に活性金属を担持させる方法は、担体の種類によらず同じであってよい。
また、例えば、硝酸塩などの可溶性または液状の原料を用い、これを含む溶液をスプレーノズル等で高温領域に噴霧することで直接、担体aを得ることもできる。これは、例えばホソカワミクロン社製のナノクリエータを用いて行うことができる。
また、湿式粉砕して得た前記スラリー状の原料を噴霧乾燥した後、焼成して担体aを得ることが好ましい。噴霧乾燥とは、前記スラリー状の原料を噴霧し、霧状とした後または霧状としながら乾燥する方法である。具体的には、前記スラリー状の原料と気体とを流し込むことでノズル先端から乾燥雰囲気内へスラリー状の原料の液滴を吐出させて、粉状の乾燥物を得る方法である。また、乾燥搭の上部から下部へ向かいダウンフローの乾燥ガスを用いて乾燥することが好ましい。また、噴霧乾燥はスプレードライヤーを用いて行うことが好ましい。スプレードライヤーの乾燥用熱風の入口温度は150〜300℃であることが好ましく、180〜220℃であることがより好ましい。また、出口温度は90〜130℃であることが好ましく、100〜120℃であることがより好ましい。また、噴霧盤の周速は26〜92m/secであることが好ましく、73〜84m/secであることがより好ましい。
ここで担体bが酸化セリウムを主成分とするものである場合、担体bは900℃以上の雰囲気に曝さないで製造することが好ましい。担体bを高温雰囲気に曝すと、本発明の排ガス浄化用触媒の触媒能が高くなり難い傾向があることを本発明者は見出した。
したがって、担体bが酸化セリウムを主成分とするものである場合、担体bを得る際は、Ceを含む原料を好ましくは900℃未満の温度、より好ましくは300〜500℃の温度、さらに好ましくは400℃程度の温度で焼成する。
前記担体の表面に活性金属を担持させる方法は特に限定されない。例えば従来公知の担持法を用いて活性金属を付けることができる。従来公知の担持法としては、固相混合法、含浸法が挙げられる。具体的には、例えば活性金属を構成する元素の塩を含む溶液(例えばジニトロジアンミン白金溶液)を、粉末状の担体にごくわずかずつ加え、担体表面が均一に濡れはじめた状態で含浸を終了し、その後、乾燥し、焼成することで得ることができる。例えば、従来公知の乾燥機を用いて80〜200℃の温度で0.5〜50h乾燥させた後、従来公知の焼成炉を用いて、空気中にて、300〜500℃の温度で0.5〜10h焼成して得ることができる。活性金属を構成する元素の塩を含む溶液として硝酸根を含むもの(例えばジニトロジアンミン白金溶液)を用いた場合、上記のように乾燥させた後、空気中にて300〜500℃の温度で焼成すると、硝酸根の少なくとも一部が除去されるので好ましい。
本発明の触媒の製造方法[α]における溶出工程[α]について説明する。
溶出工程[α]は、前記溶出成分を含む材料および前記活性金属を担持させた前記担体を、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる工程である。
ただし、溶出工程[β]または溶出工程[γ]では、用いる溶出成分を含む担体aが「前記溶出成分を含む材料」としての役割をも果たすため、「前記溶出成分を含む材料」を用いなくてもよい。
また、溶出工程[β]の場合であれば、例えば活性金属を表面に付けた担体aを溶媒に浸す方法が挙げられる。
また、溶出工程[γ]の場合であれば、活性金属を表面に担持させた担体aと活性金属βを表面に担持させた担体bとを、所定の割合(担体bが酸化セリウムの場合であれば、本発明の排ガス浄化用触媒の含まれる触媒Aおよび触媒Bの合計質量に対する触媒Aの質量の比(A/(A+B)×100)が10質量%超80質量%未満となる割合)で混合した後、これらを溶媒に浸す方法が挙げられる。
ここで、前記溶出成分を含む材料、担体aおよび担体bの少なくとも1つを、水等の溶媒に浸漬した後、溶媒を十分に攪拌する方法が好ましい。ここで、攪拌は1min〜100h行うことが好ましく、5〜100h行うことがより好ましく、10〜60h行うことがより好ましく、20〜50h行うことがさらに好ましい。
また、前記溶出成分を含む材料、担体aおよび担体bの少なくとも1つを、水等の溶媒に浸漬した後、水等の溶媒に浸漬した後、ホモジナイザーやビーズミルを用いて粉砕、解砕または混合を行う方法であってもよい。この場合、処理時間は1〜540minであることが好ましい。
溶媒としては水や有機溶媒を用いることができ、水を用いることが好ましい。担体aがBaAl2O4を含む場合、溶媒として水を用いることが好ましい。
本発明の触媒の製造方法[α]における固化工程[α]について説明する。
固化工程[α]は、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を担体の表面で固化して前記触媒を得る工程である。
固化工程[β]の場合であれば、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体aの表面で固化して触媒Aを得る。
固化工程[γ]の場合であれば、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体aおよび前記担体bの表面で固化して触媒Aおよび触媒Bを得る。
次に、本発明の排ガス浄化用触媒を表面に有する触媒担持構造体について説明する。
この触媒担持構造体は、本発明の排ガス浄化用触媒を構造体の表面に付けてなるものである。ここで構造体としては、セラミックや金属からなるハニカム型、コルゲートタイプ、プレートタイプの構造体が挙げられる。
本発明の排ガス浄化用触媒を表面に有する触媒担持構造体を、以下では「本発明の構造体」ともいう。
本発明の構造体を製造する方法は特に限定されないが、ウォッシュコート法を好ましく適用することができる。ウォッシュコート法は、本発明の排ガス浄化用触媒を分散媒へ分散させ、必要に応じて粘度を調整して得たスラリー中へ前記構造体を浸漬し、引き上げた後、乾燥し、必要に応じて焼成する方法である。
このような製造方法を、以下では「本発明の構造体の製造方法[α]」ともいう。
このような製造方法を、以下では「本発明の構造体の製造方法[β]」ともいう。
本発明の構造体の製造方法[β]は本発明の構造体の製造方法[α]の下位概念であるが、本発明の構造体の製造方法[β]が本発明の構造体の製造方法[α]と異なる点は、溶出工程である。具体的には、本発明の構造体の製造方法[α]における溶出工程[α]では、前記溶出成分を含む材料および前記活性金属を担持させた前記担体を用いるが、本発明の構造体の製造方法[β]では、前記溶出成分を含む担体aを用いる。本発明の構造体の製造方法[β]における溶出工程[β]では、担体aを用いるので、本発明の構造体の製造方法[α]の溶出工程[α]で用いる「前記溶出成分を含む材料」を用いる必要がない。別の言い方をすれば、本発明の構造体の製造方法[β]の溶出工程[β]で用いる担体aは、本発明の構造体の製造方法[α]の溶出工程[α]で用いる「前記溶出成分を含む材料」としても機能する。
これ以外の点では、本発明の構造体の製造方法[β]と本発明の構造体の製造方法[α]とは同様であってよい。つまり、本発明の構造体の製造方法[α]における担持工程[α]および付着工程[α]は、本発明の構造体の製造方法[β]における担持工程[β]および付着工程[β]と同様であってよい。
このような製造方法を、以下では「本発明の構造体の製造方法[γ]」ともいう。
本発明の構造体の製造方法[γ]は本発明の構造体の製造方法[α]および本発明の構造体の製造方法[β]の下位概念であるが、本発明の構造体の製造方法[γ]が本発明の構造体の製造方法[α]と異なる点は、担体aおよび担体bを用いる点である。本発明の構造体の製造方法[γ]では、本発明の構造体の製造方法[β]と同様に担体aを用いるので、本発明の構造体の製造方法[β]の場合と同様に、本発明の構造体の製造方法[α]の溶出工程[α]で用いる「前記溶出成分を含む材料」を用いる必要がない。
これら以外の点では、本発明の構造体の製造方法[γ]と本発明の構造体の製造方法[α]とは同様であってよい。つまり、本発明の構造体の製造方法[α]における担持工程[α]および付着工程[α]は、本発明の構造体の製造方法[γ]における担持工程[γ]および付着工程[γ]と同様であってよい。
また、特に断りがない限り、担持工程[α]についての説明は、担持工程[β]および担持工程[γ]についても適用される。
また、特に断りがない限り、溶出工程[α]についての説明は、溶出工程[β]および溶出工程[γ]についても適用される。
また、特に断りがない限り、付着工程[α]についての説明は、付着工程[β]および付着工程[γ]についても適用される。
本発明の構造体の製造方法[α]における担持工程[α]および溶出工程[α]は、前述の本発明の触媒の製造方法[α]における担持工程[α]および溶出工程[α]と同じである。
本発明の構造体の製造方法[β]における担体工程[β]および溶出工程[β]は、前述の本発明の触媒の製造方法[β]における担持工程[β]および溶出工程[β]と同じである。
本発明の構造体の製造方法[γ]における担体工程[γ]および溶出工程[γ]は、前述の本発明の触媒の製造方法[γ]における担持工程[γ]および溶出工程[γ]と同じである。
本発明の構造体の製造方法[α]において付着工程[α]は、前記活性金属を担持した前記担体を、前記溶出工程によって得られる前記溶媒とともに構造体と接触させ、その後、前記溶媒を除去することで、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体の表面で固化し、あわせて前記活性金属を担持した前記担体を前記構造体の表面に付ける工程である。
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)200gおよびイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末(株式会社高純度化学研究所)74gを、硝酸バリウム水溶液(8%)へ添加し、攪拌した。このような原料に含まれるBaのすべてが担体においてBaAl2O4の態様になるとすると、担体に含まれるBaAl2O4の含有率は54質量%と算出される。したがって、担体は実質的にBaAl2O4からなると考えられる。
次に、これを循環方式湿式粉砕機(LABSTAR、アシザワ・ファインテック社製)を用いて湿式粉砕し、スラリーを得た。ここで湿式粉砕の条件は、回転数:2480rpm、循環量:1L/min、粉砕時間:20分とした。また、粉砕にはビーズ径1mmのジルコニアビーズ455ccを用いた。
次に、循環方式湿式粉砕機から得られたスラリーを回収し、スプレードライヤーの1つである噴霧造粒乾燥装置(大川原化工機株式会社製、商品名:LB−8型)を用いて乾燥し、乾燥粉体を得た。ここで、乾燥装置の入口温度を200℃、出口温度を110℃、噴射盤の周速を79m/secとした。
次に、噴霧造粒乾燥装置で得られた乾燥粉体をマッフル炉で、大気雰囲気下、1500℃で10時間かけて焼成し、担体を得た。
その後、溶液を150℃、常圧下で一晩乾燥した後、400℃、常圧下で3h焼成して触媒を得た。得られた触媒を、以下では触媒[1]ともいう。
その結果、触媒の比表面積は53m2/gであった。
図2より、活性金属であるPt粒子(12)の一部分(半分程度)が、BaAl2O4またはBaAl2O4に由来する成分である溶出由来成分(14)からなる層に埋もれており、BaAl2O4がPt粒子(12)を担体(16)の表面に固定していることを確認することができた。
そして、触媒[2]におけるPtの含有量をICP発光分光分析装置を用いて測定したところ、担体の100質量部に対して0.4質量部であった。なお、触媒[2]の組成は、ジニトロジアンミン白金溶液へ添加する前と同一であった。
また、触媒[2]の粒度分布を触媒[1]と同様の方法で測定したところ、平均粒子径(メジアン径)は0.09μmであった。
構造体[1]および[2]は、同じものを2個ずつ作製した。
ここで、モデルガスの組成は、C3H6:1600ppm、NO:1000ppm、CO:0.6%、H2:0.2%、O2:0.6%、H2O:10.0%、N2:残部(すべて体積比率)であり、理論空気比は14.7とした。
また、プロピレン浄化率は次の式により求めるものとし、この式によって算出されるプロピレン浄化率が50%となる温度をT50とした。なお、この式におけるすべての濃度は体積濃度を意味する。
酸化アルミニウム粉末(和光純薬工業株式会社製、和光特級)200gおよびイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末(株式会社高純度化学研究所)85gを、硝酸バリウム水溶液(6%)へ添加し、攪拌した。なお、このような原料に含まれるBaのすべてが担体a1においてBaAl2O4の態様になるとすると、担体に含まれるBaAl2O4の含有率は30質量%と算出される。したがって、担体a1はBaAl2O4とBaAl12O19とが混在しているものと考えられる。
次に、これを循環方式湿式粉砕機(LABSTAR、アシザワ・ファインテック社製)を用いて湿式粉砕し、スラリーを得た。ここで湿式粉砕の条件は、回転数:2480rpm、循環量:1L/min、粉砕時間:20分とした。また、粉砕にはビーズ径1mmのジルコニアビーズ455ccを用いた。
次に、循環方式湿式粉砕機から得られたスラリーを回収し、スプレードライヤーの1つである噴霧造粒乾燥装置(大川原化工機株式会社製、商品名:LB−8型)を用いて乾燥し、乾燥粉体を得た。ここで、乾燥装置の入口温度を200℃、出口温度を110℃、噴射盤の周速を79m/secとした。
次に、噴霧造粒乾燥装置で得られた乾燥粉体をマッフル炉で、大気雰囲気下、1500℃で10時間かけて焼成し、担体a1を得た。
担体a1の組成を蛍光X線分析装置を用いて測定したところ、BaO:20質量%、Al2O3:43質量%、Y2O3:4.8質量%、ZrO2:31質量%であった。
そして、Ptが担持した担体a1におけるPtの含有量をICP発光分光分析装置を用いて測定したところ、担体a1の100質量部に対して0.4質量部であった。なお、Ptが担持した担体a1の組成は、ジニトロジアンミン白金溶液へ添加する前と同一であった。
その結果、平均粒子径(メジアン径)は14μmであった。
そして、Ptが担持した担体b1におけるPtの含有量をICP発光分光分析装置を用いて測定したところ、担体b1の100質量部に対して0.4質量部であった。なお、Ptが担持した担体b1の組成は、ジニトロジアンミン白金溶液へ添加する前と同一であった。
また、Ptが担持した担体b1の粒度分布をPtが担持した担体a1の場合と同様の方法で測定したところ、平均粒子径(メジアン径)は5.5μmであった。
構造体[11]〜[16]は、同じものを2個ずつ作製した。
BaAl2O4からなる担体a2を用意した。そして、担体a2(100g)にジニトロジアンミン白金溶液(8.5%濃度、4.7g)をごくわずかずつ添加し、その後、150℃、常圧下で一晩乾燥した後、400℃、常圧下で3h焼成し、Ptが担持した担体a2を得た。
そして、Ptが担持した担体a2におけるPtの含有量をICP発光分光分析装置を用いて測定したところ、担体a2の100質量部に対して0.4質量部であった。なお、Ptが担持した担体a2の組成は、ジニトロジアンミン白金溶液へ添加する前と同一であった。
その結果、平均粒子径(メジアン径)は17μmであった。
そして、Ptが担持した担体b2におけるPtの含有量をICP発光分光分析装置を用いて測定したところ、担体b2の100質量部に対して0.4質量部であった。なお、Ptが担持した担体b2の組成は、ジニトロジアンミン白金溶液へ添加する前と同一であった。
また、Ptが担持した担体b2の粒度分布をPtが担持した担体b2の場合と同様の方法で測定したところ、平均粒子径(メジアン径)は3.2μmであった。
構造体[21]〜[27]は、同じものを2個ずつ作製した。
そして、Ptが担持した担体b3におけるPtの含有量をICP発光分光分析装置を用いて測定したところ、担体b3の100質量部に対して0.4質量部であった。なお、Ptが担持した担体b3の組成は、ジニトロジアンミン白金溶液へ添加する前と同一であった。
また、Ptが担持した担体b3の粒度分布をPtが担持した担体b2の場合と同様の方法で測定したところ、平均粒子径(メジアン径)は0.09μmであった。
構造体[31]〜[35]は、同じものを2個ずつ作製した。
2 担体
4 活性金属
6 溶出由来成分
12 Pt粒子
14 溶出由来成分
16 担体
Claims (11)
- 溶出成分および/またはこれに由来する成分が、担体に担持した活性金属を、前記担体の表面に固定している触媒を含む排ガス浄化用触媒であって、
前記担体が、前記溶出成分を含む担体aと前記溶出成分を含まない担体bとからなり、
前記溶出成分および/またはこれに由来する成分が、前記担体aに担持した活性金属を前記担体aの表面に固定している触媒Aと、
前記溶出成分および/またはこれに由来する成分が、前記担体bに担持した活性金属を前記担体bの表面に固定している触媒Bと
を含み、
前記担体aは前記溶出成分、または前記溶出成分とその他成分とからなり、
前記溶出成分はBaAl2O4、Al(OH)3およびAlOOHからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、これらの合計含有率は前記担体aにおいて5〜100質量%であり、
前記その他成分は、
Ba、AlおよびZrならびにこれらの酸化物、
Ba、Al、Zrおよびこれらの酸化物ならびにアルカリ、アルカリ土類、希土類および遷移金属の少なくとも1つ、
Ba、Al、ZrおよびYならびにこれらの酸化物、または、
Ba、Al、Zr、Yおよびこれらの酸化物ならびにアルカリ、アルカリ土類、希土類および遷移金属の少なくとも1つであり、
前記担体bは酸化セリウムを主成分とし、
前記触媒Aと前記触媒Bとの合計質量に対する前記触媒Aの質量比(A/(A+B)×100)が20〜50質量%である、排ガス浄化用触媒。 - 前記担体aは前記溶出成分としてのBaAl2O4と、前記その他成分としてのBa、Al、ZrおよびYならびにこれらの酸化物とからなり、前記溶出成分は前記担体aにおいて18〜71質量%である、請求項1に記載の排ガス浄化用触媒。
- 溶出成分および/またはこれに由来する成分が、担体に担持した活性金属を、前記担体の表面に固定している触媒を含む排ガス浄化用触媒であって、
前記担体が、前記溶出成分を含む担体aと前記溶出成分を含まない担体bとからなり、
前記溶出成分および/またはこれに由来する成分が、前記担体aに担持した活性金属を前記担体aの表面に固定している触媒Aと、
前記溶出成分および/またはこれに由来する成分が、前記担体bに担持した活性金属を前記担体bの表面に固定している触媒Bと
を含み、
前記担体aは前記溶出成分、または前記溶出成分とその他の成分とからなり、
前記溶出成分はBaAl2O4、Al(OH)3およびAlOOHからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、これらの合計含有率は前記担体aにおいて5〜100質量%であり、
前記その他成分は、
Ba、AlおよびZrならびにこれらの酸化物、
Ba、Al、Zrおよびこれらの酸化物、ならびにアルカリ、アルカリ土類、希土類および遷移金属の少なくとも1つ、
Ba、Al、ZrおよびYならびにこれらの酸化物、または、
Ba、Al、Zr、Yおよびこれらの酸化物、ならびにアルカリ、アルカリ土類、希土類および遷移金属の少なくとも1つであり、
前記担体bがBa、AlおよびZrならびにこれらの酸化物、またはBa、Al、ZrおよびYならびにこれらの酸化物を主成分とし、
前記触媒Aと前記触媒Bとの合計質量に対する前記触媒Aの質量比(A/(A+B)×100)が15〜50質量%である、排ガス浄化用触媒。 - 前記担体aは前記溶出成分としてのBaAl2O4からなり、
前記担体bはBaAl12O19からなり、
前記触媒Aと前記触媒Bとの合計質量に対する前記触媒Aの質量比(A/(A+B)×100)が15〜30質量%である、請求項3に記載の排ガス浄化用触媒。 - 前記担体aは前記溶出成分としてのBaAl2O4からなり、
前記担体bはYSZからなり、
前記触媒Aと前記触媒Bとの合計質量に対する前記触媒Aの質量比(A/(A+B)×100)が20〜50質量%である、請求項3に記載の排ガス浄化用触媒。 - 前記活性金属が、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、AuおよびAgからなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする、請求項1〜5のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒。
- 排ガス浄化用の三元触媒である、請求項1〜6のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒を表面に有する、触媒担持構造体。
- 前記溶出成分を含む前記担体aおよび前記溶出成分を含まない前記担体bの各々の表面に前記活性金属を担持させる担持工程と、
前記活性金属を担持させた前記担体aおよび前記活性金属を担持させた前記担体bを、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程と、
前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体aおよび前記担体bの表面で固化して触媒Aおよび触媒Bを得る固化工程と
を備え、請求項1〜7のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒が得られる、排ガス浄化用触媒の製造方法。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒を、構造体の表面に付けて請求項8に記載の触媒担持構造体を得る工程を備える、触媒担持構造体の製造方法。
- 前記溶出成分を含む前記担体aおよび前記溶出成分を含まない前記担体bの各々の表面に前記活性金属を担持させる担持工程と、
前記活性金属を担持させた前記担体aおよび前記活性金属を担持させた前記担体bを、前記溶出成分を溶解する溶媒と接触させて、前記溶出成分の少なくとも一部を溶媒中へ溶出させる溶出工程と、
前記活性金属を担持した前記担体aおよび前記担体bを、前記溶出工程によって得られる前記溶媒とともに構造体と接触させ、その後、前記溶媒を除去することで、前記溶出成分および/またはこれに由来する成分を前記担体の表面で固化し、あわせて前記活性金属を担持した前記担体aおよび前記担体bを前記構造体の表面に付ける付着工程と
を備え、請求項1〜7のいずれかに記載の排ガス浄化用触媒を表面に有する触媒担持構造体が得られる、触媒担持構造体の製造方法。
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